獼猴桃對靶授粉方法研究與控制系統(tǒng)設(shè)計
劉世浩

（獼猴桃授粉）

【摘要】：獼猴桃為異花授粉作物,授粉作業(yè)質(zhì)量決定果實的產(chǎn)量與品質(zhì)。目前,我國授粉作業(yè)主要依賴人工,作業(yè)效率低、花粉消耗大、授粉效果難以保證。花朵識別與對靶噴射是高效授粉作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù),開發(fā)獼猴桃對靶授粉控制系統(tǒng)可以推動獼猴桃授粉裝備的智能化,在獼猴桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展中,具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的經(jīng)濟價值。本文以棚架式“海沃德”獼猴桃花朵為對象,開展了獼猴桃對靶授粉控制系統(tǒng)設(shè)計與研究。主要研究內(nèi)容如下:(1)明確Pixy相機最佳對焦距離范圍,改善花朵識別準(zhǔn)確率。通過Pixy相機成像面積與識別標(biāo)記面積的相對誤差分析,發(fā)現(xiàn)對焦距離在15~40 cm時,標(biāo)記面積與成像面積相對誤差值小于5%。依據(jù)獼猴桃花朵冠層分距地面垂直高度160~180 cm空間分布規(guī)律,確定Pixy相機進行棚架式獼猴桃花朵識別與定位的最佳安裝高度為距離地面140~145 cm。(2)確定Pixy相機圖像亮度調(diào)整依據(jù),并構(gòu)建成像亮度調(diào)整系統(tǒng),提高Pixy相機自然光照度適應(yīng)性。通過分析不同光照度條件的花朵圖像標(biāo)記準(zhǔn)確率,明確環(huán)境光照度與相機成像亮度間的調(diào)整關(guān)系式:y=-0.0015x+143.95。依據(jù)該關(guān)系式設(shè)計并構(gòu)建圖像亮度調(diào)整控制系統(tǒng),實現(xiàn)了Pixy相機成像亮度的實時自動調(diào)整,有效地提高了自然環(huán)境光照度條件下Pixy相機的識別效果,并使花朵圖像標(biāo)記準(zhǔn)確率可達到95%以上。(3)依據(jù)相機像素定位數(shù)據(jù),設(shè)計區(qū)域分割對靶控制算法,實現(xiàn)授粉噴嘴的對靶控制。通過噴嘴與相機空間布局,保證噴嘴噴射區(qū)域與相機視野的準(zhǔn)確匹配。以空間物理尺寸與圖像像素映射關(guān)系為依據(jù),通過分析像素平面中花朵可能分布情況,確定每一幀圖像中,花朵中心點的縱向坐標(biāo)值在0~20 pixel或縱向坐標(biāo)值在21~40 pixel且像素面積大于1256 pixel為噴霧靶標(biāo),可防止靶標(biāo)重復(fù)識別與漏識別;通過圖像像素與空間區(qū)域進行對應(yīng)轉(zhuǎn)換,將圖像像素平面的橫向劃分為三個區(qū)域,針對像素中心點橫坐標(biāo)在0~104 pixel、105~213 pixel、214~320 pixel的靶標(biāo),結(jié)合延時控制,分別延時打開噴嘴1、2、3進行授粉工作,可防止靶標(biāo)重復(fù)授粉與漏授粉。(4)設(shè)計對靶授粉控制系統(tǒng),完成硬件電路構(gòu)建與控制程序編寫。在明確對靶授粉控制系統(tǒng)總體要求的基礎(chǔ)上,完成對控制系統(tǒng)硬件選型,并通過Altium Designer 9對硬件電路進行設(shè)計。依據(jù)區(qū)域分割對靶控制算法,通過Arduino IDE完成了圖像亮度調(diào)節(jié)與花朵數(shù)據(jù)獲取模塊、底盤遙控控制模塊、延時時長獲取模塊與對靶授粉執(zhí)行模塊等子程序的開發(fā),以及對靶授粉控制系統(tǒng)總程序的設(shè)計與實現(xiàn)。(5)靶標(biāo)識別與對靶授粉驗證試驗。通過搭建對靶授粉試驗機和授粉環(huán)境,分別在高、中、低三種光照度下,對共270朵獼猴桃花進行對靶授粉驗證試驗。試驗結(jié)果顯示,靶標(biāo)識別率可達到93.7%,對靶命中率為83.3%。驗證了區(qū)域分割對靶控制算法的控制精度與對靶授粉控制系統(tǒng)的整體性能。

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