一種番茄側枝智能修剪裝置.pdf

19 中華人民共和國 國家知識產(chǎn)權局 12 發(fā)明專利申請 10 申請公布號 43 申請公布日 21 申請?zhí)?202010618327 0 22 申請日 2020 06 30 71 申請人 中國農(nóng)業(yè)科 學院農(nóng)業(yè)信息研究所 地址 100081 北京市海淀區(qū)中關村南大街 12號 72 發(fā)明人 劉繼芳 吳建寨 孫偉 曹 姍 姍 張晶 張洪宇 王雍涵 朱孟帥 解影 74 專利代理機構 西安匯 恩知識產(chǎn)權代理事務 所 普通 合 伙 6124 4 代理人 張偉花 51 Int Cl A01G 3 08 2006 01 A01G 7 06 2006 01 G01S 17 88 2006 01 G06T 7 73 2017 01 G06T 7 13 2017 01 H04N 7 18 2006 01 54 發(fā)明名稱 一種番 茄側枝智能修剪裝置 57 摘要 本發(fā)明提供了一種番茄側枝智能修剪裝置 包 括安裝在溫室番茄種植大棚頂端的軌道 軌道 內(nèi)設置有滑輪 滑輪的中間軸底端通過機械連接 件設置有支架 還固定有殼式主臂 兩個殼式主 臂內(nèi)分別轉動連接有中臂 中臂的另一端轉動連 接有小臂 支架的橫桿中段還設置有定位模塊和 激光雷達模塊 定位模塊 激光雷達模塊 二次近 景攝像機和雙目攝像機分別與中央處理單元之 間信號連接 通過雙目攝像機識別 定位葉腋部 位 機械臂二固定住番茄植株主干 通過末端視 覺單元判斷葉腋處是否 生長側枝 從而進行修剪 或涂抹抑制劑 完成番茄側枝的修剪工作 解決 番 茄日常管理中效率低 精度低的技 術難題 權利要求書1頁 說明書5頁 附圖2頁 CN 111615946 A 2020 09 04 CN 111615946 A 1 一種番茄側枝智能修剪裝置 其特征在于 包括安裝在溫室番茄種植大棚頂端的軌 道 1 所述軌道 1 內(nèi)設置有滑輪 13 所述滑輪 13 的中間軸底端通過機械連接件設置 有支架 11 所述支架 11 具體為帶有兩個支桿的倒 Y 型架 所述支架 11 的兩個支桿的 底端分別固定有底座 10 所述底座 10 內(nèi)轉動連接有轉軸 21 所述轉軸 21 的底端分 別固定有殼式主臂 4 兩個所述殼式主臂 4 內(nèi)分別轉動連接有中臂 16 所述中臂 16 的另一端轉動連接有小臂 22 其中一個小臂 22 的尾端連接有雙目攝像機 23 和第一機械手 5 所述第一機械手 5 的設置有兩個手指端 且在其手指端分別設置有橡膠夾 24 另一個小臂 22 的尾端連接有二次近景攝像機 17 第二機械手 8 和第三機械手 9 所述第二機械手 8 設置有一個手指端且在其手指端分別設置有藥棉 18 所述第三 機械手 9 設置有兩個手指端 且在其手指端分別固定有修剪刀片 19 所述支架 11 的橫桿中段還設置有定位模塊 6 和激光雷達模塊 7 所述定位模塊 6 激光雷達模塊 7 二次近景攝像機 17 和雙目攝像機 23 分別與中央處理單元之間 信號連接 2 根據(jù)權利要求1所述的一種番茄側枝智能修剪裝置 其特征在于 所述機械連接件包 括第一機械連接桿 2 第二機械連接桿 3 和升降繩體 12 所述第一機械連接桿 2 的頂 端固定在滑輪 13 的中間軸底端 所述第一機械連接桿 2 的底端設置有升降繩體 12 所 述升降繩體 12 的另一端設置有第二機械連接桿 3 所述支架 11 與第二機械連接桿 3 之間固定連接 3 根據(jù)權利要求2所述的一種番茄側枝智能修剪裝置 其特征在于 所述升降繩體 12 具體為長度為4m的不銹鋼鋼絲繩 所述第一機械連接桿 2 和第二機械連接桿 3 均為長度 為0 2m的中空鋼管 4 根據(jù)權利要求1所述的一種番茄側枝智能修剪裝置 其特征在于 連接雙目攝像機 23 的小臂 22 的尾端還連接有第一輔助光源 25 連接二次近景攝像機 17 的小臂 22 的尾端連接有第二輔助光源 20 所述第一輔助光源 25 和第二輔助光源 20 分別與所述 中央處理單元之間信號連接 5 根據(jù)權利要求1所述的一種番茄側枝智能修剪裝置 其特征在于 所述軌道 1 沿番 茄種植大棚內(nèi)壟向布設 且軌道 1 的間隔寬度與番茄種植壟間距相等 同時在軌道的一端 垂直其方向設置橫向的連通軌道 用于組成軌道組 所述滑輪 13 是由軸承連接的兩個相 同的滾輪組成 安裝于軌道 1 內(nèi) 且軸承中間焊接有中間桿 所述機械連接件的頂端固定 在中間桿的中間段 6 根據(jù)權利要求1所述的一種番茄側枝智能修剪裝置 其特征在于 所述支架 11 的橫 桿長度設置在0 2 0 3m之間 7 根據(jù)權利要求1所述的一種番茄側枝智能修剪裝置 其特征在于 連接有二次近景攝 像機 17 的殼式主臂 4 與中臂 16 的連接處還設置有掛鉤 14 和虹吸管 15 權 利 要 求 書 1 1 頁 2 CN 111615946 A 一種番茄側枝智能修剪裝置 技術領域 0001 本發(fā)明屬于番茄修剪裝置技術領域 具體涉及一種番茄側枝智能修剪裝置 背景技術 0002 在番茄種植管理過程中 由于番茄生長旺盛 分枝能力極強 需要定期的進行側枝 修整 以保證養(yǎng)分有效利用 減少能量浪費 提高番茄種植的經(jīng)濟效益 然而 很多種植戶在 整枝打叉環(huán)節(jié)存在整枝過遲 用手掐除側枝 病殘枝處理不當?shù)葐栴} 不僅影響番茄植株生 長 還降低了番茄品質 對于規(guī)?；N植戶來說 人工修剪大面積的番茄需要投入大量的人 力和物力 成本過高 研究并推廣番茄自動化修剪技術 成為現(xiàn)階段亟待解決的問題 針對 上述情況 本發(fā)明設計一種智能番茄側枝修剪裝置來解決上述問題 發(fā)明內(nèi)容 0003 本發(fā)明所要解決的技術問題在于針對上述現(xiàn)有技術的不足 提供一種番茄側枝智 能修剪裝置 以解決上述背景技術中提出的問題 0004 為解決上述技術問題 本發(fā)明采用的技術方案是 一種番茄側枝智能修剪裝置 包 括安裝在溫室番茄種植大棚頂端的軌道 所述軌道內(nèi)設置有滑輪 所述滑輪的中間軸底端 通過機械連接件設置有支架 所述支架具體為帶有兩個支桿的倒 Y 型架 所述支架的兩個 支桿的底端分別固定有底座 所述底座內(nèi)轉動連接有轉軸 所述轉軸的底端分別固定有殼 式主臂 兩個所述殼式主臂內(nèi)分別轉動連接有中臂 所述中臂的另一端轉動連接有小臂 0005 其中一個小臂的尾端連接有雙目攝像機和第一機械手 所述第一機械手的設置有 兩個手指端 且在其手指端分別設置有橡膠夾 0006 另一個小臂的尾端連接有二次近景攝像機 第二機械手和第三機械手 所述第二 機械手設置有一個手指端且在其手指端分別設置有藥棉 所述第三機械手設置有兩個手指 端 且在其手指端分別固定有修剪刀片 0007 所述支架的橫桿中段還設置有定位模塊和激光雷達模塊 所述定位模塊 激光雷 達模塊 二次近景攝像機和雙目攝像機分別與中央處理單元之間信號連接 0008 優(yōu)選的 所述機械連接件包括第一機械連接桿 第二機械連接桿和升降繩體 所述 第一機械連接桿的頂端固定在滑輪的中間軸底端 所述第一機械連接桿的底端設置有升降 繩體 所述升降繩體的另一端設置有第二機械連接桿 所述支架與第二機械連接桿之間固 定連接 0009 優(yōu)選的 所述升降繩體具體為長度為4m的不銹鋼鋼絲繩 所述第一機械連接桿和 第二機械連接桿均為長度為0 2m的中空鋼管 0010 優(yōu)選的 連接雙目攝像機的小臂的尾端還連接有第一輔助光源 連接二次近景攝 像機的小臂的尾端連接有第二輔助光源 所述第一輔助光源和第二輔助光源分別與所述中 央處理單元之間信號連接 0011 優(yōu)選的 所述軌道沿番茄種植大棚內(nèi)壟向布設 且軌道的間隔寬度與番茄種植壟 說 明 書 1 5 頁 3 CN 111615946 A 間距相等 同時在軌道的一端垂直其方向設置橫向的連通軌道 用于組成軌道組 所述滑輪 是由軸承連接的兩個相同的滾輪組成 安裝于軌道內(nèi) 且軸承中間焊接有中間桿 所述機械 連接件的頂端固定在中間桿的中間段 0012 優(yōu)選的 所述支架的橫桿長度設置在0 2 0 3m之間 0013 優(yōu)選的 連接有二次近景攝像機的殼式主臂與中臂的連接處還設置有掛鉤和虹吸 管 0014 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點 0015 本發(fā)明通過在番茄種植大棚頂部設置有軌道 將修剪設備通過滑輪滑動連接在大 棚頂部 使得修剪設備可折疊復位懸于溫室上方 同時還設置有激光雷達模塊和定位模塊 用于采集裝置下方作物種植和障礙物信息 將信息傳輸至中央處理單元 實現(xiàn)導航 路徑規(guī) 劃和自主升降 雙目攝像機采用仰視角度采集番茄植株的圖像信息 將采集到的番茄植株 圖像信息傳輸至中央處理單元 中央處理單元利用訓練已設定好的模型 識別番茄葉腋位 置同時控制機械手指一在葉腋生長點以上1 2cm位置固定住主干 二次近景攝像機在第二 輔助光源配合下 對葉腋部位側枝生長點以上1cm處剪斷 無側枝的葉腋部位涂抹生長抑制 劑 延長修剪周期 底座處設有轉軸 可實現(xiàn)360 旋轉 實現(xiàn)番茄植株自動修剪的精度 最大 限度實現(xiàn)了精準高效的應用效果 為做好番茄自動修剪提供支持 附圖說明 0016 圖1是本發(fā)明整體結構示意圖 0017 圖2是本發(fā)明其中一個殼式主臂連接結構示意圖 0018 圖3是本發(fā)明另一個殼式主臂連接結構示意圖 0019 附圖標記說明 0020 1 軌道 2 第一機械連接桿 3 第二機械連接桿 4 殼式主臂 5 第一機械手 6 定 位模塊 7 激光雷達模塊 8 第二機械手 9 第三機械手 10 底座 11 支架 12 升降繩體 13 滑輪 14 掛鉤 15 虹吸管 16 中臂 17 二次近景攝像機 18 藥棉 19 修剪刀片 20 第 二輔助光源 21 轉軸 22 小臂 23 雙目攝像機 24 橡膠夾 25 第二輔助光源 具體實施方式 0021 下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖 對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚 完 整地描述 顯然 所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例 而不是全部的實施例 基于 本發(fā)明中的實施例 本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例 都屬于本發(fā)明保護的范圍 0022 如圖1 3所示 本發(fā)明提供一種技術方案 一種番茄側枝智能修剪裝置 包括安裝 在溫室番茄種植大棚頂端的軌道1 所述軌道 沿番茄種植大棚內(nèi)壟向布設 且軌道 的間隔 寬度與番茄種植壟間距相等 同時在軌道的一端垂直其方向設置橫向的連通軌道 用于組 成軌道組 便于設備在番茄種植大棚內(nèi)頂部活動 所述滑輪13是由軸承連接的兩個相同的 滾輪組成 安裝于軌道1內(nèi) 在滑輪 3的作用下使得修剪裝置在軌道組內(nèi)移動 0023 滑輪13還通過鏈圈和鏈輪連接有驅動電機 驅動電機具體為伺服電機 伺服電機 與中央處理單元之間信號連接 用于精準的驅動滑輪13在軌道1內(nèi)進行移動 且移動至需要 說 明 書 2 5 頁 4 CN 111615946 A 修剪的位置 0024 軸承中間焊接有中間桿 所述機械連接件的頂端固定在中間桿的中間段 所述機 械連接件包括第一機械連接桿2 第二機械連接桿3和升降繩體12 所述第一機械連接桿 的 頂端固定在滑輪13的中間軸底端 所述第一機械連接桿2的底端設置有升降繩體12 具體為 第一機械連接桿2的底端設置有卷繩器 升降繩體12的頂端固定在卷繩器的卷軸上 所述升 降繩體12的另一端設置有第二機械連接桿3 升降繩體12收納在第二機械連接桿3內(nèi) 需要 調整升降繩體12的高度時 通過卷繩器即可帶動升降繩體的卷起或放下 用于調整修剪裝 置的整體的高度 同時升降繩體應凃有熒光材料或鮮艷顏色 避免人工與修剪裝置同時工 作是發(fā)生誤觸 造成意外損失 0025 為了便于與番茄種植大棚配合使用 所述升降繩體12具體為長度為4m的不銹鋼鋼 絲繩 所述第一機械連接桿2和第二機械連接桿3均為長度為0 2m的中空鋼管 0026 所述支架11與第二機械連接桿3之間固定連接 所述支架11具體為帶有兩個支桿 的倒 Y 型架 為了便于使兩個機械臂可相互協(xié)調工作 所述支架11的橫桿長度設置在0 2 0 3m之間 0027 所述支架11的兩個支桿的底端分別固定有底座10 所述底座10內(nèi)轉動連接有轉軸 21 所述轉軸21的底端分別固定有殼式主臂4 兩個所述殼式主臂4內(nèi)分別轉動連接有中臂 16 所述中臂16的另一端轉動連接有小臂22 本實施例中所述殼式主臂4長度約0 25m 中臂 16長度0 15m 小臂22長度0 1m 中臂16和小臂22折疊后置于殼式主臂4內(nèi) 整個裝置小巧 靈活度高 精確度高 自動化程度高 0028 其中一個小臂22的尾端連接有雙目攝像機23和第一機械手5 雙目攝像機23是通 過仰視角度初步判斷番茄植株整體結構 主要用于區(qū)分番茄主干和番茄側枝 對一株番茄 所有葉腋進行初步空間定位 依次確定第一機械手5的抓握位置 連接雙目攝像機23的小臂 22的尾端還連接有第一輔助光源25 所述第一機械手 的設置有兩個手指端 且在其手指端 分別設置有橡膠夾24 用于完成番茄植株的抓握 0029 另一個小臂22的尾端連接有二次近景攝像機17 第二機械手8和第三機械手9 連 接二次近景攝像機17的小臂22的尾端連接有第二輔助光源20 所述第二機械手8設置有一 個手指端且在其手指端分別設置有藥棉18 所述第三機械手9設置有兩個手指端 且在其手 指端分別固定有修剪刀片19 0030 所述支架11的橫桿中段還設置有定位模塊6和激光雷達模塊7 所述定位模塊6 激 光雷達模塊7 二次近景攝像機17 雙目攝像機23 第一輔助光源25和第二輔助光源20分別 與中央處理單元之間信號連接 0031 中央處理單元為帶有數(shù)據(jù)處理功能的計算機 且在其內(nèi)預設有設定好的模型 具 體過程為 0032 S1 首先獲取30000張溫室和大田中番茄植株圖片 對預處理后的番茄植株主干及 葉片和番茄側枝圖片進行標記 將標記好的樣本按照5 1比例分為訓練集和測試集 0033 S2 然后改進DeepLab模型并對其進行訓練 其中 DeepLab模型由Google團隊提 出 是一種被廣泛應用的語義分割網(wǎng)絡 選用GoogLeNet網(wǎng)絡中的核心結構部分Inception 模塊優(yōu)化DeepLab模型網(wǎng)絡結構以達到降低網(wǎng)絡復雜度 將不同尺寸的卷積層和池化層堆 疊在一起 增加網(wǎng)絡的寬度 將原本Inception模塊中的5 5的卷積替換為連在一起的3 3卷 說 明 書 3 5 頁 5 CN 111615946 A 積 進一步提升提取特征的能力 降低復雜度 0034 S3 使用改進后的Inception模塊對DeepLab網(wǎng)絡中的conv5卷積層進行修改 將 Pooling4輸出的特征圖接入改進后Inception模塊 經(jīng)改進后Inception模塊處理后的輸 出 接入ASPP模塊 其中ASPP包括兩個部分 多尺度空洞卷積和圖像級特征 0035 多尺度空洞卷積包括 1 1的普通卷積 3 3空洞率為6的空洞卷積 3 3空洞率 為12的空洞卷積 3 3空洞率為18的空洞卷積 0036 圖像級特征 對輸入在 1 2 維上求均值 經(jīng)過1 1的普通卷積 再使用線性差值 resize到輸入圖像的大小 最后將4個卷積和image level feature連接起來 最后再經(jīng)過 一個1 1的卷積得到網(wǎng)絡的輸出 0037 改進后這部分的參數(shù)數(shù)量將由約708萬減少至約104萬 不到原有網(wǎng)絡這部分的 15 在擁有優(yōu)秀提取特征能力的基礎上大幅度減小了參數(shù)的數(shù)量 使網(wǎng)絡在訓練中的性 能得到有效的提升 最后使用訓練集對改進后的DeepLab模型進行訓練 并用測試集對其進 行測試 當精度高于95 時用于所述番茄側枝修剪裝置進行番茄側枝識別 0038 利用訓練好的深度學習番茄植株識別方法 提取出目標側枝圖像 根據(jù)側枝和番 茄植株主干及葉片的輪廓邊界確定側枝生長點的感興趣區(qū)域 采用快速并行細化算法提取 側枝枝條 利用Harris算法檢測得到側枝與植株主干之間的分叉點 并通過計算獲得修剪 點位置信息 0039 定位模塊6具體為GNSS 通過定位模塊6和激光雷達模塊7采集裝置下方作物種植 和障礙物信息 將信息傳輸至中央處理單元 0040 所述雙目攝像機23在第一輔助光源25的協(xié)助下采用仰視角度采集番茄植株的圖 像信息 將采集到的番茄植株圖像信息傳輸至中央處理單元 中央處理單元利用訓練已設 定好的模型 識別番茄葉腋位置同時控制第一機械手5在葉腋生長點以上1 2cm位置通過 橡膠夾24固定住番茄主干 以便另一殼式主臂 進行精細操作 0041 然后中央處理單元控制二次近景攝像機17在輔助光源一20配合下 二次近景攝像 機17一方面是確定被第一機械手5固定位置附近的主干 葉片和側枝的相對位置 區(qū)分葉片 與側枝 精確定位側枝在葉腋以上1cm處為修剪位置 避免將葉片誤剪 另一方面精確定位 無側枝的葉腋位置 從而使第二機械手8將生長抑制劑精確涂抹到可能萌生側芽的部位 精 準控制抑制劑涂抹位置對葉腋部位側枝生長點以上1cm處剪斷 無側枝的葉腋部位涂抹生 長抑制劑 延長修剪周期 0042 連接有二次近景攝像機17的殼式主臂4與中臂16的連接處還設置有掛鉤14和虹吸 管15 所述掛鉤14用于提取乘裝生長抑制劑的藥劑瓶 所述虹吸管15用于伸入藥劑瓶底端 為涂藥棉18提供藥劑 當懸掛于掛鉤14的藥劑瓶需要更換時 裝置移動至預設位置 第一機 械手5通過橡膠夾24夾住藥劑瓶進行更換 0043 需要說明的是 在本文中 諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實 體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來 而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存 在任何這種實際的關系或者順序 而且 術語 包括 包含 或者其任何其他變體意在涵蓋 非排他性的包含 從而使得包括一系列要素的過程 方法 物品或者設備不僅包括那些要 素 而且還包括沒有明確列出的其他要素 或者是還包括為這種過程 方法 物品或者設備 所固有的要素 說 明 書 4 5 頁 6 CN 111615946 A 0044 盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例 對于本領域的普通技術人員而言 可以 理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化 修改 替換 和變型 本發(fā)明的范圍由所附權利要求及其等同物限定 說 明 書 5 5 頁 7 CN 111615946 A 圖1 圖2 說 明 書 附 圖 1 2 頁 8 CN 111615946 A 圖3 說 明 書 附 圖 2 2 頁 9 CN 111615946 A