一种番茄侧枝智能修剪装置.pdf

19 中华人民共和国 国家知识产权局 12 发明专利申请 10 申请公布号 43 申请公布日 21 申请号 202010618327 0 22 申请日 2020 06 30 71 申请人 中国农业科 学院农业信息研究所 地址 100081 北京市海淀区中关村南大街 12号 72 发明人 刘继芳 吴建寨 孙伟 曹 姗 姗 张晶 张洪宇 王雍涵 朱孟帅 解影 74 专利代理机构 西安汇 恩知识产权代理事务 所 普通 合 伙 6124 4 代理人 张伟花 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 发明名称 一种番 茄侧枝智能修剪装置 57 摘要 本发明提供了一种番茄侧枝智能修剪装置 包 括安装在温室番茄种植大棚顶端的轨道 轨道 内设置有滑轮 滑轮的中间轴底端通过机械连接 件设置有支架 还固定有壳式主臂 两个壳式主 臂内分别转动连接有中臂 中臂的另一端转动连 接有小臂 支架的横杆中段还设置有定位模块和 激光雷达模块 定位模块 激光雷达模块 二次近 景摄像机和双目摄像机分别与中央处理单元之 间信号连接 通过双目摄像机识别 定位叶腋部 位 机械臂二固定住番茄植株主干 通过末端视 觉单元判断叶腋处是否 生长侧枝 从而进行修剪 或涂抹抑制剂 完成番茄侧枝的修剪工作 解决 番 茄日常管理中效率低 精度低的技 术难题 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 CN 111615946 A 2020 09 04 CN 111615946 A 1 一种番茄侧枝智能修剪装置 其特征在于 包括安装在温室番茄种植大棚顶端的轨 道 1 所述轨道 1 内设置有滑轮 13 所述滑轮 13 的中间轴底端通过机械连接件设置 有支架 11 所述支架 11 具体为带有两个支杆的倒 Y 型架 所述支架 11 的两个支杆的 底端分别固定有底座 10 所述底座 10 内转动连接有转轴 21 所述转轴 21 的底端分 别固定有壳式主臂 4 两个所述壳式主臂 4 内分别转动连接有中臂 16 所述中臂 16 的另一端转动连接有小臂 22 其中一个小臂 22 的尾端连接有双目摄像机 23 和第一机械手 5 所述第一机械手 5 的设置有两个手指端 且在其手指端分别设置有橡胶夹 24 另一个小臂 22 的尾端连接有二次近景摄像机 17 第二机械手 8 和第三机械手 9 所述第二机械手 8 设置有一个手指端且在其手指端分别设置有药棉 18 所述第三 机械手 9 设置有两个手指端 且在其手指端分别固定有修剪刀片 19 所述支架 11 的横杆中段还设置有定位模块 6 和激光雷达模块 7 所述定位模块 6 激光雷达模块 7 二次近景摄像机 17 和双目摄像机 23 分别与中央处理单元之间 信号连接 2 根据权利要求1所述的一种番茄侧枝智能修剪装置 其特征在于 所述机械连接件包 括第一机械连接杆 2 第二机械连接杆 3 和升降绳体 12 所述第一机械连接杆 2 的顶 端固定在滑轮 13 的中间轴底端 所述第一机械连接杆 2 的底端设置有升降绳体 12 所 述升降绳体 12 的另一端设置有第二机械连接杆 3 所述支架 11 与第二机械连接杆 3 之间固定连接 3 根据权利要求2所述的一种番茄侧枝智能修剪装置 其特征在于 所述升降绳体 12 具体为长度为4m的不锈钢钢丝绳 所述第一机械连接杆 2 和第二机械连接杆 3 均为长度 为0 2m的中空钢管 4 根据权利要求1所述的一种番茄侧枝智能修剪装置 其特征在于 连接双目摄像机 23 的小臂 22 的尾端还连接有第一辅助光源 25 连接二次近景摄像机 17 的小臂 22 的尾端连接有第二辅助光源 20 所述第一辅助光源 25 和第二辅助光源 20 分别与所述 中央处理单元之间信号连接 5 根据权利要求1所述的一种番茄侧枝智能修剪装置 其特征在于 所述轨道 1 沿番 茄种植大棚内垄向布设 且轨道 1 的间隔宽度与番茄种植垄间距相等 同时在轨道的一端 垂直其方向设置横向的连通轨道 用于组成轨道组 所述滑轮 13 是由轴承连接的两个相 同的滚轮组成 安装于轨道 1 内 且轴承中间焊接有中间杆 所述机械连接件的顶端固定 在中间杆的中间段 6 根据权利要求1所述的一种番茄侧枝智能修剪装置 其特征在于 所述支架 11 的横 杆长度设置在0 2 0 3m之间 7 根据权利要求1所述的一种番茄侧枝智能修剪装置 其特征在于 连接有二次近景摄 像机 17 的壳式主臂 4 与中臂 16 的连接处还设置有挂钩 14 和虹吸管 15 权 利 要 求 书 1 1 页 2 CN 111615946 A 一种番茄侧枝智能修剪装置 技术领域 0001 本发明属于番茄修剪装置技术领域 具体涉及一种番茄侧枝智能修剪装置 背景技术 0002 在番茄种植管理过程中 由于番茄生长旺盛 分枝能力极强 需要定期的进行侧枝 修整 以保证养分有效利用 减少能量浪费 提高番茄种植的经济效益 然而 很多种植户在 整枝打叉环节存在整枝过迟 用手掐除侧枝 病残枝处理不当等问题 不仅影响番茄植株生 长 还降低了番茄品质 对于规模化种植户来说 人工修剪大面积的番茄需要投入大量的人 力和物力 成本过高 研究并推广番茄自动化修剪技术 成为现阶段亟待解决的问题 针对 上述情况 本发明设计一种智能番茄侧枝修剪装置来解决上述问题 发明内容 0003 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足 提供一种番茄侧枝智 能修剪装置 以解决上述背景技术中提出的问题 0004 为解决上述技术问题 本发明采用的技术方案是 一种番茄侧枝智能修剪装置 包 括安装在温室番茄种植大棚顶端的轨道 所述轨道内设置有滑轮 所述滑轮的中间轴底端 通过机械连接件设置有支架 所述支架具体为带有两个支杆的倒 Y 型架 所述支架的两个 支杆的底端分别固定有底座 所述底座内转动连接有转轴 所述转轴的底端分别固定有壳 式主臂 两个所述壳式主臂内分别转动连接有中臂 所述中臂的另一端转动连接有小臂 0005 其中一个小臂的尾端连接有双目摄像机和第一机械手 所述第一机械手的设置有 两个手指端 且在其手指端分别设置有橡胶夹 0006 另一个小臂的尾端连接有二次近景摄像机 第二机械手和第三机械手 所述第二 机械手设置有一个手指端且在其手指端分别设置有药棉 所述第三机械手设置有两个手指 端 且在其手指端分别固定有修剪刀片 0007 所述支架的横杆中段还设置有定位模块和激光雷达模块 所述定位模块 激光雷 达模块 二次近景摄像机和双目摄像机分别与中央处理单元之间信号连接 0008 优选的 所述机械连接件包括第一机械连接杆 第二机械连接杆和升降绳体 所述 第一机械连接杆的顶端固定在滑轮的中间轴底端 所述第一机械连接杆的底端设置有升降 绳体 所述升降绳体的另一端设置有第二机械连接杆 所述支架与第二机械连接杆之间固 定连接 0009 优选的 所述升降绳体具体为长度为4m的不锈钢钢丝绳 所述第一机械连接杆和 第二机械连接杆均为长度为0 2m的中空钢管 0010 优选的 连接双目摄像机的小臂的尾端还连接有第一辅助光源 连接二次近景摄 像机的小臂的尾端连接有第二辅助光源 所述第一辅助光源和第二辅助光源分别与所述中 央处理单元之间信号连接 0011 优选的 所述轨道沿番茄种植大棚内垄向布设 且轨道的间隔宽度与番茄种植垄 说 明 书 1 5 页 3 CN 111615946 A 间距相等 同时在轨道的一端垂直其方向设置横向的连通轨道 用于组成轨道组 所述滑轮 是由轴承连接的两个相同的滚轮组成 安装于轨道内 且轴承中间焊接有中间杆 所述机械 连接件的顶端固定在中间杆的中间段 0012 优选的 所述支架的横杆长度设置在0 2 0 3m之间 0013 优选的 连接有二次近景摄像机的壳式主臂与中臂的连接处还设置有挂钩和虹吸 管 0014 本发明与现有技术相比具有以下优点 0015 本发明通过在番茄种植大棚顶部设置有轨道 将修剪设备通过滑轮滑动连接在大 棚顶部 使得修剪设备可折叠复位悬于温室上方 同时还设置有激光雷达模块和定位模块 用于采集装置下方作物种植和障碍物信息 将信息传输至中央处理单元 实现导航 路径规 划和自主升降 双目摄像机采用仰视角度采集番茄植株的图像信息 将采集到的番茄植株 图像信息传输至中央处理单元 中央处理单元利用训练已设定好的模型 识别番茄叶腋位 置同时控制机械手指一在叶腋生长点以上1 2cm位置固定住主干 二次近景摄像机在第二 辅助光源配合下 对叶腋部位侧枝生长点以上1cm处剪断 无侧枝的叶腋部位涂抹生长抑制 剂 延长修剪周期 底座处设有转轴 可实现360 旋转 实现番茄植株自动修剪的精度 最大 限度实现了精准高效的应用效果 为做好番茄自动修剪提供支持 附图说明 0016 图1是本发明整体结构示意图 0017 图2是本发明其中一个壳式主臂连接结构示意图 0018 图3是本发明另一个壳式主臂连接结构示意图 0019 附图标记说明 0020 1 轨道 2 第一机械连接杆 3 第二机械连接杆 4 壳式主臂 5 第一机械手 6 定 位模块 7 激光雷达模块 8 第二机械手 9 第三机械手 10 底座 11 支架 12 升降绳体 13 滑轮 14 挂钩 15 虹吸管 16 中臂 17 二次近景摄像机 18 药棉 19 修剪刀片 20 第 二辅助光源 21 转轴 22 小臂 23 双目摄像机 24 橡胶夹 25 第二辅助光源 具体实施方式 0021 下面将结合本发明实施例中的附图 对本发明实施例中的技术方案进行清楚 完 整地描述 显然 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例 而不是全部的实施例 基于 本发明中的实施例 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例 都属于本发明保护的范围 0022 如图1 3所示 本发明提供一种技术方案 一种番茄侧枝智能修剪装置 包括安装 在温室番茄种植大棚顶端的轨道1 所述轨道 沿番茄种植大棚内垄向布设 且轨道 的间隔 宽度与番茄种植垄间距相等 同时在轨道的一端垂直其方向设置横向的连通轨道 用于组 成轨道组 便于设备在番茄种植大棚内顶部活动 所述滑轮13是由轴承连接的两个相同的 滚轮组成 安装于轨道1内 在滑轮 3的作用下使得修剪装置在轨道组内移动 0023 滑轮13还通过链圈和链轮连接有驱动电机 驱动电机具体为伺服电机 伺服电机 与中央处理单元之间信号连接 用于精准的驱动滑轮13在轨道1内进行移动 且移动至需要 说 明 书 2 5 页 4 CN 111615946 A 修剪的位置 0024 轴承中间焊接有中间杆 所述机械连接件的顶端固定在中间杆的中间段 所述机 械连接件包括第一机械连接杆2 第二机械连接杆3和升降绳体12 所述第一机械连接杆 的 顶端固定在滑轮13的中间轴底端 所述第一机械连接杆2的底端设置有升降绳体12 具体为 第一机械连接杆2的底端设置有卷绳器 升降绳体12的顶端固定在卷绳器的卷轴上 所述升 降绳体12的另一端设置有第二机械连接杆3 升降绳体12收纳在第二机械连接杆3内 需要 调整升降绳体12的高度时 通过卷绳器即可带动升降绳体的卷起或放下 用于调整修剪装 置的整体的高度 同时升降绳体应凃有荧光材料或鲜艳颜色 避免人工与修剪装置同时工 作是发生误触 造成意外损失 0025 为了便于与番茄种植大棚配合使用 所述升降绳体12具体为长度为4m的不锈钢钢 丝绳 所述第一机械连接杆2和第二机械连接杆3均为长度为0 2m的中空钢管 0026 所述支架11与第二机械连接杆3之间固定连接 所述支架11具体为带有两个支杆 的倒 Y 型架 为了便于使两个机械臂可相互协调工作 所述支架11的横杆长度设置在0 2 0 3m之间 0027 所述支架11的两个支杆的底端分别固定有底座10 所述底座10内转动连接有转轴 21 所述转轴21的底端分别固定有壳式主臂4 两个所述壳式主臂4内分别转动连接有中臂 16 所述中臂16的另一端转动连接有小臂22 本实施例中所述壳式主臂4长度约0 25m 中臂 16长度0 15m 小臂22长度0 1m 中臂16和小臂22折叠后置于壳式主臂4内 整个装置小巧 灵活度高 精确度高 自动化程度高 0028 其中一个小臂22的尾端连接有双目摄像机23和第一机械手5 双目摄像机23是通 过仰视角度初步判断番茄植株整体结构 主要用于区分番茄主干和番茄侧枝 对一株番茄 所有叶腋进行初步空间定位 依次确定第一机械手5的抓握位置 连接双目摄像机23的小臂 22的尾端还连接有第一辅助光源25 所述第一机械手 的设置有两个手指端 且在其手指端 分别设置有橡胶夹24 用于完成番茄植株的抓握 0029 另一个小臂22的尾端连接有二次近景摄像机17 第二机械手8和第三机械手9 连 接二次近景摄像机17的小臂22的尾端连接有第二辅助光源20 所述第二机械手8设置有一 个手指端且在其手指端分别设置有药棉18 所述第三机械手9设置有两个手指端 且在其手 指端分别固定有修剪刀片19 0030 所述支架11的横杆中段还设置有定位模块6和激光雷达模块7 所述定位模块6 激 光雷达模块7 二次近景摄像机17 双目摄像机23 第一辅助光源25和第二辅助光源20分别 与中央处理单元之间信号连接 0031 中央处理单元为带有数据处理功能的计算机 且在其内预设有设定好的模型 具 体过程为 0032 S1 首先获取30000张温室和大田中番茄植株图片 对预处理后的番茄植株主干及 叶片和番茄侧枝图片进行标记 将标记好的样本按照5 1比例分为训练集和测试集 0033 S2 然后改进DeepLab模型并对其进行训练 其中 DeepLab模型由Google团队提 出 是一种被广泛应用的语义分割网络 选用GoogLeNet网络中的核心结构部分Inception 模块优化DeepLab模型网络结构以达到降低网络复杂度 将不同尺寸的卷积层和池化层堆 叠在一起 增加网络的宽度 将原本Inception模块中的5 5的卷积替换为连在一起的3 3卷 说 明 书 3 5 页 5 CN 111615946 A 积 进一步提升提取特征的能力 降低复杂度 0034 S3 使用改进后的Inception模块对DeepLab网络中的conv5卷积层进行修改 将 Pooling4输出的特征图接入改进后Inception模块 经改进后Inception模块处理后的输 出 接入ASPP模块 其中ASPP包括两个部分 多尺度空洞卷积和图像级特征 0035 多尺度空洞卷积包括 1 1的普通卷积 3 3空洞率为6的空洞卷积 3 3空洞率 为12的空洞卷积 3 3空洞率为18的空洞卷积 0036 图像级特征 对输入在 1 2 维上求均值 经过1 1的普通卷积 再使用线性差值 resize到输入图像的大小 最后将4个卷积和image level feature连接起来 最后再经过 一个1 1的卷积得到网络的输出 0037 改进后这部分的参数数量将由约708万减少至约104万 不到原有网络这部分的 15 在拥有优秀提取特征能力的基础上大幅度减小了参数的数量 使网络在训练中的性 能得到有效的提升 最后使用训练集对改进后的DeepLab模型进行训练 并用测试集对其进 行测试 当精度高于95 时用于所述番茄侧枝修剪装置进行番茄侧枝识别 0038 利用训练好的深度学习番茄植株识别方法 提取出目标侧枝图像 根据侧枝和番 茄植株主干及叶片的轮廓边界确定侧枝生长点的感兴趣区域 采用快速并行细化算法提取 侧枝枝条 利用Harris算法检测得到侧枝与植株主干之间的分叉点 并通过计算获得修剪 点位置信息 0039 定位模块6具体为GNSS 通过定位模块6和激光雷达模块7采集装置下方作物种植 和障碍物信息 将信息传输至中央处理单元 0040 所述双目摄像机23在第一辅助光源25的协助下采用仰视角度采集番茄植株的图 像信息 将采集到的番茄植株图像信息传输至中央处理单元 中央处理单元利用训练已设 定好的模型 识别番茄叶腋位置同时控制第一机械手5在叶腋生长点以上1 2cm位置通过 橡胶夹24固定住番茄主干 以便另一壳式主臂 进行精细操作 0041 然后中央处理单元控制二次近景摄像机17在辅助光源一20配合下 二次近景摄像 机17一方面是确定被第一机械手5固定位置附近的主干 叶片和侧枝的相对位置 区分叶片 与侧枝 精确定位侧枝在叶腋以上1cm处为修剪位置 避免将叶片误剪 另一方面精确定位 无侧枝的叶腋位置 从而使第二机械手8将生长抑制剂精确涂抹到可能萌生侧芽的部位 精 准控制抑制剂涂抹位置对叶腋部位侧枝生长点以上1cm处剪断 无侧枝的叶腋部位涂抹生 长抑制剂 延长修剪周期 0042 连接有二次近景摄像机17的壳式主臂4与中臂16的连接处还设置有挂钩14和虹吸 管15 所述挂钩14用于提取乘装生长抑制剂的药剂瓶 所述虹吸管15用于伸入药剂瓶底端 为涂药棉18提供药剂 当悬挂于挂钩14的药剂瓶需要更换时 装置移动至预设位置 第一机 械手5通过橡胶夹24夹住药剂瓶进行更换 0043 需要说明的是 在本文中 诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实 体或者操作与另一个实体或操作区分开来 而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存 在任何这种实际的关系或者顺序 而且 术语 包括 包含 或者其任何其他变体意在涵盖 非排他性的包含 从而使得包括一系列要素的过程 方法 物品或者设备不仅包括那些要 素 而且还包括没有明确列出的其他要素 或者是还包括为这种过程 方法 物品或者设备 所固有的要素 说 明 书 4 5 页 6 CN 111615946 A 0044 尽管已经示出和描述了本发明的实施例 对于本领域的普通技术人员而言 可以 理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化 修改 替换 和变型 本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定 说 明 书 5 5 页 7 CN 111615946 A 图1 图2 说 明 书 附 图 1 2 页 8 CN 111615946 A 图3 说 明 书 附 图 2 2 页 9 CN 111615946 A