專利名稱：基于機器視覺的液壓傳動式果樹疏花機和疏花方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域，具體涉及一種果樹疏花機及疏花方法，尤其涉及一種基于機器視覺的液壓傳動式果樹疏花機以及一種基于隨機模型虛擬實驗和機器視覺的果樹疏花方法，所述疏花機及疏花方法適用于蘋果樹、桃樹、梨樹等果樹的疏花作業(yè)。
背景技術(shù)：
果樹栽培的目的是收獲果實，而果實的形狀、大小和品質(zhì)則是衡量果實優(yōu)劣的重要指標(biāo)。針對果樹進行疏花作業(yè)可以調(diào)節(jié)樹體養(yǎng)分的相對平衡，有利于提高果品的產(chǎn)量和質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計，通過疏花能夠節(jié)約至少40%的多余花蕾爆放產(chǎn)生的果樹養(yǎng)分的損耗，使果樹養(yǎng)分可以集中供給未疏落的花和幼果。通過對果樹進行疏花作業(yè)，一方面減少了果園施肥量，降低了生產(chǎn)成本；另一方面確保未疏落的花果不再脫落，并且促使保存下來的果實大小均勻，提高了果實的產(chǎn)量和品質(zhì)，從而提高了經(jīng)濟收益。然而，果樹疏花是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中季節(jié)性強、勞動強度大且作業(yè)要求高的一個重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人們普遍采用手工對果樹進行疏花作業(yè)，這種疏花方式不但速度慢、效率低、疏花緩沖期短，而且對勞動力需求量較大，勞動力成本高?；瘜W(xué)疏花疏果技術(shù)在我國果園中的應(yīng)用也較為普遍，但這種方法容易造成果實農(nóng)藥殘留和生態(tài)環(huán)境污染。隨著人們對食品安全的重視和生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，近年來，疏花疏果作業(yè)的機械化配套技術(shù)得到了一定的發(fā)展。目前，常用的疏花疏果機大多數(shù)是采用刀片式單疏花頭的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，提高了作業(yè)效率，但作業(yè)角度不能調(diào)節(jié)且作業(yè)范圍小。專利申請201210132716.8公開了 “用于果樹疏花的便攜式電動設(shè)備”，包括電源、控制開關(guān)、手柄、電機、伸縮桿以及疏花棒；所述手柄固定連接在所述伸縮桿的尾部，且所述電機容納于所述手柄與所述伸縮桿之間的桿體內(nèi)；所述疏花棒可旋轉(zhuǎn)地連接在所述伸縮桿的頭部，并通過聯(lián)動桿連接至所述電機的輸出軸，疏花棒的表面上穿插有多根尼龍線。專利申請201110103322.5公開了 “一種超聲波對靶電動疏花疏果機”，包括工作架、轉(zhuǎn)軸、疏花疏果膠條組、超聲波傳感器組、疏 花疏果電動機、角度調(diào)節(jié)機構(gòu)、伸縮桿和控制機構(gòu)；所述工作架為一側(cè)開口的框形結(jié)構(gòu)，工作架的開口側(cè)設(shè)置轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上設(shè)置疏花疏果膠條組，轉(zhuǎn)軸一端設(shè)置疏花疏果電動機，工作架上設(shè)有超聲波傳感器組，角度調(diào)節(jié)機構(gòu)和伸縮桿分別設(shè)于工作架開口側(cè)下方端面上，伸縮桿一端與工作架連接，另一端為手持端，手持端設(shè)置控制機構(gòu)。然而，現(xiàn)有的疏花設(shè)備往往具備以下缺陷:(1)需要大量、反復(fù)的田間試驗來確定機械裝置中各個作業(yè)參數(shù)的最優(yōu)值，降低了果農(nóng)的經(jīng)濟效益，從而嚴重影響了果農(nóng)種植果樹的積極性；(2)不能將疏花裝置與目標(biāo)花朵精確匹配，從而在一定程度上降低了疏花作業(yè)的準(zhǔn)確度。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和實際應(yīng)用的需要，本發(fā)明提供了一種基于機器視覺的液壓傳動式果樹疏花機以及一種基于隨機模型虛擬實驗和機器視覺的果樹疏花方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是:基于機器視覺的液壓傳動式果樹疏花機，包括中央控制器、液壓裝置、圖像采集裝置和疏花裝置，所述中央控制器與液壓裝置、圖像采集裝置分別相連，并通過液壓裝置驅(qū)動疏花裝置；所述疏花裝置包括轉(zhuǎn)軸和設(shè)置在轉(zhuǎn)軸上的疏花膠條，所述轉(zhuǎn)軸的上端與支撐上橫梁固定連接，所述轉(zhuǎn)軸的下端與支撐下橫梁固定相連，所述支撐上橫梁和支撐下橫梁之間還設(shè)有支撐立柱；所述疏花裝置通過定軸與橫向移動導(dǎo)桿相連；所述液壓系統(tǒng)包括液壓缸a、液壓缸b和液壓馬達，所述轉(zhuǎn)軸通過液壓馬達與中央控制器相連，所述支撐立柱通過液壓缸b與橫向移動導(dǎo)桿固定相連以實現(xiàn)疏花裝置的旋轉(zhuǎn)運動，所述橫向移動導(dǎo)桿通過液壓缸a與橫向移動導(dǎo)軌滑動相連以實現(xiàn)疏花裝置的橫向移動。優(yōu)選的是，所述疏花膠條交錯分布在轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)，所述疏花膠條采用彈性模量為7.84 8.80 X IO3MPa的彈性材料，所述疏花膠條的直徑為2 8mm，長度為150 450mm，所述相鄰疏花膠條的間距為10 80mm。優(yōu)選的是，所述疏花膠條的材質(zhì)是橡膠、尼龍、塑料或者聚乙烯中的一種或幾種。優(yōu)選的是，所述圖像采集裝置設(shè)置在滑桿上，所述滑桿與支撐立柱固定相連；所述中央控制器中設(shè)置有圖像采集卡，并通過圖像采集卡與圖像采集裝置相連。優(yōu)選的是，所述圖像采集裝置與滑桿之間設(shè)有滑套，以實現(xiàn)圖像采集裝置沿滑桿的上下移動和轉(zhuǎn)動；中央控制器設(shè)置在固定支座上，并通過數(shù)據(jù)線與計算機相連?；陔S機模型虛擬實驗和機器視覺的果樹疏花方法，包括以下三個步驟:(一)建立隨機模型，進行虛擬實驗，得到使疏花機獲得最佳疏花效果的相應(yīng)參數(shù)；①建立果樹花朵分布的三維虛擬模型:根據(jù)公式(I)和公式(2)建立果樹花朵分布的馬爾科夫鏈隨機模型，可視化處理得到果樹花朵分布的三維虛擬模型；
權(quán)利要求
1.關(guān)于機器視覺的液壓傳動式果樹疏花機，其特征在于:包括中央控制器(14)、液壓裝置、圖像采集裝置(12)和疏花裝置，所述中央控制器(14)與液壓裝置、圖像采集裝置(12)分別相連，并通過液壓裝置驅(qū)動疏花裝置；所述疏花裝置包括轉(zhuǎn)軸(7)和設(shè)置在轉(zhuǎn)軸(7)上的疏花膠條(9)，所述轉(zhuǎn)軸(7)的上端與支撐上橫梁(6)固定連接，所述轉(zhuǎn)軸(7)的下端與支撐下橫梁(11)固定相連，所述支撐上橫梁(6 )和支撐下橫梁(11)之間還設(shè)有支撐立柱(5);所述疏花裝置通過定軸(10)與橫向移動導(dǎo)桿(I)相連；所述液壓系統(tǒng)包括液壓缸a(3)、液壓缸b (4)和液壓馬達(8)，所述轉(zhuǎn)軸(7)通過液壓馬達(8)與中央控制器(14)相連，所述支撐立柱(5 )通過液壓缸b (4 )與橫向移動導(dǎo)桿(I)固定相連以實現(xiàn)疏花裝置的旋轉(zhuǎn)運動，所述橫向移動導(dǎo)桿(I)通過液壓缸a (3)與橫向移動導(dǎo)軌(2)滑動相連以實現(xiàn)疏花裝置的橫向移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于機器視覺的液壓傳動式果樹疏花機，其特征在于:所述疏花膠條(9)交錯分布在轉(zhuǎn)軸(7)的兩側(cè)，所述疏花膠條(9)采用彈性模量為7.84 8.80 X IO3MPa的彈性材料，所述疏花膠條(9)的直徑為2 8mm，長度為150 450mm，所述相鄰疏花膠條(9)的間距為10 80mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于機器視覺的液壓傳動式果樹疏花機，其特征在于:所述疏花膠條(9)的材質(zhì)是橡膠、尼龍、塑料或者聚乙烯中的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任 意一項所述的基于機器視覺的液壓傳動式果樹疏花機，其特征在于:所述圖像采集裝置(12)設(shè)置在滑桿(16)上，所述滑桿(16)與支撐立柱(5)固定相連；所述中央控制器(14)中設(shè)置有圖像采集卡(13)，并通過圖像采集卡(13)與圖像采集裝置(12)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于機器視覺的液壓傳動式果樹疏花機，其特征在于:所述圖像采集裝置(12)與滑桿(16)之間設(shè)有滑套，以實現(xiàn)圖像采集裝置沿滑桿(16)的上下移動和轉(zhuǎn)動；中央控制器(14)設(shè)置在固定支座(15)上，并通過數(shù)據(jù)線與計算機相連。
6.關(guān)于隨機模型虛擬實驗和機器視覺的果樹疏花方法，其特征在于:包括以下三個步驟: (一)建立隨機模型，進行虛擬實驗，得到使疏花機獲得最佳疏花效果的相應(yīng)參數(shù)； ①建立果樹花朵分布的三維虛擬模型:根據(jù)公式(I)和公式(2)建立果樹花朵分布的馬爾科夫鏈隨機模型，可視化處理得到果樹花朵分布的三維虛擬模型；dj (u) = P (St+U+1 Φ j, St+U_v = j, V = 0，…，u-2 I St+1 = j, St 關(guān) j)，u = I, 2，...(I) 夂0,’)= P(X, =y S, =./XV^0O=I(2) 其中:d為狀態(tài)占據(jù)分布隨機函數(shù)，決定停留在狀態(tài)j的時間u ;i和j為狀態(tài)；u、V和t為時間；S為狀態(tài)過程函數(shù)；X為隨機事件函數(shù)；b為S和X決定的概率函數(shù)； ②建立果樹疏花裝置的三維虛擬模型； ③計算分析兩個模型之間的相互作用，得到使疏花機獲得最佳疏花效果的相應(yīng)參數(shù): (a)將步驟①和步驟②建立的兩個模型導(dǎo)入多體動力學(xué)分析系統(tǒng)中； (b)設(shè)置相關(guān)參數(shù):根據(jù)膠條的材料特性、幾何參數(shù)特性、分布特性、膠條的長度以及花朵的材料特性分別設(shè)定相應(yīng)參數(shù)；根據(jù)果樹疏花裝置的實際情況定義各零部件之間的約束類型；根據(jù)液壓馬達施加的驅(qū)動力設(shè)定轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速； (C)進行計算，并得到計算結(jié)果:疏花末端執(zhí)行件端點的速度，疏花末端執(zhí)行件在花朵上的作用力、力矩以及作用位點，疏花的位置和數(shù)量，每束花枝上的疏花數(shù)目和座花率； (d)根據(jù)公式(3)對步驟(C)得到計算結(jié)果進行評價，當(dāng)綜合影響指數(shù)ISZ為12 42時，得到使疏花機獲得最佳疏花效果的相應(yīng)參數(shù)，即膠條的直徑、膠條的長度、相鄰膠條的間距以及距轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速:
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于隨機模型虛擬實驗和機器視覺的果樹疏花方法，其特征在于:所述步驟(一)①中將馬爾科夫鏈隨機模型進行可視化處理得到三維虛擬模型中采用的是基于UG 二次開發(fā)技術(shù)應(yīng)用UG/OPEN 二次開發(fā)工具。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于隨機模型虛擬實驗和機器視覺的果樹疏花方法，其特征在于:所述步驟(一)②中建立果樹疏花裝置的三維虛擬模型采用的是UG軟件。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于隨機模型虛擬實驗和機器視覺的果樹疏花方法，其特征在于:所述步驟(一)③中分析計算分析兩個模型之間的相互作用采用的是ADAMS軟件。
全文摘要
基于機器視覺的液壓傳動式果樹疏花機，包括中央控制器、液壓裝置、圖像采集裝置和疏花裝置，所述中央控制器與液壓裝置、圖像采集裝置分別相連，并通過液壓裝置驅(qū)動疏花裝置；所述疏花裝置包括轉(zhuǎn)軸和設(shè)置在轉(zhuǎn)軸上的疏花膠條，所述轉(zhuǎn)軸的上端與支撐上橫梁固定連接，所述轉(zhuǎn)軸的下端與支撐下橫梁固定相連，所述支撐上橫梁和支撐下橫梁之間還設(shè)有支撐立柱；所述疏花裝置通過定軸與橫向移動導(dǎo)桿相連。本發(fā)明還公開了一種基于隨機模型虛擬實驗和機器視覺的果樹疏花方法。本發(fā)明所述的果樹疏花設(shè)備和疏花方法，避免了確定疏花設(shè)備作業(yè)參數(shù)的大量、反復(fù)的田間試驗，減少了不必要的試驗過程，從而提高了果農(nóng)的經(jīng)濟效益，保護了果農(nóng)種植果樹的積極性。
文檔編號A01G7/06GK103081730SQ20131004580
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者胡彩旗, 隋仁東 申請人:青島農(nóng)業(yè)大學(xué)