基于YOLOv5 目标检测的机械臂精准授粉系统设计与试验

摘 要： 针对梨花人工授粉劳动强度大、效率低，机械授粉花粉用量大、成本高的问题，本文提出了一种结合YOLO深度目标检测算法和机械臂执行系统实现梨花精准授粉的方案。首先将整个系统拆分为深度相机感知模块、靶标授粉决策模块、机械臂执行模块，提出机械臂授粉的各模块融合技术路线。然后通过对深度相机和YOLOv5 目标检测算法的融合，检测系统输出靶标梨花的三维坐标位置。进一步通过坐标转换将不同坐标系下的坐标统一到机械臂基坐标下，实现将梨花的像素坐标值和深度值转化为梨花在基坐标系下的三维坐标。最后试验部分完成机械臂授粉执行并探究了机械臂授粉系统的准确性。结果表明，在试验环境下授粉的绝对误差平均值为3.83 mm。

关键词： 梨花授粉；靶标梨花识别；机械臂控制；深度相机

中图法分类号： S224.22 文献标识码： A 文章编号： 1000-2324（2024）03-0347-09

梨是中国的第三大水果，且大部分品种都是自花授粉，该方式会导致不结实或结实率低的问题。因此需要借助昆虫进行异花授粉，以保证梨的产量。据统计，异花授粉大约提高了全世界农业粮食生产总价值的7%-8%［1］，水果产量的35%［2］。但进入新世纪后，农药滥用、大气污染、气候条件、寄生虫、栖息地缺失和环境生态单一等因素导致授粉的限制从而降低梨树的产量［3-4］。因此探究有效的授粉模式对保证梨树产量至关重要。

目前，梨花授粉主要采用三种方式：昆虫自然授粉、人工授粉［5］和机械授粉。昆虫授粉是一种自然的方法，它依靠蜜蜂等昆虫振动花的花药采集花粉，然而昆虫很难维持和管理，它们的活动在夏季高温下减少，导致授粉效率降低。人工授粉须每1 到2 天进行一次以提高坐果率，因此授粉工作量较为庞大。

人工授粉成本低、步骤简单、坐果率高，但费时费力、效率极低［6］。许多研究证实了机械授粉的有效性，同时也兼具较低的成本和较高的坐果率的优势［7］。大多数机械授粉使用液体喷雾授粉，液体授粉也具有快速、简单的优点，使用简单的喷雾器、新改进的喷雾器或甚至背负式手动喷雾器都可进行液体授粉操作［8］。液体授粉技术也逐步在大型地面喷雾器中使用［9］。Shi 等人在猕猴桃授粉上评估了一种机电调节的机械液体授粉系统［10］，研究结果表明其坐果率与人工授粉相当，进一步验证了液体授粉的有效性。Sun 等人提出了一种基于超声波震动的自动授粉系统。该系统采用了一种特殊的超声波授粉器，通过超声波的振动将花粉喷射到花朵上。然而，液体授粉需要更长的时间来配置花粉溶液和花粉悬浊液［11，12］，且对花粉溶液和花粉悬浊液用量极高，使用效率低［13，14］。