基于改进YOLOv5s的轻量化金银花识别方法

为提高金银花采摘机器人的工作效率和采摘精度,实现将模型方便快速部署到移动端,该研究提出一种基于改进YOLOv5s的轻量化金银花识别方法。用EfficientNet的主干网络替换YOLOv5s的Backbone层,并在改进之后的Backbone层加入原YOLOv5s的SPPF特征融合模块,减少了模型的参数量和计算量,同时降低模型权重的大小,便于之后移动端的部署;其次,为提高模型对于金银花的识别效果,该研究在Neck层中用CARAFE上采样模块替换原始模型中的上采样模块,在略微提高参数量的前提下提高了模型识别金银花的精确度和平均精度,提高了采摘效率。试验结果显示,改进后的轻量化模型参数量仅为3.89 × 10⁶ M,为原始YOLOv5s模型的55.5%;计算量仅为7.8 GFLOPs,为原始模型的49.4%;权重仅为7.8 MB,为原始模型的57.4%,并且精确度和平均精度达到了90.7%和91.8%,相比原始YOLOv5s模型分别提高1.9和0.6个百分点。改进后的轻量化模型与当前主流的Faster-RCNN、SSD、YOLO系列目标检测模型相比,不但提高了检测精度,还大幅减少了模型的参数量、计算量和权重大小,研究结果为后续金银花采摘机器人的识别和移动端的部署提供了参考和依据。     

改进YOLOv5s和迁移学习对番茄穴盘苗的分级检测

为了提高番茄穴盘苗分级检测精度,该研究提出了改进YOLOv5s目标检测模型,并通过迁移学习对番茄穴盘病苗识别精度进行优化。采用轻量级网络EfficientNetv2的Backbone部分作为特征提取网络,保留YOLOv5s中的SPPF空间金字塔池化模块,压缩模型参数数量以减少计算量;更改模型Neck部分原始上采样模块为CARAFE轻量级上采样模块,在引入很少参数量的情况下提高模型精度;同时将PANet替换为BiFPN,引入特征权重信息,增强不同尺度特征融合能力;引入有效多尺度注意力机制(efficient multi-scale attention,EMA),提高对番茄苗的关注,减少背景干扰;替换CIoU损失函数为SIoU损失函数,考虑真实框与预测框之间的方向匹配,提高模型收敛效果。试验结果表明,改进的YOLOv5s目标检测模型经过迁移学习训练后,平均精度均值达到95.6%,较迁移学习前提高了0.7个百分点;与原YOLOv5s模型相比,改进YOLOv5s模型平均精度均值提升2.6个百分点;改进YOLOv5s模型的参数量、计算量和权重大小分别为原YOLOv5s模型的53.1%、20.0%...     

基于改进型YOLOv4的果园障碍物实时检测方法

针对农业机器人在复杂的果园环境中作业时需要精确快速识别障碍物的问题,该研究提出了一种改进型的YOLOv4目标检测模型对果园障碍物进行分类和识别。为了减少改进后模型的参数数量并提升检测速度,该研究使用了深度可分离卷积代替模型中原有的标准卷积,并将主干网络CSP-Darknet中的残差组件(Residual Unit)改进为逆残差组件(Inverted Residual Unit)。此外,为了进一步增强模型对目标密集区域的检测能力,使用了软性非极大值抑制(Soft DIoU-Non-Maximum Suppression,Soft-DIoU-NMS)算法。为了验证该研究所提方法的有效性,选取果园中常见的3种障碍物作为检测对象制作图像数据集,在Tensorflow深度学习框架上训练模型。然后将测试图片输入训练好的模型中检测不同距离下的目标障碍物,并在同一评价指标下,将该模型的测试结果与改进前YOLOv4模型的测试结果进行评价对比。试验结果表明,改进后的YOLOv4果园障碍物检测模型的平均准确率和召回率分别为96.92%和91.43%,视频流检测速度为58.5帧/s,相比于原模型,改进后的模型在不损失精度的情况下,将模型大小压缩了75%,检测速度提高了29.4%。且改进后的模型具有鲁棒性强、实时性更好、轻量化的优点,能够更好地实现果园环境下障碍物的检测,为果园智能机器人的避障提供了有力的保障。     

面向复杂田间收获作业的轻量化三七目标检测方法

针对目前三七检测算法在复杂田间收获工况下检测精度低、模型复杂度大、移动端部署难等问题,该研究提出一种基于YOLOv5s的轻量化三七目标检测方法。首先,采用GSConv卷积方法替换原始颈部网络的传统卷积,引入Slim-neck轻量级颈部网络,降低了模型复杂度,同时提升了模型精度;其次,使用ShuffleNetv2轻量型特征提取网络对主干网络进行轻量化改进,提升了模型实时检测性能,并采用角度惩罚度量的损失（SIoU）优化边界框损失函数,提升了轻量化后的模型精度和泛化能力。试验结果表明,改进后的PN-YOLOv5s模型参数量、计算量、模型大小分别为原YOLOv5s模型的46.65%、34.18%和48.75%,检测速度提升了1.2倍,F₁值较原始模型提升了0.22个百分点,平均精度均值达到了94.20%,较原始模型低0.6个百分点,与SSD、Faster R-CNN、YOLOv4-tiny、YOLOv7-tiny和YOLOv8s模型相比能够更好地平衡检测精度与速度,检测效果更好。台架试验测试结果表明,4种输送分离作业工况下三七目标检测的准确率达90%以上,F₁值达86%以上,平均精度均值达87%以上,最低检测速度为105帧/s,实际收获工况下模型的检测性能良好,可为后续三七收获作业质量实时监测与精准分级输送提供技术支撑。     

基于改进YOLOv5s的河蟹与饵料检测方法

针对目前在水下复杂环境中池塘养殖河蟹与饵料的检测算法存在检测精度低、速度慢等问题,该研究提出了基于改进YOLOv5s（you only look once version 5 small）的河蟹与饵料检测方法。首先,采用轻量化卷积Ghost替换普通卷积,同时利用GhostBottleneck结构替换原主干网络中的残差结构快速提取网络特征,减少模型计算量,满足安卓端的应用要求。其次,为了弥补因网络参数量减少造成网络检测精度稍有降低的问题,借鉴BiFPN（bidirectional feature pyramid network）的思想改进原始YOLOv5s的双向融合骨干网络,以较低的计算成本提高网络对小目标的检测精度。此外,为了帮助网络进一步更好地识别目标,加入了CA（coordinate attention）注意力机制,使得图像中感兴趣的区域能够更准确地被捕获。试验结果表明：该研究改进模型平均精度均值为96.9%,计算量为8.5GFLOPs,与当前主流的单阶段有锚框目标检测算法SSD（single shot multibox detector）和YOLOv3相比,具有更高的检测精度以及更少的计算量。相比于原始YOLOv5s模型,本文改进模型平均精度均值提高了2.2个百分点,计算量和模型内存都降低了40%以上。最后,将改进前后的模型部署到安卓设备上测试。测试结果表明：改进后模型的平均检测速度为148ms/帧,相较于原始模型检测速度提高了20.9%,并且保持了较好的检测效果,平衡了安卓设备对模型检测精度以及速度的性能需求,能够为河蟹养殖投饵量的精准确定提供参考。     

农业车辆双目视觉障碍物感知系统设计与试验

为保证智能化农业机械在自主导航过程中的安全可靠性,该研究将嵌入式AI计算机Jetson TX2作为运算核心,设计一套基于双目视觉的农业机械障碍物感知系统。使用深度卷积神经网络对作业环境中的障碍物进行识别,并提出一种基于改进YOLOv3的深度估计方法。将双目相机抓取的左右图像分别输入至改进的YOLOv3模型中进行障碍物检测,并将输出的目标检测框信息进行目标匹配和视差计算,完成对障碍物的识别、定位和深度估计。试验结果表明,该系统能够对障碍物进行准确识别,平均准确率和召回率分别达到89.54%和90.18%;改进YOLOv3模型的深度估计误差均值、误差比均值较原始YOLOv3模型分别降低25.69%、25.65%,比Hog+SVM方法分别降低41.9%、41.73%;动态场景下系统对障碍物深度估计的平均误差比为4.66%,平均耗时0.573s,系统在深度预警时能够及时开启电控液压转向模块进行安全避障。研究结果可为农业机械的自主导航提供有效的环境感知依据。     

基于YOLOv5s的农田垃圾轻量化检测方法

针对目前垃圾检测算法在农田复杂环境下检测精度不高、检测效率低,模型复杂等问题,该研究提出了基于YOLOv5s的农田垃圾轻量化检测方法。首先,使用轻量级分类网络ShuffleNetV2的构建单元作为特征提取网络,降低模型的计算量和参数量,提高运行速度,以满足移动端的应用要求;其次,为应对模型轻量化后带来的检测精度降低,该文相继对ShuffleNetV2的构建单元进行了卷积核扩大化改进和激活函数优化,在增加部分计算量的前提下提高了模型精度;此外,为增强模型在田间环境下对目标的精准定位能力,该研究针对边界框损失函数进行了优化,将CIoU边界框损失函数高宽纵横比的损失项拆分为预测框的高宽分别与最小外接框高宽的差值,然后通过不断迭代减小差值,提高模型的收敛速度和回归精度。试验结果显示,最终的改进模型检测精度达到了90.9%,此时检测速度为74 ms/帧,计算量仅为3.6 GFLOPs,与当前主流的目标检测算法SSD、YOLOv3等相比,不仅具有更优越的检测精度和推理速度,同时还大幅减少了计算量;最后,将改进前后的模型部署到Jetson TX1和Raspberry 4B 两种边缘计算设备上进行测试,测试结果表明,改进后的YOLOv5s模型在边缘计算设备上的检测速度相对原模型提高了至少20%,同时保持了较好的检测效果,平衡了边缘计算设备对精度和速度的性能需求,为田间垃圾检测任务提供了参考。     

快速精准识别棚内草莓的改进YOLOv4-Tiny模型

为了实现棚内草莓果实的快速精准识别,该研究提出一种基于改进YOLOv4-Tiny的草莓检测模型。首先,为了大幅度减少模型计算量,采用轻量型网络GhostNet作为特征提取网络,并在GhostBottleneck结构中嵌入卷积注意力模块以加强网络的特征提取能力;其次,在颈部网络中添加空间金字塔池化模块和特征金字塔网络结构,融合多尺度特征提升小目标草莓的检测效果;最后,采用高效交并比损失作为边界框回归损失函数,加速网络收敛并提高模型的检测准确率。结果表明,改进YOLOv4-Tiny模型权重大小仅为4.68 MB,平均每幅图片的检测时间为5.63 ms,在测试集上的平均精度均值达到92.62%,相较于原YOLOv4-Tiny模型提升了5.77个百分点。与主流的目标检测模型SSD、CenterNet、YOLOv3、YOLOv4和YOLOv5s相比,改进YOLOv4-Tiny模型平均精度均值分别高出9.11、4.80、2.26、1.22、1.91个百分点,并且模型权重大小和检测速度方面均具有绝对优势,该研究可为后续果实智能化采摘提供技术支撑。     

基于YOLOv5s-ESTC的肉苁蓉检测

为了解决因梭梭和红柳等宿主遮挡、样本分布密集、样本大小不均衡等造成人工种植肉苁蓉检测精度低以及模型参数量过大难以向嵌入式设备移植等问题,该研究提出一种基于改进YOLOv5s的人工种植肉苁蓉轻量化检测方法。首先,将YOLOv5s的主干网络替换为EfficientNetv2网络,以减少模型参数量和计算复杂度进而实现模型轻量化,便于后期将模型向嵌入式设备部署;其次,为了增强模型对小目标肉苁蓉特征信息的提取能力,将C3模块与Swin Transformer Block进行整合,得到C3STR模块,将其引入主干网络,并将其输出的特征图与Neck网络中的特征图进行融合;最后,在检测头前端与颈项加强网络之间添加CA注意力机制,以弱化背景信息、聚焦目标特征,提高网络检测性能。试验结果表明,该模型对于肉苁蓉的检测精度和准确率分别为89.8%和92.3%,模型的参数量和计算量分别为5.69×10⁶ MB和6.8 GB,权重文件大小为11.9 MB,单幅图像推理时间为8.9 ms,能够实现实时性检测。同其他主流模型相比,改进后的模型的检测精度分别比SSD、Faster R-CNN、YO...     

基于改进YOLOv5s的苹果叶片小目标病害轻量化检测方法

为解决自然环境中苹果叶片病害检测场景复杂、小目标病害检测难度高以及模型参数大无法在移动端和嵌入式设备部署等问题,提出一种基于YOLOv5s的苹果叶片小目标病害轻量化检测方法。该方法将YOLOv5s的骨干网络更改为ShuffleNet v2轻量化网络,引入CBAM（convolutional block attention module）注意力模块使模型关注苹果叶片小目标病害,添加改进RFB-s（receptive field block-s）支路获取多尺度特征,提高苹果叶片病害检测精度,并更改边界框回归损失函数为SIoU（scylla-intersection over union）,增强病斑定位能力。试验表明改进后的YOLOv5s模型在IoU大于0.5时的平均精度均值（mean average precision,mAP_0.5）和每秒传输帧数（frame per second,FPS）分别达到90.6%和175帧/s,对小目标的平均检测准确率为38.2%,与基准模型YOLOv5s相比,其mAP_0.5提升了0.8个百分点,参数量减少了6.17 MB,计算量减少了13.8 G,对小目标的检测准确率提高了3个百分点。改进后的YOLOv5s目标检测模型与Faster R-CNN、SSD、YOLOv5m、YOLOv7、YOLOv8和YOLOv5s目标检测模型相比,具有最小的参数量和计算量,对小目标病害叶斑病和锈病的检测准确率分别提高了1.4、4.1、0.5、5.7、3.5、3.9和1.5、4.3、1.2、2.1、4、2.6个百分点,该方法为真实自然环境下苹果叶片病害尤其是小目标病害的轻量化检测提供参考依据。     

基于改进YOLOv3的果树树干识别和定位

为提高果园机器人自主导航和果园作业的质量、效率,该研究提出一种基于改进YOLOv3算法对果树树干进行识别,并通过双目相机进行定位的方法。首先,该算法将SENet注意力机制模块融合至Darknet53特征提取网络的残差模块中,SENet模块可增强有用特征信息提取,压缩无用特征信息,进而得到改进后残差网络模块SE-Res模块;其次,通过K-means聚类算法将原始YOLOv3模型的锚框信息更新。果树树干定位通过双目相机的左、右相机对图像进行采集,分别传输至改进YOLOv3模型中进行果树树干检测,并输出检测框的信息,再通过输出的检测框信息对左、右相机采集到的果树树干进行匹配;最后,通过双目相机三角定位原理对果树树干进行定位。试验表明,该方法能较好地对果树树干进行识别和定位,改进YOLOv3模型平均精确率和平均召回率分别为97.54%和91.79%,耗时为0.046 s/帧。在果树树干定位试验中,横向和纵向的定位误差均值分别为0.039 和0.266 m,误差比均值为3.84%和2.08%;与原始YOLOv3和原始SSD模型相比,横向和纵向的定位误差比均值分别降低了15.44、14.17个百分点和21.58、20.43个百分点。研究结果表明,该方法能够在果园机器人自主导航、开沟施肥、割草和农药喷洒等作业中进行果树识别和定位,为提高作业效率、保障作业质量奠定理论基础。     

基于FIA*-APF算法的蟹塘投饵船动态路径规划

为了提高无人投饵船在含障碍物河蟹养殖池塘自主巡航的作业效率和安全性,该研究提出基于改进A*算法与人工势场法相融合（fusion of improved A* and artificial potential field,FIA*-APF）的蟹塘投饵船动态路径规划算法。首先引入动态加权因子优化A*算法评价函数;其次加入转折惩罚函数并删除冗余点,接着利用B样条曲线对全局路径进行平滑处理;最后将改进A*算法得到的全局路径作为改进人工势场法中的引力路径,生成投饵船自主巡航高效路径。根据养殖池塘创建静态和动态2种仿真环境,分别对传统人工势场法（traditional artificial potential field,TAPF）、基于A*和人工势场法的融合算法（the A* and artificial potential field,TA*-APF）和FIA*-APF算法的性能进行20次测试。仿真试验结果表明：2种环境下,FIA*-APF算法的平均规划时间是TAPF算法的17.23%,是TA*-APF算法的51.96%,平均指令节点数量比TAPF算法减少50.64%,比TA*-APF算法减少65.03%,平均路径长度比TA*-APF算法减少2.82%。蟹塘试验结果表明：FIA*-APF算法的规划时间为TAPF算法的38.16%,为TA*-APF的62.42%,路径长度比TAPF算法减少29.13%,比TA*-APF减少10.15%;另外,TAPF和TA*-APF算法规划路径上大于60°的转角分别是FIA*-APF算法的3.28和2.62倍,大于100°的转角分别是FIA*-APF算法的3.73和1.67倍,该研究算法规划的路径更高效平滑。研究结果可为无人投饵船自主导航提供参考。     

基于改进YOLOv4模型的橙果识别与定位方法

为提高橙果采摘定位精度和作业速度,提出一种便于迁移至移动终端的改进YOLOv4模型,可从RealSense深度相机所成彩色图像中获取果实质心二维坐标,经配准提取对应深度图中质心点深度值,实现果实的三维空间定位。改进YOLOv4模型以MobileNet v2为主干网络,在颈部结构中使用深度可分离卷积替换普通卷积,实现模型轻量化并提高检测速度。训练后的改进模型对513张独立橙果测试集数据的识别平均精度达97.24%,与原始YOLOv4模型相比,平均检测时间减少11.39 ms,模型大小减少197.5 M。与经典Faster RCNN、SSD模型相比,检测平均精度分别提高了2.85和3.30个百分点,模型大小分别减少了474.5和44.1 M。与轻量化模型YOLOv4-tiny相比,召回率提升了4.79个百分点,较Ghostnet-YOLOv4,检测速度提升了27.64个百分点。为验证该改进算法实用性,应用改进模型获取果园中78个橙果的位置信息,结果表明：果实二维识别成功率达98.72%,水平方向及垂直方向的平均绝对百分比误差均在1%以内。果实三维定位成功率达96.15%,深度信息平均绝对百分比误差为2.72%,满足采摘机械手精准定位需求。该方法为复杂场景下采摘作业实现提供了鲁棒性强、实时性好、精准度高的目标定位途径。     

基于改进YOLOv8模型的轻量化板栗果实识别方法

为实现自然环境下的板栗果实目标快速识别，该研究以湖北省种植板栗为研究对象，提出了一种基于改进YOLOv8模型的栗果识别方法YOLOv8-PBi。首先，将部分卷积（partial convolution，PConv）引入C2f模块中，缩减卷积过程中的浮点数和计算量；其次，引入加权双向特征金字塔网络（bidirectional feature pyramid network，BiFPN），增强多尺度特征融合性能，最后，更改边界框损失函数为动态非单调聚焦机制WIoU（wise intersection over union，WIoU），提高模型收敛速度，进一步提升模型检测性能。试验结果表明，改进YOLOv8-PBi模型准确率、召回率和平均精度分别为89.4%、74.9%、84.2%；相比原始基础网络YOLOv8s，模型权重减小46.22%，准确率、召回率和平均精度分别提升1.3、1.5、1.8个百分点。部署模型至边缘嵌入式设备上，经过TensorRT加速后，检测帧率达到43 帧/s。该方法可为板栗智能化收获过程中的栗果识别提供技术基础。     

无人驾驶农机自主作业路径规划方法

针对无人驾驶农机自主作业的应用需求,该研究设计了一种基于区块套行作业模式的路径规划方法,以生成含有速度指令和机具状态指令的可执行路径,重点解决田内作业的四边形地块适应性、无人驾驶农机适应性和农田作业路径完整规划等问题。该方法由农田信息处理模块和路径规划模块组成,农田信息处理模块将测绘产生的地块轮廓数据和障碍物数据处理为便于运算的地块轮廓点数据和障碍物轮廓点数据形式,然后由路径规划模块利用用户输入的作业方向、作业幅宽、转弯半径和起始方位等作业参数,经过作业梯形区生成、掉头区与作业区划分、作业条带分割、障碍物条带处理、作业条带路由、掉头路径生成和最终指令路径生成等子模块,最终生成无人驾驶农机的指令路径。仿真试验结果表明,相对于相邻法,该方法的作业面积比及作业路程比分别提升了10.0%和8.8%。播种作业田间试验结果表明,无人驾驶农机自主作业的横向偏差的均值和标准差分别为左偏0.002和0.027m,满足作业要求。研究结果表明,该研究提出的方法适应不同的四边形农田和障碍物,可以结合不同的作业参数完成路径规划,能够满足无人驾驶农机自主作业的需求。     

基于改进YOLOv7的杨梅树单木检测

为了快速检测和统计杨梅树的数量,该研究提出了一种基于改进YOLOv7的杨梅树单木检测模型：YOLOv7-ACGDmix。首先,对YOLOv7的可扩展高效长程注意力网络（extended-efficient long-range attention networks, E-ELAN）进行改进,通过融合兼具卷积和注意力机制优势的ACmix（a mixed model that enjoys the benefit of both self-attention and convolution）结构得到AC-E-ELAN模块,提升模型的学习和推理能力,引入可变形卷积（deformable convolutional networks version 2, DCNv2）结构得到DCNv2-E-ELAN模块,增强模型对不同尺寸目标的提取能力;其次,采用内容感知特征重组（content-aware reassembly of features, CARAFE）上采样模块,提高模型对重要特征的提取能力;然后,在主干和头部网络部分添加全局注意力机制（global-attention mechanism, GAM）,强化特征中的语义信息和位置信息,提高模型特征融合能力;最后,采用WIoU（wise intersection over union）损失函数减少因正负样本数据不平衡造成的干扰,增强模型的泛化性。在公开数据集上的试验结果表明,YOLOv7-ACGDmix模型的精确率达到89.1%,召回率达到89.0%,平均精度均值（mean average precision, mAP）达到95.1%,F₁-score达到89.0%,相比于原YOLOv7模型分别提高1.8、4.0、2.3和3.0个百分点。与Faster R-CNN、SSD、YOLOv8模型相比,改进模型的平均精度均值（mAP_0.5）分别提高了9.8、2.2、0.7个百分点。实地采集杨梅树样本数据的检测精确率87.3%、召回率85.7%。试验表明,改进模型为基于无人机影像的杨梅树单木检测提供了一种有效的解决方案,对果园精准管理的发展具有重要意义。     

基于点云图的农业导航中障碍物检测方法

为满足智能农业机器人路径规划中障碍物检测的需求,针对传统双目视觉中用于障碍物检测算法的局限性,提出基于点云图的障碍物距离与尺寸的检测方法。该方法以双目视觉中以立体匹配得到的点云图为对象,通过设置有效空间,对不同区域处点云密度的统计,找到点云密度随距离的衰减曲线。远距离障碍物由于相机分辨率的不足,点云密度会随距离下降,通过密度补偿算法进行补偿,经二次设置有效空间后锁定障碍物位置,将目标点云分别投影于俯视栅格图和正视图中,获得其距离和尺寸信息。试验表明:该方法能有效还原障碍物信息,最大测距范围为28 m,平均误差为2.43%;最大尺寸检测范围为10 m,长度和高度平均误差均小于3%。该文基于点云图的栅格化表示和密度补偿算法,通过设置有效空间将点云投影得到障碍物距离和尺寸,不同环境下的精度测试和距离检测验证了可靠性和鲁棒性。