蔬菜嫁接机器人嫁接苗特征参数的视觉测量方法

嫁接用苗的直径、生长点坐标、苗长等特征信息,是判断能否嫁接匹配的有效参数特征,也是迅速获取机器人嫁接位置参数的重要依据。为了提取相关蔬菜嫁接机器人的嫁接用苗特征信息(嫁接苗生长点坐标、砧木苗子叶茎截面的长短轴直径、穗木苗子叶茎截面长短轴直径、砧木苗长度及穗木苗长度等),该文提出了一种图像处理综合算法。该算法首先确定采集后图像的初步目标范围,然后进行预处理,获得单色图像,利用灰度阶跃变化选定兴趣区域,而后对图像进行中值滤波和图像增强;利用基于高斯拟合、求反和基于大津法阈值分割相结合的信息提取方法,获得生长点横坐标,结合形态学开闭处理方法及逻辑搜索运算,引入有效行连续的概念,剔出强光噪声的干扰,获得了所需的各长短轴直径图像坐标;利用标定结果和相机图像到世界坐标转换的对应关系,获得最终各项指标信息。在自行研发的嫁接机器人样机上,以葫芦类砧木苗为试验对象,经过500次试验,与传统手工实际测量值相比,该算法实测值平均误差小于0.0053 mm,直径最大误差小于0.02 mm,从而验证了该算法的可行性和有效性。该算法能在线获取嫁接苗特征信息,满足嫁接实时要求。     

基于双目视觉的香蕉园巡检机器人导航路径提取方法

为实现移动机器人香蕉园巡检自动导航,研究提出了一种基于双目视觉的香蕉园巡检路径提取方法。首先由机器人搭载的双目相机获取机器人前方点云,进行预处理后对点云感兴趣区域进行二维投影并将投影结果网格化,得到网格地图;然后采用改进的K-means算法将道路两侧香蕉树分离,其中初始聚类中心通过对网格地图进行垂直、水平投影以及一、二阶高斯拟合确定;最后基于最小包围矩形提取导航路径,将道路两侧网格以最小矩形框包围,提取两包围框中间线作为期望导航路径。测试结果表明,改进的K-means算法聚类成功率为93%,较传统方法提高了12%;导航路径提取平均横向偏差为14.27 cm,平均航向偏差为4.83°,研究方法可为香蕉园巡检机器人自动导航提供支持。     

基于三维点云的番茄植株茎叶分割与表型特征提取

针对当前温室番茄表型参数难以自动获取的问题，研究提出通过对三维点云进行配准、骨架提取以及分割从而自动获取苗期番茄植株株高、茎粗、叶倾角和叶面积参数的方法。首先通过机器人搭载机械臂在温室中自动获取多视角番茄点云，并通过配准得到完整植株点云；对番茄点云利用拉普拉斯收缩的骨架提取算法获取植株骨架，对骨架进行修正后分解为茎秆和叶片子骨架，实现茎秆叶柄分割；再通过基于区域生长的MeanShift聚类方法对叶片和叶柄进行分割；最后通过番茄点云获取株高、茎粗参数，通过骨架测量叶倾角，对叶片点云进行曲面拟合提取叶面积参数。试验结果表明，茎叶分割与叶片分割的精确率、召回率、F1分数和平均总体准确率分别为0.84、0.91、0.87、0.92和0.92、091、0.91、0.93。株高、茎粗、叶倾角和叶面积参数的提取值与人工测量值的决定系数分别为0.97、0.53、0.90和0.87，均方根误差分别为1.40 cm、1.52 mm、5.14°和37.56 cm2。结果表明该研究方法与人工测量值具有较强的相关性，可以为温室番茄的高通量自动化表型测量提供技术支持。     

蔬菜嫁接机器人

嫁接载培是克服设施瓜菜连茬病害和低温障碍的最有效的途径。嫁接机器人技术，是集机械、自动控制与设施园艺技术于一体的高新技术，它可大幅度提高嫁接速度、明显降低劳动程度，并可提高嫁接成活率，被视为嫁接育苗的革命性技术。项目解决了蔬菜幼苗柔嫩性、易损性和生长的不一致性等难题，研制成功了具有自主知识产权的自动嫁接机器人系     

基于HSV空间和拟合椭圆的光核桃种核表型自动量化系统构建

针对现有青藏高原光核桃种核表型主要采用手工测量和目视法获得,操作繁琐,且提取参数种类有限的问题,该研究构建了一种基于HSV（Hue,Saturation,Value）空间和拟合椭圆的光核桃种核表型自动量化系统。该系统包括图像自动分割和多重参数提取2个部分,首先,采用HSV阈值法实现光核桃种核图像的精准分割;其次,用拟合椭圆法进行光核桃种核的核尖提取;最后,对光核桃种核形态、颜色、纹理3类表型进行定量描述。结果表明,该系统对光核桃种核的自动分割准确率达到99.7%,且能够实现多种表型的自动、准确量化,为光核桃表型参数研究提供数据基础和技术支持。     

顶芽斜插嫁接时砧木插孔角度的确定

在顶芽斜插嫁接机械作业中,砧木插孔角度是保证嫁接苗质量、嫁接苗成活率及嫁接机器人作业稳定性的重要因素。因此该文以瓜类嫁接栽培常用砧木和接穗——南瓜、黄瓜、西瓜等为研究对象,对斜插嫁接机的砧木插孔角度进行了研究分析。该文首先在瓜类蔬菜嫁接常用砧木和接穗在嫁接适宜期间的形态结构参数进行测量基础上,利用图像分析技术对砧木生长点处的内部结构进行研究,构建了砧木苗生长点内部髓腔结构模型,并结合顶芽斜插嫁接工艺要求:砧木打孔作业时插签既要避免损坏子叶也不要避免进入髓腔,经研究确定砧木插孔角度最大为75°。基于上述研究构建了顶芽斜插嫁接试验台,试验台的砧木插孔角度为45°~75°可调,并以黑子南瓜和黄瓜幼苗为嫁接对象,设定砧木插孔角度分别为45°、50°、55°、60°、62°、65°及70°,进行了嫁接作业性能实测。试验结果表明:当砧木插孔角度为60°时,插入砧木髓腔的比率较低,同时机械化嫁接作业稳定性高,嫁接成功率最高,且嫁接苗的成活率可达91%。     

基于凸壳理论的遮挡苹果目标识别与定位方法

为实现受果树枝叶遮挡、果实间相互遮挡的果实目标识别,该文提出了一种基于凸壳理论的遮挡苹果目标识别方法。该方法首先将图像由RGB颜色空间转换至L*a*b*颜色空间,并利用K-means聚类算法将图像分为树叶、枝条和果实3个类别,然后利用形态学方法对果实目标进行处理,得到目标边缘并进行轮廓跟踪,接着利用目标边缘的凸壳提取连续光滑的轮廓曲线,最后估计该光滑曲线段的圆心及半径参数,实现遮挡果实的定位。为了验证该算法的有效性,利用Hough圆拟合算法进行了对比试验,试验结果表明,该方法的平均定位误差为4.28%,低于Hough圆拟合方法的平均定位误差16.3%,该方法显著提高了目标定位的精度,能够有效识别遮挡苹果。     

利用掩膜主动轮廓模型提取水库水面面积

利用遥感数据以月度或更短时间周期对密云水库水面面积进行连续动态监测,对及时掌握水库的水资源动态变化十分重要.为了减少提取过程中的系统误差和人为误差,真实准确地反映水面的实际变化趋势,以密云水库水面面积提取为例,试验利用掩膜主动轮廓模型进行水库水面提取.基于2006-2008年多期北京一号小卫星32 m多光谱影像,利用掩膜主动轮廓模型从各时相图像中提取水库水面,并计算面积.利用人机交互解译法从6期同期获取的高分辨率影像上提取水库水面作为验证数据,验证多光谱影像上水面提取精度.结果表明,掩膜主动轮廓模型多期提取结果的平均精度为97.54%,与验证数据线性拟合的R2为0.896 1,表明该方法进行水库水面连续动态监测,水库面积提取结果具有较高的稳定性,不同时相间具有较高的可比性,能够准确地反映水库水面面积变化的趋势.该方法为水库水面面积提取方法的探索提出了一种新的思路.     

基于平滑轮廓对称轴法的苹果目标采摘点定位方法

果实采摘点的精确定位是采摘机器人必须解决的关键问题。鉴于苹果目标具有良好对称性的特点,利用转动惯量所具有的平移、旋转不变性及其在对称轴方向取得极值的特性,提出了一种基于轮廓对称轴法的苹果目标采摘点定位方法。为了解决分割后苹果目标边缘不够平滑而导致定位精度偏低的问题,提出了一种苹果目标轮廓平滑方法。为了验证算法的有效性,对随机选取的20幅无遮挡的单果苹果图像分别利用轮廓平滑和未进行轮廓平滑的算法进行试验,试验结果表明,未进行轮廓平滑算法的平均定位误差为20.678°,而轮廓平滑后算法平均定位误差为4.542°,比未进行轮廓平滑算法平均定位误差降低了78.035%,未进行轮廓平滑算法的平均运行时间为10.2ms,而轮廓平滑后算法的平均运行时间为7.5ms,比未进行轮廓平滑算法平均运行时间降低了25.839%,表明平滑轮廓算法可以提高定位精度和运算效率。利用平滑轮廓对称轴算法可以较好地找到苹果目标的对称轴并实现采摘点定位,表明将该方法应用于苹果目标的对称轴提取及采摘点定位是可行的。     

基于计算机视觉的牛脸轮廓提取算法及实现

计算机视觉技术已越来越多地应用于检测牛个体行为以给出养殖管理决策,牛脸轮廓的提取及形状分析能够进一步提高牛身份鉴别,咀嚼分析及健康状况评估的自动化程度。为实现基于计算机视觉的无接触、高精度、适用性强的肉牛养殖场环境下的牛脸轮廓提取,提出用自适应级联检测器定位牛脸位置,用统计迭代模型提取牛脸轮廓的方法。该方法采集牛脸正面图像,用级联式检测器定位出牛脸的位置,并分别采用监督式梯度下降算法(supervised descent method,SDM),局部二值算法(local binary features,LBF)和主动外观模型算法(fast active appearance model,FAAM)3种算法被用于提取牛脸轮廓。对20头肉牛共拍摄800幅牛脸正面图,随机选取训练数据720幅和测试数据80幅。结果表明,主动外观模型算法准确率最高,其轮廓提取误差为0.0184像素,适于应用在轮廓提取精度要求较高的场合,而局部二值算法的运行效率最高,在分辨率为744像素(水平)×852像素(垂直)的牛脸图像中轮廓提取时间为0.35 s,更适于应用在实时性要求较高的场合。该方法可实现养殖场中肉牛的无接触精确的面部轮廓提取,具有适用性强、成本低的特点。     

瓜类蔬菜斜插式嫁接砧木子叶自适应压持机构设计与试验

针对现有瓜类蔬菜嫁接机在砧木子叶压持过程中容易导致子叶根部折断,或由于压持力过大导致砧木子叶损伤等问题,以葫芦苗为试验对象,通过测定砧木苗子叶特征参数,设计制作了一种适用于瓜类蔬菜嫁接的砧木子叶压持机构,压持机构中的仿形垫块形态曲线与砧木苗子叶自然形态接近,防止子叶根部折断;在子叶压持过程中,压持机构的压辊能在仿形自适应垫块上自动滑移以实现压紧力自动调节,避免砧木子叶表面损伤。取60株苗龄15 d的葫芦苗进行子叶压持试验,并与没有加仿形垫块的砧木子叶压持机构进行比较,试验结果表明:加仿形垫块的压持机构子叶压持成功率为100%,无子叶根部折断和子叶表面损伤现象,生长点去除率达到98.3%,说明所设计的子叶自适应压持机构是可行的,该研究为解决蔬菜嫁接砧木子叶压持提供了设计参考。     

砧木上苗定位机构吸附块仿真设计与性能试验

为解决嫁接机人工上苗过程中砧木子叶损伤和叶柄劈裂问题,采用正压气流压苗和负压吸附定位原理,设计一种辅助自动上苗作业的砧木上苗定位机构。通过建立机构有限元分析模型,在给定边界约束条件下利用CFD软件对吸附块内部气流场进行动力学仿真,获得气室内部流场分布情况及各因素对砧木子叶吸附力的影响。采用仿真正交试验对吸附块结构参数进行优化设计,确定吸附块各因素对吸孔平均吸力影响的主次顺序依次为出口负压、吸孔直径、吸孔深度;当吸附块出口负压3 kPa,吸孔直径1 mm和吸孔深度4 mm时,吸附块对子叶具有较好的吸附能力。上苗试验结果表明：该机构对白籽南瓜子叶吸附成功率为96.67%,压苗成功率为99.33%,综合上苗成功率为96.03%,伤苗率仅为0.67%,作业性能满足嫁接机自动上苗作业要求。子叶吸附失败原因是子叶方向和上苗高度控制不准确,以及子叶展角过小导致叶柄劈裂。吸附块作业面仿形和结构参数仿真试验对提高砧木柔性和安全上苗具有重要意义,大幅缩短了吸附块设计周期,研究结果为解决嫁接机自动上苗问题提供理论依据和设计参考。     

Effect of applied nitrogen on seedling growth and cotyledon protein utilization of effective and ineffective nodulating alfalfa

Cotyledons arc an important nitrogen (N) source for germination and early seedling development of alfalfa (Medicago sativa L.). The objectives of these studies were to determine changes in cotyledon N or protein concentration during alfalfa seedling growth and to ascertain the influence of N availability on seedling development and cotyledon protein use. Greenhouse‐grown seedlings of effective and ineffective ‘Saranac’ were grown in sand with either minus‐N nutrient solution, or a nutrient solution containing 20 mM ammonium nitrate as an N source. Shoots, cotyledons, and roots were sampled between 3 and 43 days after planting, and N or protein concentrations and dry wts. determined. Cotyledon protein or N declined rapidly in both effective and ineffective Saranac between 3 and 15 days after planting, but was more extensive for ineffective Saranac 19 days after planting and later. Nitrogen per seedling increased in effective Saranac between 15 and 22 days after planting indicating that dinitrogen fixation had begun. At 22 days after planting root and shoot N of effective Saranac increased whereas cotyledon N continued to decline. For effective Saranac applied N did not alter the decline in cotyledon protein concentration, but cotyledon protein per seedling was slightly greater with applied N because of greater cotyledon mass per seedling. N application to ineffective Saranac resulted in responses similar to those of effective Saranac, whereas more extensive N and protein losses occurred in cotyledons of ineffective Saranac seedlings without N. Soil N application and nodule effectivity enhanced seedling development of alfalfa, but did not prevent the rapid decline in cotyledon N and protein.     

2JC-500型自动嫁接机西瓜苗嫁接效果生产试验

为了解2JC-500型自动嫁接机嫁接西瓜苗的生产效果及其影响因素,进行了西瓜机械嫁接育苗的生产试验,并测定了嫁接用苗形态对嫁接机嫁接效果的影响。试验结果表明,砧木瓠瓜苗子叶展开角小于45°、接穗西瓜苗胚轴弯曲和子叶不对称于胚轴的情况会分别显著地影响砧木机械打孔和砧穗对接的作业质量;当砧木子叶展开角大于45°,接穗西瓜苗胚轴不弯曲且子叶对称于胚轴时,机械嫁接育苗生产中嫁接机的嫁接成功率可大于90%,2JC-500型嫁接机作业生产率可达450株/h。     

蔬菜嫁接机器人研制与试验

在中国,蔬菜嫁接仍以人工作业为主,为解决人工嫁接存在的作业效率低、成活率低、质量难以保证等问题,该文基于瓜、茄苗通用的"贴接法"嫁接技术,采用双工位上苗方式设计搬运装置、切削装置、上苗及送夹装置,利用虚拟样机技术构建瓜、茄类蔬菜嫁接机器人。经试验得出:切刀旋转半径为68mm,切刀转速为120r/min时,秧苗切削成功率98%,满足嫁接技术要求;嫁接速度为884株/h,嫁接成功率为95.7%,成活率为96.8%。因此,蔬菜嫁接机器人可有效解决人工嫁接存在的问题,取代人工嫁接作业。     

子叶期钵苗补苗末端执行器设计与试验

针对穴盘育苗由于受种子质量和育苗环境因素等影响导致空穴多的问题,为消除穴盘苗空穴,该文研制了蔬菜子叶期钵体苗补苗末端执行器。以72孔标准穴盘培育的子叶期番茄钵体苗为移取对象,以育苗基质配比与含水率、苗龄为因素,以子叶期钵体苗补苗末端执行器从穴孔取出基质的取净率为指标,进行了正交试验,结果表明:幼苗苗龄、基质配比对基质取净率影响显著,基质含水率对基质取净率影响不显著,对常见的基质配比、适宜基质含水率、苗龄16-26 d的穴盘苗基本均能完整、无损地取出,基质取净率最大的较优组合苗龄为26 d、基质配比2∶2∶1、基质含水率74.1%;对苗龄26 d、基质配比2∶2∶1、基质平均含水率75.5%的番茄钵体苗进行取苗、补苗试验,取出无苗基质和钵体苗的成功率均为100%,补苗成功率为100%,为子叶期蔬菜钵体苗补苗提供了性能优良的末端执行器。     

Effect of Increasing Concentration of Inorganic Phosphate (Pi) and Pyrophosphate (PPi) on Growth and Phosphatases of Germinating Chickpea Seeds

Chickpea (Cicer arietinum L.) seedlings growing on different concentrations of inorganic phosphate and pyrophosphate in agar based MS-medium were studied for their growth and activities of phosphatases in cotyledon, shoots and roots. Growth of seedlings was affected with both Inorganic Phosphate (Pi) and Pyrophosphate (PPi). Germination was completely inhibited beyond 100 mM monopotassium phosphate (KH₂PO₄) and 20 mM sodium pyrophosphate. Specific activities of acid phosphatases of cotyledons, shoots and roots decreased under high Pi-supply however alkaline phosphatases were not affected. Addition of PPi increased specific activities of acid phosphatases of roots and shoots at 3 days after germination (DAG) stage, but decreased at later stages of seedling growth. There was an appearance of PPi-specific acid phosphatase in roots under PPi-supply.     

平邑甜茶幼苗生长过程中精氨酸和一氧化氮水平的变化

研究了平邑甜茶幼苗生长过程中根、茎、叶和子叶精氨酸、精氨酸酶、一氧化氮（NO）、一氧化氮合酶（NOS）水平的变化及其与幼苗生长发育的关系。结果表明,精氨酸含量和精氨酸酶活性子叶中最高,且随幼苗生长发育逐渐下降,其次为叶片和茎,根中最低。幼苗生长第5 d的子叶中NO含量及NOS活性均最高,此后迅速下降至较低水平。除子叶外,NO含量和NOS活性在茎中较高,生长第11 d均达到最高,与茎的快速生长相适应;叶片居中,在第17 d达到高峰,与叶片的快速生长有关;根中最低,在第8 d达到最高,与主根的快速生长相对应。这些结果表明,NO在快速生长的器官中含量高,可能与平邑甜茶幼苗各器官的生长发育有关;而子叶中的精氨酸可能是平邑甜茶幼苗早期生长主要的氮素贮藏营养物质之一。     

茄果类嫁接机砧木上苗装置设计

针对国内外嫁接机性价比偏低的问题,该文以华南农业大学的高速嫁接机2JT-1600型流水线式茄果类嫁接机为基础,分别在砧木上苗工位和接穗上苗工位增设嫁接用苗输送链和转接手,实现砧木和接穗均单人上苗,成倍提高了嫁接机作业人员的上苗生产率。通过分析传递过程中带土坨砧木的受力情况,确定转接手结构尺寸,并且研制了具有较好拾苗性能的交叉闭合式送苗夹,其拾苗容偏能力可达5 mm。为防止在输送过程中砧木由输送链的苗座内脱出,选用高弹性橡胶贴合在苗座槽口上夹持砧木,以砧木弯曲度、苗座槽口深度及苗座槽口橡胶厚度作为影响因素,考察苗座槽口对嫁接用苗的夹持性能,试验结果表明当苗座槽口深度为8 mm、苗座槽口所用橡胶厚度为3 mm时,苗座可保证95%以上的砧木不脱出苗座,增设上苗装置后,可保证2JT-1600型流水线式茄果类嫁接机在2 000株/h的生产率条件下,实现1 000株/h的人均嫁接生产率,综合上苗成功率达到92%以上。