CN109588305A - 一种气力微仰温室草莓授粉机器人及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种气力微仰温室草莓授粉机器人及其实现方法，涉及农业装备领域。所述机器人由自主移动平台、气力微仰自适应补温授粉单元、草莓冠层自适应补湿单元、控制***组成，自主移动平台可实现温室内跨高垄、高架的自主行走，气力微仰自适应补温授粉单元、植株冠层自适应补湿单元、控制***均安装于温室自主移动平台上。通过气力微仰的双行草莓错开吹送和自适应的着粉行先增湿、后加温吹粉，有效克服温室草莓开花坐果期间低温低湿无风的环境条件，实现自动异花授粉移动作业，结构简单、适应性好、效率高。

Description

一种气力微仰温室草莓授粉机器人及其实现方法
技术领域
本发明属于农业装备领域，特别涉及一种气力微仰温室草莓授粉机器人及其实现方法。
背景技术
设施栽培草莓的开花坐果期长达5～6个月，结果多茬，均匀授粉是保证草莓产量和品质的关键。
草莓花属于雌雄同株的完全花，异花授粉的产量和品质优于自花授粉。草莓花序为二岐聚伞花序，低级花序雌蕊授粉成果率高，高级花序雄蕊开裂与授粉成果率高并受温度影响。一般露天种植的草莓借助风媒和虫媒授粉，而目前温室栽培的草莓一般在冬季开花，因为缺乏授粉媒介而影响草莓的产量和质量。温室种植的草莓多数采用蜂群授粉和人工点授方式。
蜜蜂碰棚，中毒，不访花采集，不适用大棚环境，养蜂技术欠缺以及外界环境的影响等，都会影响果实座果率和产量等。熊蜂耐低温、对湿度和光照不敏感，已被广泛应用于世界保护地与露天栽培作物的授粉，但受施药环境影响，且管理困难；草莓长达5个月的连续开花坐果，狭小工作环境与长时间的劳作也会影响人工点授的质量，因此克服环境影响的草莓高效授粉装备及技术成为现实需求。
现有的授粉装备主要采用人工手持、背负式和无人机气力风送的方式，其对象主要针对果树授粉和大田作物授粉。中国专利(CN201711335481.1)提出一种基于双目视觉技术的无人飞行的苹果树自动授粉机，能够实现全自动、高精度的果树授粉操作；中国专利(CN201310168774.0)提出一种碰撞-气力式杂交水稻制种授粉机及其方法，能够实现水稻父本花粉稳定均匀地向母本输送。以上装备及方法适用于雌雄异株的两性花，无法适用雌雄同株完全花的特征。中国专利(CN201320558641.X)提出一种日光温室有轨式自动授粉机，具有往复作业、风力与机械振动授粉组合功能，能够实现温室栽培作物授粉过程的自动化，但其无法满足草莓植株双行定植方式、二岐聚伞花序特征和异花授粉的要求，并且机械振动式容易破坏植物茎叶。草莓授粉适宜的温度在20-25℃，空气相对湿度在70％左右，温度、湿度的不适宜会造成花药开裂困难，花粉发育不良，降低授粉成功率。目前针对于草莓的全自动授粉装备及技术未见研究报道。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种气力微仰温室草莓授粉机器人及其实现方法，用于完成双行草莓的自动异花授粉移动作业。
为解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种气力微仰温室草莓授粉机器人，包括由自主移动平台、气力微仰自适应补温授粉单元、植株冠层自适应补湿单元及控制***，自主移动平台可实现温室内跨高垄、高架的自主行走，气力微仰自适应补温授粉单元、植株冠层自适应补湿单元、控制***均安装于温室自主移动平台上。
上述方案中，所述气力微仰自适应补温授粉单元包括温度传感器、视觉传感器、电热丝、风筒、竖直直动件以及回转件，温度传感器、视觉传感器分别布置于自主移动平台的底部和前部，风筒通过竖直直动件和回转件安装于自主移动平台后部两侧，且风筒内部装有电热丝。
上述方案中，所述风筒以α为侧仰工作角度，α是与水平线的夹角，其取值范围为5°-10°。
上述方案中，所述风筒风速的取值范围是7-10m/s。
上述方案中，两侧风筒沿自主移动平台纵向且相隔D1错开布置，D1为草莓植株平均株距的0.9～1.2倍。
上述方案中，所述植株冠层自适应补湿单元包括温度传感器、视觉传感器、雾化喷头及水平直动件，雾化喷头通过水平直动件安装于温室自主移动平台前部两侧。
上述方案中，所述风筒和雾化喷头沿自主移动平台纵向的距离大于草莓植株行的平均株距。
一种气力微仰温室草莓授粉机器人的实现方法，根据视觉传感器获得的土壤表面高度H1和草莓植株冠层顶高H，由回转件和竖直直动件调整风筒的侧仰角度α和风筒的高度，使风筒的筒口中心线对准植草莓株行的(H1+H)/2高度位置；在自主移动平台行进过程中，一侧的风筒进行加温风力吹送，将该侧草莓植株冠层的花粉吹送至另一侧草莓植株行中，实现横向的异花授粉。
本发明具有的有益效果是：
本发明通过气力微仰的双行植株错开吹送和自适应的着粉行先增湿、后加温吹粉，有效克服温室草莓开花坐果期间低温低湿无风的环境条件，实现自动异花授粉移动作业，结构简单、适应性好、效率高。
附图说明
图1为本发明气力微仰温室草莓授粉机器人的仰视结构示意图；
图2为本发明气力微仰温室草莓授粉机器人的主视结构示意图。
图中：1.自主移动平台，2.温度传感器，3.湿度传感器，4.左电热丝，5.左风筒，6.左雾化喷头，7.视觉传感器，8.右雾化喷头，9.右电热丝，10.右风筒，11.左竖直直动件，12.左回转件，13.左草莓植株行，14.左水平直动件，15.右水平直动件，16.右草莓植株行，17.右回转件，18.右竖直直动件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
如图2所示，目前温室草莓生产中，无论是高垄栽培还是高架栽培，都采用双行定植，弓背统一朝外的方式。
如图1所示，气力微仰温室草莓授粉机器人由自主移动平台1、气力微仰自适应补温授粉单元、植株冠层自适应补湿单元以及控制***组成。其中自主移动平台1可实现温室内跨高垄或跨高架的自主行走功能，气力微仰自适应补温授粉单元、植株冠层自适应补湿单元、控制***均安装于温室自主移动平台1上。
如图1、图2所示，所述气力微仰自适应补温授粉单元由温度传感器2、视觉传感器7、左电热丝4、左风筒5、左竖直直动件11、左回转件12、右电热丝9、右风筒10、右回转件17、右竖直直动件18组成。温度传感器2布置于自主移动平台1的车底且位于自主移动平台1纵向中心线上，视觉传感器7布置于自主移动平台1的车头且位于自主移动平台1纵向中心线上，视觉传感器7的拍摄方向竖直向下。左风筒5内装有左电热丝4，左风筒5通过左回转件12和左竖直直动件11安装于自主移动平台1的后部左侧；右风筒10内装有右电热丝9，右风筒10通过右回转件17和右竖直直动件18安装于自主移动平台1的后部右侧。
其中左风筒5和右风筒10的筒口分别朝向左草莓植株行13和右草莓植株行16，同时左风筒5和右风筒10以α为侧仰工作角度，α是与水平线的夹角，其取值范围为5°-10°，左风筒5与右风筒10的风速V的取值范围为7-10m/s。同时，左风筒5和右风筒6沿车体纵向相隔D1错开布置，左风筒5对应的植株与右风筒6对应的植株纵向间距为D1，D1为草莓植株平均株距的0.9～1.2倍。
如图1、图2所示，所述草莓冠层自适应加湿单元由湿度传感器2、视觉传感器7、左雾化喷头6、右雾化喷头8、左水平直动件14、右水平直动件15组成。左雾化喷头6通过左水平直动件14安装于温室自主移动平台1的前部左侧，右雾化喷头8通过右水平直动件15安装于温室自主移动平台1的前部右侧。
其中左风筒5和左雾化喷头6沿车体纵向的距离为D2，右风筒10和右雾化喷头8沿车体纵向的距离为D3，D2与D3相同且大于左草莓植株行13和右草莓植株行16的平均株距。
所述回转件包括步进电机、电机固定座、齿轮机构，电机固定座固定在直动件的滑台上，电机固定座上固定有步进电机，步进电机通过齿轮机构带动风筒回转。
所述直动件包括电机、电机法兰、底座、滑台、梯形丝杆、线轨、轴承片、轴承，底座的下端与自主移动平台1固连，底座一端固定电机法兰，电机法兰上固定电机，底座另一端固定轴承片，轴承片上固定轴承；梯形丝杆一端与电机输出轴固连，另一端与轴承间隙配合，电机转动带动梯形丝杆转动，梯形丝杆通过滑台螺纹孔，与螺纹配合带动滑台在线轨上移动，线轨固定在底座上表面的凹槽内。
一种气力微仰温室草莓授粉机器人的实现方法如下：
(1)自主移动平台1跨垄或跨高架向前以一定速度自主行走，所述视觉传感器7实时检测并确定左草莓植株行13的位置和草莓植株冠层顶高H2、土壤表面高度H1、右草莓植株行16的位置和草莓植株冠层顶高H3，温度传感器2、湿度传感器3分别实时检测左草莓植株行13和右草莓植株行16的草莓植株冠层上方温度与湿度信息；
(2)根据左草莓植株行13和右草莓植株行16的位置和冠层上方湿度，控制***分别控制自主移动平台1前部的左水平直动件14和右水平直动件15带动左雾化喷头6和右雾化喷头8对准左草莓植株行13和右草莓植株行16的草莓植株冠层进行预加湿，从而提高花粉附着性；
(3)控制***根据视觉传感器7所获得的土壤表面高度H1、左草莓植株行13的草莓植株冠层顶高H2、右草莓植株行16的草莓植株冠层顶高H3，分别由左回转件12和右回转件17调整左风筒5和右风筒10侧仰的角度α为5°-10°，分别由左竖直直动件11和右竖直直动件18调整左风筒5的高度和右风筒10的高度，使左风筒5的筒口中心线对准左草莓植株行13的(H1+H2)/2高度位置、使右风筒10的筒口中心线对准右草莓植株行16的(H1+H3)/2高度位置；
(4)控制***调节左风筒5与右风筒10的风速V为7-10m/s；同时根据左草莓植株行13和右草莓植株行16冠层上方的温度，控制***分别控制左电热丝4和右电热丝9对左草莓植株行13和右草莓植株行16的草莓植株冠层辅助加温，从而提高花粉量和花粉活力；
(5)在自主移动平台1行进过程中，左风筒5进行加温风力吹送，将左草莓植株行13中草莓植株冠层的花粉吹送至右草莓植株行16中已完成预加湿的草莓植株冠层，实现横向的异花授粉；同时右风筒10进行加温风力吹送，将右草莓植株行16中草莓植株冠层的花粉吹送至左草莓植株行13中已完成预加湿的草莓植株冠层，实现横向的异花授粉；由于左风筒5和右风筒10沿车体纵向相隔D1错开布置，避免左风筒5和右风筒10的风力吹送冲突，实现左草莓植株行13和右草莓植株行16之间前后交错、微仰气力吹送的异花授粉。
本发明虽然已经给出了一些实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。

Claims (8)

1.一种气力微仰温室草莓授粉机器人，其特征在于，包括由自主移动平台、气力微仰自适应补温授粉单元、植株冠层自适应补湿单元及控制***，自主移动平台可实现温室内跨高垄、高架的自主行走，气力微仰自适应补温授粉单元、植株冠层自适应补湿单元、控制***均安装于温室自主移动平台上。
2.根据权利要求1所述的气力微仰温室草莓授粉机器人，其特征在于，所述气力微仰自适应补温授粉单元包括温度传感器、视觉传感器、电热丝、风筒、竖直直动件以及回转件，温度传感器、视觉传感器分别布置于自主移动平台的底部和前部，风筒通过竖直直动件和回转件安装于自主移动平台后部两侧，且风筒内部装有电热丝。
3.根据权利要求2所述的气力微仰温室草莓授粉机器人，其特征在于，所述风筒以α为侧仰工作角度，α是与水平线的夹角，其取值范围为5°-10°。
4.根据权利要求2所述的气力微仰温室草莓授粉机器人，其特征在于，所述风筒风速的取值范围是7-10m/s。
5.根据权利要求2所述的气力微仰温室草莓授粉机器人，其特征在于，两侧风筒沿自主移动平台纵向且相隔D1错开布置，D1为草莓植株平均株距的0.9～1.2倍。
6.根据权利要求1或2所述的气力微仰温室草莓授粉机器人，其特征在于，所述植株冠层自适应补湿单元包括温度传感器、视觉传感器、雾化喷头及水平直动件，雾化喷头通过水平直动件安装于温室自主移动平台前部两侧。
7.根据权利要求6所述的气力微仰温室草莓授粉机器人，其特征在于，所述风筒和雾化喷头沿自主移动平台纵向的距离大于草莓植株行的平均株距。
8.一种根据权利要求1所述的气力微仰温室草莓授粉机器人的实现方法，其特征在于，根据视觉传感器获得的土壤表面高度H1和草莓植株冠层顶高H，由回转件和竖直直动件调整风筒的侧仰角度α和风筒的高度，使风筒的筒口中心线对准植草莓株行的(H1+H)/2高度位置；在自主移动平台行进过程中，一侧的风筒进行加温风力吹送，将该侧草莓植株冠层的花粉吹送至另一侧草莓植株行中，实现横向的异花授粉。
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