本發明涉及智能授粉，更具體地，涉及一種針對陽春砂花授粉問題的授粉裝置及方法。
背景技術：
1、由于不同植物的授粉方式以及花型不一致，這使得現有授粉機器人只能針對某類植物進行特異性授粉，不能很好地適應陽春砂的花型和生長位置，在現有技術方案中，人工授粉需要人工匍匐在潮濕地面上，通過棉簽等授粉機器一朵一朵地授粉；蜂蜜授粉需要培育針對該植物采蜜的特殊蜜蜂，在蜜蜂采食花蜜的過程中，完成對該植物的授粉；鼓風授粉需要采用鼓風機收集花粉，通過風管傳遞花粉，完成對植物的授粉過程；靜電摩擦授粉通過摩擦產生靜電，吸附花粉并轉移到柱頭上，完成授粉過程；對于通過人工進行授粉需要消耗大量人工以及時間，同時陽春砂花期較短，且授粉過程較長，采用該種方法效率低下，可能無法在有效時間內完成授粉任務；對于通過特異性蜜蜂進行授粉，特異性蜜蜂培育過程困難且周期較長，沒法很好地大規模投入農業使用；其次對于靜電摩擦授粉，由于春砂仁潮濕的生長環境很難只通過鼓風機將花粉從花粉囊傳遞出來，并且潮濕的空氣易于傳導電荷，即使摩擦帶電，電荷也傳導到空氣中，而不易聚集花粉。
2、因此，針對現有技術缺陷，本發明提供了一種能在低矮潮濕區域開花的陽春砂進行授粉的授粉裝置及方法，填補了機器授粉的部分技術空白，對授粉技術的發展具有關鍵意義。
技術實現思路
1、本發明旨在克服上述現有技術的至少一種缺陷(不足)，提供一種針對陽春砂花授粉問題的授粉裝置及方法，用于解決現有的授粉機器人以及智能授粉方案無法針對陽春砂花這一特殊花型的授粉問題，在機器狗的幫助下實現對陽春砂的智能授粉。
2、本發明采取的技術方案是，一種針對陽春砂花授粉問題的授粉裝置，所述裝置包括：
3、底盤，所述底盤設置在機械狗背部上方，并且在所述底盤上方設置有機械臂、報警裝置以及空壓機；
4、所述機械臂包括機械臂基座以及依次連接在機械臂基座后面的若干中間機械臂，所述若干中間機械臂通過若干鉸接件相連接，在所述機械臂的末端設置有豎直放置的安裝平臺，在所述安裝平臺上從下往上依次安裝有柔性夾子機構、吹氣模塊、震動模塊、轉盤模塊以及深度相機；其中所述吹氣模塊和震動模塊安裝在轉盤模塊上；
5、所述空壓機通過氣流管道與吹氣模塊相連，用于為吹氣模塊提供氣源，所述氣源通過氣流管道從設置在吹氣模塊頂部的吹氣針頭吹出。
6、由于陽春砂花的花器構造特殊，其花粉囊的位置是低于柱頭的，因此花粉很難落到柱頭上，難以完成自花授粉，為了解決該問題，在本裝置中在不破壞花的結構下，通過深度相機精準識別出陽春砂花的各部分結構，利用柔性夾子機構夾取花柱并往上移動一段距離使得花粉囊不被花瓣所掩埋，并且還為震動模塊接近花粉囊提供了可能，使得震動模塊可以通過與花粉囊之間的震動作用將花粉抖到花朵凹槽處，接著利用吹氣針頭將花粉吹入到花柱柱頭中，從而實現陽春砂花的自花授粉，解決了陽春砂花難以自花授粉的問題，可以實現精準快速授粉，并且準備周期短可以快速投入使用，授粉率高且受外界環境影響小。
7、另一方面，本技術還根據上述授粉裝置提出了一種針對陽春砂花授粉問題的授粉方法，所述方法包括以下步驟：
8、s1：將機械狗放置在需要授粉的區域中，啟動機器狗并通過其內置的慣性傳感器測量出機械狗的加速度和角速度，并結合卡爾曼濾波計算其位置；
9、s2：使用模型預測控制算法來對機器狗姿態進行控制；
10、s3：使用d*算法對機器狗進行路徑規劃；
11、s4：當機器狗根據規劃的路徑移動到目標花朵附近時，采用改進的yolov8來檢測識別出陽春砂花目標花朵，并對目標花朵進行第一次定位；
12、s5：采用深度相機對距離最近的目標花朵進行第二次定位，識別出目標花朵的各部分結構，并獲取目標花朵各部分結構的世界坐標；
13、s6：根據獲取到的目標花朵各部分的世界坐標對目標花朵進行授粉操作；
14、s7：授粉結束后對授粉裝置進行復位，然后重復步驟s2-s6完成下一目標花朵的授粉任務。
15、在本技術中利用機械狗內置的慣性傳感器測量出的數據結合卡爾曼濾波來計算出機械狗自身的位置，然后利用d*算法來機器狗進行路徑規劃使得機械狗上搭載的授粉部件可以準確地到達目標花朵附近一定范圍內，接著在利用深度相機對目標花朵進行兩次識別定位，精準地識別并定位出陽春砂花的花器各部分結構的坐標，從而所述授粉裝置可以精準地對陽春砂花進行自花授粉操作，保證了花粉的有效傳遞，提高授粉的成功率，進而避免了傳統人工授粉中可能出現的遺漏或不均勻情況，減少人工干預，提高授粉效率，通過自動化授粉的方式來減少了對天然授粉者(如蜜蜂等昆蟲)的依賴，有助于在授粉者數量不足或生態環境受到干擾的情況下維持作物的生長和產量，適合大規模農業生產。
16、優選地，在所述步驟s1中包括：根據卡爾曼濾波方程結合加速度和角速度數據通過積分來獲得機器狗的位置估計，其公式如下所示：
17、
18、其中，是位置向量,是速度向量,是加速度向量。
19、通過上述方法可以準確地計算得到機器狗自身的準確位置，從而為后續建立坐標系對目標花朵進行定位奠定了基礎，可以得到目標花朵準確的坐標，從而實現精準定位。
20、優選地，在所述步驟s2中包括：通過建立運動學模型來完成位置坐標系的建立，獲得機身坐標系和世界坐標系，其中，所述機身坐標系位于機器狗質心，x軸正方向為機器狗的前進方向，z軸正方向垂直于機器狗機身平面豎直向上，y軸由右手定則確定；所述世界坐標系位于機身坐標投影于地面的垂直方向，到機身坐標系的距離為h。
21、通過根據機器狗不同的相對位置建立機身坐標系和世界坐標系，使得通過模型預測控制算法來實現對機器狗進行姿態控制時，機器狗運動的路線更加精準，所到達的目標花朵位置更加準確。
22、優選地，在所述步驟s3中包括：
23、s31：利用機器狗自帶的五組相機和紅外感知探測器360度無死角感知周圍環境，將收集到的三維地形圖離散化為三維網格結構，設每個小立方體單位為一個節點，并確定節點之間的連接關系，然后將機器狗的出發位置設為起始節點s，將期望到達的目的地設為目標節點g；
24、s32：根據起始節點和目標節點，通過啟動函數來估計起始節點到目標節點的距離；
25、s33：從優先級隊列open中取出評估函數f(n)值最小的節點n；
26、s34：對于取出的節點n的每個相鄰節點m∈neighbors(n)，計算從節點n到相鄰節點m的移動代價c∈(n,m)，然后根據移動代價計算新的路徑代價t；
27、s35：將新的路徑代價t和相鄰節點m的路徑代價g(m)進行比較，若t<g(m)則更新g(m)＝t，表示找到更優的到達m的路徑；若m不在open隊列中，則將m放入open隊列，并重復步驟s31-s35，直到起始節點被取出或者open隊列為空。
28、在本技術中，通過利用機器狗自帶的相機和紅外感知探測器來感知周圍環境，并將收集到的三維地形圖離散化為三維網格結構，接著根據相關節點來計算規劃出機械狗最優的前進路線，如果起始節點被取出，則表示已經找到了從起始節點到目標節點的最優路徑；如果open隊列為空，則表示不存在可行路徑。這時可通過報警裝置提供報警信息，所述機器狗將被重新放置并重新規劃路徑。
29、優選地，在所述步驟s4中，
30、所述改進的yolov8包括：通過改進的深度可分離卷積和注意力機制對yolov8在特征提取部分進行優化，從而提高檢測陽春砂花的精度和速度；
31、所述對目標花朵進行第一次定位包括：
32、s41：深度相機通過利用其內參做畸變矯正來消除圖像上的鏡頭畸變，以獲得無失真的圖像，并從彩色幀或者深度幀的配置文件中獲取相機的內參數據；
33、s42：對于每個像素點，將其深度像素值轉換為實際的深度值z；
34、s43：根據相機的內參數據和實際的深度值來獲取像素點在相機坐標系下的三維坐標；
35、s44：將機械狗的旋轉矩陣和平移向量相結合構成一個變換矩陣，接著利用該變換矩陣將要獲取的像素點三維坐標轉換到世界坐標系中，從而實現對目標花朵進行第一次定位。
36、在路徑規劃算法的幫助下，所述授粉裝置移動到目標花朵附近，在深度相機采集信息的幫助下，通過改進的yolov8中的自定義特征提取模塊，有效地訓練得到針對陽春砂花花型的模型，并通過改進的深度可分離卷積和注意力機制對yolov8在特征提取部分進行了優化，提高了檢測陽春砂花的精度和速度。在檢測出陽春砂花后，再根據深度相機所拍攝的目標花朵圖像的像素點來確定目標花朵的世界坐標，從而實現對對目標花朵的第一次定位，授粉裝置根據第一次定位的坐標結果到達目標花朵更加精確的位置，為授粉做準備。
37、優選地，在所述步驟s5中包括：通過fcn語義分割算法來完成對目標花朵各部分結構進行特異性識別，然后利用對目標花朵進行第一次定位的方法來對目標花朵各部分結構進行第二次定位，求出各部分結構在世界坐標系下的坐標。
38、通過fcn語義分割算法對目標花朵進行識別，識別出花器的各部分結構，包括花瓣、柱頭、花粉囊、花柱，然后再對上述各部分結構進行定位，從而使得授粉裝置可以精準地找到花柱和花粉囊。
39、優選地，在所述步驟s6中包括：
40、s61：機械臂根據記錄的花朵的相關坐標，建立相對坐標系進行定位，然后計算出目標花朵的花瓣、柱頭、花粉囊、花柱的相對坐標系坐標，接著將柔性夾子機構、震動模塊以及吹氣模塊懸浮于目標花朵上方；
41、s62：所述柔性夾子機構在收到夾住指令后，根據花柱的相對坐標計算其力度以及開合角度，然后通過電機驅動，夾住花柱并往上移動一段距離，使得花粉囊不被花瓣所掩埋；
42、s63：轉盤模塊通過旋轉帶動震動模塊以及吹氣模塊位于合適的位置，并通過震動模塊于花粉囊之間的震動作用將花粉抖到花朵凹槽處，所述吹氣模塊通過空壓機產生氣體并利用氣流管道運輸氣流，通過吹氣針頭將花粉吹入花柱頂端來完成一次授粉；
43、s64：根據花瓣的數量，通過轉盤模塊旋轉再次將震動模塊和吹氣模塊以及吹氣針頭位于合適的位置，從而完成對同一處坐標附近的不同花瓣的授粉工作。
44、在完成了對目標花朵的定位工作后，授粉裝置的機械臂開始執行授粉工作，通過授粉裝置各個模塊地相互配合實現陽春砂花高效且精準地自花授粉。
45、進一步優選地，在步驟s63所述震動模塊中包括：通過使用pwm模塊產生的脈沖信號來影響其周期最后影響震動頻率fz，其中，所述pwm模塊的周期計算公式為：
46、
47、tclk是pwm模塊的時鐘周期，fclk是pwm模塊的時鐘頻率；period為周期比寄存器。
48、通過計算pwm模塊的周期來控制震動模塊的震動頻率從而可以保證花粉囊中的花粉能夠順利被震落的同時花粉囊的結構不會受到破壞，保證了授粉的成功率。
49、優選地，在所述步驟s7中，所述對授粉裝置進行復位包括通過總變換矩陣來對機械臂進行復位，所述總變換矩陣公式為：
50、t＝a1a2…ai
51、其中，ai為通過d-h參數法得到的相鄰中間機械臂之間的齊次變換矩陣，i為機械臂關節數量。
52、在對一目標花朵完成授粉任務后及時對機械臂進行復位，保證了下一個目標花朵的授粉任務能夠及時進行，從而提高了授粉效率。
53、與現有技術相比，本發明的有益效果為：
54、由于陽春砂花的花器構造特殊，其花粉囊的位置是低于柱頭的，因此花粉很難落到柱頭上，難以完成自花授粉，為了解決該問題，本技術提出了一種針對陽春砂花授粉問題的授粉裝置及方法，首先通過路徑規劃算法使得授粉裝置可以準確地到達目標花朵附近一定范圍內，然后在不破壞花的結構下，通過深度相機精準識別出陽春砂花的各部分結構，并得到各部分結構精確的世界坐標，根據坐標利用柔性夾子機構夾取花柱并往上移動一段距離使得花粉囊不被花瓣所掩埋，并且還為震動模塊接近花粉囊提供了可能，使得震動模塊可以通過與花粉囊之間的震動作用將花粉抖到花朵凹槽處，接著利用吹氣針頭將花粉吹入到花柱柱頭中，從而實現陽春砂花的自花授粉，解決了陽春砂花難以自花授粉的問題，可以實現精準快速授粉，減少人工干預，并且授粉率高，受外界環境影響小，準備周期短可以快速投入使用，適合大規模農業生產。
55、附圖說明
56、圖1為本發明提供的授粉裝置結構示意圖。
57、圖2為本發明提供的陽春砂花結構示意圖。
58、圖3為本發明提供的授粉方法流程示意圖。
59、圖4為本發明提供的另一種授粉裝置結構示意圖。
60、圖5為本發明提供的另一種授粉裝置放大結構示意圖。
61、圖6為本發明提供的另一種授粉方法流程示意圖。