本發(fā)明涉及修剪，特別地，本發(fā)明涉及自動控制果/花的疏化。

背景技術(shù)：

1、外部植物結(jié)構(gòu)諸如葉、莖、根、花、果和種子被稱為植物器官。每個器官都是一起工作來執(zhí)行特定的功能的有組織的一組組織。這些器官中的一些器官是繁殖結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可以分為兩類：有性繁殖結(jié)構(gòu)和無性繁殖結(jié)構(gòu)。有性繁殖結(jié)構(gòu)包括花蕾、果和種子。

2、進(jìn)行花或幼果去除(疏化(thinning))是為了允許剩余的果快速生長，以及為了避免這樣大的收成影響來年的收成。疏化通過手工、機(jī)械或化學(xué)方法進(jìn)行。手工疏化花可能比機(jī)械或化學(xué)疏化花更容易預(yù)測，但很大程度上依靠人力，這可能涉及復(fù)雜問題和高成本。疏化的成本與種植過程中涉及的除采收外的大多數(shù)操作相比都非常高。

3、疏化由于其對果的數(shù)量和大小的影響，而對從地塊獲取的回報率具有重要的影響。疏化不足會導(dǎo)致平均果大小減小，而過度疏化則會減少果數(shù)量。因此，產(chǎn)量下降。

4、市場偏好可能決定了特定果大小范圍的回報率相較于該范圍以外果大小所獲取的回報率顯著地更高。因此，種植者需要采用可靠的高產(chǎn)技術(shù)來滿足市場需求，從而可能允許對不斷變化的環(huán)境條件和市場趨勢做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。

5、如今，果樹諸如桃子和油桃的疏化都是人工且通常遵循的是籠統(tǒng)、不準(zhǔn)確和不系統(tǒng)的指導(dǎo)原則下進(jìn)行的。有時，在人工疏化之前，會用機(jī)器進(jìn)行不準(zhǔn)確的機(jī)械疏化，這種機(jī)械疏化只是簡單地剪掉一些花朵或果，但機(jī)械疏化并不適合所有品種，并且大多數(shù)農(nóng)民并不經(jīng)常使用機(jī)械疏化。根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)械疏化和人工疏化相結(jié)合的實踐，一個典型的示例是對一棵有2000朵花的樹進(jìn)行初步機(jī)械疏化，該初步機(jī)械疏化去除20％到40％之間的花，留下大約1500個幼果發(fā)展(顯然，沒有考慮開花期和結(jié)果期之間的折損)。如果適用于該品種，還可以進(jìn)行附加的機(jī)械疏化以去除幼果，其中去除20％至30％的幼果，這樣樹上就會留下大約1100個幼果。從這一階段開始，根據(jù)品種，人工地進(jìn)行疏化以將果數(shù)量減少到300至550之間的范圍。這意味著，在上述初步機(jī)械疏化之后，高水平表現(xiàn)的人工疏化需要每德南(dunam)一名工人5至8個工作日之間。在以色列，一名工人每天的成本大致為260nis，粗略為80us，這是按照2022年2月的匯率計算的。如果不應(yīng)用初步機(jī)械疏化，每德南的疏化時間可以達(dá)最高9至11個工作日。

6、與現(xiàn)有技術(shù)相關(guān)的一系列問題包括：需要大量勞動力，而這些勞動力并非總是可用；季節(jié)性工人缺乏專業(yè)性；人類工人分心(如，因手機(jī)分心)；所應(yīng)用的疏化策略不符合市場偏好；高度依賴經(jīng)驗和知識，而許多農(nóng)民和工人并不具備這些經(jīng)驗和知識。難以權(quán)衡影響疏化策略結(jié)果的所有參數(shù)。即使是知識淵博、經(jīng)驗豐富的農(nóng)民，也未必能將所有參數(shù)都考慮在內(nèi)。將知識從農(nóng)民傳遞給工人也有困難。人工疏化是一項緩慢而昂貴的操作。難于在合適的時機(jī)進(jìn)行該操作，這是由于受到以下因素的限制，諸如：需要并行地處理若干品種的疏化，或在果園中進(jìn)行其他操作，而人力則被安排在該其他操作。至關(guān)重要的是在合適的時機(jī)進(jìn)行疏化來避免將樹資源浪費在多余的果上，而不是將樹資源精確地用于正確的果數(shù)量，以允許實現(xiàn)符合市場偏好的收成。工作時間限制。

7、存在應(yīng)用化學(xué)疏化的情況，但化學(xué)疏化不夠精確，也不適合所有類型的作物(如桃子和油桃)。機(jī)械疏化設(shè)備有時安裝在運載工具上，進(jìn)行隨機(jī)和不準(zhǔn)確的疏化，通常作為人工疏化的初步操作，但通常不能取代人工疏化。因此，要將樹上的果數(shù)量減少到期望的最終數(shù)量，精確的人工疏化是必不可少的。

8、為了克服上述問題，提出了多個涉及使用疏化機(jī)器人的解決方案。在us20130204437中，koselka等人提出了一種用于農(nóng)作物采收、修剪、剔除、除草、測量和管理的機(jī)器人系統(tǒng)。提出的系統(tǒng)利用機(jī)器視覺，使用攝像頭識別和定位每棵樹上的果、葡萄藤上要修剪的點等?？梢岳脵C(jī)器人來測量農(nóng)業(yè)參數(shù)或協(xié)助管理農(nóng)業(yè)資源。攝像頭可以與臂或其他裝置耦合，以允許在進(jìn)行所期望的農(nóng)業(yè)功能時從植物內(nèi)部進(jìn)行觀察。機(jī)器人移動通過田間，首先“繪制(map)”植物的位置、果的數(shù)量和大小以及果的大致位置，或者繪制葡萄藤的帶和藤條。繪制完成后，機(jī)器人或服務(wù)器會創(chuàng)建機(jī)器人可以執(zhí)行的行動計劃。行動計劃可以包括指定要進(jìn)行的農(nóng)業(yè)功能的操作和數(shù)據(jù)。在us10757861中，robertson等人描述了一種機(jī)器人果采摘系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括具有定位子系統(tǒng)的自主機(jī)器人，該子系統(tǒng)使得能夠使用計算機(jī)視覺引導(dǎo)系統(tǒng)對機(jī)器人進(jìn)行自主定位。機(jī)器人還包括至少一個采摘臂和至少一個采摘頭，或安裝在每個采摘臂上的其他類型的端部效應(yīng)器，用于切割特定果或果串的莖或枝，或掐該果或串。計算機(jī)視覺子系統(tǒng)分析待采摘或儲存的果的圖像，并且控制子系統(tǒng)利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對采摘策略進(jìn)行編程或?qū)W習(xí)。質(zhì)量控制(qc)子系統(tǒng)監(jiān)測果的質(zhì)量，并根據(jù)大小和/或質(zhì)量對果進(jìn)行分級。機(jī)器人具有存儲子系統(tǒng)，用于將果儲存在容器中，以便儲存或運輸，或儲存在小袋中，以便零售。zhang?fei等人在cn207083570中描述了樹切割整理裝置，包括履帶行走單元、臂和光纖激光器。lee?chul?hee在us2016050852中討論了一種具有激光束發(fā)生器以切割花?；蚴杌ù氐臋C(jī)器人系統(tǒng)，并且更特別地討論了一種農(nóng)業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，用于通過攝像頭輸入圖像來識別果、花或花蕾，并利用激光束切割花梗或疏化花簇(灼傷或治愈花或花蕾)，從而實現(xiàn)加快修剪速度，以及非接觸式操作，以避免損壞作物以及受病毒及病菌污染以及節(jié)省勞動力。morcellet在fr2994057中提出了一種機(jī)器人，該機(jī)器人具有：可移動結(jié)構(gòu)，該可移動結(jié)構(gòu)在葡萄藤的行之間移動；收集與葡萄藤和枝相關(guān)的圖像的單元；圖像處理單元；與處理單元連接的控制單元，該控制單元將切割單元引導(dǎo)到切割點；記錄單元，該記錄單元用于記錄待被利用來引導(dǎo)激光束射向葡萄藤和枝的圖像。在wo2016014552中，lyons等人描述的一種端部執(zhí)行器設(shè)備和自動選擇性疏化系統(tǒng)包括視覺采集硬件、運動學(xué)面向和啟發(fā)式編程、機(jī)器人臂和按果樹學(xué)設(shè)計的端部執(zhí)行器。利用該系統(tǒng)來提高樹果園中果疏化過程的效率，諸如桃子疏化。通過實現(xiàn)果疏化機(jī)械過程的自動化，選擇性果疏化機(jī)可以消除人工投入，并進(jìn)一步加強(qiáng)有利的花簇去除。將自動化與啟發(fā)式方法結(jié)合使用對系統(tǒng)提供了改進(jìn)。該系統(tǒng)可以配置為機(jī)器人臂，也可配置為手持式系統(tǒng)，包括電池和帶手柄或腕帶的開關(guān)微控制器。機(jī)械性質(zhì)的手持式疏化設(shè)備也可以作為系統(tǒng)的一部分。截至2022年2月18日，aigritec在https://www.aigritec.com/service/precision-thinning/中提供了一種機(jī)器人平臺和專用端部執(zhí)行器，用于精確疏化，以去除樹上多余的果，減少果之間的競爭，從而允許為果提供足夠的生長空間，使果暴露于充足的陽光，從而實現(xiàn)更好的整體果質(zhì)量。aigritec描述了使用機(jī)器人視覺系統(tǒng)以從果園環(huán)境的工作場景中準(zhǔn)確且穩(wěn)健地提取幾何和語義信息——確保果和樹枝均不受損壞。

9、盡管在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域取得了上述巨大進(jìn)步，但仍然存在現(xiàn)有技術(shù)仍無法滿足的需求。具有機(jī)器人臂和安裝在機(jī)器人臂上的果/花朵切割器的疏化機(jī)器人以重復(fù)的一系列動作進(jìn)行操作，這顯著地降低了操作速度。由于樹枝結(jié)構(gòu)的原因，機(jī)械/機(jī)器人疏化可能會受到難以接觸到花朵和果的限制。在樹枝結(jié)構(gòu)不均勻的情況下，機(jī)器人操作會變得十分具有挑戰(zhàn)性。在一些情況下，為了方便機(jī)器人的使用，會對樹枝進(jìn)行修剪，以限制枝結(jié)構(gòu)的深度，以允許機(jī)器人臂能夠觸及，即二維(軸向)樹行設(shè)計。這就需要不斷努力，以保持適合機(jī)器人操作的枝結(jié)構(gòu)。這可能涉及樹資源的浪費。許多作物不適合典型的枝結(jié)構(gòu)厚度為大約80cm的樹行軸向設(shè)計。

10、綜觀上述現(xiàn)有解決方案，似乎沒有任何參考資料可用于根據(jù)某些生長條件和相關(guān)市場偏好提供疏化操作，以實現(xiàn)利潤最大化。

11、術(shù)語“用戶”、“農(nóng)民”和“種植者”在下文中可以互換使用。

12、術(shù)語“修剪單元”和“修剪系統(tǒng)”在下文中可以互換使用。

13、術(shù)語“地理區(qū)域”和“地理區(qū)”在下文中可以互換使用。

14、術(shù)語“栽培品種”、“品種”和“品系”在下文中可以互換使用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、現(xiàn)有的解決方案似乎無法使疏化適應(yīng)不同的生長條件和相關(guān)的市場偏好，從而實現(xiàn)利潤最大化。本發(fā)明者經(jīng)過多年的研究和實驗，開發(fā)出本發(fā)明，旨在克服與疏化相關(guān)的挑戰(zhàn)和現(xiàn)有技術(shù)的缺點。

2、根據(jù)本發(fā)明的一些方面，一種用于控制植物繁殖結(jié)構(gòu)(例如，果和/或花朵)疏化的系統(tǒng)包括處理單元；以及能夠由處理單元讀取的非暫時性介質(zhì)。介質(zhì)存儲指令，所述指令在由處理單元執(zhí)行時，使處理單元根據(jù)對數(shù)據(jù)的分析生成疏化策略，這些數(shù)據(jù)可以包括以下中的一個或多個：品系/栽培品種、地理區(qū)域、地形、土壤、耕作實踐、氣候、季節(jié)、目標(biāo)市場偏好和貿(mào)易。疏化策略可以包括對期望繁殖結(jié)構(gòu)密度進(jìn)行確定，繁殖結(jié)構(gòu)密度可以指要去除的花/果的比率(百分比)和花/果之間的距離。通常，密度與果/花的位置有關(guān)。密度可以是空間密度、線性密度、樹平均密度、枝平均密度、每單位長度平均密度。疏化策略可以根據(jù)品系/栽培品種和地理環(huán)境來確定。這可以包括如土壤、氣候、日照、緯度、海拔、排水、土壤處理歷史、以往的作物、灌溉施肥方法、水質(zhì)、沖積層、土壤流失、沉積物、地下水、空氣和土壤污染以及土壤條件(如侵蝕和壓實)等參數(shù)。處理單元生成源自于疏化策略的輸出，該輸出可以是提供給農(nóng)民的建議，也可以是被發(fā)送用于對疏化設(shè)備操作進(jìn)行控制的信號。

3、根據(jù)本發(fā)明的一些實施方式，疏化系統(tǒng)包括與處理單元以通信的方式耦合的一個或多個繁殖結(jié)構(gòu)(如花朵或果)檢測單元。這些檢測單元可以包括攝像頭、傳感器、激光雷達(dá)、雷達(dá)、圖像處理和分析模塊、機(jī)器學(xué)習(xí)模塊、人工智能、數(shù)據(jù)庫和通信模塊。處理單元可以根據(jù)從繁殖結(jié)構(gòu)檢測單元接收到的輸入，計算暫態(tài)繁殖結(jié)構(gòu)密度(包括零時)。疏化策略包括基于暫態(tài)密度與所期望繁殖結(jié)構(gòu)密度之間的差距而進(jìn)行的推斷。

4、根據(jù)一些實施方式，系統(tǒng)包括樹結(jié)構(gòu)檢測單元，據(jù)此，處理單元根據(jù)從繁殖結(jié)構(gòu)檢測單元和樹結(jié)構(gòu)檢測單元接收到的輸入來生成每棵樹的一個或多個部分的暫態(tài)模型(temporal?model)。這些檢測單元可以包括攝像頭、傳感器、激光雷達(dá)、雷達(dá)、圖像處理和分析模塊、機(jī)器學(xué)習(xí)模塊、人工智能、數(shù)據(jù)庫和通信模塊。

5、疏化策略可以包括對采收時所要求的果大小進(jìn)行確定和/或?qū)κ杌瘯r待修剪的果大小進(jìn)行確定。該策略可以包括源自于從至少一個推薦系統(tǒng)接收到的輸入的根據(jù)用戶偏好的推斷，用戶偏好可以包括關(guān)于以下中的一個或多個的數(shù)據(jù)：品系/栽培品種、地理區(qū)域、地形、土壤、灌溉、氣候季節(jié)、目標(biāo)市場偏好和貿(mào)易。該策略可以包括源自于由用戶提供的輸入、從各種檢測器，包括攝像頭、熱成像、圖像處理系統(tǒng)、聲音、雷達(dá)、激光雷達(dá)等接收的輸入的推斷。此外，還可以從數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)和天氣監(jiān)測設(shè)備接收輸入。輸入還可以包括歷史數(shù)據(jù)。為了處理輸入并生成疏化策略，處理單元可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、人工決策制定、數(shù)據(jù)挖掘和處理大數(shù)據(jù)的模塊。

6、在本發(fā)明的一些實施方式中，疏化系統(tǒng)包括計算機(jī)化控制器，該計算機(jī)化控制器接收從疏化策略的輸出和來自處理單元的暫態(tài)繁殖結(jié)構(gòu)密度(temporal?reproductivestructure)。該系統(tǒng)可以包括一個或多個初步修剪單元和一個或多個第一級修剪單元，兩者均由控制器控制。疏化策略包括對初步修剪繁殖結(jié)構(gòu)密度閾值進(jìn)行確定。如果暫態(tài)密度(temporal?density)高于閾值，則啟動初步修剪單元，并操作直至?xí)簯B(tài)密度低于閾值為止，如果暫態(tài)密度低于閾值，則啟動第一級修剪單元，并運行直至?xí)簯B(tài)密度達(dá)到根據(jù)疏化策略的繁殖結(jié)構(gòu)所期望密度值為止。第一級修剪單元可以包括多個激光束發(fā)射器，激光束發(fā)射器中的每個激光束發(fā)射器均與一個或多個激光束方向和強(qiáng)度控制單元耦合。其中一些方向和強(qiáng)度控制單元可以基于光學(xué)原理。此外，由于樹不同部位之間的繁殖結(jié)構(gòu)密度可能不同，因此可以針對樹的單獨部位分別啟動修剪單元。

7、疏化系統(tǒng)可以安裝在運載工具上。為了防止由于激光束或其他部分導(dǎo)致的可能的附帶損壞，系統(tǒng)可以包括保護(hù)裝置，諸如保護(hù)屏障；運動檢測器和圖像分析設(shè)備。例如，當(dāng)檢測到物體、動物或人接近工作區(qū)域，或者檢測到工作區(qū)域內(nèi)有鳥巢或陷阱等應(yīng)受保護(hù)的物體的情況時，可以使用檢測器和成像設(shè)備來停止疏化系統(tǒng)的操作。檢測器可以包括攝像頭、熱成像(thermal)、圖像處理、聲音、雷達(dá)、激光雷達(dá)以及未來可能開發(fā)的其他設(shè)備。還可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、數(shù)據(jù)庫、通信模塊和歷史數(shù)據(jù)。一些檢測器可以固定不動永久地位于工作區(qū)域內(nèi)，也可以在不同工作區(qū)之間轉(zhuǎn)移。一些檢測器可以固定在疏化系統(tǒng)上、安裝在運載工具上或飛行器諸如無人機(jī)和氣球上。根據(jù)一些示例，使用與疏化系統(tǒng)通信連接的手機(jī)，用于發(fā)送外圍損壞可能性，例如手機(jī)攝像頭檢測到的物體的警告信號。

8、修剪單元可以包括：一個或多個植物部分檢測單元；以及用于接收來自植物部分檢測單元輸入的處理單元。非暫時性介質(zhì)能夠由修剪處理單元讀取，該介質(zhì)存儲有指令，所述指令在由處理單元執(zhí)行時，使處理單元根據(jù)來自植物部分檢測單元的輸入來生成植物部分的一個或多個遮擋部段的一個或多個結(jié)構(gòu)模型。修剪處理單元可以用于根據(jù)遮擋部分模型和從植物部分檢測單元接收到的輸入來限定繁殖結(jié)構(gòu)修剪中的最佳切割點，植物部分檢測單元可以包括攝像頭、熱成像、圖像處理、聲音處理、雷達(dá)、激光雷達(dá)以及未來可能開發(fā)的其他類型的檢測器。還可以利用機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能、培訓(xùn)模塊、數(shù)據(jù)庫、通信模塊、歷史數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)。

9、修剪單元可以包括機(jī)械、液壓、氣動、機(jī)器人、激光、電氣機(jī)構(gòu)等等。除繁殖結(jié)構(gòu)外，還可以利用本發(fā)明的一些實施方式來修剪枝或其他植物部分。

10、根據(jù)本發(fā)明一些方面的方法，涉及使用人工智能(ai)模塊，包括生成疏化策略和生成源自于疏化策略的輸出。疏化策略基于對數(shù)據(jù)的分析，這些數(shù)據(jù)可以包括品系/栽培品種、地理區(qū)域、地形、土壤、耕作實踐、氣候、季節(jié)、目標(biāo)市場偏好和貿(mào)易。根據(jù)一些實施方式，該方法包括：對期望繁殖結(jié)構(gòu)密度進(jìn)行確定；根據(jù)所接收到的有關(guān)繁殖結(jié)構(gòu)的輸入，來計算暫態(tài)繁殖結(jié)構(gòu)密度；以及根據(jù)暫態(tài)密度與期望繁殖結(jié)構(gòu)密度的值之間的差距來生成推斷。該方法可以包括：根據(jù)有關(guān)繁殖結(jié)構(gòu)的輸入和有關(guān)樹結(jié)構(gòu)的輸入，來生成每棵樹的一個或多個部分的暫態(tài)模型。該方法可以包括對采收時的果大小進(jìn)行確定和/或?qū)κ杌瘯r待修剪的果大小進(jìn)行確定。在體現(xiàn)本發(fā)明的一些示例中，該方法包括根據(jù)用戶偏好，包括關(guān)于品系/栽培品種、地理區(qū)域、目標(biāo)市場偏好和貿(mào)易的數(shù)據(jù)，生成源自于一個或多個推薦系統(tǒng)接收的輸入的推斷。

11、在一些情況下，源自于疏化策略中的輸出用于控制至少一個修剪系統(tǒng)。在本發(fā)明的一些實施方式中，該方法包括對初步修剪繁殖結(jié)構(gòu)密度閾值進(jìn)行確定；進(jìn)行初步修剪；以及進(jìn)行第一級修剪。只要暫態(tài)密度高于或等于閾值，就進(jìn)行初步修剪。當(dāng)暫態(tài)密度低于閾值并高于繁殖結(jié)構(gòu)所期望密度時，進(jìn)行第一級修剪。第一級修剪可能涉及從多個激光束發(fā)射器發(fā)射激光束。在接收到表明由于初步修剪或第一級修剪而導(dǎo)致的可能的附帶損壞的至少一個警報的情況下，停止初步修剪和第一級修剪。

12、在一些實施方式中，該方法包括檢測一個或多個植物部分，并根據(jù)檢測到的植物部分來生成一個或多個植物部分的至少一個遮擋部段的一個或多個結(jié)構(gòu)模型。該方法可以包括：根據(jù)一個或更多個遮擋部段的結(jié)構(gòu)模型和所檢測到的一個或更多個植物部分，來限定繁殖結(jié)構(gòu)修剪中的最佳切割點。