马铃薯覆膜栽培自动放苗机构设计与试验：基于4-DOF机械臂与改进YOLOv5s-se模型的精准识别与作业优化

《Smart Agricultural Technology》：Design and experiments of an automatic seed potato release mechanism for plastic film mulching cultivation

为解决覆膜马铃薯田间人工放苗效率低、劳动强度大等问题，研究人员开发了一种基于4自由度机械臂的自动放苗系统及改进YOLOv5s-se模型，实现了复杂场景下膜下幼苗精准识别（识别率94.67%）与自动化放苗（成功率90.67%），为马铃薯覆膜栽培自动化装备研发提供了理论依据和技术支撑。

　　

马铃薯作为中国第四大粮食作物，其单位面积产量已超过小麦、玉米和水稻。然而，在中国北方马铃薯主产区，低温少雨的气候条件限制了产量提升，因此覆膜种植技术被广泛采用以提高地温和保墒。但覆膜栽培需要在幼苗出土时及时破膜，这一操作不仅劳动强度大，而且时间紧迫。目前，放苗作业主要依靠人工完成，存在效率低、劳动强度高等问题。

针对这一痛点，西北农林科技大学机械与电子工程学院的研究团队在《Smart Agricultural Technology》上发表了一项创新研究，他们开发了一套基于四自由度（4-DOF）机械臂的自动放苗系统，并结合改进的YOLOv5s-se模型实现膜下幼苗的精准识别与定位。该系统能够有效替代人工操作，显著提高作业效率，为马铃薯覆膜栽培的自动化提供了可行的技术解决方案。

研究人员采用了几项关键技术方法：首先，通过改进的YOLOv5s-se深度学习模型实现膜下马铃薯幼苗的多目标检测，该模型引入了SE（Squeeze-and-Excitation）注意力机制，增强了对复杂田间环境的适应性；其次，使用Denavit-Hartenberg（D-H）参数法建立了机械臂的运动学模型，并通过正逆运动学求解验证了模型的准确性；此外，利用MATLAB Robotics Toolbox进行了工作空间分析和轨迹规划仿真，比较了三次和五次多项式插值在轨迹平滑性方面的性能差异。

在机械臂设计方面，研究团队设计了一个4自由度串联机械臂，采用旋转关节J1-J4，并通过平行四边形机构实现运动传递，使末端执行器始终保持与基座平面垂直的姿态。这种设计不仅降低了控制复杂度，还提高了机械臂的稳定性和负载能力。膜破工具采用电热切割方式，使用镍铬加热丝，能够在瞬间完成覆膜切割，且切口呈四分之三圆弧形，既保证了幼苗顺利出土，又便于后期残膜回收。

研究结果显示，改进的YOLOv5s-se模型在膜下幼苗识别方面表现出色，准确率达到94.67%，较原始YOLOv5s和YOLOv7-tiny模型均有提升。通过手眼标定技术，系统能够将相机坐标系中检测到的幼苗坐标转换为机械臂坐标系中的目标位置，为实现精准操作奠定了基础。

在运动学分析方面，研究团队通过正运动学方程验证了机械臂末端执行器的位置计算准确性，并通过逆运动学求解得到了各关节角的闭合解。仿真结果表明，五次多项式插值在关节角速度、角加速度和轨迹平滑性方面均优于三次多项式插值，关节速度小于2.3 rad·s^?1，加速度小于7.2 rad·s^?2，能够满足实际作业需求。

田间试验结果表明，该自动放苗系统在实际作业中取得了成功率达90.67%，损伤率仅为1.33%，平均作业效率为12.32株/分钟的良好性能。系统能够准确识别膜下幼苗位置，并控制机械臂完成精准的破膜放苗操作。试验中还观察到，破膜后的幼苗生长旺盛，表明系统设计合理，不会对幼苗生长造成不利影响。

研究的讨论部分指出，尽管系统在试验中表现良好，但由于测试周期有限，未能充分考虑地形、土壤质地、气候和季节等复杂条件的影响。系统的适应性和可靠性仍需在更多样化的田间条件下进行验证。此外，机械臂的运行速度和幼苗识别定位系统在动态条件下的性能仍有优化空间，这将有助于进一步提高作业效率。

该研究的重要意义在于为解决覆膜马铃薯栽培中的放苗难题提供了有效的自动化解决方案，不仅降低了劳动强度，提高了作业效率，而且为现代农业装备的智能化发展提供了技术参考。未来，随着技术的进一步优化和推广应用，这种自动放苗系统有望在中国乃至全球的马铃薯主产区发挥重要作用，推动马铃薯产业的现代化发展。