基于改進(jìn)YOLOv5的蘋果采摘機(jī)器人多目標(biāo)識別技術(shù)研究

寇雷雷　張紅娜

摘要：針對采摘機(jī)器人多目標(biāo)檢測影響因素多、識別準(zhǔn)確率低等問題，為給采摘機(jī)械手提供有效的視覺引導(dǎo)，提出一種改進(jìn)YOLOv5目標(biāo)識別網(wǎng)絡(luò)模型。首先，在YOLOv5s的基礎(chǔ)上利用改進(jìn)Ghost模塊替代CSP模塊，以減少模型計算量，使模型更為輕量化?？紤]到預(yù)測框與目標(biāo)框的橫縱比問題，用CIoU_Loss替換GIoU_Loss作為損失函數(shù)，提高目標(biāo)回歸的穩(wěn)定性。采用DSPP模塊來代替原始的SPP模塊進(jìn)行池化操作，以解決SPP特征信息丟失問題，提高目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性；然后，利用該模型對蘋果圖像樣本進(jìn)行訓(xùn)練與評價，分析模型性能的可靠性與可行性；最后，對數(shù)據(jù)集進(jìn)行識別測試，并根據(jù)不同評價指標(biāo)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證所建模型的優(yōu)越性。研究結(jié)果表明，所提出的改進(jìn)YOLOv5網(wǎng)絡(luò)模型具有識別準(zhǔn)確性高、抗干擾能力強(qiáng)、檢測速度快的特點(diǎn)。與其他模型相比，精確率最高提升8.4%，召回率最高提升5.1%，mAP最高提升10.3%。

關(guān)鍵詞：蘋果；多目標(biāo)識別；采摘機(jī)器人；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP391.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：20955553 （2023） 11016207

Research on multi-target recognition technology of apple picking robot

based on improved YOLOv5

Kou Leilei Zhang Hongna

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Jilin Engineering Vocational College， Siping， 136000， China；

2. College of Engineering， Inner Mongolia Minzu University， Tongliao， 028005， China）

Abstract：Aiming at the issues of multiple influencing factors and low recognition accuracy in multi target detection of harvesting robots， an improved YOLOv5 object recognition network model is proposed to provide effective visual guidance for harvesting robots. Firstly， based on YOLOv5s， an improved Ghost module is used to replace the CSP module to reduce the computational complexity of the model and make it more lightweight. Considering the aspect ratio between the prediction box and the target box， CIoU_Loss is replaced by GIoU_Loss as a loss function to improve the stability of target regression. DSPP module is used to replace the original SPP module for pooling operation to solve the problem of SPP feature information loss and improve the accuracy of object detection. Then， the model is used to train and evaluate apple image samples，to analyze the reliability and feasibility of the models performance. Finally， identification testing is conducted on the dataset and comparative analysis is conducted based on different evaluation indicators to verify the superiority of the constructed model. The research results indicate that the proposed improved YOLOv5 network model has the characteristics of high recognition accuracy， strong anti-interference ability， and fast detection speed. Compared with the other models， the accuracy rate is up to 8.4%， the recall rate is up to 5.1%， and the mAP rate is up to 10.3%.

Keywords：apple; multi-target recognition; picking robot; neural network

0引言

隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，采摘機(jī)器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域不斷被應(yīng)用，大大提高了采摘效率，有效解決人工作業(yè)效率低、勞動強(qiáng)度大等問題［12］。自動采摘的關(guān)鍵問題在于對果實(shí)的檢測，識別精度直接影響了采摘機(jī)器人的工作有效性，因此尋找一種有效的目標(biāo)檢測算法成為當(dāng)前學(xué)者們研究的重點(diǎn)。

基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)識別算法主要包括二階段目標(biāo)檢測法和一階段目標(biāo)檢測法。二階段目標(biāo)檢測法首先生成目標(biāo)候選框，對候選框區(qū)域的圖像進(jìn)行特征提取，再對提取到的特征進(jìn)行分類與回歸，如Faster R-CNN［3］、Mask R-CNN［4］等算法；一階段目標(biāo)檢測算法是利用回歸思想同時完成檢測和識別，實(shí)現(xiàn)端到端的檢測和識別，如SSD［5］、YOLO［6］等算法。YOLO算法是近幾年提出的新型網(wǎng)絡(luò)模型，在檢測速度和檢測精度上更具優(yōu)勢，目前已有發(fā)展了包括YOLOv2［7］、YOLOv3［89］、YOLOv4［1011］以及YOLOv5［12］等多種改進(jìn)算法，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通及軍事等領(lǐng)域。

由于果園地面不平整及采摘時機(jī)械臂抖動，常造成采集的圖像畫質(zhì)不高，對目標(biāo)檢測產(chǎn)生一定影響，降低了機(jī)器人對果實(shí)的識別精度。特別是在復(fù)雜天氣環(huán)境下，果實(shí)重疊、枝葉遮擋等情況的目標(biāo)識別，更是存在識別準(zhǔn)確率低和識別速度慢等問題，甚至導(dǎo)致漏檢或誤檢，嚴(yán)重影響了采摘機(jī)器人的作業(yè)效率?；诖耍疚脑赮OLOv5s網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，對其CSP模塊、損失函數(shù)以及SPP模塊進(jìn)行改進(jìn)，提出一種改進(jìn)YOLOv5網(wǎng)絡(luò)模型。同時，將該模型用于對蘋果目標(biāo)的訓(xùn)練測試，并與不同模型進(jìn)行對比和量化評價分析，驗(yàn)證該網(wǎng)絡(luò)模型的可靠性和可行性，以期提高采摘機(jī)器人的多目標(biāo)識別精度，提升其工作效率。

1改進(jìn)YOLOv5網(wǎng)絡(luò)模型

1.1模型框架

YOLOv5網(wǎng)絡(luò)模型是在YOLOv4的基礎(chǔ)上對骨干網(wǎng)絡(luò)等部分進(jìn)行優(yōu)化而演變來的，具有準(zhǔn)確性高和檢測速度快等特點(diǎn)，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)深度和寬度的不同，目前YOLOv5已經(jīng)發(fā)展為YOLOv5s、YOLOv5m、YOLOv5l及YOLOv5x幾種版本。結(jié)合本研究設(shè)計需求，為保證檢測速度和準(zhǔn)確率，本文以YOLOv5s為基礎(chǔ)開展研究。

YOLOv5s網(wǎng)絡(luò)分為輸入端、主干網(wǎng)絡(luò)（Backbone）、頸部（Neck）、Prediction四個部分［1314］，如圖1所示。

YOLOv5s網(wǎng)絡(luò)在特征提取結(jié)構(gòu)的頂端采用切片（Focus）操作，以擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)的輸入通道，提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行速度；CSP模塊是跨階段局部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡稱，是Backbone網(wǎng)絡(luò)的主體結(jié)構(gòu)，主要用于提取特征，其結(jié)構(gòu)由兩部分組成，一部分只進(jìn)行簡單的卷積計算，另一部分則采用傳統(tǒng)的殘差塊堆疊操作，其形式為：卷積—批量歸一化—激活函數(shù)—多個殘差單元—卷積塊的連接方式。兩部分通過拼接和通道整合，使多個CSP模塊和Conv模塊串聯(lián)形成深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并在隱藏層中使用Leaky ReLU作為激活函數(shù)，以減輕模型的復(fù)雜程度，從而提高卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)多尺度目標(biāo)復(fù)雜特征的提取。

頸部（Neck）采用空間金字塔池化（FPP）方式，能夠更好地增加卷積核的感受野，提高網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)能力，然后將路徑聚合網(wǎng)絡(luò)（PAN）與FPP特征層相連，提升了網(wǎng)絡(luò)特征的提取能力，實(shí)現(xiàn)對不同層級特征的有效融合。輸出端使用GIOU_Loss作為邊框回歸的損失函數(shù)，解決了預(yù)測框和目標(biāo)框邊界框不重合問題，使目標(biāo)框的回歸更加穩(wěn)定。YOLOv5s網(wǎng)絡(luò)的輸入端采用Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CutMix數(shù)據(jù)增強(qiáng)方式，通過自適應(yīng)方法對錨框尺寸進(jìn)行學(xué)習(xí)和計算，從而使模型定位更加準(zhǔn)確，識別準(zhǔn)確性更高，適合多目標(biāo)的檢測與識別訓(xùn)練。由于YOLOv5計算數(shù)據(jù)量大，往往存在檢測速度慢、識別效率低的問題，因此，本文在YOLOv5s網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建出一種改進(jìn)的YOLOv5網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)。

1.2CSP模塊改進(jìn)

為有效減少卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算量，用Ghost模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的卷積模塊，該模塊由傳統(tǒng)卷積和深度卷積組合而成，然后再將兩個Ghost模塊疊加到一起，其輸入和輸出通過shortcut相連接。前面的Ghost模塊采用批量歸一化（BN）和ReLU激活函數(shù)作為擴(kuò)展層以增加通道數(shù)，而后面的Ghost模塊則不使用激活函數(shù)，以減少通道數(shù)量，以適應(yīng)shortcut的路徑形式。利用Ghost模塊替換CSP上層分支結(jié)構(gòu)中的殘差組件，保持下層分支卷積不變，然后兩個分支再重新組合，分別進(jìn)行Concat、正態(tài)分布（BN）、激活以及CBL操作，改進(jìn)后的模塊如圖2所示。

1.3損失函數(shù)改進(jìn)

YOLOv5s模型在對多個目標(biāo)圖像進(jìn)行檢測時，算法將生成不止一個預(yù)測框，因此需要刪除多余的預(yù)測框，選擇最接近真實(shí)框的預(yù)測框。YOLOv5s網(wǎng)絡(luò)的損失函數(shù)L由回歸框預(yù)測損失Lloc、置信度損失Lconf和目標(biāo)分類損失Lclass組成，計算公式為如式（1）所示［1516］。

CIoU考慮了目標(biāo)與預(yù)測框之間的距離、重疊率、尺寸以及懲罰項(xiàng)等參數(shù)，用以代替原始YOLOv5s算法中的GIoU進(jìn)行anchor回歸，實(shí)現(xiàn)真實(shí)框和預(yù)測框無重合時的梯度回傳，提高模型收斂能力。當(dāng)邊界框與真實(shí)框上下或左右相鄰時，CIoU能夠優(yōu)化不相交的邊界框，保留位置更準(zhǔn)確的邊界框，提高模型對目標(biāo)位置預(yù)測的精確度。同時，使用CIoU能夠降低模型的訓(xùn)練難度，提高檢測準(zhǔn)確率，提高目標(biāo)框回歸穩(wěn)定性。

1.4SPP模塊改進(jìn)

在YOLOv5s模型中，通過引用SPP模塊來解決原始池化方式中固定輸入尺寸帶來的圖像失真、變形等問題。SPP模塊包括1×1、5×5、9×9和13×13幾個尺度的最大池化操作，用以捕獲圖像局部與全局特征，有利于處理目標(biāo)差異大的問題［19］。SPP模塊在池化操作過程中會出現(xiàn)圖像特征丟失現(xiàn)象，從而使目標(biāo)檢測準(zhǔn)確率下降。為此，本文采用DSPP模塊來代替原始的SPP模塊進(jìn)行池化操作，該模塊同樣采用4個尺度進(jìn)行最大池化操作，不同的是每個分支的最大池化信息還會與其他分支的特征信息相融合，一同作為池化操作的輸入，同時補(bǔ)充的池化信息量也由損失信息量決定，從而有效解決了SPP特征信息丟失問題，進(jìn)一步提高了目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性，SPP與DSPP結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2模型訓(xùn)練與評價

2.1數(shù)據(jù)采集

樣本采集于煙臺齊山鎮(zhèn)蘋果園區(qū)，采集對象為自然環(huán)境下生長的成熟期紅富士蘋果。拍攝時間為2022年10月上旬。為最大限度模擬環(huán)境的復(fù)雜性，在睛天順光、晴天逆光以及陰天3種天氣條件下采集圖像數(shù)據(jù)，采集距離1.0～2.0m。共采集原始圖像1 980張，圖像中包含相鄰、受遮擋、重疊等果實(shí)位置分布類型，圖像格式為JPEG，分辨率為1 920像素×1 080像素，不同圖像分類局部特征信息如圖4所示。按照8∶2的比例劃分訓(xùn)練集和測試集，訓(xùn)練集和測試集之間無重疊。

2.2試驗(yàn)平臺與參數(shù)設(shè)置

搭建模型訓(xùn)練與測試平臺，選用CPU型號為：Intel Core（TM）i5 9400，2.9 GHz；顯卡型號為：NVIDIA GeForce TX 2080S，8 GB顯存，利用Python語言編寫訓(xùn)練程序，在Windows10操作系統(tǒng)下搭建深度學(xué)習(xí)框架，對模型進(jìn)行訓(xùn)練和測試。模型訓(xùn)練時采用4個樣本作為一個批處理單元，每次更新權(quán)值時使用BN層進(jìn)行正則化。以準(zhǔn)確率和識別效率為首要目標(biāo)進(jìn)行測試，動量因子設(shè)置為0.85，初始學(xué)習(xí)率為0.001，權(quán)值衰減率為0.000 5，訓(xùn)練次數(shù)為300。根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果對兩種模型的損失率進(jìn)行分析，如圖5所示?？梢?，改進(jìn)YOLOv5模型具有損失率小、訓(xùn)練效率高的特點(diǎn)。

2.3評價指標(biāo)

為驗(yàn)證所建模型的有效性，采用精確率（Precision，P）、召回率（Recall，R）、平均準(zhǔn)確率均值（mAP）3種指標(biāo)對其進(jìn)行評價，所用評價指標(biāo)需要采用混淆矩陣計算，其規(guī)則如表1所示。

2.4模型訓(xùn)練

利用搭建好的網(wǎng)絡(luò)模型對訓(xùn)練集進(jìn)行訓(xùn)練，同時利用上述指標(biāo)進(jìn)行評價，并與原YOLOV5s模型進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6～圖8所示。

從訓(xùn)練結(jié)果可以看出，隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，與YOLOv5s網(wǎng)絡(luò)模型相比，改進(jìn)YOLOv5網(wǎng)絡(luò)模型的精確率及召回率以及mAP都有比較明顯的提高。可見，本文所提出的網(wǎng)絡(luò)模型能夠有效進(jìn)行多目標(biāo)檢測問題的研究，滿足采摘機(jī)器人對果實(shí)圖像進(jìn)行識別的要求。

2.5目標(biāo)識別結(jié)果

為深入探究不同天氣條件及果實(shí)分布位置對采摘機(jī)器人目標(biāo)檢測結(jié)果的影響，利用本文提出的改進(jìn)YOLOv5、YOLOv5s及YOLOv3模型在晴天順光、晴天逆光及陰天的天氣環(huán)境下對所建數(shù)據(jù)集進(jìn)行蘋果圖像識別測試。測試集中共計396張?zhí)O果圖像，包括晴天順光161張，晴天逆光90張，陰天145張。測試結(jié)果如圖9～圖11所示。將３種網(wǎng)絡(luò)模型的最優(yōu)評估指標(biāo)進(jìn)行對比，平均精確率與幀速率結(jié)果如表2所示。

從測試結(jié)果看，晴天順光條件下的檢測精確率和幀速率整體上高于晴天逆光和陰天條件，這是因?yàn)殛幪飙h(huán)境下由于光線較暗，所以檢測難度比晴天順光時的難度大，而受太陽光斑影響，晴天逆光條件下光線較強(qiáng)，圖像的曝光度過高，檢測難度也比順光時大。另外，在同等光照條件下，由于樣本所在位置不同，在果實(shí)重疊或受枝葉遮擋等情況下，檢測效果也會受到很大影響，如圖12所示。

但從整體測試結(jié)果看，晴天順光、晴天逆光及陰天條件下蘋果果實(shí)的識別精確率分別是96.64%、92.36%和94.12%，而幀速率分別是75.26 fps、73.72 fps和75.19 fps。相比YOLOv5s和YOLOv3，改進(jìn)YOLOv5的檢測準(zhǔn)確率高、檢測速度快，對不同天氣情況和果實(shí)位置都有很好地識別精度。

2.6不同檢測算法對比

為進(jìn)一步證明本算法相比其他算法的優(yōu)越性，在相同測試集下，以精確率、召回率及mAP作為評價指標(biāo)，將本文算法與YOLOv5s、YOLOv4-Tiny及YOLOv3網(wǎng)絡(luò)模型分別在測試集上進(jìn)行圖像識別。同時，按式（4）、式（5）及式（7）的計算方法將3個指標(biāo)進(jìn)行對比，從而分析不同模型的性能，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，本文所提出的改進(jìn)YOLOv5網(wǎng)絡(luò)模型對蘋果果實(shí)的檢測精確率為94.37%，召回率為96.21%，mAP為96.73%，單幅圖像平均檢測速度為0.028s。相比YOLOv5s、YOLOv4-Tiny及YOLOv3模型，精確率分別提高了4.1%、5.3%、8.4%，召回率分別提高了2.8%、5.1%、4.5%，mAP分別提高了2.6%、7.1%、10.3%，單幅圖像平均檢測速度縮短了15.2%、17.6%、28.2%。雖然受光線條件、枝干遮擋以及果實(shí)重疊等因素的影響，模型的識別精度略受影響，但是從整體來看，與其他網(wǎng)絡(luò)模型相比，改進(jìn)YOLOv5能夠有效識別目標(biāo)，具有抗干擾能力強(qiáng)、檢測精度高、識別速度快等特點(diǎn)。

3結(jié)論

為提高采摘機(jī)器人對蘋果圖像的識別精度和檢測速度，基于深度學(xué)習(xí)理論建立一種新的目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)模型，以期解決當(dāng)前識別精度受干擾影響大、識別效率低的問題。

1）? 對YOLOv5s網(wǎng)絡(luò)模型的框架進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，利用改進(jìn)Ghost模塊替代CSP模塊、CIoU_Loss替換GIoU_Loss作為損失函數(shù)、DSPP模塊代替原始的SPP模塊進(jìn)行池化操作，目的是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、使模型更為輕量化、解決SPP特征信息丟失問題，進(jìn)而提高目標(biāo)回歸的穩(wěn)定性。

2）? 考慮天氣條件和果實(shí)分布位置建立數(shù)據(jù)集，在不同網(wǎng)絡(luò)模型中進(jìn)行訓(xùn)練和測試對比，并對結(jié)果進(jìn)行量化分析，從而實(shí)現(xiàn)相對各指標(biāo)的有效性評價。

3）? 改進(jìn)YOLOv5網(wǎng)絡(luò)模型能夠有效識別不同條件下的蘋果圖像，與所對照的模型相比，精確率最高提升了8.4%，召回率最高提升了5.1%，mAP最高提升了10.3%，單幅圖像平均檢測速度最多縮短28.2%，具有識別準(zhǔn)確性高、抗干擾能力強(qiáng)、檢測速度快的特點(diǎn)。

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