一种温室药液喷洒机器人
文献发布时间：2023-06-19 11:44:10
技术领域
本发明涉及一种喷洒机器人，属于农业植保领域。
背景技术
目前国内常用的农用喷洒设备有手动式与超低量喷雾器、担架式机动式与拖拉机配套的喷杆式及航空喷雾机、背负式机动与果园用风送式弥雾机等。国内企业生产喷雾机的规格有十大类，50 余种。但我国的中小型喷洒设备仍以背负式手动喷雾器和背负式机动弥雾机为主。其中，前者担负的防治面积占 60~70%；后者担负的防治面积占 15~20%。这些喷雾器大部分产品结构简单，环境污染严重，操作者容易中毒，防治功效低，农药的有效利用的作物仅占总作物的 20~30%。我国喷杆喷雾机存在结构简单、技术性能落后、产品种类少、产品更新换代周期长等各种问题，造成作业效率低、农药残留超标、环境污染严重，人与药物接触导致人体健康受到严重危害。
发达国家工业化程度高，温室大棚规模大，致力于大型喷洒设备的研究，且拥有较为先进的控制技术及管理方法，大都采用无人机夜间喷洒，架构完整的喷淋系统进行农药喷洒，以促进农药沉降，其中最新研究的无人机静电喷雾系统，已经较为完善。但由于无人机喷洒成本较高，续航能力较差使其在温室大棚内长时间作业受到局限。
根据国外经验有人提出一种蔬菜大棚智能喷洒机器人的概念，但由于其需要在地形条件复杂的大棚内铺设轨道，生产成本较大，而且行走轨道的设计限制了喷药机器人的行动自由，无法灵活应变蔬菜大棚中的复杂环境，且机器人在潮湿的大棚环境中易出现短路等问题，其安全性、经济性均不适用于经济条件一般的农民，虽然可以实现自动配药，但其体积也会相应增大，不适用于空间狭小的蔬菜大棚，该设计局限性过大无法在我国大规模推广。
发明内容
随着种植业结构调整，温室大棚产业发展迅猛，经长期调研发现，在温室大棚药液喷洒过程中，传统的人工喷洒效率低、效果一般且在狭小的空间内药液受热挥发会对人体产生危害。本发明提供一种基于视觉监测的药液喷洒机器人。该机器人通过视觉智能监测系统实现对农药的精准喷洒；通过PC智能操控，方便快捷，且实现人与药液零接触，有效的保护了工作人员。该机器人的投产使用将大大解放劳动力、降低喷洒成本等，增大经济效益。
本发明所述的一种基于视觉监测的药液喷洒机器人共有驱动模块、升降模块、喷洒模块、控制模块和视觉模块共五大模块组成。涉及PID运动控制算法、视觉识别、单片机控制、数据分析等等。
机器人移动过程中，由电机驱动高地隙轮转动实现行走，采用四驱方式。两侧的电机转速不同时实现高地隙轮的差速运动，实现转弯、纠偏及其他运动状态。驱动电机由蓄电池提供动力来源，驱动电机通过传动装置将动力传递给 4 个驱动轮，通过改变传动装置的传动比，实现左右两侧驱动轮的差速运动，从而驱动机器人完成前进、后退和转向的功能。在机器人的底座框架上，前后左右 4 个方位各安装有超声波传感器，通过发射和接收超声波信号，测算出机器人与障碍物之间的距离，并将距离数据传输至主控器进行计算。在左右主驱动轮上安装有光电编码器，用于监测机器人的运动速度和地理位置信息。
喷洒模块包括喷雾器、水箱、药箱、药液输送管、压力站等，完成对农作物的药液喷洒；控制模块是机器人的大脑，负责控制各个模块之间协同运作，本机器人采用stm32f407ZGT6 单片机作为控制核心，并且可以通过 PC 端及手机端控制机器人工作；视觉模块是机器人的眼睛，通过 Opencv 计算机视觉自动识别农作物的品种、生长状况等信息，并将采集的信息反馈至单片机，经单片机处理后将命令发送至其他模块，完成机器人作业。同时图传信息反馈至 PC 端或手机端以便工作人员实时观察机器人作业情况。
为实现平台无线化控制方案，视觉定位系统的控制采用嵌入式系统设计，引用树莓派 3b+模块对光学信息进行处理，实现智能化信息处理方案；电池更换系统的电路由 32最小系统板和步进电机驱动器驱动；将自主研发的电路板作为主控，控制底盘运动，以上三个电控系统进行串口通信，整个设计方案精简智能，尽量使平台的体积质量在可靠的前提下达到最小最稳定。
另外，在机体开发 WiFi 功能，实现远程操控、远程更新、固件升级等方案。使该项目更适合进行专业级别的大范围设点布置，方便对整个系统的操控和系统管理。视觉控制系统接口采用 Python 语言编写，API 接口，易于第三端开发，可在 Labview、微信小程序、Java 等进行自定义开发， 同时适合个体用户，单点小范围体验该产品。
机器人避障路径规划结构包括输入部分、运动平台和输出部分。输入部分主要包括向机器人运动平台输入障碍物距离(包括前方、后方、左侧和右侧)、环境类别和车体转动角度。机器人在进行避障路径规划之前，必须先对所处的外部环境进行总体判断，即判断障碍物与机器人的相对位置。若机器人的前方没有障碍物，或障碍物和目标位置分别位于机器人的两侧，则机器人可以通过前进和旋转向目标位置移动;若机器人前方有障碍物或障碍物和目标位置在机器人的同一侧，则机器人必须通过前进、后退和旋转才能完成避障路径选择。根据上述分析将环境类型进行分类编号，根据编号确定机器人运动时采取相应的运动方式(前进、后退、旋转)。机器人运动平台主要负责采集输入部分传递的数据，经过分析处理后，向输出部分发送数据。输出部分主要由两个参数组成，即转向控制量和速度期望值。计算机运动平台首先判断机器人所处的环境类型，环境类别确定之后，驱动相应的超声波传感器开始工作，运动平台接收前后左右 4 个方位的障碍物距离信息后，结合数学模型进行运动学分析，确定机器人在路径选择过程中应采取相应的速度和转向控制量，确保机器人在避障过程中不发生碰撞；本发明在创新特色上主要有以下三点。
1、视觉监测：本机器人采用视觉监测处理图像信息的方式为机器人提供待喷洒农作物的数据信息，与根据工作人员喷洒经验提供的喷洒信息进行对比，本发明设计的机器人具有喷洒效率高，消耗药液量少等特点。
2、喷洒机构：在喷洒机构上突破创新，放弃现有的推杆直推式的工作方式，选用行程更高的丝杠升降式，在做到喷洒机构小型化的同时兼顾喷洒范围更大化。
3、无人化智能控制：通过视觉监测及其他诸多外设模块，本机器人能够实现无人化智能控制，相比与传统的人工控制，本机器人在喷洒效率、喷洒效果等方面均有较大的提升，而且拥有自动控制的视觉监测温室药液喷洒机器人可以实现多个机器人协同工作，并且单人就可以操作，在节约人力的同时也提高了喷洒的效率。
附图说明
图1 一种基于视觉监测的温室药液喷洒机器人结构示意图。
图2 一种基于视觉监测的温室药液喷洒机器人工作流程图。
图3 机器人运行轨迹示意图。
图4 机器人避障路径规划结构图。
图5 机器人动态识别与智能喷洒系统的计算机视觉简图。
图6 机器人试验分析图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述。
本申请实施例提供一种基于视觉监测的温室药液喷洒机器人，图1是本申请实施例提供的一种基于视觉监测的温室药液喷洒机器人结构示意图。
如图2所示，视觉机器人的工作主要依赖五个模块：驱动模块、升降模块、喷洒模块、控制模块、视觉模块五个模块。机器人视觉监测系统通过利用Opencv、Tensorflow等视觉处理对带喷洒的目标农作物进行识别、分析、处理。将数据发送至单片机，经过单片机的计算处理并于数据库的信息进行比较处理，将处理后的信息反馈至行走模块和自动升降模块，其他模块接受单片机反馈后的信息后进行微调。
机器人开始进入工作模式后，驱动电机收到移动信号按照指定的路线开始行走，在行走的同时升降机构中的电机通过带动丝杆实现喷洒模块的上下移动，与此同时由步进电机带动的喷杆实现喷洒模块的左右移动。
喷洒过程中视觉模块不断将采集到的信息发送至单片机，为喷洒模块提供足够的数据支持，保证喷洒的顺利进行。此外视觉模块还将采集的图像信息和和影像发送至收集APP端或PC端，以便工作人员可以监察药液喷洒机器人的工作状态。
机器人实现在未知环境中自动避障的前提是获取自身的定位信息，包括地理位置信息和运动状态信息。由于农业机器人左右主驱动轮可以实现差速运动，因此机器人的运动方式有直线运动和旋转运动两种类型。以平面内的任一点为中心，建立直角坐标系，机器人从起始位置到目标位置的运动轨迹如图3所示。
假设机器人主驱动轮的直径为 2Ｒ，光电编码器的线数为Ｒ，编码器在时间 T 内一共输出 N 个脉冲，则该时间段内机器人的运动距离 S 的计算公式为：
通过机器人的起始位置和移动距离，计算机器人的目标位置。由于在进行位置定位时会存在一定的方向误差，因此需要对方向增量进行修正，修正模型为：
其中，M
假设机器人运动的轨迹是一段圆弧或一段直线，用一组(V
设机器人进行圆弧运动的半径为 g ，旋转速度为 w，两者的关系为：
由于机器人做圆弧运动，所以机器人旋转速度 w 不等于 0，则机器人圆弧运动的坐标为：
机器人由于自身条件受限，运动速度必须保持在一定范围内，即：
机器人避障路径规划结构包括输入部分、运动平台和输出部分。输入部分主要包括向机器人运动平台输入障碍物距离(包括前方、后方、左侧和右侧)、环境类别和车体转动角度。机器人在进行避障路径规划之前，必须先对所处的外部环境进行总体判断，即判断障碍物与机器人的相对位置。若机器人的前方没有障碍物，或障碍物和目标位置分别位于机器人的两侧，则机器人可以通过前进和旋转向目标位置移动;若机器人前方有障碍物或障碍物和目标位置在机器人的同一侧，则机器人必须通过前进、后退和旋转才能完成避障路径选择。根据上述分析将环境类型进行分类编号，根据编号确定机器人运动时采取相应的运动方式(前进、后退、旋转)。
机器人运动平台主要负责采集输入部分传递的数据，经过分析处理后，向输出部分发送数据。
输出部分主要由两个参数组成，即转向控制量和速度期望值。计算机运动平台首先判断机器人所处的环境类型，环境类别确定之后，驱动相应的超声波传感器开始工作，运动平台接收前后左右4个方位的障碍物距离信息后，结合数学模型进行运动学分析，确定机器人在路径选择过程中应采取合理的速度和合理的转向控制量，确保机器人在避障过程中不发生碰撞。机器人避障路径规划结构如图4所示。
动态识别与喷洒系统中计算机视觉部分的主要任务是识别出带喷洒作物的面积和位置, 并能够为喷洒装置提供相应的控制信号。系统的计算机视觉在识别中起着很重要的作用。识别的精确程度不但与识别算法有关, 还与摄像头的安装高度、安装角度以及喷头的距离有很大关系, 所以恰当地调节摄像头的安装高度、安装角度以及喷头的距离成为实现精确喷洒的重要影响因素 。
试验中, 摄像头与试验台垂直 90°放置,摄像头与试验台台面的距离约为 0.7m。考虑到试验台限定的长度和宽度, 调节摄像头视角为 41.5°, 采集图像的大小为320 ×240 像素, 对应试验台面范围 0.212m( 0.53 m×0.40m) 。喷头安装在喷雾架上, 间隔为0.2m, 间隔距离可调。所采集的整个图像区域被分成两个部分, 两喷头分别对应图像的一个区域, 当图像的某一部分含有杂草时, 发出此区域的控制信号,喷头开始喷洒。
摄像头与喷头之间存在一定的距离,通常是先摄像后进行喷洒。整体的识别和喷洒过程如下 : 1) 让试验台运转, 摄像头连续采集图像到内存 ;2) 利用计算机中已经编好的杂草识别和处理程序对采集图像进行识别和处理, 采集一帧图像的时间间隔为 1s;3) 得到的处理识别后的图像为二值图像, 根据二值图像中存在杂草面积大小 (程序中预先规定了大于某一面积的杂草进行喷洒),提供控制信息, 对喷头开关进行相应的控制。机器人动态识别与智能喷洒系统的计算机视觉简图如图5示。
在研究动态喷洒过程中机车运行的速度中，载有摄像头和喷洒装置的机车是以一定速度向前运行的 , 摄像头与喷洒装置的距离固定不变, 调节好摄像头的高度和视角范围后, 摄像头采集图像的面积是固定不变的。机车的运行速度可变,如何选定车的运行速度, 它和哪些量有着相互的关系,是图像采集与喷洒过程中需要解决的关键问题之一 。利用现有的试验平台, 喷头与摄像头之间的距离固定为 d, 调节摄像头的视角范围, 摄像头采集图像面积固定 w×l(宽 ×长 ) 。动态采集过程中, 两个连续帧图像采集所用时间间隔 t 为 1s,设置为固定不变 ;传送带的运行速度 v 可调。分析速度 v 的取值范围可知 :摄像头在采集第 2 帧图像时, 恰好是第 1 帧图像进行处理、识别以及喷洒控制器发出指令控制喷头喷洒的过程,这个过程的实现恰好需要此间隔时间, 喷头和摄像头运行的距离均为 S=v×t。下面分成 4 种情况讨论:1) 当 d-w/2
农作物的动态识别和喷洒试验中, 由前面 4 种试验情况得出机车的速度 v 具有一定的取值范围, 它并不是选择任何值都能够适合于动态喷洒。速度的选取与所采集图像的宽度w、摄像头和喷头之间的距离 d 有一定的关系, 在符合 d-w/2
- 一种温室药液喷洒机器人
- 一种可水平360度药液喷洒的履带式防疫机器人