CN101947503A - 温室对靶施药机器人系统 - Google Patents
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本发明涉及农业施药机器人系统，尤其是涉及一种用于温室对靶施药机器人系统。该系统由病情诊断和预警系统、变量施药系统以及控制系统构成，病情诊断和预警系统获取病害表征信息，并加以处理，得到病灶位置和病情程度等，据此控制变量施药系统实现变量施药；变量施药系统实现整个机器人系统沿导轨启停和变速行走；控制系统控制机器人完成各种动作。所述对靶施药机器人是利用机器视觉获取病害信息，实现病情预警、判断和病灶定位，控制机械臂和变量喷头完成对靶喷雾作业，能针对植株和病害部位进行自动对靶变量施药，能有效减少农药浪费、提高农产品品质和减少对环境的污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种农业施药机器人系统，尤其是涉及一种用于温室对靶施药机器人系统。
背景技术
目前，我国植保机械80％仍为背负式等手动喷雾器，“跑、冒、滴、漏”现象严重，农药利用率只有20％左右，农药流失量高达60％～70％以上，每年农药浪费造成的损失达到150多亿元以上，全国受污染耕地约有1.5亿亩，占耕地总面积的1/10以上；我国蔬菜、水果中农药检出率为20％～60％，总超标率为20％～45％，同时因施药中毒人数每年都在递增，特别是在温室等设施农业环境。
针对植株和病害部位进行对靶变量施药能有效减少农药浪费、提高农产品品质和对环境的污染，对靶施药机器人是利用机器视觉获取病害信息，实现病情预警、判断和病灶定位，控制机械臂和变量喷头完成对靶喷雾作业，是智能精细农业装备的研究热点。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于温室对靶施药机器人系统。
本发明采用的技术方案为：该系统由病情诊断和预警系统、变量施药系统以及控制系统构成。病情诊断和预警系统由全局视觉传感器、局部视觉传感器、温湿度传感器、照度传感器和土壤温度传感器组成，病情诊断和预警系统获取病害表征信息，并加以处理，得到病灶位置和病情程度等，据此控制变量施药系统实现变量施药；变量施药系统包括移动底盘车、机械臂和变量喷嘴，移动底盘车悬挂于导轨上，实现整个机器人系统沿导轨启停和变速行走；控制系统由上下位机构成，上位机工控机中的程序基于VC++编制，通过工控机RS232串口向PLC发送控制字节并接收来自PLC的各关节状态字节；下位机PLC程序即梯形图程序遵照功能模块化的原则编写，主程序采用子程序调用的形式执行，将移动底盘车、各关节以及喷嘴的控制指令模块化到相应的子程序中，程序在扫描过程中，根据控制指令调用相应的子程序完成任务；机器人系统控制模式为自动或手动模式。
所述机械臂为3自由度机械臂，用于控制喷杆运动，以直角坐标机器人为基础构建，实现
3个自由度的运动；其中，
自由度采用交剪式升降吊架，
自由度采用直线导轨驱动单元，腕关节
用于控制喷杆的垂直和水平旋转定位。
所述变量喷嘴的结构为：在长为1.0m的喷杆上间隔0.2m均匀分布6个喷嘴，各喷嘴通过高速电磁阀与喷杆连接，控制高速电磁阀进而实现喷嘴的开闭。
所述自动模式下，机器人系统在导轨起点处等待上位机的指令；当PLC接收到上位机即病害信息诊断系统发送的病害位置信息或启动指令后，移动底盘车启动并运行至病害作业垄，机械臂将喷杆下降到预定义位置，同时PLC触发安装在直线导轨上的摄像头对当前病害垄进行信息采集；上位机将处理结果传递PLC，PLC在喷杆自左向右的运动过程中，当某个喷嘴进入病害发生范围内，控制该喷嘴开启，否则关闭；喷嘴在一次扫描中需要对靶单个或多个单元进行作业，实现单次或多次开闭控制，实现对靶喷雾。
所述手动模式下，通过上位机对移动底盘车、机械臂各关节手动定位病害垄，并手动控制喷嘴的开闭，该模式适用于对病害信息诊断系统识别范围以外病害的喷雾作业，实现手动控制机械臂。
本发明的有益效果为：对靶施药机器人是利用机器视觉获取病害信息，实现病情预警、判断和病灶定位，控制机械臂和变量喷头完成对靶喷雾作业，能针对植株和病害部位进行自动对靶变量施药，能有效减少农药浪费、提高农产品品质和对环境的污染。
附图说明
图1(a)、图1(b)和图1(c)分别为本发明病情诊断和预警系统传感器的整体布局示意图、整体布局俯视图和局部布局示意图；
图2本发明的机械结构立体图及连接关系图；
图3为本发明自动模式下施药机器人工作流程图；
图4为本发明工控机控制模块图。
图中标号：
1-黄瓜单垄；2-全局视觉传感器；3-温湿度传感器；4-光强传感器；5-土壤温度传感器；6-局部视觉传感器；7-移动底盘车；8-Z向剪叉式吊架；9-Y向平移直线导轨；10-回转腕关节；11-喷杆；12-导轨。
具体实施方式
本发明提供了一种用于温室对靶施药机器人系统，下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图1(a)-图1(c)所示，需要按照施药机器人的体积、工作空间对黄瓜种植模式加以修改，结合农艺、叶面积指数和传感器布置方式，构造了适合温室环境条件下病害获取的黄瓜种植模式。黄瓜株距为400mm，减少相邻植株间交叉遮挡，黄瓜单垄1的间距为1000mm，为施药机器人预留工作空间。通过放蔓保持成熟黄瓜株高限制在2000mm，每株黄瓜功能叶片数量保持在15叶左右，及时打杈、打老叶、疏花果和摘卷须，减少养分消耗和叶片信息相互遮挡，保持丰产塔式株型。
全局视觉传感器2采用高分辨率模拟摄像机，为了减少光照变化的影响，配装变焦自动光圈镜头，安装高度为3m，两个摄像头采集区域完全覆盖温室内黄瓜垄地。两个局部视觉传感器6安装在一维移动单元上，选用北京嘉恒中自公司的OK_AC1300型高分辨率RGB摄像头，加装5mm焦距镜头，能捕获到细微的病害表征信息，双目图像覆盖1500mm×600mm区域。环境传感器分别选用高分辨率的温湿度传感器3、光强传感器4和土壤温度传感器5，分辨率依次分别为0.1℃、0.1Lux和±0.1％RH。环境传感器定时采样，输入周期环境数据库，若环境参数值极值连续五天偏离正常阈值范围，则发出病害预警信号，全局视觉传感器2从定时采集转入实时采集分析垄地图像，监测病害的发生及分布情况。
如图2所示，变量施药系统包括移动底盘车7、机械臂和变量喷嘴，移动底盘车7悬挂于导轨12上，实现整个机器人系统沿导轨启停和变速行走。机械臂为3自由度机械臂，用于控制喷杆11运动，以直角坐标机器人为基础构建，实现3个自由度的运动；其中，
自由度采用Z向剪叉式吊架8，
自由度采用Y向平移直线导轨9，自由度的回转腕关节10用于控制喷杆11的垂直和水平旋转定位。变量喷嘴的结构为：在长为1.0m的喷杆上间隔0.2m均匀分布6个喷嘴，各喷嘴通过高速电磁阀与喷杆连接，控制高速电磁阀进而实现喷嘴的开闭。
图3为本发明自动模式下施药机器人工作流程图；图4为本发明工控机控制模块图。自动工作模式下施药机器人处于全自主工作状态，全局视觉传感器2监控采集黄瓜垄地图像，分割、提取垄内病虫害信息并将垄病情程度信息传递至工控机。工控机作为上位机向PLC发送指令，PLC启动移动底盘车7按照病情程度从重到轻依次移动至病害垄，机械臂向下运动至规定位置，触发局部视觉传感器6采集黄瓜植株和叶片病害信息，并对采集区域中的多目标黄瓜植株和病害信息进行识别，得出局部视觉传感器采集区域内黄瓜子区域病情等级表。喷杆11旋转至竖直状态，并移动定位病害，根据病情等级表独立控制喷嘴喷雾时间。温湿度传感器3、光强传感器4和土壤温度传感器5的数据传送至工控机，如果与周期易发病极端环境数据比对拟合度连续五天达到85％，但在全局视觉传感器没有发现病害的前提下，发出强预警信号，机器人巡航采集黄瓜植株信息，发现病情即进行施药，否则，施药机器人复位。
手动模式下，通过上位机手动控制模块对移动底盘车7、机械臂各关节手动定位病害垄，并手动控制喷嘴的开闭。该模式适用于对病害信息诊断系统识别范围以外病害的喷雾作业，实现手动控制机械臂进行喷雾，使系统应用范围更加广泛。
Claims (3)
1.温室对靶施药机器人系统，由病情诊断和预警系统、变量施药系统以及控制系统构成，其特征在于，
病情诊断和预警系统由全局视觉传感器、局部视觉传感器、温湿度传感器、照度传感器和土壤温度传感器组成；全局视觉传感器获取植株冠层、苗床和垄地多目标信息，局部视觉传感器检测病灶发生部位和局部视野内病情等级等病虫害图像信息，环境传感器采集气温、湿度、光照强度和地温环境信息；病情诊断和预警系统获取病害表征信息，并加以处理，得到病灶位置和病情程度等，据此控制变量施药系统实现变量施药；
变量施药系统包括移动底盘车、机械臂和变量喷嘴，移动底盘车悬挂于导轨上，实现整个机器人系统沿导轨启停和变速行走；
控制系统由上下位机构成，上位机工控机中的程序基于VC++编制，通过工控机RS232串口向PLC发送控制字节并接收来自PLC的各关节状态字节；下位机PLC程序即梯形图程序遵照功能模块化的原则编写，主程序采用子程序调用的形式执行，将移动底盘车、各关节以及喷嘴的控制指令模块化到相应的子程序中，程序在扫描过程中，根据控制指令调用相应的子程序完成任务；机器人系统控制模式为自动或手动模式。
2.根据权利要求1所述的温室对靶施药机器人系统，其特征在于，所述自动模式下，机器人系统在导轨起点处等待上位机的指令；当PLC接收到上位机即病害信息诊断系统发送的病害位置信息或启动指令后，移动底盘车启动并运行至病害作业垄，机械臂将喷杆下降到预定义位置，同时PLC触发安装在直线导轨上的摄像头对当前病害垄进行信息采集；上位机将处理结果传递PLC，PLC在喷杆自左向右的运动过程中，当某个喷嘴进入病害发生范围内，控制该喷嘴开启，否则关闭；喷嘴在一次扫描中需要对靶单个或多个单元进行作业，实现单次或多次开闭控制，实现对靶喷雾。
3.根据权利要求1所述的温室对靶施药机器人系统，其特征在于，所述手动模式下，通过上位机对移动底盘车、机械臂各关节手动定位病害垄，并手动控制喷嘴的开闭，该模式适用于对病害信息诊断系统识别范围以外病害的喷雾作业，实现手动控制机械臂。
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