CN102239756A - 一种棚室智能耕作机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用于棚室内的自主式智能耕作机器人,该机器人由机械平台、机器视觉系统、智能控制系统、行走与转向系统、双翼式除草机构、五点式空间喷洒系统、气动和电力等辅助系统组成。该系统以轻质铝合金为框架材料,以电力为驱动能源;采用机器视觉技术跟踪田间苗带走向,实施自适应式智能导航;通过多套摄像装置实时获取田间图像数据,分析秧苗、杂草、虫害的视频信息,并整合成相应的控制信号,驱动变量施肥系统、除草机构、喷洒系统执行相应动作,实现自主式精准耕作。该系统有望节省人力物力,提高作业质量和效率,降低农产品污染,是未来棚室智能耕作机具的发展方向。
Description
技术领域:
本发明涉及一种应用于棚室内的全自动智能耕作机器人,属农业工程领域中轻简型智能耕作装备。
背景技术:
随着人们生活水平的日益提高,在冬季人们对棚室蔬菜瓜果的需求量不断增长,促进了棚栽农业的规模化和集约化程度的迅速提高。棚栽蔬菜属反季节性经济作物,需要在封闭、恒温、有限的空间内实施精耕细作,这对人力资源的质量和棚室耕作的器具提出了较高的要求。然而,农村人口的城镇化浪潮,使得农业劳动力资源匮乏,不利于该类劳动密集型农业的发展;另一方面,现有的农业耕作装备因其体积庞大、污染噪声、功能单一、智能化程度低等诸多弊端,不益应用于棚室作业;另外粗犷式的传统施肥、喷药方式,导致了化肥、农药的浪费,加重了对封闭棚室环境及农产品的污染,不利于人们的身体健康。
近年来随着科技的飞速发展,农业机械装备也逐渐向智能化、功能化、高效化方向发展,农业装备的先进程度已成为农业现代化发展的重要标志。针对温室、大棚等特殊耕作环境,借助机器视觉、人工智能、自动控制、等先进技术,发明一种小巧轻便、功能齐全,节能环保,智能化程度高的棚室耕作机器人,有望节约人力、减少污染、提高生产效率,以满足未来棚室农业的发展要求。
发明内容:
本发明的目的在于提供一种棚室智能耕作机器人,该机器人是由机械平台、机器视觉系统、智能控制系统、行走与转向系统、双翼式除草机构、五点式空间喷洒系统、气动和电力等辅助系统组成。机械平台在电力系统的驱动下实现自主行走,通过机械平台中央的垄台视频采集摄像头,获取垄台上的苗带视频信息,借助相应的图像处理和分析技术,识别苗带走向,优化导航参数,驱动转向机构,实现机械平台的自主式智能行走。机械平台中央与两侧的摄像系统,构成了一套可覆盖整个作业区段宽广视野的视觉系统,可实时、全面地获取秧苗、杂草、虫害的视频信息,通过视频分析与模式识别技术,并决策出应对方案,通过控制信号,驱动变量施肥系统、除草机构、喷洒系统进行相应动作,实现精准耕作。
本发明所述的一种棚室智能耕作机器人,该机器人由机械平台、机器视觉系统、智能控制系统、行走与转向系统、双翼式除草机构、五点式空间喷洒系统、气动和电力等辅助系统组成;在机械平台(1)的前端由角控支架固定垄台视频采集摄像头(2),机械平台(1)前端上部固定计算机(23)和控制驱动系统(22),机械平台(1)的前端底部两侧分别固定前轮(5),机械平台(1)的前端底部固定驱动装置(3),转向机构(4)的一端固定在前轮(5)上,一端与驱动装置(3)连接,机械平台(1)的前中部固定肥箱(6),肥箱(6)两侧上部中央设置有入肥口(9),肥箱(6)内部底端固定对向螺旋机构(8),肥箱(6)底部连接排肥管(7),机械平台(1)中部两侧固定一对垄沟视频采集摄像头(10),机械平台(1)的中部底端固定双翼式除草连杆(12),双翼式除草连杆(12)的底端固定除草铲(11),机械平台(1)的内部中后方固定气动系统(20),机械平台(1)的中后部上方固定有药罐(19),与气动系统(20)的上方连接,气动系统(20)连接输药管(21),输药管(21)的末端固定五点式空间喷洒装置(13),机械平台(1)的内部后方固定气泵(17),机械平台(1)的后端上部固定蓄电池(16)和储气罐(18),机械平台(1)的后端下部两侧分别固定后轮(15),后轮轴部内置驱动电机(14)。
棚室智能耕作机器人是以机器视觉系统采集的田间视频信息为基础,将自主行走、视觉导航、变量施肥、定点除草、精准灭虫集于一体,形成一种智能机械耕作装备;对向螺旋机构(8)通过变速旋转实现将狭长肥箱(6)内的肥料向两侧排肥口运送,通过调节排肥轮的转速,最终实现变量施肥;对称双翼式除草铲(11)弯曲细长,配以精确的视觉定位,能够铲除垄台及垄沟内的杂草,同时尽量避免对秧苗的损害;应用的五点式空间喷洒装置(13),其空间位置关系是,中央喷头的位置略高于四周喷头,中央喷头的中心线垂直于地面,四周喷头与中央喷头的中心线交于一点,使得五点式空间喷洒装置(13)能对有病虫害的秧苗进行各方位包裹式的定点除虫。
附图说明:
参见附图
图1为本发明结构示意图
图2(a)是对向螺旋机构主视图
图2(b)是对向螺旋机构俯视图
图3(a)是对向螺旋机构螺旋的俯视图
图3(b)是对向螺旋机构的左视图
图4(a)是双翼式除草机构配装部件示意图
图4(b)是双翼式除草机构的轴侧视图
图4(c)是双翼式除草铲的主视图
图5(a)是五点式空间喷洒系统配装部件轴侧视图
图5(b)是五点式空间喷洒系统配装部件主视图
图1中,1、机械平台;2、垄台视频采集摄像头;3、驱动装置;4、转向机构;5、前轮;6、肥箱;7、排肥管8、对向螺旋机构;9、入肥口;10、垄沟视频采集装置11、除草铲;12、双翼式除草连杆;13、五点式空间喷洒装置;14、驱动电机15、后轮;16、蓄电池;17、气泵;18、储气罐;19、药罐;20、气动系统;21、输药管;22、控制驱动系统;23、计算机。
具体实施方式:
以下结合附图进一步描述并给出实施例
本发明所述的一种棚室智能耕作机器人,该机器人是由机械平台、机器视觉系统、智能控制系统、行走与转向系统、双翼式除草机构、五点式空间喷洒系统、气动和电力等辅助系统组成;在机械平台(1)的前端由角控支架固定垄台视频采集摄像头(2),机械平台(1)前端上部固定计算机(23)和控制驱动系统(22),机械平台(1)的前端底部两侧分别固定前轮(5),机械平台(1)的前端底部固定驱动装置(3),转向机构(4)的一端固定在前轮(5)上,一端与驱动装置(3)连接,机械平台(1)的前中部固定肥箱(6),肥箱(6)两侧上部中央设置有入肥口(9),肥箱(6)内部底端固定对向螺旋机构(8),肥箱(6)底部连接排肥管(7),机械平台(1)中部两侧固定一对垄沟视频采集摄像头(10),机械平台(1)的中部底端固定双翼式除草连杆(12),双翼式除草连杆(12)的底端固定除草铲(11),机械平台(1)的内部中后方固定气动系统(20),机械平台(1)的中后部上方固定有药罐(19),与气动系统(20)的上方连接,气动系统(20)连接输药管(21),输药管(21)的末端固定五点式空间喷洒装置(13),机械平台(1)的内部后方固定气泵(17),机械平台(1)的后端上部固定蓄电池(16)和储气罐(18),机械平台(1)的后端下部两侧分别固定后轮(15),后轮轴部内置驱动电机(14)。
在使用前,将蓄电池充满电后接入机器人系统中,经入肥口(9)填装适量的肥料到肥箱中,并将药罐(19)内填充适量灭虫药剂。在耕作过程中,经由后轮(15)驱动,机器人系统于垄田实施自主行走,由位于平台中央的垄台视频采集摄像头(2)获取苗带视频数据,经过计算机(23)进行相应的图像处理及模式识别,提取苗带的走向信息并生成相应导航参数,计算机(23)将导航指令传输给控制驱动系统(22),控制系统发射相应的脉冲指令驱动转向步进电机(3)定量旋转,进而驱动转向机构(4)调整前轮(5)的转向,控制机器人沿苗带方向行走,完成自走式视觉导航作业;前轮(5)的后方是施肥装置,根据机器视觉系统所采集的田间秧苗的视频数据,由计算机(23)对秧苗的生长状况进行综合分析与评估,在控制驱动系统(22)的驱动下,调整对向螺旋机构(8)的旋转速度,将狭长肥箱(6)内的肥料运送到肥箱两侧,通过调节排肥轮的转速配合螺旋排肥机构的送肥速度,最终实现变量施肥;将摄像头(2)和摄像头(10)采集的视频数据同时传递给计算机(23),由计算机(23)识别田间杂草并确定位置,控制驱动系统(22)结合视频信息及平台前进速度,适时发射控制信号用以调节气动阀门,双翼式除草机构在气动系统(20)的变气动脉冲驱动下,带动除草铲(11)对垄台及垄沟内的杂草实施定点清除,除草铲(11)细长弯曲可有效避免对秧苗的伤害。借助摄像头(2)和摄像头(10)采集的视频数据,还可以获得田间虫害信息,计算机(23)将虫害分布及严重程度信息转化成控制信号传输给控制驱动系统(22),控制系统以此为依据控制五点式空间喷洒系统(13)中各喷头的开合及喷洒量,对有病虫害的秧苗实施定点、定量式喷洒除虫,即可完成棚室内的变量施肥、定点除草、精确除虫作业。
Claims (5)
1.本发明所述的一种棚室智能耕作机器人,该机器人是由机械平台、机器视觉系统、智能控制系统、行走与转向系统、双翼式除草机构、五点式空间喷洒系统、气动和电力等辅助系统组成;在机械平台(1)的前端由角控支架固定垄台视频采集摄像头(2),机械平台(1)前端上部固定计算机(23)和控制驱动系统(22),机械平台(1)的前端底部两侧分别固定前轮(5),机械平台(1)的前端底部固定驱动装置(3),转向机构(4)的一端固定在前轮(5)上,一端与驱动装置(3)连接,机械平台(1)的前中部固定肥箱(6),肥箱(6)两侧上部中央设置有入肥口(9),肥箱(6)内部底端固定对向螺旋机构(8),肥箱(6)底部连接排肥管(7),机械平台(1)中部两侧固定一对垄沟视频采集摄像头(10),机械平台(1)的中部底端固定双翼式除草连杆(12),双翼式除草连杆(12)的底端固定除草铲(11),机械平台(1)的内部中后方固定气动系统(20),机械平台(1)的中后部上方固定有药罐(19),与气动系统(20)的上方连接,气动系统(20)连接输药管(21),输药管(21)的末端固定五点式空间喷洒装置(13),机械平台(1)的内部后方固定气泵(17),机械平台(1)的后端上部固定蓄电池(16)和储气罐(18),机械平台(1)的后端下部两侧分别固定后轮(15),后轮轴部内置驱动电机(14)。
2.根据权利要求1所述的棚室智能耕作机器人,其特征在于,借助多套摄像系统获得田间综合视频信息,以机器视觉和自动控制技术为基础,将视觉导航、变量施肥、定点除草、精准灭虫等诸多功能集于一体。
3.根据权利要求1所述的棚室智能耕作机器人,其特征在于,对向螺旋机构(8)的逆向送肥功能,在同一根旋转轴上安置两组旋向相反的螺旋推送器,旋转轴单向旋转过程中,可实现肥料在狭长肥箱(6)内逆向运送。
4.根据权利要求1所述的棚室智能耕作机器人,其特征在于,对称的双翼式除草铲(11),其弯曲细长式铲尖,能够对垄台及垄沟内的杂草实施定点清除,而且可以避免对秧苗的损害。
5.根据权利要求1所述的棚室智能耕作机器人,其特征在于,应用的五点式空间喷洒装置(13),其空间位置关系是,中央喷头的位置略高于四周喷头,中央喷头的中心线垂直于地面,四周喷头与中央喷头的中心线交于一点,使得五点式空间喷洒装置(13)能对有病虫害的秧苗进行各方位包裹式的定点除虫。
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