CN102428904A

CN102428904A - 除草机器人自动对靶变量喷雾流量控制系统

Info

Publication number: CN102428904A
Application number: CN2011102790434A
Authority: CN
Inventors: 苗玉彬; 徐丽丽; 沈辉; 胡玮
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: CN102428904B

Abstract

一种田间除草作业的自动对靶变量喷雾执行装置，尤其是一种利用机器视觉和超声测距实现杂草覆盖面积计算及位置确定的自动对靶与流量精确控制系统。包括：工控主板、USB摄像头、超声波传感器、直线导轨、电机、电磁阀、水泵、变量喷嘴、储药箱、底盘等；将USB摄像头、工控主板、单片机控制回路集成在壳体内，固定在导轨支架上；超声波传感器固定在喷嘴安装架上，随之做上下移动；主控系统采集、分析处理图像信息并做出决策，结合单片机控制回路发送指令。本发明克服现有除草机器人对特定位置杂草定位不精确等问题，实现了流量精确控制，大大提高农药使用的经济性和有效性。

Description

除草机器人自动对靶变量喷雾流量控制系统

技术领域

本发明涉及农机自动化领域，具体是一种除草机器人自动对靶变量喷雾流量控制系统。

背景技术

田间杂草会严重影响作物产量，且由于其分布疏密不均，难以精确去除。目前我国仍采用人工锄草为主，此方法费工费力、劳动强度大且效率低下。为了提高农业生产能力和生产效率，国外一些发达国家如美国、瑞典等已经广泛展开了对农业机器人和除草机器人的研究，但未实现精确定位，也不能根据杂草疏密控制药量。而我国对除草机器人的研究尚处于探索研究起步阶段。对除草机器人自动对靶的研究不仅有助于提高除草效率，还能大幅度减少除草剂用量，节约成本的同时降低了对环境的危害，促进农业生产的健康绿色发展。

经过现有技术文献的检索发现，专利公告号：CN201163949Y，名称：除草杀虫喷淋机，它包括用于连接行走机械的机架，在机架上装有药液箱和设有与行走机械动力输出轴连接接头、泵入口与所述药液箱连接的液体泵，所述机架上通过铰接轴横向分布地连接有多根其上装有喷嘴的下喷杆，该机架通过铰接轴连接有其上装有喷嘴上喷杆，所述液体泵的出口与所述的各个喷嘴相连通，以实现向农作物喷洒除草剂。它虽然能实现调整高度和行距进行喷淋，但是不能根据不同地点的杂草疏密情况及时调整除草剂的用量，不能减少农业成本和提高经济效益，而且不能满足绿色农业的要求。

检索中还发现，专利申请公开号：CN1628513A，名称：农药精确对靶施用方法，该技术自述：包括树木图像采集、图像处理与特征识别和喷雾控制系统，利用CCD、图像采集卡捕获树木形态视频流，通过特定接口电路实现信息交换，对可调变量喷雾系统进行实时控制，通过A/D、D/A转换电路来控制喷嘴实现农药的精确对靶喷雾。但是，它主要用于大型树木喷洒农药，难以对田间作物杂草进行清除，且其仅运用单目视觉获得图像，难以对田间杂草进行精确定位，无法保证作用效果。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种除草机器人自动对靶变量喷雾流量控制系统。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种除草机器人自动对靶变量喷雾流量控制系统，包括主控系统、可调变量喷雾系统、支架系统及超声波传感器，其中，可调变量喷雾系统固定安装在支架系统上，超声波传感器安装在可调变量喷雾系统上，主控系统及可调变量喷雾系统之间通过数据传送接口连接。

所述支架系统包括支架、滑块、直线导轨、螺杆、直角支架、导轨电机及底盘，其中，主控系统通过支架与直线导轨固定连接，可调变量喷雾系统通过直角支架固定安装在滑块上，滑块安装在螺杆上，螺杆固定安装在直线导轨上，直线导轨固定安装在底盘上，导轨电机安置在直线导轨底部，超声波传感器测量得到高度信号后，由主控系统控制所述导轨电机的正反转。也就是说，主控系统通过支架与直线导轨固定连接，可调变量喷雾系统通过直角支架固定安装在滑块上，滑块安装在螺杆上，螺杆固定安装在直线导轨上，直线导轨固定安装在底盘上，导轨电机安置在直线导轨底部，所述导轨电机由超声波传感器测量得到的高度信号通过主控系统控制其正反转。

所述底盘下面对称安装有4个独立驱动的车轮。

所述主控系统包括USB摄像头、工控主板、单片机控制回路及壳体，其中， USB摄像头、工控主板和单片机控制回路集成在壳体内部。

所述可调变量喷雾系统包括高速电磁开关阀、变量喷嘴、储药箱、导管及喷嘴安装架，其中，高速电磁开关阀及变量喷嘴分别两两安装在喷嘴安装架的两个自由端点上，喷嘴安装架的另一个端点与滑块固定连接，储药箱通过导管与变量喷嘴相连接，安装在底盘上，所述超声波传感器安装在喷嘴安装架的下方，主控系统计算分析杂草的分布位置和面积大小信息，调节高速电磁开关阀的开启时间，从而实现所述变量喷嘴的喷药流量控制。也就是说，高速电磁开关阀及变量喷嘴分别两两安装在喷嘴安装架的两个自由端点上，喷嘴安装架的另一个端点与滑块固定连接，储药箱安装在底盘上，储药箱通过导管与喷嘴安装架两个端点上的变量喷嘴相连接，所述超声波传感器安装在喷嘴安装架的下方，所述变量喷嘴的喷药流量通过主控系统计算到得杂草的分布位置和面积大小信息控制高速电磁开关阀进行调节。

所述喷嘴安装架为T型。

本发明内容与现有技术相比，其有益效果为：

1，可调变量喷雾系统与杂草冠层之间需要保持一定的间距，间距过大时，喷出的雾状农药易被流动的空气吹散，难以彻底消灭杂草；间距过小时，可导致一定面积内农药量过多，易形成药害，更不利于土壤和环境安全。本发明结合超声波传感器与可调变量喷雾系统，利用超声波传感器实时测量可调变量喷雾系统与杂草冠层的距离，再按照图像处理得到的杂草面积比例及喷嘴流量要求用步进电机驱动喷嘴安装架在导轨上下滑移使可调变量喷雾系统达到合理高度，并通过控制高速电磁开关阀的开闭时间精确控制总的喷雾量，达到精确对靶喷雾，既节约了农用物资的投入成本又减小了农药对作物和土壤环境的危害。

2，由USB摄像头进行杂草的平面面积计算和位置确定，由超声波传感器进行垂直距离测定，从而可以有效确定杂草位置及面积相对大小等详细信息。

3，壳体与可调变量喷雾系统间隔一定距离，使得从探测到喷雾保留有适当时间间隔，为图像处理留下足够的时间，保证分析计算结果的有效性，增强了实际可操作性。

附图说明

图1是本发明的工作原理示意图；

图2是本发明的立体图；

图3是本发明的主动系统的结构示意图；

图4是本发明的可调变量喷雾系统的结构示意图；

图中：1为USB摄像头，2为超声波传感器，3为壳体，4为变量喷嘴，5为支架，6为滑块，7为直线导轨，8为螺杆，9为直角支架，10为喷嘴安装架，11为导轨电机，12为底盘，13为储药箱，14为高速电磁开关阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，本实施例提供的的除草机器人自动对靶变量喷雾流量控制系统包括：主控系统、可调变量喷雾系统、支架系统及超声波传感器2，主控系统、可调变量喷雾系统分别固定安装在支架系统上，超声波传感器2安装在可调变量喷雾系统上，主控系统和可调变量喷雾系统之间通过数据传送接口连接。

如图2所示，支架系统包括支架5、滑块6、直线导轨7、螺杆8、直角支架9、导轨电机11及底盘12，其中，主控系统通过支架5与直线导轨7固定连接，可调变量喷雾系统通过直角支架9用螺栓固定安装在滑块6上，滑块6安装在螺杆8上，滑块6可以在螺杆8上上下移动，螺杆8固定安装在直线导轨7上，直线导轨7固定安装在底盘12上，导轨电机11安置在直线导轨7底部。

如图3所示，主控系统包括USB摄像头1、工控主板和单片机控制回路，其中，将USB摄像头1、工控主板和单片机控制回路集成在壳体3内部。

如图4所示，可调变量喷雾系统包括高速电磁开关阀14、变量喷嘴4、储药箱13、导管及喷嘴安装架10。其中，高速电磁开关阀14和变量喷嘴4组合在一起，构成变量执行终端，分为两组，安装在T型喷嘴安装架的两端。喷嘴安装架又通过螺栓与滑块6固定连接。储药箱13安装在底盘12上，储药箱13、水泵、三通阀与喷嘴安装架10两个端点上的高速电磁开关阀14、变量喷嘴4依次通过输液导管相连接。更为具体地，高速电磁开关阀14及变量喷嘴4分别两两安装在喷嘴安装架10的两个自由端点上，喷嘴安装架10的另一个端点与滑块6固定连接，储药箱13安装在底盘12上，储药箱13通过导管与喷嘴安装架10两个端点上的变量喷嘴4相连接，所述超声波传感器2安装在喷嘴安装架10的下方，所述变量喷嘴4的喷药流量通过主控系统计算到得杂草的分布位置和面积大小信息控制高速电磁开关阀14进行调节。

在本实施例中，直线导轨7作为支架系统的主体，控制着可调变量喷雾系统的升降，即控制着变量喷嘴4与杂草冠层的距离。主控系统通过支架固定在直线导轨上，不能上下移动。可调变量喷雾系统由直角支架9和螺钉固定在直线导轨的滑块6上，在导轨电机11的带动下，该可调变量喷雾系统随滑块6沿螺杆8上下移动。

主控系统和可调变量喷雾系统搭建在支架系统的底盘12上，底盘12上对称安装有4个独立驱动的车轮，底盘12向前运动时，由沿行进方向探出安装的USB摄像头1采集地面杂草分布图像，进行杂草的平面定位，所采集的图像输入工控主板后，基于图像处理模型和算法对相关信息进行分析处理，并通过算法将图像分割为对称的两部分，分别计算各部分杂草面积大小信息，进而计算并确定各自对应的喷药总量，同时，由超声波传感器2实时测量变量喷嘴4与杂草冠层的高度信号，输入工控主板，工控主板中预先写入的控制程序基于上述喷药量信息和喷嘴距离杂草冠层的高度信息进行决策分析，生成控制数据传送给单片机控制回路。单片机控制回路根据这些数据通过功率放大电路将喷药总量及高度数据分别传送到高速电磁开关阀及导轨电机，并通过控制高速电磁开关阀的开闭时间，对喷嘴4进行流量调节；通过控制导轨电机11的正反转，调整可调变量喷雾系统与杂草的垂直距离，从而达到最佳喷药距离，实现精准喷药。

Claims

1.一种除草机器人自动对靶变量喷雾流量控制系统，其特征在于，包括主控系统、可调变量喷雾系统、支架系统及超声波传感器，其中，可调变量喷雾系统固定安装在支架系统上，超声波传感器安装在可调变量喷雾系统上，主控系统及可调变量喷雾系统之间通过数据传送接口连接。

2.根据权利要求1所述的除草机器人自动对靶变量喷雾流量控制系统，其特征在于，所述支架系统包括支架、滑块、直线导轨、螺杆、直角支架、导轨电机及底盘，其中，主控系统通过支架与直线导轨固定连接，可调变量喷雾系统通过直角支架固定安装在滑块上，滑块安装在螺杆上，螺杆固定安装在直线导轨上，直线导轨固定安装在底盘上，导轨电机安置在直线导轨底部，所述导轨电机由超声波传感器测量得到的高度信号通过主控系统控制其正反转。

3.根据权利要求2所述的除草机器人自动对靶变量喷雾流量控制系统，其特征在于，所述底盘上安装有若干个车轮。

4.根据权利要求3所述的除草机器人自动对靶变量喷雾流量控制系统，其特征在于，所述车轮为独立驱动。

5.根据权利要求1所述的除草机器人自动对靶变量喷雾流量控制系统，其特征在于，所述主控系统包括USB摄像头、工控主板、单片机控制回路及壳体，其中， USB摄像头、工控主板和单片机控制回路集成在壳体内部。

6.根据权利要求1所述的除草机器人自动对靶变量喷雾流量控制系统，其特征在于，所述可调变量喷雾系统包括高速电磁开关阀、变量喷嘴、储药箱、导管及喷嘴安装架，其中，高速电磁开关阀及变量喷嘴分别两两安装在喷嘴安装架的两个自由端点上，喷嘴安装架的另一个端点与滑块固定连接，储药箱安装在底盘上，储药箱通过导管与喷嘴安装架两个端点上的变量喷嘴相连接，所述超声波传感器安装在喷嘴安装架的下方，所述变量喷嘴的喷药流量通过主控系统计算到得杂草的分布位置和面积大小信息控制高速电磁开关阀进行调节。

7.根据权利要求6所述的除草机器人自动对靶变量喷雾流量控制系统，其特征在于，所述喷嘴安装架为T型。