CN104476545B - 一种果园自主喷药智能机器人 - Google Patents

Abstract

一种果园自主喷药智能机器人，其特征在于，所述机器人包括：中央控制模块、喷药模块、配药模块、无线通信模块、定位模块、人机交互模块、图像处理模块、检测模块、行驶模块、供电模块、报警模块、存储模块。该果园自主喷药智能机器人符合目前果园建园标准，无需人为的控制，同时完成对4棵果树顶部和底部叶片正面、背面的喷药，可以自主定位移动完成对果园的整个喷药过程，提高了工作效率，提高了药物的利用率，减少了人的劳动力，保证人不受药物的危害。

Description

一种果园自主喷药智能机器人

技术领域

本发明涉及一种智能机器人，特别是针对一种果园自主喷药智能机器人。

背景技术

随着人们对生活质量要求的提高，人们更加认识到水果营养价值的重要性，对水果的需求量越来越大。果农种植的果树越来越多，给果树喷药工作变得更加繁重。

目前，给果树喷药的工作主要由人工完成。人工喷药存在以下不利因素：1、药物对人体有害，会引起人体的潜在的病变危害。2、喷药效率低下，人工喷药不仅消耗体力，更耽误时间。3、药物利用率低，人工喷药会造成喷药不均匀，药物滴漏等问题，导致药物的浪费。有一些机械喷药装置应用在果园喷药方面，但这些喷药装置存在以下弊端：1、需要人为控制，不能够自主实现喷药全过程。2、喷药方式单一，效率不够高。3、工作方式不符合现在果园的建园标准。4、操作方式复杂。

因此，目前果园喷药方式存在许多弊端，发明一种果园自主喷药智能机器人可以用来解决果园喷药的问题，帮助果农轻松的完成对果园的喷药。

发明内容

本发明针对现有技术无法满足上述果园喷药方面的问题，提供了一种果园自主喷药智能机器人，能够代替人完成对果园自主喷药的机器人。该果园自主喷药智能机器人符合目前果园建园标准，无需人为的控制，同时完成对4棵果树顶部和底部叶片正面、背面的喷药，可以自主定位移动完成对果园的整个喷药过程，提高了工作效率，提高了药物的利用率，减少了人的劳动力，保证人不受药物的危害。

为了完成上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种果园自主喷药智能机器人，其特征在于，所述机器人包括：中央控制模块、喷药模块、配药模块、无线通信模块、定位模块、人机交互模块、图像处理模块、检测模块、行驶模块、供电模块、报警模块、存储模块。通过上述各个模块的相互统一、协调的工作，实现各个模块的功能和信息处理控制，完成果园自主喷药智能机器人对果园的喷药工作。

所述的中央控制模块使用高级微处理器控制，与喷药模块、配药模块、无线通信模块、定位模块、人机交互模块、图像处理模块、检测模块、行驶模块、供电模块、报警模块、存储模块连接，保证果园自主喷药智能机器人采集信息和处理信息的效率，准确控制各个模块完成相关功能。

所述的喷药模块完成机器人对果树的喷药工作，通过8个可以折叠、伸展的机械臂、8个药物喷头同时对4棵果树的顶部和底部喷药，喷药开关由电磁阀控制，喷药压力由安装在机器人上的农用喷药泵提供。顶部4个机械臂的升降由电动液压千斤顶来实现。每个药物喷头通过塑料软导管与农用喷药泵连接。喷药模块包括：8个药物喷头、8个电磁阀、1台农用喷药泵、1个电动液压千斤顶、塑料软导管。

所述的配药模块完成对药物的搅拌调配。开始配药时，完成对药物的搅匀，使药物充分溶合。在对果树喷药过程中，按用户设置好的时间间隔进行药物搅拌，使药物不会沉淀，保证药物的均匀溶合。配药模块包括：内置式搅拌器、搅拌器电机、药物桶。药物桶可拆卸，在配药的时候可卸下，配完药后安装在机器人身上卡住固定。

所述的无线通信模块用于机器人的无线通信，完成ZigBee无线定位，通过WiFi无线通信与用户手持设备（如手机、PAD、PC机等）进行通信。无线通信模块包括ZigBee无线单元、WiFi无线单元。

所述的定位模块采用ZigBee无线网络定位。在果园的周围设置好ZigBee无线参考节点，机器人身上安装ZigBee无线定位节点。机器人作为定位节点向果园周围设置好的参考节点发送RSSI收集命令，立刻收集此次RSSI值，经过这种方式的多次采值后，通过中央控制模块计算机器人在果园的位置。根据果园实际尺寸和每棵树在果园中的分布，对果园进行果园地图的建模，将果园地图模型导入到机器人存储模块供中央控制模块调取，实时的定位模块和预先存储的果园地图模型进行对比和修正，判断出果树的位置，准确的定位出机器人在喷药工作位置停下，完成对果树喷药的工作。定位模块包括ZigBee无线参考节点、定位节点、无线通信。

所述的人机交互模块实现人与机器人之间的信息通信。人机交互模块通过WiFi无线通信将机器人与用户手持设备（如手机、PAD、PC机等）进行连接通信。用户可以通过与机器人通信连接后的手持设备端上位机软件对机器人进行控制，接收机器人采集的图像信息、检测信息、报警信息，实现对机器人的远距离控制和监视。

所述的图像处理模块完成对机器人周围情况的实时摄像监控。包括云台高清摄像头、图像采集卡、图像处理软件。

所述的检测模块实现对药物剩余量、喷药流速的检测，完成机器人识别方向、检测障碍物和自身状态。检测模块包括液位传感器、涡轮流量计、陀螺仪、里程计、电子罗盘、激光测距仪、加速度传感器、超声波传感器。通过液位传感器、涡轮流量计分别检测药物剩余量、喷药流速，以避免无药工作和对药物喷头堵塞及时发现。当喷药流速过慢不正常时，说明药物喷头发生堵塞或其他故障。通过激光测距仪、加速度传感器、陀螺仪、里程计、电子罗盘、超声波传感器识别方向、检测障碍物和自身状态。

所述的行驶模块使用履带式移动。行驶模块的机械结构采用2条同步履带、1个主轴、1个直齿轮、1个圆锥齿轮、2个主动轮、2个从动轮。动力结构采用2个直流伺服电机、2个减速器、2个旋转编码器、2个H桥电机PWM驱动电路、电机过流保护装置。减速器与动力轮连接；直流伺服电机与减速器、旋转编码器、H桥电机PWM驱动电路连接，构成行驶动力装置。H桥电机PWM驱动电路控制电机的正转和反转，控制主动轮正、反转，带动同步履带移动完成机器人在果园内前进、后退和转向。

所述的供电模块完成对机器人整个系统的供电、电压转换、剩余电量检测，保证机器人供电的安全、高效。供电模块包括高能效锂离子电池组、电压转换器、电量检测器。

所述的报警模块实现了当药物余量不足、药物喷头堵塞、电池组电量不足时，通过WiFi无线通信向用户手持设备报警，以便用户及时发现处理。

所述的存储模块实现机器人图像采集、检测信息和其他模块数据的记录和存储。存储模块包括果园地图模型数据存储、图像数据存储、检测数据存储。

本发明的有益效果是：通过ZigBee无线网络定位技术和地图模型构建技术相结合，实现机器人自主移动到果园喷药工作位置，同时对4棵果树的顶部和底部叶片正面和背面的喷药。该果园自主喷药智能机器人符合目前果园建园标准，无需人为的控制，可以自主定位移动完成对果园的整个喷药过程，大大提高了工作效率，提高了药物的利用率，减少了人的劳动力，保证人不受药物的危害。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明外部机械结构示意图。

图3为本发明机器人工作方法示意图。

图4为本发明机器人行驶区域示意图。

图5为本发明上位机软件主操作界面示意图。

图中40、药物喷头，41、机械臂，42、锂离子电池组，43、同步履带，44、无线通信天线，45、云台高清摄像头，46、电动液压千斤顶，47、农用喷药泵，48、齿轮，49、药物桶，50、药泵电机，51、搅拌器电机，21、ZigBee无线参考节点一，22、ZigBee无线参考节点二，23、ZigBee无线参考节点三，24、ZigBee无线参考节点四，25、果园边缘喷药工作区，26、果园喷药工作区，27、果树树冠所占面积，30、果树树冠，31、机器人行驶区域。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，以具体阐述本发明的技术方案。

如图1所示，本发明一种果园自主喷药智能机器人中央控制模块1选用ARM处理器与喷药模块2、配药模块3、无线通信模块4、定位模块5、人机交互模块6、图像处理模块7、检测模块8、行驶模块9、供电模块10、报警模块11、存储模块12连接，保证果园自主喷药智能机器人采集信息和处理信息的效率，准确控制各个模块完成相关功能。

如图2所示，机器人通过喷药模块2完成机器人对果树的喷药工作。利用位于机器人底部前后两侧的4个机械臂喷药结构的药物喷头40从果树叶片自下向上喷药，完成对果树叶片背面的喷药。利用位于机器人顶部前后两侧的4个机械臂喷药结构的喷药喷头40从果树叶片自上向下喷药，完成对果树叶片正面的喷药。8个机械臂喷药结构实现了同时对4棵果树的叶片正面和背面的喷药。

机器人通过配药模块3完成对药物的搅拌调配均匀。人工将药物和水按比例倒入到药物桶49内，然后将药物桶49安装在机器人身上卡住固定好，将内置式搅拌器的齿轮与机器人搅拌器电机51连接后，控制搅拌器电机51工作，对药物进行搅拌均匀，准备好自主喷药。在对果树喷药过程中，按用户设置好的时间间隔进行药物搅拌，使药物不会沉淀，保证药物的均匀溶合。药物桶49内的药物通过塑料软导管与农用喷药泵47连接，供其抽取药物。

机器人通过无线通信模块4实现机器人的无线通信，完成ZigBee无线通信定位，通过WiFi无线通信与用户手持设备（如手机、PAD、PC机等）进行通信。

如图3所示，机器人定位根据果园实际尺寸和每棵树在果园中的分布位置，对果园进行果园地图的建模，将果园地图模型导入到机器人存储模块供中央控制模块调取，实时的定位模块和预先存储的果园地图模型进行对比和修正，判断出果树的位置，准确的定位出机器人在果园边缘喷药工作区25，果园喷药工作区26处停止，完成对果树喷药的工作。实时的定位通过定位模块采用ZigBee无线网络定位。如图3所示，在果园的周围设置好ZigBee无线参考节点一21，ZigBee无线参考节点二22，ZigBee无线参考节点三23，ZigBee无线参考节点四24，机器人身上安装ZigBee无线定位节点。机器人作为定位节点向果园周围设置好的参考节点发送RSSI收集命令，立刻收集此次RSSI值，经过这种方式的多次采值后，通过中央控制模块计算机器人在果园的位置。

机器人通过人机交互模块实现人与机器人之间的信息通信。用户通过与机器人通信连接后的手持设备，操作手持设备端的上位机软件对机器人进行控制，接收机器人采集的图像信息、检测信息、报警信息，实现对机器人的远距离控制和监视。

机器人通过图像处理模块完成对机器人周围情况的实时摄像监控。

机器人通过检测模块液位传感器、涡轮流量计分别检测药物剩余量、喷药流速，以及时发现并避免无药工作和药物喷头40堵塞。通过激光测距仪、加速度传感器、陀螺仪、里程计、电子罗盘、超声波传感器识别方向、检测障碍物和自身状态。ARM处理器将以上信息通过无线通信模块发送给用户手持设备的上位机显示。

机器人通过行驶模块采用履带式移动。ARM处理器控制H桥电机PWM驱动电路控制电机的正转和反转，控制主动轮正、反转，带动同步履带移动完成机器人在果园内前进、后退和转向。

机器人通过供电模块完成对机器人整个系统的供电、电压转换、剩余电量检测。高能效锂离子电池组储存电能，电压转换器为机器人的各个模块提供合适的电压和电流，电量检测器检测电池组的剩余电量。

机器人通过报警模块实现了当药物余量不足、药物喷头堵塞、电池组电量不足时，通过WiFi无线通信向用户手持设备报警，以便用户及时发现处理。

机器人的存储模块实现机器人图像采集、检测信息和其他模块数据的记录和存储。

用户可以根据自己的需求对机器人的工作模式进行设置，可以设置为自主工作模式、人为控制工作模式。自主工作模式下，机器人完全自主的实现整个喷药的过程。人为控制工作模式依靠人通过用户手持设备的上位机来控制机器人的工作。

如图3所示，在果园的边缘处只有一侧有2棵果树的喷药工作区（如果园边缘喷药工作区25）称为果园边缘喷药工作区。在果园里4棵果树环绕围成的喷药工作区（如果园喷药工作区26）称为果园喷药工作区。

在如果园边缘喷药工作区25的一类工作区，只开启临近果树一侧的4个机械臂喷药结构进行喷药。在如果园喷药工作区26的一类工作区，开启8个机械臂喷药结构进行喷药。

本果园自主喷药智能机器人自主工作模式工作原理如下：首先，果农在药物桶里按比例配好药物和水，将药物桶49安装在机器人上卡住固定好后。经过搅拌器搅拌均匀后，启动机器人，设置进入自主工作模式。药泵电机50开始运转，农用喷药泵47准备好工作。如图3所示机器人定位后开始移动到果园边缘喷药工作区25位置后停止移动。安装在机器人上的电动液压千斤顶46升起，然后临近果树一侧的顶部和底部的4个机械臂41展开，机械臂41展开后，4个喷药电磁阀开关打开，4个药物喷头40对2棵树的底部叶片和顶部叶片的正、背面同时喷药。喷药完毕后，4个喷药电磁阀开关关闭，机械臂41收回，电动液压千斤顶46落下，机器人外形尺寸符合果园的建园标准。机器人从如图4所示的两棵树之间的机器人行驶区域31中穿过。通过定位模块的定位，机器人在如图3所示的果园喷药工作区26处停止移动，安装在机器人上的电动液压千斤顶46升起，然后安装在机器人上的顶部和底部的8个机械臂41开始展开。机械臂41展开后，8个喷药电磁阀开关打开，8个药物喷头40开始喷药，完成对4棵树的底部叶片和顶部叶片的正、背面同时喷药。喷药完毕后，喷药电磁阀开关关闭，机械臂41收回，电动液压千斤顶46落下，机器人外形尺寸符合果园的建园标准。机器人从如图4所示的两棵树之间的机器人行驶区域31中穿过移动到下一个工作区，重复以上操作。在喷药时，机械臂41按照一定方向往返移动，全面、均匀覆盖树冠为果树喷药。如图3所示，箭头方向为机器人工作移动方向。综上所述，机器人按照上述喷药过程方法，按照箭头所示移动方向，喷药过程循环往复，最终完成对整个果园的喷药。在喷药的过程中，搅拌器按照提前设置好的时间间隔进行对药物的搅拌，保证药物始终均匀。

机器人人为控制工作模式工作原理如下：用户通过自己的手持设备通过WiFi无线单元与机器人连接通信，实现对机器人进行控制。如图5所示，用户通过手持设备端上位机软件主操作界面对机器人实施控制。用方向键控制机器人的行驶方向，点击机械臂控制、喷药开关、药泵控制、自动/手动、搅拌器控制分别实现机械臂控制、喷药、药泵工作、自主工作模式和人为控制工作模式切换、搅拌器工作。通过视频窗口观察机器人周围的情况，左右上下滑动窗口可以实现云台的左右上下移动改变监控视角。

机器人工作在自主工作模式和人为控制工作模式下，用户都可以通过手持设备利用WiFi无线单元与机器人连接通信，通过上位机软件对机器人进行周围视频观察，监测喷药流速、药量剩余、电量剩余。

Claims (1)

1.一种果园自主喷药智能机器人，其特征在于，所述机器人包括：中央控制模块、喷药模块、配药模块、无线通信模块、定位模块、人机交互模块、图像处理模块、检测模块、行驶模块、供电模块、报警模块、存储模块；中央控制模块与喷药模块、配药模块、无线通信模块、定位模块、人机交互模块、图像处理模块、检测模块、行驶模块、供电模块、报警模块、存储模块连接；

所述的喷药模块完成机器人对果树的喷药工作，通过8个可以折叠、伸展的机械臂、8个药物喷头同时对4棵果树的顶部和底部喷药，喷药开关由电磁阀控制，喷药压力由安装在机器人上的农用喷药泵提供；顶部4个机械臂的升降由电动液压千斤顶来实现；每个药物喷头通过塑料软导管与农用喷药泵连接；喷药模块包括：8个药物喷头、8个电磁阀、1台农用喷药泵、1个电动液压千斤顶、塑料软导管；

所述的配药模块完成对药物的搅拌调配；开始配药时，完成对药物的搅匀，使药物充分溶合；在对果树喷药过程中，按用户设置好的时间间隔进行药物搅拌，使药物不会沉淀，保证药物的均匀溶合；配药模块包括：内置式搅拌器、搅拌器电机、药物桶；药物桶可拆卸，在配药的时候可卸下，配完药后安装在机器人身上卡住固定；

所述的定位模块采用ZigBee无线网络定位；在果园的周围设置好ZigBee无线参考节点，机器人身上安装ZigBee无线定位节点；机器人作为定位节点向果园周围设置好的参考节点发送RSSI收集命令，立刻收集此次RSSI值，经过这种方式的多次采值后，通过中央控制模块计算机器人在果园的位置；根据果园实际尺寸和每棵树在果园中的分布，对果园进行果园地图的建模，将果园地图模型导入到机器人存储模块供中央控制模块调取，实时的定位模块和预先存储的果园地图模型进行对比和修正，判断出果树的位置，准确的定位出机器人在喷药工作位置停下，完成对果树喷药的工作；定位模块包括ZigBee无线参考节点、定位节点、无线通信；

所述的检测模块实现对药物剩余量、喷药流速的检测，通过液位传感器、涡轮流量计分别检测药物剩余量、喷药流速，以避免无药工作和对药物喷头堵塞及时发现；当喷药流速过慢不正常时，说明药物喷头发生堵塞或其他故障。