CN104834311A - 一种基于悬挂链输送机的大棚智能喷药机器人及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于悬挂链输送机的大棚智能喷药机器人及方法，其特征在于，所述大棚智能喷药机器人包括：中央控制器、悬挂链输送机模块、检测标识模块、图像处理模块、喷药模块、配药模块、药物检测模块、无线通信模块、人机交互模块、报警模块、存储模块、供电模块。所述的中央控制器分别与悬挂链输送机模块、检测标识模块、图像处理模块、喷药模块、配药模块、药物检测模块、无线通信模块、人机交互模块、报警模块、存储模块、供电模块连接。本大棚智能喷药机器人智能完成对大棚果蔬植物的整个喷药过程，减少了药物的浪费和药物残留，提高了工作效率和药物利用率，减少了人的体力劳动，使人不受药物的危害。

Description

一种基于悬挂链输送机的大棚智能喷药机器人及方法

技术领域

本发明涉及一种智能机器人，特别是针对一种基于悬挂链输送机的大棚智能喷药机器人及方法。

背景技术

悬挂链是专门用于悬挂输送机或悬挂输送线的输送链条。由悬挂链组成的输送机称为悬挂链输送机。悬挂链输送机主要由轨道、滚轮、滑架、悬挂链、吊具、牵引动力装置组成。

目前，给大棚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大棚喷药方面，但这些喷药装置存在以下弊端：1、需要人为控制，不能够自主完成喷药全过程。2、喷药量不合理，药物浪费严重，药物利用率不够高。3、工作方式不符合现在大棚的建园标准。4、操作方式复杂。

因此，目前大棚喷药方式存在许多弊端，发明一种基于悬挂链输送机的大棚智能喷药机器人及方法可以用来解决大棚喷药的问题，帮助大棚种植户轻松的完成对大棚果蔬植物的喷药。

发明内容

本发明针对现有技术无法满足上述大棚喷药方面的问题，提供了一种基于悬挂链输送机的大棚智能喷药机器人及方法，能够代替人完成对大棚果蔬植物智能喷药的机器人。该大棚智能喷药机器人通过悬挂链输送机技术按照大棚建园路径自主移动，通过图像处理识别果蔬植物，根据不同果蔬植物及所处的不同生长时期合理控制喷药量，智能完成对大棚果蔬植物的整个喷药过程。

为了完成上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种基于悬挂链输送机的大棚智能喷药机器人，其特征在于，所述大棚智能喷药机器人包括：中央控制器、悬挂链输送机模块、检测标识模块、图像处理模块、喷药模块、配药模块、药物检测模块、无线通信模块、人机交互模块、报警模块、存储模块、供电模块。所述的中央控制器分别与悬挂链输送机模块、检测标识模块、图像处理模块、喷药模块、配药模块、药物检测模块、无线通信模块、人机交互模块、报警模块、存储模块、供电模块连接，所述的供电模块分别与中央控制器、悬挂链输送机模块、检测标识模块、图像处理模块、喷药模块、配药模块、药物检测模块、无线通信模块、人机交互模块、报警模块、存储模块连接。通过以上各个模块的统一、协调的工作，实现各个模块的功能，完成大棚智能喷药机器人对大棚果蔬植物的智能喷药工作。

所述的中央控制器分别与悬挂链输送机模块、检测标识模块、图像处理模块、喷药模块、配药模块、药物检测模块、无线通信模块、人机交互模块、报警模块、存储模块、供电模块连接，接收和处理各模块的采集信息和数据，快速控制各个模块完成具体功能。

所述的悬挂链输送机模块采用悬挂链输送机技术。悬挂链输送机模块包括轨道、滚轮、滑架、悬挂链、吊具、牵引动力装置；牵引动力装置由电机、减速器、皮带传动或链传动机构组成。根据实际大棚尺寸所需要的悬挂链输送线长度确定牵引动力装置的个数，输送线每隔500米长度设置一个牵引动力装置，牵引动力装置提供输送动力；轨道拐点处设置检测标识物由检测标识模块检测识别轨道的拐点。在大棚区内部果蔬植物种植区外的空地过道上方架设轨道，在轨道内设置悬挂链、滚轮和滑架，吊具铰接在滑架下方，机器人安装在吊具上，实现机器人在大棚区内部果蔬植物种植区外的空地过道上移动。

所述的检测标识模块用于识别检测机器人到达轨道拐点处的检测标识物，反馈轨道拐点信息控制机器人进行开始和停止喷药工作；中央控制器对检测标识模块检测到的轨道拐点处的检测标识物进行个数统计，确定区分喷药起始位置、结束位置和喷药具体情况的位置。检测标识模块包括红外对管传感器。

所述的图像处理模块完成对果蔬植物识别和实时摄像监控周围情况，图像处理模块包括云台高清摄像头、图像采集卡、图像处理软件；图像处理模块采用图像处理和模式识别技术，通过云台高清摄像头拍摄果蔬植物的图像，通过图像采集卡和图像处理软件处理果蔬植物的图像，提取到果蔬植物的重要外观特征与存储模块中的果蔬植物图像特征信息数据库核对比较后对果蔬植物分类并判断出果蔬植物的种类名称。

所述的喷药模块完成机器人对果蔬植物的喷药工作，通过2个可伸缩的机械臂、6个药物喷头同时对2列果蔬植物的顶部、中部和底部喷药；6个药物喷头分别安装在2个可伸缩的机械臂的顶部、中部和底部与喷药导管连接，每一个可伸缩的机械臂在顶部、中部和底部各安装一个药物喷头，通过可伸缩的机械臂改变药物喷头的高度；药物喷头开关由电动调节阀控制开关，通过控制电动调节阀的开度控制药物喷药速度；喷药液压由安装在机器人上的农用喷药压力泵提供；每个药物喷头通过喷药导管与农用喷药压力泵连接；喷药模块包括2个可伸缩的机械臂、6个药物喷头、6个电动调节阀、1台农用喷药压力泵、喷药导管。

所述的配药模块完成对药物的搅拌调配，配药时，通过内置式搅拌器对药物搅匀，使药物充分溶合；在喷药过程中，搅拌器电机按用户设置好的时间间隔带动内置式搅拌器对药物搅拌，使药物不会沉淀，保证喷药过程药物的均匀溶合。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。

所述的药物检测模块实现对药物剩余量、喷药流速的检测，药物检测模块包括液位传感器、涡轮流量计，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，能够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。

所述的无线通信模块用于机器人与上位机进行无线通信连接，无线通信模块包括WiFi无线单元和GPRS通信单元，WiFi无线单元用于机器人与上位机进行WiFi无线通信连接方式，GPRS通信单元用于机器人与上位机进行GPRS无线通信连接方式。

所述的人机交互模块实现人与机器人之间的信息通信。人机交互模块通过无线通信模块将机器人与用户手持移动通信设备进行连接通信。用户可以通过与机器人通信连接后的手持移动通信设备端上位机软件对机器人进行功能参数设置和实时控制，接收机器人采集的图像信息和报警信息，实现对机器人的远距离控制和监视。

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，通过语音播放器播放报警语音，通过无线通信向用户手持移动通信设备上位机报警，以便用户及时发现处理，报警模块包括语音播放器和用户手持移动通信设备上位机报警提示。

所述的存储模块实现对图像采集数据、果蔬植物图像特征信息数据库和其他模块数据的记录和存储，存储模块包括存储器。

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电池组、电压转换器、电量检测器。

一种基于悬挂链输送机的大棚智能喷药方法，其特征在于，基于悬挂链输送机的大棚智能喷药方法包括以下步骤：根据实际大棚尺寸所需要的悬挂链输送线长度确定牵引动力装置的个数，输送线每隔500米长度设置一个牵引动力装置，轨道拐点处设置检测标识物由检测标识模块检测识别轨道的拐点。在大棚区内部果蔬植物种植区外的空地过道上方架设轨道，在轨道内设置悬挂链、滚轮和滑架，吊具铰接在滑架下方，机器人安装在吊具上，实现机器人在大棚区内部果蔬植物种植区外的空地过道上方轨道移动，机器人到达轨道拐点处，检测标识模块的红外对管传感器识别检测轨道拐点处的检测标识物反馈信息控制机器人在刚进入果蔬植物种植区间处进行开始喷药工作，在刚离开果蔬植物种植区间处进行停止喷药；中央控制器对检测标识模块检测到的轨道拐点处的检测标识物进行个数统计，确定区分喷药起始位置、结束位置和喷药具体情况的位置。

本大棚智能喷药机器人自动模式工作原理如下：首先，用户在药物桶里按比例配好药物和水，将药物桶安装在机器人上卡住固定好后。将内置式搅拌器的齿轮与机器人搅拌器电机连接后，使用用户手持移动通信设备上位机软件控制启动机器人，控制搅拌器电机工作，使药物经过搅拌器搅拌均匀后，设置进入自动模式。药物桶内的药物通过喷药导管与农用喷药压力泵连接，供农用喷药压力泵抽取药物。药泵电机开始运转，农用喷药压力泵准备好工作。

图像处理模块开始工作采集果蔬植物种植区和周围环境图像信息，通过云台高清摄像头拍摄果蔬植物的图像，通过图像采集卡和图像处理软件处理果蔬植物的图像，提取到果蔬植物的重要外观特征与存储模块中的果蔬植物图像特征信息数据库信息核对比较后对果蔬植物分类并判断出果蔬植物的种类名称。

机器人开始从机器人工作起点和终点出发沿架设好的轨道移动，机器人检测标识模块检测到轨道上的检测标识物，确定第一列喷药开始，机器人将要进入果蔬植物种植区，机器人中央控制器控制喷药模块伸开机械臂，中央控制器控制果蔬植物种植区一侧的药物喷头电动调节阀打开对果蔬植物的顶部、中部和底部喷药，中央控制器根据图像处理模块判断的果蔬植物的种类名称和人工设置功能参数中的果蔬植物所处的生长时期合理控制调节电动调节阀的开度，控制喷药用量。

当机器人完成第一列果蔬植物种植区一侧的喷药时，机器人检测标识模块检测到轨道上的检测标识物，确定对第一列果蔬植物喷药结束，机器人将要离开果蔬植物种植区，机器人中央控制器控制关闭电动调节阀停止喷药，机器人继续移动转向进入到两列果蔬植物种植区之间，机器人检测标识模块检测到轨道上的检测标识物，机器人将再次进入果蔬植物种植区之间，机器人中央控制器控制机器人两侧的药物喷头电动调节阀打开对2列果蔬植物的顶部、中部和底部喷药，机器人中央控制器根据图像处理模块判断的果蔬植物的种类名称和人工设置功能参数中的果蔬植物所处的生长时期合理控制调节电动调节阀的开度，控制喷药用量。

在喷药的过程中，搅拌器按照提前设置好的时间间隔对药物进行搅拌，保证药物始终均匀。

机器人按照上述方法继续完成对果蔬植物的喷药工作，当机器人到达最后一列果蔬植物种植区外时，机器人中央控制器仅控制果蔬植物种植区一侧的药物喷头电动调节阀打开对果蔬植物的顶部、中部和底部喷药，机器人中央控制器根据图像处理模块判断的果蔬植物的种类名称和人工设置功能参数中的果蔬植物所处的生长时期合理控制调节电动调节阀的开度，控制喷药用量。

当机器人检测标识模块的红外对管传感器识别检测轨道拐点处的检测标识物的个数达到完成对所有的果蔬植物喷药工作后的检测标识物的个数后，中央控制器控制关闭电动调节阀停止喷药，控制喷药模块收缩机械臂，控制机器人沿轨道继续移动到机器人工作起点和终点位置处等待用户下一步具体操作。

机器人手动模式工作原理如下：用户通过手持移动通信设备端上位机软件实现对机器人控制。用户通过手持移动通信设备端上位机软件主操作界面进入到手动模式控制软件子界面对机器人实施控制机器人机械臂伸缩、电动调节阀开关、药泵开关、搅拌器开关。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高清摄像头的左右上下移动改变监控视角。

本发明的有益效果是：本发明一种基于悬挂链输送机的大棚智能喷药机器人及方法按照悬挂链输送机架设的轨道路径自动移动实现机器人识别大棚区建园路径自主移动，通过图像处理识别果蔬植物，根据不同果蔬植物及所处的不同生长时期合理控制喷药量，同时完成对2列果蔬植物顶部、中部和底部喷药，智能完成对大棚果蔬植物的整个喷药过程。本大棚智能喷药机器人减少了药物的浪费和药物残留，大大提高了工作效率和药物利用率，减少了人的体力劳动，使人不受药物的危害。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为本发明机器人工作方法示意图。

图3为本发明上位机软件主操作界面示意图。

图4为本发明机器人外部结构图。

图中1、中央控制器，2、悬挂链输送机模块，3、检测标识模块，4、图像处理模块，5、喷药模块，6、配药模块，7、药物检测模块，8、无线通信模块，9、人机交互模块，10、报警模块，11、存储模块，12、供电模块，20、大棚区，21、轨道，22、检测标识物，23、机器人工作起点和终点，24、果蔬植物种植区，30、无线天线，31、机器人机箱，32、顶部药物喷头，33、中部药物喷头，34、滑架，35、红外对管传感器，36、云台高清摄像头，37、可伸缩机械臂，38、底部药物喷头，39、药物桶。

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，本发明一种基于悬挂链输送机的大棚智能喷药机器人中央控制器1选用DSP处理器与悬挂链输送机模块2、检测标识模块3、图像处理模块4、喷药模块5、配药模块6、药物检测模块7、无线通信模块8、人机交互模块9、报警模块10、存储模块11、供电模块12连接，所述的供电模块12分别与中央控制器1、悬挂链输送机模块2、检测标识模块3、图像处理模块4、喷药模块5、配药模块6、药物检测模块7、无线通信模块8、人机交互模块9、报警模块10、存储模块11连接，保证大棚智能喷药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，一种基于悬挂链输送机的大棚智能喷药机器人悬挂链输送机输送机器人方法实现如下：根据实际大棚尺寸所需要的悬挂链输送线长度确定牵引动力装置的个数，输送线每隔500米长度设置一个牵引动力装置，轨道21拐点处设置检测标识物22由检测标识模块3检测识别轨道21的拐点。在大棚区20内部果蔬植物种植区24外的空地过道上方架设轨道21，在轨道21内设置悬挂链、滚轮和滑架，吊具铰接在滑架下方，机器人安装在吊具上，实现机器人在大棚区内部果蔬植物种植区24外的空地过道上方轨道21移动，机器人到达轨道21拐点处，检测标识模块3的红外对管传感器识别检测轨道21拐点处的检测标识物22反馈信息控制机器人在刚进入果蔬植物种植区间处进行开始喷药工作，在刚离开果蔬植物种植区间处进行停止喷药；中央控制器1对检测标识模块3检测到的轨道21拐点处的检测标识物22进行个数统计，确定区分喷药起始位置、结束位置和喷药具体情况的位置。

用户使用手持移动通信设备通过无线通信模块8中WiFi无线单元或GPRS通信单元选择WiFi无线通信连接方式或GPRS无线通信连接方式与机器人连接通信，用户通过手持移动通信设备端上位机软件对机器人进行功能参数设置和实时控制，接收机器人采集的图像信息、电量信息和报警信息，实现对机器人的远距离控制和监视。

本大棚智能喷药机器人自动模式工作原理如下：首先，用户在药物桶39里按比例配好药物和水，将药物桶39安装在机器人上卡住固定好后。将内置式搅拌器的齿轮与机器人搅拌器电机连接后，使用用户手持移动通信设备上位机软件控制启动机器人，控制搅拌器电机工作，使药物经过搅拌器搅拌均匀后，设置进入自动模式。药物桶39内的药物通过喷药导管与农用喷药压力泵连接，供农用喷药压力泵抽取药物。药泵电机开始运转，农用喷药压力泵准备好工作。

图像处理模块4开始工作采集果蔬植物种植区24和周围环境图像信息，通过云台高清摄像头36拍摄果蔬植物的图像，通过图像采集卡和图像处理软件处理果蔬植物的图像，提取到果蔬植物的重要外观特征与存储模块11中的果蔬植物图像特征信息数据库信息核对比较后对果蔬植物分类并判断出果蔬植物的种类名称。

如图2所示，机器人开始从机器人工作起点和终点23出发沿架设好的轨道21按照图示实线箭头方向移动，机器人检测标识模块3检测到轨道21上的检测标识物22，确定第一列喷药开始，机器人将要进入果蔬植物种植区24，机器人中央控制器1控制喷药模块5伸开机械臂，中央控制器1控制果蔬植物种植区24一侧的药物喷头电动调节阀打开对果蔬植物的顶部、中部和底部喷药，中央控制器1根据图像处理模块4判断的果蔬植物的种类名称和人工设置功能参数中的果蔬植物所处的生长时期合理控制调节电动调节阀的开度，控制喷药用量。

当机器人完成第一列果蔬植物种植区24一侧的喷药时，机器人检测标识模块3检测到轨道21上的检测标识物22，确定对第一列果蔬植物喷药结束，机器人将要离开果蔬植物种植区24，机器人中央控制器1控制关闭电动调节阀停止喷药，机器人按实线箭头方向继续移动转向进入到两列果蔬植物种植区24之间，机器人检测标识模块3检测到轨道21上的检测标识物22，机器人将再次进入果蔬植物种植区24之间，机器人中央控制器1控制机器人两侧的药物喷头电动调节阀打开对2列果蔬植物的顶部、中部和底部喷药，机器人中央控制器1根据图像处理模块4判断的果蔬植物的种类名称和人工设置功能参数中的果蔬植物所处的生长时期合理控制调节电动调节阀的开度，控制喷药用量。

在喷药的过程中，搅拌器按照提前设置好的时间间隔对药物进行搅拌，保证药物始终均匀。

机器人按照上述方法继续完成对果蔬植物的喷药工作，当机器人到达最后一列果蔬植物种植区24外时，机器人中央控制器1仅控制果蔬植物种植区24一侧的药物喷头电动调节阀打开对果蔬植物的顶部、中部和底部喷药，机器人中央控制器1根据图像处理模块4判断的果蔬植物的种类名称和人工设置功能参数中的果蔬植物所处的生长时期合理控制调节电动调节阀的开度，控制喷药用量。

当机器人检测标识模块3的红外对管传感器识别检测轨道21拐点处的检测标识物22的个数达到完成对所有的果蔬植物喷药工作后的检测标识物22的个数后，中央控制器1控制关闭电动调节阀停止喷药，控制喷药模块5收缩机械臂，控制机器人沿轨道21继续移动到机器人工作起点和终点23位置处等待用户下一步具体操作。

机器人手动模式工作原理如下：用户通过手持移动通信设备端上位机软件实现对机器人控制。如图3所示，用户通过手持移动通信设备端上位机软件主操作界面进入到手动模式控制软件子界面对机器人实施控制机器人机械臂伸缩、电动调节阀开关、药泵开关、搅拌器开关。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高清摄像头的左右上下移动改变监控视角。

机器人通过药物检测模块7中液位传感器、涡轮流量计分别检测药物剩余量、喷药流速数据，将数据传送给中央控制器1，通过无线通信模块8传送数据到手持移动通信设备端上位机中显示，以及时发现并避免无药工作和药物喷头堵塞情况。

机器人通过报警模块10实现了当药物余量不足、药物喷头堵塞、电池组电量不足时，通过无线通信模块8向用户手持移动通信设备报警和语音播放器播放语音报警，以便用户及时发现处理。

机器人存储模块11使用存储器，实现对图像采集数据、果蔬植物图像特征信息数据库和其他模块数据的记录和存储。

机器人通过供电模块12选用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。

用户可以根据自己的需求对机器人的工作模式进行设置，可以设置机器人为自动模式或手动模式工作模式。自动模式下，机器人自主智能实现整个喷药的过程。手动模式依靠人工通过用户手持移动通信设备的上位机软件来控制机器人的工作。

Claims (3)

1.一种基于悬挂链输送机的大棚智能喷药机器人，其特征在于，所述大棚智能喷药机器人包括：中央控制器、悬挂链输送机模块、检测标识模块、图像处理模块、喷药模块、配药模块、药物检测模块、无线通信模块、人机交互模块、报警模块、存储模块、供电模块；所述的中央控制器分别与悬挂链输送机模块、检测标识模块、图像处理模块、喷药模块、配药模块、药物检测模块、无线通信模块、人机交互模块、报警模块、存储模块、供电模块连接，所述的供电模块分别与中央控制器、悬挂链输送机模块、检测标识模块、图像处理模块、喷药模块、配药模块、药物检测模块、无线通信模块、人机交互模块、报警模块、存储模块连接。

2.根据权利要求1所述的大棚智能喷药机器人，其特征在于，所述的悬挂链输送机模块采用悬挂链输送机技术；悬挂链输送机模块包括轨道、滚轮、滑架、悬挂链、吊具、牵引动力装置；牵引动力装置由电机、减速器、皮带传动或链传动机构组成；根据实际大棚尺寸所需要的悬挂链输送线长度确定牵引动力装置的个数，输送线每隔500米长度设置一个牵引动力装置，牵引动力装置提供输送动力；轨道拐点处设置检测标识物由检测标识模块检测识别轨道的拐点；在大棚区内部果蔬植物种植区外的空地过道上方架设轨道，在轨道内设置悬挂链、滚轮和滑架，吊具铰接在滑架下方，机器人安装在吊具上，实现机器人在大棚区内部果蔬植物种植区外的空地过道上移动；

所述的检测标识模块用于识别检测机器人到达轨道拐点处的检测标识物，反馈轨道拐点信息控制机器人进行开始和停止喷药工作；中央控制器对检测标识模块检测到的轨道拐点处的检测标识物进行个数统计，确定区分喷药起始位置、结束位置和喷药具体情况的位置；检测标识模块包括红外对管传感器。

3.一种基于悬挂链输送机的大棚智能喷药方法，其特征在于，基于悬挂链输送机的大棚智能喷药方法包括以下步骤：根据实际大棚尺寸所需要的悬挂链输送线长度确定牵引动力装置的个数，输送线每隔500米长度设置一个牵引动力装置，轨道拐点处设置检测标识物由检测标识模块检测识别轨道的拐点；在大棚区内部果蔬植物种植区外的空地过道上方架设轨道，在轨道内设置悬挂链、滚轮和滑架，吊具铰接在滑架下方，机器人安装在吊具上，实现机器人在大棚区内部果蔬植物种植区外的空地过道上方轨道移动，机器人到达轨道拐点处，检测标识模块的红外对管传感器识别检测轨道拐点处的检测标识物反馈信息控制机器人在刚进入果蔬植物种植区间处进行开始喷药工作，在刚离开果蔬植物种植区间处进行停止喷药；中央控制器对检测标识模块检测到的轨道拐点处的检测标识物进行个数统计，确定区分喷药起始位置、结束位置和喷药具体情况的位置。