CN104834312A - 一种基于rfid的农田智能喷药机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于RFID的农田智能喷药机器人，其特征在于，所述农田智能喷药机器人的中央控制器分别与RFID路径识别模块、太阳能跟踪模块、太阳能发电模块、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、自身状态检测模块、行驶模块、供电模块、报警模块、存储模块连接。本农田智能喷药机器人能够利用户外太阳能发电，智能完成对农田农作物的整个喷药过程，减少药物的浪费和药物残留，提高工作效率和药物利用率，环保节能，使人不受药物的危害。

Description

一种基于RFID的农田智能喷药机器人

技术领域

本发明涉及一种智能机器人，特别是针对一种基于RFID的农田智能喷药机器人。

背景技术

RFID(Radio Frequency Identification)是一种非接触式自动识别技术，其原理是利用射频方式进行非接触双向通信，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID技术具有非接触、阅读速度快、不受环境影响、读取距离大、标签数据可加密、存储数据容量大、存储信息可更改、能够同时处理多个标签、识别工作无须人工干预等优点。

目前，给农田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农田喷药方面，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农田的建园标准。4、操作方式复杂。

因此，目前农田喷药方式存在许多弊端，发明一种基于RFID的农田智能喷药机器人可以用来解决农田喷药的问题，帮助农田种植户轻松的完成对农田农作物的喷药。

发明内容

本发明针对现有技术无法满足上述农田喷药方面的问题，提供了一种基于RFID的农田智能喷药机器人，能够代替人完成对农田农作物智能喷药的机器人。该农田智能喷药机器人通过RFID位置标记定位技术智能识别农田建园路径自主移动，通过图像处理识别农作物，根据不同农作物及所处的不同生长时期合理控制喷药量，能够利用户外太阳能发电，智能完成对农田农作物的整个喷药过程。

为了完成上述目的，本发明采用以下技术方案。

一种基于RFID的农田智能喷药机器人，其特征在于，所述农田智能喷药机器人包括：中央控制器、RFID路径识别模块、太阳能跟踪模块、太阳能发电模块、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、自身状态检测模块、行驶模块、供电模块、报警模块、存储模块。所述的中央控制器分别与RFID路径识别模块、太阳能跟踪模块、太阳能发电模块、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、自身状态检测模块、行驶模块、供电模块、报警模块、存储模块连接，所述的供电模块分别与中央控制器、RFID路径识别模块、太阳能跟踪模块、太阳能发电模块、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、自身状态检测模块、行驶模块、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，完成农田智能喷药机器人对农田农作物的喷药工作。

所述的中央控制器分别与RFID路径识别模块、太阳能跟踪模块、太阳能发电模块、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、自身状态检测模块、行驶模块、供电模块、报警模块、存储模块连接，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RFID路径识别模块采用RFID位置标记定位技术。采用在农田区上方均匀间隔固定位置架起安装位置标记RFID电子标签监控机器人上安装的机器人RFID电子标签位置，通过位置标记RFID电子标签向机器人RFID电子标签提供位置信息，RFID读写器向机器人RFID电子标签和位置标记RFID电子标签发送定位命令信息，机器人RFID电子标签与最近的位置标记RFID电子标签交流信息后获取当前所处位置，RFID读写器读取机器人RFID电子标签信息和其当前位置信息。经过这种方式的多次获取当前位置后，通过中央控制器计算机器人在农田区的具体位置。根据农田区实际尺寸、位置标记RFID电子标签和每列农作物在农田区中的具体位置分布，对农田区进行农田RFID电子标签地图的建模，将农田RFID电子标签地图模型导入到机器人存储模块由中央控制器读取，实时的RFID路径识别模块和预先存储的农田RFID电子标签地图模型进行对比和修正，判断出每一列农作物的位置，准确的识别路径使机器人在农作物种植区外的空地和农田区移动，完成对农作物喷药的工作。RFID路径识别模块包括位置标记RFID电子标签、机器人RFID电子标签、RFID读写器；机器人RFID电子标签和RFID读写器安装在机器人上。

所述的太阳能跟踪模块完成对太阳能电池板进行移动跟踪太阳光能，使太阳能电池板接收最大光照，使用光电跟踪、视日运动跟踪方法跟踪太阳能的方法。太阳能跟踪模块包括：减速电机、电机驱动芯片、光照度传感器、光敏传感器、三自由度机械臂；减速电机和电机驱动芯片组成电机动力结构，完成太阳能电池板的移动；光照度传感器和光敏传感器实现对太阳能最大光照的检测和跟踪；采用三自由度的机械臂支撑太阳能电池板。

所述的太阳能发电模块实现太阳能转化为电能，采用太阳能电池板采集阳光光照对太阳能进行转化，通过DC/DC变换器转化成稳定的直流电流储存在高能效电池组中，太阳能发电模块包括：太阳能电池板、DC/DC变换器。

所述的图像处理模块完成对农作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农作物的图像，通过图像采集卡和图像处理软件处理农作物的图像，提取到农作物的重要外观特征与存储模块中的农作物图像特征信息数据库核对比较后对农作物分类并判断出农作物的种类名称。

所述的喷药模块完成机器人对农作物的喷药工作，通过2个可伸缩的机械臂、6个药物喷头同时对2列农作物的顶部、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、检测信息和报警信息，实现对机器人的远距离控制和监视。

所述的自身状态检测模块实现机器人检测障碍物和自身状态，自身状态检测模块包括陀螺仪、里程计、加速度传感器、超声波传感器，通过陀螺仪、里程计、加速度传感器、超声波传感器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农田内前进、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，电能充电控制，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、电能充电器、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农田地图模型数据、图像采集数据、检测信息、农作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。

本发明的有益效果是：本发明一种基于RFID的农田智能喷药机器人实现机器人智能识别农田区建园路径自主移动，通过图像处理识别农作物，根据不同农作物及所处的不同生长时期合理控制喷药量，同时完成对2列农作物顶部、中部和底部喷药，能够利用户外太阳能发电，智能完成对农田农作物的整个喷药过程。本农田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，环保节能，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RFID路径识别方法示意图。

图3为本发明机器人工作方法示意图。

图4为本发明上位机软件主操作界面示意图。

图5为本发明机器人外部结构示意图。

图中1、中央控制器，2、RFID路径识别模块，3、太阳能跟踪模块，4、太阳能发电模块，5、图像处理模块，6、喷药模块，7、配药模块，8、药物检测模块，9、无线通信模块，10、人机交互模块，11、自身状态检测模块，12、行驶模块，13、供电模块，14、报警模块，15、存储模块，20、农田区，21、位置标记RFID电子标签，22、机器人RFID电子标签，23、RFID读写器，24、机器人，30、农作物种植区，31、机器人工作起点和终点，33、太阳能电池板，34、三自由度机械臂，35、机器人机箱，36、无线天线，37、药物桶， 38、可伸缩机械臂，39、药物喷头，40、农用喷药压力泵电机齿轮，41、云台高清摄像头，42、履带，43、行驶电机齿轮。

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RFID的农田智能喷药机器人中央控制器1选用DSP处理器与RFID路径识别模块2、太阳能跟踪模块3、太阳能发电模块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、自身状态检测模块11、行驶模块12、供电模块13、报警模块14、存储模块15连接，所述的供电模块13分别与中央控制器1、RFID路径识别模块2、太阳能跟踪模块3、太阳能发电模块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、自身状态检测模块11、行驶模块12、报警模块14、存储模块15连接，保证农田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RFID的农田智能喷药机器人RFID路径识别方法实现如下：在农田区20上方均匀间隔固定位置架起安装位置标记RFID电子标签21，每个位置标记RFID电子标签21之间的距离是等间隔的，根据农田区20实际尺寸、位置标记RFID电子标签21和每列农作物在农田区20中的具体位置分布，对农田区20进行农田RFID电子标签地图的建模，将农田RFID电子标签地图模型导入到机器人存储模块15由中央控制器1读取，通过位置标记RFID电子标签21向机器人RFID电子标签22提供位置信息，RFID读写器23向机器人RFID电子标签22和位置标记RFID电子标签21发送定位命令信息，机器人RFID电子标签22与最近的位置标记RFID电子标签21交流信息后获取当前所处位置，RFID读写器23读取机器人RFID电子标签22信息和其当前位置信息。经过这种方式的多次获取当前位置后，通过中央控制器1计算机器人在农田区20的具体位置；实时的RFID路径识别模块2和预先存储的农田RFID电子标签地图模型进行对比和修正，判断出每一列农作物的位置，准确的识别路径使机器人在农作物种植区30外的空地和农田区20中移动。

用户使用手持移动通信设备通过无线通信模块9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、检测信息、电量信息和报警信息，实现对机器人的远距离控制和监视。

本农田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37里按比例配好药物和水，将药物桶37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37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5开始工作采集农作物种植区和周围环境图像信息，通过云台高清摄像头41拍摄农作物的图像，通过图像采集卡和图像处理软件处理农作物的图像，提取到农作物的重要外观特征与存储模块15中的农作物图像特征信息数据库信息核对比较后对农作物分类并判断出农作物的种类名称。

如图3所示，机器人定位后开始从机器人工作起点和终点31按照图示实线箭头方向移动，中央控制器1控制喷药模块6伸开机械臂，中央控制器1控制农作物种植区30一侧的药物喷头电动调节阀打开对农作物的顶部、中部和底部喷药，中央控制器1根据图像处理模块5判断的农作物的种类名称和人工设置功能参数中的农作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农作物种植区30一侧的喷药时，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农作物种植区30之间，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列农作物的顶部、中部和底部喷药，中央控制器1根据图像处理模块5判断的农作物的种类名称和人工设置功能参数中的农作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农作物的喷药工作，当机器人到达最后一列农作物种植区30时，中央控制器1仅控制农作物种植区30一侧的药物喷头电动调节阀打开对农作物的顶部、中部和底部喷药，中央控制器1根据图像处理模块5判断的农作物的种类名称和人工设置功能参数中的农作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。

当机器人完成对所有的农作物喷药工作后，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6收缩机械臂，控制机器人按照图3虚线箭头方向移动到机器人工作起点和终点31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4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行驶、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41的左右上下移动改变监控视角。

如图5所示，机器人太阳能跟踪模块通过光照度传感器和光敏传感器实现对太阳能最大光照的检测和跟踪，利用减速电机和电机驱动芯片组成电机动力结构，完成太阳能电池板的移动；采用三自由度机械臂34支撑太阳能电池板33，使用太阳能电池板33时，中央控制器1控制三自由度机械臂34将太阳能电池板33撑起，不使用太阳能电池板33时，中央控制器1控制三自由度机械臂34将太阳能电池板33落下。

机器人通过太阳能发电模块实现太阳能转化为电能，采用太阳能电池板33采集阳光光照对太阳能进行转化，通过DC/DC变换器转换成稳定的直流电流储存在高能效锂离子电池组中。

机器人通过药物检测模块8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9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。

机器人通过自身状态检测模块11中陀螺仪、里程计、加速度传感器、超声波传感器实时检测障碍物和自身状态。

机器人通过行驶模块12采用履带式移动。DSP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农田区20内前进、后退和转向。

机器人通过供电模块13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，电能充电器完成对高能效锂离子电池组充电，电量检测器检测电池组的剩余电量。

机器人通过报警模块14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7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15使用存储器，实现对农田地图模型数据、图像采集数据、检测信息、农作物图像特征信息数据库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 (1)

1.一种基于RFID的农田智能喷药机器人，其特征在于，所述农田智能喷药机器人包括：中央控制器、RFID路径识别模块、太阳能跟踪模块、太阳能发电模块、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、自身状态检测模块、行驶模块、供电模块、报警模块、存储模块；所述的中央控制器分别与RFID路径识别模块、太阳能跟踪模块、太阳能发电模块、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、自身状态检测模块、行驶模块、供电模块、报警模块、存储模块连接，所述的供电模块分别与中央控制器、RFID路径识别模块、太阳能跟踪模块、太阳能发电模块、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、自身状态检测模块、行驶模块、报警模块、存储模块连接。