CN106005080A - 一种具有跳跃避障功能的作物底层茎秆巡检球形机器人 - Google Patents

一种具有跳跃避障功能的作物底层茎秆巡检球形机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可实现跳跃避障的农作物生长状况球形探测器，半球壳Ⅰ(16A)、半球壳Ⅱ(16B)通过空心球缺Ⅰ(1A)、空心球缺Ⅱ(1B)固定，微型舵机Ⅰ(2A)输出轴通过定位螺栓(17)与空心球缺Ⅰ(1A)固连，微型舵机Ⅰ(2A)嵌入纵向框架(3)顶部凹槽内，纵向框架(3)与横向框架(5)通过十字型连接板(4)固连，硬件电路、减速直流电机(13)、配重块(9)固定在横向框架(5)上，云台摄像机(11)通过微型法兰连体轴承(12)安装在纵向框架(3)上，弹跳装置通过螺栓固连在纵向框架(3)底部。该设备适用于个体农户，可以实现农作物生长环境参数的显示以及判断植株是否感染缺素症和病虫害，可帮助使用者制定合理的栽培措施，有利于农作物产品质量与产量的提高。

Description

一种具有跳跃避障功能的作物底层茎秆巡检球形机器人
技术领域
本发明属于农业工程技术领域，涉及一种球形探测机器人，具体涉及一种具有跳跃避障功能的作物底层茎秆巡检球形机器人。
背景技术
精准农业是当今世界农业发展的新趋势，它要求农户能够及时获取与农作物生长相关的各种信息，从而制定科学合理的种植策略。
目前国内外开发出的农作物自动化监测设备大多针对农场大区域种植，传感器固定在特定位置，系统成本昂贵且安装复杂。可移动式监测机器人主要有两种运动方式，一种靠轮子或履带驱动，另一种采用仿生的爬行或步行运动方式，轮子或履带驱动的机器人由于其重心较高，容易翻倒，会对农作物造成损伤；步行或爬行机器人承载能力差，且自由度较多，控制复杂，运动缓慢。
考虑到以上两点原因，目前个体农户基本还是靠经验对农作物的生长状况进行判断，无法精准地获取与农作物生长相关的各种信息，制约着农作物产量与质量的提高。
发明内容
为解决传统农作物生长状况监测设备成本昂贵且安装复杂、轮式或履带式监测器在农田或大棚中行动不便等问题，本发明在于提供一种可实现跳跃避障的农作物生长状况球形探测器。
为了达到上述目的，本发明所采取的技术方案是：
球形移动巡视设备包括半球壳Ⅰ(16A)、半球壳Ⅱ(16B)，二者通过空心球缺Ⅰ(1A)、空心球缺Ⅱ(1B)固定，空心球缺Ⅰ(1A)外表面与半球壳Ⅰ(16A)、半球壳Ⅱ(16B)内表面紧密贴合，并用螺栓旋紧；空心球缺Ⅰ(1A)底面有五个螺孔，分布在长为30mm、宽为15mm矩形的四个顶点与中心，螺钉穿过位于矩形中心 的螺孔将微型舵机Ⅰ(2A)的输出端与空心球缺Ⅰ(1A)进行轴向固定，安装在矩形四个顶点的定位螺栓(17)限制微型舵机Ⅰ(2A)相对于空心球缺Ⅰ(1A)的径向转动，微型舵机Ⅰ(2A)嵌入纵向框架(3)顶部凹槽内，并且保证微型舵机Ⅰ(2A)输出轴的中心线与纵向框架(3)的中心线重合，空心球缺Ⅱ(1B)的安装方式与空心球缺Ⅰ(1A)相同；横向框架(5)两侧的中间位置留有矩形凹槽，纵向框架(3)嵌入凹槽中，二者外表面相平，并通过十字型连接板(4)连接；横向框架(5)上固定有减速直流电机(13)、硬件电路及供电设备(25)，配重块(9)通过刚性联轴器(10)与减速直流电机(13)相连，其有益效果是实现了探测器的零角度转弯和全方位行走。
纵向框架(3)两侧的中间位置开有圆孔，圆孔与微型法兰连体轴承(12)中空轴过盈配合，云台摄像机(11)通过螺栓与微型法兰连体轴承(12)的法兰盘固定，云台摄像机(11)底部加装配重铁，其有益效果是保证云台摄像机(11)相对于地面做直线运动，而不是随着球壳做轮旋线运动，保证了视频信息的可读性。
在纵向框架(3)底部距其中心线左右各50mm处安装有弹跳装置，包括底板(27)、电解电容(8)、发射线圈(28)、发射导管(7)、顶升机构(6)，其中漆包线紧密缠绕在线箍上，二者组成发射线圈(28)，发射导管(7)嵌入线箍中间的空腔内，二者过盈配合，顶升机构(6)由金属材料制成，套入发射导管(7)内，发射线圈(28)、电解电容(8)焊接在底板(27)上，底板(27)通过螺栓固连在纵向框架(3)上，其有益效果是在滚动的基础上引入弹跳运动，提高了避障能力。
远程客户端软件指基于MATLAB GUI的上位机软件，可以实现对探测器运动状态的控制、农作物生长环境参数的显示、以及判断植株是否感染缺素症和病虫害。
本发明整体的有益效果是：
本发明以球形机构为载体，集成了多种环境监测传感器(光传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、二氧化碳传感器)以及云台摄像机，能够实时监测农作物生长环境参数和植株的形态特征，并及时对农作物的生长状况作出判断，方便农户制定科学合理的种植策略。
球形探测器与轮式或履带式探测器相比，不存在翻倒问题；与步行或爬行机器人相比，具有运动速度快、承载能力强的特点，而且驱动少、控制简单也是该机构的一大优势；此外，本发明在实现滚动的基础上引入弹跳运动，提高了避障能力，进而扩大了活动范围。除了良好的动，静态平衡性，本发明还具有体积小、密封性良好的优点，非常适合在在环境条件较为复杂的农田或大棚中进行工作。
附图说明：
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步的详细描述，其中：
图1为本发明整体结构三维示意图。
图2为本发明整体结构平面示意图。
图3为本发明全向滚动时左视图。
图4为本发明进行弹跳避障时前视图。
图5为本发明硬件电路结构示意图。
图6为本发明控制系统示意图。
图中标号为：1A.空心球缺Ⅰ，1B.空心球缺Ⅱ，2A.微型舵机Ⅰ，2B.微型舵机Ⅱ，3.纵向框架，4.十字型连接板，5.横向框架，6.顶升机构，7.发射导管，8.电解电容，9.配重块，10.刚性联轴器，11.云台摄像机，12.微型法兰连体轴承，13.减速直流电机，14.透气孔，15.无纺布，16A.半球壳Ⅰ，16B.半球壳Ⅱ，17. 定位螺栓，18.弹跳控制模块，19.主控制模块，20.无线图传模块，21.数据采集模块，22.电机控制模块，23.固定架，24.ZigBee无线透传模块，25.供电设备，26.缓冲装置，27.底板，28.发射线圈。
具体实施方式：
下面结合实例和附图对本发明创造作进一步详细的描述。
实施例一：
球形移动巡视设备包括半球壳Ⅰ(16A)、半球壳Ⅱ(16B)，二者通过空心球缺Ⅰ(1A)、空心球缺Ⅱ(1B)固定，空心球缺Ⅰ(1A)外表面与半球壳Ⅰ(16A)、半球壳Ⅱ(16B)内表面紧密贴合，并用螺栓旋紧；空心球缺Ⅰ(1A)底面有五个螺孔，分布在长为30mm、宽为15mm矩形的四个顶点与中心，螺钉穿过位于矩形中心的螺孔将微型舵机Ⅰ(2A)的输出端与空心球缺Ⅰ(1A)进行轴向固定，安装在矩形四个顶点的定位螺栓(17)限制微型舵机Ⅰ(2A)相对于空心球缺Ⅰ(1A)的径向转动，微型舵机Ⅰ(2A)嵌入纵向框架(3)顶部凹槽内，并且保证微型舵机Ⅰ(2A)输出轴的中心线与纵向框架(3)的中心线重合，空心球缺Ⅱ(1B)的安装方式与空心球缺Ⅰ(1A)相同；横向框架(5)两侧的中间位置留有矩形凹槽，纵向框架(3)嵌入凹槽中，二者外表面相平，并通过十字型连接板(4)连接；横向框架(5)上固定有减速直流电机(13)、硬件电路及供电设备(25)，配重块(9)通过刚性联轴器(10)与减速直流电机(13)相连；纵向框架(3)两侧的中间位置开有圆孔，圆孔与微型法兰连体轴承(12)中空轴过盈配合，云台摄像机(11)通过螺栓与微型法兰连体轴承(12)的法兰盘固定，云台摄像机(11)底部加装配重铁；在纵向框架(3)底部距其中心线左右各50mm处安装有弹跳装置，包括底板(27)、电解电容(8)、发射线圈(28)、发射导管(7)、顶升机构(6)，其中漆包线紧密缠绕在线箍上，二者组成发射线圈(28)，发射导管(7)嵌入线箍中间的空腔内，二者过盈配合，顶升机构(6)由金属 材料制成，套入发射导管(7)内，发射线圈(28)、电解电容(8)焊接在底板(27)上，底板(27)通过螺栓固连在纵向框架(3)上。
使用时，农户利用远程客户端软件给球形探测器发出工作指令，球形探测器上电，减速直流电机(13)输出轴通过刚性联轴器(10)带动配重块(9)与竖直方向偏离一定角度，配重块(9)的重力与地面对球壳(16)的支持力构成一对重力矩，驱动探测器向前滚动；Zigbee无线透传模块(24)将数据采集模块(21)将采集到的农作物生长环境参数传输至上位机，远程客户端软件将其解码后对数据进行实时更新；无线图传模块(20)将云台摄像机(11)拍摄到的视频流实时传输至上位机，远程客户端软件通过分析处理，提取出农作物植株的形态特征参数，以此为依据判断农作物是否感染缺素症和病虫害，若云台摄像机(11)视角不足以拍摄到植株全貌，云台可在竖直平面内转动，调整拍摄视角；当远程客户端软件通过分析视频流判断出球形探测器已经走完一行苗垄，向主控制模块(19)发送转向命令，主控制模块(19)通过电机控制模块(22)驱动上下两个微型舵机(2)同时工作，带动纵向框架(3)、横向框架(5)及其上固定的硬件电路、配重块(9)相对于球壳Ⅰ(16A)、球壳Ⅱ(16B)、空心球缺Ⅰ(2A)、空心球缺Ⅱ(2B)旋转一定角度，从而实现球形探测器的零转弯半径转向。
实施例二：
在行进途中，当超声波距离传感器监测到前方有较大的障碍物时，给主控制模块(19)一个反馈信号，减速直流电机(13)紧急制动，球体停止滚动后，微型舵机Ⅰ(2A)、微型舵机Ⅱ(2B)旋转90度，将云台摄像机(11)的视角调整为前进方向，无线图传模块(20)将云台摄像机(11)拍摄到的视频流传输至上位机，远程客户端软件提取障碍物特征并将特征信息与超声波距离传感器采集的数据进行综合分析，得到障碍物尺寸，将控制命令通过ZigBee无线透传模块(24)传递给主 控制模块(19)，主控制模块(19)控制弹跳控制模块(18)输出直流脉冲，对电解电容器(8)进行充电，当电解电容器(8)电压达到阈值时，发射导管(7)通过发射线圈(28)内部电磁场产生的洛伦兹力对金属制成的顶升机构(6)进行加速，顶升机构(6)撞击横向框架(5)上的缓冲装置(26)，带动整个球形探测器进行跳跃避障。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种具有跳跃避障功能的作物底层茎秆巡检球形机器人，其特征在于：由球形移动巡视设备和远程客户端软件两部分组成；
球形移动巡视设备包括半球壳Ⅰ(16A)、半球壳Ⅱ(16B)，二者通过空心球缺Ⅰ(1A)、空心球缺Ⅱ(1B)固定，空心球缺Ⅰ(1A)外表面与半球壳Ⅰ(16A)、半球壳Ⅱ(16B)内表面紧密贴合，并用螺栓旋紧；空心球缺Ⅰ(1A)底面有五个螺孔，分布在长为30mm、宽为15mm矩形的四个顶点与中心，螺钉穿过位于矩形中心的螺孔将微型舵机Ⅰ(2A)的输出端与空心球缺Ⅰ(1A)进行轴向固定，安装在矩形四个顶点的定位螺栓(17)限制微型舵机Ⅰ(2A)相对于空心球缺Ⅰ(1A)的径向转动，微型舵机Ⅰ(2A)嵌入纵向框架(3)顶部凹槽内，并且保证微型舵机Ⅰ(2A)输出轴的中心线与纵向框架(3)的中心线重合，空心球缺Ⅱ(1B)的安装方式与空心球缺Ⅰ(1A)相同；横向框架(5)两侧的中间位置留有矩形凹槽，纵向框架(3)嵌入凹槽中，二者外表面相平，并通过十字型连接板(4)连接；横向框架(5)上固定有减速直流电机(13)、硬件电路及供电设备(25)，配重块(9)通过刚性联轴器(10)与减速直流电机(13)相连；纵向框架(3)两侧的中间位置开有圆孔，圆孔与微型法兰连体轴承(12)中空轴过盈配合，云台摄像机(11)通过螺栓与微型法兰连体轴承(12)的法兰盘固定，云台摄像机(11)底部加装配重铁；在纵向框架(3)底部距其中心线左右各50mm处安装有弹跳装置，包括底板(27)、电解电容(8)、发射线圈(28)、发射导管(7)、顶升机构(6)。
远程客户端软件指基于MATLAB GUI的上位机软件，可以实现对探测器运动状态的控制、农作物生长环境参数的显示以及判断植株是否感染缺素症和病虫害。
2.根据权利要求1所述的一种具有跳跃避障功能的作物底层茎秆巡检球形机器人，其特征是：硬件电路包括主控制模块(19)及其外围控制模块，其中电机控制模块(22)包括减速直流电机控制电路、微型舵机控制电路；弹跳控制模块(18)包括逆变电路、升压整流电路；数据采集模块(21)包括超声波距离传感器、光传感器、温度传感器、湿度传感器、气压传感器、二氧化碳传感器；数据传输模块包括ZigBee无线透传模块(24)、无线图传模块(20)，上述所有硬件电路均安装于球形探测器横向框架(5)上。
3.根据权利要求1所述的一种具有跳跃避障功能的作物底层茎秆巡检球形机器人，其特征是：微型法兰连体轴承(12)中空轴超出法兰盘外壳10mm，超出部分与纵向框架(3)中间位置的圆孔过盈配合，云台摄像机(11)通过螺栓与微型法兰连体轴承(12)的法兰盘固定，云台摄像机(11)底部加装配重铁，云台摄像机(11)可在竖直平面内转动，其视线与水平线夹角的范围为-90°～90°。
4.根据权利要求1所述的一种具有跳跃避障功能的作物底层茎秆巡检球形机器人，其特征是：半球壳Ⅰ(16A)在竖直方向上分布着三列直径为3mm的圆形透气孔(14)，透气孔圆心所在球面小圆与球面大圆在水平方向分别相距94mm、100mm、106mm，每列相邻的两个透气孔圆心相距6mm，半球壳Ⅱ(16B)上透气孔(14)与半球壳Ⅰ(16A)上透气孔(14)关于球面大圆所在平面呈对称分布，此外，球壳内部贴有无纺布(15)，覆盖了透气孔(14)的分布范围。
5.根据权利要求1所述的一种具有跳跃避障功能的作物底层茎秆巡检球形机器人，其特征是：在纵向框架(3)底部距其中心线左右各50mm处安装有弹跳装置，包括底板(27)、电解电容(8)、发射线圈(28)、发射导管(7)、顶升机构(6)，其中漆包线紧密缠绕在线箍上，二者组成发射线圈(28)；发射导管(7)嵌入线箍中间的空腔内，二者过盈配合；顶升机构(6)由金属材料制成，套入发射导管(7)内；发射线圈(28)、电解电容(8)焊接在底板(27)上，底板(27)通过螺栓固连在纵向框架(3)上。
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