CN106950965A - 一种大田作物信息采集机器人 - Google Patents
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Abstract
一种大田作物信息采集机器人，包括宽度可调节移动平台，在可调节移动平台上设有动力系统、半自动GPS导航系统、信息采集系统、电路控制系统、机器人运行管理系统、施药补水系统及遮光与自补光系统；所述宽度可调节移动平台包含宽度可调节车体结构、水陆两栖车轮机构及动力系统，动力系统带动两栖车轮机构转动；本发明提供一种跨垄型大田作物表型信息采集机器人，该机器人结构紧凑、操作简单、功能丰富、多类型田地适用性好、田间行走平稳性高、负载能力强、可实现单株作物精确表型信息采集功能。为后续开展土壤信息与株苗性状的监测与分析、植株计算机视觉分析、车体自身卫星与惯性导航与播种施肥补水施药关键部件试验提供了实验平台与数据载体。
Description
技术领域
本发明涉及一种大田作物信息采集机器人，特别是关于一种智能化大田高清作物表型信息与土壤信息采集机器人。
背景技术
“精确农业”是21世纪农业的新模式，是数字农业的核心和农业发展的必然趋势。“精确农业”技术的起点是农田基础信息的获取和处理，故智能化、高效化、精准化的农业信息采集机器人是精确农业装备体系中的重中之重。同时高智能的农业机器人逐渐开始取代传统农业劳作方式，促进农业现代化的进程。
目前国内外许多国家都在开展农业基础信息采集技术的研究与开发，其中主要研究方向有：卫星遥感采集技术、无人机遥感采集技术、农业机器人采集技术。前两者拥有作业面积广，采集效率高等特点，同时也具有采集精度低，作业时间有限，受环境影响大，功能单一等缺点，加上操作不方便，通过性不高，无法满足各类田间试验的要求。
针对以上问题，本发明公开了一种智能化的大田作物表型信息与土壤信息采集机器人。针对所述机器人的可伸缩车体系统、信息采集与控制系统、传动系统进行构建与优化。研制出一种结构紧凑、操作简单、功能丰富、多类型田地适用性好、田间行走平稳性高、负载能力强、可实现单株作物精确表型信息采集与土壤欣喜采集的机器人。该发明为后续开展土壤与株苗性状的监测与分析、植株计算机视觉分析、车体自身卫星与惯性导航与播种施肥补水施药关键部件试验提供了实验平台与数据载体。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种跨垄型大田作物表型信息采集机器人，该机器人结构紧凑、操作简单、功能丰富、多类型田地适用性好、田间行走平稳性高、负载能力强、可实现单株作物精确表型信息采集功能。为后续开展土壤信息与株苗性状的监测与分析、植株计算机视觉分析、车体自身卫星与惯性导航与播种施肥补水施药关键部件试验提供了实验平台与数据载体。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大田作物信息采集机器人，包括宽度可调节移动平台，在可调节移动平台上设有动力系统、半自动GPS导航系统、信息采集系统、电路控制系统、机器人运行管理系统、施药补水系统及遮光与自补光系统；所述宽度可调节移动平台包含宽度可调节车体结构、水陆两栖车轮机构及动力系统，动力系统带动两栖车轮机构转动；
所述宽度可调节车体结构包括车架、嵌套型宽度调节机构、大螺母、步进电机、第一链条及第一链轮；所述嵌套型宽度调节机构包括固定轴承、嵌套式镀锌管结构及传动丝杆；整体车架由方钢焊接而成，所述宽度调节机构焊接在车架前后两端，所述传动丝杆一端与所述轴承和第一链轮连接，另一端与焊接在车架上的大螺母连接，其中一个传动丝杆与步进电机相连，两传动丝杆通过第一链条连接。
优选的，所述水陆两栖车轮机构包括车轮安装架、内六角轴承、六角钢轴、水陆两栖车轮、第二链轮及第二链条，所述车轮安装架焊接在车架下方，所述六角轴承安装在车轮安装架上，所述第二链轮及车轮依次安装在六角钢轴上，通过紧定螺丝限位，并与所述六角轴承相配合，所述第二链轮通过第二链条与所述动力系统连接。
优选的，所述动力系统包括电机、离合装置及传动装置，所述电机由电机架与所述离合装置通过螺栓固定在电机底板上，电机底板通过螺栓固定在车架载物平台上；第一齿轮固定在电机轴上，第一齿轮与所述离合装置中的第二齿轮相啮合；所述离合装置由花键轴、第二齿轮、拉环及弹簧组成，其中花键套通过键连接第二齿轮，弹簧及第三链轮套设在花键轴上，弹簧还与轴承连接，所述花键、第三链轮及第二链条（21）组成动装置。
优选的，所述半自动GPS导航系统包括无线遥控系统、惯性导航系统及GPS定位导航系统；
所述无线遥控系统包含无线遥控器、机器人信号收发装置，无线遥控器通过机器人信号收发装置与控制终端连接；所述无线遥控器包括电台信号收发器、遥控手柄、信号处理芯片，遥控手柄与信号处理芯片连接，信号处理芯片与电台信号收发器连接，所述机器人信号收发装置通过PPM通信协议与无线遥控器进行通信，搭载在车架上；
所述惯性导航系统包含惯性导航传感器，惯性导航传感器与数据处理装置连接；所述GPS导航系统包含GPS定位传感器，GPS定位传感器与数据处理装置连接；数据处理装置与控制终端及机器人信号收发装置连接，数据处理装置还与导航控制系统连接。
优选的，所述信息采集系统包含土壤信息采集系统与作物表型信息采集系统，
所述土壤信息采集系统包含土壤信息采集传感器、传感器破土装置，所述传感器破土装置搭载在车架上，利用紧固螺栓连接，所述传感器破土装置包括第一步进电机和丝杆，传感器破土装置的下端设有土壤信息采集传感器，所述第一步进电机和所述丝杆及滑块构成移动装置，所述传感器破土装置搭载在滑块上，所述土壤信息采集传感器与信息采集控制系统相连；
所述表型信息采集系统包括工业相机、第二步进电机、中央丝杆、移动丝杆、滑轨、自稳云台、信息采集控制系统，所述中央丝杆搭载在平台中央，与平台两侧的移动丝杆和滑轨相连，两侧的移动丝杆和滑轨连接在车架下方；所述自稳云台搭载在中央丝杆上；工业相机搭载在自稳云台上，所述中央丝杆、第二步进电机、自稳云台及云台旋转装置通过电路与信息采集控制系统相连。
优选的，所述电路控制系统包括24V供电系统与控制系统；
所述供电系统包括电池组、降压稳压装置、电量显示装置及低电压保护装置；电池组与低电压保护装置连接，低电压保护装置与降压稳压装置连接，电池组还与电量显示装置连接；
所述控制系统包括平台控制系统、信息采集控制系统、导航控制系统、互联网通讯系统，所述平台控制系统接受所述导航控制系统与互联网通讯系统，所述平台控制系统向信息采集控制系统发出命令。
优选的，所述机器人运行管理系统包括云端服务器、PC端与机器人终端，机器人终端通过云端服务器与PC端连接；
所述云端服务器包括协议通讯系统、数据库系统、即时信息处理与反馈系统，议通讯系统与即时信息处理与反馈系统连接，即时信息处理与反馈系统与数据库系统连接，所述数据库系统存储各终端反馈的信息，即时信息处理与反馈系统对数据进行有效处理；
所述PC端包含监控平台及信息交互系统；所述监控平台通过信息交互系统连接云端服务器显示机器人工作状态，所述信息交互系统通过所述通讯协议与云端服务器交换数据；
所述机器人终端包含信号收发装置及信号处理装置，所述信号收发装置接收云端服务器发送信息并做出反馈，信号收发装置与信号处理装置连接。所述信号处理装置对信号进行处理并与所述信息采集系统、电路控制系统、可伸缩光学图像采集平台、半自动导航系统通过串口交互信息。
优选的，所述施药补水系统包括自动施药补水装置与控制装置，自动施药补水装置包括固定在车架上的液体箱及喷洒装置；控制装置包括与电路控制系统连接的继电器，继电器设于喷洒装置上。
优选的，所述遮光与自补光系统包括光源、遮光架、遮光板，所述遮光架为方钢焊接成框通过螺栓固定在车架上方，遮光架之间通过合页连接；所述遮光板覆盖在遮光架外部；所述光源连接在车架下部，与控制系统相连；所述控制系统搭载在车架上。
本发明型具体优点如下：
其一，本发明可伸缩式宽度可调节跨垄型大田作物表型信息采集机器人，采用可伸缩机构，前轮驱动，后轮可更换，适应于多种田垄环境，可以实现水田、旱地两用；
其二，本发明采用双电机结构，使用差速法进行转向，实现在田垄作业中自由运动；
其三，本发明内设有补光系统与自稳系统，保证在多种光学条件下采集高清表型信息；
其四，本发明采用多种导航方式相互辅助，云端服务器监控的方式，保证机器人作业安全；
其五，本发明采用“互联网+”管理模式，使机器人作业类型、作业范围更加广泛；
其六，本发明载重量高，可为后期搭载多种数据采集传感器，为后续开展土壤信息与株苗性状的监测与分析、植株计算机视觉分析、车体自身卫星与惯性导航与播种施肥关键部件试验提供了实验平台与数据载体。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明宽度可调节移动平台的结构示意图；
图3为本发明传动丝杆的结构示意图；
图4为本发明车轮部分的传动结构示意图；
图5为本发明动力系统的结构示意图；
图6为本发明半自动导航系统示意图；
图7为本发明土壤信息采集系统结构示意图；
图8为本发明表型信息采集系统结构示意图；
图9为本发明电路控制系统示意图；
图10为本发明机器人运行管理系统示意图；
图11为本发明遮光与自补光系统示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种大田作物信息采集机器人，包括宽度可调节移动平台10，在可调节移动平台10上设有动力系统13、半自动GPS导航系统1、信息采集系统8、电路控制系统4、机器人运行管理系统11、施药补水系统3及遮光与自补光系统2；所述宽度可调节移动平台10包含宽度可调节车体结构27、水陆两栖车轮机构15及动力系统13，动力系统13带动两栖车轮机构15转动；
如图2-4所示，所述宽度可调节车体结构27包括车架24、嵌套型宽度调节机构、大螺母19、步进电机26、第一链条25及第一链轮23；所述嵌套型宽度调节机构包括固定轴承22、嵌套式镀锌管结构及丝杆12；整体车架由方钢焊接而成，所述宽度调节机构焊接在车架24前后两端，所述传动丝杆12一端与所述轴承22和第一链轮23连接，另一端与焊接在车架24上的大螺母19连接，其中一个传动丝杆12与步进电机26相连，两传动丝杆12通过第一链条25连接。
优选的，所述水陆两栖车轮机构15包括车轮安装架16、内六角轴承20、六角钢轴、水陆两栖车轮41、第二链轮17及第二链条21，所述车轮安装架16焊接在车架24下方，所述六角轴承安装在车轮安装架16上，所述第二链轮17及车轮41依次安装在六角钢轴上，通过紧定螺丝限位，并与所述六角轴承相配合，所述第二链轮17通过第二链条21与所述动力系统13连接。
优选的，如图5所示，所述动力系统13包括电机28、离合装置33及传动装置9，所述电机28由电机架5与所述离合装置33通过螺栓固定在电机底板7上，电机底板7通过螺栓固定在车架24载物平台上；第一齿轮29固定在电机轴上，第一齿轮29与所述离合装置33中的第二齿轮31相啮合；所述离合装置33由花键轴30、第二齿轮31、拉环32及弹簧34组成，其中花键套通过键连接第二齿轮31，弹簧34及第三链轮18套设在花键轴30上，弹簧34还与轴承35连接，所述花键30、第三链轮18及第二链条21组成动装置9。
优选的，如图6所示，所述半自动GPS导航系统1包括无线遥控系统、惯性导航系统及GPS定位导航系统；
所述无线遥控系统包含无线遥控器0100、机器人信号收发装置0200，无线遥控器0100通过机器人信号收发装置0200与控制终端连接；所述无线遥控器0100包括电台信号收发器0111、遥控手柄0113、信号处理芯片0112，遥控手柄0113与信号处理芯片0112连接，信号处理芯片0112与电台信号收发器0111连接，所述机器人信号收发装置0200通过PPM通信协议与无线遥控器0100进行通信，搭载在车架24上；
所述惯性导航系统包含惯性导航传感器0600，惯性导航传感器0600与数据处理装置0400连接；所述GPS导航系统包含GPS定位传感器0500，GPS定位传感器0500与数据处理装置0400连接；数据处理装置0400与控制终端及机器人信号收发装置0200连接，数据处理装置0400还与导航控制系统0802连接。
优选的，所述信息采集系统8包含土壤信息采集系统与作物表型信息采集系统，
如图7所示，所述土壤信息采集系统包含土壤信息采集传感器39、传感器破土装置38，所述传感器破土装置38搭载在车架上，利用紧固螺栓连接，所述传感器破土装置38包括第一步进电机37和丝杆36，传感器破土装置38的下端设有土壤信息采集传感器39，所述第一步进电机37和所述丝杆36及滑块构成移动装置，所述传感器破土装置38搭载在滑块上，所述土壤信息采集传感器39与信息采集控制系统相连；所述土壤信息采集传感器39采用ms-10土壤水分传感器。
如图8所示，所述表型信息采集系统包括工业相机43、第二步进电机45、中央丝杆42、移动丝杆40、滑轨41、自稳云台44、信息采集控制系统0803，所述中央丝杆42搭载在平台中央，与平台两侧的移动丝杆40和滑轨41相连，两侧的移动丝杆40和滑轨41连接在车架24下方；所述自稳云台44搭载在中央丝杆42上；工业相机43搭载在自稳云台44上，所述中央丝杆42、第二步进电机45、自稳云台44及云台旋转装置通过电路与信息采集控制系统0803相连。
优选的，如图9所示，所述电路控制系统4包括24V供电系统0700与控制系统0800；
所述供电系统包括电池组0701、降压稳压装置0703、电量显示装置0704及低电压保护装置0702；电池组0701与低电压保护装置0702连接，低电压保护装置0702与降压稳压装置0703连接，电池组0701还与电量显示装置0704连接；
所述控制系统0800包括平台控制系统0801、信息采集控制系统0803、导航控制系统0802、互联网通讯系统0900，所述平台控制系统0801接受所述导航控制系统0802与互联网通讯系统0900，所述平台控制系统0801向信息采集控制系统0803发出命令。
优选的，如图10所示，所述机器人运行管理系统11包括云端服务器、PC端1500与机器人终端1000，机器人终端1000通过云端服务器与PC端1500连接；
所述云端服务器包括协议通讯系统1100、数据库系统1400、即时信息处理与反馈系统1200，议通讯系统1100与即时信息处理与反馈系统1200连接，即时信息处理与反馈系统1200与数据库系统1400连接，所述数据库系统存储各终端反馈的信息，即时信息处理与反馈系统对数据进行有效处理；
所述PC端1500包含监控平台1501及信息交互系统1502；所述监控平台1501通过信息交互系统1502连接云端服务器显示机器人工作状态，所述信息交互系统1502通过所述通讯协议与云端服务器交换数据；
所述机器人终端包含信号收发装置1001及信号处理装置1002，所述信号收发装置1001接收云端服务器发送信息并做出反馈，信号收发装置1001与信号处理装置1002连接。所述信号处理装置1002对信号进行处理并与所述信息采集系统8、电路控制系统4、可伸缩光学图像采集平台、半自动导航系统通过串口交互信息。
优选的，所述施药补水系统3包括自动施药补水装置与控制装置，自动施药补水装置包括固定在车架24上的液体箱及喷洒装置；控制装置包括与电路控制系统4连接的继电器，继电器设于喷洒装置上。
优选的，如图11所示，所述遮光与自补光系统2包括光源47、遮光架、遮光板46，所述遮光架为方钢焊接成框通过螺栓固定在车架24上方，遮光架之间通过合页连接；所述遮光板46覆盖在遮光架外部；所述光源47连接在车架24下部，与控制系统相连；所述控制系统搭载在车架24上。
本装置利用其可伸缩的车体结构，能够横跨田垄作业，利用上面自己提供的暗室，隔绝自然光源并且可以自行补光，车体内部有可移动自稳云台，可在田垄间，对单株作物进行精确作物表型信息采集。同时利用土壤信息采集系统可以采集大田土壤信息。同时对于采集到数据通过互联网实时传输回服务器共享到pc端。同时该装置有自动导航系统。可安装pc端人员的路径规划自动行驶。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种大田作物信息采集机器人，其特征在于：包括宽度可调节移动平台（10），在可调节移动平台（10）上设有动力系统（13）、半自动GPS导航系统（1）、信息采集系统（8）、电路控制系统（4）、机器人运行管理系统（11）、施药补水系统（3）及遮光与自补光系统（2）；所述宽度可调节移动平台（10）包含宽度可调节车体结构（27）、水陆两栖车轮机构（15）及动力系统（13），动力系统（13）带动两栖车轮机构（15）转动；
所述宽度可调节车体结构（27）包括车架（24）、嵌套型宽度调节机构、大螺母（19）、步进电机（26）、第一链条（25）及第一链轮（23）；所述嵌套型宽度调节机构包括固定轴承（22）、嵌套式镀锌管结构及传动丝杆（12）；整体车架由方钢焊接而成，所述宽度调节机构焊接在车架（24）前后两端，所述传动丝杆（12）一端与所述轴承（22）和第一链轮（23）连接，另一端与焊接在车架（24）上的大螺母（19）连接，其中一个传动丝杆（12）与步进电机（26）相连，两传动丝杆（12）通过第一链条（25）连接。
2.根据权利要求1所述一种大田作物信息采集机器人，其特征在于：所述水陆两栖车轮机构（15）包括车轮安装架（16）、内六角轴承（20）、六角钢轴、水陆两栖车轮（41）、第二链轮（17）及第二链条（21），所述车轮安装架（16）焊接在车架（24）下方，所述六角轴承安装在车轮安装架（16）上，所述第二链轮（17）及车轮（41）依次安装在六角钢轴上，通过紧定螺丝限位，并与所述六角轴承相配合，所述第二链轮（17）通过第二链条（21）与所述动力系统（13）连接。
3.根据权利要求2所述一种大田作物信息采集机器人，其特征在于：所述动力系统（13）包括电机（28）、离合装置（33）及传动装置（9），所述电机（28）由电机架（5）与所述离合装置（33）通过螺栓固定在电机底板（7）上，电机底板（7）通过螺栓固定在车架（24）载物平台上；第一齿轮（29）固定在电机轴上，第一齿轮（29）与所述离合装置（33）中的第二齿轮（31）相啮合；所述离合装置（33）由花键轴（30）、第二齿轮（31）、拉环（32）及弹簧（34）组成，其中花键套通过键连接第二齿轮（31），弹簧（34）及第三链轮（18）套设在花键轴（30）上，弹簧（34）还与轴承（35）连接，所述花键（30）、第三链轮（18）及第二链条（21）组成动装置（9）。
4.根据权利要求1所述一种大田作物信息采集机器人，其特征在于：所述半自动GPS导航系统（1）包括无线遥控系统、惯性导航系统及GPS定位导航系统；
所述无线遥控系统包含无线遥控器（0100）、机器人信号收发装置（0200），无线遥控器（0100）通过机器人信号收发装置（0200）与控制终端连接；所述无线遥控器（0100）包括电台信号收发器（0111）、遥控手柄（0113）、信号处理芯片（0112），遥控手柄（0113）与信号处理芯片（0112）连接，信号处理芯片（0112）与电台信号收发器（0111）连接，所述机器人信号收发装置（0200）通过PPM通信协议与无线遥控器（0100）进行通信，搭载在车架（24）上；
所述惯性导航系统包含惯性导航传感器（0600），惯性导航传感器（0600）与数据处理装置（0400）连接；所述GPS导航系统包含GPS定位传感器（0500），GPS定位传感器（0500）与数据处理装置（0400）连接；数据处理装置（0400）与控制终端及机器人信号收发装置（0200）连接，数据处理装置（0400）还与导航控制系统（0802）连接。
5.根据权利要求1所述一种大田作物信息采集机器人，其特征在于：所述信息采集系统（8）包含土壤信息采集系统与作物表型信息采集系统，
所述土壤信息采集系统包含土壤信息采集传感器（39）、传感器破土装置（38），所述传感器破土装置（38）搭载在车架上，利用紧固螺栓连接，所述传感器破土装置（38）包括第一步进电机（37）和丝杆（36），传感器破土装置（38）的下端设有土壤信息采集传感器（39），所述第一步进电机（37）和所述丝杆（36）及滑块构成移动装置，所述传感器破土装置（38）搭载在滑块上，所述土壤信息采集传感器（39）与信息采集控制系统相连；
所述表型信息采集系统包括工业相机（43）、第二步进电机（45）、中央丝杆（42）、移动丝杆（40）、滑轨（41）、自稳云台（44）、信息采集控制系统（0803），所述中央丝杆（42）搭载在平台中央，与平台两侧的移动丝杆（40）和滑轨（41）相连，两侧的移动丝杆（40）和滑轨（41）连接在车架（24）下方；所述自稳云台（44）搭载在中央丝杆（42）上；工业相机（43）搭载在自稳云台（44）上，所述中央丝杆（42）、第二步进电机（45）、自稳云台（44）及云台旋转装置通过电路与信息采集控制系统（0803）相连。
6.根据权利要求1所述一种大田作物信息采集机器人，其特征在于：所述电路控制系统（4）包括24V供电系统（0700）与控制系统（0800）；
所述供电系统包括电池组（0701）、降压稳压装置（0703）、电量显示装置（0704）及低电压保护装置（0702）；电池组（0701）与低电压保护装置（0702）连接，低电压保护装置（0702）与降压稳压装置（0703）连接，电池组（0701）还与电量显示装置（0704）连接；
所述控制系统（0800）包括平台控制系统（0801）、信息采集控制系统（0803）、导航控制系统（0802）、互联网通讯系统（0900），所述平台控制系统（0801）接受所述导航控制系统（0802）与互联网通讯系统（0900），所述平台控制系统（0801）向信息采集控制系统（0803）发出命令。
7.根据权利要求1所述一种大田作物信息采集机器人，其特征在于：所述机器人运行管理系统（11）包括云端服务器、PC端（1500）与机器人终端（1000），机器人终端（1000）通过云端服务器与PC端（1500）连接；
所述云端服务器包括协议通讯系统（1100）、数据库系统（1400）、即时信息处理与反馈系统（1200），议通讯系统（1100）与即时信息处理与反馈系统（1200）连接，即时信息处理与反馈系统（1200）与数据库系统（1400）连接，所述数据库系统存储各终端反馈的信息，即时信息处理与反馈系统对数据进行有效处理；
所述PC端（1500）包含监控平台（1501）及信息交互系统（1502）；所述监控平台（1501）通过信息交互系统（1502）连接云端服务器显示机器人工作状态，所述信息交互系统（1502）通过所述通讯协议与云端服务器交换数据；
所述机器人终端包含信号收发装置（1001）及信号处理装置（1002），所述信号收发装置（1001）接收云端服务器发送信息并做出反馈，信号收发装置（1001）与信号处理装置（1002）连接。
8.根据权利要求1所述一种大田作物信息采集机器人，其特征在于：所述施药补水系统（3）包括自动施药补水装置与控制装置，自动施药补水装置包括固定在车架（24）上的液体箱及喷洒装置；控制装置包括与电路控制系统（4）连接的继电器，继电器设于喷洒装置上。
9.根据权利要求1所述一种大田作物信息采集机器人，其特征在于：所述遮光与自补光系统（2）包括光源（47）、遮光架、遮光板（46），所述遮光架为方钢焊接成框通过螺栓固定在车架（24）上方，遮光架之间通过合页连接；所述遮光板（46）覆盖在遮光架外部；所述光源（47）连接在车架（24）下部，与控制系统相连；所述控制系统搭载在车架（24）上。
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