CN107272739B - 一种基于子母系统的喷药系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于子母系统的喷药系统及方法，由喷药机器人和线路规划无人机组成的子母系统共同完成植保作业；所述无人机图像采集模块采集农田图像，发送至无人机控制模块；所述无人机控制模块根据农田图像生成最优喷药线路，并发送给机器人控制模块，机器人控制模块控制机器人按照最优喷药线路行进至需要喷药的农田区域附近后，机器人图像采集模块获取周围的农作物图像，并识别农作物上需要喷药的部位，发送至机器人控制模块；机器人控制模块控制机械臂移动至农作物上需要喷药的部位，使喷头对准需要喷药的部位开始进行喷药。本发明通过无人机的智能规划线路，最大程度地减少机器人在工作过程中的药剂、电量等耗损。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械领域，具体涉及喷药方法，尤其涉及一种基于子母系统的喷药系统及方法，还涉及一种基于图像处理的喷药母机。
背景技术
当前，我国常见的喷药方式为由工作人员背负机械式或电动式喷药机对某一区域需要保护的农作物进行大面积喷洒。人工喷药的方式，一方面需要付出大量的人力，另一方面由于喷洒不均造成了农药浪费和土地污染的问题。随着科技发展，利用无人机对农作物进行大面积喷洒的植保机出现。在运用无人机进行植保作业时，需要对农田进行人工图像采集，并人工规划路径，然后根据路径进行大范围的喷药。其中对农田进行人工图像采集和路径规划的通常做法是通过人工携带定位装置对带喷药农田区域进行测绘规划；目前的植保机仍然存在明显的弊端：(1)没有解决喷洒不均造成的农药浪费和土地污染的问题；(2)人工测绘不适用于大面积农田；(3)由于人工测绘的误差，始终无法保证植保机喷药路径为最优路径；(4)无人机高空作业，无法保证精准喷药，尤其是对于百合一类需要精准喷药的作物，非常地不适用。
目前，无人机大量应用于植保，对农田进行喷药等，但无法保证达到对作物待喷药部位精准喷药的效果。而结合无人机能自动规划最优线路与机器人能精准控流靶向喷药的优势，基于子母系统的农业植保机尚未研发应用。
发明内容
本发明所要解决的问题是，针对现有的喷药方式所存在的缺陷，提供一种基于子母系统的喷药系统及方法，由喷药机器人和线路规划无人机组成的子母系统共同完成植保作业，减去人工规划机器人线路的复杂操作，通过无人机的智能规划线路，最大程度地减少机器人在工作过程中的药剂、电量等耗损。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于子母系统的喷药系统，包括由喷药机器人和线路规划无人机组成的子母系统，其中母机为喷药机器人，子机为线路规划无人机，母机和子机通信连接；
所述母机中设置有机器人图像采集模、机器人定位模块、喷药模块和机器人控制模块；机器人定位模块、机器人图像采集模块和喷药模块均与机器人控制模块相连；
所述子机中设置有无人机图像采集模块、无人机定位模块和无人机控制模块；无人机图像采集模块和无人机定位模块与无人机控制模块相连；
所述无人机图像采集模块采集农田图像，并将农田图像发送至无人机控制模块；所述无人机控制模块根据无人机图像采集模块采集的农田图像(图像灰度值)，生成最优喷药线路；
所述机器人定位模块用于获取母机位置，并提供给子机上的无人机控制模块；无人机定位模块获取子机位置，并提供给无人机控制模块；无人机控制模块根据母机和子机的位置，控制子机正确返航，并与母机对接；
与母机对接后，无人机控制模块将生成的最优喷药线路发送给机器人控制模块，机器人控制模块控制机器人按照最优喷药线路行进至需要喷药的农田区域附近；
到达需要喷药的农作物附近后，机器人图像采集模块获取周围的农作物图像，并识别农作物上需要喷药的部位【通过采取超绿(2G‐R‐B)特征对彩色的农作物图像进行灰度化，把绿色的植株图像从褐色的土壤背景中分割出来，得到超绿特征灰度图像，对超绿特征灰度图像进行阈值分割，获取农作物的二值图像；通过二值化处理作物上需要喷药的部位使叶片特征更加明显，从而让更准确地从图像中识别出农作物需要喷药的部位；提取二值图像中的绿色区域，即农作物上需要喷药的部位】，发送至机器人控制模块；机器人控制模块控制机械臂移动至农作物上需要喷药的部位，使喷头对准需要喷药的部位开始进行喷药，实现对农田农作物进行靶向喷药。
进一步地，所述无人机控制模块与地面控制端相连，将无人机图像采集模块采集的农田图像发送至地面控制端，并接收地面控制端的控制信号，实现地面控制端实时监测无人机采集的农田图像，并对无人机进行控制。
进一步地，所述子机中还设置有气压计，用于检测当前无人机飞行高度。
进一步地，所述无人机控制模块，包括飞行控制电路板和路径规划模块；
飞行控制电路板与地面控制端相连，地面控制端实时监测的无人机采集的农田图像，指定需要喷药的农田区域，发送人工干预控制信号至飞行控制电路板，控制无人机飞行状态以及飞行区域；
路径规划模块根据无人机图像采集系统采集的农田图像以及需要喷药的农田区域，通过最优路径选择算法进行最佳路径的规划，得到农田图像上的最优喷药线路。
进一步地，所述无人机图像采集模块，包括数字摄像头和数字信号处理器；其中数字摄像头用于对农田进行航拍，获取航拍的农田图像，并将采集到的农田图像送到数字信号处理器；数字信号处理器通过计算采集的需要喷药的农田区域图像灰度值，判别母机可行走区域和农作物区域。
进一步地，所述机器人图像采集模块，包括数字摄像头和数字信号处理器；其中数字摄像头用于对喷药机器人周围的农作物进行拍摄，并将拍摄图像传送到数字信号处理器；数字信号处理器对拍摄图像进行处理、分析，找到农作物上需要喷药的部位，将信息传送到机器人控制模块。
母机和子机通过连接模块相连；所述连接模块包括在母机和子机上配套设置的卡口、数据传输端口和电能补给端口；卡口用于子子机正确返航后子机和母机精准对接；电能补给端口用于将母机电能补给给子机；数据传输端口用于子机将实际最优喷药线路传输给机器人控制模块。所述连接模块用于将子机和母机固定、实现母机为子机的充电、子机将喷药最优路径信息传输给母机的控制系统，集三种功能于一体。
所述数据传输端口和电能补给端口均集成在所述卡口上。
进一步地，所述母机中还设置有供电模块，用于为母机各个模块提供所需能源；且包括电量检测模块，用于检测自己的剩余电量，在子机剩余电量低于预设电量(30％满电量)时，通过连接模块为子机提供电能补给。
进一步地，所述机器人基于履带车行走，履带车受控于机器人控制模块；机器人控制模块控制履带车按照规划的路线行进至需要喷药的农田区域的农作物附近。
进一步地，所述定位模块为GPS定位模块。
一种基于子母系统的喷药方法,采用上述基于子母系统的喷药系统完成喷药，步骤如下：
子机上升到一定高度，对农田进行系统的航拍，并将画面实时传送到地面控制端；工作人员通过地面控制端判断航拍画面中是否包含待喷药的所有农田，若没有，则控制子机继续上升或改变位置，直到航拍画面中是否包含待喷药的所有农田；工作人员通过地面控制端选择需要喷药的农田区域；
子机接收地面信号确定需要喷药的农田区域，并对需要喷药的农田区域进行详细的拍摄，获取需要喷药的农田区域的所有画面；在拍摄工作完成之后，子机获取母机的位置开始返航，同时开始整理所有航拍画面，从中提取出所有的路径并计算制定一条最优喷药路线；并根据无人机飞行高度换算成地面上喷药机器人的实际最优喷药线路；
【换算方法为：通过无人机上的气压计获取的气压p计算当前无人机飞行高度h1，并计算气压计和无人机图像采集模块的高度差h2，利用相似三角形原理，即S2/S1＝h2/h1，计算农田区域实际大小S1与采集的农田图像大小S2比值；由此根据农田图像上的最优喷药线路映射得到地面上喷药机器人的实际最优喷药线路；
其中通过无人机上的气压计获取的气压p计算当前无人机飞行高度h1的公式如下：
h1＝(RT/gM)*ln(p0/p)
其中，R为常数8.51，T为常温下的热力学温度，g为重力加速度，M为气体的分子量(取值为29)，p0为标准大气压。】
子机飞到母机的泊机台正上方并垂直降落在泊机台上，子机与母机对接，固定为一个整体；
子机将制定好的路线传送到机器人控制模块；
机器人控制模块接收子机传送来的路径，控制喷药机器人按照既定路线行进至需要喷药的农田区域的农作物附近；
母机上的机器人图像采集模块对周围的农作物进行拍摄，并将拍摄图像传送到母机上的机器人控制模块，机器人控制模块经过处理、分析，识别农作物上需要喷药的部位，将信息送到机器人控制模块；
机器人控制模块控制机械臂移动至农作物上需要喷药的部位，使喷头对准需要喷药的部位开始进行喷药，实现对农田农作物进行靶向喷药；当前植株喷药完成后，机器人控制模块控制机械臂移动到下一处需要喷药的植株上需要喷药的部位；
直到当前位置机械臂所及范围内的所有植株完成喷药工作之后，机器人控制模块控制喷药机器任按照规划路线继续前进，直到所有喷药工作完成。
进一步地，所述机器人喷药模块包括药箱、水泵、喷头和机械臂，所述水泵设置于药箱中；水泵的出水口与机械臂上喷药杆的入水口相连；喷头设置在喷药杆的出水口；
机器人控制模块获得喷药的具体位置后，控制机械臂移动到对应的位置，喷头对准需要喷药的部位；
控制水泵开启，将药箱中的药物引流到喷头，通过喷头喷射药物到植物待喷药部位。
进一步地，通过水泵的开关控制喷药的时间和流量(每3秒开启一次)，实现对待喷药位置进行定时定量的喷洒。
有益效果：
本发明通过无人机提供喷药机器人最优工作路径的方法，减去人工规划机器人线路的复杂操作，通过无人机的智能规划线路，最大程度地减少机器人在工作过程中的药剂、电量等耗损。喷药机器人接收到无人机传送来的路径，按照既定路线行进至需要喷药的农田区域的农作物附近；再利用对周围的农作物进行拍摄，找到需要喷药的具体部位，达到精准喷洒的目的。
附图说明
图1为本发明无人机规划路径流程图；
图2为本发明工作流程图；
图3为本发明系统结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行进一步具体说明。
实施例1：
如图1所示，本发明的工作过程为：
子机在母机上充满电后脱离母机开始工作。
子机上升到一定高度，对农田进行系统的航拍，并将画面实时传送到地面控制端，工作人员在地面选择需要喷药的农田区域。
子机接收地面信号确定需要喷药的农田区域，并对需要喷药的农田区域进行详细的拍摄，获取需要喷药的农田区域的所有画面。在拍摄工作完成之后，子机利用GPS定位技术找到母机的位置，同时子机上的数字信号处理器开始整理所有航拍画面，从中提取出所有的路径并计算制定一条最优喷药路线作为母机的行进路线。
子机飞到泊机台正上方并垂直降落在泊机台上，对应卡口相互衔接，子机和母机固定为一个整体。
子机通过集成在卡口上的数据传输接口将制定好的路线传送到机器人控制模块，通过集成在卡口上的电能补给端口从母机获取电能。
机器人控制模块接受到子机传送来的路径，控制履带车按照既定路线行进，喷药工作正式开始。
母机上的摄像头对周围的作物开始拍摄，并将拍摄图像传送到母机上的数字信号处理器，数字信号处理器经过处理、分析，找到需要喷药的具体部位，后，将具体信息数字化传送到机器人控制模块。
所述机器人喷药模块包括药箱、水泵、喷头和机械臂，所述水泵设置于药箱中；水泵的出水口与机械臂上喷药杆的入水口相连；喷头设置在喷药杆的出水口；
机器人控制模块获得喷药的具体位置后，控制机械臂移动到对应的位置，喷头对准需要喷药的部位；
控制水泵开启，将药箱中的药物引流到喷头，通过喷头喷射药物到植物待喷药部位。通过水泵的开关控制喷药的时间和流量(每3秒开启一次)，实现对待喷药位置进行定时定量的喷洒，利用摄像头捕捉植株局部图找到需要喷药的具体部位，达到精准喷洒的目的。
当前植株喷药完成，机器人控制模块控制机械臂移动到下一处需要喷药的植株的对应位置。
直到当前位置机械臂所及范围以内的所有植株完成喷药工作之后，机器人控制模块控制履带车按照既定路线继续前进，直到所有喷药工作完成。
Claims (9)
1.一种基于子母系统的喷药系统，其特征在于，包括由喷药机器人和线路规划无人机组成的子母系统，其中母机为喷药机器人，子机为线路规划无人机，母机和子机通信连接；
所述母机中设置有机器人图像采集模块、机器人定位模块、喷药模块和机器人控制模块；机器人定位模块、机器人图像采集模块和喷药模块均与机器人控制模块相连；
所述子机中设置有无人机图像采集模块、无人机定位模块和无人机控制模块；无人机图像采集模块和无人机定位模块与无人机控制模块相连；
所述喷药系统完成喷药的方法如下：
子机上升到一定高度，通过无人机图像采集模块对农田进行系统的航拍，并将画面实时传送到地面控制端；工作人员通过地面控制端判断航拍画面中是否包含待喷药的所有农田，若没有，则控制子机继续上升或改变位置，直到航拍画面中是否包含待喷药的所有农田；工作人员通过地面控制端选择需要喷药的农田区域；
子机接收地面信号确定需要喷药的农田区域，并对需要喷药的农田区域进行详细的拍摄，获取需要喷药的农田区域的所有画面；在拍摄工作完成之后，子机获取母机的位置开始返航，同时开始整理所有航拍画面，从中提取出所有的路径并计算制定一条最优喷药路线；并根据无人机飞行高度换算成地面上喷药机器人的实际最优喷药线路；
所述机器人定位模块用于获取母机位置，并提供给子机上的无人机控制模块；无人机定位模块获取子机位置，并提供给无人机控制模块；无人机控制模块根据母机和子机的位置，控制子机正确返航；子机飞到母机的泊机台正上方并垂直降落在泊机台上，子机与母机通过连接模块对接，固定为一个整体；所述连接模块包括在母机和子机上配套设置的卡口、数据传输端口和电能补给端口；卡口用于子机正确返航后子机和母机精准对接；电能补给端口用于将母机电能补给给子机；数据传输端口用于子机将实际最优喷药线路传输给机器人控制模块；
与母机对接后，子机上的无人机控制模块将制定好的最优喷药路线传送到机器人控制模块；
机器人控制模块接收子机传送来的最优喷药路线，控制喷药机器人按照最优喷药路线行进需要喷药的农田区域的农作物附近；
到达需要喷药的农作物附近后，母机上的机器人图像采集模块对周围的农作物进行拍摄，并将拍摄图像传送到母机上的机器人控制模块，机器人控制模块经过处理、分析，识别农作物上需要喷药的部位，将信息送到机器人控制模块；
机器人控制模块控制机械臂移动至农作物上需要喷药的部位，使喷头对准需要喷药的部位开始进行喷药；当前植株喷药完成后，机器人控制模块控制机械臂移动到下一处需要喷药的植株上需要喷药的部位；
直到当前位置机械臂所及范围内的所有植株完成喷药工作之后，机器人控制模块控制喷药机器人按照规划路线继续前进，直到所有喷药工作完成。
2.根据权利要求1所述的基于子母系统的喷药系统，其特征在于，所述无人机控制模块与地面控制端相连，将无人机图像采集模块采集的农田图像发送至地面控制端，并接收地面控制端的控制信号，实现地面控制端实时监测无人机采集的农田图像，并对无人机进行控制。
3.根据权利要求1所述的基于子母系统的喷药系统，其特征在于，所述子机中还设置有气压计，用于检测当前无人机飞行高度。
4.根据权利要求2所述的基于子母系统的喷药系统，其特征在于，所述无人机控制模块，包括飞行控制电路板和路径规划模块；
飞行控制电路板与地面控制端相连，地面控制端实时监测的无人机采集的农田图像，指定需要喷药的农田区域，发送人工干预控制信号至飞行控制电路板，控制无人机飞行状态以及飞行区域；
路径规划模块根据无人机图像采集系统采集的农田图像以及需要喷药的农田区域，通过最优路径选择算法进行最佳路径的规划，得到农田图像上的最优喷药线路。
5.根据权利要求1所述的基于子母系统的喷药系统，其特征在于所述数据传输端口和电能补给端口均集成在所述卡口上。
6.根据权利要求1所述的基于子母系统的喷药系统，其特征在于，所述母机中还设置有供电模块，用于为母机各个模块提供所需能源；且包括电量检测模块，用于检测自己的剩余电量，在子机剩余电量低于预设电量时，通过连接模块为子机提供电能补给。
7.一种基于子母系统的喷药方法,其特征在于，采用权利要求1～6中任一项所述的基于子母系统的喷药系统完成喷药。
8.根据权利要求7所述的基于子母系统的喷药方法,其特征在于，所述喷药模块包括药箱、水泵、喷头和机械臂，所述水泵设置于药箱中；水泵的出水口与机械臂上喷药杆的入水口相连；喷头设置在喷药杆的出水口；
机器人控制模块获得喷药的具体位置后，控制机械臂移动到对应的位置，喷头对准需要喷药的部位；
控制水泵开启，将药箱中的药物引流到喷头，通过喷头喷射药物到植物待喷药部位。
9.根据权利要求7所述的基于子母系统的喷药方法,其特征在于，通过水泵的开关控制喷药的时间和流量，实现对待喷药位置进行定时定量的喷洒。
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