CN107624737B - 一种温室植保机器人用自动导向和定位装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及了一种温室植保机器人用自动导向和定位装置及控制方法，包括机架、行走导向装置、定位装置和控制系统。机架用于支撑和固定其他装置；行走导向装置固定在机架上用于驱动机架行进与导向；定位装置用于植保机器人行走过程中定位并对植保机器人行走方向进行校正；施药装置用于对温室内蔬菜作物喷洒农药；控制系统用于控制温室植保机器人完成行走、定位、喷药等动作。本发明采用自动导向和定位，基于机器视觉自动修正植保机器人的行走方向，省去了轨道，在不进行喷雾作业时不影响温室其他作业进行；采用前轮万向，后轮差速驱动，自主行走和导向，实现换棚作业。
Description
技术领域
本发明属于农业机械领域，涉及一种温室植保机器人用自动导向和定位装置及控制方法，实现温室植保机器人的自主行走导向及自动定位。
技术背景
经过近20年的发展，我国设施蔬菜取得了巨大成效，设施蔬菜生产面积居世界第一，逐渐呈现出区域化、规模化的发展趋势。设施蔬菜多以反季节蔬菜为主，具有产量高、效益好的优点。但由于温室大棚内高温高湿、土壤位置相对固定，易发生病虫害问题，严重影响到蔬菜的产量和品质。
目前，国内设施蔬菜病虫害防治机械与发达国家还有较大差距，存在：①防治设备陈旧老化，以人工作业为主，劳动强度大，作业效率低，“跑、冒、滴、漏”现象造成严重污染；②设施蔬菜多样化种植模式下现有植保机械自动化程度低，喷雾模式设计不合理，不能实现精准喷雾，病虫害防治效果差，药液覆盖密度不均匀，农药有效利用率仅20％～30％；③现有设备自动化、智能化程度低，在温室密闭环境下对操作人员人身伤害大，易出现中毒现象。
经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利“一种温室用单轨植保机器人”专利申请号201521015030.6X，采用导轨实现植保机器人在温室里行走导向及定位，这种定位方式存在以下问题：①温室里需要铺设导向轨道及定位锚片，铺设成本高。②该植保机器人采用轨道轮，脱离轨道后，出现前后轮不能同时接触地面，在进行换棚作业时，不能自主行走。③铺设的轨道位于地面中间，影响温室里其他作业。
针对现有温室植保机器人存在的问题，急需发明一种温室植保机器人用自动导向和定位装置及控制方法，利用机器视觉实现植保机器人的自主行走导向、自动定位与换棚作业，使作业步骤更为简单、快捷，提高作业效率。
发明内容
本发明针对温室用植保机器人存在的不足，提供了一种自动导向和定位装置及控制方法，实现植保机器人的自主行走导向、自动定位与换棚作业，使作业步骤更为简单、快捷，提高作业效率。
本发明一种温室植保机器人用自动导向和定位装置采用如下技术方案：包括机架、行走导向装置、定位装置和控制系统。所述的机架用于支撑和固定其他装置；所述的行走导向装置固定在机架上用于驱动机架行进与导向；所述的定位装置用于植保机器人行走过程中定位并对植保机器人行走方向进行校正；所述的施药装置用于对温室内蔬菜作物喷洒农药；所述的控制系统用于控制温室植保机器人完成行走、定位、喷药等动作。
所述的行走导向装置包括行进轮、万向轮、驱动减速电机、行进轮支座、万向轮支座。所述的行进轮为两个，分别通过行进轮支座固定在机架的后半部分，作为温室植保机器人行进的驱动轮总成；所述的万向轮为两个，分别通过万向轮支座对称固定在机架的前半部分，实现机器人行走过程中的导向；所述的驱动减速电机为两个，分别通过连接轴与行进轮相连；所述的行进轮支座为两个，分别通过螺栓对称固定在机架后半部分下表面的两侧；所述的万向轮支座为两个，分别通过螺栓对称固定在机架前半部分下表面的两侧。
所述的定位装置包括定位减速电机、定位减速电机座、转轮、导向滑轨、摄像头固定架、摄像头、拉绳、位置标定球、连杆、接触开关。所述的定位减速电机分为两个，分别通过定位减速电机座固定在温室与植保机器人行走方向垂直的两面墙上端，输出轴垂直于机器人行进方向，用于实现植保机器人的差速驱动，实现导向；所述的定位减速电机座分为两个，分别通过螺栓固定在与植保机器人行进方向垂直的两面墙上，用于固定定位减速电机；所述的转轮为两个，分别通过花键与定位减速电机的输出轴连接，用于拉绳的铺卷；所述的导向滑轨为两个，可选用质量较轻的塑料等材料，分别通过螺栓固定在温室墙体上，用作摄像头固定架滑动的轨道；所述的摄像头固定架可在导向滑轨里滑动；所述的摄像头通过螺栓固定在摄像头固定架的下端面上，并保持取景框竖直向下；所述的拉绳分为两根，其中一根拉绳一端系在摄像头固定架上，另一端与其中一个转轮连接，另一根拉绳分别系在摄像头固定架与另一转轮上；所述的位置标定球为里面带有发光二极管的小球，通过其下端的连杆与植保机器人连接，用于植保机器人行走过程中的位置标定；所述的接触开关为多个，固定在与植株行中间位置对齐的导向滑轨上，用于温室内植株行间的定位。
所述的控制系统包括控制箱、摄像头、定位减速电机、驱动减速电机、位置标定小球、接触开关、电源。所述的控制箱包括控制器、电机驱动器，固定在机架上，主要实现图形图像处理、电机控制、通讯等功能；所述的控制器可由单片机、微处理器、工控机等其他具备同等处理能力设备和I/O驱动接口电路构成；所述的电机驱动器，根据电机类型选用不同型号的交、直流电机驱动器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器等，接收由控制器发出的控制信号，驱动电机转动；所述的摄像头固定在上述摄像头固定座的下端面上，用以拍照位置标定小球得出其位于图像中的位置；所述的摄像头在行走过程中通过控制器控制电子快门；所述的定位减速电机和驱动减速电机相互配合，用以实现植保机器人在行走过程中的自动导向与定位，其中定位减速电机和驱动减速电机可采用满足定位精度要求的步进电机、伺服电机等类型的电机；所述的电源可为控制系统的工作提供电能。
本发明还提供了一种温室植保机器人用自动导向与定位装置的控制方法，具体步骤如下：
1)植保机器人位于导向滑轨的正下方，并且机器人上的位置标定小球位于摄像头的取景框内；摄像头拍摄一张照片，将拍摄的照片传给控制系统，经过处理后，标定出位置标定球的在图像中的坐标，然后驱动植保机器人移动，使得位置标定球移动到取景框的中间位置；
2)植保机器人在行走过程中与摄像头的运动保持同步进行，摄像头每间隔20ms拍摄一张照片，不断的修正植保机器人的行走方向，保证其沿着直线行走；
3)摄像头座触碰到接触开关时，接触开关给控制系统一个信号，植保机器人停止运动，此时位于植株的行间，然后进行喷雾作业。待该行作业完毕，植保机器人行进到下一行进行喷雾作业。
与现在技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明采用自动导向和定位，基于机器视觉自动修正植保机器人的行走方向，省去了轨道，在不进行喷雾作业时不影响温室其他作业进行。
2、本发明采用前轮万向，后轮差速驱动，自主行走和导向，实现换棚作业。
3、本发明自动化程度高，操作方便，推广性强。
附图说明
图1为一种温室植保机器人用自动导向和定位装置的结构图
图2为一种温室植保机器人用自动导向和定位装置的导向装置结构图
图3为一种温室植保机器人用自动导向和定位装置的定位装置结构图
图4为一种温室植保机器人用自动导向和定位装置的定位装置侧视图
图5为一种温室植保机器人用自动导向和定位装置的控制系统图
图中：1、行走导向装置 2、控制系统 3、定位装置 4、行进轮支座 5、机架 6、控制箱 7、行进轮 8、驱动减速电机 9、万向轮 10、万向轮支座 11、电源 12、连杆 13、位置标定球 14、导向滑轨 15、转轮 16、定位减速电机 17、摄像头 18、接触开关 19、摄像头固定架20、拉绳 21、定位减速电机座
具体实施方式
下面结合附图对本发明专利进行进一步描述。如图1、2、3、4所示，本发明一种温室植保机器人用自动导向和定位装置包括机架(5)、行走导向装置(1)、定位装置(3)和控制系统(2)。所述的机架(5)用于支撑和固定其他装置；所述的行走导向装置(1)固定在机架(5)上用于驱动机架行进与导向；所述的定位装置(3)用于植保机器人行走过程中定位并对植保机器人行走方向进行校正；所述的控制系统(2)用于控制温室植保机器人完成行走、定位、喷药等动作。
如图1、2所示，所述的行走导向装置(1)包括行进轮(7)、万向轮(9)、驱动减速电机(8)、行进轮支座(4)、万向轮支座(10)。所述的行进轮(7)为两个，分别通过行进轮支座(4)固定在机架(5)的后半部分，作为温室植保机器人行进的驱动轮总成；所述的万向轮(9)为两个，分别通过万向轮支座(10)对称固定在机架(5)的前半部分，实现机器人行走过程中的导向；所述的驱动减速电机(8)为两个，分别通过连接轴与行进轮(7)相连；所述的行进轮支座(4)为两个，分别通过螺栓对称固定在机架(5)后半部分下表面的两侧；所述的万向轮支座(10)为两个，分别通过螺栓对称固定在机架(5)前半部分下表面的两侧。
如图1、3、4所示，所述的定位装置(3)包括定位减速电机(16)、定位减速电机座(21)、转轮(15)、导向滑轨(14)、摄像头固定架(19)、摄像头(17)、拉绳(20)、位置标定球(13)、连杆(12)、接触开关(18)。所述的定位减速电机(16)分为两个，分别通过定位减速电机座(21)固定在温室与植保机器人行走方向垂直的两面墙上端，输出轴垂直于机器人行进方向，用于实现植保机器人的差速驱动，实现导向；所述的定位减速电机座(21)分为两个，分别通过螺栓固定在与植保机器人行进方向垂直的两面墙上，用于固定定位减速电机(16)；所述的转轮(15)为两个，分别通过花键与定位减速电机(16)的输出轴连接，用于拉绳(20)的铺卷；所述的导向滑轨(14)为两个，可选用质量较轻的塑料等材料，分别通过螺栓固定在温室墙体上，用作摄像头固定架(19)滑动的轨道；所述的摄像头固定架(19)可以在导向滑轨(14)里滑动；所述的摄像头(17)通过螺栓固定在摄像头固定架(19)的下端面上，并保持取景框竖直向下；所述的拉绳(20)分为两根，其中一根拉绳(20)一端系在摄像头固定架(17)上，另一端与其中一个转轮(15)连接，另一根拉绳(20)分别系在摄像头固定架(17)与另一转轮(15)上；所述的位置标定球(13)为里面带有发光二极管的小球，通过其下端的连杆(12)与植保机器人连接，用于植保机器人行走过程中的位置标定；所述的接触开关(18)为多个，固定在与植株行中间位置对齐的导向滑轨(14)上，用于温室内植株行间的定位。
如图1、2、3、4所示，所述的控制系统(2)包括控制箱(6)、摄像头(17)、定位减速电机(16)、驱动减速电机(8)、位置标定小球(13)、接触开关(18)、电源(11)。所述的控制箱(6)包括控制器、电机驱动器，固定在机架(5)上，主要实现图形图像处理、电机控制、通讯等功能；所述的控制器可由单片机、微处理器、工控机等其他具备同等处理能力设备和I/O驱动接口电路构成；所述的电机驱动器，根据电机类型选用不同型号的交、直流电机驱动器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器等，接收由控制器发出的控制信号，驱动电机转动；所述的摄像头(17)固定在上述摄像头固定座(19)的下端面上，用以拍照位置标定小球(13)得出其位于图像中的位置；所述的摄像头(17)在行走过程中通过控制器控制电子快门；所述的定位减速电机(16)和驱动减速电机(8)相互配合，用以实现植保机器人在行走过程中的自动导向与定位，其中定位减速电机(16)和驱动减速电机(8)可采用满足定位精度要求的步进电机、伺服电机等类型的电机；所述的电源(11)可为控制系统(2)的工作提供电能。
本发明还提供了一种温室植保机器人用自动导向与定位装置的控制方法，具体步骤如下：
1)植保机器人位于导向滑轨(14)的正下方，并且机器人上的位置标定小球(13)位于摄像头(17)的取景框内；摄像头(17)拍摄一张照片，将拍摄的照片传给控制系统(2)，经过处理后，标定出位置标定小球(13)的在图像中的坐标，然后驱动植保机器人移动，使得位置标定小球(13)移动到取景框的中间位置；
2)植保机器人在行走过程中与摄像头(17)的运动保持同步进行，摄像头(17)每间隔20ms拍摄一张照片，不断的修正植保机器人的行走方向，保证其沿着直线行走；
3)摄像头固定架(19)触碰到接触开关(18)时，接触开关(18)给控制系统(2)一个信号，植保机器人停止运动，此时位于植株的行间，然后进行喷雾作业。待该行作业完毕，植保机器人行进到下一行进行喷雾作业。
Claims (2)
1.一种温室植保机器人用自动导向和定位装置，其特征在于：包括机架、行走导向装置、定位装置和控制系统；
所述的行走导向装置包括行进轮、万向轮、驱动减速电机、行进轮支座、万向轮支座；所述的行进轮为两个，分别通过行进轮支座固定在机架的后半部分，作为温室植保机器人行进的驱动轮总成；所述的万向轮为两个，分别通过万向轮支座对称固定在机架的前半部分，实现机器人行走过程中的导向；所述的驱动减速电机为两个，分别通过连接轴与行进轮相连；所述的行进轮支座为两个，分别通过螺栓对称固定在机架后半部分下表面的两侧；所述的万向轮支座为两个，分别通过螺栓对称固定在机架前半部分下表面的两侧；
所述的定位装置包括定位减速电机、定位减速电机座、转轮、导向滑轨、摄像头固定架、摄像头、拉绳、位置标定球、连杆、接触开关；所述的定位减速电机分为两个，分别通过定位减速电机座固定在温室与植保机器人行走方向垂直的两面墙上端，输出轴垂直于机器人行进方向，用于实现植保机器人的差速驱动，实现导向；所述的定位减速电机座分为两个，分别通过螺栓固定在与植保机器人行进方向垂直的两面墙上，用于固定定位减速电机；所述的转轮为两个，分别通过花键与定位减速电机的输出轴连接，用于拉绳的铺卷；所述的导向滑轨为两个，选用质量较轻的塑料材料，分别通过螺栓固定在温室墙体上，用作摄像头固定架滑动的轨道；所述的摄像头固定架在导向滑轨里滑动；所述的摄像头通过螺栓固定在摄像头固定架的下端面上，并保持取景框竖直向下；所述的拉绳分为两根，其中一根拉绳一端系在摄像头固定架上，另一端与其中一个转轮连接，另一根拉绳分别系在摄像头固定架与另一转轮上；所述的位置标定球为里面带有发光二极管的小球，通过其下端的连杆与植保机器人连接，用于植保机器人行走过程中的位置标定；所述的接触开关为多个，固定在与植株行中间位置对齐的导向滑轨上，用于温室内植株行间的定位；
所述的控制系统包括控制箱、摄像头、定位减速电机、驱动减速电机、位置标定小球、接触开关、电源；所述的控制箱包括控制器、电机驱动器，固定在机架上，实现图形图像处理、电机控制和通讯功能；所述的控制器由单片机、微处理器、工控机和I/O驱动接口电路构成；所述的电机驱动器，根据电机类型选用不同型号的交、直流电机驱动器、步进电机驱动器、伺服电机驱动器，接收由控制器发出的控制信号，驱动电机转动；所述的摄像头固定在上述摄像头固定架的下端面上，用以拍照位置标定小球得出其位于图像中的位置；所述的摄像头在行走过程中通过控制器控制电子快门；所述的定位减速电机和驱动减速电机相互配合，用以实现植保机器人在行走过程中的自动导向与定位，其中定位减速电机和驱动减速电机采用满足定位精度要求的步进电机或伺服电机；所述的电源为控制系统的工作提供电能。
2.根据权利要求1所述一种温室植保机器人用自动导向和定位装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）植保机器人位于导向滑轨的正下方，并且机器人上的位置标定小球位于摄像头的取景框内；摄像头拍摄一张照片，将拍摄的照片传给控制系统，经过处理后，标定出位置标定小球的在图像中的坐标，然后驱动植保机器人移动，使得位置标定小球移动到取景框的中间位置；
2）植保机器人在行走过程中与摄像头的运动保持同步进行，摄像头每间隔20ms拍摄一张照片，不断的修正植保机器人的行走方向，保证其沿着直线行走；
3）摄像头固定架触碰到接触开关时，接触开关给控制系统一个信号，植保机器人停止运动，此时位于植株的行间，然后进行喷雾作业；待该行作业完毕，植保机器人行进到下一行进行喷雾作业。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20221213 |
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