CN108476676A - 田间智能播种机器人及播种方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种田间智能播种机器人及播种方法，所述机器人包括控制模块、驱动模块、红外传感器、超声波传感器、播种装置和履带底盘，所述播种装置倾斜设置，所述控制模块设置在履带底盘上，所述驱动模块与履带底盘连接，用于驱动履带底盘行驶，所述履带底盘的左、右车轮均设有测速模块，驱动模块、测速模块、红外传感器、超声波传感器和播种装置分别与控制模块连接。本发明通过红外传感器可以实现定向播种，通过履带底盘上左右车轮的测速模块能够实现定距离播种，并且通过超声波传感器能够自动调整行驶方向，是集机械、电子、控制、计算机、传感器等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。

Description

田间智能播种机器人及播种方法

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其是一种田间智能播种机器人及播种方法，属于农业智能化领域。

背景技术

近年来随着农业的不断发展，其对农业机械器件的需求不断增大，农业机械智能化也逐渐成为一种必然趋势。

目前，在农业智能播种领域，虽然出现了播种机器人，以代替人们劳动工作，使用播种机器人播种，能够提高工作效率，更加便捷，但要实现定点、定距离播种，现有播种机器人的智能水平还有待提高，还需要人力的参与，并未达到完全智能的效果。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种田间智能播种机器人，该机器人通过红外传感器可以实现定向播种，通过履带底盘上左右车轮的测速模块能够实现定距离播种，并且通过超声波传感器能够自动调整行驶方向，是集机械、电子、控制、计算机、传感器等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述机器人的播种方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

田间智能播种机器人，包括控制模块、驱动模块、红外传感器、超声波传感器、播种装置和履带底盘，所述播种装置倾斜设置，所述控制模块设置在履带底盘上，所述驱动模块与履带底盘连接，用于驱动履带底盘行驶，所述履带底盘的左、右车轮均设有测速模块，驱动模块、测速模块、红外传感器、超声波传感器和播种装置分别与控制模块连接。

进一步的，还包括水平旋转模块，所述播种装置与水平旋转模块连接，所述水平旋转模块与控制模块连接，用于带动播种装置水平旋转。

进一步的，所述水平旋转模块包括第一舵机和水平旋转云台，所述第一舵机、水平旋转云台和播种装置依次连接，且第一舵机与控制模块连接。

所述控制模块包括主控单元、降压单元、电路放大单元和电源单元，所述电源单元与降压单元连接，所述降压单元分别与主控单元、驱动模块、测速模块、红外传感器、超声波传感器、播种装置连接，所述主控单元还分别与测速模块、红外传感器、超声波传感器、播种装置连接，并通过电路放大单元与驱动模块连接。

进一步的，所述驱动模块包括电机驱动单元、第一电机和第二电机，所述第一电机和第二电机左右设置，且第一电机用于带动履带底盘的左车轮转动，并与左车轮的测速模块连接，第二电机用于带动履带底盘的右车轮转动，并与右车轮的测速模块连接，所述电机驱动单元与控制模块连接，并分别与第一电机、第二电机连接。

进一步的，所述超声波传感器有三组，每组超声波传感器包括超声波发射器和超声波接收器，其中两组超声波传感器左右相对设置，另一组超声波传感器设置在履带底盘的前方。

进一步的，设置在履带底盘前方的超声波传感器还连接有第二舵机。

进一步的，所述播种装置包括排种器、播种管和第三舵机，所述播种管分为上下两部分，上下两部分均具有等间距的凹槽，且上下两部分的凹槽等距错开，所述排种器与播种管的其中一端固定连接，所述第三舵机与控制模块连接，用于带动排种器和播种管垂直旋转。

进一步的，所述排种器内设有毛刷。

进一步的，所述履带底盘的左、右车轮上的测速模块均包括码盘和霍尔传感器，所述码盘与驱动模块连接，所述霍尔传感器与控制模块连接。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于上述机器人的播种方法，所述方法包括定点播种和定距离播种；

所述定点播种包括：设定播种位置，通过履带底盘带动机器人行驶，当红外传感器识别到设定的播种位置后，停止行驶，通过播种装置进行播种；

所述定距离播种包括：机器人每行驶一定距离后停止，通过播种装置进行播种。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明通过红外传感器识别播种装置在播种板上的位置以实现精确播种，而且根据特定播种装置能实现种子分粒及快速播种，通过履带底盘上左右车轮的测速模块能够实现定距离播种，通过超声波传感器测距识别机器人到垄壁的距离，能够自动调整机器人的前进方向，保证不碰壁，通过超声波测得的距离判断机器人是否需要拐弯，拐弯过程中，控制超声波快速测距，直到达到设定的距离时才停止拐弯动作，继续行驶；此外，由于田间土地松软，轮子容易下陷，故本发明采用了履带底盘的结构，使机器人的行驶过程更平稳；本发明是集机械、电子、控制、计算机、传感器等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。

2、本发明的超声波传感器有三组，其中两组超声波传感器左右相对设置，另一组超声波传感器设置在履带底盘的前方，并且设置在履带底盘前方的超声波传感器还连接舵机，可以实现多角度、多方向的距离检测。

3、本发明的测速模块包括码盘和霍尔传感器，通过霍尔传感器和码盘对输出脉冲的计数，得出速度，可通过脉冲数控制机器人行驶特定距离，以实现定距离播种。

4、本发明的播种装置中，通过排种器对种子的分粒作用，将种子由群体化为个体、化为连续的单粒种子并依次送入播种管，舵机可以带动排种器和播种管垂直旋转，使得种子在播种管每旋转180度后能向前推进一格，保证最前的一格凹槽有种子，需要播种时，播种管不断旋转180度，使种子快速下落；此外，排种器内设有毛刷，确保下种准确，同时不损坏种子。

附图说明

图1为本发明实施例1的田间智能播种机器人分解示意图。

图2为本发明实施例1的田间智能播种机器人中底板的示意图。

图3为本发明实施例1的电路连接框图。

图4为本发明实施例1的PWM信号放大电路示意图。

图5为本发明实施例1的播种装置的示意图。

图6为本发明实施例1的播种装置中播种管的正视图。

图7为本发明实施例1的播种装置中播种管的侧视图。

图8为本发明实施例1的播种装置中播种管的俯视图。

其中，1-播种装置，2-履带底盘，3-第一舵机，4-水平旋转云台，5-主控单元，6-降压单元、7-电路放大单元，8-电源单元，9-第一测速模块，10-第二测速模块，11-电机驱动单元，12-第一电机，13-第二电机，14-顶板，15-底板，16-铜柱，17-第一红外传感器，18-第二红外传感器，19-第一超声波传感器，20-第二超声波传感器，21-第三超声波传感器，22-第二舵机，23-排种器，24-播种管，25-第三舵机，26-第一凹槽，27-第二凹槽，28-毛刷。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1～图3所示，本实施例提供了一种田间智能播种机器人，该机器人包括控制模块、驱动模块、红外传感器、超声波传感器、播种装置1和履带底盘2，播种装置1倾斜设置，控制模块设置在履带底盘2上，驱动模块与履带底盘2连接，用于驱动履带底盘2行驶，履带底盘2的左、右车轮均设有测速模块，驱动模块、测速模块、红外传感器、超声波传感器和播种装置1分别与控制模块连接。

为了控制播种装置1的播种方向，本实施例的田间智能播种机器人还包括水平旋转模块，播种装置1与水平旋转模块连接，水平旋转模块与控制模块连接，用于带动播种装置1水平旋转。

进一步地，所述水平旋转模块包括第一舵机3和水平旋转云台4，第一舵机3、水平旋转云台4和播种装置1依次连接，且第一舵机3与控制模块连接，播种装置1与水平旋转云台4成一定的向下倾斜度，由于播种装置1放在水平旋转云台4上面，通过控制第一舵机3的旋转，能够实现180度的变化，实现对水平旋转云台4的控制，从而控制播种装置1的播种方向。

所述控制模块包括主控单元5、降压单元6、电路放大单元7和电源单元8，电源单元8与降压单元6连接，降压单元6分别与主控单元5、驱动模块、测速模块、红外传感器、超声波传感器、播种装置1连接，以实现电源单元8为主控单元5、驱动模块、测速模块、红外传感器、超声波传感器、播种装置1等用电设备进行供电，具体地，电源单元8采用14.8V的电池组，降压单元6的输入端与14.8V的电池组连接，输出端分别提供不同的电压，将14.8V的电压转换为3.3V电压供主控单元5使用，转换为9V电压供驱动模块使用，转换为5V的电压供超声波传感器和红外传感器使用。

所述主控单元5还通过接线分别与测速模块、红外传感器、超声波传感器、播种装置连接，并通过电路放大单元7与驱动模块连接，主控单元5能控制机器人在播种前一段时间减速，提高准确率，播完种后加速，节省时间；本实施例中，主控单元5采用并带有数字接口和模拟接口的STM32F407主控板，即主控单元5上的主控芯片为STM32F407单片机芯片。传统单片机软件设计方法单一，数据处理速度慢，随着软件程序功能增多而变得复杂，模块之间的相互干扰性较大，难以设计出功能复杂的系统，故本实施例采用具有比其他芯片更为强大功能的STM32F407单片机芯片，例如更多的定时器和中断，处理速度也相对较高，可以实现更快的运算和控制、便于快速对机器人的行驶与播种进行控制。

所述履带底盘2的左、右车轮上的测速模块分别为第一测速模块9和第二测速模块10，第一测速模块9和第二测速模块10均包括码盘和霍尔传感器，码盘与驱动模块连接，霍尔传感器与主控单元5连接，通过霍尔传感器和码盘对输出脉冲的计数，得出速度，可通过脉冲数控制机器人行驶特定距离，履带底盘2的主动轮直径选择约为4.8cm，总直径为4.8*3.14＝15(cm),100*15＝1500cm/min，使用轮子的方案风险相对较高、不适合在松软的田间路面行驶，因为使用轮子的情况下，小车对地的接触点相对较少，这就使得小车在行驶的时候容易晃动而且容易陷入松软路面中，从而出现各种不可控的因素，影响机器人接下来的各种调试和播种时的准确性甚至不能正常行驶，因此经过认真的分析，决定使用履带式的配置，使装置与路面接触面积增大，从而让机器人工作时更加平稳和能够适应各种复杂路面。

所述驱动模块包括电机驱动单元11、第一电机12和第二电机13，第一电机12和第二电机13左右设置，且第一电机12用于带动履带底盘2的左车轮转动，并与第一测速模块9连接，第二电机用于带动履带底盘2的右车轮转动，并与第二测速模块10连接，本实施例的第一电机12和第二电机13选用GM25-370-24140-75-14.5D10型号的直流电机，其负载转速为100+10％rpm；所述电机驱动单元11与主控单元5连接，并分别与第一电机12、第二电机13连接，本实施例的电机驱动单元11的驱动芯片采用L298N双H桥直流电机驱动芯片，要实现小功率的信号控制需要大功率运行的第一电机12和第二电机13，主控单元5输出的信号为3.3V电信号，达不到电机驱动单元11的高电平所需要的最低值，故需如图4所示的电路放大模块，通过两输入端口的电平不同组合，实现控制第一电机12和第二电机13的状态，具体地，通过调整主控单元5的PWM参数以产生特定的PWM波控制电机驱动单元11，进一步控制第一电机12和第二电机13的输入电压，以控制第一电机12和第二电机13的转速，其中输入电平与电机的状态如下表1所示。

使能端口	IN1	IN2	电机状态
				低电平	X	X	停止
高电平	低电平	低电平	停止
				高电平	低电平	高电平	正转
高电平	高电平	低电平	反转
				高电平	高电平	高电平	停止

表1输入电平与电机的状态表

优选地，本实施例的田间智能播种机器人还包括顶板14和底板15，顶板14和底板15上下设置，底板15采用亚巧克力材料，并与履带底盘2连接，用于承载机器人除履带底盘2、第一电机12和第二电机13外的其他部分。

在本实施例中，所述主控单元5、降压单元6、电源单元8和电机驱动单元11设置在底板15上，所述第一舵机3和电路放大单元7设置在顶板14上；优选地，顶板14和底板15之间通过四根铜柱16连接，使得顶板14和底板15更稳固。

所述红外传感器可以将实时监测到的田垄表面的信息的采集，当遇到播种位置时，红外传感器接收到信号，传送回主控单元5，为能够更准确识别位置，本实施例的田间智能播种机器人采用两个红外传感器，两个红外传感器分别为第一红外传感器17和第二红外传感器18，优选地，第一红外传感器17和第二红外传感器18设置在播种装置1的两侧，当主控单元5接收到两个低电平信号时，表明已到达播种位置，开始对种子的定点播放。

所述超声波传感器有三组，每组超声波传感器包括超声波发射器和超声波接收器，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，主控单元5通过对时间的读取计算出相应的距离，并根据实际的距离对履带底盘2的行驶方向进行控制，超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s＝340t/2。

优选地，三组超声波传感器分别为第一超声波传感器19、第二超声波传感器20和第三超声波传感器21，第一超声波传感器19和第二超声波传感器20左右相对设置在底板15上，第三超声波传感器21设置在履带底盘2的前方，具体地，第三超声波传感器21通过第二舵机22设置在底板15的最前方，第二舵机22与第三超声波传感器21连接，用于带动第三超声波传感器21水平旋转，实现第三超声波传感器21的多方向距离检测。

如图1～图3、图5～图8所示，所述播种装置1包括排种器23、播种管24和第三舵机25，播种管24分为上下两部分，上下两部分均具有等间距的第一凹槽26，且上下两部分的第一凹槽26等距错开，排种器23与播种管24的其中一端固定连接，通过排种器23对种子的分粒作用，将种子由群体化为个体、化为连续的单粒种子并依次送入播种管，排种器23上设有第二凹槽27，以进行排钟；第三舵机25与控制模块连接，用于带动排种器23和播种管24垂直旋转，使得种子在播种管24每旋转180度后能向前推进一格，保证最前的一格凹槽有种子，需要播种时，播种管24不断旋转180度，使种子快速下落。

优选地，所述排种器23内设有毛刷28，确保下种准确，同时不损坏种子。

本实施例的田间智能播种机器人工作原理如下：

通过第三超声波传感器21测出机器人距离田垄壁的距离，根据这个距离，保证机器人直线行驶，当所测距离小于设定距离时，机器人往远离田垄壁的方向行驶，当所测距离大于设定距离时，机器人往靠近田垄壁的方向行驶。机器人利用第一电机12和第二电机13差速的方法实现转向：即当所测得的距离偏小时，远离田垄壁的一侧的电机转速减小，另一电机保持不变，直到所测距离在设定范围内；当前方的第三超声波传感器21和左右两边的第一超声波传感器19、第二超声波传感器20都检测到设定大距离时，同理，利用差速法实现拐弯。

为了克服使用延时转弯不能做到精准转弯、受环境因素影响大的问题，本实施例的田间智能播种机器人使用程序的条件判读，从而决定了机器人的行进的条件和播种的条件；拐弯时，第三超声波传感器21加快检测速度，直到所测距离达到设定距离时，拐弯动作停止，进入下一直走动作；当刚进入新垄道时，开始端加大差速，使机器人更快摆正行驶方向。

第一超声波传感器19、第二超声波传感器20和第三超声波传感器21测得的距离采用二次判定，即当所测得的距离满足动作变换条件时，采用再次判定，当两次都满足条件时才继续执行下一动作，避免电波抖动带来程序的错误执行，提高机器人的工作稳定性。

机器人有两种播种方式：其一，定点播种：事先设定好播种位置，当机器人的第一红外传感器17和第二红外传感器18识别到特定的播种位置后才停下播种，灵活性较大；其二，定距离播种，即每行驶一定距离(该距离可以通过主控单元5修改)后停下播种，再启动、播种，以此类推，适合流水工作。

测速模块通过霍尔传感器和码盘测为出电机转速、行驶距离、行驶速度作为装置行驶田垄的参照条件，确定机器人在田垄中的位置和作为装置定向转向的依据，码盘每转过一圈，会产生两个脉冲，采集单位时间内脉冲个数，再由车轮的半径得知车轮的周长，可计算出机器人行驶的速度；此外，还可以通过控制脉冲的个数来实现机器人行驶一定距离，进而实现定距离播种方式。

根据测出的各个方面的距离调整主控单元5的PWM参数以产生特定的PWM波控制电机驱动单元11进一步控制第一电机12和第二电机13的输入电压以控制电机的转速，实现装置行驶田垄的功能；当机器人即将到达播种位置时，通过改变PWM参数，使机器人减慢速度，较慢的速度能减少机器人动量，减小停车距离，使识别到播种位置时停下来更快、更稳，从而提高播种准确率；当播完种后以全速行驶，减少机器人的行驶时间，提高播种的整体工作效率。

通过中断功能进入播种阶段，当遇到触发条件时，程序进入中断，开始优先级更高的动作。当中断程序完成后控制部件会跳出中断程序回到原程序继续执行下一行的指令，控制部件不断重复地对距离和程序设定值进行比较和对中断的判断来完成装置行驶田垄和进行精准播种的功能。

综上所述，本发明通过红外传感器识别播种装置在播种板上的位置以实现精确播种，而且根据特定播种装置能实现种子分粒及快速播种，通过履带底盘上左右车轮的测速模块能够实现定距离播种，通过超声波传感器测距识别机器人到垄壁的距离，能够自动调整机器人的前进方向，保证不碰壁，通过超声波测得的距离判断机器人是否需要拐弯，拐弯过程中，控制超声波快速测距，直到达到设定的距离时才停止拐弯动作，继续行驶；此外，由于田间土地松软，轮子容易下陷，故本发明采用了履带底盘的结构，使机器人的行驶过程更平稳；本发明是集机械、电子、控制、计算机、传感器等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.田间智能播种机器人，其特征在于：包括控制模块、驱动模块、红外传感器、超声波传感器、播种装置和履带底盘，所述播种装置倾斜设置，所述控制模块设置在履带底盘上，所述驱动模块与履带底盘连接，用于驱动履带底盘行驶，所述履带底盘的左、右车轮均设有测速模块，驱动模块、测速模块、红外传感器、超声波传感器和播种装置分别与控制模块连接。

2.根据权利要求1所述的田间智能播种机器人，其特征在于：还包括水平旋转模块，所述播种装置与水平旋转模块连接，所述水平旋转模块与控制模块连接，用于带动播种装置水平旋转。

3.根据权利要求2所述的田间智能播种机器人，其特征在于：所述水平旋转模块包括第一舵机和水平旋转云台，所述第一舵机、水平旋转云台和播种装置依次连接，且第一舵机与控制模块连接。

4.根据权利要求1所述的田间智能播种机器人，其特征在于：所述控制模块包括主控单元、降压单元、电路放大单元和电源单元，所述电源单元与降压单元连接，所述降压单元分别与主控单元、驱动模块、测速模块、红外传感器、超声波传感器、播种装置连接，所述主控单元还分别与测速模块、红外传感器、超声波传感器、播种装置连接，并通过电路放大单元与驱动模块连接。

5.根据权利要求1所述的田间智能播种机器人，其特征在于：所述驱动模块包括电机驱动单元、第一电机和第二电机，所述第一电机和第二电机左右设置，且第一电机用于带动履带底盘的左车轮转动，并与左车轮的测速模块连接，第二电机用于带动履带底盘的右车轮转动，并与右车轮的测速模块连接，所述电机驱动单元与控制模块连接，并分别与第一电机、第二电机连接。

6.根据权利要求1所述的田间智能播种机器人，其特征在于：所述超声波传感器有三组，每组超声波传感器包括超声波发射器和超声波接收器，其中两组超声波传感器左右相对设置，另一组超声波传感器设置在履带底盘的前方。

7.根据权利要求6所述的田间智能播种机器人，其特征在于：设置在履带底盘前方的超声波传感器还连接有第二舵机。

8.根据权利要求1所述的田间智能播种机器人，其特征在于：所述播种装置包括排种器、播种管和第三舵机，所述播种管分为上下两部分，上下两部分均具有等间距的凹槽，且上下两部分的凹槽等距错开，所述排种器与播种管的其中一端固定连接，所述第三舵机与控制模块连接，用于带动排种器和播种管垂直旋转。

9.根据权利要求8所述的田间智能播种机器人，其特征在于：所述排种器内设有毛刷。

10.基于权利要求1-9任一项所述机器人的播种方法，其特征在于：所述方法包括定点播种和定距离播种；

所述定点播种包括：设定播种位置，通过履带底盘带动机器人行驶，当红外传感器识别到设定的播种位置后，停止行驶，通过播种装置进行播种；

所述定距离播种包括：机器人每行驶一定距离后停止，通过播种装置进行播种。