CN108717294A - 一种视觉导航的设施大棚管理机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种视觉导航的设施大棚管理机器人及其控制方法，该管理机器人包括机架、机轮、视觉导航模块，控制系统、动力系统、传动系统以及载具安装机构；所述机轮安装于机架下方；所述视觉导航模块设置于机架前端，与控制系统连接；所述动力系统设置于机架上，其与传动系统连接；所述传动系统设置于机架上，其与载具安装机构连接；所述载具安装机构设置于机架后端；所述控制系统设置于机架上、与动力系统、传动系统和载具安装机构连接。本发明具有经济、高效和环保等特点；此外，整机结构、控制装置可以简化，生产效率高，用工成本低。另外，可以更换不同的载具，完成旋耕、开沟、起垄、覆膜、播种、施肥和植保喷药等功能。

Description

一种视觉导航的设施大棚管理机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种温室大棚管理机械，特别是涉及一种基于视觉导航的设施大棚管理机器人及其控制方法。

背景技术

自动导航技术是实现设施农业机械自动化、智能化和信息化的关键技术，广泛应用于耕作、播种、施肥、喷药、收获等农业生产过程。

机器视觉由于其在价格、抗干扰性等方面的优势，成为近年来导航技术研究的热点。基于机器视觉的农业导航机器人，通过CCD摄像机对周围环境进行实时探测，对获取的图像进行分析处理，检测得到导航路径，使用机器视觉导航技术，摄像机可长时间不间断的对农田信息进行采集，驾驶员不用长久的注意路面情况，对于减轻驾驶员工作强度具有重要帮助。

因此开发一套操作简便、导航精度高、经济适用的大棚管理机械是亟待解决的问题。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种基于视觉导航的设施大棚管理机器人及其控制方法。

技术方案：本发明实施例提供了一种视觉导航的设施大棚管理机器人，包括机架、机轮、视觉导航模块，控制系统、动力系统、传动系统以及载具安装机构；

所述机轮安装于机架下方；

所述视觉导航模块设置于机架前端，与控制系统连接；

所述动力系统设置于机架上，其与传动系统连接；

所述传动系统设置于机架上，其与载具安装机构连接；

所述载具安装机构设置于机架后端；

所述控制系统设置于机架上、与动力系统、传动系统和载具安装机构连接。

优选的，所述控制系统包括工控机、转向控制器和载具控制器；所述工控机与视觉导航模块、转向控制器和动力系统连接；所述动力系统通过传动系统与与载具控制器和机轮连接，所述转向控制器安装于扶手上，与工控机和机轮连接，载具控制器与载具连接。

优选的，所述转向控制器为电推杆，所述电推杆有两个，分别安装于机架左右两个扶手上，并分别与左侧和右侧机轮连接。

优选的，所述传动系统包括V带和变速箱，所述动力系统输出轮通过V带与所述变速箱输入轮连接，所述变速箱与机轮和载具控制器连接。

优选的，所述载具控制器包括齿轮泵和液压机构，所述齿轮泵与液压机构连接，所述液压机构与载具连接。

优选的，所述视觉导航模块包括导航摄像头和超声波防撞机构。

优选的，所述动力系统为三相交流异步电机。

优选的，所述载具安装机构包括三点悬挂机构和载具支撑轴，所述三点悬挂机构设置于机架后端，扶手下方；所述载具支撑轴固定安装于机架底部，与三点悬挂机构一起用于固定载具。

本发明另一实施例中，提供了一种基于上述视觉导航的设施大棚管理机器人的控制方法，该方法包括：

视觉导航模块对图像信息进行采集，利用导航摄像头实时检测温室大棚内植株行的图像数据，提供周围360°范围内信息的图像数据，并将这些图像数据信息反馈给工控机；

工控机进行图像信息处理，并控制管理机器人执行相应的动作，工控机对接收到的图像数据信息进行图像灰度化、降噪处理，并应用最小二乘法对导航路径进行拟合，控制管理机的转向，依靠扶手上的两个电推杆来执行管理机的转向，实现准直线自主行走；同时控制液压机构控制载具的上下移动。

进一步的，该控制方法具体为：

(1)工控机串口初始化，检测驱动器，管理机视觉导航模块初始化；

(2)视觉导航模块系统启动定时器，管理机导航模式开启，工控机首先通过导航摄像头采集的大棚内农作物图像信息来确定管理机位置坐标及航向信息；然后工控机对图像信息进行处理，并提取视觉导航参数，在色彩空间对目标点进行二值化处理；最后再根据图像信息以及确定的管理机位置坐标和航向信息进行决策分析，进而实现自主导航；

(3)工控机对处理后的数据信息进行路径规划和运动学求解，提取出合适的导航路线，并应用最小二乘法计算出从航线到基准线的偏移量，从而换算为管理机左右轮的速度差值，实现方向控制；

(4)当导航线像素点数小于20时，如果工控机检测到超声波壁障，则小车继续行走；若工控机检测到大棚内植株行特征逐渐减少至消失，说明管理机到达地头，整个任务结束，小车停止行走；

(5)启动导航模式的同时，人工设置是否开启超声波防撞机构，如果启动，则超声波防撞机构将对前方范围内障碍物进行实时监测，如果检测到障碍物，则发送命令1，进行程序控制避障；如果没有检测到障碍物，则发送命令2，继续读取一帧图像，重复步骤(2)-(4)直至任务结束。

有益效果：与现有技术相比，本发明的设施大棚管理机器人优先采用三相交流异步电动机，具有经济、高效和环保等特点；此外，整机还配备导航摄像头及控制系统，操作方便，能够提高设施大棚田间管理机械的效率和农机操作人员的操作舒适性。其次设备购置成本和使用成本低，整机结构、控制装置可以简化。再次，该设施管理机器人生产效率高，降低用工成本。另外，通过设置载具安装结构可以更换不同的载具，完成旋耕、开沟、起垄、覆膜、播种、施肥和植保喷药等功能。

附图说明

图1是设施大棚管理机器人结构图示意图；

图2是设施大棚管理机器人传动原理图；

图3是管理机器人视觉导航原理图；

图4是本发明控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的一种视觉导航的设施大棚管理机器人(以下简称管理机)，包括机架、机轮、视觉导航模块，控制系统、动力系统、传动系统以及载具安装机构；所述机轮安装于机架下方；所述视觉导航模块设置于机架前端，与控制系统连接；所述动力系统设置于机架上，其与传动系统连接；所述传动系统设置于机架上，其与载具安装机构连接；所述载具安装机构设置于机架后端；所述控制系统设置于机架上、与动力系统、传动系统和载具安装机构连接。

图1为本发明实施例提供的设施大棚管理机器人的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的一种视觉导航的设施大棚管理机器人，包括机架1、机轮2、视觉导航模块、动力系统、传动系统、控制系统以及载具安装机构4；其中四个机轮安装在机架下方，前后各两个；视觉导航模块包括导航摄像头3和超声波防撞机构13，导航摄像头安装于机架正前端，超声波防撞机构安装于导航摄像头下方；动力系统为三相交流异步电机5，该三相交流异步电机安装于机架前端，传动系统包括V带6和变速箱10，三相交流异步电机的输出轮7通过V带与变速箱的输入轮8连接，变速箱采用齿轮传动，传动效率高，适应各种土壤，保证管理机器人具有更长的使用寿命。控制系统包括工控机9、转向控制器11和载具控制器，工控机为PC机，；转向控制器为设置于左右扶手上的两个电推杆，左侧扶手上的电推杆与左侧的两个机轮连接，右侧扶手上的电推杆与右侧的两个机轮连接；载具控制器包括齿轮泵12和液压机构，液压机构包括换向阀和自锁机构，自锁机构为液压锁；齿轮泵的输入与变速箱连接，输出与液压机构的换向阀连接，换向阀通过液压锁与载具连接。载具安装结构包括三点悬挂机构41和载具支撑轴42，用来挂载各种载具。PC机与三相交流异步电机和导航摄像头连接；三相交流异步电机与变速箱连接，变速箱与机轮和齿轮泵连接，齿轮泵与液压机构的换向阀连接，液压机构的换向阀通过液压锁与载具连接，可见图3所示。

该管理机的传动系统如图2所示，由三相异步交流电机带动V带，V带驱动变速箱，从而驱动管理机的轮子实现自主行走，管理机转向由扶手处左右电推杆控制，一边锁死另一边转向。另一方面三相交流异步电机带动V带，V带驱动变速箱，传递给齿轮泵控制液压机构，由液压机构控制载具的升降。

管理机作业时：利用全方位视觉传感器(导航摄像头)提供周围360°范围内的图像信息实现管理机自动导航的定位。在自主行走过程中，依靠机器视觉系统，管理机能够随时准确定位位置信息，并且安装了超声波防撞机构，可人工控制它的开启，通过 PC机(工控机)可以收集数据信息。即：导航摄像头用于实时采集大棚内的图像数据，检测温室大棚内植株行的位置数据，其检测范围为图1-2中A所示范围，同时设置了超声波防撞机构13，以躲避障碍；三相交流异步电机为管理机提供动力，除用来驱动载具 (旋耕、开沟、起垄覆膜等)外，也通过变速箱驱动后面的驱动车轮行走。导航摄像头采集的数据信息反馈给工控机，用来生成导航路径，控制系统用来控制管理机的转向，依靠扶手上的两个电推杆来执行管理机的转向，实现准直线自主行走，左侧电推杆通过左侧拉线与左侧机轮连接，实现左侧两个机轮的转向控制；右侧电推杆通过右侧拉线与右侧机轮连接，实现右侧两个机轮的转向控制。变速箱作用是减速增扭，即将三相交流异步电机转速减至载具所需的转速，同时增大驱动轴输出转矩，驱动载具作业；变速箱的操控设计为电动可控、实现启停、左转和右转的控制。所述V带将三相交流异步电机的输出转速传递给变速箱，作为变速箱的输入，变速箱带动机轮运转，或者带动齿轮泵通过液压机构实现载具的升降。具体为：

行走时：三相交流异步电机通过V带将动力传输给变速箱，变速箱将三相交流异步电机输出的转速减至载具所需的转速，同时增大驱动轴输出转矩，驱动载具作业；同时驱动后面的两个机轮运动，实现整机的行走。

转向时：单侧电推杆带动单侧机轮进行转向，实现整机的转向。

载具升降时：三相交流异步电机通过V带将动力传输给变速箱，变速箱将三相交流异步电机输出的转速减至齿轮泵所需的转速，驱动齿轮泵进一步驱动液压机构实现载具的升降。

信号及动力传输线路包括：一路为：导航摄像头与工控机连接，工控机与电机连接，电机与变速箱连接，变速箱与机轮连接。

另一路为：导航摄像头与工控机连接，工控机与电机连接，电机与变速箱连接，变速箱与齿轮泵连接，齿轮泵与液压机构连接，液压机构与载具连接。

再一路为：导航摄像头与工控机连接，工控机与电推杆连接，电推杆与机轮连接。同时电推杆的信号反馈给工控机。

本发明实施例的管理机具有通用底盘(机架)，通过设置三点悬挂机构可以更换不同的载具，完成旋耕、开沟、起垄、覆膜、播种、施肥和植保喷药等功能，还能用于田间运输，从而实现对设施大棚作业的机械化、自动化与集约化。改现有的柴油动力为三相交流异步电机，避免了废气污染大棚内环境。在大棚内均匀布置4台接收器，导航摄像头安装在管理机器人前方，管理机器人在行进中实时采集图像，将图像数据进行处理转换为工控机可以识别的数据，通过工控机将信号数据传递给转向控制器，同时，转向控制器将反馈信号给工控机。将变速箱的操控设计为电动可控，实现启停、左转和右转的控制；载具同样由电机带动V带，V带驱动变速箱，传递给齿轮泵控制液压机构，由液压机构控制载具的升降。工控机通过RS232与继电器模组连接，控制继电器模组输出开关信号；通过电磁继电器与电推杆连接，控制并驱动电推杆，实现左右转向控制电推杆与同侧的机轮连接。视觉信息通过摄像头、图像采集卡进入工控机，按照工况要求实现导航和转向控制。视觉导航直线行走原理如图3所示。

该管理机器人在设施大棚呢完成自主行走，能够保证直线行走，并且在一垄到头后可以自动识别转弯，继续行进到下一垄；在整个自主行走过程中依靠机器视觉，管理机能够随时准确定位位置信息，并通过工控机收集数据信息；管理机器人采用电动式，载具可以根据大棚耕作需要更换，完成旋耕、开沟、起垄、覆膜和播种等作业。

一种基于视觉导航的设施大棚管理机器人的控制方法，包括视觉导航模块对图像信息进行采集，利用导航摄像头实时检测温室大棚内植株行的图像数据，提供周围360°范围内信息的图像数据，并将这些图像数据信息反馈给工控机；

工控机进行图像信息处理，并控制管理机器人执行相应的动作，工控机对接收到的图像数据信息进行图像灰度化、降噪处理，并应用最小二乘法对导航路径进行拟合，控制管理机的转向，依靠扶手上的两个电推杆来执行管理机的转向，实现准直线自主行走；同时控制液压机构控制载具的上下移动。

如图4所示，该控制方法具体为：

(1)工控机串口初始化，检测驱动器，管理机视觉导航模块初始化；

(2)视觉导航模块系统启动定时器，管理机导航模式开启，工控机首先通过导航摄像头采集的大棚内农作物图像信息来确定管理机位置坐标及航向信息；然后工控机对图像信息进行处理，并提取视觉导航参数，在色彩空间对目标点进行二值化处理；最后再根据图像信息以及确定的管理机位置坐标和航向信息进行决策分析，进而实现自主导航；

(3)工控机对处理后的数据信息进行路径规划和运动学求解，提取出合适的导航路线，并应用最小二乘法计算出从航线到基准线的偏移量，从而换算为管理机左右轮的速度差值，实现方向控制；

(4)当导航线像素点数小于20时，如果工控机检测到超声波壁障(即导航线没有到尽头，不接受命令1)，则管理机(小车)继续行走；若工控机检测到大棚内植株行特征逐渐减少至消失(即导航线到尽头，接受命令1)，说明管理机(小车)到达地头，整个任务结束，管理机(小车)停止行走；

当导航线像素点数大于20时，导航线还没有到尽头，管理机(小车)继续行走，直到导航线像素点数小于20，再进一步判断。

(5)启动导航模式的同时，人工设置是否开启超声波防撞机构，如果启动，则超声波防撞机构将对前方范围内障碍物进行实时监测，如果检测到障碍物，则发送命令1，进行程序控制避障；如果没有检测到障碍物，则发送命令2，继续读取一帧图像，重复步骤(2)-(4)直至任务结束。

该控制方法采用的控制算法为PID算法，管理机的自主导航控制通过工控机来实现。在控制系统的应用中，PID控制算法是应用最广泛的一种算法，PID控制器是根据 PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。同时，控制器具有参数易调整、算法简单、鲁棒性强、系统无静差等优点。

操作步骤为：通过三点悬挂机构，安装相应载具；启动工控机；通过操作软件，启动电动机；通过操作手柄，调整载具至合理工作位置；通过操作软件，启动导航工作程序。

动力条件：温室大棚与露地相比，具备供电条件，为各类用电设备的应用提供了保障。从实际供电条件来看，一般温室大棚中220V电源更加容易满足，因此本发明优先采用三相交流异步电动机。由于整机采用了纯电力驱动，与传统的内燃机械相比，整机具有经济、高效和环保等特点，此外，整机还配备导航摄像头，操作方便，能够提高设施大棚田间管理机械的效率和农机操作人员的操作舒适性。

从动力装置来看，汽油机或柴油机和电动机均应用成熟，各有所长，在供电能够得到保障的情况下，电动机更具优势。目前，使用汽油机或柴油机的微耕机已经得到应用，在此基础上，将动力装置由汽油机或柴油机改为电动机，并对现有微耕机从结构到电气控制系统加以改造，以适应动力装置的变化，从技术上看是完全可行的。

目前，市场上简易管理机的价格一般在3000元/台左右，而标准型微耕机价格达4000～7000元/台，在使用过程中，燃油成本、设备维护成本都较高。设施大棚管理机器人不仅电机成本比汽油机或柴油机成本低很多，整机结构、控制装置可以简化，成本可降低1000～2000元/台。此外，在使用过程中，设施大棚管理机机器人以电力为动力，相比燃油成本大幅降低，设备维护成本也有所下降，因此，从设备购置成本和使用成本上看，多功能设施大棚管理机都具有较大的优势。

人工移栽秧苗的平均速度一般为10～15棵/分钟，连续工作会使人疲劳，很难长久保持高效率；本发明研制的穴盘苗移栽机可达80～100棵/分钟，效率提高6～8倍，而商品化后价格预计控制在10000元左右，中小规模农户在经济上是完全可以承受的，在劳动力成本日益提高的今天，移栽机的应用将大幅度提高生产效率，降低用工成本。

Claims (10)

1.一种视觉导航的设施大棚管理机器人，其特征在于：包括机架、机轮、视觉导航模块，控制系统、动力系统、传动系统以及载具安装机构；

所述机轮安装于机架下方；

所述视觉导航模块设置于机架前端，与控制系统连接；

所述动力系统设置于机架上，其与传动系统连接；

所述传动系统设置于机架上，其与载具安装机构连接；

所述载具安装机构设置于机架后端；

所述控制系统设置于机架上、与动力系统、传动系统和载具安装机构连接。

2.根据权利要求1所述的一种视觉导航的设施大棚管理机器人，其特征在于：所述控制系统包括工控机、转向控制器和载具控制器；所述工控机与视觉导航模块、转向控制器和动力系统连接；所述动力系统通过传动系统与与载具控制器和机轮连接，所述转向控制器安装于扶手上，与工控机和机轮连接，载具控制器与载具连接。

3.根据权利要求2所述的一种视觉导航的设施大棚管理机器人，其特征在于：所述转向控制器为电推杆，所述电推杆有两个，分别安装于机架左右两个扶手上，并分别与左侧和右侧机轮连接。

4.根据权利要求2所述的一种视觉导航的设施大棚管理机器人，其特征在于：所述传动系统包括V带和变速箱，所述动力系统输出轮通过V带与所述变速箱输入轮连接，所述变速箱与机轮和载具控制器连接。

5.根据权利要求2所述的一种视觉导航的设施大棚管理机器人，其特征在于：所述载具控制器包括齿轮泵和液压机构，所述齿轮泵与液压机构连接，所述液压机构与载具连接。

6.根据权利要求1所述的一种视觉导航的设施大棚管理机器人，其特征在于：所述视觉导航模块包括导航摄像头和超声波防撞机构。

7.根据权利要求1所述的一种视觉导航的设施大棚管理机器人，其特征在于：所述动力系统为三相交流异步电机。

8.根据权利要求1所述的一种视觉导航的设施大棚管理机器人，其特征在于：所述载具安装机构包括三点悬挂机构和载具支撑轴，所述三点悬挂机构设置于机架后端，扶手下方；所述载具支撑轴固定安装于机架底部，与三点悬挂机构一起用于固定载具。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的视觉导航的设施大棚管理机器人的控制方法，其特征在于，该方法包括：

视觉导航模块对图像信息进行采集，利用导航摄像头实时检测温室大棚内植株行的图像数据，提供周围360°范围内信息的图像数据，并将这些图像数据信息反馈给工控机；

工控机进行图像信息处理，并控制管理机器人执行相应的动作，工控机对接收到的图像数据信息进行图像灰度化、降噪处理，并应用最小二乘法对导航路径进行拟合，控制管理机的转向，依靠扶手上的两个电推杆来执行管理机的转向，实现准直线自主行走；同时控制液压机构控制载具的上下移动。

10.根据权利要求9所述的一种基于视觉导航的设施大棚管理机器人的控制方法，其特征在于，该控制方法具体为：

(1)工控机串口初始化，检测驱动器，管理机视觉导航模块初始化；

(2)视觉导航模块系统启动定时器，管理机导航模式开启，工控机首先通过导航摄像头采集的大棚内农作物图像信息来确定管理机位置坐标及航向信息；然后工控机对图像信息进行处理，并提取视觉导航参数，在色彩空间对目标点进行二值化处理；最后再根据图像信息以及确定的管理机位置坐标和航向信息进行决策分析，进而实现自主导航；

(3)工控机对处理后的数据信息进行路径规划和运动学求解，提取出合适的导航路线，并应用最小二乘法计算出从航线到基准线的偏移量，从而换算为管理机左右轮的速度差值，实现方向控制；

(4)当导航线像素点数小于20时，如果工控机检测到超声波壁障，则小车继续行走；若工控机检测到大棚内植株行特征逐渐减少至消失，说明管理机到达地头，整个任务结束，小车停止行走；

(5)启动导航模式的同时，人工设置是否开启超声波防撞机构，如果启动，则超声波防撞机构将对前方范围内障碍物进行实时监测，如果检测到障碍物，则发送命令1，进行程序控制避障；如果没有检测到障碍物，则发送命令2，继续读取一帧图像，重复步骤(2)-(4)直至任务结束。