CN109122640A - 自平衡农用植保机器人 - Google Patents
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Abstract
自平衡农用植保机器人属于农业机械技术领域，主要由农业溶液盛装容器，行走轮，自平衡装置，机器视觉模块，激光循迹模块，变量喷施液体装置，静止承托支架，遥控装置，电池组，喷施液体所需的管路等组成。本发明专利在于提供一种独轮的、具有自平衡性能的农用植保机器人，其工作过程中可精确或者变量喷施农业液体药剂或者液体肥料，其作业过程可自动或者半自动。本发明专利的推广能够降低农民的劳动强度，保护农民的生命健康。本发明专利与现有的高地隙喷药机相比能降低植保作业对作物秧苗的伤害，与现有的植保无人机相比，能够显著降低雾滴漂移。
Description
技术领域
本发明专利属于农业机械技术领域，具体涉及一种行间作业的具有自平衡特征的自动或半自动农用植保机械。
背景技术
农业机械进入田间作业不可避免地会造成作物秧苗的损害，这一直是田间植保作业亟需解决的问题之一。大多数植保机械进入田间作业需要跨越作物行，造成秧苗损害的原因主要包括作业机械离地间隙低以及轮胎或者履带过宽。因此，研发不需要跨越作物行，可在作物行间进行作业的窄轮宽作业机械可解决上述问题。
目前，农药、化肥的过量施用造成了粮食安全隐患，同时也增加了农业生产的成本，不仅如此，人工喷施农药还威胁农民的生命健康安全。因此，研发可以变量以及精量喷施农药、液体肥料的自动作业或半自动作业的机械可以解决上述问题。
发明内容
本发明专利在于提供一种独轮的、具有自平衡性能的农用植保机器人，本发明专利应达到的技术指标为可精确或者变量喷施农业液体药剂或者液体肥料，其作业过程可自动或者半自动。
自平衡农用植保机器人包括农业溶液盛装容器，行走轮，自平衡装置，机器视觉模块，激光循迹模块，变量喷施液体装置，静止承托支架，遥控装置；还包括电池组，喷施液体所需的管路。所述自平衡农用植保机器人能够以独轮自平衡的方式进行自动或者遥控作业，自平衡农用植保机器人的两端均可以作为行进时的前端，且可以在田间地头转向。因其轮胎窄，且不需要跨越作物行作业，因此可以降低植保作业过程中对秧苗的损害。自动作业或者遥控作业可使农民远离药剂或者肥料，既降低了农民的劳动强度、又保障了农民的生命健康。
所述的农业溶液盛装容器可盛装液体药剂或者肥料，为T型包围式设计，依据机器视觉模块、激光循迹模块、变量喷施液体装置、行走轮、自平衡装置、适配的供电电池组的尺寸设计有安装槽，安装槽处的壁厚与其余部位的壁厚相等。
所述的行走轮的轮毂上安装伺服轮毂电机，轮胎可选用充气或免充气橡胶轮胎。
所述的自平衡装置包含陀螺仪，铅芯平衡摆，铅芯平衡摆伺服电机，控制单元，控制单元可独立自动作业或者接收遥控信号。
所述的机器视觉模块由工业摄像头、视觉光源、红外避障传感器、图像处理单片机、图像处理算法、避障算法组成；避障算法为自平衡农用植保机器人两侧的红外避障传感器检测两侧作物行距离传感器自身的距离，然后通过设定距离差阈值确定自平衡农用植保机器人是否处于作物行的中间。
所述的激光循迹模块由激光发射器、激光接收器与数据输出单元组成，数据输出单元可兼容串行通信协议、并行通信协议与数据通信协议。通过田间目标位置设定的靶标，可自动引导本发明的自平衡农用植保机器人行进。
所述的变量喷施液体装置包含基于脉冲宽度调制的喷头、电动泵体和变量喷施控制装置，变量喷施控制装置可独立自动工作或者接收遥控信号；变量喷施控制装置可以依据农田中作物密度、杂草密度改变液体喷施量，或者依据机器视觉模块识别的作物或者杂草位置，进行精确喷施。
所述的静止承托支架由电动伸缩机构及其控制模块组成，控制模块可独立自动工作或者接收遥控信号。
所述的遥控装置可接收无线保真、蓝牙或者红外控制信号。
所述的铅芯平衡摆为倒立钟摆型，其质心位于距离摆轴1/3至4/5处。
所述的控制单元驱动伺服轮毂电机与铅芯平衡摆伺服电机运动，伺服轮毂电机的转动量由如下公式确定：
其中，以垂直于地面向上的方向为z轴，以自平衡农用植保机器人带有静止承托支架的一侧为y轴建立右手笛卡尔坐标系，为陀螺仪检测到当前时刻自平衡农用植保机器人绕x轴方向的倾角，k为计时起点时刻，k-1为前1时刻，k-2则为前2时刻，P为比例常数，t为时间间隔，为伺服轮毂电机需要调整的角度；
铅芯平衡摆伺服电机转动量由如下公式确定：
其中，以垂直于地面向上的方向为z轴，以自平衡农用植保机器人带有静止承托支架的一侧为y轴建立右手笛卡尔坐标系，为陀螺仪检测到当前时刻自平衡农用植保机器人绕y轴方向的倾角，k为计时起点时刻，k-1为前1时刻，k-2则为前2时刻，Q为比例常数，t为时间间隔，为铅芯平衡摆伺服电机需要向反方向调整的角度。
所述的工业摄像头在自平衡农用植保机器人的两端各有2组，每组的拍摄角度可以调整，调整的范围为135°的球面以内，球面以工业摄像头的主光轴和安装平面的交点为坐标原点，视觉光源可依据工业摄像头主光轴的角度调整而改变其照射方向。
所述的图像处理算法为首先将采集的视频流分解为单帧图像，然后将图像进行配准，灰度变化后进行HSV色彩空间变换，进而采用色彩直方图的反向投影确定图像中的目标物体，最后确定图像中目标物体的面积与宽高比，从而确定图像中的物体属于种植作物还是杂草，最后依据两组工业摄像头的双目视觉性能，对种植作物或者杂草进行精确定位。
本发明专利能够降低农民的劳动强度，保护农民的生命健康。本发明专利与现有的高地隙喷药机相比能降低植保作业对作物秧苗的伤害，与现有的植保无人机相比，能够显著降低雾滴漂移；除此之外，本发明专利的制造成本要远远低于现有的高地隙喷药机与植保无人机。
附图说明
图1为自平衡农用植保机器人的整体三维结构示意图。
图2为农业溶液盛装容器的整体三维结构示意图。
图3为行走轮的整体三维结构示意图。
图4为铅芯平衡摆与铅芯平衡摆伺服电机的三维结构示意图。
图5为机器视觉模块的三维结构示意图。
图6为激光循迹模块的三维结构示意图。
其中：1. 农业溶液盛装容器；2. 行走轮；3. 机器视觉模块；4. 激光循迹模块；5.静止承托支架；6. 基于脉冲宽度调制的喷头；7. 激光循迹模块安装槽；8. 机器视觉模块安装槽；9. 箱体盖；10. 铅芯平衡摆安装槽；11. 基于脉冲宽度调制的喷头安装槽；12. 行走轮安装槽；13. 适配的供电电池组安装槽；14. 行走轮的轮毂；15. 行走轮的轮胎；16.伺服轮毂电机；17. 轮轴；18. 铅芯平衡摆；19. 摆轴；20. 铅芯平衡摆伺服电机；21. 视觉光源；22. 工业摄像头；23. 红外线发射传感器；24. 红外线接收传感器；25. 激光发射器Ⅰ；26. 激光接收器Ⅰ；27. 激光收发灵敏度调节装置Ⅰ；28. 激光收发灵敏度调节装置Ⅱ；29. 激光发射器Ⅱ；30. 激光接收器Ⅱ。
具体实施方式
如图1所示，自平衡农用植保机器人包括农业溶液盛装容器1，行走轮2，自平衡装置，机器视觉模块3，激光循迹模块4，变量喷施液体装置，静止承托支架5，遥控装置；所述自平衡农用植保机器人能够以独轮自平衡的方式进行自动或者遥控作业。
如图2所示，农业溶液盛装容器1可盛装液体药剂或者肥料，为T型包围式设计，依据各组件的尺寸设计有激光循迹模块安装槽7、机器视觉模块安装槽8、箱体盖9、铅芯平衡摆安装槽10、基于脉冲宽度调制的喷头安装槽11、行走轮安装槽12、适配的供电电池组安装槽13，安装槽处的壁厚与其余部位的壁厚相等。农业溶液盛装容器1为树脂材料制作，容积为30 L到50 L。
如图3所示，行走轮的轮毂14直径为30 cm至45 cm，行走轮的轮胎15宽度为5 cm至8 cm，轮毂上安装伺服轮毂电机16，轮毂电机的工作电压为37 V到72 V，轮胎15可选用充气或免充气橡胶轮胎。
自平衡装置包含陀螺仪，铅芯平衡摆18，铅芯平衡摆伺服电机20，控制单元；铅芯平衡摆如图4所示，由铅金属制成，控制单元可独立自动作业或者接收遥控信号，陀螺仪可实时测量横滚、倾斜、摇摆角度，误差<0.05°。
如图5所示，机器视觉模块由工业摄像头22、视觉光源21、红外线发射传感器23、红外线接收传感器24、图像处理单片机、图像处理算法、避障算法组成；避障算法为自平衡农用植保机器人两侧的红外避障传感器检测两侧作物行距离传感器自身的距离，然后通过设定距离差阈值确定自平衡农用植保机器人是否处于作物行的中间。当两侧的红外避障传感器检测两侧作物行距离传感器自身的距离差在允许的范围之内时，则认定自平衡农用植保机器人沿着作物行中间行进。
如图6所示，激光循迹模块由激光发射器Ⅰ25、激光接收器Ⅰ26、激光收发灵敏度调节装置Ⅰ27、激光收发灵敏度调节装置Ⅱ28、激光发射器Ⅱ29、激光接收器Ⅱ30与数据输出单元组成，数据输出单元可兼容串行通信协议、并行通信协议与数据通信协议。通过田间目标位置设定的靶标，可自动引导本发明的自平衡农用植保机器人行进；激光循迹模块共有2组，在自平衡农用植保机器人的两端各安装1组。
变量喷施液体装置包含基于脉冲宽度调制的喷头6、电动泵体和变量喷施控制装置，变量喷施控制装置可独立自动工作或者接收遥控信号；基于脉冲宽度调制的喷头共有4只，在自平衡农用植保机器人的两侧各安装2只，在喷施液体的过程中，电动泵体通过喷施液体所需的管路将农业溶液盛装容器中的液体抽吸至基于脉冲宽度调制的喷头；变量喷施控制装置可以依据农田中作物密度、杂草密度改变基于脉冲宽度调制的喷头工作时的占空比，从而调节液体喷施量，或者依据机器视觉模块识别的作物或者杂草位置，进行精确喷施。
静止承托支架5由电动伸缩机构及其控制模块组成，控制模块可独立自动工作或者接收遥控信号；当农业溶液盛装容器1中的液体耗尽或者作业结束时，静止承托支架5伸出，使自平衡农用机器人立于农田地表。
遥控装置可接收无线保真、蓝牙或者红外控制信号。
铅芯平衡摆18为倒立钟摆型，其质心位于距离摆轴19的1/3至4/5处。
控制单元驱动伺服轮毂电机16与铅芯平衡摆伺服电机20运动，伺服轮毂电机16的转动量由如下公式确定：
其中，以垂直于地面向上的方向为z轴，以自平衡农用植保机器人带有静止承托支架5的一侧为y轴建立右手笛卡尔坐标系，为陀螺仪检测到当前时刻自平衡农用植保机器人绕x轴方向的倾角，k为计时起点时刻，k-1为前1时刻，k-2则为前2时刻，P为比例常数，t为时间间隔，为伺服轮毂电机16需要调整的角度；
当陀螺仪检测到自平衡农用植保机器人有绕x轴方向的倾角时，伺服轮毂电机16则产生运动，以补偿自平衡农用植保机器人的位姿变化。
铅芯平衡摆伺服电机20转动量由如下公式确定：
其中，以垂直于地面向上的方向为z轴，以自平衡农用植保机器人带有静止承托支架5的一侧为y轴建立右手笛卡尔坐标系，为陀螺仪检测到当前时刻自平衡农用植保机器人绕y轴方向的倾角，k为计时起点时刻，k-1为前1时刻，k-2则为前2时刻，Q为比例常数，t为时间间隔，为铅芯平衡摆伺服电机20需要向反方向调整的角度。
当控制单元自动作业时，可使自平衡农用植保机器人保持于地表垂直的状态，自平衡农用植保机器人直线前进作业；当控制单元接收遥控信号时，按特定信号指令，铅芯平衡摆18向自平衡农用植保机器人前进方向的某一侧倾斜一定的角度，且保持一定的时间，起到使自平衡农用植保机器人转向的作用。
当陀螺仪检测到自平衡农用植保机器人有绕y轴方向的倾角时，铅芯平衡摆伺服电机20则产生运动，以补偿自平衡农用植保机器人的位姿变化。
工业摄像头22在自平衡农用植保机器人的两端各有2组，每组的拍摄角度可以调整，调整的范围为135°的球面以内，球面以工业摄像头的主光轴和安装平面的交点为坐标原点，视觉光源21可依据工业摄像头22主光轴的角度调整而改变其照射方向。
图像处理算法为首先将采集的视频流分解为单帧图像，然后将图像进行配准，灰度变化后进行HSV色彩空间变换，进而采用色彩直方图的反向投影确定图像中的目标物体，最后确定图像中目标物体的面积与宽高比，从而确定图像中的物体属于种植作物还是杂草，最后依据两组工业摄像头的双目视觉性能，对种植作物或者杂草进行精确定位。
本发明的自平衡农用植保机器人可在倾角<15°的农田中，持续作业8 km到10 km。
Claims (13)
1.自平衡农用植保机器人，其特征在于包括农业溶液盛装容器，行走轮，自平衡装置，机器视觉模块，激光循迹模块，变量喷施液体装置，静止承托支架，遥控装置。
2.如权利要求1所述的自平衡农用植保机器人，其特征在于所述的农业溶液盛装容器为T型包围式设计，依据机器视觉模块、激光循迹模块、变量喷施液体装置、行走轮、自平衡装置、适配的供电电池组的尺寸设计有安装槽，安装槽处的壁厚与其余部位的壁厚相等。
3.如权利要求1所述的自平衡农用植保机器人，其特征在于所述的行走轮的轮毂上安装伺服轮毂电机，轮胎可选用充气或免充气橡胶轮胎。
4.如权利要求1所述的自平衡农用植保机器人，其特征在于所述的自平衡装置包含陀螺仪，铅芯平衡摆，铅芯平衡摆伺服电机，控制单元，控制单元可独立自动作业或者接收遥控信号。
5.如权利要求1所述的自平衡农用植保机器人，其特征在于所述的机器视觉模块由工业摄像头、视觉光源、红外避障传感器、图像处理单片机、图像处理算法、避障算法组成。
6.如权利要求1所述的自平衡农用植保机器人，其特征在于所述的激光循迹模块由激光发射器、激光接收器与数据输出单元组成，数据输出单元可兼容串行通信协议、并行通信协议与数据通信协议。
7.如权利要求1所述的自平衡农用植保机器人，其特征在于所述的变量喷施液体装置包含基于脉冲宽度调制的喷头、电动泵体和变量喷施控制装置，变量喷施控制装置可独立自动工作或者接收遥控信号。
8.如权利要求1所述的自平衡农用植保机器人，其特征在于所述的静止承托支架由电动伸缩机构及其控制模块组成，控制模块可独立自动工作或者接收遥控信号。
9.如权利要求1所述的自平衡农用植保机器人，其特征在于所述的遥控装置可接收无线保真、蓝牙或者红外控制信号。
10.如权利要求4所述的自平衡装置，其特征在于所述的铅芯平衡摆为倒立钟摆型，其质心位于距离摆轴1/3至4/5处。
11.如权利要求4所述的自平衡装置，其特征在于所述的控制单元驱动伺服轮毂电机与铅芯平衡摆伺服电机运动，伺服轮毂电机的转动量由如下公式确定：
其中，以垂直于地面向上的方向为z轴，以自平衡农用植保机器人带有静止承托支架的一侧为y轴建立右手笛卡尔坐标系，为陀螺仪检测到当前时刻自平衡农用植保机器人绕x轴方向的倾角，k为计时起点时刻，k-1为前1时刻，k-2则为前2时刻，P为比例常数，t为时间间隔，为伺服轮毂电机需要调整的角度；
铅芯平衡摆伺服电机转动量由如下公式确定：
其中，以垂直于地面向上的方向为z轴，以自平衡农用植保机器人带有静止承托支架的一侧为y轴建立右手笛卡尔坐标系，为陀螺仪检测到当前时刻自平衡农用植保机器人绕y轴方向的倾角，k为计时起点时刻，k-1为前1时刻，k-2则为前2时刻，Q为比例常数，t为时间间隔，为铅芯平衡摆伺服电机需要向反方向调整的角度。
12.如权利要求5所述的机器视觉模块，其特征在于所述的工业摄像头在自平衡农用植保机器人的两端各有2组，每组的拍摄角度可以调整，调整的范围为135°的球面以内，球面以工业摄像头的主光轴和安装平面的交点为坐标原点，视觉光源可依据工业摄像头主光轴的角度调整而改变其照射方向。
13.如权利要求5所述的机器视觉模块，其特征在于所述的图像处理算法为首先将采集的视频流分解为单帧图像，然后将图像进行配准，灰度变化后进行HSV色彩空间变换，进而采用色彩直方图的反向投影确定图像中的目标物体，最后确定图像中目标物体的面积与宽高比。
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