CN109156463A - 一种自动化喷药机构的控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自动化喷药机构的控制系统及其控制方法，其特征在于，包括主机控制器，以及与所述主机控制器连接的PC端、视觉识别系统、喷药模块、左右伸缩机构和上下调节机构；所述PC端，针对不同植物虚拟调试出所述喷药机构的各种最佳喷药位置及最佳喷药量，并传输给所述主机控制器；所述主机控制器，接收、储存由所述PC端虚拟调试出的所述喷药机构的各种最佳喷药位置及最佳喷药量，并根据所述视觉识别系统的信息调用相对应的最佳喷药位置及最佳喷药量，来控制所述喷药模块、左右伸缩机构和上下调节机构动作。本发明提高了作业效率，能实现定点精准喷药，避免不必要的浪费，更能够适应复杂的农业环境。
Description
技术领域
本发明属于喷药机器人技术领域，具体涉及一种自动化喷药机构的控制系统及其控制方法。
背景技术
随着科技的进步，自动化、智能化已成为各个领域的前进发展方向，农业领域也不例外。目前，自动化在农业领域中正逐步体现出其重要性，尤其对于喷药这一方面，通过自动化作业，不但可以减少人们的劳动强度，而且机器做工还可以克服地形、天气、植物疏密状态等一些不利因素的影响，更为重要的是，通过机器人作业可有效减小喷药作业时农药对人体的伤害。故如何采用机器自动化作业已经成为国内外研究的主要问题。
发明内容
本发明设计了一种自动化喷药机构的控制系统及其控制方法，旨在提供一种稳定的喷药机构控制系统及控制方法，提高作业效率，能实现定点精准喷药，避免不必要的浪费，更能够适应复杂的农业环境。
为了实现上述目的，本发明一方面公开了：
一种自动化喷药机构的控制系统，包括主机控制器，以及与所述主机控制器连接的PC端、视觉识别系统、喷药模块、左右伸缩机构和上下调节机构；
所述PC端，针对不同植物虚拟调试出所述喷药机构的各种最佳喷药位置及最佳喷药量，并传输给所述主机控制器；
所述主机控制器，接收、储存由所述PC端虚拟调试出的所述喷药机构的各种最佳喷药位置及最佳喷药量，并根据所述视觉识别系统的信息调用对应的最佳喷药位置及最佳喷药量，来控制所述喷药模块、左右伸缩机构和上下调节机构动作。
进一步，所述喷药模块包括增压泵驱动模块、多个电磁继电器和多个电磁阀，所述增压泵驱动模块和多个电磁继电器分别与所述主机控制器连接，所述增压泵驱动模块驱动增压泵泵送药箱内的药水给各喷头，所述电磁继电器和所述电磁阀一一对应，所述电磁阀和所述喷头一一对应。
进一步，所述电磁继电器与所述主机控制器的对应端口相连，所述电磁阀的VCC接口与相对应电磁继电器的常开端相连，所述电磁阀控制相对应喷头的开关。
进一步，所述增压泵驱动模块的IN1、IN2、PWM接口分别与所述主机控制器中对应接口相连，所述增压泵驱动模块的VCC和GND接口分别与所述增压泵相连，所述增压泵进水口伸入药箱中，所述增压泵出水口与各喷头相连。
进一步，所述多个喷头分为两组，每组喷头设置在相对应的喷板上，所述喷板通过连接件和所述左右伸缩机构连接。
进一步，所述左右伸缩机构包括一对左右对称设置的平行四杆机构，所述平行四杆机构由相对应的舵机驱动以实现左右伸缩；所述舵机与所述主机控制器连接。
进一步，所述平行四杆机构包括顶杆、底杆和一对摆杆，设置在外侧的摆杆的上下两端分别通过相对应的销子与所述顶杆和底杆转动连接，设置在内侧的摆杆的上端通过相对应的销子与所述顶杆转动连接，设置在内侧的摆杆的下端通过相应舵机与所述底杆连接；所述顶杆的外端与相对应的安装喷头的喷板连接。
进一步，所述两个平行四杆机构的底杆加工成一体件；所述一体件底杆的中间部分与所述上下调节机构的丝杠螺母固连。
进一步，所述主机控制器是嵌入式控制器；所述主机控制器采用定时器产生若干路PWM波，所述若干路PWM波分别与所述舵机的传输端口相连接，在主控制器的指令下舵机执行相应动作从而带动平行四杆机构工作运动，实现对喷头水平距离的控制。
进一步，所述上下调节机构包括步进电机、丝杠和丝杠螺母，所述步进电机通过步进电机驱动器与所述主机控制器连接，所述左右伸缩机构安装在所述丝杠螺母上。
进一步，所述步进电机采用S型速度规划，步进电机启动、加速、停止的运行曲线规律做成标准模块并储存在所述主机控制器存储器中；所述步进电机控制器的PUL+、 PUL-、DIR+、DIR-分别与所述主机控制器对应端口相连，所述步进电机控制器的A+、A-、B+、B-端分别与所述步进电机相连，在所述主机控制器的指令下步进电机驱动带动所述丝杠转动，完成对喷头高度的控制。
进一步，所述PC端为电脑输入端，所述PC端的控制端口和数据接口分别与所述主机控制器的控制端口和数据端口相连。
为了实现上述目的，本发明另一方面公开了：
一种自动化喷药机构的控制方法，包括以下步骤：
步骤一，在PC端针对不同植物虚拟调试出喷药机构的各种最佳喷药位置及最佳喷药量并储存在主机控制器存储器中；
步骤二，定点定量喷药：所述主机控制器根据视觉识别系统传送的信息调用相对应的最佳喷药位置并发出指令给左右伸缩机构和上下调节机构、调用相对应的最佳喷药量并发出指令给喷药模块；所述左右伸缩机构、所述上下调节机构和所述喷药模块接收并执行所述主机控制器的指令，所述左右伸缩机构的各个舵机和上下调节机构的步进电机工作使喷药模块的喷头到达指定位置；所述喷药模块完成定量喷药；
步骤三，喷药结束后，所述视觉识别系统传送结束信息给所述主机控制器，所述主机控制器发送命令复位所述左右伸缩机构和上下调节机构。
进一步，上述步骤一中，虚拟调试的工作流程为：系统启动，初始化完毕；操作人员针对不同植物，在PC端显示屏上调节所述PC端虚拟出的左右伸缩机构的各个舵机转动方向、角度以及虚拟出的上下调节机构的步进电机启动、加速、停止的运行曲线规律，找出最佳喷药位置并储存在所述主机控制器存储器中；操作人员根据不同植物的不同喷药量要求，调节所述PC端上虚拟出的喷药模块的各电磁阀的开关和增压泵的工作时间，找出最佳喷药量并存储于所述主机控制器中。
进一步，上述步骤二中，定点定量喷药的工作流程为：所述视觉识别系统将检测到的植物特征信息反馈给所述主机控制器，所述主机控制器根据所述视觉识别系统反馈的信息分辨喷药作业目标，并调用相对应的最佳喷药位置和最佳喷药量；所述主机控制器根据调用的最佳喷药位置发出命令给左右伸缩机构的各个舵机和上下调节机构的步进电机，所述上下调节机构的步进电机驱动丝杠带动喷头到达指定高度，所述左右伸缩机构的各个舵机驱动相应的平行四杆机构上的喷头到达指定位置；所述主机控制器根据调用的最佳喷药量发出命令给喷药模块的各个电磁阀和增压泵，进行定量喷药作业。
该自动化喷药机构的控制系统及其控制方法具有以下有益效果：
（1）本发明中，操作人员可根据不同植物喷药要求通过控制界面快速调试喷药信息；通过PC端可将各种最佳喷药位置信息及最佳喷药量信息存储于主机控制器中，使用灵活，可有效提高喷药质量和效率。
（2）本发明中，平行四杆机构对边平行极具稳定性，可以使喷头快速又稳定地到达指定的喷药地点，反应快，容易上手，提高作业效率，并且其成本较低。
（3）本发明中，采用这样的控制系统，可以在设定环境条件下，实现喷头伸缩、定点喷药、精准喷药、变量喷药，更能够适应复杂的农业环境。
（4）本发明中，喷头可伸缩，既可实现定点精准喷药，又可以使该喷药机构在不喷药时结构紧凑、占地面积小。而且，本发明中，各喷头单独控制，竖直排列，操作灵活，喷射范围广，可避免不必要的浪费。
附图说明
图1：本发明实施方式中自动化喷药机构的控制系统的整体结构示意图；
图2：本发明实施方式中喷药机构的结构示意图；
图3：本发明实施方式中自动化喷药机构的控制系统的控制流程图；
图4：本发明实施方式中自动化喷药机构的控制系统的应用示意图。
附图标记说明：
1—PC端；2—主机控制器；3—视觉识别系统；41—增压泵驱动模块；42—增压泵；43—药箱；44—电磁阀；45—电磁继电器；46—喷头；47—喷板；5—左右伸缩机构；51—舵机；52—平行四杆机构； 6—上下调节机构；61—步进电机；62—步进电机控制器；63—丝杠；7—底盘。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明：
图1至图4示出了本发明自动化喷药机构的控制系统及其控制方法的具体实施方式。图1是本实施方式中自动化喷药机构的控制系统的结构示意图；图2是本实施方式中喷药机构的结构示意图；图3是本实施方式中自动化喷药机构的控制系统的控制流程图；图4是本实施方式中自动化喷药机构的控制系统的应用示意图。
如图1，本实施方式中的自动化喷药机构的控制系统，包括主机控制器2，以及与主机控制器2连接的PC端1、视觉识别系统3、喷药模块、左右伸缩机构5和上下调节机构6；
PC端1，针对不同植物虚拟调试出所述喷药机构的各种最佳喷药位置及最佳喷药量，并传输给主机控制器2；
主机控制器2，接收、储存由PC端1虚拟调试出的所述喷药机构的各种最佳喷药位置及最佳喷药量，并根据视觉识别系统3的信息调用对应的最佳喷药位置及最佳喷药量，来控制所述喷药模块、左右伸缩机构5和上下调节机构动作6。
优选地， PC端1为电脑输入端， PC端1的控制端口和数据接口分别与主机控制器2的控制端口和数据端口相连。
优选地，所述喷药模块包括增压泵驱动模块41、多个电磁继电器45和多个电磁阀44，增压泵驱动模块41和多个电磁继电器45分别与主机控制器2连接，增压泵驱动模块41驱动增压泵42泵送药箱43内的药水给各喷头46，电磁继电器45和电磁阀44一一对应，电磁阀44和喷头46一一对应，如图1和图2所示。
具体地，电磁继电器45与主机控制器2的对应端口相连，电磁阀44的VCC接口与相对应电磁继电器45的常开端相连，电磁阀44控制相对应喷头46的开关。
具体地，增压泵驱动模块41的IN1、IN2、PWM接口分别与主机控制器2中对应接口相连，增压泵驱动模块41的VCC和GND接口分别与增压泵42相连，增压泵42进水口伸入药箱43中，增压泵42出水口与各喷头46相连。
优选地，多个喷头46分为两组，每组喷头46设置在相对应的喷板47上，喷板47通过连接件和左右伸缩机构5连接，如图2所示。
优选地，左右伸缩机构5包括一对左右对称设置的平行四杆机构52，平行四杆机构52由相对应的舵机51驱动以实现左右伸缩；舵机51与主机控制器2连接，如图1和图2中所示。本实施例中，两个平行四杆机构52即为平行四杆机构Ⅰ和平行四杆机构Ⅱ，平行四杆机构Ⅰ和舵机Ⅰ对应，平行四杆机构Ⅱ和舵机Ⅱ对应。
具体地，平行四杆机构52包括顶杆、底杆和一对摆杆，设置在外侧的摆杆的上下两端分别通过相对应的销子与顶杆和底杆转动连接，设置在内侧的摆杆的上端通过相对应的销子与顶杆转动连接，设置在内侧的摆杆的下端通过相应舵机51与底杆连接；顶杆的外端与相对应的安装喷头46的喷板47连接，如图2所示。
优选地，两个平行四杆机构52的底杆加工成一体件；所述一体件底杆的中间部分与上下调节机构6固连，如图2所示。
本实施例中，主机控制器2是嵌入式控制器；主机控制器2采用定时器产生若干路PWM波，所述若干路PWM波分别与舵机51的传输端口相连接，在主机控制器2的指令下舵机51执行相应动作从而带动平行四杆机构52工作运动，实现对喷头46水平距离的控制。
优选地，上下调节机构6包括步进电机61、丝杠63和丝杠螺母，步进电机61通过步进电机驱动器62与主机控制器2连接，左右伸缩机构5安装在丝杠螺母上，如图1和图2所示。
优选地，步进电机61采用S型速度规划，步进电机启动、加速、停止的运行曲线规律做成标准模块并储存在主机控制器2存储器中；步进电机控制器62的PUL+、 PUL-、DIR+、DIR-分别与主机控制器2对应端口相连，步进电机控制器62的A+、A-、B+、B-端分别与步进电机61相连，在主机控制器2的指令下步进电机61带动丝杠63转动，完成对喷头46高度的控制。
本实施例中，视觉识别系统3、主机控制器2、喷药视觉检测系统3、增压泵驱动模块41、增压泵42、药箱43、电磁阀44、电磁继电器45、步进电机61和步进电机控制器62均设置在喷药机构的底盘7上，如图2所示。
如图3和图4所示，本实施方式中自动化喷药机构的控制方法，包括以下步骤：
步骤一，在PC端1针对不同植物虚拟调试出喷药机构的各种最佳喷药位置及最佳喷药量并储存在主机控制器2存储器中；
步骤二，定点定量喷药：主机控制器2根据视觉识别系统3传送的信息调用相对应的最佳喷药位置并发出指令给左右伸缩机构5和上下调节机构6、调用相对应的最佳喷药量并发出指令给喷药模块；左右伸缩机构5、上下调节机构6和所述喷药模块接收并执行主机控制器2的指令，左右伸缩机构5的各个舵机51和上下调节机构6的步进电机61工作使喷药模块的喷头46到达指定位置；喷药模块完成定量喷药；
步骤三，喷药结束后，视觉识别系统3传送结束信息给主机控制器2，主机控制器2发送命令复位左右伸缩机构5和上下调节机构6。
具体地，上述步骤一中，虚拟调试的工作流程为：系统启动，初始化完毕；操作人员针对不同植物，在PC端1显示屏上调节所述PC端1虚拟出的左右伸缩机构5的各个舵机51转动方向、角度以及虚拟出的上下调节机构6的步进电机61启动、加速、停止的运行曲线规律，找出最佳喷药位置并储存在主机控制器2存储器中；操作人员根据不同植物的不同喷药量要求，调节PC端1上虚拟出的喷药模块的各电磁阀44的开关和增压泵42的工作时间，找出最佳喷药量并存储于主机控制器2中。
具体地，上述步骤二中，定点定量喷药的工作流程为：视觉识别系统3将检测到的植物特征信息反馈给主机控制器2，主机控制器2根据视觉识别系统3反馈的信息分辨喷药作业目标，并调用相对应的调试好的最佳喷药位置和最佳喷药量；主机控制器2根据调用的最佳喷药位置发出命令给左右伸缩机构5的各个舵机51和上下调节机构6的步进电机61，上下调节机构6的步进电机61驱动丝杠63带动喷头46到达指定高度，左右伸缩机构5的各个舵机51驱动相应的平行四杆机构52上的喷头46到达指定位置；主机控制器2根据调用的最佳喷药量发出命令给喷药模块的各个电磁阀44和增压泵42，进行定量喷药作业。
本发明中，操作人员可根据不同植物喷药要求通过控制界面快速调试喷药信息；通过PC端可将各种最佳喷药位置信息及最佳喷药量信息存储于主机控制器中，使用灵活，可有效提高喷药质量和效率。
本发明中，平行四杆机构对边平行极具稳定性，可以使喷头快速又稳定地到达指定的喷药地点，反应快，容易上手，提高作业效率，并且其成本较低。
本发明中，采用这样的控制系统，可以在设定环境条件下，实现喷头伸缩、定点喷药、精准喷药、变量喷药，更能够适应复杂的农业环境。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种自动化喷药机构的控制系统，其特征在于，包括主机控制器，以及与所述主机控制器连接的PC端、视觉识别系统、喷药模块、左右伸缩机构和上下调节机构；
所述PC端，针对不同植物虚拟调试出所述喷药机构的各种最佳喷药位置及最佳喷药量，并传输给所述主机控制器；
所述主机控制器，接收、储存由所述PC端虚拟调试出的所述喷药机构的各种最佳喷药位置及最佳喷药量，并根据所述视觉识别系统的信息调用相对应的最佳喷药位置及最佳喷药量，来控制所述喷药模块、左右伸缩机构和上下调节机构动作。
2.根据权利要求1所述的自动化喷药机构的控制系统，其特征在于，所述喷药模块包括增压泵驱动模块、多个电磁继电器和多个电磁阀，所述增压泵驱动模块和多个电磁继电器分别与所述主机控制器连接，所述增压泵驱动模块驱动增压泵泵送药箱内的药水给各喷头，所述电磁继电器和所述电磁阀一一对应，所述电磁阀和所述喷头一一对应以控制相对应喷头的开关。
3.根据权利要求1或2所述的自动化喷药机构的控制系统，其特征在于，所述喷药模块的多个喷头分为两组，每组喷头设置在相对应的喷板上，所述喷板和所述左右伸缩机构连接。
4.根据权利要求1所述的自动化喷药机构的控制系统，其特征在于，所述左右伸缩机构包括一对左右对称设置的平行四杆机构，所述平行四杆机构由相对应的舵机驱动以实现左右伸缩；所述舵机与所述主机控制器连接。
5.根据权利要求4所述的自动化喷药机构的控制系统，其特征在于，所述平行四杆机构包括顶杆、底杆和一对摆杆，设置在外侧的摆杆的上下两端分别通过相对应的销子与所述顶杆和底杆转动连接，设置在内侧的摆杆的上端通过相对应的销子与所述顶杆转动连接，设置在内侧的摆杆的下端通过相应舵机与所述底杆连接；所述顶杆的外端与所述喷药模块中安装喷头的相对应喷板连接。
6.根据权利要求1、2、4或5所述的自动化喷药机构的控制系统，其特征在于，所述上下调节机构包括步进电机、丝杠和丝杠螺母，所述步进电机通过步进电机驱动器与所述主机控制器连接，所述左右伸缩机构安装在所述丝杠螺母上。
7.根据权利要求1、2、4或5所述的自动化喷药机构的控制系统，其特征在于，所述PC端为电脑输入端，所述PC端的控制端口和数据接口分别与所述主机控制器的控制端口和数据端口相连。
8.一种自动化喷药机构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，在PC端针对不同植物虚拟调试出喷药机构的各种最佳喷药位置及最佳喷药量并储存在主机控制器存储器中；
步骤二，定点定量喷药：所述主机控制器根据视觉识别系统传送的信息调用相对应的最佳喷药位置并发出指令给左右伸缩机构和上下调节机构、调用相对应的最佳喷药量并发出指令给喷药模块；所述左右伸缩机构、所述上下调节机构和所述喷药模块接收并执行所述主机控制器的指令，所述左右伸缩机构的各个舵机和上下调节机构的步进电机工作使喷药模块的喷头到达指定位置；所述喷药模块完成定量喷药；
步骤三，喷药结束后，所述视觉识别系统传送结束信息给所述主机控制器，所述主机控制器发送命令复位所述左右伸缩机构和上下调节机构。
9.根据权利要求8所述的自动化喷药机构的控制方法，其特征在于，上述步骤一中，虚拟调试的工作流程为：系统启动，初始化完毕；操作人员针对不同植物，在PC端显示屏上调节所述PC端虚拟出的左右伸缩机构的各个舵机转动方向、角度以及虚拟出的上下调节机构的步进电机启动、加速、停止的运行曲线规律，找出最佳喷药位置并储存在所述主机控制器存储器中；操作人员根据不同植物的不同喷药量要求，调节所述PC端上虚拟出的喷药模块的各电磁阀的开关和增压泵的工作时间，找出最佳喷药量并存储于所述主机控制器中。
10.根据权利要求8所述的自动化喷药机构的控制方法，其特征在于，上述步骤二中，定点定量喷药的工作流程为：所述视觉识别系统将检测到的植物特征信息反馈给所述主机控制器，所述主机控制器根据所述视觉识别系统反馈的信息分辨喷药作业目标，并调用相对应的最佳喷药位置和最佳喷药量；所述主机控制器根据调用的最佳喷药位置发出命令给左右伸缩机构的各个舵机和上下调节机构的步进电机，所述上下调节机构的步进电机驱动丝杠带动喷头到达指定高度，所述左右伸缩机构的各个舵机驱动相应的平行四杆机构上的喷头到达指定位置；所述主机控制器根据调用的最佳喷药量发出命令给喷药模块的各个电磁阀和增压泵，进行定量喷药作业。
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