CN109937993A - 全自动升降式喷药机器人及喷药方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动升降式喷药机器人，包括底盘、移动机构、视觉传感器、药液箱、升降台、喷雾执行结构、控制系统；移动机构固定在底盘下方，药液箱、升降台均固定在底盘上方，药液箱内的液体在水泵作用下输送到升降台上方的喷雾执行结构，视觉传感器设置在底盘的前方，所述视觉传感器、移动机构、升降台和喷雾执行结构均分别与控制系统相连，机器人在喷药过程中控制系统通过视觉传感器识别农作物。本发明还提供一种基于上述全自动升降式喷药机器人的喷药方法。本发明能够实现在温室大棚中自动完成移动、转向、精准喷药和出温室大棚工作区域的动作，效率更高，智能化更高，而且避免农药对人员健康产生影响。

Description

全自动升降式喷药机器人及喷药方法

技术领域

本发明涉及喷药以及机器人研究领域，特别涉及一种全自动升降式喷药机器人及喷药方法。

背景技术

目前世界塑料大棚和温室面积约365.76khm2，我国拥有156.7khm2，占世界的42.8％。然而目前大棚和温室农作物的喷药方式绝大多数情况是人工施药方式，随着面积的增加给农作物施药的工作越来越繁重。

人工喷药存在以下不利因素：1、药物对人体健康有害，会引起人体的病变危害。2、喷药效率低下，劳动强度大，更耽误时间，有大量农药残留。3、药物利用率低，人工喷药容易对环境造成污染，造成土壤酸化和水源污染。有一些机械喷药装置应用在温室大棚喷药方面，但这些喷药装置存在以下弊端：1、需要人为控制，不能够自主实现喷药全过程。2、喷药方式单一，效率不够高。3、喷药不精准容易造成浪费。4、操作方式复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种全自动升降式喷药机器人及喷药方法，能够实现在温室大棚中自动完成移动、转向、喷药和出温室大棚的动作，无需人工操作，效率更高，而且避免农药对人员健康产生影响。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：全自动升降式喷药机器人，包括底盘、移动机构、视觉传感器、药液箱、升降台、喷雾执行结构、控制系统；移动机构固定在底盘下方，药液箱、升降台均固定在底盘上方，药液箱内的液体在水泵作用下输送到升降台上方的喷雾执行结构，视觉传感器设置在底盘的前方，所述视觉传感器、移动机构、升降台和喷雾执行结构均分别与控制系统相连，机器人在喷药过程中控制系统通过视觉传感器识别农作物。通过控制移动机构、升降台和喷雾执行结构，可实现机器人自动行走、自动调整高度以及对农作物进行精准喷药。

优选的，底盘四角处装有距离感应传感器，距离感应传感器采用超声波传感器，与控制系统相连。可用于识别机器人周边是否存在障碍物。

优选的，所述移动机构采用轮子—履带复合结构，该结构由轮子、履带两部分组成，并采用内外轴结构的形式，由直流减速电机驱动，履带部分实现同轴转动和自由摇摆。采用该结构可适应凹凸不平地面状况。

优选的，所述药液箱为玻璃钢材质，箱内放置了两层翼板，用于阻挡来回晃动的液体，液体在水泵的作用下通过细管输送到喷雾执行结构。

优选的，所述升降台包括若干跟支架，支架之间通过轴承、齿轮、连接条中的至少一个进行连接，在伺服电机驱动下实现升降。

优选的，所述喷雾执行结构包括舵机、喷雾执行齿轮、喷头、霍尔传感器，舵机带动喷雾执行齿轮传动实现喷头全方位转动，霍尔传感器监测喷头转动角度。

优选的，所述控制系统采用ARM9芯片作为主控制系统。该芯片具有大量控制接口和运算速度，可以与H桥驱动电路、伺服驱动器、舵机和传感器等外设直接进行数据交换。

优选的，所述移动机构的驱动电机以及水泵的驱动电机均采用H桥驱动电路，电机运转需要3个控制信号，包括2个方向信号和1个使能信号，选用PWM作为使能信号。

优选的，连接喷头的管道安装有压力和流量传感器，该传感器与控制系统连接。在控制系统的协助下可利用自适应模糊PID算法，使喷雾系统达到更好的作业效果。

一种基于上述全自动升降式喷药机器人的喷药方法，包括步骤：

在喷药区域内预设机器人的行走路线；

机器人进入到喷药区域后，行进过程中检测机器人周边区域的障碍物，实现实时避障，同时行进过程中检测机器人周边区域是否存在农作物，如果检测到农作物，则调节升降台，开启水泵，使喷雾执行机构中的喷头能够对准农作物进行喷药。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明机器人通过超声波与视觉传感器辨别障碍物与农作物，采用轮子—履带复合式行走结构适应凹凸不平地面状况，结合喷药箱体、升降台和喷雾执行结构实现机器人自动喷洒农药的功能。本发明能够实现在温室大棚中自动完成移动、转向、精准喷药和出温室大棚工作区域的动作，效率更高，智能化更高，而且避免农药对人员健康产生影响。

附图说明

图1是本实施例整体结构轴测图一；

图2是本实施例整体结构轴测图二；

图3是本实施例整体结构仰视图；

图4是本实施例垄沟为行走模式一的路线图；

图5是本实施例垄沟为行走模式二的路线图。

附图标记：1-轮子；2-履带；3-车轮直流减速电机；4-齿轮；5-控制系统；6-伺服电机；7-水泵；8-超声波传感器；9-药液箱；10-金属支架；11-连接条；12-霍尔传感器；13-平面舵机；14-喷头；15-竖直舵机；16-视觉传感器；17-履带直流减速电机；18-农作物；19-垄沟；20-温室大棚。

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

如图1至3所示，本实施例全自动升降式喷药机器人，包括底盘、移动机构、视觉传感器16、药液箱9、升降台、喷雾执行结构、控制系统。下面结合附图对各个部分进行具体说明。

本实施例中，所述机器人整体框架结构均由便于拆装的铝合金材料搭建而成。底盘固定在移动机构上，底盘四角处装有超声波传感器8，中后方装有药液箱9、水泵7，前方装有视频传感器16，底盘上中前位置还装有升降台。控制系统设置在底盘上，可位于升降台的正下方。

本实施例中，移动机构采用轮子—履带复合结构，设置在底盘前后两侧，由驱动电机驱动，驱动电机由控制系统控制。轮子—履带复合结构由轮子、履带两部分组成，并采用内外轴结构的形式，轮子1和履带2分别由车轮直流减速电机3和履带直流减速电机17分别驱动，履带部分实现同轴转动和自由摇摆。

本实施例中，视觉传感器16可采用通用的摄像机，摄像机用于拍摄周围的障碍物以及农作物，拍摄的信息发送到控制系统中，由控制系统5判断是否要转向，以及是否要进行喷药。

本实施例中，药液箱为9玻璃钢材质，箱内放置了两层翼板，用于阻挡来回晃动的液体，液体在水泵7的作用下通过细管输送到喷雾执行结构。

本实施例中，升降台包括12根金属支架10，这12根金属支架通过16个轴承、4个齿轮、9根连接条11相互连接，连接而成的结构可以在伺服电机6驱动齿轮的作用下实现升降。喷雾执行结构固定在升降台的上方。

喷雾执行结构包括喷雾支架、平面舵机13和竖直舵机15、喷头14、霍尔传感器12以及喷雾执行齿轮4。通过舵机带动齿轮传动实现喷头全方位转动以及喷射效果的切换，霍尔传感器可监测喷头转动角度。

本实施例中，所述自动喷药机器人驱动水泵7和移动机构的伺服电机6，其驱动电路为H桥驱动电路，电机运转需要3个控制信号，2个方向信号和1个使能信号，选用PWM作为使能信号。

本实施例中，控制系统采用ARM9作为主控制系统，该芯片具有大量控制接口和运算速度，可以与H桥驱动电路，伺服驱动器，舵机和传感器等外设直接进行数据交换。通过超声波传感器8和视觉传感器16辨别障碍物与农作物，通过控制电机、水泵7、舵机从而实现机器人自动行走、调整高度对农作物进行精准喷药；

在本实施例中，自动喷药机器人连接喷头14的管道安装有压力和流量传感器，在控制模块的协助下利用自适应模糊PID算法，使喷雾系统达到更好的作业效果。

本实施例所述全自动升降式喷药机器人的喷药方法，包括步骤：在喷药区域内预设机器人的行走路线；机器人进入到喷药区域后，行进过程中检测机器人周边区域的障碍物，实现实时避障，同时行进过程中检测机器人周边区域是否存在农作物，如果检测到农作物，则调节升降台，开启水泵7，使喷雾执行机构中的喷头14能够对准农作物进行喷药。

下面结合图4、5所示的两种具体喷药区域，来详细说明机器人的行走和喷药过程。

在温室大棚20的边缘设置围挡，围挡与垄沟19之间留有距离，并在围挡的一个角处开设用于供机器人进出的出入口，如果出入口的方向与垄沟19延伸方向垂直，如图4所示，则机器人选择行走模式一。如果出入口的方向与垄沟19延伸方向平行，如图5所示，则选择行走模式二。机器人在行走过程中对农作物进行喷药。行走模式一和行走模式二的选择可以在机器人进入温室大棚20之前，根据温室大棚20的实际情况人工选择，在机器人进入温室大棚20中之后，不再需要人工干涉。

如图4所示，行走模式一的具体步骤为：

S1、机器人从出入口进入温室大棚20中，同时超声波传感器8从前侧和后侧并结合视觉传感器16对机器人与障碍物之间的距离进行检测，并将检测值传输给控制系统5；

S2、当超声波传感器8的左前侧距离传感器的检测值发生突变时，控制系统5通过控制轮子1—履带2复合结构向左转动，进而带动机器人向左转向，转向的角度为90°；

S3、转向后机器人直行，直行过程中通过超声波传感器8和升降台上的视觉传感器16对垄沟中的农作物18进行检测，如果检测到农作物18，则由控制系统5生成喷药信号，通过控制系统5对升降台和喷雾执行结构进行精确控制，使喷头14对农作物18进行喷药；

S4、机器人在直行过程中，如果右前侧距离传感的检测值发生突变时，由控制系统5通过轮子1—履带2复合结构控制机器人转向90°，转向的方向为朝向检测值发生突变的一侧，然后直行，如果机器人的右前侧距离传感器的检测值再次发生突变，控制系统通过轮子1—履带2复合结构控制机器人转向90°，转向的方向为朝向检测值发生突变的一侧；

S5、机器人转向后，直行过程中通过超声波传感器8和升降台上的视觉传感器16对右侧垄沟中的农作物进行检测，如果检测到农作物，则由控制系统5生成喷药信号，通过控制系统5对升降台和喷雾执行结构进行精确控制，使喷头14对农作物18进行喷药；

S6、如果机器人的前两侧距离传感器发生突变，则机器人保持原速度后退且控制系统5控制升降台上的视觉传感器16对左侧垄沟中的农作物18进行检测，如果检测到农作物18，则由控制系统5生成喷药信号，通过控制系统对升降台和喷雾执行结构进行精确控制，使喷头14对农作物18进行喷药；

S7、机器人在后退过程中，如果后两侧距离传感的检测值发生突变时，再后退距离X，由控制系统5通过轮子1—履带2复合结构控制机器人向左转90°后直行，如果机器人的前两侧距离传感器的检测值再次发生突变，控制系统5通过轮子1—履带2复合结构控制机器人转向90°，转向的方向为朝向检测值发生突变的一侧；

S8、重复进行若干次S9；

S9、当机器人的前两侧距离传感器的检测值发生突变时，控制系统5通过轮子1—履带2复合结构控制机器人转向90°，转向的方向为朝向检测值发生突变的一侧；

S10、转向后机器人直行并通过进出口离开温室大棚20。

机器人在直行过程中，如果上一次转动是向右转动，则左侧距离传感器实时检测机器人与左侧垄沟19之间的距离，进而通过控制系统5对轮子1—履带2复合结构进行控制从而保持距离不变，如果是向左转动，则右侧距离传感器实时检测机器人与右侧垄沟19之间的距离，进而通过控制系统5对轮子1—履带2复合结构进行控制从而保持距离为Y。

如图5所示，行走模式二的具体步骤为：

T1、机器人从出入口进入温室大棚20中，同时超声波传感器8从前侧、左侧和右侧对机器人与障碍物之间的距离进行检测，并将检测值传输给控制系统5；

机器人从出入口进入温室大棚20中，同时超声波传感器8从前侧和后侧并结合视觉传感器16对机器人与障碍物之间的距离进行检测，并将检测值传输给控制系统5；

T2、当超声波传感器8的左前侧距离传感器的检测值发生突变时，控制系统5通过控制轮子1—履带2复合结构向左转动，进而带动机器人向左转向，转向的角度为90°，如果机器人的右前侧距离传感器的检测值再次发生突变，控制系统5通过轮子1—履带2复合结构控制机器人转90°，转向的方向为朝向检测值发生突变的一侧；

T3、转向后机器人直行，直行过程中通过超声波传感器8和升降台上的视觉传感器16对右侧垄沟19中的农作物进行检测，如果检测到农作物18，则由控制系统5生成喷药信号，通过控制系统5对升降台和喷雾执行结构进行精确控制，使喷头14对农作物18进行喷药；

T4、如果机器人的前两侧距离传感器发生突变，则机器人保持原速度后退且控制系统5控制升降台上的视觉传感器16对左侧垄沟19中的农作物18进行检测，如果检测到农作物18，则由控制系统5生成喷药信号，通过控制系统5对升降台和喷雾执行结构进行精确控制，使喷头14对农作物18进行喷药；

T5、机器人在后退过程中，如果后两侧距离传感的检测值发生突变时，再后退距离X，由控制系统5通过轮子1—履带2复合结构控制机器人向左转90°后直行，如果机器人的前两侧距离传感器的检测值再次发生突变，控制系统5通过轮子1—履带2复合结构控制机器人转向90°，转向的方向为朝向检测值发生突变的一侧；

T6、机器人转向后，直行过程中通过超声波传感器8和升降台上的视觉传感器16对右侧垄沟19中的农作物18进行检测，如果检测到农作物19，则由控制系统5生成喷药信号，通过控制系统5对升降台和喷雾执行结构进行精确控制，使喷头14对农作物18进行喷药；

T7、重复进行若干次T6；

T8、机器人在直行过程中，如果右前侧距离传感的检测值发生突变时，由控制系统5通过轮子1—履带2复合结构控制机器人转向90°，转向的方向为朝向检测值发生突变的一侧，然后直行，如果机器人的前两侧距离传感器的检测值再次发生突变，控制系统5通过轮子1—履带2复合结构控制机器人转向90°，转向的方向为朝向检测值发生突变的一侧；

T9、转向后机器人直行，在直行过程中通过超声波传感器8和升降台上的视觉传感器16对右侧垄沟19中的农作物18进行检测，如果检测到农作物18，则由控制系统5生成喷药信号，通过控制系统5对升降台和喷雾执行结构进行精确控制，使喷头14对农作物18进行喷药，最后检测不到农作物18时直走通过进出口离开温室大棚20。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.全自动升降式喷药机器人，其特征在于，包括底盘、移动机构、视觉传感器、药液箱、升降台、喷雾执行结构、控制系统；移动机构固定在底盘下方，药液箱、升降台均固定在底盘上方，药液箱内的液体在水泵作用下输送到升降台上方的喷雾执行结构，视觉传感器设置在底盘的前方，所述视觉传感器、移动机构、升降台和喷雾执行结构均分别与控制系统相连，机器人在喷药过程中控制系统通过视觉传感器识别农作物。

2.根据权利要求1所述的全自动升降式喷药机器人，其特征在于，底盘四角处装有距离感应传感器，距离感应传感器采用超声波传感器，与控制系统相连。

3.根据权利要求1所述的全自动升降式喷药机器人，其特征在于，所述移动机构采用轮子—履带复合结构，该结构由轮子、履带两部分组成，并采用内外轴结构的形式，由直流减速电机驱动，履带部分实现同轴转动和自由摇摆。

4.根据权利要求1所述的全自动升降式喷药机器人，其特征在于，所述药液箱为玻璃钢材质，箱内放置了两层翼板，液体在水泵的作用下通过管路输送到喷雾执行结构。

5.根据权利要求1所述的全自动升降式喷药机器人，其特征在于，所述升降台包括若干跟支架，支架之间通过轴承、齿轮、连接条中的至少一个进行连接，在伺服电机驱动下实现升降。

6.根据权利要求1所述的全自动升降式喷药机器人，其特征在于，所述喷雾执行结构包括舵机、喷雾执行齿轮、喷头、霍尔传感器，舵机带动喷雾执行齿轮传动实现喷头全方位转动，霍尔传感器监测喷头转动角度。

7.根据权利要求1所述的全自动升降式喷药机器人，其特征在于，所述控制系统采用ARM9芯片作为主控制系统。

8.根据权利要求1所述的全自动升降式喷药机器人，其特征在于，所述移动机构的驱动电机以及水泵的驱动电机均采用H桥驱动电路，电机运转需要3个控制信号，包括2个方向信号和1个使能信号，选用PWM作为使能信号。

9.根据权利要求1所述的全自动升降式喷药机器人，其特征在于，连接喷头的管道安装有压力和流量传感器，该传感器与控制系统连接。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述全自动升降式喷药机器人的喷药方法，其特征在于，包括步骤：

在喷药区域内预设机器人的行走路线；

机器人进入到喷药区域后，行进过程中检测机器人周边区域的障碍物，实现实时避障，同时行进过程中检测机器人周边区域是否存在农作物，如果检测到农作物，则调节升降台，开启水泵，使喷雾执行机构中的喷头能够对准农作物进行喷药。