CN109964596A - 一种基于智能机器人的水稻直播装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于智能机器人的水稻直播装置，包括机身壳体、激光雷达扫描系统、控制系统、动力系统、行走机构、传动机构、播种机构；激光雷达扫描系统将扫描到的距离信息生成点云数据传输到控制系统；控制系统用于绘制完整的水田栅格地图及控制水稻直播装置行走；动力系统，为行走机构和播种机构提供驱动力；行走机构，带动机身壳体行走；播种机构，安装在机身壳体上实现播种；传动机构，连接动力系统和播种机构。还涉及一种基于智能机器人的水稻直播方法。本发明能够改善现有大型机械不适合进入的丘陵水田及大量单面积偏小的水田，属于农作物种植器械技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及农作物种植器械技术领域，具体涉及一种基于智能机器人的水稻直播装置与方法。
背景技术
水稻是我国主要的粮食作物，在农业生产中占有重要的地位。目前水稻的种植方式主要有移栽、抛秧和直播，移栽、抛秧需提前育秧，程序复杂、劳动强度大，且移栽对作业机械的要求较高，抛秧已不符合现阶段农业生产的要求。水稻直播作业程序简单，劳动强度相对较小，近年来随着水稻直播机械化体系的不断完善，大田水稻直播的机械化水平不断提高，但对于水稻集中的秦岭—淮河以南地区，特别是丘陵山区地域的水稻机械化种植几乎为空白。主要由于丘陵山区海拔高、坡度大、地块小，田间机械化作业的难度较大。同时，随着我国老龄化的加剧以及城市化的不断推进，造成农村劳动力缺乏，以致作业效率和经济效益偏低，人们种地的积极性不高，造成大量农田的荒废，为此，作为我国粮食作物的重要来源实现丘陵山区田块作业的机械化、智能化迫在眉睫。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种基于智能机器人的水稻直播装置和方法，实现对水田块地图的构建，自动路径规划，并按照规划路径对水田进行播种作业。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于智能机器人的水稻直播装置，包括机身壳体、激光雷达扫描系统、控制系统、动力系统、行走机构、传动机构、播种机构；激光雷达扫描系统安装在机身壳体的顶部，对水田区域进行360度空间扫描，将扫描到的距离信息生成点云数据传输到控制系统；控制系统包括信号分析模块，信号分析模块用于对点云数据处理运算得到单个时刻的局部栅格地图，利用沿边行走绘制栅格地图算法对当前局部栅格地图与已绘制的局部栅格地图进行帧间匹配，得到更大范围的局部栅格地图，直至完成边界检测，绘制完整的水田栅格地图；动力系统，为行走机构和播种机构提供驱动力；行走机构，带动机身壳体行走；播种机构，安装在机身壳体上实现播种；传动机构，连接动力系统和播种机构，实现行走速度与播种速度之间的调节。
作为一种优选，控制系统包括栅格地图绘制模块、控制行走模块和播种系统工作模块；信号分析模块与激光雷达扫描系统、控制系统均相接，激光雷达扫描系统将扫描到的点云数据传输到控制系统，控制系统将当前点云数据进行滤波、去噪声，生成当前时刻的栅格地图，将当前时刻的栅格地图与已绘制的局部栅格地图进行帧间匹配，并更新局部栅格地图；控制行走模块与动力系统、行走机构均相接，动力系统为行走机构提供动力，控制行走模块输出PWM波及正反转信号至行走机构，控制行走机构的行走速度及方向；播种系统工作模块与行走机构、传动机构均相接，播种系统工作模块读取行走机构两个减速直流电机编码器读数算出水稻直播装置的行走速度，并根据水稻直播装置的行走速度及穴距之间的关系确定传动机构减速直流电机的旋转速度，输出PWM波至传动机构电机驱动器，控制传动机构减速直流电机旋转。传动机构减速直流电机通过链传动机构使播种机构传动轴旋转带动型孔轮式排种器进行播种。
作为一种优选，行走机构包括两个电机驱动器、两个减速直流电机、两个编码器、两个驱动轮、两个从动轮、一根转动轴；一个驱动轮位于左前方，一个驱动轮位于右前方，两个从动轮位于左后方和右后方，两个从动轮通过转动轴相接；一个电机驱动器与一台减速直流电机相接，一台减速直流电机驱动一个驱动轮转动，一个编码器检测一个驱动轮的转速。
作为一种优选，传动机构包括电机驱动器、减速直流电机、编码器、链传动机构，电机驱动器与减速直流电机相接，减速直流电机与链传动机构相接带动播种机构工作，编码器检测减速直流电机的输出轴转速。
作为一种优选，动力系统包括电源，电源与行走机构的两台减速直流电机、传动机构的一台减速直流电机均相接。
作为一种优选，播种机构包括传动轴及型孔轮式排种器。
一种基于智能机器人的水稻直播方法，采用一种基于智能机器人的水稻直播装置，包括如下步骤：开始播种前，水稻直播装置进行沿边界行走并用激光雷达扫描系统对水田进行扫描，生成点云数据传输至控制系统；通过控制系统的信号分析模块对当前的点云数据进行处理运算并由航迹推算确定水稻直播装置的位姿信息；通过控制系统的栅格地图绘制模块利用沿边行走绘制栅格地图算法对已有局部栅格地图与当前的点云数据进行帧间匹配完成更大范围的栅格地图绘制，直至完成整个水田的水田栅格地图绘制，并进行播种路径规划；
根据设定的播种路径进行播种工作，并由航迹推算对水稻直播装置进行实时的定位，在到达地头时，自动转弯掉头进行下一行的行走；播种时，控制系统根据水稻直播装置整体的行走速度对传动机构的减速直流电机的速度进行调节，让水稻按照一定的穴距进行播种。
作为一种优选，沿边行走绘制栅格地图算法包括如下步骤：步骤1，获取当前位置的距离信息；步骤2，采集到的距离信息进行去除噪声处理，得到点云数据，并将距离信息转换成大地坐标信息；步骤3，生成当前位置的局部栅格地图；步骤4，将当前位置的局部栅格地图与已绘制的栅格地图进行帧间匹配，推算航向信息；重复步骤1-4直至完成整个水田栅格地图的绘制。
作为一种优选，通过控制系统绘制整个水田的水田栅格地图，以获取整个水田的边界信息，供水稻直播装置在水田边界内行进。
作为一种优选，水稻直播装置开始工作，进行沿边界行走，激光雷达扫描系统实时采集水稻直播装置到水田边界的距离信息，并将采集到的数据传输到控制系统，进行数据处理和计算；判断水稻直播装置与水田边界距离，如果该距离大于距离的最小阈值L1，小于距离的最大阈值L2时，不改变行走机构的减速直流电机的转速，否则，改变行走机构的减速直流电机的转速，调整水稻直播装置的位姿，使水稻直播装置在安全范围内行走；同时控制系统将处理的数据生成局部栅格地图，并与已绘制的局部栅格地图进行帧间匹配，推算航向信息，直至完成整个水田栅格地图的绘制；根据完成的水田栅格地图用全覆盖路径规划算法提供一条覆盖整个水田的规划路径；水稻直播装置按照规划路径行走，行走过程中，根据规划路径与当前的位姿信息，调整行走机构的两台减速直流电机的转速，使水稻直播装置按照规划路径行走；在进行行走的同时进行航迹推算定位水稻直播装置，若水稻直播装置不在规划路径上，控制水稻直播装置小角度左转或右转，使水稻直播装置行走在规划路线上；水稻直播装置在规划路径上时，播种机构进行播种；播种系统工作模块读取行走机构两个减速直流电机编码器读数算出水稻直播装置的行走速度，并根据水稻直播装置的行走速度及穴距之间的关系确定传动机构减速直流电机的旋转速度，输出PWM波至传动机构电机驱动器，控制播种机构传动轴转动，达到水稻播种穴距一致。其中，最小阈值L1为防止水稻直播装置因测量误差、控制响应时间等原因而撞上水田边界所设定的一个安全距离，L1的具体值根据激光雷达扫描系统的工作要求，整个控制系统的性能等因素进行确定；最大阈值L2为防止水稻直播装置远离水田边界占用水稻播种区域，并导致绘制地图时因距离太远激光雷达扫描系统测量距离精度不够等原因而使栅格地图绘制失败，L2的具体值根据激光雷达扫描系统的工作要求，对水田播种面积的要求等因素进行确定。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.导航系统和控制系统能够根据提取不同的水田面积及形状，进行路径规划。水稻直播装置按照规划路径进行行走，并进行播种作业，避免了人工播种带来的高强度劳动及高人力成本。
2.本发明能够进行长时间的工作，并且方便从一个田块搬运到另一个田块，能够改善现有大型机械不适合进入的丘陵水田及大量单面积偏小的水田。
3.该装置进行播种时，播种播得直，既节约了土地，节省了种子，又能为秋季的机械采收打好基础。
4.改善丘陵山区海拔高、坡度大、地块小，水田大型机械作业难度大的问题，解放农村劳动力，降低农民劳动强度，提高水稻播种作业效率。使用电源作为动力节约能源，提升经济效益。
附图说明
图1是一种基于智能机器人的水稻直播装置的立体图。
图2是一种基于智能机器人的水稻直播装置的结构示意图。
图3是控制系统的原理图。
图4是行走机构的原理图。
图5是一种基于智能机器人的水稻直播装置的沿边行走原理图。
图6是一种基于智能机器人的水稻直播装置的沿边行走绘制栅格地图算法原理图。
图7是播种机构的工作原理图。
图8是一种基于智能机器人的水稻直播装置的控制播种方法原理图。
其中，1为机身壳体，2为激光雷达扫描系统，3为动力系统的减速直流电机和编码器，4为链传动机构，5为播种机构的传动轴，6为播种机构的排种器，7为从动轮，8为转动轴，9为电源，10为控制系统，11为行走机构的电机驱动器，12为驱动轮，13为行走机构的减速直流电机和编码器。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
如图1和图2所示，一种基于智能机器人的水稻直播装置包括机身壳体、激光雷达扫描系统、控制系统、动力系统、行走机构、传动机构和播种机构。
激光雷达扫描系统布置在机身壳体的顶部，用于对水田区域进行360度空间扫描，将扫描到的距离信息生成点云数据传输到控制系统。
控制系统包括信号分析模块，该信号分析模块用于对点云数据处理运算得到当前时刻的局部栅格地图；利用沿边行走绘制栅格地图算法对当前局部栅格地图与已绘制的局部栅格地图进行帧间匹配，得到更大范围的局部栅格地图，直至完成边界检测，绘制完整的水田栅格地图。
动力系统包括电源，电源与行走机构的两台减速直流电机、传动机构的一台减速直流电机均相接。
行走机构包括两个电机驱动器、两个减速直流电机、两个编码器、两个驱动轮、两个从动轮、一根转动轴；一个驱动轮位于左前方，一个驱动轮位于右前方，两个从动轮位于左后方和右后方，两个从动轮通过转动轴相接；一个电机驱动器与一台减速直流电机相接，一台减速直流电机驱动一个驱动轮转动，一个编码器检测一个驱动轮的转速。行走机构用于执行水稻直播装置的前进、后退、停止和转向功能。
播种机构，包括传动轴及型孔轮式排种器，用于实现播种。
传动机构包括电机驱动器、减速直流电机、编码器、链传动机构，电机驱动器与减速直流电机相接，减速直流电机与链传动机构相接带动播种机构工作，编码器检测减速直流电机的输出轴转速。链传动机构包括链条和链轮。传动机构用于实现播种机构工作时，工作速度与播种速度之间相对应的调节。播种系统工作模块读取行走机构两个减速直流电机编码器读数算出水稻直播装置的行走速度，并根据水稻直播装置的行走速度及穴距之间的关系确定传动机构减速直流电机的旋转速度，输出PWM波至传动机构电机驱动器，控制播种机构传动轴转动，达到水稻播种穴距一致。
如图3所示，控制系统还包括包括栅格地图绘制模块、控制行走模块和播种系统工作模块。信号分析模块与激光雷达扫描系统、控制系统均相接。激光雷达扫描系统将扫描到的点云数据传输到控制系统，控制系统将当前点云数据进行滤波、去噪声，生成当前时刻的栅格地图，将当前时刻的栅格地图与已绘制的局部栅格地图进行帧间匹配，并更新局部栅格地图；控制行走模块与动力系统、行走机构均相接。动力系统为行走机构提供动力，控制行走模块输出PWM波及正反转信号至行走机构电机驱动器，控制行走机构的行走速度及方向；播种系统工作模块与行走机构、传动机构、播种机构均相接。播种系统工作模块读取行走机构两个减速直流电机编码器读数算出水稻直播装置的行走速度，并根据水稻直播装置的行走速度及穴距之间的关系确定传动机构减速直流电机的旋转速度，输出PWM波至传动机构电机驱动器，控制播种机构传动轴转动，达到水稻播种穴距一致。控制系统固定安装在机身壳体的内部。
如图4所示，在动力系统中，控制系统与电机驱动器相连接，两个电机驱动器分别与两台减速直流电机相连接；控制系统通过给电机不同的PWM脉冲对转速进行控制并通过驱动器电路的电桥开关控制电机的转向。通过不同的行走动作，控制行走。左转时，左侧减速直流电机速度大于右侧减速直流电机速度；右转时，右侧减速直流电机速度大于左侧减速直流电机速度。
如图5所示，水稻直播装置开始工作，进行沿边界行走。激光雷达扫描系统会实时采集水稻直播装置到水田边界的距离，并将采集到的数据传输到控制系统，进行数据处理和计算。判断水稻直播装置与边界距离，如果距离大于距离的最小阈值L1，小于距离的最大阈值L2时，不改变行走机构的减速直流电机的转速；否则，相应的改变转速，调整水稻直播装置的位姿，使水稻直播装置在一定的安全范围内行走。
如图6所示，沿边行走的同时完成对水田的栅格地图绘制，具体步骤：
步骤1，获取当前位置的距离信息；
步骤2，采集到的距离信息进行去除噪声处理，得到点云数据，并将距离信息转换成大地坐标信息；
步骤3，生成当前位置的局部栅格地图；
步骤4，将当前位置的局部栅格地图与已绘制的栅格地图进行帧间匹配，推算航向信息；
重复步骤1-4直至完成整个水田栅格地图的绘制。
如图7所示，播种机构和传动机构，这两个机构共同构成播种系统。传动机构的减速直流电机根据当前水稻直播装置的工作速度由控制系统给出相对应的PWM波，控制减速直流电机的转速。减速直流电机的输出轴连接链条并通过链轮使传动轴按照对应速度转动使型孔轮式排种器按照一定穴距进行落种。
如图8所示，一种基于智能机器人的水稻直播方法，包括如下步骤：
水稻直播装置开始工作，进行沿边界行走，激光雷达扫描系统实时采集水稻直播装置到水田边界的距离信息，并将采集到的数据传输到控制系统，进行数据处理和计算；判断水稻直播装置与水田边界距离，如果该距离大于距离的最小阈值L1，小于距离的最大阈值L2时，不改变行走机构的减速直流电机的转速，否则，改变行走机构的减速直流电机的转速，调整水稻直播装置的位姿，使水稻直播装置在大于L1小于L2的安全范围内行走；同时控制系统将处理的数据生成局部栅格地图，并与已绘制的局部栅格地图进行帧间匹配，推算航向信息，直至完成整个水田栅格地图的绘制。
根据完成的水田栅格地图用牛耕法提供一条覆盖整个水田的规划路径。牛耕法为沿某一直线行至区域边界底端，转向，然后再沿与之前同样方向的另一直线继续运行。水稻直播装置按照规划路径行走，行走过程中，根据规划路径与当前的位姿信息，调整行走机构的两台减速直流电机的转速，使水稻直播装置按照规划路径行走。在进行行走的同时根据编码器的数据进行航迹推算定位水稻直播方法，若水稻直播方法不在规划路径上，控制水稻直播装置左转右转，使水稻直播装置行走在规划路线上。水稻直播装置在规划路径上时，播种系统根据水稻直播方法工作速度由控制系统给出相对应的PWM波，控制减速直流电机的转速。减速直流电机输出轴连接链条并通过链轮使传动轴按照对应速度转动使型孔轮式排种器按照一定穴距进行落种。
图8中，每10ms刷新一次水稻直播装置的位姿信息，每10ms校准一次水稻直播装置是否在规划的路径上。
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)
1.一种基于智能机器人的水稻直播装置，其特征在于：包括机身壳体、激光雷达扫描系统、控制系统、动力系统、行走机构、传动机构、播种机构；
激光雷达扫描系统安装在机身壳体的顶部，对水田区域进行360度空间扫描，将扫描到的距离信息生成点云数据传输到控制系统；
控制系统包括信号分析模块，信号分析模块用于对点云数据处理运算得到单个时刻的局部栅格地图，利用沿边行走绘制栅格地图算法对当前局部栅格地图与已绘制的局部栅格地图进行帧间匹配，得到更大范围的局部栅格地图，直至完成边界检测，绘制完整的水田栅格地图；
动力系统，为行走机构和播种机构提供驱动力；
行走机构，带动机身壳体行走；
播种机构，安装在机身壳体上实现播种；
传动机构，连接动力系统和播种机构，实现行走速度与播种速度之间的调节。
2.按照权利要求1所述的一种基于智能机器人的水稻直播装置，其特征在于：控制系统包括栅格地图绘制模块、控制行走模块和播种系统工作模块；信号分析模块与激光雷达扫描系统、控制系统均相接；控制行走模块与动力系统、行走机构均相接；播种系统工作模块与行走机构、传动机构均相接。
3.按照权利要求1所述的一种基于智能机器人的水稻直播装置，其特征在于：行走机构包括两个电机驱动器、两个减速直流电机、两个编码器、两个驱动轮、两个从动轮、一根转动轴；一个驱动轮位于左前方，一个驱动轮位于右前方，两个从动轮位于左后方和右后方，两个从动轮通过转动轴相接；一个电机驱动器与一台减速直流电机相接，一台减速直流电机驱动一个驱动轮转动，一个编码器检测一个驱动轮的转速。
4.按照权利要求3所述的一种基于智能机器人的水稻直播装置，其特征在于：传动机构包括电机驱动器、减速直流电机、编码器、链传动机构，电机驱动器与减速直流电机相接，减速直流电机与链传动机构相接带动播种机构工作，编码器检测减速直流电机的输出轴转速。
5.按照权利要求4所述的一种基于智能机器人的水稻直播装置，其特征在于：动力系统包括电源，电源与行走机构的两台减速直流电机、传动机构的一台减速直流电机均相接。
6.按照权利要求1所述的一种基于智能机器人的水稻直播装置，其特征在于：播种机构包括传动轴及型孔轮式排种器。
7.一种基于智能机器人的水稻直播方法，采用权利要求1至6中任一项所述的一种基于智能机器人的水稻直播装置，其特征在于：包括如下步骤：
开始播种前，水稻直播装置进行沿边界行走并用激光雷达扫描系统对水田进行扫描，生成点云数据传输至控制系统；
通过控制系统的信号分析模块对当前的点云数据进行处理运算并由航迹推算确定水稻直播装置的位姿信息；
通过控制系统的栅格地图绘制模块利用沿边行走绘制栅格地图算法对已有局部栅格地图与当前的点云数据进行帧间匹配完成更大范围的栅格地图绘制，直至完成整个水田的水田栅格地图绘制，并进行播种路径规划；
根据设定的播种路径进行播种工作，并由航迹推算对水稻直播装置进行实时的定位，在到达地头时，自动转弯掉头进行下一行的行走；
播种时，控制系统根据水稻直播装置整体的行走速度对传动机构的减速直流电机的速度进行调节，让水稻按照一定的穴距进行播种。
8.按照权利要求7所述的一种基于智能机器人的水稻直播方法，其特征在于：沿边行走绘制栅格地图算法包括如下步骤：
步骤1，获取当前位置的距离信息；
步骤2，采集到的距离信息进行去除噪声处理，得到点云数据，并将距离信息转换成大地坐标信息；
步骤3，生成当前位置的局部栅格地图；
步骤4，将当前位置的局部栅格地图与已绘制的栅格地图进行帧间匹配，推算航向信息；
重复步骤1-4直至完成整个水田栅格地图的绘制。
9.按照权利要求7所述的一种基于智能机器人的水稻直播方法，其特征在于：通过控制系统绘制整个水田的水田栅格地图，以获取整个水田的边界信息，供水稻直播装置在水田边界内行进。
10.按照权利要求7所述的一种基于智能机器人的水稻直播方法，其特征在于：水稻直播装置开始工作，进行沿边界行走，激光雷达扫描系统实时采集水稻直播装置到水田边界的距离信息，并将采集到的数据传输到控制系统，进行数据处理和计算；判断水稻直播装置与水田边界距离，如果该距离大于距离的最小阈值L1，小于距离的最大阈值L2时，不改变行走机构的减速直流电机的转速，否则，改变行走机构的减速直流电机的转速，调整水稻直播装置的位姿，使水稻直播装置在安全范围内行走；同时控制系统将处理的数据生成局部栅格地图，并与已绘制的局部栅格地图进行帧间匹配，推算航向信息，直至完成整个水田栅格地图的绘制；
根据完成的水田栅格地图用全覆盖路径规划算法提供一条覆盖整个水田的规划路径；水稻直播装置按照规划路径行走，行走过程中，根据规划路径与当前的位姿信息，调整行走机构的两台减速直流电机的转速，使水稻直播装置按照规划路径行走；在进行行走的同时进行航迹推算定位水稻直播装置，若水稻直播装置不在规划路径上，控制水稻直播装置小角度左转或右转，使水稻直播装置行走在规划路线上；水稻直播装置在规划路径上时，播种机构进行播种；播种系统工作模块读取行走机构两个减速直流电机编码器读数算出水稻直播装置的行走速度，并根据水稻直播装置的行走速度及穴距之间的关系确定传动机构减速直流电机的旋转速度，输出PWM波至传动机构电机驱动器，控制播种机构传动轴转动，达到水稻播种穴距一致。
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