CN110050776B - 一种辣椒喷药机器人及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种辣椒喷药机器人及其控制方法，包括行走机构、连接机构、喷药机构和控制电路；连接机构包括旋转云台和支撑架，支撑架的下端与旋转云台连接，旋转云台用于带动支撑架转动，旋转云台通过螺杆与底盘相连接；喷药机构包括送药组件和微型喷药执行组件；送药组件包括药箱、水泵和喷药软管，药箱固定在底盘上，水泵与药箱相连；微型喷药执行组件包括喷药管、喷头、控制舵机和舵机紧固件，喷头通过喷药软管与水泵相连，舵机紧固件安装在支撑架上，控制舵机放置在舵机紧固件上，且控制舵机与所述喷药管相连；控制电路用于控制行走机构、连接机构和喷药机构工作。本发明提高了喷药辣椒喷药机器人的适应环境能力和喷药效率。
Description
技术领域
本发明属于农业辣椒喷药装置控制领域，具体涉及一种辣椒喷药机器人及其控制方法。
背景技术
辣椒作为消费者喜爱的蔬菜和调味品之一,由于其自身适应性强以及栽培、贮藏、运输等技术的不断提高,其种植面积不断扩大,辣椒的产值效益也处于蔬菜作物前列。川渝地区是我国辣椒集中消费区域，辣椒需求量大，每年辣椒的产量也很大。我国辣椒产业在快速发展的同时,也面临着病虫害增加的困境，预防和治理虫害的方法主要是喷洒农药。
目前我国大部分地区对农作物的喷药方式主要有压缩式、背负式、踏板式，这些方式都需要人工操作，农民在喷洒农药时,悬浮在空中的农药颗粒物容易通过呼吸以及皮肤渗透到体内,导致中毒；并且当作物产量很大时，需要大量劳动力，随着我国城镇化程度不断加深，大批青年劳动力都进入城市，在农村的大部分都是老人和小孩，劳动力大大减少,喷药效率降低。
如专利文献CN 107544511 A公开的一种果园喷药机器人的自动执行系统及自动执行方法，其通过控制机构、运动机构和喷药机构之间的连接配合，根据果园的实际情况，自动完成移动、转向、喷药和出果园的动作。通过判断出入口的方向与垄沟延伸方向平行或垂直选择行走模式。该设计方式适合于规则的矩形田地的喷药，且对于不同高度的植株和每颗植株上受虫害区域的喷药情况没有涉及。
又如专利文献CN 206851851 U公布的一种可移动式机动喷药机，包括底板、控制器、水泵、发动机，发动机采用燃油提供自动行走动力，通过升降丝杆调节喷药管的高度，采用无线通讯器实现远程无线控制。该设计方案因其喷药结构的局限，只能在植株的顶部喷药，对于植株局部的喷药没有涉及。
又如专利文献CN 203762122 U公布的一种室内自主移动喷药机器人，包括轮式机器人本体，机器人本体上不安装有药箱及控制部件，药箱一侧固定安装有活动支架，活动支架包括相互垂直的横向支架及纵向支架，横向支架的远端固定有喷杆，喷杆端部设有喷头，喷杆尾部通过软管与药箱连接，横向支架上固定安装作物识别摄像头及超声波传感器，机器人本体前端设有导航摄像头及超声波传感器。该方案因机器人高度的限制，只适用于室内低矮作物或盆景植株，不适用于辣椒这类较高的植株。
因此，有必要开发一种新的辣椒喷药机器人及其控制方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种辣椒喷药机器人及其控制方法，以提高喷药辣椒喷药机器人适应环境能力和喷药效率。
本发明所述的辣椒喷药机器人，包括行走机构、连接机构、喷药机构和控制电路；
所述行走机构包括底盘、四个驱动轮、四个直流电机和四个转速计数器，所述驱动轮通过固定架与底盘固定连接，四个直流电机分别与四个驱动轮一一对应连接，所述四个转速计数器分别设置在四个直流电机的输出轴上，并与控制电路电连接，各转速计数器用于分别检测各驱动轮的速度并发送给控制电路，控制电路控制行走机构的行走速度和转向；
所述连接机构包括旋转云台和支撑架，所述支撑架的下端与旋转云台连接，所述旋转云台通过螺杆与底盘相连接，且旋转云台与控制电路电连接；
所述喷药机构包括送药组件和微型喷药执行组件；所述送药组件包括药箱、水泵和喷药软管；所述药箱固定在底盘上；所述水泵与药箱相连，水泵与控制电路电连接，用于控制药水的进出；所述微型喷药执行组件包括喷药管、喷头、控制舵机和舵机紧固件；所述喷头通过喷药管、喷药软管与水泵相连，用于喷射农药；所述舵机紧固件安装在支撑架上，所述控制舵机放置在舵机紧固件上，且控制舵机与所述喷药管相连，控制舵机与控制电路电连接，用于控制喷药管上下摆动；
所述控制电路包括微控制器，以及分别与微控制器电连接的传感器模块、电机驱动模块和电源模块；所述电机驱动模块用于驱动各直流电机工作，该电机驱动模块分别与各直流电机和微控制器电连接；所述电源模块用于对各个模块供电；所述传感器模块包括安装在底盘正前方的路径识别摄像头和安装在支撑架顶部的图像识别摄像头，所述路径识别摄像头和图像识别摄像头分别与微控制器电连接，所述路径识别摄像头用于采集田地地形并传输给微控制器，所述微控制器根据所识别的田地地形控制辣椒喷药机器人的行走速度和转向；所述图像识别摄像头用于识别辣椒叶子的颜色信息和轮廓信息并传输给微控制器，微控制器根据所识别的颜色信息和轮廓信息判断是否执行喷药操作，并在判断出需要喷药时控制微型喷药执行组件执行喷药操作。
本发明所述的一种辣椒喷药机器人的控制方法，采用如本发明所述的辣椒喷药机器人，其控制方法包括以下步骤：
S1、辣椒喷药机器人从出入口进入田地，初始化路径识别摄像头和图像识别摄像头；
S2、利用路径识别摄像头采集田地地形并传输给微控制器，所述微控制器根据所识别的田地地形控制辣椒喷药机器人的行走；
S3、在行走过程中，若图像识别摄像头检测到辣椒植株，则收集辣椒植株的坐标信息并转换成数字信号发送到微控制器，微控制器对接收到的数字信号进行分析处理后，控制电机驱动模块驱动各直流电机工作，控制各驱动轮的速度和转向使辣椒喷药机器人移动到辣椒植株所在位置；
S4、利用图像识别摄像头识别辣椒叶子的颜色信息和轮廓信息并传输给微控制器，微控制器根据所识别的颜色信息和轮廓信息判断是否执行喷药操作，并在判断出需要喷药时控制微型喷药执行组件执行喷药操作。
进一步，当田地地形为各田垄等长时，控制辣椒喷药机器人行走的步骤如下：
a1.路径识别摄像头采集田地的左边缘与田垄边缘的图像，把两边的图像信息转换成数字信号发送给微控制器，由微控制器对信号进行分析处理，判断出两边的中心线，并驱动各直流电机控制驱动轮的速度和转向，使辣椒喷药机器人沿着中心线行走；
a2.在直行过程中，路径识别摄像头采集路况信息并发送给微控制器，由微控制器处理分析后，计算出各驱动轮的转速并发送给电机驱动模块，电机驱动模块驱动各直流电机控制对应驱动轮的速度，使辣椒喷药机器人向左或向右或继续直行，直到喷药完毕并离开田地；具体步骤如下：
若路径识别摄像头能同时识别到田地的上边缘、左边缘和田垄的左上角，则辣椒喷药机器人向右转动90°；
若路径识别摄像头能同时识别到田地的上边缘与田垄的右上角，则辣椒喷药机器人向右转动90°；
若路径识别摄像头能同时识别到田垄的左下角与田地的下边缘，则辣椒喷药机器人向左转动90°；
若路径识别摄像头能同时识别到田垄的右下角与田地的下边缘，则辣椒喷药机器人向左转动90°；
若路径识别摄像头能识别到田地的上边缘与右边缘的夹角，则辣椒喷药机器人向左转动90°；
若路径识别摄像头能识别到田地的左边缘与上边缘的夹角，则辣椒喷药机器人向左转动90°。
进一步，当田地地形为各田垄不等长且位于田地中间的田垄比位于田地左右两边的田垄长时，控制辣椒喷药机器人行走的步骤如下：
b1.路径识别摄像头采集田地边缘和田垄左边缘的图像，把图像信号转换成数字信号发送给微控制器，由微控制器对数字信号进行分析处理，驱动各直流电机控制驱动轮的速度和转向，使辣椒喷药机器人沿着田垄的左边缘行走；
b2.在直行过程中，路径识别摄像头采集路况信息并发送给微控制器，由微控制器处理分析后，计算出各驱动轮的转速并发送给电机驱动模块，电机驱动模块驱动各直流电机控制对应驱动轮的速度，使辣椒喷药机器人向左或向右或继续直行，直到喷药完毕并离开田地，具体步骤如下：
若路径识别摄像头能识别到田垄的左上角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头能识别到田垄的右上角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头能同时识别到田垄的右下角与相邻田垄的边缘，则辣椒喷药机器人继续向前行走；
若路径识别摄像头能识别到田垄的左下角，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头能识别到田垄的右下角，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头能同时识别到田地的边缘和田垄的右下角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头能识别到田垄的边缘位于其正前方，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头能同时识别到田地的边缘和田垄的左下角，则辣椒喷药机器人向右转90°。
进一步，当田地地形为各田垄不等长且位于田地中间的田垄比位于田地左右两边的田垄短时，控制辣椒喷药机器人行走的步骤如下：
c1.路径识别摄像头采集田地边缘和田垄左边缘的图像，把图像信号转换成数字信号发送给微控制器，由微控制器对数字信号进行分析处理，驱动各直流电机控制驱动轮的速度和转向，使辣椒喷药机器人沿着田垄的左边缘行走；
c2.在直行过程中，路径识别摄像头采集路况信息并发送给微控制器，由微控制器处理分析后，计算出各驱动轮的转速并发送给电机驱动模块(电机驱动模块驱动各直流电机控制对应驱动轮的速度，使辣椒喷药机器人向左或向右或继续直行，直到喷药完毕并离开田地，具体步骤如下：
若路径识别摄像头能识别到田垄的左上角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头能识别到田垄的右上角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头能同时识别到田垄的左下角和相邻田垄的边缘，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头能同时识别到田垄的右下角和相邻田垄的边缘，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头能同时识别到田垄的右上角和相邻田垄的边缘，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头能识别到田垄的右下角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头能同时识别到田垄的左下角和田地的边缘，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头能识别到田垄的边缘位于其正前方，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头能识别到田垄的左下角，则辣椒喷药机器人向左转90°。
进一步，所述S4具体为：
辣椒喷药机器人移动到辣椒植株所在位置后，微控制器控制旋转云台带动喷药机构转向，使喷头对准辣椒植株中心；
图像识别摄像头识别辣椒叶子的颜色并把颜色和轮廓信息转换成数字信号发送到微控制器，微控制器对接收到的信号进行分析处理，将颜色信号与设定的颜色阈值进行匹配，将轮廓信号与正常叶子的轮廓信号进行匹配，若匹配成功，说明该辣椒没有虫害，则辣椒喷药机器人不进行喷药；
若匹配不成功，说明该辣椒已受到虫害，则图像识别摄像头采集辣椒植株受虫害区域的空间坐标并发送给微控制器，微控制器根据接收到的信号计算出喷药机构要摆动的角度，并控制控制舵机和水泵工作，使喷药管和喷药软管带动喷头对准受虫害区域喷药。
进一步，所述图像识别摄像头识别辣椒叶子的颜色的具体步骤如下：
S4a、识别叶子的颜色：
S4a-1、图像识别摄像头获取辣椒叶子的RGB值；
S4a-2、计算亮度L、色饱和度S和色调H：
若B≤G，则：
若B>G，则：
其中,R表示图像的红色分量，G表示图像的绿色分量，B表示图像的蓝色分量；
将计算出的亮度L与设定的亮度阈值进行比较，将计算出的色饱和度S与设定的色饱和度阈值进行比较，将计算出的色调H跟设定的色调阈值进行比较，分析叶子的颜色是否与预设叶子的颜色相匹配。
进一步，所述图像识别摄像头识别辣椒叶子的轮廓形状的具体步骤如下：
S4b-1、在极坐标系中将辣椒叶子的所在区域进行划分，将整个角度空间划分成m份，将长度等分成n份，则整个空间被分成K＝m×n个区域，每个区域为一个栅格(bin)，即有K＝m×n个栅格；
S4b-2、在辣椒叶子上获取轮廓边缘，设任意一组离散点集为t＝{t1,t2,…,ti,…,tn}，以这一组作为采样点集；
S4b-3、利用形状直方图描述叶子形状，以第i个样本点ti作为参考点，根据公式ui(k)＝#{s≠ti:(s-ti)∈bin(k)}，k∈{1,2，…，K}，可得到剩下的n-1个样本点落入不同栅格的数目，即样本点ti的形状直方图，遍历离散点集t＝{t1,t2,…,ti,…,tn}上的n个采样点，可得到n个形状直方图；其中，ui(k)表示统计当前栅格内采样点的个数，bin(k)表示第k个统计栅格，(s-ti)∈bin(k)表示点s是点ti直方图中在第k个统计栅格的一个分量，s表示剩余的边界样本点；
S4b-4、计算相似程度，根据匹配代价公式可得到一个代价矩阵Ci,j，即为两点之间的差异，矩阵的值越小，相似度就越高，对辣椒叶子和无病虫害辣椒叶子中的所有点进行匹配，就能算出两者的相似度；其中，ux表示辣椒叶子上采样点tx的特征直方图，uy表示无病虫害辣椒叶子上采样点sx的特征直方图，k表示当前的第k个栅格。
本发明具有以下优点：本发明能够根据田地地形自动调整其控制方法，能够实现辣椒喷药机器人自主行走及局部精准喷药，具有良好的实用性。辣椒喷药机器人的使用能够减轻农民的工作负担，提高了喷药效率，且辣椒喷药机器人能够实现只针对受虫害区域的精准喷药，更有利于辣椒产量的提高。
附图说明
图1为本发明的立体图；
图2为本发明的正视图；
图3为本发明中270°可旋转云台的爆炸图；
图4为本发明中控制电路的电路框图；
图5为本发明中辣椒喷药机器人控制方法一的路线图；
图6为本发明中辣椒喷药机器人控制方法二的路线图；
图7为本发明中辣椒喷药机器人控制方法三的路线图；
图中，1、图像识别摄像头，2、喷头，3、喷药管，4、支撑架，5、药箱，6、驱动轮，7、路径识别摄像头，8、旋转云台，9、喷药软管，10、底盘，11、直流电机，12、控制舵机，13、水泵，14、舵机紧固件，15、微控制器，16、电机驱动模块，17、传感器模块，18、电源模块，19、转速计数器，20、轴承内圈支撑片,21、轴承内圈支撑环，22、舵盘，23、ABS树脂旋转底座，24、270°数字舵机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的一种辣椒喷药机器人，包括行走机构、连接机构、喷药机构和控制电路。
本实施例中，如图1所示，所述行走机构包括底盘10、四个驱动轮6、四个直流电机11和四个转速计数器19，所述驱动轮6通过固定架与底盘10固定连接，四个直流电机11分别与四个驱动轮6一一对应连接，辣椒喷药机器人转向时四个驱动轮6差速运动。所述转速计数器19用于检测各驱动轮6的速度并发送给控制电路，所述四个转速计数器19分别设置在四个直流电机11的输出轴上，并与控制电路电连接，各转速计数器19用于分别检测各驱动轮6的速度并发送给控制电路，控制电路控制行走机构的行走速度和转向。
本实施例中，如图1所示，包括旋转云台8和支撑架4(比如：三角架)，所述支撑架4的下端通过螺钉与旋转云台8连接，所述旋转云台8用于带动支撑架4转动，该旋转云台8通过螺杆与底盘10相连接，且旋转云台8与控制电路电连接。
本实施例中，如图3所示，所述旋转云台8采用270°可旋转云台，270°可旋转云台包括270°数字舵机24、ABS树脂旋转底座23、两片轴承内圈支撑片20、舵盘22和轴承内圈支撑环21，270°数字舵机24的型号为LD-3015MG，ABS树脂旋转底座23的直径为110mm，内部有13片加强筋，轴承内圈支撑片20直径为80mm，中心圈的直径为8mm，两片轴承内圈支撑片20相距11.6mm，舵盘22直径20mm，中心圈的直径为4mm，安装在其中一个轴承内圈支撑片20上，用于固定270°数字舵机24，轴承内圈支撑环21的外径为91.4mm，内径为82.4mm，270°可旋转云台通过螺杆与底盘10相连接，用于带动支撑架4转向。
如图1和图2所示，所述喷药机构包括送药组件和微型喷药执行组件。所述送药组件包括药箱5、水泵13和喷药软管9；所述药箱5固定在底盘10上；所述水泵13与药箱5相连，水泵13与控制电路电连接，用于控制药水的进出。所述微型喷药执行组件包括喷药管3、喷头2、控制舵机12和舵机紧固件14；所述喷头2通过喷药管3、喷药软管9与水泵13相连，用于喷射农药。所述舵机紧固件14安装在支撑架4上，所述控制舵机12放置在舵机紧固件14上，且控制舵机12与所述喷药管3相连，控制舵机12与控制电路电连接，用于控制喷药管3上下摆动。微型喷药执行组件22可拆卸并根据辣椒植株不同时期不同的高度固定在所述支撑架4上不同的位置。
如图4所示，所述控制电路安装在底盘10上，该控制电路包括微控制器15，以及分别与微控制器15电连接的传感器模块17、电机驱动模块16和电源模块18。所述电机驱动模块16用于驱动各直流电机11工作，该电机驱动模块16分别与各直流电机11和微控制器15电连接。所述电源模块18用于对各个模块供电；所述传感器模块17包括安装在底盘10正前方的路径识别摄像头7和安装在支撑架4顶部的图像识别摄像头1，所述路径识别摄像头7和图像识别摄像头1分别与微控制器15电连接，所述路径识别摄像头7用于采集田地地形并传输给微控制器15，所述微控制器15根据所识别的田地地形控制辣椒喷药机器人的行走速度和转向。所述图像识别摄像头1用于识别辣椒叶子的颜色信息和轮廓信息并传输给微控制器15，微控制器15根据所识别的颜色信息和轮廓信息判断是否执行喷药操作，并在判断出需要喷药时控制微型喷药执行组件执行喷药操作。
本实施例中，微控制器15还分别与转速计数器19、控制舵机12、水泵17和旋转云台8电连接。
本发明所述的辣椒喷药机器人的控制方法，采用如本发明所述的一种辣椒喷药机器人，其控制方法包括以下步骤：
S1、喷药辣椒喷药机器人从出入口进入田地，初始化路径识别摄像头7和图像识别摄像头1。
S2、利用路径识别摄像头7采集田地地形并传输给微控制器15，所述微控制器15根据所识别的田地地形控制辣椒喷药机器人的行走；
如图5所示，当田地地形为各田垄等长时，采用控制方法一控制辣椒喷药机器人行走，具体步骤如下：
a1.路径识别摄像头7采集田地的左边缘与田垄边缘的图像，把两边的图像信息转换成数字信号发送给微控制器15，由微控制器15对信号进行分析处理，判断出两边的中心线，并驱动各直流电机11控制驱动轮6的速度和转向，使辣椒喷药机器人沿着中心线行走；
a2.在直行过程中，路径识别摄像头7采集路况信息并发送给微控制器15，由微控制器15处理分析后，计算出各驱动轮6的转速并发送给电机驱动模块16，电机驱动模块16驱动各直流电机11控制对应驱动轮6的速度，使辣椒喷药机器人向左或向右或继续直行，直到喷药完毕并离开田地；具体步骤如下：
若路径识别摄像头7能同时识别到田地的上边缘、左边缘和田垄的左上角(即图5至图7中的A角)，则辣椒喷药机器人向右转动90°；
若路径识别摄像头7能同时识别到田地的上边缘与田垄的右上角(即图5至图7中的B角)，则辣椒喷药机器人向右转动90°；
若路径识别摄像头7能同时识别到田垄的左下角(即图5至图7中的C角)与田地的下边缘，则辣椒喷药机器人向左转动90°；
若路径识别摄像头7能同时识别到田垄的右下角(即图5至图7中的D角)与田地的下边缘，则辣椒喷药机器人向左转动90°；
若路径识别摄像头7能识别到田地的上边缘与右边缘的夹角，则辣椒喷药机器人向左转动90°；
若路径识别摄像头7能识别到田地的左边缘与上边缘的夹角，则辣椒喷药机器人向左转动90°。
如图6所示，当田地地形为各田垄不等长且位于田地中间的田垄比位于田地左右两边的田垄长时，采用控制方法二控制辣椒喷药机器人行走，具体步骤如下：
b1.路径识别摄像头7采集田地边缘和田垄左边缘的图像，把图像信号转换成数字信号发送给微控制器15，由微控制器15对数字信号进行分析处理，驱动各直流电机11控制驱动轮6的速度和转向，使辣椒喷药机器人沿着田垄的左边缘行走；
b2.在直行过程中，路径识别摄像头7采集路况信息并发送给微控制器15，由微控制器15处理分析后，计算出各驱动轮6的转速并发送给电机驱动模块16，电机驱动模块16驱动各直流电机11控制对应驱动轮6的速度，使辣椒喷药机器人向左或向右或继续直行，直到喷药完毕并离开田地，具体步骤如下：
若路径识别摄像头7能识别到田垄的左上角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头7能识别到田垄的右上角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头7能同时识别到田垄的右下角与相邻田垄的边缘，则辣椒喷药机器人继续向前行走；
若路径识别摄像头7能识别到田垄的左下角，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头7能识别到田垄的右下角，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头7能同时识别到田地的边缘和田垄的右下角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头7能识别到田垄的边缘位于其正前方，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头7能同时识别到田地的边缘和田垄的左下角，则辣椒喷药机器人向右转90°。
如图7所示，当田地地形为各田垄不等长且位于田地中间的田垄比位于田地左右两边的田垄短时，采用控制方法三控制辣椒喷药机器人行走，具体步骤如下：
c1.路径识别摄像头7采集田地边缘和田垄左边缘的图像，把图像信号转换成数字信号发送给微控制器15，由微控制器15对数字信号进行分析处理，驱动各直流电机11控制驱动轮6的速度和转向，使辣椒喷药机器人沿着田垄的左边缘行走；
c2.在直行过程中，路径识别摄像头7采集路况信息并发送给微控制器15，由微控制器15处理分析后，计算出各驱动轮6的转速并发送给电机驱动模块16，电机驱动模块16驱动各直流电机11控制对应驱动轮6的速度，使辣椒喷药机器人向左或向右或继续直行，直到喷药完毕并离开田地，具体步骤如下：
若路径识别摄像头7能识别到田垄的左上角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头7能识别到田垄的右上角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头7能同时识别到田垄的左下角和相邻田垄的边缘，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头7能同时识别到田垄的右下角和相邻田垄的边缘，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头7能同时识别到田垄的右上角和相邻田垄的边缘，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头7能识别到田垄的右下角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头7能同时识别到田垄的左下角和田地的边缘，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头7能识别到田垄的边缘位于其正前方，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头7能识别到田垄的左下角，则辣椒喷药机器人向左转90°。
S3、在行走过程中，若图像识别摄像头1检测到辣椒植株，则收集辣椒植株的坐标信息并转换成数字信号发送到微控制器15，微控制器15对接收到的数字信号进行分析处理后，控制电机驱动模块16驱动各直流电机11工作，控制各驱动轮6的速度和转向使辣椒喷药机器人移动到辣椒植株所在位置。
S4、利用图像识别摄像头1识别辣椒叶子的颜色信息和轮廓信息并传输给微控制器15，微控制器15根据所识别的颜色信息和轮廓信息判断是否执行喷药操作，并在判断出需要喷药时控制微型喷药执行组件执行喷药操作。
本实施例中，辣椒喷药机器人移动到辣椒植株所在位置后，微控制器15控制旋转云台8带动喷药机构转向，使喷头2对准辣椒植株中心。
图像识别摄像头1识别辣椒叶子的颜色并把颜色和轮廓信息转换成数字信号发送到微控制器15，微控制器15对接收到的信号进行分析处理，将颜色信号与设定的颜色阈值进行匹配，将轮廓信号与正常叶子的轮廓信号进行匹配，若匹配成功，说明该辣椒没有虫害，则辣椒喷药机器人不进行喷药。若匹配不成功，说明该辣椒已受到虫害，则图像识别摄像头1采集辣椒植株受虫害区域的空间坐标并发送给微控制器15，微控制器15根据接收到的信号计算出喷药机构要摆动的角度，并控制控制舵机12和水泵13工作，使喷药管3和喷药软管9带动喷头2对准受虫害区域喷药。
本实施例中，所述图像识别摄像头1识别辣椒叶子的颜色的具体步骤如下：
S4a、识别叶子的颜色：
S4a-1、图像识别摄像头1获取辣椒叶子的RGB值；
S4a-2、计算亮度L、色饱和度S和色调H：
若B≤G，则：
若B>G，则：
其中,R表示图像的红色分量，G表示图像的绿色分量，B表示图像的蓝色分量；
将计算出的亮度L与设定的亮度阈值进行比较，将计算出的色饱和度S与设定的色饱和度阈值进行比较，将计算出的色调H跟设定的色调阈值进行比较，分析叶子的颜色是否与预设叶子的颜色相匹配。
本实施例中，所述图像识别摄像头1识别辣椒叶子的轮廓形状的具体步骤如下：
S4b-1、在极坐标系中将辣椒叶子的所在区域进行划分，将整个角度空间划分成m份，将长度等分成n份，则整个空间被分成K＝m×n个区域，每个区域为一个栅格(bin)，即有K＝m×n个栅格；
S4b-2、在辣椒叶子上获取轮廓边缘，设任意一组离散点集为t＝{t1,t2,…,ti,…,tn}，以这一组作为采样点集；
S4b-3、利用形状直方图描述叶子形状，以第i个样本点ti作为参考点，根据公式ui(k)＝#{s≠ti:(s-ti)∈bin(k)}，k∈{1,2，…，K}，可得到剩下的n-1个样本点落入不同栅格的数目，即样本点ti的形状直方图，遍历离散点集t＝{t1,t2,…,ti,…,tn}上的n个采样点，可得到n个形状直方图；其中，ui(k)表示统计当前栅格内采样点的个数，bin(k)表示第k个统计栅格，(s-ti)∈bin(k)表示点s是点ti直方图中在第k个统计栅格的一个分量，s表示剩余的边界样本点；
S4b-4、计算相似程度，根据匹配代价公式可得到一个代价矩阵Ci,j，即为两点之间的差异，矩阵的值越小，相似度就越高，对辣椒叶子和无病虫害辣椒叶子中的所有点进行匹配，就能算出两者的相似度；其中，ux表示辣椒叶子上采样点tx的特征直方图，uy表示无病虫害辣椒叶子上采样点sx的特征直方图，k表示当前的第k个栅格。
Claims (7)
1.一种辣椒喷药机器人，其特征在于：包括行走机构、连接机构、喷药机构和控制电路；
所述行走机构包括底盘(10)、四个驱动轮(6)、四个直流电机(11)和四个转速计数器(19)，所述驱动轮(6)通过固定架与底盘(10)固定连接，四个直流电机(11)分别与四个驱动轮(6)一一对应连接，所述四个转速计数器(19)分别设置在四个直流电机(11)的输出轴上，并与控制电路电连接，各转速计数器(19)用于分别检测各驱动轮(6)的速度并发送给控制电路，控制电路控制行走机构的行走速度和转向；
所述连接机构包括旋转云台(8)和支撑架(4)，所述支撑架(4)的下端与旋转云台(8)连接，所述旋转云台(8)通过螺杆与底盘(10)相连接，且旋转云台(8)与控制电路电连接；
所述喷药机构包括送药组件和微型喷药执行组件；所述送药组件包括药箱(5)、水泵(13)和喷药软管(9)；所述药箱(5)固定在底盘(10)上；所述水泵(13)与药箱(5)相连，水泵(13)与控制电路电连接，用于控制药水的进出；所述微型喷药执行组件包括喷药管(3)、喷头(2)、控制舵机(12)和舵机紧固件(14)；所述喷头(2)通过喷药管(3)、喷药软管(9)与水泵(13)相连，用于喷射农药；所述舵机紧固件(14)安装在支撑架(4)上，所述控制舵机(12)放置在舵机紧固件(14)上，且控制舵机(12)与所述喷药管(3)相连，控制舵机(12)与控制电路电连接，用于控制喷药管(3)上下摆动；
所述控制电路包括微控制器(15)，以及分别与微控制器(15)电连接的传感器模块(17)、电机驱动模块(16)和电源模块(18)；所述电机驱动模块(16)用于驱动各直流电机(11)工作，该电机驱动模块(16)分别与各直流电机(11)和微控制器(15)电连接；所述电源模块(18)用于对各个模块供电；所述传感器模块(17)包括安装在底盘(10)正前方的路径识别摄像头(7)和安装在支撑架(4)顶部的图像识别摄像头(1)，所述路径识别摄像头(7)和图像识别摄像头(1)分别与微控制器(15)电连接，所述路径识别摄像头(7)用于采集田地地形并传输给微控制器(15)，所述微控制器(15)根据所识别的田地地形控制辣椒喷药机器人的行走速度和转向；所述图像识别摄像头(1)用于识别辣椒叶子的颜色信息和轮廓信息并传输给微控制器(15)，微控制器(15)根据所识别的颜色信息和轮廓信息判断是否执行喷药操作，并在判断出需要喷药时控制微型喷药执行组件执行喷药操作；
其中，所述图像识别摄像头(1)识别辣椒叶子的颜色的具体步骤如下：
识别叶子的颜色：
图像识别摄像头(1)获取辣椒叶子的RGB值；
计算亮度L、色饱和度S和色调H：
若B≤G，则：
若B>G，则：
其中,R表示图像的红色分量，G表示图像的绿色分量，B表示图像的蓝色分量；
将计算出的亮度L与设定的亮度阈值进行比较，将计算出的色饱和度S与设定的色饱和度阈值进行比较，将计算出的色调H跟设定的色调阈值进行比较，分析叶子的颜色是否与预设叶子的颜色相匹配。
2.一种辣椒喷药机器人的控制方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的辣椒喷药机器人，其控制方法包括以下步骤：
S1、辣椒喷药机器人从出入口进入田地，初始化路径识别摄像头(7)和图像识别摄像头(1)；
S2、利用路径识别摄像头(7)采集田地地形并传输给微控制器(15)，所述微控制器(15)根据所识别的田地地形控制辣椒喷药机器人的行走；
S3、在行走过程中，若图像识别摄像头(1)检测到辣椒植株，则收集辣椒植株的坐标信息并转换成数字信号发送到微控制器(15)，微控制器(15)对接收到的数字信号进行分析处理后，控制电机驱动模块(16)驱动各直流电机(11)工作，控制各驱动轮(6)的速度和转向，使辣椒喷药机器人移动到辣椒植株所在位置；
S4、利用图像识别摄像头(1)识别辣椒叶子的颜色信息和轮廓信息并传输给微控制器(15)，微控制器(15)根据所识别的颜色信息和轮廓信息判断是否执行喷药操作，并在判断出需要喷药时控制微型喷药执行组件执行喷药操作。
3.根据权利要求2所述的一种辣椒喷药机器人的控制方法，其特征在于：当田地地形为各田垄等长时，控制辣椒喷药机器人行走的步骤如下：
a1.路径识别摄像头(7)采集田地的左边缘与田垄边缘的图像，把两边的图像信息转换成数字信号发送给微控制器(15)，由微控制器(15)对信号进行分析处理，判断出两边的中心线，并驱动各直流电机(11)控制驱动轮(6)的速度和转向，使辣椒喷药机器人沿着中心线行走；
a2.在直行过程中，路径识别摄像头(7)采集路况信息并发送给微控制器(15)，由微控制器(15)处理分析后，计算出各驱动轮(6)的转速并发送给电机驱动模块(16)，电机驱动模块(16)驱动各直流电机(11)控制对应驱动轮(6)的速度，使辣椒喷药机器人向左或向右或继续直行，直到喷药完毕并离开田地；具体步骤如下：
若路径识别摄像头(7)能同时识别到田地的上边缘、左边缘和田垄的左上角，则辣椒喷药机器人向右转动90°；
若路径识别摄像头(7)能同时识别到田地的上边缘与田垄的右上角，则辣椒喷药机器人向右转动90°；
若路径识别摄像头(7)能同时识别到田垄的左下角与田地的下边缘，则辣椒喷药机器人向左转动90°；
若路径识别摄像头(7)能同时识别到田垄的右下角与田地的下边缘，则辣椒喷药机器人向左转动90°；
若路径识别摄像头(7)能识别到田地的上边缘与右边缘的夹角，则辣椒喷药机器人向左转动90°；
若路径识别摄像头(7)能识别到田地的左边缘与上边缘的夹角，则辣椒喷药机器人向左转动90°。
4.根据权利要求3所述的辣椒喷药机器人的控制方法，其特征在于：当田地地形为各田垄不等长且位于田地中间的田垄比位于田地左右两边的田垄长时，控制辣椒喷药机器人行走的步骤如下：
b1.路径识别摄像头(7)采集田地边缘和田垄左边缘的图像，把图像信号转换成数字信号发送给微控制器(15)，由微控制器(15)对数字信号进行分析处理，驱动各直流电机(11)控制驱动轮(6)的速度和转向，使辣椒喷药机器人沿着田垄的左边缘行走；
b2.在直行过程中，路径识别摄像头(7)采集路况信息并发送给微控制器(15)，由微控制器(15)处理分析后，计算出各驱动轮(6)的转速并发送给电机驱动模块(16)，电机驱动模块(16)驱动各直流电机(11)控制对应驱动轮(6)的速度，使辣椒喷药机器人向左或向右或继续直行，直到喷药完毕并离开田地，具体步骤如下：
若路径识别摄像头(7)能识别到田垄的左上角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头(7)能识别到田垄的右上角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头(7)能同时识别到田垄的右下角与相邻田垄的边缘，则辣椒喷药机器人继续向前行走；
若路径识别摄像头(7)能识别到田垄的左下角，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头(7)能识别到田垄的右下角，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头(7)能同时识别到田地的边缘和田垄的右下角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头(7)能识别到田垄的边缘位于其正前方，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头(7)能同时识别到田地的边缘和田垄的左下角，则辣椒喷药机器人向右转90°。
5.根据权利要求3所述的一种辣椒喷药机器人的控制方法，其特征在于：当田地地形为各田垄不等长且位于田地中间的田垄比位于田地左右两边的田垄短时，控制辣椒喷药机器人行走的步骤如下：
c1.路径识别摄像头(7)采集田地边缘和田垄左边缘的图像，把图像信号转换成数字信号发送给微控制器(15)，由微控制器(15)对数字信号进行分析处理，驱动各直流电机(11)控制驱动轮(6)的速度和转向，使辣椒喷药机器人沿着田垄的左边缘行走；
c2.在直行过程中，路径识别摄像头(7)采集路况信息并发送给微控制器(15)，由微控制器(15)处理分析后，计算出各驱动轮(6)的转速并发送给电机驱动模块(16)，电机驱动模块(16)驱动各直流电机(11)控制对应驱动轮(6)的速度，使辣椒喷药机器人向左或向右或继续直行，直到喷药完毕并离开田地，具体步骤如下：
若路径识别摄像头(7)能识别到田垄的左上角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头(7)能识别到田垄的右上角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头(7)能同时识别到田垄的左下角和相邻田垄的边缘，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头(7)能同时识别到田垄的右下角和相邻田垄的边缘，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头(7)能同时识别到田垄的右上角和相邻田垄的边缘，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头(7)能识别到田垄的右下角，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头(7)能同时识别到田垄的左下角和田地的边缘，则辣椒喷药机器人向右转90°；
若路径识别摄像头(7)能识别到田垄的边缘位于其正前方，则辣椒喷药机器人向左转90°；
若路径识别摄像头(7)能识别到田垄的左下角，则辣椒喷药机器人向左转90°。
6.根据权利要求3所述的辣椒喷药机器人的控制方法，其特征在于：所述S4具体为：
辣椒喷药机器人移动到辣椒植株所在位置后，微控制器(15)控制旋转云台(8)带动喷药机构转向，使喷头(2)对准辣椒植株中心；
图像识别摄像头(1)识别辣椒叶子的颜色并把颜色和轮廓信息转换成数字信号发送到微控制器(15)，微控制器(15)对接收到的信号进行分析处理，将颜色信号与设定的颜色阈值进行匹配，将轮廓信号与正常叶子的轮廓信号进行匹配，若匹配成功，说明该辣椒没有虫害，则辣椒喷药机器人不进行喷药；
若匹配不成功，说明该辣椒已受到虫害，则图像识别摄像头(1)采集辣椒植株受虫害区域的空间坐标并发送给微控制器(15)，微控制器(15)根据接收到的信号计算出喷药机构要摆动的角度，并控制控制舵机(12)和水泵(13)工作，使喷药管(3)和喷药软管(9)带动喷头(2)对准受虫害区域喷药。
7.根据权利要求6所述的辣椒喷药机器人的控制方法，其特征在于：所述图像识别摄像头(1)识别辣椒叶子的轮廓形状的具体步骤如下：
S4b、识别叶子的轮廓形状：
S4b-1、在极坐标系中将辣椒叶子的所在区域进行划分，将整个角度空间划分成m份，将长度等分成n份，则整个空间被分成K＝m×n个区域，每个区域为一个栅格bin，即有K＝m×n个栅格；
S4b-2、在辣椒叶子上获取轮廓边缘，设任意一组离散点集为t＝{t1,t2,…,ti,…,tn}，以这一组作为采样点集；
S4b-3、利用形状直方图描述叶子形状，以第i个样本点ti作为参考点，根据公式ui(k)＝#{s≠ti:(s-ti)∈bin(k)}，k∈{1,2，…，K}，得到剩下的n-1个样本点落入不同栅格的数目，即样本点ti的形状直方图，遍历离散点集t＝{t1,t2,…,ti,…,tn}上的n个采样点，得到n个形状直方图；其中，ui(k)表示统计当前栅格内采样点的个数，bin(k)表示第k个统计栅格，(s-ti)∈bin(k)表示点s是点ti直方图中在第k个统计栅格的一个分量，s表示剩余的边界样本点；
S4b-4、计算相似程度，根据匹配代价公式可得到一个代价矩阵Ci,j，即为两点之间的差异，矩阵的值越小，相似度就越高，对辣椒叶子和无病虫害辣椒叶子中的所有点进行匹配，就能算出两者的相似度；其中，ux表示辣椒叶子上采样点tx的特征直方图，uy表示无病虫害辣椒叶子上采样点sx的特征直方图，k表示当前的第k个栅格。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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