CN112720508B - 一种蔬菜大棚机器人控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蔬菜大棚机器人控制方法，采用新型供电方式为工作机器人供电，替代大容量电池的使用。本发明通过电线取代大容量电池对机器人进行及时供电，在直接对机器人进行供电的同时，避免机器人行驶过程中电线缠绕。本发明节约了购买和维修大容量电池的成本，延长了机器人的工作时间，减少了电池的使用，简化了机器人的结构，降低了整个装置的复杂程度，使生产成本降低，能够使工作机器人拥有更低廉的造价和更高的效能，使作业效率更高。

Description

一种蔬菜大棚机器人控制方法

技术领域

本发明属于农业自动化技术领域，涉及一种蔬菜大棚机器人控制方法。

背景技术

随着世界人口持续增长，农作物的需求也随之增加，而现有资源在不断地减少，因此我们需要以一种更绿色、更可持续的方式提高农作物的生产效率。

在农作物的生产中，全世界已经大规模使用蔬菜大棚，它不仅有安全卫生、节省成本、适栽品种多、产量高等优点，还能有效利用冬季自然光能，生产出优质的反季节蔬菜，满足人们多样的饮食需求。蔬菜大棚中常使用智能机器人来对作物进行浇水、施肥、除病虫害等工作。

而传统的机器人通常由大容量的充电电池供电，电池价格昂贵，重量大，日常维护频繁，工作时间短，且用久了之后，电池中的反应物渐渐损耗，电阻增加，电压减少，时间长了会发生衰减，续航里程会大大减少，且电池报废后处理过程繁琐，处理不当易对环境造成严重污染。在繁忙季节时，农民还需腾出时间为电池充电，降低了工作效率和生产效率。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种蔬菜大棚机器人控制方法，采用新型供电方式为工作机器人供电，替代大容量电池的使用。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种蔬菜大棚机器人控制方法，包括如下步骤：

步骤一，机器人行驶至大棚入口处，摄像头捕捉到供电插口，控制机器人行驶至插口处，移动机械臂将抓住的插头插至供电插口；

步骤二，机器人沿工作轨迹行驶，对作物进行作业，边行驶边放出电线，并防止电线缠绕，机器人工作后原路返回，边行驶边收回电线；

步骤三，机器人完成所有工作轨迹后回到大棚入口处，机械臂水平移动脱离插头。

进一步的，工作轨迹包括多条分支路径工作轨迹，蔬菜大棚每个分支路径入口设有定标柱，所述步骤二具体包括如下步骤：

机器人在定标柱指引下到达各定标柱后绕柱行驶后再沿分支路径工作轨迹进行作业，边行驶边放出电线，机器人沿分支路径工作轨迹工作后原路返回收回电线，解开柱身上的电线，再驶向下一个定标柱处重复绕柱、沿分支工作工作轨迹作业放出电线、原路返回收回电线、解线。

进一步的，所述解开柱身上的电线通过反方向绕柱行驶或使用机械装置将电线反方向绕开实现。

进一步的，所述机器人包括工作机器人和辅助机器人，工作机器人插头连接辅助机器人插座，在作业工作轨迹之外两机器人同步行驶；步骤一至三具体为如下过程：

步骤一，工作机器人插头连接辅助机器人插座，两机器人行驶至大棚入口处时，辅助机器人摄像头在镜头中捕捉到供电插口，控制辅助机器人行驶至插口处，移动辅助机器人机械臂将抓住的插头插至供电插口；

步骤二，辅助机器人和工作机器人行至各条支路的起始处，辅助机器人边行驶边放出电线，辅助机器人与工作机器人位于起始位置，且均处于供电状态；对第一列作物工作时，辅助机器人停留原地等待，工作机器人沿支路轨迹向前缓慢行驶，途中进行作业，辅助机器人通过供电电线对工作机器人持续供电，工作机器人边行驶边放出电线；工作机器人行驶至条支路尽头时，倒车按原路径返回，此时辅助机器人仍在原地位置等待，工作机器人边行驶边收回电线；

在完成对所有作物列各条支路的工作后，两机器人行驶回至大棚起始位置，辅助机器人边行驶边收回电线；

步骤三，在达到起始位置后，由机械臂拔出辅助机器人插头。

进一步的，所述步骤二中，机器人对作物进行工作时，喷杆机构中存储的待释放的物料朝车辆行驶方向两侧喷洒。

进一步的，通过控制竖直方向移动的一台电机配合控制水平方向移动的另一台电机来移动机械臂。

进一步的，所述插头和/或插座设置有自锁装置。

进一步的，所述自锁装置包括安装在插口旁的电磁锁铁板部分，以及安装在插头上的电磁锁硅钢片部分。

进一步的，在电线放出和收回过程中，调整电线卷进卷出方向及其速度，防止电线拉力过紧或电线放出过长。

进一步的，在电线出口处设置有力传感器，力传感器用于检测电线拉扯的拉力，通过内置电机根据实时拉力调节电线卷进卷出的方向及速度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

1.本发明提供的控制方法在直接对机器人进行供电的同时，避免机器人行驶过程中电线缠绕。

2.本发明通过电线取代大容量电池对机器人进行及时供电，节约了购买和维修大容量电池的成本，延长了机器人的工作时间，减少了电池的使用，简化了机器人的结构，降低了整个装置的复杂程度，使生产成本降低。

3.本发明减少大容量电池使用的同时，降低机器重量，使机器人在耕地作业时不易陷地；直接供电的工作功率更大，能量更充足，工作时可带有效负载更多，令机器人能够承担较为艰巨的任务。

4.供电/充电过程全自动，无需农民再手动对电池充电，提高了蔬菜大棚的自动化水平，能够使工作机器人拥有更低廉的造价和更高的效能，提高作业效率。

附图说明

图1为本发明提供的全地形植保工作机器人结构示意图。

图2为卷轴和电线缠绕方式示意图。

图3为实施例一中利用定标柱辅助全地形植保工作机器人工作示意图，其中（a）为机器人供电电线绕柱一圈示意图，（b）为机器人供电电线绕柱半圈示意图。

图4中（a）~（e）为实施例二中全地形植保工作机器人与辅助机器人在工作过程中行驶至各位置示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

本发明提供的蔬菜大棚机器人控制方法，基于如图1所示的全地形植保工作机器人（以下简称工作机器人/机器人）结构实现。本例中该工作机器人为履带式，也可以采用轮式或其他形式的机器人，可对蔬菜大棚中的田地进行整地、播种、浇水、喷药、施肥、收割等作业。机器人各驱动机构应连接处理器，由处理器通过预设的逻辑结合运算后控制各驱动机构动作。处理器可与控制中心进行通讯，由控制中心实时获取工作状态并能够对工作机器人进行实时控制。其结构包括车箱11，车箱下设置车轮，由于本例机器人为履带式结构，在车箱下设置有四组组合轮，每组组合轮呈三角形，包括驱动轮2、以及通过支架设置在驱动轮下方的导向轮1，导向轮1通过调节车辆左右两侧差速来控制机器人行驶方向，驱动轮2连接齿轮，齿轮与驱动电机连接为机器人提供驱动动力。当机器人为常规轮式结构时，通过车轮转向来控制车辆方向。车箱上设置有喷杆机构12，可根据不同的作业需要来安装不同通道数目的喷杆（图中为两排9通道的喷杆，可同时对车辆行驶路径两侧的作物作业）。喷杆机构也可以采用其他作业设备，如整地装置等。车箱头部设置有机械臂6，机械臂6能够抓持插头5。插头5的供电电线4绕过定滑轮3后缠绕在底座内部的卷轴上，定滑轮3固定在车箱11上。此外，车箱上配置有两组电机，用于控制机械臂6竖直方向和水平方向的移动。具体地说，电机一7直接与机械臂连接，用于控制机械臂在水平方向移动，电机一7固定支架固定在由电机二8驱动的滑轨上，从而由电机二8控制电机一7及机械臂的上下位置。电机控制机械臂使其抓住的插头5插至供电插口，或水平移动脱离插头5。车箱11上还设置有摄像头9，用于拍摄捕捉供电插口位置，在摄像头、机械臂、电机上方设置有半包式防护罩10对其中的结构起到保护作用，防止它们受物料喷洒而损坏。

蔬菜大棚的常规设计如图3、4所示，其中包含多条纵向设置的路径，大棚入口处设置有供电插头，工作机器人需在工作前在供电插头处插入插头后，沿路径行走，并在工作完成后拔出插头。为防止机器人在工作过程中因电线拉力的影响而拔出插头与棚区电源断开，可添加自锁装置，使得插头能够在工作状态中较为牢固地插入供电插口中，不易脱落。例如在插口旁安装电磁锁的铁板部分，在插头5上安装电磁锁的硅钢片部分，当插头5插至供电插口中时，棚区电源通过供电电线4对机器人持续供电，此时有电流流过硅钢片，电磁锁会产生强大吸力吸附住铁板，保证供电的持续性。自锁装置最好在需要拔出插头时受控打开自锁。

在供电过程中，机器人远离插头时电线转出，接近插头时电线收回。电线转出（或收回）的速度若太慢（或太快），电线拉力大，容易拉扯损坏电线，甚至将机器人拽倒；电线转出（或收回）的速度若太快（或太慢），多余电线堆积在地上，可能会对机器人行驶道路造成堵塞。为方便机器人行驶过程中电线进出，提出以下两种解决方案来调整电线卷进卷出方向及其速度：

方案一，计算分析卷轴及所卷电线所构整体的半径以及机器人的行驶速度，通过内置电机调整电线卷进卷出的速度；

方案二，在电线出口处设置一个支架，支架处装有力传感器13，力传感器13上设置有出线口14，供电电线4自出线口14穿出，如图2所示，力传感器13可实时检测到电线拉扯的拉力，通过内置电机根据不同的力度调节电线卷进卷出的速度，例如力度超出某个阈值时，调整电线卷出或加快当前卷出速度或降低卷进速度，力度低于某个阈值时，调整电线卷进或加快卷进速度或降低卷出速度。

通过以上两种方案可使电线转出和收回的速度适中，很好地与机器人行驶速度配合，转出的电线拖到地上，电源通过电线对机器人进行持续供电，保证机器人能够按照规划路径对作物进行作业，避免了工作过程中电池没电而停止工作的现象发生，极大地提高了机器人的工作效率。

在机器人行进过程中，由于电线长度会发生变化，且因行进路线较为复杂，本发明通过以下两个实例解决了机器人行驶过程中电线缠绕的问题。

实施例一：

在蔬菜大棚各分支路径起点设置如图3所示的定标柱，柱身可通过使用特殊颜色、特殊图形、以特定模式闪烁灯光、发射超声波或电磁波等方法帮助机器人（机器人上安装有相应的识别装置或接收信号装置）定位，表明机器人已行驶至工作通道处。当有多个定标柱的情况下应设置指引顺序，定标柱可与控制中心连接，由控制中心控制发出定位信号的定标柱。本例中蔬菜大棚机器人控制方法包括如下步骤：

步骤一，当机器人行驶至大棚入口处时，摄像头9在镜头中捕捉到供电插口，控制机器人行驶至插口处，此时控制竖直方向移动的电机二8配合控制水平方向移动的电机一7来移动机械臂6，使其抓住的插头5插至供电插口；

步骤二，机器人在定标柱指引下到达第一定标柱，按附图3中的（a）~（b）的方式绕柱行驶一周或半周（或设置机械装置自动将电线在柱上缠绕一周或半周），再行驶到工作轨迹（可预先设定）上对作物进行作业，边行驶边放出电线；机器人工作后原路返回收回电线，反方向绕柱行驶一周解开柱身上的电线（或使用机械装置自动将电线反方向绕开），再驶向下一个定标柱处重复上述工作步骤，即绕柱，沿工作轨迹作业后原路返回收回电线。

利用定标柱可以很好地解决绕线问题，当电线在柱身缠绕一周后，避免了拐弯处的电线随机器人的行驶而扯动，且能帮助机器人精确定位到通道口处，利于后续作业。

机器人对作物进行工作时，喷杆机构12中存储的待释放的物料朝车辆行驶方向两侧喷洒。

步骤三，机器人完成所有工作轨迹后回到大棚入口处，机械臂6水平移动脱离插头5，完成此次供电（充电）。

完成一个蔬菜大棚的工作后，机器人行驶至下一个蔬菜大棚，重复上述工作步骤。

实施例二：

除了定标柱方式外，还可以增加一个辅助机器人，行至蔬菜大棚每一分支路径的起点处，为工作机器人提供电力，这样工作机器人就可以避免电线缠绕的问题。工作机器人通常质量轻、体积小，辅助机器人与本发明提及的工作机器人辅助机器人因储存较多所需物料，一般较为沉重，它可以为工作机器人加水、加肥、加药等，还能为工作泵加压以便工作机器人后续作业。辅助机器人与工作机器人结构相仿，即也具有导向轮、驱动轮、车箱、但由于不进行作业，无需安装喷杆机构12等作业设备。辅助机器人内部同样拥有电线供电结构，棚区电源通过电线直接对辅助机器人供电，辅助机器人再通过供电电线4对工作机器人提供电力支持。辅助机器人上也可安装插座，工作机器人上设置机械臂可拔插插头。

图4为辅助机器人与工作机器人行驶路径。

步骤一，工作机器人插头连接辅助机器人插座，两机器人行驶至大棚入口处时，辅助机器人摄像头9在镜头中捕捉到供电插口，控制辅助机器人行驶至插口处，此时控制竖直方向移动的电机二8配合控制水平方向移动的电机一7来移动机械臂6，使其抓住的插头5插至供电插口；

步骤二，辅助机器人和工作机器人行至第一条支路的起始处，行驶过程中辅助机器人电线放出，辅助机器人和工作机器人保持相对位置不变，如图4中的(a)所示。辅助机器人与工作机器人位于支路起始位置，且均处于供电状态，工作机器人准备对第一列作物进行农作；对第一列作物工作时，辅助机器人停留原地等待，工作机器人沿图示纵向方向向前缓慢行驶，途中可完成对驶过土地进行整地或利用喷杆机构12对机旁的农作物进行作业，该过程辅助机器人通过供电电线4对工作机器人持续供电，工作机器人电线缓慢延伸；

工作机器人行驶至第一列作物尽头时，倒车按原路径返回，此时辅助机器人仍在原地位置等待，电线缓慢收缩；

当工作机器人倒车回至图4中的（a）所示位置时，两车同时沿图示横向方向行驶至第二行作物通道处，然后停止；

同样地，重复对第一列作物工作的行驶方式，完成对第二列作物的工作；

工作机器人和辅助机器人工作过程部分位置示意见附图4中的（a）~（e），该过程中工作机器人的供电电线4经过定滑轮3卷进卷出，多余的线缆收放至车箱11的卷轴上。

在完成对所有作物列的工作后，两车位于图4中的（e）所示结束位置；

在达到结束位置后，两机器人沿图示横向方向行驶回至起始位置，辅助机器人和工作机器人保持相对位置不变，辅助机器人边行驶边收回电线；

步骤三，在达到起始位置后，由机械臂拔出插头。本例中，由机械臂6按下墙上电磁锁旁的按钮，即可断开工作机器人与辅助机器人之间、辅助机器人和棚区电源之间的供电，电磁锁开启，机械臂6抓住插头5使其从供电插口中拔出，两机器人行驶至下一个棚区，重复上述步骤。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种蔬菜大棚机器人控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，机器人行驶至大棚入口处，摄像头捕捉到供电插口，控制机器人行驶至插口处，移动机械臂将抓住的插头插至供电插口；

步骤二，机器人沿工作轨迹行驶，对作物进行作业，边行驶边放出电线，并防止电线缠绕，机器人工作后原路返回，边行驶边收回电线；

所述工作轨迹包括多条分支路径工作轨迹，蔬菜大棚每个分支路径入口设有定标柱，柱身通过使用特定模式闪烁灯光、发射超声波或电磁波方法帮助机器人定位，机器人上安装有相应的识别装置或接收信号装置，所述步骤二具体包括如下步骤：

机器人在定标柱指引下到达各定标柱后绕柱行驶后再沿分支路径工作轨迹进行作业，边行驶边放出电线，机器人沿分支路径工作轨迹工作后原路返回收回电线，解开柱身上的电线，再驶向下一个定标柱处重复绕柱、沿分支路径工作轨迹作业放出电线、原路返回收回电线、解线；

步骤三，机器人完成所有工作轨迹后回到大棚入口处，机械臂水平移动脱离插头。

2.根据权利要求1所述的蔬菜大棚机器人控制方法，其特征在于，所述解开柱身上的电线通过反方向绕柱行驶或使用机械装置将电线反方向绕开实现。

3.根据权利要求1所述的蔬菜大棚机器人控制方法，其特征在于，所述步骤二中，机器人对作物进行工作时，喷杆机构中存储待释放的物料，朝车辆行驶方向两侧喷洒。

4.根据权利要求1所述的蔬菜大棚机器人控制方法，其特征在于，通过控制竖直方向移动的一台电机配合控制水平方向移动的另一台电机来移动机械臂。

5.根据权利要求1所述的蔬菜大棚机器人控制方法，其特征在于，所述插头和/或插口设置有自锁装置。

6.根据权利要求5所述的蔬菜大棚机器人控制方法，其特征在于，所述自锁装置包括安装在插口旁的电磁锁铁板部分，以及安装在插头上的电磁锁硅钢片部分。

7.根据权利要求1所述的蔬菜大棚机器人控制方法，其特征在于，在电线放出和收回过程中，调整电线卷进卷出方向及其速度，防止电线拉力过紧或电线放出过长。

8.根据权利要求1所述的蔬菜大棚机器人控制方法，其特征在于，在电线出口处设置有支架，支架上装有力传感器，力传感器用于检测电线拉扯的拉力，通过内置电机根据实时力度调节电线卷进卷出的方向及速度。

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