CN113228900A - 一种补苗装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于农业装备领域，涉及一种补苗装置及方法。补苗装置包括行走机构、定位机构、投苗高度调节机构、储苗投苗机构、车架和控制机构；投苗高度调节机构和储苗投苗机构通过定位机构可控地布置在车架平台下方，定位机构能够带动投苗高度调节机构和储苗投苗机构沿横向和纵向移动。本发明的行走机构利用四轮转向联合匹配可以实现原地转向，四个轮子单独控制可以实现在复杂的环境中行走与转向；定位机构通过图像坐标与导苗管位置的标定与匹配实现补苗的精准定位；摄像头实时捕捉地面环境，基于树莓派的机器视觉与图像处理快速又准确；储苗投苗机构与投苗高度调节机构巧妙的结构设计，既可以储存一定量的幼苗，又可以精准落入穴孔中。

Description

一种补苗装置及方法
技术领域
本发明属于农业装备领域，特别涉及一种补苗装置及方法。
背景技术
随着农村产业经济结构的调整，智慧农业正逐步趋向集约化和现代化发展。与此同时，我国农村劳动力的转移和短缺正与穴盘苗移栽补苗作业需要大量人力的现状产生矛盾。而且，穴盘育苗过程中会出现漏播的情况，因此实现补苗作业的智能自动化，解决自动移栽作业过程中，因穴盘缺苗和取苗投苗失败而导致的漏栽问题具有重要意义。
如中国发明专利申请(公布号：CN 109937761 A)，公开了一种“温室苗床移动巡检补苗机器人”；该机构具有种苗优劣识别、剔除劣苗和移植优苗三个功能，同时该机构可在空间定向移动，以实现连续的种苗检补工作。该机构包括两根平行布置的导轨、可沿着导轨活动的机架、水平设置在机架下边用于摆放待替换苗盘的苗床、设置在机架底部以使机架沿着导轨运动的若干动力机构、固定在机架上用于摆放替补苗盘的补苗平台、设置在苗床上方且可活动地定位在机架上的滑动机构以及由滑动机构驱使并往复运动于补苗平台和苗床之间以移植种苗的种苗移植机构。但是该机构只能在导轨上行走，需要在苗床部分铺设特定的轨道才能正常工作，导轨耗材量较大。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种补苗装置及方法，其行走机构利用四轮转向联合匹配可以实现原地转向，四个轮子单独控制可以实现在复杂的环境中行走与转向；定位机构通过图像坐标与导苗管位置的标定与匹配实现补苗的精准定位；摄像头实时捕捉地面环境，基于树莓派的机器视觉与图像处理快速又准确；储苗投苗机构与投苗高度调节机构巧妙的结构设计，既可以储存一定量的幼苗，又可以精准落入穴孔中。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种补苗装置，包括行走机构1和车架5，所述车架5为龙门式结构，包括一矩形车架平台501以及四个分别位于车架平台501的四个角部的车架立柱502；每一个车架立柱502的底端均设置有一独立驱动的行走机构1。
所述补苗装置进一步包括定位机构2、投苗高度调节机构3、储苗投苗机构4和控制机构6。
所述投苗高度调节机构3和储苗投苗机构4通过定位机构2可控地布置在车架平台501下方，所述定位机构2能够带动投苗高度调节机构3和储苗投苗机构4沿横向和纵向移动。
所述定位机构2包括纵移步进电机201、横移步进电机202、纵向导轨203、横向导轨204、纵向滑台205、横向滑台206、补苗定位平台207、纵移传动轴208、纵移主动带轮209、纵移传动带轮210、纵移传动皮带211、纵向滑台驱动带轮212、纵向滑台驱动皮带213、纵向滑台皮带压板214、横向滑台驱动带轮215、横向滑台驱动皮带216、补苗定位平台皮带扣217、纵移电机座218、纵移传动轴承座219和纵向导轨座220。
一对位于同一水平面内的纵向导轨203通过纵向导轨座220分别纵向固接在车架5前端的两个车架立柱502和后端的两个车架立柱502上；一对纵向滑台205分别可自由滑动地设置在两个纵向导轨203上；一对位于同一平面内的横向导轨204的左右两端分别固接在两个纵向滑台205上；至少一对横向滑台206分别可自由滑动地设置在两个横向导轨204上；四个纵移传动轴承座219分别固接在车架5的四个车架立柱502上，每个纵移传动轴承座219中均设置有一纵向滑台驱动带轮212，所述纵向滑台驱动带轮212的转轴平行于横向导轨204；横向布置的所述纵移传动轴208的左右两端分别安装在两个纵移传动轴承座219上，并分别与纵移传动轴承座219内的纵向滑台驱动带轮212的转轴连接；所述补苗定位平台207的上端面与各横向滑台206固接。
所述纵移步进电机201与纵移传动轴208同侧布置，通过纵移电机座218固接在车架立柱502上；所述纵移主动带轮209固接在平行于纵移传动轴208的纵移步进电机201的动力输出轴上；所述纵移传动带轮210固接在纵移传动轴208上；所述纵移传动皮带211套设在纵移主动带轮209和纵移传动带轮210之间；两个位于纵移传动轴208左端的纵向滑台驱动带轮212之间以及两个位于纵移传动轴208右端的纵向滑台驱动带轮212之间，各套设一纵向滑台驱动皮带213；所述纵向滑台驱动皮带213通过纵向滑台皮带压板214固接在纵向滑台205上，带动纵向滑台205在纵向导轨203上滑动。
两个横向滑台驱动带轮215相互对应地分别设置在两个纵向滑台205上；所述横移步进电机202固接在其中一个纵向滑台205上，横移步进电机202的动力输出轴与一横向滑台驱动带轮215的转轴固接；所述横向滑台驱动皮带216套设在两个横向滑台驱动带轮215之间；横向滑台驱动皮带216通过补苗定位平台皮带扣217与补苗定位平台207的上端面固接，带动补苗定位平台207沿横向导轨204移动。
所述投苗高度调节机构3包括高度调节舵机301、齿轮法兰盘302、齿轮303、投苗舵机架304和齿条305；所述储苗投苗机构4包括投苗舵机板401、投苗舵机402、储苗壳体403、导苗管407、转盘法兰盘404、储苗转盘405和竖直导轨406。
至少两个竖直导轨406垂直固接在补苗定位平台207的下端面上；所述储苗壳体403的外壁通过连接耳可自由滑动地设置在竖直导轨406上；所述投苗舵机402固接在投苗舵机板401上；所述投苗舵机板401固接在储苗壳体403上；所述储苗转盘405通过转盘法兰盘404与投苗舵机402的动力输出轴固接，储苗转盘405位于储苗壳体403的底板上方，并与储苗壳体403的底板之间间隔一定距离；所述储苗转盘405上周向开有多个用于容纳种苗的圆孔；所述储苗壳体403的底板上设有一与储苗转盘405的圆孔相对应的导苗管407；所述齿条305垂直固接在补苗定位平台207的下端面上；所述高度调节舵机301通过投苗舵机架304固接在储苗壳体403的外壁上；所述齿轮303通过齿轮法兰盘302固接在高度调节舵机301的动力输出轴上，并与齿条305相互啮合。
所述控制机构6包括STM32控制系统601、机器视觉识别模块、电源系统604、驱动器605、稳压模块606、超声波测距传感器607和陀螺仪608；所述机器视觉识别模块包括摄像头602和树莓派603。
所述摄像头602固接在车架平台501的下表面中心处，摄像头602朝向下方，用于采集田垄图像；所述陀螺仪608固接在车架平台501上，用于检测车架5的角度偏移；两个超声波测距传感器607分别固接在车架平台501的左右两侧，用于检测车架5与田垄侧边的距离，保证车身沿垄道直线行走。
所述STM32控制系统601分别与树莓派603、驱动器605、超声波测距传感器607、陀螺仪608、投苗舵机402、高度调节舵机301和行走机构1的各转向舵机108连接，所述驱动器605分别与行走步进电机101、纵移步进电机201、横移步进电机202连接；所述电源系统604通过不同的稳压模块606分别为树莓派603、超声波测距传感器607、陀螺仪608、行走步进电机101、纵移步进电机201、横移步进电机202、投苗舵机402、高度调节舵机301和行走机构1的各转向舵机108提供动力。
所述定位机构2的补苗定位平台207的初始位置位于车架平台501的一角，避免遮挡摄像头602的拍摄区域。
所述行走机构1包括行走步进电机101、行走支架竖直板102、行走支架水平板103、固定齿轮104、舵机齿轮105、转接法兰106、舵机卡盘107、转向舵机108和轮子109；所述固定齿轮104的上端面与车架立柱502的底端固接，固定齿轮104的下端面通过轴承和套筒与行走支架水平板103转动连接；所述行走支架竖直板102垂直固接在行走支架水平板103的下表面上；所述行走步进电机101固接在行走支架竖直板102上，所述轮子109通过梯形轴套固接在行走步进电机101的动力输出轴上；所述转向舵机108通过舵机卡盘107固接在行走支架水平板103的侧端面上，所述舵机齿轮105通过转接法兰106固接在转向舵机108的动力输出轴上；所述舵机齿轮105与固定齿轮104相互啮合。
所述舵机卡盘107与行走支架水平板103的侧端面之间设有弹簧，用于调节舵机齿轮105与固定齿轮104之间的中心距。
一种根据所述的补苗装置的补苗方法，包括如下步骤：
S1、补苗装置进入垄间作业，各行走机构1根据陀螺仪608和超声波测距传感器607分别检测的角度偏移量和对垄距离，控制各行走步进电机101和各转向舵机108，实现补苗装置的直线跨垄行走；
S2、摄像头602实时采集田垄图像，并将图像信息发送给树莓派603进行处理，检测穴孔是否漏苗；如果检测到无苗孔穴，则执行步骤S3；否则，执行步骤S4；
S3、当发现无苗孔穴时，STM32控制系统601对控制各行走机构1的行走步进电机101的驱动器605发送指令，使这四个行走步进电机101停止工作，补苗装置停止；同时，STM32控制系统601控制定位机构2完成补苗定位平台207横向、纵向定位，控制投苗高度调节机构3调节储苗投苗机构4的投苗高度，控制储苗投苗机构4完成补苗；
S4、没有检测到无苗孔穴或补苗动作完成之后，判断补苗装置是否行进到田垄的尽头；如果补苗装置行进到田垄的尽头，则执行步骤S5；如果补苗装置未行进到田垄的尽头，则返回步骤S1继续作业；
S5、判断补苗装置是否遍历全部田垄，如果没有遍历全部田垄，则各行走机构1根据陀螺仪608和超声波测距传感器607分别检测到的角度偏移量和对垄距离，控制各行走步进电机101和各转向舵机108，对补苗装置的姿态位置进行校准，然后完成转向跨垄并返回步骤S1继续作业；如果已经遍历全部田垄，则执行退出操作，整个补苗过程结束。
所述步骤S1包括：
S1.1、陀螺仪608根据设定角度α0和检测到的角度偏移α，获得角度姿态△α，△α＝α-α0，α0＝0°；STM32控制系统601根据设定角度α0和角度姿态△α，运用位置PID算法调整速度增量，进而通过改变P波频率控制行走步进电机101；
S1.2、超声波测距传感器607将检测到的对垄距离发送给STM32控制系统601，STM32控制系统601根据期望距离d0，获得位置姿态△d，△d＝|R-d0|，R为r1或r2，其中r1、r2分别为两个超声波测距传感器607检测到对垄距离，单位为cm；如果△d≥10cm，则调整P波占空比，进而控制转向舵机108；否则，锁死转向舵机108。
所述步骤S1.1中，通过两个超声波测距传感器607检测的对垄距离差修正角度姿态△α；
d＝|r1-r2|＝L sinα≈Lα
式中，d为对垄距离差，单位为cm；r1、r2分别为两个超声波测距传感器607检测到对垄距离，单位为cm；L为车架平台501的宽度，单位为cm；α为偏移角度，单位为°。
所述步骤S2中，当补苗装置遍历垄间时，摄像头602不停地进行拍照，拍照之后将图像信息传递给树莓派603；树莓派603对图像信息进行预处理、特征提取以及孔穴检测，进而判断孔穴是否漏苗；
所述预处理包括二值化、坐标变换和图像重塑；
所述特征提取中采用边缘检测算法，通过像素点间的差值检测物体边缘；
所述孔穴检测采用霍夫梯度算法，通过特征提取所得到的边缘图像上的像素点遍历孔穴圆心，计算出孔穴圆心概率最大处；得到孔穴圆心后，采用HSV颜色模型判断圆心处是否需要进行补苗操作。
所述步骤S3包括：
S3.1、STM32控制系统601对定位机构2中的纵移步进电机201和横移步进电机202的驱动器605发送指令，控制定位机构2对补苗定位平台207进行二维水平面精准定位，使得储苗投苗机构4的导苗管407位于无苗孔穴的正上方；
二维水平面精准定位过程中，纵移步进电机201驱动纵移主动带轮209转动，通过带传动带动纵移传动带轮210转动，纵移传动轴208转动并带动其上位于纵移传动轴承座219内的纵向滑台驱动带轮212转动，进而带动纵向滑台驱动皮带213运动，从而带动纵向滑台205在纵向导轨203上移动，即实现补苗定位平台207纵向移动；横移步进电机202驱动位于纵向滑台205内横向滑台驱动带轮215转动，带动横向滑台驱动皮带216运动，带动补苗定位平台207在横向导轨204上移动，即实现补苗定位平台207横向移动；
S3.2、STM32控制系统601控制投苗高度调节机构3调节储苗投苗机构4的投苗高度；
当定位机构2实现二维水平面精准定位之后，STM32控制系统601对投苗高度调节机构3的高度调节舵机301发送指令，高度调节舵机301驱动齿轮303在齿条305上沿竖直导轨406竖直下移，使导苗管407移动至投苗位置；
S3.3、STM32控制系统601控制储苗投苗机构4完成补苗；
投苗高度调节机构3完成竖直定位之后，STM32控制系统601对储苗投苗机构4的投苗舵机402发送指令，投苗舵机402驱动储苗转盘405旋转一定的角度，使得储苗转盘405上的圆孔与导苗管407相对应，则圆孔中暂存的幼苗就会精确地落在无苗孔穴中；
移栽动作完成之后，STM32控制系统601对投苗高度调节机构3的高度调节舵机301发送指令，高度调节舵机301驱动齿轮303在齿条305上沿竖直导轨406竖直上移，使储苗投苗机构4复位。
所述步骤S3.1中，定位机构2实现补苗定位平台207的二维水平面精准定位，定位过程中需进行车体实际坐标、STM32控制系统601坐标、树莓派603坐标三者坐标值转换：
车体实际坐标，以导苗管407的圆孔中轴线的投影为原点，设坐标为(x1，y1)；STM32控制系统601坐标，以补苗定位平台207位于初始位置时的形状中心为原点，设坐标为(x2,y2)；树莓派603坐标，即图像坐标，以图像的左上角为原点，设坐标为(x3,y3)；各个坐标值的转换关系式如下:
x2＝5x1
y2＝5y1
x3＝1.35x2+430
y3＝1.35y2+240。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的行走机构利用四轮转向联合匹配可以实现原地转向，四个轮子单独控制可以实现在复杂的环境中行走与转向；定位机构通过图像坐标与导苗管位置的标定与匹配实现补苗的精准定位；摄像头实时捕捉地面环境，基于树莓派的机器视觉与图像处理快速又准确；储苗投苗机构与投苗高度调节机构巧妙的结构设计，既可以储存一定量的幼苗，又可以精准落入穴孔中。
附图说明
图1是本发明的补苗装置的结构示意图；
图2是本发明的行走机构1的结构示意图；
图3是本发明的定位机构2的结构示意图；
图4a是本发明的储苗投苗机构4和投苗高度调节机构3的结构示意图一；
图4b是本发明的储苗投苗机构4和投苗高度调节机构3的结构示意图二；
图5是本发明的控制机构6的连接示意图；
图6是本发明的补苗装置的直线行走控制逻辑示意图；
图7是本发明的补苗装置的补苗定位控制逻辑示意图。
其中的附图标记为：
1 行走机构 101 行走步进电机
102 行走支架竖直板 103 行走支架水平板
104 固定齿轮 105 舵机齿轮
106 转接法兰 107 舵机卡盘
108 转向舵机 109 轮子
2 定位机构 201 纵移步进电机
202 横移步进电机 203 纵向导轨
204 横向导轨 205 纵向滑台
206 横向滑台 207 补苗定位平台
208 纵移传动轴 209 纵移主动带轮
210 纵移传动带轮 211 纵移传动皮带
212 纵向滑台驱动带轮 213 纵向滑台驱动皮带
214 纵向滑台皮带压板 215 横向滑台驱动带轮
216 横向滑台驱动皮带 217 补苗定位平台皮带扣
218 纵移电机座 219 纵移传动轴承座
220 纵向导轨座 3 投苗高度调节机构
301 高度调节舵机 302 齿轮法兰盘
303 齿轮 304 投苗舵机架
305 齿条 4 储苗投苗机构
401 投苗舵机板 402 投苗舵机
403 储苗壳体 404 转盘法兰盘
405 储苗转盘 406 竖直导轨
407 导苗管 5 车架
501 车架平台 502 车架立柱
6 控制机构 601 STM32控制系统
602 摄像头 603 树莓派
604 电源系统 605 驱动器
606 稳压模块 607 超声波测距传感器
608 陀螺仪
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，一种补苗装置，包括行走机构1、定位机构2、投苗高度调节机构3、储苗投苗机构4、车架5和控制机构6；
所述车架5为龙门式结构，包括一矩形车架平台501以及四个分别位于车架平台501的四个角部的车架立柱502；每一个车架立柱502的底端均设置有一独立驱动的行走机构1，能够实现车架5原地转向。
如图2所示，所述行走机构1包括行走步进电机101、行走支架竖直板102、行走支架水平板103、固定齿轮104、舵机齿轮105、转接法兰106、舵机卡盘107、转向舵机108和轮子109；所述固定齿轮104的上端面与车架立柱502的底端固接，固定齿轮104的下端面通过轴承和套筒与行走支架水平板103转动连接；所述行走支架竖直板102垂直固接在行走支架水平板103的下表面上；所述行走步进电机101固接在行走支架竖直板102上，所述轮子109通过梯形轴套固接在行走步进电机101的动力输出轴上。所述转向舵机108通过舵机卡盘107固接在行走支架水平板103的侧端面上，所述舵机齿轮105通过转接法兰106固接在转向舵机108的动力输出轴上；所述舵机齿轮105与固定齿轮104相互啮合。
优选地，所述舵机卡盘107与行走支架水平板103的侧端面之间设有弹簧，用于调节舵机齿轮105与固定齿轮104之间的中心距。
四个行走机构1的轮子109有相同的初始位置，方便控制。
所述投苗高度调节机构3和储苗投苗机构4通过定位机构2可控地布置在车架平台501下方，所述定位机构2能够带动投苗高度调节机构3和储苗投苗机构4沿横向(水平X轴方向)和纵向(水平Y轴方向)移动。
如图3所示，所述定位机构2包括纵移步进电机201、横移步进电机202、纵向导轨203、横向导轨204、纵向滑台205、横向滑台206、补苗定位平台207、纵移传动轴208、纵移主动带轮209、纵移传动带轮210、纵移传动皮带211、纵向滑台驱动带轮212、纵向滑台驱动皮带213、纵向滑台皮带压板214、横向滑台驱动带轮215、横向滑台驱动皮带216、补苗定位平台皮带扣217、纵移电机座218、纵移传动轴承座219和纵向导轨座220。
一对位于同一水平面内的纵向导轨203通过纵向导轨座220分别纵向固接在车架5前端的两个车架立柱502和后端的两个车架立柱502上；一对纵向滑台205分别可自由滑动地设置在两个纵向导轨203上；一对位于同一平面内的横向导轨204的左右两端分别固接在两个纵向滑台205上；至少一对横向滑台206分别可自由滑动地设置在两个横向导轨204上；四个纵移传动轴承座219分别固接在车架5的四个车架立柱502上，每个纵移传动轴承座219中均设置有一纵向滑台驱动带轮212，所述纵向滑台驱动带轮212的转轴平行于横向导轨204；横向布置的所述纵移传动轴208的左右两端分别安装在两个纵移传动轴承座219上，并分别与纵移传动轴承座219内的纵向滑台驱动带轮212的转轴连接。所述补苗定位平台207的上端面与各横向滑台206固接。
所述纵移步进电机201与纵移传动轴208同侧布置，通过纵移电机座218固接在车架立柱502上；所述纵移主动带轮209固接在平行于纵移传动轴208的纵移步进电机201的动力输出轴上；所述纵移传动带轮210固接在纵移传动轴208上；所述纵移传动皮带211套设在纵移主动带轮209和纵移传动带轮210之间。两个位于纵移传动轴208左端的纵向滑台驱动带轮212之间以及两个位于纵移传动轴208右端的纵向滑台驱动带轮212之间，各套设一纵向滑台驱动皮带213；所述纵向滑台驱动皮带213通过纵向滑台皮带压板214固接在纵向滑台205上，带动纵向滑台205在纵向导轨203上滑动。
两个横向滑台驱动带轮215相互对应地分别设置在两个纵向滑台205上；所述横移步进电机202固接在其中一个纵向滑台205上，横移步进电机202的动力输出轴与一横向滑台驱动带轮215的转轴固接；所述横向滑台驱动皮带216套设在两个横向滑台驱动带轮215之间；横向滑台驱动皮带216通过补苗定位平台皮带扣217与补苗定位平台207的上端面固接，带动补苗定位平台207沿横向导轨204移动。
如图4a和图4b所示，所述投苗高度调节机构3包括高度调节舵机301、齿轮法兰盘302、齿轮303、投苗舵机架304和齿条305。所述储苗投苗机构4包括投苗舵机板401、投苗舵机402、储苗壳体403、导苗管407、转盘法兰盘404、储苗转盘405和竖直导轨406。
至少两个竖直导轨406垂直固接在补苗定位平台207的下端面上；所述储苗壳体403的外壁通过连接耳可自由滑动地设置在竖直导轨406上；所述投苗舵机402固接在投苗舵机板401上；所述投苗舵机板401固接在储苗壳体403上；所述储苗转盘405通过转盘法兰盘404与投苗舵机402的动力输出轴固接，储苗转盘405位于储苗壳体403的底板上方，并与储苗壳体403的底板之间间隔一定距离；所述储苗转盘405上周向开有多个用于容纳种苗的圆孔；所述储苗壳体403的底板上设有一与储苗转盘405的圆孔相对应的导苗管407。所述齿条305垂直固接在补苗定位平台207的下端面上；所述高度调节舵机301通过投苗舵机架304固接在储苗壳体403的外壁上；所述齿轮303通过齿轮法兰盘302固接在高度调节舵机301的动力输出轴上，并与齿条305相互啮合。
如图5所示，所述控制机构6包括STM32控制系统601、机器视觉识别模块、电源系统604、驱动器605、稳压模块606、超声波测距传感器607和陀螺仪608。所述机器视觉识别模块包括摄像头602和树莓派(微型电脑，Raspberry Pi)603。
所述摄像头602固接在车架平台501的下表面中心处，摄像头602朝向下方，用于采集田垄图像；所述陀螺仪608固接在车架平台501上，用于检测车架5的角度偏移；两个超声波测距传感器607分别固接在车架平台501的左右两侧，用于检测车架5与田垄侧边的距离，保证车身沿垄道直线行走。
所述定位机构2的补苗定位平台207的初始位置位于车架平台501的一角，避免遮挡摄像头602的拍摄区域。
所述STM32控制系统601分别与树莓派603、驱动器605、超声波测距传感器607、陀螺仪608、投苗舵机402、高度调节舵机301和行走机构1的各转向舵机108连接，所述驱动器605分别与行走步进电机101、纵移步进电机201、横移步进电机202连接。所述电源系统604通过不同的稳压模块606分别为树莓派603、超声波测距传感器607、陀螺仪608、行走步进电机101、纵移步进电机201、横移步进电机202、投苗舵机402、高度调节舵机301和行走机构1的各转向舵机108提供动力。
本发明的工作过程如下：
S1、如图6所示，补苗装置进入垄间作业，各行走机构1根据陀螺仪608和超声波测距传感器607分别检测的角度偏移量和对垄距离，控制各行走步进电机101和各转向舵机108，实现补苗装置的直线跨垄行走；
S1.1、陀螺仪608根据设定角度α0和检测到的角度偏移α，获得角度姿态△α，△α＝α-α0，α0＝0°；STM32控制系统601根据设定角度α0和角度姿态△α，运用位置PID算法调整速度增量，进而通过改变P波频率控制行走步进电机101。
所述P波即为PWM方波，由STM32控制系统601的引脚输出，通过开关电路和行走步进电机101驱动，影响单位时间行走步进电机101转过的步数，电机每一步转过固定角度，即可控制电机转速。
优选地，通过两个超声波测距传感器607检测的对垄距离差修正角度姿态△α。
d＝|r1-r2|＝L sinα≈Lα
式中，d为对垄距离差，单位为cm；r1、r2分别为两个超声波测距传感器607检测到对垄距离，单位为cm；L为车架平台501的宽度，单位为cm；α为偏移角度，单位为°，因为△α＝α-α0＝α，α0＝0°，所以数值上即为角度姿态△α。
S1.2、超声波测距传感器607将检测到的对垄距离发送给STM32控制系统601，STM32控制系统601根据期望距离d0，获得位置姿态△d，△d＝|R-d0|，R为r1或r2，其中r1、r2分别为两个超声波测距传感器607检测到对垄距离，单位为cm；d0为期望距离，单位为cm；△d为位置姿态，单位为cm。如果△d≥10cm，则调整P波占空比，进而控制转向舵机108；否则，锁死转向舵机108。
S2、摄像头602实时采集田垄图像，并将图像信息发送给树莓派603进行处理，检测穴孔是否漏苗；如果检测到无苗孔穴，则执行步骤S3；否则，执行步骤S4；
如图7所示，当补苗装置遍历垄间时，摄像头602不停地进行拍照，拍照之后将图像信息传递给树莓派603；树莓派603对图像信息进行预处理、特征提取以及孔穴检测，进而判断孔穴是否漏苗。
所述预处理包括二值化、坐标变换和图像重塑；二值化是为了将图片的三个通道降为一个，减少运算量。坐标变换是为了去除由于土地不平坦造成的拍摄的图像倾斜等图像问题。图像重塑是为了缩小图像尺寸，进而减少运算量。
所述特征提取中采用了边缘检测算法，通过像素点间的差值检测物体边缘。一方面去除细小杂物的影响，另一方面方便孔穴检测的处理。
所述孔穴检测采用霍夫梯度算法，通过特征提取所得到的边缘图像上的像素点遍历孔穴圆心，计算出孔穴圆心概率最大处。得到孔穴圆心后，采用HSV颜色模型(根据苗的颜色判断)判断圆心处是否需要进行补苗操作。
S3、当发现无苗孔穴时，STM32控制系统601对控制各行走机构1的行走步进电机101的驱动器605发送指令，使这四个行走步进电机101停止工作，补苗装置停止；同时，STM32控制系统601控制定位机构2完成补苗定位平台207横向、纵向定位，控制投苗高度调节机构3调节储苗投苗机构4的投苗高度，控制储苗投苗机构4完成补苗。
S3.1、STM32控制系统601对定位机构2中的纵移步进电机201和横移步进电机202的驱动器605发送指令，控制定位机构2对补苗定位平台207进行二维水平面精准定位，使得储苗投苗机构4的导苗管407位于无苗孔穴的正上方。
二维水平面精准定位过程中，纵移步进电机201驱动纵移主动带轮209转动，通过带传动带动纵移传动带轮210转动，纵移传动轴208转动并带动其上位于纵移传动轴承座219内的纵向滑台驱动带轮212转动，进而带动纵向滑台驱动皮带213运动，从而带动纵向滑台205在纵向导轨203上移动，即实现补苗定位平台207纵向(Y方向)移动。横移步进电机202驱动位于纵向滑台205内横向滑台驱动带轮215转动，带动横向滑台驱动皮带216运动，带动补苗定位平台207在横向导轨204上移动，即实现补苗定位平台207横向(X方向)移动。
定位机构2可以实现补苗定位平台207的二维水平面精准定位，定位过程中需进行车体实际坐标、STM32控制系统601坐标、树莓派603坐标三者坐标值转换：
在对补苗定位平台207进行定位时，需要变换三个坐标。车体实际坐标，以导苗管407的圆孔中轴线的投影为原点，设坐标为(x1,y1)；STM32控制系统601坐标，以补苗定位平台207位于初始位置时的形状中心为原点，设坐标为(x2，y2)；树莓派603坐标，即图像坐标，以图像的左上角为原点，设坐标为(x3,y3)。经过模拟补苗区的不同位置记录多组坐标值，进行数值拟合，得出各个坐标值的转换关系，关系式如下:
x2＝5x1
y2＝5y1
x3＝1.35x2+430
y3＝1.35y2+240
S3.2、STM32控制系统601控制投苗高度调节机构3调节储苗投苗机构4的投苗高度；
当定位机构2实现二维水平面精准定位之后，STM32控制系统601对投苗高度调节机构3的高度调节舵机301发送指令，高度调节舵机301驱动齿轮303在齿条305上沿竖直导轨406竖直下移，使导苗管407移动至投苗位置。
S3.3、STM32控制系统601控制储苗投苗机构4完成补苗；
投苗高度调节机构3完成竖直定位之后，STM32控制系统601对储苗投苗机构4的投苗舵机402发送指令，投苗舵机402驱动储苗转盘405旋转一定的角度，使得储苗转盘405上的圆孔与导苗管407相对应，则圆孔中暂存的幼苗就会精确地落在无苗孔穴中。
移栽动作完成之后，STM32控制系统601对投苗高度调节机构3的高度调节舵机301发送指令，高度调节舵机301驱动齿轮303在齿条305上沿竖直导轨406竖直上移，使储苗投苗机构4复位。
S4、没有检测到无苗孔穴或补苗动作完成之后，判断补苗装置是否行进到田垄的尽头；如果补苗装置行进到田垄的尽头，则执行步骤S5；如果补苗装置未行进到田垄的尽头，则返回步骤S1继续作业。
S5、判断补苗装置是否遍历全部田垄，如果没有遍历全部田垄，则各行走机构1根据陀螺仪608和超声波测距传感器607分别检测到的角度偏移量和对垄距离，控制各行走步进电机101和各转向舵机108，对补苗装置的姿态位置进行校准，然后完成转向跨垄并返回步骤S1继续作业；如果已经遍历全部田垄，则执行退出操作，整个补苗过程结束。

Claims (10)

1.一种补苗装置，包括行走机构(1)和车架(5)，所述车架(5)为龙门式结构，包括一矩形车架平台(501)以及四个分别位于车架平台(501)的四个角部的车架立柱(502)；每一个车架立柱(502)的底端均设置有一独立驱动的行走机构(1)，其特征在于，
所述补苗装置进一步包括定位机构(2)、投苗高度调节机构(3)、储苗投苗机构(4)和控制机构(6)；
所述投苗高度调节机构(3)和储苗投苗机构(4)通过定位机构(2)可控地布置在车架平台(501)下方，所述定位机构(2)能够带动投苗高度调节机构(3)和储苗投苗机构(4)沿横向和纵向移动；
所述定位机构(2)包括纵移步进电机(201)、横移步进电机(202)、纵向导轨(203)、横向导轨(204)、纵向滑台(205)、横向滑台(206)、补苗定位平台(207)、纵移传动轴(208)、纵移主动带轮(209)、纵移传动带轮(210)、纵移传动皮带(211)、纵向滑台驱动带轮(212)、纵向滑台驱动皮带(213)、纵向滑台皮带压板(214)、横向滑台驱动带轮(215)、横向滑台驱动皮带(216)、补苗定位平台皮带扣(217)、纵移电机座(218)、纵移传动轴承座(219)和纵向导轨座(220)；
一对位于同一水平面内的纵向导轨(203)通过纵向导轨座(220)分别纵向固接在车架(5)前端的两个车架立柱(502)和后端的两个车架立柱(502)上；一对纵向滑台(205)分别可自由滑动地设置在两个纵向导轨(203)上；一对位于同一平面内的横向导轨(204)的左右两端分别固接在两个纵向滑台(205)上；至少一对横向滑台(206)分别可自由滑动地设置在两个横向导轨(204)上；四个纵移传动轴承座(219)分别固接在车架(5)的四个车架立柱(502)上，每个纵移传动轴承座(219)中均设置有一纵向滑台驱动带轮(212)，所述纵向滑台驱动带轮(212)的转轴平行于横向导轨(204)；横向布置的所述纵移传动轴(208)的左右两端分别安装在两个纵移传动轴承座(219)上，并分别与纵移传动轴承座(219)内的纵向滑台驱动带轮(212)的转轴连接；所述补苗定位平台(207)的上端面与各横向滑台(206)固接；
所述纵移步进电机(201)与纵移传动轴(208)同侧布置，通过纵移电机座(218)固接在车架立柱(502)上；所述纵移主动带轮(209)固接在平行于纵移传动轴(208)的纵移步进电机(201)的动力输出轴上；所述纵移传动带轮(210)固接在纵移传动轴(208)上；所述纵移传动皮带(211)套设在纵移主动带轮(209)和纵移传动带轮(210)之间；两个位于纵移传动轴(208)左端的纵向滑台驱动带轮(212)之间以及两个位于纵移传动轴(208)右端的纵向滑台驱动带轮(212)之间，各套设一纵向滑台驱动皮带(213)；所述纵向滑台驱动皮带(213)通过纵向滑台皮带压板(214)固接在纵向滑台(205)上，带动纵向滑台(205)在纵向导轨(203)上滑动；
两个横向滑台驱动带轮(215)相互对应地分别设置在两个纵向滑台(205)上；所述横移步进电机(202)固接在其中一个纵向滑台(205)上，横移步进电机(202)的动力输出轴与一横向滑台驱动带轮(215)的转轴固接；所述横向滑台驱动皮带(216)套设在两个横向滑台驱动带轮(215)之间；横向滑台驱动皮带(216)通过补苗定位平台皮带扣(217)与补苗定位平台(207)的上端面固接，带动补苗定位平台(207)沿横向导轨(204)移动；
所述投苗高度调节机构(3)包括高度调节舵机(301)、齿轮法兰盘(302)、齿轮(303)、投苗舵机架(304)和齿条(305)；所述储苗投苗机构(4)包括投苗舵机板(401)、投苗舵机(402)、储苗壳体(403)、导苗管(407)、转盘法兰盘(404)、储苗转盘(405)和竖直导轨(406)；
至少两个竖直导轨(406)垂直固接在补苗定位平台(207)的下端面上；所述储苗壳体(403)的外壁通过连接耳可自由滑动地设置在竖直导轨(406)上；所述投苗舵机(402)固接在投苗舵机板(401)上；所述投苗舵机板(401)固接在储苗壳体(403)上；所述储苗转盘(405)通过转盘法兰盘(404)与投苗舵机(402)的动力输出轴固接，储苗转盘(405)位于储苗壳体(403)的底板上方，并与储苗壳体(403)的底板之间间隔一定距离；所述储苗转盘(405)上周向开有多个用于容纳种苗的圆孔；所述储苗壳体(403)的底板上设有一与储苗转盘(405)的圆孔相对应的导苗管(407)；所述齿条(305)垂直固接在补苗定位平台(207)的下端面上；所述高度调节舵机(301)通过投苗舵机架(304)固接在储苗壳体(403)的外壁上；所述齿轮(303)通过齿轮法兰盘(302)固接在高度调节舵机(301)的动力输出轴上，并与齿条(305)相互啮合；
所述控制机构(6)包括STM32控制系统(601)、机器视觉识别模块、电源系统(604)、驱动器(605)、稳压模块(606)、超声波测距传感器(607)和陀螺仪(608)；所述机器视觉识别模块包括摄像头(602)和树莓派(603)；
所述摄像头(602)固接在车架平台(501)的下表面中心处，摄像头(602)朝向下方，用于采集田垄图像；所述陀螺仪(608)固接在车架平台(501)上，用于检测车架(5)的角度偏移；两个超声波测距传感器(607)分别固接在车架平台(501)的左右两侧，用于检测车架(5)与田垄侧边的距离，保证车身沿垄道直线行走；
所述STM32控制系统(601)分别与树莓派(603)、驱动器(605)、超声波测距传感器(607)、陀螺仪(608)、投苗舵机(402)、高度调节舵机(301)和行走机构(1)的各转向舵机(108)连接，所述驱动器(605)分别与行走步进电机(101)、纵移步进电机(201)、横移步进电机(202)连接；所述电源系统(604)通过不同的稳压模块(606)分别为树莓派(603)、超声波测距传感器(607)、陀螺仪(608)、行走步进电机(101)、纵移步进电机(201)、横移步进电机(202)、投苗舵机(402)、高度调节舵机(301)和行走机构(1)的各转向舵机(108)提供动力。
2.根据权利要求1所述的补苗装置，其特征在于，所述定位机构(2)的补苗定位平台(207)的初始位置位于车架平台(501)的一角，避免遮挡摄像头(602)的拍摄区域。
3.根据权利要求1所述的补苗装置，其特征在于，所述行走机构(1)包括行走步进电机(101)、行走支架竖直板(102)、行走支架水平板(103)、固定齿轮(104)、舵机齿轮(105)、转接法兰(106)、舵机卡盘(107)、转向舵机(108)和轮子(109)；所述固定齿轮(104)的上端面与车架立柱(502)的底端固接，固定齿轮(104)的下端面通过轴承和套筒与行走支架水平板(103)转动连接；所述行走支架竖直板(102)垂直固接在行走支架水平板(103)的下表面上；所述行走步进电机(101)固接在行走支架竖直板(102)上，所述轮子(109)通过梯形轴套固接在行走步进电机(101)的动力输出轴上；所述转向舵机(108)通过舵机卡盘(107)固接在行走支架水平板(103)的侧端面上，所述舵机齿轮(105)通过转接法兰(106)固接在转向舵机(108)的动力输出轴上；所述舵机齿轮(105)与固定齿轮(104)相互啮合。
4.根据权利要求3所述的补苗装置，其特征在于，所述舵机卡盘(107)与行走支架水平板(103)的侧端面之间设有弹簧，用于调节舵机齿轮(105)与固定齿轮(104)之间的中心距。
5.一种根据权利要求1-4所述的补苗装置的补苗方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、补苗装置进入垄间作业，各行走机构(1)根据陀螺仪(608)和超声波测距传感器(607)分别检测的角度偏移量和对垄距离，控制各行走步进电机(101)和各转向舵机(108)，实现补苗装置的直线跨垄行走；
S2、摄像头(602)实时采集田垄图像，并将图像信息发送给树莓派(603)进行处理，检测穴孔是否漏苗；如果检测到无苗孔穴，则执行步骤S3；否则，执行步骤S4；
S3、当发现无苗孔穴时，STM32控制系统(601)对控制各行走机构(1)的行走步进电机(101)的驱动器(605)发送指令，使这四个行走步进电机(101)停止工作，补苗装置停止；同时，STM32控制系统(601)控制定位机构(2)完成补苗定位平台(207)横向、纵向定位，控制投苗高度调节机构(3)调节储苗投苗机构(4)的投苗高度，控制储苗投苗机构(4)完成补苗；
S4、没有检测到无苗孔穴或补苗动作完成之后，判断补苗装置是否行进到田垄的尽头；如果补苗装置行进到田垄的尽头，则执行步骤S5；如果补苗装置未行进到田垄的尽头，则返回步骤S1继续作业；
S5、判断补苗装置是否遍历全部田垄，如果没有遍历全部田垄，则各行走机构(1)根据陀螺仪(608)和超声波测距传感器(607)分别检测到的角度偏移量和对垄距离，控制各行走步进电机(101)和各转向舵机(108)，对补苗装置的姿态位置进行校准，然后完成转向跨垄并返回步骤S1继续作业；如果已经遍历全部田垄，则执行退出操作，整个补苗过程结束。
6.根据权利要求5所述的补苗方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S1.1、陀螺仪(608)根据设定角度α0和检测到的角度偏移α，获得角度姿态△α，△α＝α-α0，α0＝0°；STM32控制系统(601)根据设定角度α0和角度姿态△α，运用位置PID算法调整速度增量，进而通过改变P波频率控制行走步进电机(101)；
S1.2、超声波测距传感器(607)将检测到的对垄距离发送给STM32控制系统(601)，STM32控制系统(601)根据期望距离d0，获得位置姿态△d，△d＝|R-d0|，R为r1或r2，其中r1、r2分别为两个超声波测距传感器(607)检测到对垄距离，单位为cm；如果△d≥10cm，则调整P波占空比，进而控制转向舵机(108)；否则，锁死转向舵机(108)。
7.根据权利要求6所述的补苗方法，其特征在于，所述步骤S1.1中，通过两个超声波测距传感器(607)检测的对垄距离差修正角度姿态△α；
d＝|r1-r2|＝L sinα≈Lα
式中，d为对垄距离差，单位为cm；r1、r2分别为两个超声波测距传感器(607)检测到对垄距离，单位为cm；L为车架平台(501)的宽度，单位为cm；α为偏移角度，单位为°。
8.根据权利要求5所述的补苗方法，其特征在于，所述步骤S2中，当补苗装置遍历垄间时，摄像头(602)不停地进行拍照，拍照之后将图像信息传递给树莓派(603)；树莓派(603)对图像信息进行预处理、特征提取以及孔穴检测，进而判断孔穴是否漏苗；
所述预处理包括二值化、坐标变换和图像重塑；
所述特征提取中采用边缘检测算法，通过像素点间的差值检测物体边缘；
所述孔穴检测采用霍夫梯度算法，通过特征提取所得到的边缘图像上的像素点遍历孔穴圆心，计算出孔穴圆心概率最大处；得到孔穴圆心后，采用HSV颜色模型判断圆心处是否需要进行补苗操作。
9.根据权利要求5所述的补苗方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
S3.1、STM32控制系统(601)对定位机构(2)中的纵移步进电机(201)和横移步进电机(202)的驱动器(605)发送指令，控制定位机构(2)对补苗定位平台(207)进行二维水平面精准定位，使得储苗投苗机构(4)的导苗管(407)位于无苗孔穴的正上方；
二维水平面精准定位过程中，纵移步进电机(201)驱动纵移主动带轮(209)转动，通过带传动带动纵移传动带轮(210)转动，纵移传动轴(208)转动并带动其上位于纵移传动轴承座(219)内的纵向滑台驱动带轮(212)转动，进而带动纵向滑台驱动皮带(213)运动，从而带动纵向滑台(205)在纵向导轨(203)上移动，即实现补苗定位平台(207)纵向移动；横移步进电机(202)驱动位于纵向滑台(205)内横向滑台驱动带轮(215)转动，带动横向滑台驱动皮带(216)运动，带动补苗定位平台(207)在横向导轨(204)上移动，即实现补苗定位平台(207)横向移动；
S3.2、STM32控制系统(601)控制投苗高度调节机构(3)调节储苗投苗机构(4)的投苗高度；
当定位机构(2)实现二维水平面精准定位之后，STM32控制系统(601)对投苗高度调节机构(3)的高度调节舵机(301)发送指令，高度调节舵机(301)驱动齿轮(303)在齿条(305)上沿竖直导轨(406)竖直下移，使导苗管(407)移动至投苗位置；
S3.3、STM32控制系统(601)控制储苗投苗机构(4)完成补苗；
投苗高度调节机构(3)完成竖直定位之后，STM32控制系统(601)对储苗投苗机构(4)的投苗舵机(402)发送指令，投苗舵机(402)驱动储苗转盘(405)旋转一定的角度，使得储苗转盘(405)上的圆孔与导苗管(407)相对应，则圆孔中暂存的幼苗就会精确地落在无苗孔穴中；
移栽动作完成之后，STM32控制系统(601)对投苗高度调节机构(3)的高度调节舵机(301)发送指令，高度调节舵机(301)驱动齿轮(303)在齿条(305)上沿竖直导轨(406)竖直上移，使储苗投苗机构(4)复位。
10.根据权利要求9所述的补苗方法，其特征在于，所述步骤S3.1中，定位机构(2)实现补苗定位平台(207)的二维水平面精准定位，定位过程中需进行车体实际坐标、STM32控制系统(601)坐标、树莓派(603)坐标三者坐标值转换：
车体实际坐标，以导苗管(407)的圆孔中轴线的投影为原点，设坐标为(x1,y1)；STM32控制系统(601)坐标，以补苗定位平台(207)位于初始位置时的形状中心为原点，设坐标为(x2,y2)；树莓派(603)坐标，即图像坐标，以图像的左上角为原点，设坐标为(x3,y3)；各个坐标值的转换关系式如下:
x2＝5x1
y2＝5y1
x3＝1.35x2+430
y3＝1.35y2+240。
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