CN114859902A - 一种温室自主巡检机器人系统及温室远程监测的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种温室自主巡检机器人系统及温室远程监测的方法，所述机器人系统包括在全线运动平台上集成安装激光导航传感器、通信模块、视觉传感器、嵌入式开发板及环境传感器，激光导航传感器用于采集环境距离信息，与SLAM算法结合实时构建温室环境地图，用于实现自动巡航；嵌入式开发板用作数据采集与控制中心；视觉传感器用于采集现场视频数据；环境传感器用于采集环境信息数据；当巡检机器人在开始巡检时，能实时构建地图并自主导航行驶，其携带的环境传感器用于收集温室内的环境数据，并将数据上传至云服务器，人机交互系统可通过云服务器获得环境数据并进行显示，用于判断温室内情况，可实现无人进入温室便可监控温室内部环境与作物生长状态的目的。

Description

一种温室自主巡检机器人系统及温室远程监测的方法
技术领域
本发明涉及农业设备领域，特别是涉及一种温室自主巡检机器人系统及温室远程监测的方法。
背景技术
目前，我国设施建设继续向大型化、规模化发展，设施装备向机械化和智能化发展。设施温室环境是围绕作物生长进行调控，在施肥、施药、施CO2等操作后，较为密闭的空间内空气流动性较差，对人有毒有害气体浓度较高，尤其是在夏日温度高且湿度大，不适合人员进入查看作物生长等其他情况。传统人工巡检查看作物生长状况的方式主要依靠经验，且获取的信息量有限，种植新手较难在短期内掌握。为了减少人工巡检出现的偏差，现有技术中会通过巡检机器人搭载相关传感器进行温室巡检，其可帮助巡检人员完成基础性、重复性、精准性、危险性的巡检工作。
现有的巡检机器人通常需要多点布设传感器，以实现巡检机器人的定位移动功能，投入和维护成本比较高，还需要复杂的组网和通信系统，同时远端的监控中心人机交互操作复杂，农民较难学习掌握。因此，亟需提出一种具有自主式且方便操作的巡检机器人，以克服上述问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种温室自主巡检机器人系统及温室远程监测的方法，能够对温室进行自动巡检并采集现场环境数据，并将采集到的收据传输至后台进行分析和展示，供管理者直观的了解温室内的环境与作物生长情况。
为解决上述技术问题，本发明提供一种温室自主巡检机器人系统，包括机器人主体、云服务器以及人机交互终端；
其中，所述机器人主体包括全线运动平台、激光导航传感器、通信模块、视觉传感器、嵌入式开发板及环境传感器；
所述激光导航传感器、通信模块、视觉传感器、环境传感器及嵌入式开发板集成在一控制盒内，所述控制盒安装在所述全线运动平台上；所述视觉传感器、激光导航传感器、环境传感器分别与所述嵌入式开发板通信连接；所述嵌入式开发板通过所述通信模块连接所述云服务器以及外接温室内布置的传感器；
所述人机交互终端包括数据收发终端；所述云服务器通过所述通信模块以及数据收发终端分别与所述嵌入式开发板信号及人机交互终端信号连接；
所述视觉传感器用于采集现场视频数据；所述激光导航传感器用于采集环境距离信息，与SLAM算法结合实时构建温室环境地图；所述环境传感器用于采集环境信息数据；所述嵌入式开发板用作数据采集与控制中心，并向所述云服务器发送传感器采集到的环境数据和现场视频数据；所述人机交互终端用于数据的接收、指令的发送和可视化显示。
进一步的，在所述的温室自主巡检机器人系统中，所述环境传感器包括温度传感器、湿度传感器、光敏传感器和二氧化碳传感器。
进一步的，在所述的温室自主巡检机器人系统中，所述温度传感器型号为DS18B20温度传感器，所述湿度传感器为DHT11温度传感器，所述二氧化碳传感器为抗高湿二氧化碳传感器SH-300-DS。
进一步的，在所述的温室自主巡检机器人系统中，所述嵌入式开发板为树莓派开发板。
进一步的，在所述的温室自主巡检机器人系统中，所述人机交互终端还包括交互摄像头，所述交互摄像头用于人脸识别和手势指令识别。
进一步的，在所述的温室自主巡检机器人系统中，所述视觉传感器通过USB接口与所述嵌入式开发板连接，所述环境传感器通过RS232接口与所述嵌入式开发板连接，所述激光导航传感器通过以太网接口与所述嵌入式开发板连接。
进一步的，在所述的温室自主巡检机器人系统中，所述嵌入式开发板上还安装有WiFi模块，所述WiFi模块用于接收温室内布置的传感器数据。
此外，在本发明中，还提出了一种温室远程监测的方法，使用如上文所述的温室自主巡检机器人系统，所述方法包括如下步骤：
操作人员登录人机交互系统；
通过所述人机交互系统发送巡检指令至巡检机器人；
所述巡检机器人实时构建巡航地图并自动导航行驶；
所述巡检机器人通过环境传感器采集温室内环境数据，并通过通信模块传输至云服务器上；
所述人机交互系统定时从云服务器上下载数据，并进行数据可视化显示；
操作人员根据需求确定是否结束巡检工作，若需要结束，则发出结束指令至所述巡检机器人，使其归位。
进一步的，在所述的温室远程监测的方法中，所述人机交互系统包括交互摄像头，所述交互摄像头用于人脸识别和手势指令识别；操作人员通过人脸识别登录所述人机交互系统；操作人员通过手势指令切换不同可视化界面，查看不同数据以及通过手势控制界面图形尺寸缩放。
进一步的，在所述的温室远程监测的方法中，所述人机交互系统还包括异常提醒模块，当监测到温室内环境数据超出正常范围时，在所述人机交互系统监控界面弹出提醒图标。
进一步的，在所述的温室远程监测的方法中，所述人机交互系统判断操作人员是否具有管理员身份，若不具有，则无法登录；所述操作人员通过手势发送操作指令。
相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：
在全线运动平台上集成安装激光导航传感器、通信模块、视觉传感器、嵌入式开发板及环境传感器，所述激光导航传感器用于采集环境距离信息，与SLAM算法结合实时构建温室环境地图，用于实现自动巡航；所述嵌入式开发板用作数据采集与控制中心；所述视觉传感器用于采集现场视频数据；所述环境传感器用于采集环境信息数据；当巡检机器人在开始巡检作业时，能实时构建地图并自主导航行驶，通过通信模块以及携带的环境传感器收集温室内的环境数据，并将环境数据上传至云服务器，人机交互系统可从云服务器上下载环境数据，并对其进行处理并可视化显示，供使用者对温室环境与作物生长状况进行分析，以判断温室内情况。人机交互终端还能够发送控制指令以远程控制巡检机器人，可以实现无人进入温室便可监控温室内部环境以及采集温室内环境数据与作物生长数据的目的。
附图说明
图1为本发明一中全线运动平台的结构示意图；
图2为本发明一中温室自主巡检机器人的模块示意图；
图3为本发明一中温室自主巡检机器人系统的模块示意图；
图4为本发明一中温室自主巡检机器人系统结构图；
图5为本发明一中人机交互终端界面中图像缩放界面截图；
图6为本发明一中人机交互终端界面中异常提醒界面截图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的温室自主巡检机器人系统及温室远程监测的方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1至图4所示，本发明提供一种温室自主巡检机器人系统，包括机器人主体、云服务器以及人机交互终端。
其中，所述机器人主体包括全线运动平台、激光导航传感器、通信模块、视觉传感器、嵌入式开发板及环境传感器。
在本实施例中，所述激光导航传感器、通信模块、视觉传感器、环境传感器及嵌入式开发板集成在一控制盒内，所述控制盒安装在所述全线运动平台1上；所述视觉传感器、激光导航传感器、环境传感器分别与所述嵌入式开发板通信连接；所述嵌入式开发板通过所述通信模块连接所述云服务器以及外接温室内布置的传感器。
其中，所述人机交互终端包括数据收发终端；所述云服务器通过所述通信模块以及数据收发终端分别与所述嵌入式开发板信号及人机交互终端信号连接。
在本实施例中，所述视觉传感器用于采集现场视频数据；所述激光导航传感器用于采集环境距离信息，与SLAM算法结合实时构建温室环境地图；所述环境传感器用于采集环境信息数据；所述嵌入式开发板用作数据采集与控制中心，并向所述云服务器发送传感器采集到的环境数据和现场视频数据；所述人机交互终端用于数据的接收、指令的发送和可视化显示。
在某一些具体的示例中，请参考图1，该全线运动平台1采用SCOUT运动平台，其是一款为行业应用设计的户外通用型底盘。所述全线运动平台1通过其独立悬挂可适应各种崎岖路径；其为四轮驱动，具有零转弯半径可轻松驾驭狭窄环境；标准化的协议和接口方便快速进行二次开发使用。
在某一些具体的示例中，所述全线运动平台1的台顶安装有嵌入式开发板和激光导航传感器。所述嵌入式开发板为树莓派开发板。所述激光导航传感器与所述嵌入式开发板通信连接，所述嵌入式开发板用于数据的收发，所述激光导航传感器用于采集环境距离信息，且基于SLAM算法构建环境地图，使得全线运动平台1在开始巡检作业时，能实时构建地图并自主导航行驶，无需布置更多传感器以检测周围环境及距离情况，从而可有效的节省多点布设传感器的投入和维护成本，此外，激光导航传感器精度较高，可确保运动路径误差小。
在某一些具体的示例中，所述激光导航传感器采用16线激光雷达，该激光雷达通过激光扫描可以得到机器人主体周围环境的3D模型，运用相关算法比对上一帧和下一帧环境的变化可以较为容易的探测出环境，同时能够实时得到的全局地图，通过与高精度地图中特征物的比对，可以确保导航定位的精度。
在某一些具体的示例中，所述全线运动平台1的台顶还安装有视觉传感器和环境传感器，所述视觉传感器用于采集现场视频数据。所述环境传感器包括温度传感器、湿度传感器、光敏传感器和二氧化碳传感器，用于检测现场温度、湿度、光照强度和二氧化碳含量数据。
在某一些具体的示例中，所述温度传感器型号为DS18B20温度传感器，所述湿度传感器为DHT11温度传感器，所述二氧化碳传感器为抗高湿二氧化碳传感器SH-300-DS。
在本实施例中，全线控运动底盘1能够根据激光导航传感器进行自动导航移动和停止，然后通过视觉传感器和环境传感器分别采集现场视频、温度、湿度、光照强度和二氧化碳含量数据，最后将数据通过通信模块将收集的数据发出，供人分析和监控温室内的环境情况，可通过温室现场视频与传感器数据的叠加显示温室内作物生长与环境状况，供温室管理者参考。
在某一些具体实施方式中，所述通信模块上安装有4G/5G通讯模块，所述4G/5G通讯模块用于外接一云服务器，能够更好地与云服务器进行数据的收发，实现全线运动平台1的数据上传保存以及下载。
在本实施方式中，所述嵌入式开发板上还安装有WiFi模块，所述WiFi模块无线接收温室内布置的传感器数据。温室内布置的传感器会全天对环境进行检测，并存储数据，从而通过WiFi模块，将采集到的环境数据信息传输至巡检机器人内，进而传输至云服务器保存，同时也可供人分析和监控温室内的环境情况。
在某一些具体实施方式中，所述人机交互终端用于数据的接收、指令的发送和可视化显示。所述人机交互终端还包括交互摄像头，所述交互摄像头用于人脸识别和手势指令识别。数据收发终端可接收存储在云服务器内的数据，所述人机交互终端进行数据显示与分析。通过软件系统开发人脸与手势识别算法，实现温室管理者凭人脸和手势，能够登录系统；操作人员通过手势识别切换不同可视化界面，查看不同数据以及通过手势控制界面图形尺寸缩放，通过手势进行指令功能的发出，同时人机交互系统还根据不同的手势指令来切换不同的数据显示界面，例如现场地图数据、视频数据、温度数据、湿度数据、光照强度数据和二氧化碳含量数据，或者通过手势指令控制界面图形尺寸缩小和放大(请参考图5)。所述人机交互终端操作简便，有利于农民学习掌握，具有广阔的市场空间和持续的增长潜力。
在某一些具体实施方式中，人机交互终端可以为PC电脑、笔记本电脑或智能手机，能够通过网络实现数据的收发和显示。
在一个具体的实现方式中，所述视觉传感器通过USB接口与所述嵌入式开发板连接，所述环境传感器通过RS232接口与所述嵌入式开发板连接，所述激光导航传感器通过以太网接口与所述嵌入式开发板连接，能够实现视觉传感器、环境传感器和激光导航传感器与嵌入式开发板的快速连接和拆卸，有利于后续的维护和更换。
进一步的，在所述的温室自主巡检机器人系统中，所述嵌入式开发板上还安装有WiFi模块，所述WiFi模块用于接收温室内布置的传感器数据。
此外，在本发明中，还提出了一种温室远程监测的方法，使用如上文所述的温室自主巡检机器人系统，所述方法包括如下步骤：
操作人员登录人机交互系统；
通过所述人机交互系统发送巡检指令至巡检机器人；
所述巡检机器人实时构建巡航地图并自动导航行驶；
所述巡检机器人通过环境传感器采集温室内环境数据，并通过通信模块传输至云服务器上；
所述人机交互系统定时从云服务器上下载数据，并进行数据可视化显示；
操作人员根据需求确定是否结束巡检工作，若需要结束，则发出结束指令至所述巡检机器人，使其归位。
在一个具体的实现方式中，所述人机交互系统包括交互摄像头，所述交互摄像头用于人脸识别和手势指令识别；操作人员通过人脸识别登录所述人机交互系统。所述人机交互系统判断操作人员是否具有管理员身份，若不具有，则无法登录；所述操作人员通过手势发送操作指令。
其中，所述交互摄像头用于人脸识别和手势指令识别。数据收发终端可接收存储在云服务器内的数据，由人机交互系统进行处理和显示。通过软件系统开发人脸与手势识别算法，实现温室管理者凭人脸登录系统，根据不同的手势指令来切换不同的数据显示界面，例如现场地图数据、视频数据、温度数据、湿度数据、光照强度数据和二氧化碳含量数据，操作简便，有利于农民学习掌握，具有广阔的市场空间和持续的增长潜力。
进一步的，请参考图6，在所述的温室远程监测的方法中，所述人机交互系统还包括异常提醒模块，当监测到温室内环境数据超出正常范围时，在所述人机交互系统监控界面弹出提醒图标，以提醒管理者尽快进行农事调控。图6中分别显示出当温度异常、湿度异常、CO2异常、土壤PH异常、土壤湿度异常以及作物信息异常等提醒图标。
具体方法如下：开始对巡检机器人和人机交互系统进行上电；操作人员通过人脸识别登录人机交互系统，并通过人脸识别判断该名操作人员是否为管理员身份，若不具备管理员身份则需更换管理员方可进行登录操作，若具备管理员身份则开始向巡检机器人发送作业命令；使巡检机器人实时构建地图并自主导航行驶，然后人机交互系统定时从云服务器上下载数据，并进行数据可视化显示；管理员可以通过不同的手势切换不同的数据显示界面；管理员根据工作需求确定是否结束巡检工作；若否，则继续监控，若是，则向巡检机器发送工作结束命令；然后，定时查询巡检机器是否已经归位，若是否则重新发送工作结束命令，若是则可关闭远程人机交互系统；最后巡检工作结束。
本实施例提出的巡检机器人在江苏省农业科学院连栋温室大棚进行试验，栽培槽种植番茄，栽培槽之间的行间距为一米，试验结果表明温室巡检机器人分别以0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s速度自主导航时，其实际路径与目标路径横向平均偏差小于10cm，标准差小于6cm；实际航向角与目标航向角之间的平均航向偏差小于3°，标准差小于1.5°，导航定位精度满足温室移动机器人移动需求。同时，远程人机交互中心与温室巡检机器人通讯正常，视频传输延迟在200ms以内，人脸识别与手势识别的置信度均大于0.98。
综上所述，本发明提出的温室自主巡检机器人系统及温室远程监测的方法至少具有以下有益效果：
在全线运动平台上集成安装激光导航传感器、通信模块、视觉传感器、嵌入式开发板及环境传感器，所述激光导航传感器用于采集环境距离信息，与SLAM算法结合实时构建温室环境地图，用于实现自动巡航；所述嵌入式开发板用作数据采集与控制中心；所述视觉传感器用于采集现场视频数据；所述环境传感器用于采集环境信息数据；当巡检机器人在开始巡检作业时，能实时构建地图并自主导航行驶，通过通信模块以及携带的环境传感器收集温室内的环境数据，并将环境数据上传至云服务器，人机交互系统可从云服务器上下载环境数据，并对其进行处理并可视化显示，供使用者对温室环境进行分析，以判断温室内情况。人机交互终端还能够发送控制指令以远程控制巡检机器人，可以实现无人进入温室便可监控温室内部环境以及采集温室内环境数据与作物生长数据的目的。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种温室自主巡检机器人系统，其特征在于，包括机器人主体、云服务器以及人机交互终端；
其中，所述机器人主体包括全线运动平台、激光导航传感器、通信模块、视觉传感器、嵌入式开发板及环境传感器；
所述激光导航传感器、通信模块、视觉传感器、环境传感器及嵌入式开发板集成在一控制盒内，所述控制盒安装在所述全线运动平台上；所述视觉传感器、激光导航传感器、环境传感器分别与所述嵌入式开发板通信连接；所述嵌入式开发板通过所述通信模块连接所述云服务器以及外接温室内布置的传感器；
所述人机交互终端包括数据收发终端；所述云服务器通过所述通信模块以及数据收发终端分别与所述嵌入式开发板信号及人机交互终端信号连接；
所述视觉传感器用于采集现场视频数据；所述激光导航传感器用于采集环境距离信息，与SLAM算法结合实时构建温室环境地图；所述环境传感器用于采集环境信息数据；所述嵌入式开发板用作数据采集与控制中心，并向所述云服务器发送传感器采集到的环境数据和现场视频数据；所述人机交互终端用于数据的接收、指令的发送和可视化显示。
2.如权利要求1中所述的温室自主巡检机器人系统，其特征在于，所述环境传感器包括温度传感器、湿度传感器、光敏传感器和二氧化碳传感器。
3.如权利要求2中所述的温室自主巡检机器人系统，其特征在于，所述温度传感器型号为DS18B20温度传感器，所述湿度传感器为DHT11温度传感器，所述二氧化碳传感器为抗高湿二氧化碳传感器SH-300-DS。
4.如权利要求1所述的温室自主巡检机器人系统，其特征在于，所述人机交互终端还包括交互摄像头，所述交互摄像头用于人脸识别和手势指令识别。
5.如权利要求1中所述的温室自主巡检机器人系统，其特征在于，所述视觉传感器通过USB接口与所述嵌入式开发板连接，所述环境传感器通过RS232接口与所述嵌入式开发板连接，所述激光导航传感器通过以太网接口与所述嵌入式开发板连接。
6.如权利要求1所述的温室自主巡检机器人系统，其特征在于，所述嵌入式开发板上还安装有WiFi模块，所述WiFi模块用于接收温室内布置的传感器数据。
7.一种温室远程监测的方法，其特征在于，使用如权利要求1至6中所述的温室自主巡检机器人系统，所述方法包括如下步骤：
操作人员登录人机交互系统；
通过所述人机交互系统发送巡检指令至巡检机器人；
所述巡检机器人实时构建巡航地图并自动导航行驶；
所述巡检机器人通过环境传感器采集温室内环境数据，并通过通信模块传输至云服务器上；
所述人机交互系统定时从云服务器上下载数据，并进行数据可视化显示；
操作人员根据需求确定是否结束巡检工作，若需要结束，则发出结束指令至所述巡检机器人，使其归位。
8.如权利要求7所述的温室远程监测的方法，其特征在于，所述人机交互系统包括交互摄像头，所述交互摄像头用于人脸识别和手势指令识别；操作人员通过人脸识别登录所述人机交互系统操作人员通过手势识别切换不同可视化界面，查看不同数据以及通过手势控制界面图形尺寸缩放。
9.如权利要求7所述的温室远程监测的方法，其特征在于，所述人机交互系统还包括异常提醒模块，当监测到温室内环境数据超出正常范围时，在所述人机交互系统监控界面弹出提醒图标。
10.如权利要求9所述的温室远程监测的方法，其特征在于，所述人机交互系统判断操作人员是否具有管理员身份，若不具有，则无法登录；所述操作人员通过手势发送操作指令。
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