CN116530490A - 一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构及其控制方法 - Google Patents
一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构及其控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116530490A CN116530490A CN202310515560.XA CN202310515560A CN116530490A CN 116530490 A CN116530490 A CN 116530490A CN 202310515560 A CN202310515560 A CN 202310515560A CN 116530490 A CN116530490 A CN 116530490A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- spraying
- robot
- ridge
- strawberry
- telescopic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000005507 spraying Methods 0.000 title claims abstract description 82
- 235000016623 Fragaria vesca Nutrition 0.000 title claims abstract description 39
- 235000011363 Fragaria x ananassa Nutrition 0.000 title claims abstract description 39
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 240000009088 Fragaria x ananassa Species 0.000 title abstract 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 46
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims abstract description 42
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 4
- 241000220223 Fragaria Species 0.000 claims description 60
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 12
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 10
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 8
- 238000003708 edge detection Methods 0.000 claims description 6
- 239000002420 orchard Substances 0.000 claims description 6
- 235000021012 strawberries Nutrition 0.000 claims description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 4
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 3
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 claims description 3
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 241000238631 Hexapoda Species 0.000 description 3
- 241000607479 Yersinia pestis Species 0.000 description 3
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 3
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000000575 pesticide Substances 0.000 description 2
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- 230000009514 concussion Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 208000015181 infectious disease Diseases 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- -1 n Species 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01M—CATCHING, TRAPPING OR SCARING OF ANIMALS; APPARATUS FOR THE DESTRUCTION OF NOXIOUS ANIMALS OR NOXIOUS PLANTS
- A01M7/00—Special adaptations or arrangements of liquid-spraying apparatus for purposes covered by this subclass
- A01M7/0089—Regulating or controlling systems
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
- A01G—HORTICULTURE; CULTIVATION OF VEGETABLES, FLOWERS, RICE, FRUIT, VINES, HOPS OR SEAWEED; FORESTRY; WATERING
- A01G9/00—Cultivation in receptacles, forcing-frames or greenhouses; Edging for beds, lawn or the like
- A01G9/24—Devices or systems for heating, ventilating, regulating temperature, illuminating, or watering, in greenhouses, forcing-frames, or the like
- A01G9/247—Watering arrangements
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
- G01S15/87—Combinations of sonar systems
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
- G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
- G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
- G01S19/42—Determining position
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
- G06V10/00—Arrangements for image or video recognition or understanding
- G06V10/20—Image preprocessing
- G06V10/25—Determination of region of interest [ROI] or a volume of interest [VOI]
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
- G06V10/00—Arrangements for image or video recognition or understanding
- G06V10/40—Extraction of image or video features
- G06V10/44—Local feature extraction by analysis of parts of the pattern, e.g. by detecting edges, contours, loops, corners, strokes or intersections; Connectivity analysis, e.g. of connected components
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
- G06V10/00—Arrangements for image or video recognition or understanding
- G06V10/70—Arrangements for image or video recognition or understanding using pattern recognition or machine learning
- G06V10/82—Arrangements for image or video recognition or understanding using pattern recognition or machine learning using neural networks
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
- G06V20/00—Scenes; Scene-specific elements
- G06V20/10—Terrestrial scenes
- G06V20/188—Vegetation
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Environmental Sciences (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Pest Control & Pesticides (AREA)
- Insects & Arthropods (AREA)
- Zoology (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
本发明公开了一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构及其控制方法。包括跨垄式移动底盘1，所述跨垄式移动底盘由驱动轮组11、万向轮组12、底盘支架13和支架平台14组成；跨垄式移动底盘1两侧安装有超声波传感器21和电池3；支架平台14上固定中央处理模块5、GNSS导航模块23和伸缩喷雾系统6；所述伸缩喷雾系统由水箱61、水泵62、喷嘴63、作业支架64、伸缩喷杆65、电动推杆66和PVC透明软管67组成；超声波传感器21、图像采集模块22和GNSS导航模块23组成感知模块2；中央处理模块5对感知到的数据进行处理，并且对机器人的轨迹追踪提供算力。本发明能够实现自主变量变喷幅喷雾作业，并且通过无线图传实现人机分离。
Description
技术领域
本发明属于一种喷雾机器人，更具体地说是一种跨垄式智能变量变喷幅喷雾机器人结构及控制方法。
背景技术
草莓是一种具有高附加值潜力的经济作物，草莓大棚栽培，不受季节限制，利于管理和标准化种植。草莓栽培全阶段病虫害频繁发生，需要大量施药，且在温室环境下，病虫害传染更加严重。而目前，由于温室狭窄环境的限制，较为成熟的大田、果园施药机难以进入作业，在实际生产应用中，还是以人工手持喷雾作业为主，存在工作效率低、药液浪费、人员安全和劳动强度高等问题。此外，大棚种植在防治病虫害的同时还需要浇水以促进生长，针对这一问题，设计能实现变量变喷幅的自主喷雾机器人。
发明内容
基于上述草莓大棚中喷雾作业要求，本发明公开了一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构。
本发明的目的在于设计一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构，能够实现手动遥控、根据场景自动控制施药量、自动完成草莓大棚作业行驶、根据施药场景自动控制施药机构伸展、持续性作业等任务。
本发明的技术方案包括：一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构，包括跨垄式移动底盘(1)、超声波传感器(21)、电池(3)、图像采集模块(22)、中央处理模块(5)、伸缩喷雾系统(6)、GNSS导航模块(23)、支架平台(14)；
所述伸缩喷雾系统(6)包括电动推杆(66)、水箱(61)、水泵(62)、作业支架(64)、伸缩喷杆(65)、喷嘴(63)、PVC透明软管(67)；
所述跨垄式移动底盘(1)由驱动轮组(11)、万向轮组(12)、底盘支架(13)、支架平台(14)组成，所述底盘支架(13)上设有支架平台(14)，所述底盘支架(13)一端活动相连左前、右前驱动轮组(11)，另一端活动连接左后、右后万向轮组(12)；所述超声波传感器(21)、图像采集模块(22)、GNSS导航模块(23)、驱动轮组(11)、电动推杆(66)、水泵(62)与中央处理模块(5)电连接，对采集的数据进行处理并对电机控制和相关算法提供算力；所述支架平台(14)上设有伸缩喷雾系统(6)；所述伸缩喷雾系统(6)通过伸缩喷杆(65)的伸缩功能实现，所述喷杆由电动推杆(66)控制伸缩，并且喷杆下端安装有喷嘴(63)；所述喷嘴(63)通过PVC透明软管(67)与水泵(62)和水箱(61)相连，所述水泵(62)根据机器人行进速度，实时调节水泵(62)的流量和喷嘴(63)的喷雾量，作业支架(64)和底盘支架(13)通过金属角件连接。
进一步，所述支架平台(14)是亚克力材质并且按照设计要求设置相应安装孔，使图像采集模块(22)、水泵(62)、水箱(61)以及中央处理模块(5)紧密固定在支架平台(14)上；所述支架平台(14)由铝型材和铝板通过金属脚件连接而成，给整个系统提供支撑和承重的同时也减轻了平台重量。
进一步，所述跨垄式移动底盘(1)用于喷雾机器人的转向以及姿态、位置调整，并为作业系统提供搭载平台；所述跨垄式移动底盘(1)由驱动轮组(11)带动万向轮组(12)，通过超声波传感器(21)、图像采集模块(22)、GNSS导航模块(23)进行环境感知，经过中央控制模块(5)对驱动轮组(11)进行差速PID控制，改变前进速度和转向。
进一步，所述水箱(61)固定在支架平台(14)上，所述水泵(62)共2个，每个水泵分别控制各自相连的一组喷嘴(63)的流量大小；所述水箱(61)通过PVC透明软管(67)与水泵(62)和喷嘴(63)连接；所述喷嘴(63)通过管夹固定于伸缩喷杆(65)下端；所述喷嘴(63)共26个，在水平方向上等距排列。
根据权利要求1所述的一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构，其特征在于，所述电池(3)为锂电池，将其固定于跨垄式移动底盘(1)的支架结构中，为水泵(62)、电动推杆(66)、驱动轮组(11)、中央控制模块(5)、超声波传感器(21)、图像采集模块(22)以及GNSS导航模块(23)提供电力。
进一步，所述伸缩喷杆(65)采用剪叉式伸缩结构，所述伸缩喷杆(65)考虑强度和重量的因素，采用双层和单层相结合的结构；所述伸缩喷杆两端固定有超声波传感器(21)；所述伸缩喷杆(65)与电动推杆(66)相连，由中央处理模块(5)发出指令，根据超声波传感器(21)的反馈控制电动推杆(66)执行推拉动作带动伸缩喷杆(65)进行伸缩；所述喷嘴(63)固定于伸缩喷杆(65)下端，根据伸缩喷杆(65)的收展改变机器人喷雾喷幅。
进一步，所述中央处理模块(5)固定于支架平台(14)上；所述中央处理模块(5)为STM32F103C8,通过驱动模块与驱动轮组(11)、水泵(62)、电动推杆(66)电连接；所述图像采集模块(22)通过中央处理模块(5)的WIFI功能模块进行无线图传。
本发明方法的技术方案为：一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构的控制方法，利用GNSS导航模块(23)获取喷雾机器人的经度纬度和高度的位置信息和机器人姿态信息，根据利用纯跟踪算法对根据果园实际情况规划好的路径进行跟踪，利用RGBD相机对草莓植株进行识别，结合机器人运动模型进行变量喷雾；
利用GNSS导航模块(23)获取喷雾机器人的经度纬度和高度的位置信息和机器人姿态信息，根据利用纯跟踪算法对根据果园实际情况规划好的路径进行跟踪步骤如下：
步骤1：选取跟踪目标的轨迹方程或给定目标点序列；
步骤2：基于机器人当前状态，计算车辆到目标点的横向偏差和航向角误差；
步骤3：根据当前横向偏差和航向角误差，计算前视距离；
步骤4：根据前视距离和车辆的运动状态，计算车辆的转向角度和速度指令；
步骤5：将转向角度和速度指令转换为左右轮的速度指令，实现控制；
利用RGBD相机对草莓植株进行识别，结合机器人运动模型进行变量喷雾方法如下：
步骤6：获取RGBD图像，使用RGBD相机采集草莓大棚垄上的图像数据，包括RGB图像和深度图像，并进行图像预处理；
步骤7：目标检测，使用YOLOv4算法对RGB图像进行目标检测，识别出图像中的草莓目标，并得到其边界框、类别标签和置信度分数；
步骤8：深度图像处理，利用深度图像和目标检测结果，对草莓目标在深度图像中进行提取和处理；
步骤9：边缘检测，采用Sobel边缘检测算法对深度图像中的草莓目标进行边缘检测，得到草莓目标的边缘信息；
步骤10：根据边缘信息进行轮廓提取；
步骤11：基于目标检测结果和深度图像的轮廓信息计算轮廓的宽度w和高度h；
步骤12，根据检测到目标的机器人前进的速度v，计算每个喷嘴(63)的喷雾量Q，若大棚宽度为wd,垄的长度为len,垄间距为d,伸缩喷杆(65)上喷嘴数量为n，草莓植株宽度为w,草莓植株的高度为h；
于是计算得到：
wd＝n·d (1)
进一步得到：
Q＝k·w·h·v (2)
其中，k为喷雾模型中的常系数，表示草莓植株的散布特性、喷嘴的性能等；
同时考虑到图像采集模块(22)与喷嘴(63)之间有距离，因此需要控制伸缩喷雾系统(6)对处理得到的喷雾控制信息进行延时喷雾，可得延迟时间t：
其中，图像采集模块(22)与喷嘴(63)在机器人前进方向上的距离为x；
步骤13，根据计算得到的喷嘴(63)喷雾量Q，对水泵(62)流量进行控制，进而控制机器人喷雾量。根据纯跟踪算法的特点，在转弯时需要停止喷雾，因此需要设置一个停止喷雾阈值θ，当机器人航向角偏离直线方向超过θ时，停止喷雾。
传统人工喷药主要采用效率比较低的背负式手动喷雾器，需要人力背负沉重的药箱，而大棚空间密闭、高温，作业劳动强度高。相较于人工喷雾作业过程中存在的重喷、漏喷、误喷等现象的缺点，本方案有“智能高效、绿色环保”的特点，根据实时测量的数据，精确控制喷雾量和喷雾范围，提高喷雾均匀度；根据草莓植株的大小和生长情况，自动调整喷雾量，避免草莓植株因为过量喷雾导致叶子烂根。跨垄式移动底盘的结构提高了机器人对大棚环境的适应性，伸缩结构的变量变喷幅喷雾系统准确、高效，通过无线图传实现真正人机分离的自主作业。
附图说明
图1为本发明侧视图；
图2为本发明跨垄式移动底盘结构示意图；
图3为本发明伸缩喷杆结构展开示意图；
图4为剪式伸缩连杆结构示意图；
图5为超声波测距计算示意图；
图6为纯跟踪算法计算示意图；
图7为RGBD相机靶标识别流程图；
图8为机器人控制流程图；
其中：1-跨垄式移动底盘、11-驱动轮组、12-万向轮组、13-底盘支架、14-支架平台、2-数据采集模块、21-超声波传感器、22-图像采集模块、23-GNSS导航模块、3-电池、5-中央处理模块、6-伸缩喷雾系统、61-水箱、62-水泵、63-喷嘴、64作业支架、65-伸缩喷杆、66电动推杆、67-PVC透明软管、111-驱动轮、112-减速电机、121-小轮、122-支撑结构、651-连杆节点、652-梁臂、653-末端可动节点、654-末端固定节点。
具体实施方式
下面结合示意图具体说明所发明的一种轮式草莓变量变喷幅喷雾机器人。
如图1所示的一种跨垄式草莓变量变喷幅喷雾机器人结构的整体框图，它主要由跨垄式移动底盘(1)、伸缩喷雾系统(6)、数据采集模块2组成。所述数据采集模块2包含超声波传感器(21)、图像采集模块(22)和GNSS导航模块(23)。中央处理模块(5)对数据进行处理，并为算法提供算力。
如图2所示跨垄式移动底盘(1)的驱动来自于两个相同驱动轮组(11)，转向依靠两轮差速实现，所述跨垄式移动底盘(1)左右两侧各安装两个超声波传感器(21)，分别位于前端和后端；驱动轮(111)连接减速电机(112)，所述减速电机(112)通过PWM控制，进一步中央处理模块通过控制PWM的占空比实现对车轮转速的控制；所述驱动轮组(11)通过螺栓固定在底盘支架(13)上。万向轮组(12)安装在底盘的另一侧，所述万向轮组(12)由支撑结构(122)和小轮(121)组成；所述小轮(121)通过一个轮轴连接支撑结构(122)，可以在多个方向上滚动。差速轮用于控制车辆的前后和左右运动，而万向轮则用于增加车辆的灵活性，使得这种跨垄式移动底盘结构具有灵活的运动性和较好的悬挂能力，适用于草莓大棚喷雾作业和大多数果园道路场景。
如图3和图4所示为本发明伸缩喷杆(65)展开结构示意图和剪式伸缩连杆结构示意图，所述伸缩喷杆(65)采用剪式伸缩结构，包括梁臂(652)、连杆节点(651)和驱动装置电动推杆(66)；通过固定梁的末端节点(654)，所述电动推杆(66)驱动梁的末端可动节点(653)运动，梁臂随之摇摆转动；所述剪式结构由任意偶数根相同的梁臂(652)组成，各梁臂(652)在连杆节点(651)处通过铰链平行连接，剪式伸缩连杆既可以由任意根梁的摇摆运动驱动，也可以通过移动能在支撑结构内滑动的梁的末端来驱动；所述伸缩喷杆(65)的核心优势是运动范围、稳定性以及结构紧凑，并且是一种很流程的机械机构，因此易于扩展；所述伸缩喷杆(65)下端通过螺母固定有喷嘴(63)，所述喷嘴(63)通过PVC透明水管(67)与水泵(62)连接；所述水泵(62)与水箱(61)通过PVC透明软管(67)连接，并与中央处理模块(5)电连接，实现水泵(62)变水压，进而实现喷嘴(63)变流量；所述电动推杆(66)与中央处理模块(5)通过驱动模块电连接，根据作业场景的实际情况，通过安装在伸缩喷杆(65)两端的超声波传感器(21)的距离反馈，驱动伸缩喷杆(65)进行伸缩，进而实现变喷幅喷雾。
如图5所示的超声波测距计算示意图，若df和db分别为前后超声波测距结果，w为移动底盘的驱动轮间距，l为车身长；假设侧边超声波传感器前后间距等于车身长l，假设超声波传感器以10HZ的频率测距。根据超声波测距结果计算车辆与垄的夹角θ与距离d，有如下关系：
d＝df·cos(arctan(db-df)/l) (4)
通过超声波测距对小车的位姿进行了计算，得到车辆与垄的夹角θ与距离d。
跨垄式移动底盘(1)采用PID控制来控制运动轨迹，通过控制跨垄式移动底盘两个驱动轮组(11)的转速实现转向和速度控制，进一步控制跨垄式移动底盘的运动轨迹。所述跨垄式移动底盘通过性较强且可以实现原地转向，可以在空间较为紧迫的环境作业。
如图6所示的纯跟踪算法计算示意图，g为路径上的一个路径点，ld表示的是中心点C点到g点的距离，即前视距离。转弯半径为R，机器人瞬时线速度为vc，vl为左轮线速度，vr为右轮线速度，瞬时角速度为ωc。α表示的是当前机器人姿态和目标路径点g之间的夹角。根据纯跟踪算法原理：
通过使用最大，最小前视距离来约束前视距离，越大的前视距离意味着轨迹的追踪越平滑，小的前视距离会使得追踪更加精确，但同时也会带来震荡；为了更好地确定前视距离，引入自适应参数，通过调整转弯半径、航线误差、横向偏差、期望车速和机器人质量的权重计算前视距离，以达到最佳的控制效果。
如图7所示，为RGBD相机靶标识别流程图，首先通过图像采集模块(22)采集草莓大棚垄上的图像数据，包括RGB图像和深度图像；进一步，对获取的RGBD图像进行预处理操作，消除畸变和转换数据格式；进一步使用YOLOv4算法对RGB图像进行目标检测，识别出图像中的草莓植株目标；进一步，利用深度图像和目标检测结果，对草莓植株目标在深度图像中进行提取和处理；进一步，采用Sobel边缘检测算法对深度图像中的草莓植株进行边缘检测，得到草莓植株目标的边缘信息；进一步，通过轮廓提取方法获取草莓目标的轮廓信息；进一步，通过对轮廓面积和形状的比较，计算检测到的轮廓是否完整，完整则进行下一步计算，否则返回获取RGBD图像信息的步骤；进一步根据获取的草莓植株目标轮廓信息计算草莓植株的宽度和高度，若xmax和xmin表示轮廓中草莓在x轴方向的最大和最小坐标，若ymax和ymin表示轮廓中草莓在y轴方向的最大和最小坐标，W和H表示草莓轮廓的宽度和高度，计算草莓轮廓的宽度和高度，采用以下公式：
进一步，使用相机内外参数将图像坐标系中的宽度和高度转换到世界坐标系中，可以采用如下公式：
其中，depth表示深度图像中草莓的深度值，fx和fy分别表示相机在x轴和y轴上的焦距，由相机内参数矩阵获得。
如图8所示，为跨垄式草莓变量变喷幅喷雾机器人控制流程图。首先通过GNSS定位和超声波测距对机器人当前位姿信息d、θ进行更新，判断当前是否到达终点或者在垄上，进一步根据规划路径使用纯跟踪算法进行跟踪，根据约束条件：使用PID控制器构成运动控制器，控制器的输入为距离差derr，也可将前视距离ld作为输入,为保证速度的连续性，需要将PID输出先限幅再平滑。根据上述算法求出线速度vc和角速度ωc后，再解算为左右轮转速交给驱动轮电机执行。控制器会控制机器人持续朝向目标移动，同时通过驱动轮电机反馈机器人当前速度vc，进行纯跟踪算法的更新和对水泵流量q进行计算，根据当前速度vc改变水泵的流量进而改变喷嘴的喷雾量，同时通过超声波测距判断当前机器人是否位于垄上，对喷雾作业进行控制。
PID算法通过误差信号控制被控量，而控制器本身就是比例、积分、微分三个环节的加和。
Claims (8)
1.一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构，其特征在于，包括跨垄式移动底盘(1)、超声波传感器(21)、电池(3)、图像采集模块(22)、中央处理模块(5)、伸缩喷雾系统(6)、GNSS导航模块(23)、支架平台(14)；
所述伸缩喷雾系统(6)包括电动推杆(66)、水箱(61)、水泵(62)、作业支架(64)、伸缩喷杆(65)、喷嘴(63)、PVC透明软管(67)；
所述跨垄式移动底盘(1)由驱动轮组(11)、万向轮组(12)、底盘支架(13)、支架平台(14)组成，所述底盘支架(13)上设有支架平台(14)，所述底盘支架(13)一端活动相连左前、右前驱动轮组(11)，另一端活动连接左后、右后万向轮组(12)；所述超声波传感器(21)、图像采集模块(22)、GNSS导航模块(23)、驱动轮组(11)、电动推杆(66)、水泵(62)与中央处理模块(5)电连接，对采集的数据进行处理并对电机控制和相关算法提供算力；所述支架平台(14)上设有伸缩喷雾系统(6)；所述伸缩喷雾系统(6)通过伸缩喷杆(65)的伸缩功能实现，所述喷杆由电动推杆(66)控制伸缩，并且喷杆下端安装有喷嘴(63)；所述喷嘴(63)通过PVC透明软管(67)与水泵(62)和水箱(61)相连，所述水泵(62)根据机器人行进速度，实时调节水泵(62)的流量和喷嘴(63)的喷雾量，作业支架(64)和底盘支架(13)通过金属角件连接。
2.根据权利要求1所述的一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构，其特征在于，所述支架平台(14)是亚克力材质并且按照设计要求设置相应安装孔，使图像采集模块(22)、水泵(62)、水箱(61)以及中央处理模块(5)紧密固定在支架平台(14)上；所述支架平台(14)由铝型材和铝板通过金属脚件连接而成，给整个系统提供支撑和承重的同时也减轻了平台重量。
3.根据权利要求1所述的一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构，其特征在于，所述跨垄式移动底盘(1)用于喷雾机器人的转向以及姿态、位置调整，并为作业系统提供搭载平台；所述跨垄式移动底盘(1)由驱动轮组(11)带动万向轮组(12)，通过超声波传感器(21)、图像采集模块(22)、GNSS导航模块(23)进行环境感知，经过中央控制模块(5)对驱动轮组(11)进行差速PID控制，改变前进速度和转向。
4.根据权利要求1所述的一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构，其特征在于，所述水箱(61)固定在支架平台(14)上，所述水泵(62)共2个，每个水泵分别控制各自相连的一组喷嘴(63)的流量大小；所述水箱(61)通过PVC透明软管(67)与水泵(62)和喷嘴(63)连接；所述喷嘴(63)通过管夹固定于伸缩喷杆(65)下端；所述喷嘴(63)共26个，在水平方向上等距排列。
5.根据权利要求1所述的一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构，其特征在于，所述电池(3)为锂电池，将其固定于跨垄式移动底盘(1)的支架结构中，为水泵(62)、电动推杆(66)、驱动轮组(11)、中央控制模块(5)、超声波传感器(21)、图像采集模块(22)以及GNSS导航模块(23)提供电力。
6.根据权利要求1所述的一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构，其特征在于，所述伸缩喷杆(65)采用剪叉式伸缩结构，所述伸缩喷杆(65)考虑强度和重量的因素，采用双层和单层相结合的结构；所述伸缩喷杆两端固定有超声波传感器(21)；所述伸缩喷杆(65)与电动推杆(66)相连，由中央处理模块(5)发出指令，根据超声波传感器(21)的反馈控制电动推杆(66)执行推拉动作带动伸缩喷杆(65)进行伸缩；所述喷嘴(63)固定于伸缩喷杆(65)下端，根据伸缩喷杆(65)的收展改变机器人喷雾喷幅。
7.根据权利要求1所述的一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构，其特征在于，所述中央处理模块(5)固定于支架平台(14)上；所述中央处理模块(5)为STM32F103C8,通过驱动模块与驱动轮组(11)、水泵(62)、电动推杆(66)电连接；所述图像采集模块(22)通过中央处理模块(5)的WIFI功能模块进行无线图传。
8.根据权利要求1所述的一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构的控制方法，其特征在于，利用GNSS导航模块(23)获取喷雾机器人的经度纬度和高度的位置信息和机器人姿态信息，根据利用纯跟踪算法对根据果园实际情况规划好的路径进行跟踪，利用RGBD相机对草莓植株进行识别，结合机器人运动模型进行变量喷雾；
利用GNSS导航模块(23)获取喷雾机器人的经度纬度和高度的位置信息和机器人姿态信息，根据利用纯跟踪算法对根据果园实际情况规划好的路径进行跟踪步骤如下：
步骤1：选取跟踪目标的轨迹方程或给定目标点序列；
步骤2：基于机器人当前状态，计算车辆到目标点的横向偏差和航向角误差；
步骤3：根据当前横向偏差和航向角误差，计算前视距离；
步骤4：根据前视距离和车辆的运动状态，计算车辆的转向角度和速度指令；
步骤5：将转向角度和速度指令转换为左右轮的速度指令，实现控制；
利用RGBD相机对草莓植株进行识别，结合机器人运动模型进行变量喷雾方法如下：
步骤6：获取RGBD图像，使用RGBD相机采集草莓大棚垄上的图像数据，包括RGB图像和深度图像，并进行图像预处理；
步骤7：目标检测，使用YOLOv4算法对RGB图像进行目标检测，识别出图像中的草莓目标，并得到其边界框、类别标签和置信度分数；
步骤8：深度图像处理，利用深度图像和目标检测结果，对草莓目标在深度图像中进行提取和处理；
步骤9：边缘检测，采用Sobel边缘检测算法对深度图像中的草莓目标进行边缘检测，得到草莓目标的边缘信息；
步骤10：根据边缘信息进行轮廓提取；
步骤11：基于目标检测结果和深度图像的轮廓信息计算轮廓的宽度w和高度h；
步骤12，根据检测到目标的机器人前进的速度v，计算每个喷嘴(63)的喷雾量Q，若大棚宽度为wd,垄的长度为len,垄间距为d,伸缩喷杆(65)上喷嘴数量为n，草莓植株宽度为w,草莓植株的高度为h；
于是计算得到：
wd＝n·d (1)
进一步得到：
Q＝k·w·h·ν (2)
其中，k为喷雾模型中的常系数，表示草莓植株的散布特性、喷嘴的性能等；
同时考虑到图像采集模块(22)与喷嘴(63)之间有距离，因此需要控制伸缩喷雾系统(6)对处理得到的喷雾控制信息进行延时喷雾，可得延迟时间t：
其中，图像采集模块(22)与喷嘴(63)在机器人前进方向上的距离为x；
步骤13，根据计算得到的喷嘴(63)喷雾量Q，对水泵(62)流量进行控制，进而控制机器人喷雾量。根据纯跟踪算法的特点，在转弯时需要停止喷雾，因此需要设置一个停止喷雾阈值θ，当机器人航向角偏离直线方向超过θ时，停止喷雾。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310515560.XA CN116530490A (zh) | 2023-05-09 | 2023-05-09 | 一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构及其控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310515560.XA CN116530490A (zh) | 2023-05-09 | 2023-05-09 | 一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构及其控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116530490A true CN116530490A (zh) | 2023-08-04 |
Family
ID=87448457
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310515560.XA Pending CN116530490A (zh) | 2023-05-09 | 2023-05-09 | 一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构及其控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116530490A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117356546A (zh) * | 2023-12-01 | 2024-01-09 | 南京禄口国际机场空港科技有限公司 | 一种机场草坪用的喷雾车的控制方法、系统及存储介质 |
-
2023
- 2023-05-09 CN CN202310515560.XA patent/CN116530490A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117356546A (zh) * | 2023-12-01 | 2024-01-09 | 南京禄口国际机场空港科技有限公司 | 一种机场草坪用的喷雾车的控制方法、系统及存储介质 |
| CN117356546B (zh) * | 2023-12-01 | 2024-02-13 | 南京禄口国际机场空港科技有限公司 | 一种机场草坪用的喷雾车的控制方法、系统及存储介质 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20200325005A1 (en) | Suspension rail type greenhouse comprehensive information automatic cruise monitoring device | |
| CN102754538B (zh) | 用于连栋温室的机器人 | |
| CN110583603B (zh) | 一种适用于柑橘园的仿形智能喷雾设备及喷雾方法 | |
| CN103963782B (zh) | 拖挂式移动机器人平行泊车方法 | |
| CN108321722B (zh) | 自动避障的可纵向弯曲树障清理空中机器人和避障方法 | |
| CN116530490A (zh) | 一种跨垄式草莓智能变量变喷幅喷雾机器人结构及其控制方法 | |
| Qiu et al. | Extended Ackerman Steering Principle for the coordinated movement control of a four wheel drive agricultural mobile robot | |
| CN113057154A (zh) | 一种温室药液喷洒机器人 | |
| CN204498792U (zh) | 一种基于双目视觉的苹果成熟度自动检测及采摘机器人 | |
| WO2023082482A1 (zh) | 一种基于环形施药结构的变量喷雾控制系统及其植株冠层体积计算方法 | |
| CN114080905B (zh) | 基于数字双胞胎的采摘方法及云采摘机器人系统 | |
| CN109676624A (zh) | 一种基于深度学习的田间目标检测机器人平台 | |
| CN114128695A (zh) | 一种履带式自主精准变量风送喷雾机器人结构及其路径规划和变量喷雾方法 | |
| CN111830968B (zh) | 一种多功能莼菜无人作业船及其导航控制方法 | |
| CN112947433B (zh) | 一种果园移动机器人及其自主导航方法 | |
| CN212279614U (zh) | 基于激光雷达的果园对靶风送喷雾机 | |
| CN113625707A (zh) | 一种多传感器融合的温室自动跟随平台及其控制方法 | |
| CN114089650B (zh) | 一种基于物联网的智能农田喷药电子自动控制系统 | |
| CN105739521A (zh) | 一种农业机器人牵引及供电的系统和方法 | |
| Mosalanejad et al. | Evaluation of navigation system of a robot designed for greenhouse spraying | |
| CN116138235A (zh) | 一种阿克曼式果园智能精准变量风送喷雾机器人结构及其路径规划、变量喷雾方法 | |
| CN111838113A (zh) | 一种风机转速与出风面积联合调节的对靶喷雾机及方法 | |
| Zeng et al. | A review of the research progress of pruning robots | |
| CN115486425A (zh) | 一种果林自动化喷雾装置 | |
| CN212279615U (zh) | 一种风机转速与出风面积联合调节的对靶喷雾机 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |