[發明專利]一種基于電磁檢測的大棚智能噴藥機器人及方法

有效

• 申請號: 201510247544.2
• 申請日: 2015-05-15
• 公開（公告）號: CN104850123B
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 董永波;張慧芬
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于電磁檢測的大棚智能噴藥機器人，其特征在于，所述大棚智能噴藥機器人包括：中央控制器、電磁檢測識別路徑模塊、永磁鐵檢測模塊、圖像處理模塊、噴藥模塊、配藥模塊、藥物檢測模塊、無線通信模塊、人機交互模塊、自身狀態檢測模塊、行駛模塊、報警模塊、存儲模塊、供電模塊；所述的中央控制器分別與電磁檢測識別路徑模塊、永磁鐵檢測模塊、圖像處理模塊、噴藥模塊、配藥模塊、藥物檢測模塊、無線通信模塊、人機交互模塊、自身狀態檢測模塊、行駛模塊、報警模塊、存儲模塊、供電模塊連接，所述的供電模塊分別與中央控制器、電磁檢測識別路徑模塊、永磁鐵檢測模塊、圖像處理模塊、噴藥模塊、配藥模塊、藥物檢測模塊、無線通信模塊、人機交互模塊、自身狀態檢測模塊、行駛模塊、報警模塊、存儲模塊連接；

所述的電磁檢測識別路徑模塊采用磁場傳感器檢測交變電流產生的交變電磁場進行識別路徑技術；電磁檢測識別路徑模塊包括磁場傳感器、導線、交變電流電源；

所述的永磁鐵檢測模塊完成機器人對果蔬植物種植區之間開始和結束位置檢測；永磁鐵檢測模塊包括永磁鐵和永磁鐵檢測裝置；

所述的圖像處理模塊完成對果蔬植物識別和實時攝像監控周圍情況，圖像處理模塊包括云臺高清攝像頭、圖像采集卡、圖像處理軟件；圖像處理模塊采用圖像處理和模式識別技術；

所述的噴藥模塊完成機器人對果蔬植物的噴藥工作，通過2個可伸縮的機械臂、6個藥物噴頭同時對2列果蔬植物的頂部、中部和底部噴藥；6個藥物噴頭分別安裝在2個可伸縮的機械臂的頂部、中部和底部與噴藥導管連接，每一個可伸縮的機械臂在頂部、中部和底部各安裝一個藥物噴頭，通過可伸縮的機械臂改變藥物噴頭的高度；藥物噴頭開關由電動調節閥控制開關，通過控制電動調節閥的開度控制藥物噴藥速度；噴藥液壓由安裝在機器人上的農用噴藥壓力泵提供；每個藥物噴頭通過噴藥導管與農用噴藥壓力泵連接；噴藥模塊包括：2個可伸縮的機械臂、6個藥物噴頭、6個電動調節閥、1臺農用噴藥壓力泵、噴藥導管；

所述的配藥模塊完成對藥物的攪拌調配，配藥時，通過內置式攪拌器對藥物攪勻，使藥物充分溶合；在噴藥過程中，攪拌器電機按用戶設置好的時間間隔帶動內置式攪拌器對藥物攪拌，使藥物不會沉淀，保證噴藥過程藥物的均勻溶合；配藥模塊包括：內置式攪拌器、攪拌器電機、藥物桶；藥物桶可拆卸，在配藥的時候可卸下，配完藥后安裝在機器人身上卡住固定；

所述的藥物檢測模塊實現對藥物剩余量、噴藥流速的檢測，藥物檢測模塊包括液位傳感器、渦輪流量計，通過液位傳感器、渦輪流量計分別檢測藥物剩余量、噴藥流速，能夠避免無藥工作和對藥物噴頭堵塞及時發現；當噴藥流速過慢不正常時，說明藥物噴頭發生堵塞或其他故障；機器人通過藥物檢測模塊檢測藥物剩余量、噴藥流速數據，將數據傳送給中央控制器，通過無線通信模塊傳送數據到手持移動通信設備端上位機中顯示，以及時發現并避免無藥工作和藥物噴頭堵塞情況；

所述的無線通信模塊用于機器人與上位機進行無線通信連接，無線通信模塊包括WiFi無線單元和GPRS通信單元，WiFi無線單元用于機器人與上位機進行WiFi無線通信連接方式，GPRS通信單元用于機器人與上位機進行GPRS無線通信連接方式；

所述的人機交互模塊實現人與機器人之間的信息通信；人機交互模塊通過無線通信模塊將機器人與用戶手持移動通信設備進行連接通信；用戶可以通過與機器人通信連接后的手持移動通信設備端上位機軟件對機器人進行功能參數設置和實時控制，接收機器人采集的圖像信息和報警信息，實現對機器人的遠距離控制和監視；

所述的自身狀態檢測模塊實現機器人檢測障礙物和自身狀態，自身狀態檢測模塊包括陀螺儀、里程計、加速度傳感器、超聲波傳感器，通過陀螺儀、里程計、加速度傳感器、超聲波傳感器檢測障礙物和自身狀態；

所述的行駛模塊使用履帶式移動；行駛模塊的機械結構采用2條同步履帶、1個主軸、1個直齒輪、1個圓錐齒輪、2個主動輪、2個從動輪；動力結構采用2個直流伺服電機、2個減速器、2個旋轉編碼器、2個H橋電機PWM驅動電路、電機過流保護裝置；減速器與動力輪連接；直流伺服電機與減速器、旋轉編碼器、H橋電機PWM驅動電路連接，構成行駛動力裝置；H橋電機PWM驅動電路控制電機的正轉和反轉，控制主動輪正、反轉，帶動同步履帶移動完成機器人在大棚內前進、后退和轉向；

所述的報警模塊實現了當藥物余量不足、藥物噴頭堵塞、電池組電量不足時，通過語音播放器播放報警語音，通過無線通信向用戶手持移動通信設備上位機報警，以便用戶及時發現處理，報警模塊包括語音播放器和用戶手持移動通信設備上位機報警提示；

所述的存儲模塊實現對圖像采集數據、檢測信息、果蔬植物圖像特征信息數據庫和其他模塊數據的記錄和存儲，存儲模塊包括存儲器；

所述的供電模塊完成對機器人整個系統的供電、電壓轉換、剩余電量檢測，保證機器人供電的安全、高效；供電模塊包括高能效電池組、電壓轉換器、電量檢測器；

所述的基于電磁檢測的大棚智能噴藥機器人通過在大棚區果蔬植物種植區外的空地過道上方懸空架設包裹防水、防腐蝕絕緣層的直導線，直導線中通交流電流以產生交變的電磁場；機器人上架起一個支撐桿安裝磁場傳感器接近通交變電流的直導線用來檢測交流電流產生的交變電磁場；機器人通過處理磁場傳感器檢測的交變磁場強度和方向信息識別所處的空間位置，沿直導線架設的位置循交變電磁場前進；實時的電磁檢測識別路徑模塊通過檢測指定位置的直導線產生的交變電磁場，準確的識別路徑使機器人在果蔬植物種植區外的空地和大棚區中移動；在果蔬植物種植區外的空地過道上方架設的導線上方處果蔬植物種植區之間開始和結束位置安裝永磁鐵，機器人上安裝永磁鐵檢測裝置靠近永磁鐵位置；當機器人檢測到永磁鐵時記錄檢測永磁鐵的次數確定出果蔬植物種植區之間開始和結束位置，在進入果蔬植物種植區之間開始位置控制開始噴藥，在離開果蔬植物種植區之間結束位置控制停止噴藥；中央控制器對永磁鐵檢測模塊檢測到的永磁鐵次數進行統計，確定區分噴藥起始位置、結束位置和噴藥具體情況的位置；

用戶使用手持移動通信設備通過無線通信模塊中WiFi無線單元或GPRS通信單元選擇WiFi無線通信連接方式或GPRS無線通信連接方式與機器人連接通信，用戶通過手持移動通信設備端上位機軟件對機器人進行功能參數設置和實時控制，接收機器人采集的圖像信息、檢測信息、電量信息和報警信息，實現對機器人的遠距離控制和監視；

基于電磁檢測的大棚智能噴藥機器人自動模式工作原理如下：首先，用戶在藥物桶里按比例配好藥物和水，將藥物桶安裝在機器人上卡住固定好后；將內置式攪拌器的齒輪與機器人攪拌器電機連接后，使用用戶手持移動通信設備上位機軟件控制啟動機器人，控制攪拌器電機工作，使藥物經過攪拌器攪拌均勻后，設置進入自動模式；藥物桶內的藥物通過噴藥導管與農用噴藥壓力泵連接，供農用噴藥壓力泵抽取藥物；藥泵電機開始運轉，農用噴藥壓力泵準備好工作；

圖像處理模塊開始工作采集果蔬植物種植區和周圍環境圖像信息，通過云臺高清攝像頭拍攝果蔬植物的圖像，通過圖像采集卡和圖像處理軟件處理果蔬植物的圖像，提取到果蔬植物的重要外觀特征與存儲模塊中的果蔬植物圖像特征信息數據庫信息核對比較后對果蔬植物分類并判斷出果蔬植物的種類名稱；

機器人從機器人工作起點和終點位置開始循通有交變電流導線產生的磁場向前移動，機器人通過永磁鐵檢測模塊檢測到起始處的永磁鐵后，機器人中央控制器控制噴藥模塊伸開機械臂，中央控制器控制果蔬植物種植區一側的藥物噴頭電動調節閥打開對果蔬植物的頂部、中部和底部噴藥，中央控制器根據圖像處理模塊判斷的果蔬植物的種類名稱和人工設置功能參數中的果蔬植物所處的生長時期合理控制調節電動調節閥的開度，控制噴藥用量；

當機器人完成第一列果蔬植物種植區一側的噴藥時，機器人永磁鐵檢測模塊檢測到永磁鐵，確定對第一列果蔬植物噴藥結束，機器人將要離開果蔬植物種植區，機器人中央控制器控制關閉電動調節閥停止噴藥，機器人進入到兩列果蔬植物種植區之間，機器人永磁鐵檢測模塊檢測到永磁鐵，確定機器人將再次進入果蔬植物種植區之間，機器人中央控制器控制機器人兩側的藥物噴頭電動調節閥打開對2列果蔬植物的頂部、中部和底部噴藥，機器人中央控制器根據圖像處理模塊判斷的果蔬植物的種類名稱和人工設置功能參數中的果蔬植物所處的生長時期合理控制調節電動調節閥的開度，控制噴藥用量；

在噴藥的過程中，攪拌器按照提前設置好的時間間隔對藥物進行攪拌，保證藥物始終均勻；

機器人繼續完成對果蔬植物的噴藥工作，當機器人到達最后一列果蔬植物種植區外時，機器人中央控制器僅控制果蔬植物種植區一側的藥物噴頭電動調節閥打開對果蔬植物的頂部、中部和底部噴藥，機器人中央控制器根據圖像處理模塊判斷的果蔬植物的種類名稱和人工設置功能參數中的果蔬植物所處的生長時期合理控制調節電動調節閥的開度，控制噴藥用量；

當機器人永磁鐵檢測模塊檢測到永磁鐵次數達到完成對所有的果蔬植物噴藥工作后的永磁鐵次數時，中央控制器控制關閉電動調節閥停止噴藥，控制噴藥模塊收縮機械臂，控制機器人循磁沿導線方向移動到機器人工作起點和終點位置處等待用戶下一步具體操作；

基于電磁檢測的大棚智能噴藥機器人手動模式工作原理如下：用戶通過手持移動通信設備端上位機軟件實現對機器人控制；用戶通過手持移動通信設備端上位機軟件主操作界面進入到手動模式控制軟件子界面對機器人實施控制機器人行駛、機械臂伸縮、電動調節閥開關、藥泵開關、攪拌器開關；通過視頻窗口觀察機器人周圍的情況，左右上下滑動窗口可以實現云臺高清攝像頭的左右上下移動改變監控視角。