[發(fā)明專利]一種基于智能機(jī)器人的水稻直播裝置與方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910257714.3
• 申請(qǐng)日: 2019-04-01
• 公開（公告）號(hào): CN109964596B
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊文武;葉揚(yáng)青;王在滿;何杰;方龍羽;何思禹;許鵬;劉順財(cái);黃登攀
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): A01C7/00
• 分類號(hào): A01C7/00;A01C7/20;G05D1/02
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 付茵茵

1.一種基于智能機(jī)器人的水稻直播裝置，其特征在于：包括機(jī)身殼體、激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、播種機(jī)構(gòu)；

激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)安裝在機(jī)身殼體的頂部，對(duì)水田區(qū)域進(jìn)行360度空間掃描，將掃描到的距離信息生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)；

控制系統(tǒng)包括信號(hào)分析模塊，信號(hào)分析模塊用于對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理運(yùn)算得到單個(gè)時(shí)刻的局部柵格地圖，利用沿邊行走繪制柵格地圖算法對(duì)當(dāng)前局部柵格地圖與已繪制的局部柵格地圖進(jìn)行幀間匹配，得到更大范圍的局部柵格地圖，直至完成邊界檢測，繪制完整的水田柵格地圖；

動(dòng)力系統(tǒng)，為行走機(jī)構(gòu)和播種機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)力；

行走機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)機(jī)身殼體行走；

播種機(jī)構(gòu)，安裝在機(jī)身殼體上實(shí)現(xiàn)播種；

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，連接動(dòng)力系統(tǒng)和播種機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)行走速度與播種速度之間的調(diào)節(jié)。

2.按照權(quán)利要求1所述的一種基于智能機(jī)器人的水稻直播裝置，其特征在于：控制系統(tǒng)包括柵格地圖繪制模塊、控制行走模塊和播種系統(tǒng)工作模塊；信號(hào)分析模塊與激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)相接；控制行走模塊與動(dòng)力系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)均相接；播種系統(tǒng)工作模塊與行走機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均相接。

3.按照權(quán)利要求1所述的一種基于智能機(jī)器人的水稻直播裝置，其特征在于：行走機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、兩個(gè)減速直流電機(jī)、兩個(gè)編碼器、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、兩個(gè)從動(dòng)輪、一根轉(zhuǎn)動(dòng)軸；一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪位于左前方，一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪位于右前方，兩個(gè)從動(dòng)輪位于左后方和右后方，兩個(gè)從動(dòng)輪通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸相接；一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與一臺(tái)減速直流電機(jī)相接，一臺(tái)減速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，一個(gè)編碼器檢測一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速。

4.按照權(quán)利要求3所述的一種基于智能機(jī)器人的水稻直播裝置，其特征在于：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、減速直流電機(jī)、編碼器、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與減速直流電機(jī)相接，減速直流電機(jī)與鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相接帶動(dòng)播種機(jī)構(gòu)工作，編碼器檢測減速直流電機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)速。

5.按照權(quán)利要求4所述的一種基于智能機(jī)器人的水稻直播裝置，其特征在于：動(dòng)力系統(tǒng)包括電源，電源與行走機(jī)構(gòu)的兩臺(tái)減速直流電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一臺(tái)減速直流電機(jī)均相接。

6.按照權(quán)利要求1所述的一種基于智能機(jī)器人的水稻直播裝置，其特征在于：播種機(jī)構(gòu)包括傳動(dòng)軸及型孔輪式排種器。

7.一種基于智能機(jī)器人的水稻直播方法，采用權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的一種基于智能機(jī)器人的水稻直播裝置，其特征在于：包括如下步驟：

開始播種前，水稻直播裝置進(jìn)行沿邊界行走并用激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)對(duì)水田進(jìn)行掃描，生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)；

通過控制系統(tǒng)的信號(hào)分析模塊對(duì)當(dāng)前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算并由航跡推算確定水稻直播裝置的位姿信息；

通過控制系統(tǒng)的柵格地圖繪制模塊利用沿邊行走繪制柵格地圖算法對(duì)已有局部柵格地圖與當(dāng)前的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行幀間匹配完成更大范圍的柵格地圖繪制，直至完成整個(gè)水田的水田柵格地圖繪制，并進(jìn)行播種路徑規(guī)劃；

根據(jù)設(shè)定的播種路徑進(jìn)行播種工作，并由航跡推算對(duì)水稻直播裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位，在到達(dá)地頭時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)彎掉頭進(jìn)行下一行的行走；

播種時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)水稻直播裝置整體的行走速度對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速直流電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，讓水稻按照一定的穴距進(jìn)行播種。

8.按照權(quán)利要求7所述的一種基于智能機(jī)器人的水稻直播方法，其特征在于：沿邊行走繪制柵格地圖算法包括如下步驟：

步驟1，獲取當(dāng)前位置的距離信息；

步驟2，采集到的距離信息進(jìn)行去除噪聲處理，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并將距離信息轉(zhuǎn)換成大地坐標(biāo)信息；

步驟3，生成當(dāng)前位置的局部柵格地圖；

步驟4，將當(dāng)前位置的局部柵格地圖與已繪制的柵格地圖進(jìn)行幀間匹配，推算航向信息；

重復(fù)步驟1-4直至完成整個(gè)水田柵格地圖的繪制。

9.按照權(quán)利要求7所述的一種基于智能機(jī)器人的水稻直播方法，其特征在于：通過控制系統(tǒng)繪制整個(gè)水田的水田柵格地圖，以獲取整個(gè)水田的邊界信息，供水稻直播裝置在水田邊界內(nèi)行進(jìn)。

10.按照權(quán)利要求7所述的一種基于智能機(jī)器人的水稻直播方法，其特征在于：水稻直播裝置開始工作，進(jìn)行沿邊界行走，激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集水稻直播裝置到水田邊界的距離信息，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算；判斷水稻直播裝置與水田邊界距離，如果該距離大于距離的最小閾值L1，小于距離的最大閾值L2時(shí)，不改變行走機(jī)構(gòu)的減速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，否則，改變行走機(jī)構(gòu)的減速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整水稻直播裝置的位姿，使水稻直播裝置在安全范圍內(nèi)行走；同時(shí)控制系統(tǒng)將處理的數(shù)據(jù)生成局部柵格地圖，并與已繪制的局部柵格地圖進(jìn)行幀間匹配，推算航向信息，直至完成整個(gè)水田柵格地圖的繪制；

根據(jù)完成的水田柵格地圖用全覆蓋路徑規(guī)劃算法提供一條覆蓋整個(gè)水田的規(guī)劃路徑；水稻直播裝置按照規(guī)劃路徑行走，行走過程中，根據(jù)規(guī)劃路徑與當(dāng)前的位姿信息，調(diào)整行走機(jī)構(gòu)的兩臺(tái)減速直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使水稻直播裝置按照規(guī)劃路徑行走；在進(jìn)行行走的同時(shí)進(jìn)行航跡推算定位水稻直播裝置，若水稻直播裝置不在規(guī)劃路徑上，控制水稻直播裝置小角度左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，使水稻直播裝置行走在規(guī)劃路線上；水稻直播裝置在規(guī)劃路徑上時(shí)，播種機(jī)構(gòu)進(jìn)行播種；播種系統(tǒng)工作模塊讀取行走機(jī)構(gòu)兩個(gè)減速直流電機(jī)編碼器讀數(shù)算出水稻直播裝置的行走速度，并根據(jù)水稻直播裝置的行走速度及穴距之間的關(guān)系確定傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，輸出PWM波至傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制播種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到水稻播種穴距一致。