專利名稱：溫室對靶施藥機器人系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種農業(yè)施藥機器人系統(tǒng)，尤其是涉及一種用于溫室對靶施藥機器人 系統(tǒng)。
背景技術：
目前，我國植保機械80%仍為背負式等手動噴霧器，“跑、冒、滴、漏”現象嚴重，農 藥利用率只有20%左右，農藥流失量高達60% 70%以上，每年農藥浪費造成的損失達到 150多億元以上，全國受污染耕地約有1. 5億畝，占耕地總面積的1/10以上；我國蔬菜、水 果中農藥檢出率為20% 60%，總超標率為20% 45%，同時因施藥中毒人數每年都在遞 增，特別是在溫室等設施農業(yè)環(huán)境。針對植株和病害部位進行對靶變量施藥能有效減少農藥浪費、提高農產品品質和 對環(huán)境的污染，對靶施藥機器人是利用機器視覺獲取病害信息，實現病情預警、判斷和病灶 定位，控制機械臂和變量噴頭完成對靶噴霧作業(yè)，是智能精細農業(yè)裝備的研究熱點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種用于溫室對靶施藥機器人系統(tǒng)。本發(fā)明采用的技術方案為該系統(tǒng)由病情診斷和預警系統(tǒng)、變量施藥系統(tǒng)以及控 制系統(tǒng)構成。病情診斷和預警系統(tǒng)由全局視覺傳感器、局部視覺傳感器、溫濕度傳感器、照 度傳感器和土壤溫度傳感器組成，病情診斷和預警系統(tǒng)獲取病害表征信息，并加以處理，得 到病灶位置和病情程度等，據此控制變量施藥系統(tǒng)實現變量施藥；變量施藥系統(tǒng)包括移動 底盤車、機械臂和變量噴嘴，移動底盤車懸掛于導軌上，實現整個機器人系統(tǒng)沿導軌啟停和 變速行走；控制系統(tǒng)由上下位機構成，上位機工控機中的程序基于VC++編制，通過工控機 RS232串口向PLC發(fā)送控制字節(jié)并接收來自PLC的各關節(jié)狀態(tài)字節(jié)；下位機PLC程序即梯 形圖程序遵照功能模塊化的原則編寫，主程序采用子程序調用的形式執(zhí)行，將移動底盤車、 各關節(jié)以及噴嘴的控制指令模塊化到相應的子程序中，程序在掃描過程中，根據控制指令 調用相應的子程序完成任務；機器人系統(tǒng)控制模式為自動或手動模式。所述機械臂為3自由度機械臂，用于控制噴桿運動，以直角坐標機器人為基礎構 建，實現f、Z, X3個自由度的運動；其中，乏自由度采用交剪式升降吊架，f自由度采用直 線導軌驅動單元，腕關節(jié)i用于控制噴桿的垂直和水平旋轉定位。所述變量噴嘴的結構為在長為1. 0m的噴桿上間隔0. 2m均勻分布6個噴嘴，各噴 嘴通過高速電磁閥與噴桿連接，控制高速電磁閥進而實現噴嘴的開閉。所述自動模式下，機器人系統(tǒng)在導軌起點處等待上位機的指令；當PLC接收到上 位機即病害信息診斷系統(tǒng)發(fā)送的病害位置信息或啟動指令后，移動底盤車啟動并運行至病 害作業(yè)壟，機械臂將噴桿下降到預定義位置，同時PLC觸發(fā)安裝在直線導軌上的攝像頭對 當前病害壟進行信息采集；上位機將處理結果傳遞PLC，PLC在噴桿自左向右的運動過程 中，當某個噴嘴進入病害發(fā)生范圍內，控制該噴嘴開啟，否則關閉；噴嘴在一次掃描中需要
3對靶單個或多個單元進行作業(yè)，實現單次或多次開閉控制，實現對靶噴霧。所述手動模式下，通過上位機對移動底盤車、機械臂各關節(jié)手動定位病害壟，并手 動控制噴嘴的開閉，該模式適用于對病害信息診斷系統(tǒng)識別范圍以外病害的噴霧作業(yè)，實 現手動控制機械臂。本發(fā)明的有益效果為對靶施藥機器人是利用機器視覺獲取病害信息，實現病情 預警、判斷和病灶定位，控制機械臂和變量噴頭完成對靶噴霧作業(yè)，能針對植株和病害部位 進行自動對靶變量施藥，能有效減少農藥浪費、提高農產品品質和對環(huán)境的污染。


圖1(a)、圖1(b)和圖1(c)分別為本發(fā)明病情診斷和預警系統(tǒng)傳感器的整體布局 示意圖、整體布局俯視圖和局部布局示意圖；圖2本發(fā)明的機械結構立體圖及連接關系圖；圖3為本發(fā)明自動模式下施藥機器人工作流程圖；圖4為本發(fā)明工控機控制模塊圖。圖中標號1-黃瓜單壟；2-全局視覺傳感器；3-溫濕度傳感器；4-光強傳感器；5- 土壤溫 度傳感器；6-局部視覺傳感器；7-移動底盤車；8-Z向剪叉式吊架；9-Y向平移直線導軌； 10-回轉腕關節(jié)；11-噴桿；12-導軌。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種用于溫室對靶施藥機器人系統(tǒng)，下面通過附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步說明。如圖1 (a)_圖1 (c)所示，需要按照施藥機器人的體積、工作空間對黃瓜種植模式 加以修改，結合農藝、葉面積指數和傳感器布置方式，構造了適合溫室環(huán)境條件下病害獲 取的黃瓜種植模式。黃瓜株距為400mm，減少相鄰植株間交叉遮擋，黃瓜單壟1的間距為 1000mm，為施藥機器人預留工作空間。通過放蔓保持成熟黃瓜株高限制在2000mm，每株黃瓜 功能葉片數量保持在15葉左右，及時打杈、打老葉、疏花果和摘卷須，減少養(yǎng)分消耗和葉片 信息相互遮擋，保持豐產塔式株型。全局視覺傳感器2采用高分辨率模擬攝像機，為了減少光照變化的影響，配裝變 焦自動光圈鏡頭，安裝高度為3m，兩個攝像頭采集區(qū)域完全覆蓋溫室內黃瓜壟地。兩個局部 視覺傳感器6安裝在一維移動單元上，選用北京嘉恒中自公司的0K_AC1300型高分辨率RGB 攝像頭，加裝5mm焦距鏡頭，能捕獲到細微的病害表征信息，雙目圖像覆蓋1500mmX 600mm 區(qū)域。環(huán)境傳感器分別選用高分辨率的溫濕度傳感器3、光強傳感器4和土壤溫度傳感器 5，分辨率依次分別為0. 1°C、0. lLux和士0. 1% RH。環(huán)境傳感器定時采樣，輸入周期環(huán)境數 據庫，若環(huán)境參數值極值連續(xù)五天偏離正常閾值范圍，則發(fā)出病害預警信號，全局視覺傳感 器2從定時采集轉入實時采集分析壟地圖像，監(jiān)測病害的發(fā)生及分布情況。如圖2所示，變量施藥系統(tǒng)包括移動底盤車7、機械臂和變量噴嘴，移動底盤車7懸 掛于導軌12上，實現整個機器人系統(tǒng)沿導軌啟停和變速行走。機械臂為3自由度機械臂， 用于控制噴桿11運動，以直角坐標機器人為基礎構建，實現f、i、X3個自由度的運動；其中，f自由度采用Z向剪叉式吊架8，f自由度采用Y向平移直線導軌9，1自由度的回轉腕關 節(jié)10用于控制噴桿11的垂直和水平旋轉定位。變量噴嘴的結構為在長為1. 0m的噴桿上 間隔0. 2m均勻分布6個噴嘴，各噴嘴通過高速電磁閥與噴桿連接，控制高速電磁閥進而實 現噴嘴的開閉。圖3為本發(fā)明自動模式下施藥機器人工作流程圖；圖4為本發(fā)明工控機控制模塊 圖。自動工作模式下施藥機器人處于全自主工作狀態(tài)，全局視覺傳感器2監(jiān)控采集黃瓜壟 地圖像，分割、提取壟內病蟲害信息并將壟病情程度信息傳遞至工控機。工控機作為上位機 向PLC發(fā)送指令，PLC啟動移動底盤車7按照病情程度從重到輕依次移動至病害壟，機械臂 向下運動至規(guī)定位置，觸發(fā)局部視覺傳感器6采集黃瓜植株和葉片病害信息，并對采集區(qū) 域中的多目標黃瓜植株和病害信息進行識別，得出局部視覺傳感器采集區(qū)域內黃瓜子區(qū)域 病情等級表。噴桿11旋轉至豎直狀態(tài)，并移動定位病害，根據病情等級表獨立控制噴嘴噴 霧時間。溫濕度傳感器3、光強傳感器4和土壤溫度傳感器5的數據傳送至工控機，如果與 周期易發(fā)病極端環(huán)境數據比對擬合度連續(xù)五天達到85%，但在全局視覺傳感器沒有發(fā)現病 害的前提下，發(fā)出強預警信號，機器人巡航采集黃瓜植株信息，發(fā)現病情即進行施藥，否則， 施藥機器人復位。手動模式下，通過上位機手動控制模塊對移動底盤車7、機械臂各關節(jié)手動定位病 害壟，并手動控制噴嘴的開閉。該模式適用于對病害信息診斷系統(tǒng)識別范圍以外病害的噴 霧作業(yè)，實現手動控制機械臂進行噴霧，使系統(tǒng)應用范圍更加廣泛。
權利要求
溫室對靶施藥機器人系統(tǒng)，由病情診斷和預警系統(tǒng)、變量施藥系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構成，其特征在于，病情診斷和預警系統(tǒng)由全局視覺傳感器、局部視覺傳感器、溫濕度傳感器、照度傳感器和土壤溫度傳感器組成；全局視覺傳感器獲取植株冠層、苗床和壟地多目標信息，局部視覺傳感器檢測病灶發(fā)生部位和局部視野內病情等級等病蟲害圖像信息，環(huán)境傳感器采集氣溫、濕度、光照強度和地溫環(huán)境信息；病情診斷和預警系統(tǒng)獲取病害表征信息，并加以處理，得到病灶位置和病情程度等，據此控制變量施藥系統(tǒng)實現變量施藥；變量施藥系統(tǒng)包括移動底盤車、機械臂和變量噴嘴，移動底盤車懸掛于導軌上，實現整個機器人系統(tǒng)沿導軌啟停和變速行走；控制系統(tǒng)由上下位機構成，上位機工控機中的程序基于VC++編制，通過工控機RS232串口向PLC發(fā)送控制字節(jié)并接收來自PLC的各關節(jié)狀態(tài)字節(jié)；下位機PLC程序即梯形圖程序遵照功能模塊化的原則編寫，主程序采用子程序調用的形式執(zhí)行，將移動底盤車、各關節(jié)以及噴嘴的控制指令模塊化到相應的子程序中，程序在掃描過程中，根據控制指令調用相應的子程序完成任務；機器人系統(tǒng)控制模式為自動或手動模式。
2.根據權利要求1所述的溫室對靶施藥機器人系統(tǒng)，其特征在于，所述自動模式下，機 器人系統(tǒng)在導軌起點處等待上位機的指令；當PLC接收到上位機即病害信息診斷系統(tǒng)發(fā)送 的病害位置信息或啟動指令后，移動底盤車啟動并運行至病害作業(yè)壟，機械臂將噴桿下降 到預定義位置，同時PLC觸發(fā)安裝在直線導軌上的攝像頭對當前病害壟進行信息采集；上 位機將處理結果傳遞PLC，PLC在噴桿自左向右的運動過程中，當某個噴嘴進入病害發(fā)生范 圍內，控制該噴嘴開啟，否則關閉；噴嘴在一次掃描中需要對靶單個或多個單元進行作業(yè)， 實現單次或多次開閉控制，實現對靶噴霧。
3.根據權利要求1所述的溫室對靶施藥機器人系統(tǒng)，其特征在于，所述手動模式下，通 過上位機對移動底盤車、機械臂各關節(jié)手動定位病害壟，并手動控制噴嘴的開閉，該模式適 用于對病害信息診斷系統(tǒng)識別范圍以外病害的噴霧作業(yè)，實現手動控制機械臂。
全文摘要
本發(fā)明涉及農業(yè)施藥機器人系統(tǒng)，尤其是涉及一種用于溫室對靶施藥機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)由病情診斷和預警系統(tǒng)、變量施藥系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)構成，病情診斷和預警系統(tǒng)獲取病害表征信息，并加以處理，得到病灶位置和病情程度等，據此控制變量施藥系統(tǒng)實現變量施藥；變量施藥系統(tǒng)實現整個機器人系統(tǒng)沿導軌啟停和變速行走；控制系統(tǒng)控制機器人完成各種動作。所述對靶施藥機器人是利用機器視覺獲取病害信息，實現病情預警、判斷和病灶定位，控制機械臂和變量噴頭完成對靶噴霧作業(yè)，能針對植株和病害部位進行自動對靶變量施藥，能有效減少農藥浪費、提高農產品品質和減少對環(huán)境的污染。
文檔編號B05B13/04GK101947503SQ201010239778
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月28日 優(yōu)先權日2010年7月28日
發(fā)明者張俊雄, 曹崢勇, 李偉, 耿長興 申請人:中國農業(yè)大學