一种农业喷药机器人及控制方法

1.本发明涉及喷药机器人技术领域，具体为一种农业喷药机器人及控制方法。


背景技术：

2.传统的大棚和温室喷药作业大多采用人工背负沉重药箱的喷药方式，而该方式因工作人员与药物近距离接触,缺乏保护装置,在施药过程中易对人体造成伤害,每年因施药中毒案例频频发生，而滥用农药也给生态环境造成很大危害。
3.随着科学技术的发展,农业生产取得空前进步,农业机器人应用也得到推广和认可。我国作为农业大国，但农用机械技术应用相对落后,喷药类机械和技术应用尚未成熟,农业除草杀虫存在效率低、强度大、危害大、农药利用率低等问题。
4.为有效解决上述问题,需加大对喷药机器人的研究。因此,根据应用需求研发精准喷药机器人,需要根据杂草的高矮、位置、密度有效控制喷药剂量,减少农药的浪费,间接保护环境，符合现代化农业应用需求。
5.基于此，本发明设计了一种农业喷药机器人及控制方法，以解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种农业喷药机器人及控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种农业喷药机器人，包括由上层车架和下层车架组合成的车架体，车架体上安装有驱动部件，驱动部件包括左右旋转单轴舵机和上下旋转双轴舵机，左右旋转单轴舵机安装在旋转云台底部，并驱动旋转云台左右旋转；上下旋转双轴舵机固定在双轴舵机支架上，并驱动窄u型支架上下旋转；
8.上下旋转双轴舵机的驱动端连接金属舵盘,窄u型支架安装在金属舵盘上，窄u型支架一侧设有安装捕捉杂草画面的摄像头和喷洒农药的高压雾化喷头，储液箱安装在上层车架顶部后方，下层车架上安装的药液泵分别与储液箱以及高压雾化喷头通过管道进行连接。
9.优选的，所述下层车架底面四周通过分别安装电机固定座，每个电机固定座上安装驱动电机，驱动电机通过联轴器连接驱动四组麦克纳母轮。
10.优选的，所述上层车架和下层车架之间通过四角处的铝型材连接，铝型材与下层车架通过角码支架连接固定。
11.优选的，所述下层车架的侧前方和两侧中部通过光电开关支架分别安装四个光电开关。
12.优选的，所述金属舵盘最外端通过螺钉固定窄u型支架开口端两侧，窄u型支架的闭口端表面通过螺钉固定连接l型连接件，摄像头和高压雾化喷头安装在l型连接件上。
13.优选的，所述旋转云台上安装长u型支架，长u型支架开口端和短u型支架开口端垂直连接，长u型支架闭口端与旋转云台表面转盘通过螺钉固定，短u型支架闭口端与双轴舵
机支架连接。
14.优选的，所述旋转云台通过六角铜柱固定在上层车架顶部。
15.优选的，所述长u型支架、短u型支架和窄u型支架均为u型开口的框架结构。
16.优选的，所述上层车架顶部中心处开有圆形窗口。
17.一种农业喷药机器人的控制方法：
18.s1、摄像头用于实时获取图像，并对获取到的图像进行背景分离，通过特征提取获取杂草图像，以此判断杂草位置和疏密程度；
19.1)当出现符合标准的杂草色块时，将图像分割成5行5列大小相同的25个子区域，顺序搜索图像中每一个像素点，如果当前像素rgb值中g》r并且g》b，则将该像素值置1，否则为0，从而完成图像分割；
20.2)设定每个子区域杂草面积阈值为a，而每个子区域“1”的数目k为该区域杂草面积，当k＞a时认为该子区域有杂草，则将此区域视为杂草区域，同时将此区域状态设置为1，否则为0；
21.3)提取各个杂草区域的中心点坐标(x[i]，y[i])，并计算x[i]、y[i]的平均值作为喷药位置坐标(r，w)，同时统计杂草区域的数目m，作为控制喷药量大小的输入参量，输出喷药位置坐标(r，w)和杂草区域的数目m到上位机；
[0022]
s2、采用摄像头模块对环境进行拍摄，利用摄像头的算法设计判别是否识别到杂草，如果没有识别到杂草，喷药机器人继续移动，直至识别到杂草图像，通过光电开关检测距离使喷药机器人移动到最合适的喷药位置，上位机根据摄像头传来的喷药位置坐标和杂草区域的数目，设置好喷药量的大小并控制喷药执行机构移动至指定喷药位置，完成喷药动作。
[0023]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过设置左右旋转单轴舵机、旋转云台和上下旋转双轴舵机，能够实现喷药机器人的全方位灵活运动，使得两个摄像头和高压雾化喷头的相互配合能够精准、高效的实现大棚和温室的喷药作业，进一步提高农业生产的效率；
[0024]
通过设置麦克纳母轮，可以实现机器人的全向运动，且通过光电开关辅助机器人在复杂路况下的行走。
[0025]
喷药机器人通过摄像头捕捉画面，并进行图像处理，通过对杂草多少与植物虫害程度的判断，来计算出喷药的多少和最合适的喷药位置坐标，避免喷药过度和偏差对环境造成污染。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]
图1为喷药机器人的整体结构示意图。
[0028]
图2为喷药机器人的侧视结构示意图。
[0029]
图3为喷药机器人的俯视结构示意图。
[0030]
图4为喷药机器人的底面结构示意图。
[0031]
图5为喷药机器人的前视结构示意图。
[0032]
图6为喷药机器人的轴侧结构示意图。
[0033]
图7为喷药机器人的摄像头模块图像处理流程图。
[0034]
图8为喷药机器人的喷药过程控制流程图。
[0035]
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0036]
1.l型连接件，2.摄像头，3.高压雾化喷头，4.长u型支架，5.圆型窗口，6.蓄电池7.稳压器，8.上层车架，9.光电开关支架，10.光电开关，11.铝型材，12.角码支架，13.驱动电机，14.麦克纳母轮，15.下层车架，16.电机固定座，17.联轴器，18.药液泵，19.左右旋转单轴舵机，20.六角铜柱，21.旋转云台，22.储液箱，23.短u型支架，24.双轴舵机支架，25.上下旋转双轴舵机，26.金属舵盘，27.窄u型支架。
具体实施方式
[0037]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038]
请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种农业喷药机器人，包括由上层车架8和下层车架15组合成的车架体，上层车架8和下层车架15之间通过四角处的铝型材11连接，铝型材11与下层车架15通过角码支架12连接固定，上层车架8顶部中心处开有圆形窗口5。
[0039]
车架体上安装有驱动部件，驱动部件包括左右旋转单轴舵机19和上下旋转双轴舵机25，左右旋转单轴舵机19安装在旋转云台21底部，并驱动旋转云台21左右旋转；旋转云台21通过六角铜柱20固定在上层车架8顶部。
[0040]
上下旋转双轴舵机25固定在双轴舵机支架24上，并驱动窄u型支架27上下旋转；旋转云台21上安装长u型支架4，长u型支架4开口端和短u型支架23开口端垂直连接，长u型支架4闭口端与旋转云台21表面转盘通过螺钉固定，短u型支架23闭口端与双轴舵机支架24连接。
[0041]
上下旋转双轴舵机25的驱动端连接金属舵盘26,窄u型支架27安装在金属舵盘26上，金属舵盘26最外端通过螺钉固定窄u型支架27开口端两侧，窄u型支架27的闭口端表面通过螺钉固定连接l型连接件1，摄像头2和高压雾化喷头3安装在l型连接件1上。长u型支架4、短u型支架23和窄u型支架27均为u型开口的框架结构。
[0042]
窄u型支架27一侧设有安装捕捉杂草画面的摄像头2和喷洒农药的高压雾化喷头3，储液箱22安装在上层车架8顶部后方，下层车架15上安装的药液泵18分别与储液箱22以及高压雾化喷头3通过管道进行连接。
[0043]
下层车架15底面四周通过分别安装电机固定座16，每个电机固定座16上安装驱动电机13，驱动电机13通过联轴器17连接驱动四组麦克纳母轮14。下层车架15的侧前方和两侧中部通过光电开关支架9分别安装四个光电开关10。
[0044]
本发明中在结构配合关系上：左右旋转单轴舵机19与上下旋转双轴舵机25分别与旋转云台21和双轴舵机支架24固定，为旋转云台21和l型连接件1的转动提供扭力。上下旋
转双轴舵机25靠近上侧左右两端内部均设置有金属舵盘26,两个金属舵盘26的最外端分别设置在上下旋转双轴舵机25的左右两端外壁外部，窄u型支架27开口端两侧与两个金属舵盘26最外端通过螺钉固定。l型连接件1底面中部安装高压雾化喷头3，垂直面中上部安装摄像头2并通过背面的螺栓固定。左右旋转单轴舵机19、旋转云台21、长u型支架4、短u型支架23、上下旋转双轴舵机25和双轴舵机支架24之间通过嵌置等配合关系组成喷药执行机构，并由左右旋转单轴舵机19提供扭力使喷药执行机构绕旋转云台21轴心转动。上下旋转双轴舵机25、窄u型支架27、金属舵盘26和l型连接件1连接配合，窄u型支架27开口端两端通过金属舵盘26与上下旋转双轴舵机25输出轴连接，闭口端与l型连接件1通过螺栓配合连接，使得窄u型支架27能够在上下旋转双轴舵机25的扭力驱动下转动从而带动高压雾化喷头3和摄像头2上下转动。麦克纳母轮14和驱动电机13通过电机固定座16分别固定在下层车架15下表面面四周，麦克纳母轮14、驱动电机13和电机固定座16配合：驱动电机13通过电机固定座16与下层车架15底面用螺栓固定，麦克纳母轮14和驱动电机13输出轴通过联轴器17连接，通过驱动电机13驱动麦克纳母轮14转动，为机器人运动提供动力。
[0045]
本发明中在运动方式上：l型连接件1固定后上下旋转双轴舵机25驱动窄u型支架27旋转，可使机器人喷药执行机构前端l型连接件1上下旋转从而带动摄像头2和高压雾化喷头3上下转动。左右旋转单轴舵机19驱动旋转云台21旋转，可使机器人喷药执行机构以旋转云台21为轴心左右旋转。光电开关10固定在下层车架15的侧前方和两侧中部以辅助机器人在复杂路况下的行走。由驱动电机13驱动麦克纳母轮14绕着轮毂轴线转动，使其可以连续向前或向后滚动，通过四个麦克纳母轮14运动方式的配合，实现机器人的全向运动。通过摄像头2捕捉画面并进行图像处理,实现对杂草多少与植物虫害程度的判断来计算出喷药的多少和最合适的喷药位置坐标,避免喷药过度和偏差对环境造成污染。储液箱22、药液泵18和高压雾化喷头3通过管道连接，两个高压雾化喷头3分别位于两个喷药执行机构l型连接件1上，通过摄像头2识别传回来的信息调整窄u型支架27进而调整高压雾化喷头3喷射角度。蓄电池6安装在上层车架8上表面前部,采用锂电池,具有质量轻、储电量大、使用寿命长的优点,并通过稳压器7为整个设备的电器单元提供持久的电力能源。
[0046]
在本发明中，还提出了一种农业喷药机器人的控制方法：
[0047]
s1、摄像头用于实时获取图像，并对获取到的图像进行背景分离，通过特征提取获取杂草图像，以此判断杂草位置和疏密程度；
[0048]
1)当出现符合标准的杂草色块时，将图像分割成5行5列大小相同的25个子区域，顺序搜索图像中每一个像素点，如果当前像素rgb值中g》r并且g》b，则将该像素值置1，否则为0，从而完成图像分割；
[0049]
2)设定每个子区域杂草面积阈值为a，而每个子区域“1”的数目k为该区域杂草面积，当k＞a时认为该子区域有杂草，则将此区域视为杂草区域，同时将此区域状态设置为1，否则为0；
[0050]
3)提取各个杂草区域的中心点坐标(x[i]，y[i])，并计算x[i]、y[i]的平均值作为喷药位置坐标(r，w)，同时统计杂草区域的数目m，作为控制喷药量大小的输入参量，输出喷药位置坐标(r，w)和杂草区域的数目m到上位机；
[0051]
s2、采用摄像头模块对环境进行拍摄，利用摄像头的算法设计判别是否识别到杂草，如果没有识别到杂草，喷药机器人继续移动，直至识别到杂草图像，通过光电开关检测
距离使喷药机器人移动到最合适的喷药位置，上位机根据摄像头传来的喷药位置坐标和杂草区域的数目，设置好喷药量的大小并控制喷药执行机构移动至指定喷药位置，完成喷药动作。
[0052]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0053]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：
1.一种农业喷药机器人，其特征在于：包括由上层车架(8)和下层车架(15)组合成的车架体，车架体上安装有驱动部件，驱动部件包括左右旋转单轴舵机(19)和上下旋转双轴舵机(25)，左右旋转单轴舵机(19)安装在旋转云台(21)底部，并驱动旋转云台(21)左右旋转；上下旋转双轴舵机(25)固定在双轴舵机支架(24)上，并驱动窄u型支架(27)上下旋转；上下旋转双轴舵机(25)的驱动端连接金属舵盘(26),窄u型支架(27)安装在金属舵盘(26)上，窄u型支架(27)一侧设有安装捕捉杂草画面的摄像头(2)和喷洒农药的高压雾化喷头(3)，储液箱(22)安装在上层车架(8)顶部后方，下层车架(15)上安装的药液泵(18)分别与储液箱(22)以及高压雾化喷头(3)通过管道进行连接。2.根据权利要求1所述的一种农业喷药机器人，其特征在于：所述下层车架(15)底面四周通过分别安装电机固定座(16)，每个电机固定座(16)上安装驱动电机(13)，驱动电机(13)通过联轴器(17)连接驱动四组麦克纳母轮(14)。3.根据权利要求1所述的一种农业喷药机器人，其特征在于：所述上层车架(8)和下层车架(15)之间通过四角处的铝型材(11)连接，铝型材(11)与下层车架(15)通过角码支架(12)连接固定。4.根据权利要求1所述的一种农业喷药机器人，其特征在于：所述下层车架(15)的侧前方和两侧中部通过光电开关支架(9)分别安装四个光电开关(10)。5.根据权利要求1所述的一种农业喷药机器人，其特征在于：所述金属舵盘(26)最外端通过螺钉固定窄u型支架(27)开口端两侧，窄u型支架(27)的闭口端表面通过螺钉固定连接l型连接件(1)，摄像头(2)和高压雾化喷头(3)安装在l型连接件(1)上。6.根据权利要求1所述的一种农业喷药机器人，其特征在于：所述旋转云台(21)上安装长u型支架(4)，长u型支架(4)开口端和短u型支架(23)开口端垂直连接，长u型支架(4)闭口端与旋转云台(21)表面转盘通过螺钉固定，短u型支架(23)闭口端与双轴舵机支架(24)连接。7.根据权利要求1所述的一种农业喷药机器人，其特征在于：所述旋转云台(21)通过六角铜柱(20)固定在上层车架(8)顶部。8.根据权利要求6所述的一种农业喷药机器人，其特征在于：所述长u型支架(4)、短u型支架(23)和窄u型支架(27)均为u型开口的框架结构。9.根据权利要求1所述的一种农业喷药机器人，其特征在于：所述上层车架(8)顶部中心处开有圆形窗口(5)。10.一种如权利要求1-9任一所述的农业喷药机器人的控制方法，其特征在于：s1、摄像头用于实时获取图像，并对获取到的图像进行背景分离，通过特征提取获取杂草图像，以此判断杂草位置和疏密程度；1)当出现符合标准的杂草色块时，将图像分割成5行5列大小相同的25个子区域，顺序搜索图像中每一个像素点，如果当前像素rgb值中g>r并且g>b，则将该像素值置1，否则为0，从而完成图像分割；2)设定每个子区域杂草面积阈值为a，而每个子区域“1”的数目k为该区域杂草面积，当k＞a时认为该子区域有杂草，则将此区域视为杂草区域，同时将此区域状态设置为1，否则为0；3)提取各个杂草区域的中心点坐标(x[i]，y[i])，并计算x[i]、y[i]的平均值作为喷药
位置坐标(r，w)，同时统计杂草区域的数目m，作为控制喷药量大小的输入参量，输出喷药位置坐标(r，w)和杂草区域的数目m到上位机；s2、采用摄像头模块对环境进行拍摄，利用摄像头的算法设计判别是否识别到杂草，如果没有识别到杂草，喷药机器人继续移动，直至识别到杂草图像，通过光电开关检测距离使喷药机器人移动到最合适的喷药位置，上位机根据摄像头传来的喷药位置坐标和杂草区域的数目，设置好喷药量的大小并控制喷药执行机构移动至指定喷药位置，完成喷药动作。

技术总结
本发明公开了喷药机器人技术领域的一种农业喷药机器人及控制方法，一种农业喷药机器人，包括由上层车架和下层车架组合成的车架体，车架体上安装有驱动部件，驱动部件包括左右旋转单轴舵机和上下旋转双轴舵机，左右旋转单轴舵机安装在旋转云台底部，并驱动旋转云台左右旋转；上下旋转双轴舵机固定在双轴舵机支架上，并驱动窄U型支架上下旋转,本发明通过设置左右旋转单轴舵机、旋转云台和上下旋转双轴舵机，能够实现喷药机器人的全方位灵活运动，使得两个摄像头和高压雾化喷头的相互配合能够精准、高效的实现大棚和温室的喷药作业，进一步提高农业生产的效率。一步提高农业生产的效率。一步提高农业生产的效率。


技术研发人员：姜盛宝 王梦真 杨薏 丁恩崇 毛丽民
受保护的技术使用者：常熟理工学院
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/8/13