一种温室用单轨植保机器人及其控制方法与流程

本发明涉及一种温室用单轨植保机器人及其控制方法，属于设施农业机器人技术领域。技术背景我国设施蔬菜生产面积世界第一，逐渐呈现出区域化、规模化发展趋势。设施蔬菜多以反季节蔬菜为主，具有产量高、效益好等优点。日光温室内存在环境高温高湿、土壤连作、土传病害等问题，极易引发病虫害，严重影响到蔬菜产量和品质，因此温室内每季病虫害防治任务繁重。目前，国内设施蔬菜病虫害防治机械与发达国家还有较大差距，存在着很多不足和缺陷：①防治设备陈旧老化，以人工作业为主，劳动强度大，作业效率低，“跑、冒、滴、漏”现象造成严重污染；②设施蔬菜多样化种植模式下，现有植保机械自动化程度低，喷雾模式设计不合理，不能实现精准喷雾，病虫害防治效果差，药液覆盖密度不均匀，农药有效利用率仅20％～30％；③现有设备自动化、智能化程度低，由于操作人员控制喷雾方向，喷雾过程中农药和人体未完全隔离，因此在温室密闭环境下对操作人员人身伤害大，易出现中毒现象。使用智能化的喷雾机械，实现精细化喷雾作业，已成为农药增效减施的重要手段之一。在日光温室内采用植保机器人技术进行喷雾作业，依据植株分布位置、枝叶分布密度和冠层轮廓等生长信息或者病虫草害位置信息等进行精准喷雾作业，从而减少药液使用量、减少药液漂移、保护劳动者身体健康、保护环境、实现可持续农业生产。因此迫切需要发明一种结构轻便、适应性高、智能化程度高、工作效率高的温室植保机器人，实现温室内高效自主喷雾，适应于不同时期不同植株的精准喷雾，日光温室内精确定位并进行喷雾工作的目的，提高温室植保机器人通用性，减少劳动力的工作量，提高生产过程人身安全，提高工作效率具有重大的经济和社会意义。

技术实现要素：
本发明针对现有温室施药机械药液沉积均匀性差、智能化程度低、作业效率低、缺乏植保机器人的问题而发明的一种温室用单轨植保机器人及其控制方法，具有精确控制植保机器人作业运动，并针对蔬菜的不同种植模式和不同生长期，改变其相应的喷雾作业模式，实现全自动精量喷雾功能。本发明采用的技术方案：一种温室用单轨植保机器人，包括导向轨道、驱动系统、喷雾系统、喷雾姿态调整系统、控制系统和供电电源。所述的导向轨道用于支撑驱动系统并实现驱动系统的导向和辅助定位功能；所述的驱动系统用于支撑喷雾系统、喷雾姿态调整系统和控制系统沿单轨轨道前进、后退和停止；所述的喷雾系统用于对作物进行喷雾作业；所述的控制系统用于植保机器人的温室内精确定位、给出植保机器人运动和停止的控制信号、控制喷雾系统调整喷雾姿态以及改变喷雾模式；所述的供电电源用于为喷雾系统、喷雾姿态调整系统、驱动系统和控制系统提供能源。所述的导向轨道是通过多段角铁和多个固定定位锚组成的单轨轨道。所述的角铁选用等边角铁，通过组合角铁形成直线型单轨轨道。所述的固定定位锚由中间固定定位锚、角铁联接定位锚和端部固定定位锚组成；所述的中间固定定位锚是通过角铁两边下缘沿垂直于角铁长度方向将角铁固定锚片上，进而通过两侧锚片固定在温室地面上；所述的角铁联接定位锚是通过角铁两边下缘将两段角铁沿垂直于角铁长度方向将角铁固定锚片上，进而通过两侧锚片固定在温室地面上；所述的端部固定定位锚是通过角铁两边下缘和端部在角铁长度方向和垂直于长度方向将角铁固定锚片上，进而通过两侧锚片固定在温室地面上。所述的驱动系统包括底盘、驱动轮、行走电机、差速桥、鼓式制动器、继电器开关、U型螺栓和随动导向轮装置。所述的底盘分上下两层用于固定和支撑喷雾系统、喷雾姿态调整系统和控制系统；所述的差速桥为鼓式制动差速桥，通过U型螺栓固定在底盘下层底部的中间位置，差速桥两端分别安装有鼓式制动器；所述的鼓式制动器两端的外壳上分别安装有驱动轮；所述的行走电机固定在差速桥中央；所述的继电器开关固定在底盘下层底部，控制鼓式制动器紧急制动；所述的随动导向轮装置为两个并分别布置在底盘前后部，随动导向轮装置由导向轮、固定架、连接螺栓、锁紧螺母、减震弹簧、滚珠轴承和固定轴组成；所述的固定架为两个并通过连接螺栓和锁紧螺母分别固定在底盘下部前后两端的支撑管下方；所述的支撑管内部安装有减震弹簧，支撑管的上下两端分别安装有滚珠轴承；所述的滚珠轴承为两个并固定在连接螺栓上；所述的固定轴安装在固定架内，固定轴下端安装有导向轮。所述的导向轮设有三角形内凹结构，依靠自重压在导向轨道上。所述的喷雾系统包括风筒、风机、药液输送管、喷雾管、电动隔膜泵、高压静电发生器、静电喷头和药箱。所述的风筒后端安装有风机，风筒外侧固定有喷雾管，风筒前端外沿上安装有静电喷头；所述的喷雾管两端分别连接药液输送管和静电喷头；所述的高压静电发生器的静电发生端连接静电喷头的高压电极。电动隔膜泵和高压静电发生器的电源端接入蓄电池。所述的药箱固定在底盘上，药箱出液口接入电动隔膜泵的进液口，电动隔膜泵的出液口通过药液输送管连接至风筒外侧的喷雾管接口。所述的姿态调整系统包括支撑悬架、转动轴、轴承座、俯仰电机、链传动总成、电机固定架、回转支撑平台、回转电机和支撑座。所述的支撑悬架下部通过螺栓固定在回转支撑平台上，上部通过两个转动轴与风筒连接；所述的转动轴一端固定在风筒外侧，另一端套接在轴承座内；所述的电机固定架用螺钉固定在支撑悬架横梁一侧；所述的俯仰电机固定在电机固定架上；所述的链传动总成连接俯仰电机和风筒一侧的转动轴，传递动力以调整风筒俯仰角度；所述的回转支撑平台固定在支撑座的前部，并固定支撑悬架；所述的回转电机固定连接到回转支撑平台，驱动回转支撑平台绕铅垂轴转动；所述的支撑座插装在底盘上层的固定槽内。所述的控制系统包括控制箱、无线路由器、行走控制系统和喷雾作业控制系统。所述的行走控制系统包括STM32主控制器、Wi-Fi模块、行走电机控制器、超声波传感器、接近开关、光电编码器、警示灯、支架、平板电脑或掌上电脑；所述的控制箱固定安装在底盘内部，用于放置STM32主控制器、Wi-Fi模块、俯仰电机控制器、回转电机控制器、行走电机控制器、轴流风机变频器和电动隔膜泵控制器；无线路由器固定在温室后墙上；所述的行走电机控制器接收STM32主控制器PWM信号控制行走电机的启动、停止和运转速度；所述的两个超声波传感器分别固定在底盘前后沿两侧，超声波传感器串接到STM32主控制器的模拟量信号输入接口，检测植保机器人行进前方是否有障碍信号，若有障碍时，STM32主控制器输出高电平将警示灯打开；所述的两个接近开关分别安装在底盘左右两侧对应于固定定位锚的锚片位置，接近开关串接到STM32主控制器上，用于检测固定定位锚锚片的金属信号；所述的两个光电编码器分别安装在两个驱动轮轮毂内侧，光电编码器串接到STM32主控制器上，用于确定驱动轮的转动角度，进而计算植保机器人的当前位置；所述的警示灯和平板电脑布置在底盘前端的支架上；所述的Wi-Fi模块串接到STM32主控制器，与无线路由器进行通讯，实现与平板电脑和掌上电脑的信号收发功能；所述的喷雾作业控制系统固定在喷雾装置内，与行走控制系统构成主从式结构，两者之间采用RS-485总线进行通讯，实现喷雾装置的即插即用；所述的喷雾作业控制系统包括STM32从控制器、俯仰电机控制器、回转电机控制器、轴流风机变频器、电动隔膜泵控制器；所述的俯仰电机控制器连接到STM32从控制器上，STM32从控制器输出PWM信号控制俯仰电机动作；所述的回转电机控制器连接到STM32从控制器上，STM32从控制器输出PWM信号控制回转电机动作；所述的轴流风机变频器连接到STM32从控制器上，STM32从控制器输出的模拟量信号调节轴流风机转速；所述的电动隔膜泵控制器连接到STM32从控制器上，STM32从控制器输出模拟量信号调节电动隔膜泵的输出流量。所述的供电电源包括蓄电池和交流电源；所述的蓄电池固定在底盘内部，用于为驱动系统和控制系统提供能源；所述的交流电源用于为风机提供能源。本发明还提供了一种温室用单轨植保机器人的控制方法，包括如下步骤：1)精确室内定位：植保机器人在轨运动过程中，接近开关一直检测轨道两侧固定定位锚的金属锚片信号，将检测到的信号发送到STM32主控制器进行处理并记录检测到的信号数n；当植保机器人正向行走时，一侧接近开关检测金属锚片信号的上升沿，反向行走时检测金属锚片信号的下降沿。此时，STM32主控制器记录光电编码器的旋转角度作为植保机器人的当前位置，再利用光电编码器记录植保机器人行走产生的脉冲增量，以获得角位移θ，从而可得植保机器人在单位时间内行走的距离，计算出植保机器人的当前位置的坐标X：式中，r为驱动轮半径，L为固定定位锚的间距；STM32主控制器将该坐标通过Wi-Fi模块与平板电脑或掌上电脑通信，标示在平板电脑或掌上电脑显示的温室平面电子地图上。2)植保机器人运动控制：在植保机器人在轨运动过程中，通过STM32主控制器控制行走电机转速调节植保机器人行进速度；当接受到平板电脑或掌上电脑发来的作业指令时，由STM32主控制器控制植保机器人的行走电机运动到植保作业起始位置，并进入喷雾作业控制，直至完成喷雾作业。当两侧接近开关同时检测到金属锚片信号时，也即植保机器人行驶至轨道起始点，STM32主控制器控制行走电机停止，并通过继电器开关启动鼓式制动器工作；当超声波传感器检测到障碍物信号并将其传递到STM32主控制器，STM32主控制器控制植保机器人减速至停止，并同时发出报警信号，直至处理完障碍物后，超声波传感器检测不到障碍物信号后，STM32主控制器控制植保机器人继续喷雾作业。3)喷雾模式控制：植保机器人喷雾作业过程中，通过STM32从控制器控制电动隔膜泵调节泵出的药液流量、控制轴流风机转速，得到不同的喷药量和风速形成的雾化效果喷施在不同的种植作物上；通过STM32从控制器控制俯仰电机正反转可实现风筒俯仰角在-60°至90°范围内调节，同时STM32从控制器控制回转支撑平台的电机转动带动喷雾系统360°旋转；最终通过控制风筒喷雾姿态和雾化效果实现不同作物种植类型和不同生长期的植株形态精确对靶喷雾。4)喷雾作业控制：STM32主控制器通过比较经由精确室内定位得到的当前位置与平板电脑或掌上电脑显示传送过来的目标作业位置相比较，若未达到目标作业位置，则STM32主控制器控制植保机器人的行走电机开始运动，同时STM32主控制器将喷雾作业模式、当前位置信息等数据，经RS-485总线发送给STM32从控制器，STM32从控制器依照喷雾作业模式控制植保机器人进行作业，直至到达目标作业位置，完成喷雾作业。本发明的有益效果：1)本发明在工作过程中通过接近开关检测固定定位锚实现绝对位置粗定位和光电编码器检测行走距离实现相对位置精定位，并通过电子地图实时显示植保机器人的位置坐标，实现植保机器人在日光温室内的精确定位。2)本发明喷雾系统的风送速度、喷雾流量和喷雾姿态在线可调，针对不同作物植株的种植模式和不同生长期植株的形态和枝叶密度，采用不同的喷雾模式，定点对靶施药，实现精量喷雾，沉积均匀，防治效果好。3)本发明采用菱形底盘布局，整体搭载喷雾系统，沿单轨运动，植保机器人结构紧凑、投入成本低、体积小，节约温室占用面积。4)本发明采用智能反馈控制，安全性能好、自动化程度高、工作效率高、节省劳动力。附图说明图1为本发明一种基于温室内单轨作业植保机器人的结构示意图；图2为植保机器人的主视图；图3为植保机器人的左视图；图4为植保机器人的仰视图；图5为植保机器人喷雾系统的主视图；图6为植保机器人喷雾系统的左视图；图7为植保机器人控制系统的结构图；图8为导向轨道的结构示意图；图中：1、风筒2、喷雾管3、平板电脑4、导向轮5、底盘6、驱动轮7、蓄电池8、支撑座9、支架10、固定架11、控制箱12、滚珠轴承13、轴承座14、接近开关15、连接螺栓16、超声波传感器17、警示灯18、U型螺栓19、差速桥20、鼓式制动器21、继电器开关22、行走电机23、药液输送管24、支撑悬架25、链传动总成26、静电喷头27、转动轴28、俯仰电机29、回转支撑平台30、风机31、药箱32、导向轨道33、中间固定定位锚34、角铁联接定位锚35、端部固定定位锚具体实施方式下面结合附图对本发明专利进行进一步的说明。本发明所述一种基于温室内单轨作业植保机器人，如图1、2、3、4、5、6、7、8所示。一种基于温室内单轨作业植保机器人包括导向轨道32、驱动系统、喷雾系统、喷雾姿态调整系统、控制系统和供电电源。所述的导向轨道32用于支撑驱动系统并实现驱动系统的导向和辅助定位功能；所述的驱动系统用于支撑喷雾系统、喷雾姿态调整系统和控制系统沿单轨轨道前进、后退和停止；所述的喷雾系统用于对作物进行喷雾作业；所述的控制系统用于植保机器人的温室内精确定位、给出植保机器人运动和停止的控制信号、控制喷雾系统调整喷雾姿态以及改变喷雾模式；所述的供电电源用于为喷雾系统、喷雾姿态调整系统、驱动系统和控制系统提供能源。所述的导向轨道32是通过多段角铁和多个固定定位锚组成的单轨轨道。所述的角铁选用等边角铁，通过组合角铁形成直线型单轨轨道。所述的固定定位锚由中间固定定位锚33、角铁联接定位锚34和端部固定定位锚35组成；所述的中间固定定位锚33是通过角铁两边下缘沿垂直于角铁长度方向将角铁固定锚片上，进而通过两侧锚片固定在温室地面上；所述的角铁联接定位锚34是通过角铁两边下缘将两段角铁沿垂直于角铁长度方向将角铁固定锚片上，进而通过两侧锚片固定在温室地面上；所述的端部固定定位锚35是通过角铁两边下缘和端部在角铁长度方向和垂直于长度方向将角铁固定锚片上，进而通过两侧锚片固定在温室地面上。所述的驱动系统包括底盘5、驱动轮6、行走电机22、差速桥19、鼓式制动器20、继电器开关21、U型螺栓18和随动导向轮装置。所述的底盘5分上下两层用于固定和支撑喷雾系统、喷雾姿态调整系统和控制系统；所述的差速桥19为鼓式制动差速桥，通过U型螺栓18固定在底盘5下层底部的中间位置，差速桥19两端分别安装有鼓式制动器20；所述的鼓式制动器20两端的外壳上分别安装有驱动轮6；所述的行走电机22固定在差速桥19中央；所述的继电器开关21固定在底盘5下层底部，控制鼓式制动器20紧急制动；所述的两个随动导向轮装置分别布置在底盘5前后部，随动导向轮装置由导向轮4、固定架10、连接螺栓15、锁紧螺母、减震弹簧、滚珠轴承12和固定轴组成；所述的固定架10两个通过连接螺栓15和锁紧螺母分别固定在底盘5下部前后两端的支撑管下方；所述的支撑管内部安装有减震弹簧，支撑管的上下两端分别安装有滚珠轴承12；所述的滚珠轴承12两个固定在连接螺栓15上；所述的固定轴安装在固定架10内，固定轴下端安装有导向轮4。所述的导向轮4设计有三角形内凹结构，依靠自重压在导向轨道32上。所述的喷雾系统包括风筒1、风机30、药液输送管23、喷雾管2、电动隔膜泵、高压静电发生器、静电喷头26和药箱31。所述的风筒1后端安装有风机30，风筒1外侧固定有喷雾管2，风筒1前端外沿上安装有静电喷头26；所述的喷雾管2两端分别连接药液输送管23和静电喷头26；所述的高压静电发生器的静电发生端接静电喷头26的高压电极。电动隔膜泵和高压静电发生器的电源端接入蓄电池7。所述的药箱31固定在底盘5上，药箱31出液口接入电动隔膜泵的进液口，电动隔膜泵的出液口通过药液输送管23连接至风筒1外侧的喷雾管2接口。所述的姿态调整系统包括支撑悬架24、转动轴27、轴承座13、俯仰电机28、链传动总成25、电机固定架、回转支撑平台29、回转电机和支撑座8。所述的支撑悬架24下部通过螺栓固定在回转支撑平台29上，上部通过两个转动轴27与风筒1连接；所述的转动轴27一端固定在风筒1外侧，另一端套接在轴承座13内；所述的电机固定架用螺钉固定在支撑悬架24横梁一侧；所述的俯仰电机28固定在电机固定架上；所述的链传动总成25连接俯仰电机28和风筒1一侧的转动轴27，传递动力以调整风筒1俯仰角度；所述的回转支撑平台29固定在支撑座8的前部，并固定支撑悬架24；所述的回转电机固定连接到回转支撑平台29，驱动回转支撑平台29绕铅垂轴转动；所述的支撑座8插装在底盘5上层的固定槽内。所述的控制系统包括控制箱11、无线路由器、行走控制系统和喷雾作业控制系统。所述的行走控制系统包括STM32主控制器、Wi-Fi模块、行走电机22控制器、超声波传感器16、接近开关14、光电编码器、警示灯17、支架9、平板电脑3或掌上电脑；所述的控制箱11固定安装在底盘5内部，用于放置STM32主控制器、Wi-Fi模块、俯仰电机28控制器、回转电机控制器、行走电机22控制器、轴流风机30变频器和电动隔膜泵控制器；所述的无线路由器固定在温室后墙上；所述的行走电机22控制器接收STM32主控制器PWM信号控制行走电机22的启动、停止和运转速度；所述的两个超声波传感器16分别固定在底盘5前后沿两侧，超声波传感器16串接到STM32主控制器的模拟量信号输入接口，检测植保机器人行进前方是否有障碍信号，若有障碍时，STM32主控制器输出高电平将警示灯17打开；所述的两个接近开关14分别安装在底盘5左右两侧对应于固定定位锚的锚片位置，接近开关14串接到STM32主控制器上，用于检测固定定位锚锚片的金属信号；所述的两个光电编码器分别安装在两个驱动轮6轮毂内侧，光电编码器串接到STM32主控制器上，用于确定驱动轮6的转动角度，进而计算植保机器人的当前位置；所述的警示灯17和平板电脑3布置在底盘5前端的支架9上；所述的Wi-Fi模块串接到STM32主控制器，与无线路由器进行通讯，实现与平板电脑3和掌上电脑的信号收发功能；所述的喷雾作业控制系统固定在喷雾装置内，与行走控制系统构成主从式结构，两者之间采用RS-485总线进行通讯，实现喷雾装置的即插即用；所述的喷雾作业控制系统包括STM32从控制器、俯仰电机控制器、回转电机控制器、轴流风机变频器、电动隔膜泵控制器；所述的俯仰电机28控制器连接到STM32从控制器上，STM32从控制器输出PWM信号控制俯仰电机28动作；所述的回转电机控制器连接到STM32从控制器上，STM32从控制器输出PWM信号控制回转电机动作；所述的轴流风机变频器连接到STM32从控制器上，STM32从控制器输出的模拟量信号调节轴流风机30转速；所述的电动隔膜泵控制器连接到STM32从控制器上，STM32从控制器输出模拟量信号调节电动隔膜泵的输出流量。所述的供电电源包括蓄电池7和交流电源；所述的蓄电池7固定在底盘5内部，用于为驱动系统和控制系统提供能源；所述的交流电源用于为风机30提供能源。一种温室用单轨植保机器人的控制方法，包括如下步骤：1)精确室内定位：植保机器人在轨运动过程中，接近开关14一直检测轨道两侧固定定位锚的金属锚片信号，将检测到的信号发送到STM32主控制器进行处理并记录检测到的信号数n；当植保机器人正向行走时，一侧接近开关14检测金属锚片信号的上升沿，反向行走时检测金属锚片信号的下降沿。此时，STM32主控制器记录光电编码器的旋转角度作为植保机器人的当前位置，再利用光电编码器记录植保机器人行走产生的脉冲增量，以获得角位移θ，从而可得植保机器人在单位时间内行走的距离，计算出植保机器人的当前位置的坐标X：式中，r为驱动轮6半径，L为固定定位锚的间距；STM32主控制器将该坐标通过Wi-Fi模块与平板电脑3或掌上电脑通信，标示在平板电脑3或掌上电脑显示的温室平面电子地图上。2)植保机器人运动控制：在植保机器人在轨运动过程中，通过STM32主控制器控制行走电机22转速调节植保机器人行进速度；当接受到平板电脑3或掌上电脑发来的作业指令时，由STM32主控制器控制植保机器人的行走电机22运动到植保作业起始位置，并进入喷雾作业控制，直至完成喷雾作业。当两侧接近开关14同时检测到金属锚片信号时，也即植保机器人行驶至轨道起始点，STM32主控制器控制行走电机22停止，并通过继电器开关启动鼓式制动器20工作；当超声波传感器16检测到障碍物信号并将其传递到STM32主控制器，STM32主控制器控制植保机器人减速至停止，并同时发出报警信号，直至处理完障碍物后，超声波传感器16检测不到障碍物信号后，STM32主控制器控制植保机器人继续喷雾作业。3)喷雾模式控制：植保机器人喷雾作业过程中，通过STM32从控制器控制电动隔膜泵调节泵出的药液流量、控制轴流风机30转速，得到不同的喷药量和风速形成的雾化效果喷施在不同的种植作物上；通过STM32从控制器控制俯仰电机28正反转可实现风筒1俯仰角在-60°至90°范围内调节，同时STM32从控制器控制回转支撑平台29的电机转动带动喷雾系统360°旋转；最终通过控制风筒1喷雾姿态和雾化效果实现不同作物种植类型和不同生长期的植株形态精确对靶喷雾。4)喷雾作业控制：STM32主控制器通过比较经由精确室内定位得到的当前位置与平板电脑3或掌上电脑显示传送过来的目标作业位置相比较，若未达到目标作业位置，则STM32主控制器控制植保机器人的行走电机22开始运动，同时STM32主控制器将喷雾作业模式、当前位置信息等数据，经RS-485总线发送给STM32从控制器，STM32从控制器依照喷雾作业模式控制植保机器人进行作业，直至到达目标作业位置，完成喷雾作业。