基于果树识别定位的自走对靶施药机器人及其控制方法与流程

本发明涉及农业机器人
技术领域：
，尤其涉及基于果树识别定位的自走对靶施药机器人及其控制方法。
背景技术：
：由于我国果园作业机械研究起步较晚，果园机械化基础较差，一些用工量多、劳动强度大、时效性强和标准化要求高的环节，如苗木培育、嫁接移栽、灌溉、施药、除草、收获与运输等，都未很好地实现机械化和自动化作业，高效、省力化的果园管理装备与技术缺乏，已成为制约我国果园机械化发展的技术“瓶颈”。现有，我国果园喷药机械设备和喷药技术相对世界水平落后，大部分依靠人力喷洒，费时费力，易造成果园喷洒不均匀，农药利用率低；且农药对人体存在危害，长期人工作业可能导致身体健康受到损害。在中国专利：果园自动对靶喷药机器人及喷药方法(专利号：201710910183.4)中，记载了喷药系统包括固定设置在机体中部的药桶，药桶的顶部设置有左喷头和右喷头，左喷头和右喷头各通过一个电磁阀与药桶相连通，且两个电磁阀均匀控制器电连接，能够在果园中自动完成移动、转向、喷药和出果园的动作；然而其喷药角度等不可调节，也无法对树冠进行识别施药，造成使用不便。技术实现要素：本发明的目的在于提供基于果树识别定位的自走对靶施药机器人，以解决上述
背景技术：
中提出的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于果树识别定位的自走对靶施药机器人，包括底盘、控制单元、探测单元、喷药单元，底盘通过驱动电机驱动后端两侧的驱动轮行走，底盘通过转向电机驱动前端两侧的转向轮转向，所述探测单元包括传感器、相机，探测单元设在底盘上，传感器与相机的信息输出端均与所述控制单元输入端连接，控制单元的指令输出端与驱动电机、转向电机以及喷药组件连接；所述喷药单元包括药箱、药泵，药箱设在底盘上，药箱内两侧均设有药泵，药泵与控制单元的指令输出端电连接；所述药箱相对两外侧均设有侧板，每块侧板的底端均与底盘顶面铰接，侧板与药箱通过调节机构连接，每块侧板上均设有出液孔，药泵的出液端口通过软管与对应的侧板出液孔连接；每块侧板的出液孔外端口处均活动连接有l形的喷药管，喷药管的出液端口处连接有喷头；在喷药管的外侧设有保护罩，且保护罩上设有调节喷药量的流量调节机构。进一步的，所述喷药管上间隔分布有若干个软管段，每个软管对应的保护罩上均设有所述的流量调节机构；所述流量调节机构包括螺栓、夹块，螺栓活动螺旋在对应保护罩上，夹块设在对应软管处，夹块的一端与螺栓连接，夹块另一端与对应软管外壁接触。进一步的，所述调节机构为电动伸缩杆，电动伸缩杆的固定端与药箱通过销轴连接，电动伸缩杆的伸缩端与对应侧板通过销轴连接，电动伸缩杆与外部电源导线连接，控制单元的指令输出端与电动伸缩杆连接。进一步的，所述保护罩包括圆筒形的底罩、顶罩，所述底罩与顶罩同轴螺旋连接。进一步的，所述夹块与软管的接触面为弧形凹面。进一步的，所述传感器包括激光雷达传感器、光电传感器、超声波传感器。进一步的，所述控制单元包括上位机、单片机，其中，上位机接收并处理探测单元信息，单片机与上位机电连接，单片机接收上位机发出的控制指令、并控制对应部件根据指令作业。本发明还提供了基于果树识别定位的自走对靶施药机器人的控制方法，具体包括以下步骤：步骤一：机器人移至工作地点，启动机器人，激光雷达传感器、光电传感器、超声波传感器探测机器人周边环境信息，并将探测信息传输至控制单元；步骤二：控制单元接收环境信息，实时规划行走路径，下达行走指令控制驱动电机、转向电机工作，机器人按照规划路径行走；步骤三：相机工作，拍摄机器人行走时周边环境信息、并将信息传输至控制单元，控制单元处理接收的信息，确定果树位置，下达喷药指令至控制药泵工作，对果树进行喷药。进一步的，在步骤三中对果树喷药时包含以下调节途径：立体相机对果树目标进行识别，获取果树树冠位置，将信息编码后传输至控制单元，控制单元控制调节电机与电动伸缩杆，调节喷头位置对准树冠精准施药。本发明的有益效果是：(1)本发明利用激光雷达采集数据，实现路径规划和避障，使得机器人可以自主避障，巡航，且单片机控制驱动电机、转向电机、调节电机和电动伸缩杆，方便调节喷药的范围，更加精准的喷药，节约成本。(2)本发明集合激光雷达、图像识别、传感感应多种技术为一体，实现了自动化喷洒果园的目的，大大提高了果园的生产效率，激光雷达和图像识别两种技术的应用使得果树的定位精确度进一步提高，大大减少了农药喷洒的浪费。(3)本发明通过电动伸缩杆以及调节机构可实现对喷头位置的调节，极大方便了实际作业，适应性广。附图说明此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1为本发明的整体结构俯视图；图2为本发明的整体结构侧视图；图3为本发明的部分结构示意图；图4为本发明的工作原理图；图5为本发明采用hough变换行检测算法规划行走路径结果示意图；图6为本发明操作流程图。图中：底板1、转向轮21、驱动轮22、保护罩3、调节电机4、安装板5、药泵6、安装室7、侧板调节机构8、药箱9、侧板10、从动齿轮11、软管12、硬管13、流量调节机构14、喷头15、弹簧16、夹块17。具体实施方式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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。参见图1、图2，基于果树识别定位的自走对靶施药机器人，包括底盘、控制单元、探测单元、喷药单元，底盘包括底板1、驱动轮22、转向轮21，底板1的后端两侧均安装有驱动轮22，驱动轮22通过驱动电机行走；底板1的前端两侧均安装有转向轮21，转向轮21通过转向电机带动转向；所述控制单元设在底盘上，包括上位机、单片机，其中，上位机接收并处理探测单元信息，单片机与上位机电连接，单片机接收上位机发出的控制指令、并控制对应部件根据指令作业；所述探测单元包括传感器、工业相机，探测单元设在底盘上，所述传感器包括激光雷达传感器、光电传感器、超声波传感器；激光雷达传感器、光电传感器、超声波传感器均设在机器人的前端，相机设在药箱9的前端中部；其中，激光雷达传感器可采用思岚科技研发的rplidara2，光电传感器可采用en33-d1t100nam2z，超声波传感器可采用msw-a1640h10tr；传感器与相机的信息输出端均与上位机输入端连接，单片机指令输出端与驱动电机、转向电机以及喷药组件连接；所述喷药单元包括药箱9、药泵6，药箱9设在底盘上，药箱9内两侧均设有药泵6，药泵6与单片机的指令输出端电连接；所述药箱9相对两外侧均设有侧板10，每块侧板10的底端均与底盘顶面铰接，侧板10与药箱9通过调节机构8连接，每块侧板10上均设有出液孔，药泵6的出液端口通过软管与对应的侧板10出液孔连接；每块侧板10的出液孔外端口处均活动连接有l形的喷药管，侧板10上设有驱动喷药管转动的角度调节机构，喷药管的出液端口处连接有喷头15；在喷药管的外侧设有保护罩3，且保护罩3上设有调节喷药量的流量调节机构14；在药箱9前端的底盘上设置蓄电池，蓄电池上连接有控制开关，蓄电池为控制单元、探测单元、喷药单元供电。进一步的，所述角度调节机构包括安装板5、调节电机4、从动齿轮11，其中，安装板5固接在侧板10的外表面，调节电机4设在安装板5上，调节电机4输出轴同轴连接有主动齿轮，从动齿轮11安装在喷药管水平段管上、并与主动齿轮啮合，单片机的指令输出端与调节电机4连接。进一步的，所述喷药管上间隔分布有若干个软管12段，每个软管12对应的保护罩3上均设有所述的流量调节机构；参见图3，所述流量调节机构14包括螺栓16、夹块17，螺栓16活动螺旋在对应保护罩3上，夹块17设在对应软管17处，夹块17的一端与螺栓16连接，夹块17另一端与对应软管12外壁接触；夹块17与软管12的接触面为弧形凹面。进一步的，所述调节机构8为电动伸缩杆，电动伸缩杆的固定端与药箱9通过销轴连接，电动伸缩杆的伸缩端与对应侧板10通过销轴连接，电动伸缩杆与外部电源导线连接，单片机的指令输出端与电动伸缩杆连接。进一步的，所述保护罩3包括圆筒形的底罩32、顶罩31，所述底罩32与顶罩31通过分别设有的内螺纹、外螺纹同轴螺旋连接；在药箱9顶端前部设有无线摄像头，无线摄像头与上位机连接实时传输视频信息；进一步的，所述转向电机设在底盘的前端，转向轮21的中部通过轴承安装有转轴，转向电机的电机轴向下与对应转向轮21的转轴内端固接，转向电机带动转轴转动实现转向轮21的转向。参见图4、图6，基于果树识别定位的自走对靶施药机器人的控制方法，具体步骤包括：步骤一：机器人移至工作地点，启动机器人，激光雷达传感器、光电传感器、超声波传感器探测机器人周边环境信息、并将探测信息传输至控制单元的上位机，其中，激光雷达传感器对果树进行识别和定位；光电传感器和超声波传感器实时探测机器人周边环境，识别障碍物；步骤二：上位机接收环境信息并处理，实时规划行走路径，下达行走指令控制驱动电机、转向电机工作，机器人按照规划路径行走；步骤三：相机工作，拍摄机器人行走时周边环境信息、并将信息传输至控制单元，控制单元处理接收的信息，确定果树位置，下达喷药指令控制药泵工作，对果树进行喷药。进一步的，在步骤三中对果树进行喷药时包含以下两种调节途径：(1)激光雷达传感器实时获取机器人与果树的距离信息，控制单元根据接收的距离信息调节药泵6转速，机器人距离果树越远，药泵6转速越快，控制调节喷药距离；(2)立体相机对果树目标进行识别，可获取果树树冠位置，将信息编码后传输至控制单元，控制单元控制调节电机4与电动伸缩杆，调节喷头角度位置对准树冠精准施药。在步骤二中采用hough变换行检测算法规划行走路径，hough算法变换的基本原理如下：在二维平面上的任何一个点都可能是候选直线集合的一部分，这些直线可通过斜率a和截距b来进行参数化，这样，原始二维平面上的任意一点就映射为参数空间平面(a，b)上的一条直线。将原始二维平面上所有点对应的参数空间平面上的直线点集在参数空间平面上进行叠加，则出现局部最大值的参数空间点对应的参数化直线，即为hough变换检测结果。在实际的数值方法中，直线参数化的方法有所不同，是以原始二维平面上的极坐标表示(ρ，θ)为参数空间，此时的直线方程为:ρ＝xcosθ+ysinθ。基于hough变换的果树平行直线检测算法步骤如下:(1)根据设定的距离步长△ρ和角度步长△θ以及相应的距离和角度范围，计算累积矩阵所需的行列数；(2)取出激光雷达点云中的一个数据点(x,y)，计算原点到该数据点的向量与x轴夹角θ；(3)将从θ-90°到θ+90°的角度范围均分成(180°/△θ)个角度值θi(0≤i≤180°/△θ)，对应每个角度值θi，根据公式计算对应的ρi的值；(4)将累积矩阵第θi/△θ行第ρi/△ρ列的元素自增1；(5)如果激光雷达点云中还有未处理数据点，则转到步骤(2)；否，则转到步骤(6)；(6)求出累积矩阵中元素最大值以及对应两直线夹角大于120度的两个极值点，两极值点对应的直线方程即为算法检测到的果树平行直线方程。参见图5，其中a线为实际的果树行局部直线，b线为hough变换行检测算法检测出的行直线，可以看出hough变换行检测算法可以较好地从采集到的激光点云数据中提取出对应的果树行直线参数，从而计算得到机器人距离果树行的垂直距离信息，实现有效的路径规划。本发明做了以下三组测试实验(1)喷药测试试验：利用盆栽来模拟植株，进行对靶施药试验，将盆栽放置于机器人运行的轨道上，为方便测量，试验中采用两侧喷药，每次试验时先进行连续喷药，然后进行对靶喷药，试验重复3次，每次喷药前后均量取并记录总水量和剩余水量，试验结果如表1所示：表1通过数据分析可知，本作品采用对靶喷药的方式，能大大节省施药量，有效提高农药利用率。(2)图像识别实验：使用工业相机采集果树的图片，传至上位机进行图片识别，实验结果如表二所示：实验序列图像识别次数图像识别成功次数识别成功率123422797.01％223923497.91％323122898.70％423522796.60％表2(3)路径规划与喷药准确率实验：实验序列实验行总植株数碰撞次数路径成功规划率186396.51％275198.67％378198.72％480297.50％表3为路径规划实验结果实验序列实验行总植株数喷中次数对靶率1868093.02％2756890.67％3787292.31％4807391.25％表4喷药准确率实验结果综上，根据表3、表4信息，可得路径成功规划率以及对靶喷药率均在90％以上。本发明能成功达成自动避障，对靶施药的既定目标。本发明利用激光雷达采集数据，实现路径规划和避障，使得机器人可以自主避障、巡航，且单片机控制驱动电机、转向电机、调节电机和电动伸缩杆，方便调节喷药的范围，更加精准的喷药，节约成本，大大提高了果园的生产效率，激光雷达和图像识别两种技术的应用使得果树的定位精确度进一步提高，大大减少了农药喷洒的浪费；喷头位置可调节，极大方便了实际作业，适应性广；本发明也可通过终端与控制单元实现远程无线连接，从而实现远程人为操作。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。当前第1页12