一种喷洒农药用机器人的制作方法

本发明涉及农用机器人领域，具体涉及一种喷洒农药用机器人。

背景技术：

农业是我国最大的产业，农业的发展现在也逐步趋向于自动化，从播种、管理到收获均越来越自动化，在对农作物进行田间管理的过程中，进行施肥、打农药去除病虫害是非常重要的环节，对农作物的产量有较大的影响。传统的农药采用背负式药箱和手持式喷枪，利用手摇式的气压部件将混合在水中的农药呈雾状喷洒到农作物的叶片上，主要通过人为主观控制喷洒，劳动强度大，只适合小面积的农药喷洒，不满足大范围农田的农药喷洒需求。而在逐渐自动化的过程中，对农田中农作物与杂草等区分、农作物生长情况的识别成为难题，不加以区分识别，会造成杂草愈发茂盛、农作物生长愈发不均的情况，反而对农作物生长不利，特别是对藤作物和低矮植物的农药喷洒，因为具备一定的高度范围和种植区域限定，对农作物的识别准确度要求更高。

技术实现要素：

本发明意在提供一种喷洒农药用机器人，对藤作物和低矮植物自动进行准确识别并喷洒农药，以解决现有技术中不能对藤作物和低矮植物准确识别喷洒农药的问题。

为达到上述目的，本发明的基础技术方案如下：一种喷洒农药用机器人，包括车架和安装在车架上的控制机构、信息采集机构以及农药喷洒机构，车架包括上车架和下车架，控制机构安装在下车架上，农药喷洒机构安装在上车架上；信息采集机构包括安装在下车架前、后侧的灰度传感器，以及安装在上车架、下车架前侧的距离传感器，以及安装在上车架前侧的识别摄像头，识别摄像头、距离传感器、灰度传感器、农药喷洒机构均与控制机构信号连接。

本方案的原理及优点是：实际应用时，车架作为机器人的移动载体，可安装车轮载着各部件移动行进，信息采集机构用于采集外界农作物的识别信息、距离信息、车架前进的方向信息等，农药喷洒机构用于存储农药和喷洒农药。采用分开的上车架和下车架，能够将不同功能的部件分开安装，对于主要进行信息运算的控制机构可进行分隔保护，农药喷洒机构安装在上车架上便于农药的调配和对农作物的立体式喷洒农药；将灰度传感器安装在下车架前后侧，通过灰度传感器对田间预设的路径白线进行识别可实时、有效的对机器人行进路线进行修正，让机器人走直线达到准确的路径规划，使得能够对农作物进行准确的喷洒，达到不误喷；距离传感器对农作物的距离进行识别，识别摄像头对杂草和不同生长情况、虫害的农作物进行颜色识别分析，两者结合实现对农作物的准确识别，再将信号传输给控制机构，控制机构从而控制农药喷洒机构对农作物进行准确的喷洒农药。距离传感器、识别摄像头能够在一定高度范围内对农作物进行准确识别，配合位于上车架上的农药喷洒机构，能够对藤作物和低矮植物进行立体的农药喷洒，农药的喷洒全面且准确。

进一步，信息采集机构还包括固定在上车间前侧的三维滑台，三维滑台包括x杆、y杆和z杆，z杆竖向固定在上车架前侧的中部，x杆横向转动连接在z杆的顶端且连接点位于x杆的中部，y杆有两个且分别横向转动连接在x杆的两端，y杆与x杆相互垂直，y杆和x杆上均分布有距离传感器。作为优选x杆、y杆均可转动，并且z杆提供一定高度，使得其上分布的距离传感器能够在三维空间内灵活改变测量的位置和角度，能够更大范围更全面的对周围的农作物进行感知识别。

进一步，识别摄像头安装在x杆的中部顶面。作为优选这样识别摄像头位于机器人行进中线的高处，能够更大范围的对周围的农作物情况进行图像采集，进而更准确的对农作物生长情况进行判断以准确喷洒农药。

进一步，下车架的底部安装有前、后两组车轮，灰度传感器居中设置在每组车轮之间的下车架下方，灰度传感器与下车架之间连接有连接杆。作为优选这样灰度传感器位于车架的下方更贴近地面，能够更加准确的对田间地面上预设的白线标识进行识别，并且居中的设置能够更准确的判断机器人下一步行进的方向。

进一步，每个y杆上均螺栓连接有扇形板，每个扇形板上均设有扇形通槽，每个扇形通槽的两端均螺栓连接有距离传感器。作为优选这样通过扇形板安装的两个距离传感器能够呈扇形对较大范围内的农作物进行感知，且两个距离传感器之间的距离可以调节，配合x杆上的距离传感器能够从不同位置全方位的对农作物进行感知识别，有利于准确的判断农作物位置进行精准喷洒农药。

进一步，农药喷洒机构包括药箱，药箱内设有至少两个药液泵，每个药液泵均连接有一个喷头，药箱螺栓连接在三维滑台后侧的上车架上。作为优选药箱用于盛装农药液体，药液泵将药箱内的农药输送给不同的喷头，喷头将农药喷洒到对应位置的农作物上。

进一步，识别摄像头左、右两侧的x杆上均螺栓连接有舵机，舵机的输出轴朝向药箱设置，舵机的输出轴连接有l型的摆臂，喷头螺栓连接在摆臂上，舵机外侧设有安装架，安装架顶端连接有距离传感器。作为优选这样舵机通过对摆臂的控制实现对喷头的精准控制，喷头与药液泵之间采用软管连接，舵机控制摆臂的动作精准调节喷头的位置，并采用双舵机的结构从两侧分别对农作物进行精准喷洒农药，提高了喷药精度和喷药效率。并且舵机能够提供稳定正确的重力方向值，机器人的重心方向总是与舵机提供的方向做比较，得出的偏差信号作为反馈信号形成闭环控制，使机器人保持平衡。

进一步，药箱的侧壁上嵌设有透明的观察条，观察条外侧的药箱侧壁上设有刻度尺。作为优选这样可将观察条中的液面与刻度尺对比观察药箱内的农药量，便于及时补充农药。

进一步，上车架的外缘设有向下倾斜的护板。作为优选这样可通过护板对下车架上的控制机构进行雨水遮挡、阳光遮挡和杂物遮挡，有利于降低外界环境对控制机构的不良影响，保障控制机构能正常运行。

进一步，控制机构包括树莓派开发板与arduino单片机。作为优选通过arduino单片机可对距离传感器进行控制达到避障效果，并对灰度传感器反馈的信息进行分析后调配车轮达到小车调整。基于树莓派的opencv视觉图像处理对识别摄像头采集的图案进行植物颜色、识别定位追踪，植物与植物之间间距过小，为达到不误喷不乱喷，在通过对杂草识别时，场地中具有较多相近绿色，形成的误差十分之大。因此识别摄像头opencv对目标植物识别颜色分析十分精密，可不同程度对杂草等目标进行喷洒农药，从而完成一系列的服务机器人任务。

本发明的优点在于：

1、摄像头捕捉到的画面通opencv颜色处理，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，避免了过度喷药对环境造成的污染。

2、树莓派开发板与arduino单片机相互协调控制机器人，使机器人各大模块分工明确，实现了喷洒精准度的提升。

3、通过三维滑台转动并加上双舵机控制双喷头同时喷药提高了喷药精度和喷药效率。

附图说明

图1为本发明实施例的正视图；

图2为图1的左视图；

图3为本发明实施例的轴测图；

图4为本发明实施例中下车架的底部结构示意图；

图5为本发明实施例中下车架的轴测图；

图6为本发明实施例中三维滑台的侧视图；

图7为本发明实施例中三维滑台的俯视图；

图8为本发明实施例中三维滑台的轴测图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：上车架1、下车架2、车轮3、灰度传感器4、树莓派开发板5、护板6、刻度尺7、距离传感器8、喷头9、识别摄像头10、安装架11、舵机12、摆臂13、z杆14、药箱15、降压模块16、观察条17、扇形板18、x杆19、y杆20、扇形通槽21、药液泵22。

为清楚表达本发明技术方案，本申请中记载的前方为机器人行进的方向。

实施例基本如附图1、图2、图3所示：一种喷洒农药用机器人，包括车架和安装在车架上的控制机构、信息采集机构以及农药喷洒机构。车架包括上车架1和下车架2，上车架1的外缘设有向下倾斜的护板6。下车架2的底部安装有前、后两组车轮3，下车架2上螺纹连接有多根支撑杆，支撑杆的上端螺纹连接在上车架1上。结合图4、图5所示，控制机构安装在下车架2上，控制机构包括树莓派开发板5、arduino单片机、降压模块16和电池盒，本实施例中树莓派开发板5的型号为3modelb，降压模块16的型号为ac—dc220v转12v，电池盒螺钉连接在下车架2的底壁上。树莓派开发板5实现对视频解码芯片和视频编码芯片的控制，从而实现对视频采集后的输入解码和编码输出控制,然后树莓派开发板5可以对采集后图像进行预处理，包括图像的阈值分割、边缘处理、中值滤波、索贝尔边缘处理、中值滤波等操作，为后续的空间三维定位奠定基础。通过降压模块16使输出电压满足用电负载的需要，防止烧坏设备。

农药喷洒机构安装在上车架1上，农药喷洒机构包括药箱15，药箱15上端开口，开口处铰接有盖板。药箱15内设有两个药液泵22，结合图6、图7所示，每个药液泵22均通过软管连接有一个喷头9，两个喷头9分别朝向左、右两侧。上车架1上端焊接有多个垫块，药箱15通过螺栓连接在垫块上端。药箱15的侧壁上嵌设有透明的观察条17，观察条17外侧的药箱15侧壁上设有刻度尺7。

结合图4所示，信息采集机构包括安装在下车架2前、后侧的灰度传感器4，灰度传感器4居中设置在每组车轮3之间的下车架2下方，灰度传感器4与下车架2之间螺纹连接有连接杆。

结合图6、图7、图8所示，信息采集机构还包括焊接固定在上车架1前侧的三维滑台，三维滑台包括x杆19、y杆20和z杆14，z杆14竖向焊接固定在药箱15前侧的上车架1的中部。z杆14的顶端嵌装有步进电机，x杆19横向设置并且x杆19的中部键连接在z杆14顶端的步进电机转轴上。y杆20有两个且分别横向连接在x杆19的左、右两端，x杆19的左、右两端均嵌装有步进电机，y杆20的端部键连接在x杆19端部的步进电机转轴上，y杆20与x杆19相互垂直。每个y杆20上均螺栓连接有扇形板18，每个扇形板18上均设有扇形通槽21，每个扇形通槽21的两端均螺栓连接有距离传感器8。x杆19的顶面中部安装有识别摄像头10，识别摄像头10左、右两侧的x杆19上均焊接有框型的安装架11，每个安装架11的顶端均螺栓连接有横向设置的距离传感器8。每个安装架11内均螺栓连接有舵机12，本实施例中舵机12的型号为s3101，舵机12的输出轴朝向药箱15设置，舵机12的输出轴螺纹连接有l型的摆臂13，喷头9螺栓连接在摆臂13上。识别摄像头10、距离传感器8、灰度传感器4、农药喷洒机构均与控制机构信号连接，本实施例中距离传感器8为西克距离传感器8vtf180，灰度传感器4为gs系列wr-gs-i，识别摄像头10为opencv摄像头。

本发明的喷药机器人采用普通轻型小车作为运动载体，喷药服务机器人主要工作在室外环境，要使达到对植物准确的喷药，要达到规范的路径规划，避免撞到植物，是极其重要的。本发明中通过arduino单片机对距离传感器8进行控制达到避障效果，通过小车前、后侧的灰度传感器4在地面预设白线处对小车进行修正，让小车尽量走直线，达到准确的路径规划，能对植物进行准确的喷洒，达到不误喷。植物与植物之间间距过小，为达到不误喷不乱喷，在通过对杂草识别时，场地中具有较多相近绿色，形成的误差十分之大。

本发明采用基于树莓派开发板5对opencv视觉图像处理对植物进行颜色、识别定位追踪，对目标植物识别颜色分析十分精密。由于植物高矮不一，且杂草过小，造成喷药机器人对目标植物的喷洒空间受限，把相邻植物碰伤，且植物的生长方位差异极大，每次喷洒的姿态和作用力关系都有所变化，对舵机12转动角度与力度要求严格，成功率受限，进一步加大喷洒的难度。所以本发明中通过利用树莓派开发板5控制摄像机采集图像，并经过二值化、滤波处理、索贝尔边缘处理、特征点匹配、三维重建等步骤实现对目标植物的空间三维定位，然后将植物的空间三维坐标等参数传送至下位机，下位机为离线的电脑，下位机进而对数据进行处理后通过控制三维滑台和摆臂13实现对不同植物的精准定位和喷头9的精准调节，进而完成农作物的精准喷药工作。

在打开电源后，小车首先会进入工作区域，沿着田的垄道前进，同时通过识别摄像头10检测工作范围内是否存在杂草和病虫害，当识别到工作范围内存在杂草和病虫害时，机器人锁定做业对象，当达到设定的最佳作业距离时，机器人停止前进，机器人通过识别摄像头10采集的图像计算出对象的坐标，机器人通过三维滑台调整摆臂13使得喷头9达到最佳的喷药角度，然后识别摄像头10识别杂草多少和不同虫害的程度从而通过下位机计算出喷药量，然后药液泵22开始工作，通过喷头9进行定量精准喷药。喷药完成后药液泵22停止工作，摆臂13复位，小车继续前进。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。