一种教学竞赛用喷药机器人的制作方法

本实用新型属于教学用喷药机器人技术领域，具体涉及一种教学竞赛用喷药机器人。

背景技术：

教学竞赛用喷药机器人项目是中国服务机器人大赛的一项子项目，机器人比赛场地，如图1、图2所示。在比赛过程中，机器人从起始区出发，经过a区、b区、c区、d区、e区，自主完成对模拟仿真藤蔓，低矮作物，杂草，不同颜色树冠的检测识别与喷药，仿真植物如图3所示，其中01为藤蔓，02为低矮作物，03为杂草，04为树冠。

机器人在起始位置时，语音介绍参赛队伍信息，然后行驶进入a区。a区要求对藤蔓喷药，有4个对藤蔓喷药作业点，b区要求对通道两侧低矮作物连续喷药，c区要求通道两侧各10个花盆内随机杂草进行检测播报并喷药，d区要求道路两侧各4个树形进行喷药，树形为长方形白板，其上粘贴4种颜色卡纸，每一种卡纸对应仿真树冠的健康状态，其中绿色代表健康，黄色代表轻微虫害，灰色代表严重虫害，机器人经过d区时对树冠状态进行识别并播报，对患有轻微和严重虫害的树形进行不同量的喷药。e区和d区树形规则一样，只是树冠位置和方向可以随机摆放。最后机器人回到起始地点。

目前的实验设备，特别是高等教育的实验设备，针对教学竞赛环节开发的实验设备较少，刚开始参加竞赛的学生，概念比较模糊，所以有必要开发相关的教学竞赛用喷药机器人，对学生参赛进行引导。

技术实现要素：

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型设计了一种教学竞赛用喷药机器人，可以实现机器人的仿真植物检测识别并语音播报和喷头旋转喷药、定点喷药、变量喷药功能。

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型采用了以下方案：

一种教学竞赛用喷药机器人，包括底盘，以及设置在所述底盘上部的行驶避障模块、目标检测模块、喷药控制模块、主控制模块和电源控制模块，设置在所述底盘下部的行走控制模块，设置在所述底盘四周的挡水板；所述行驶避障模块检测是否存在障碍物，并将检测信号传输给主控制模块；所述目标检测模块检测是否存在仿真植物，并将检测信号传输给主控制模块；所述喷药控制模块根据主控制模块的信号开启向仿真植物喷药的动作；所述行走控制模块执行行驶功能；所述主控制模块控制行驶避障模块、目标检测模块、喷药控制模块和行走控制模块；电源控制模块为行驶避障模块、目标检测模块、喷药控制模块、主控制模块和行走控制模块提供电能。

进一步，所述主控制模块包括上位机控制器树莓派、下位机控制器arduino；所述树莓派与arduino通过usb数据线连接。

进一步，所述行驶避障模块包括左右底层、左右高层避障光电开关传感器；左右底层、左右高层避障光电开关传感器的信号输出端与arduino相对应引脚连接。

进一步，所述目标检测模块包括左右底层、右中层、左右高层检测光电开关传感器和摄像头；左右底层、右中层、左右高层检测光电开关传感器的信号输出端与树莓派相对应引脚连接；摄像头与树莓派的usb接口连接。

进一步，所述喷药控制模块包括旋转支架、三个电磁继电器、增压泵、左右电磁阀、左右喷头、左右喷头控制舵机和药箱；所述旋转支架由云台、云台控制舵机、纵向支撑杆、角钢和横向支撑杆构成；左右喷头控制舵机分别固定在旋转支架的横向支撑杆上；左喷头通过连接板固定在左喷头控制舵机上，并且左喷头通过水管与左电磁阀的出水口连接；右喷头通过连接板固定在右喷头控制舵机上，并且右喷头通过水管与右电磁阀的出水口连接；左右电磁阀的进水口与增压泵的出水口连接；增压泵的进水管放置于药箱内底部；左右电磁阀、增压泵的电源两极连接到相应电磁继电器的电流输出端，电磁继电器信号控制端通过信号线连接到树莓派对应的引脚上。

进一步，所述电源控制模块包括5v降压模块、7v降压模块和12v电池；12v电池直接向增压泵、电机驱动器提供12v工作电压；5v降压模块将12v电池降压向树莓派、arduino、灰度循迹传感器、所有光电开关传感器和所有电磁继电器提供5v工作电压；7v降压模块将12v电池降压向云台控制舵机、左右喷头控制舵机提供7v工作电压。

进一步，所述行走控制模块包括四个相同的车轮、四个相同的电机、两个相同灰度循迹传感器和电机驱动器；电机通过电机支架固定在底盘下部，车轮通过联轴器连接电机，电机的信号线与电机驱动器相对应引脚连接；灰度循迹传感器固定在底盘下部，灰度循迹传感器的信号线与arduino相对应引脚连接。

工作时，机器人需在a、b、c、d、e区中间通道和其它非通道中自动行驶，并在a、b、c、d、e区中检测识别各区仿真植物，然后按需控制喷药，自动行驶与仿真植物检测识别并喷药过程相互协同工作。

自动行驶过程：机器人在a区、b区只需行驶一次，c区、d区、e区，需要往返各行驶一次，才能完成两边仿真植物检测与喷药任务；在a区、d区、e区通道中，机器人依靠左右高层避障光电开关传感器，判断机器人与仿真植物间距进行避障前行；在b区、c区通道中，机器人依靠左右底层避障光电开关传感器，判断机器人与仿真植物间距进行避障前行；在非通道中，机器人依靠场地白色线迹，利用灰度循迹传感器循迹前进，检测到十字白色线迹，则向仿真植物通道方向进行转弯行驶。当机器人即将行驶进入某区时，arduino将向树莓派发送串口数据信息，提示树莓派做好当前区仿真植物识别的准备。

仿真植物检测识别并喷药的过程：在a区通道中，机器人依靠左右高层检测光电开关传感器，检测藤蔓，将检测到的信号传送给树莓派，树莓派首先向arduino发送停止行驶的控制信号，再向电磁继电器发送控制信号，打开增压泵、左右电磁阀，同时也向左右喷头控制舵机发送控制转动信号，从而实现藤蔓的全覆盖喷药，当喷药结束后，树莓派向arduino发送继续行驶的控制信号，重复上述过程检测下一个藤蔓并控制喷药，直到机器人行驶离开a区进入下一个区域；在b区通道中，机器人依靠左右底层检测光电开关传感器，检测低矮作物，后续喷药控制过程与a区通道中类似，不同之处在b区采用机器人行驶不停车的左右边连续喷药，并且左右喷头调整合适的喷药角度后，就固定不再转动的喷药姿势；在c区通道中，机器人依靠右中层检测光电开关传感器，检测杂草，后续喷药控制过程与a区通道中类似，不同之处在c通道只能先识别右边杂草，只控制开启右喷头，并按照合适的喷药姿势进行喷药，然后再返回识别另外一边杂草，在c区识别到杂草后，喇叭会播报“识别到杂草”的语音；在d区通道中，机器人依靠右高层检测光电开关传感器，检测树冠，当检测到树冠，树莓派启动摄像头，对树冠颜色（绿、浅绿、黄、灰）进行识别，识别出结果后，喇叭会播报识别颜色，树莓派将根据树冠的颜色启动相应时间长度的喷药程序，喷药控制过程与c区通道中类似。在e区通道中，由于树冠位置和方向随机摆放，与d区通道检测识别喷药相同的基础上，需增加云台控制舵机的转动来调整旋转支架转动一定角度，便于正对树冠进行颜色识别与准确喷药。

该教学竞赛用喷药机器人具有以下有益效果：

（1）本实用新型可在设定的竞赛场景中，按照比赛规则，实现机器人自主导航、喷头转动、对仿真植物喷药、精准喷药、变量喷药。

（2）本实用新型中，喷头可在垂直方向转动、也能在水平方向转动，操作灵活、喷射范围广，既可实现定点或运动的精准喷药，又可以使机器人在不喷药时，结构紧凑，占空间较小。

（3）本实用新型中，只需两个喷头，相应所需的控制舵机、电磁阀、增压泵、电磁继电器个数大大减少，从而大大降低实现成本。

（4）本实用新型中，要求综合知识强，特别适合教学竞赛，锻炼学生动手能力。

附图说明

图1：本实用新型的喷药机器人竞赛场地布局图；

图2：本实用新型的喷药机器人竞赛场地三维示意图；

图3：本实用新型的喷药机器人竞赛场地仿真植物图；

图4：本实用新型实施方式中教学竞赛用喷药机器人的结构正视图；

图5：本实用新型实施方式中教学竞赛用喷药机器人的结构左侧视图；

图6：本实用新型实施方式中教学竞赛用喷药机器人的结构俯视图；

图7：本实用新型实施方式中教学竞赛用喷药机器人的底盘向视图；

图8：本实用新型实施方式中教学竞赛用喷药机器人的内部结构剖视图；

图9：本实用新型实施方式中教学竞赛用喷药机器人的电气元器件示意图；

图10：本实用新型实施方式中教学竞赛用喷药机器人的正等轴二测图。

附图标记说明：

1—右喷头；2—右高层检测光电开关传感器；3—左高层检测光电开关传感器；4—左喷头；5—左喷头控制舵机；6—右喷头控制舵机；7—摄像头；8—横向支撑杆；9—水管；10—角钢；11—纵向支撑杆；12—云台；13—云台控制舵机；14—左高层避障光电开关传感器；15—右高层避障光电开关传感器；16—右中层检测光电开关传感器；17—喇叭；18—右底层检测光电开关传感器；19—右底层避障光电开关传感器；20—左底层避障光电开关传感器；21—左底层检测光电开关传感器；22—电源总开关；23—电机驱动器电源开关；24—药箱；25—加水漏斗；26—车轮；27—电机；28—灰度循迹传感器；29—电机驱动器；30—5v降压模块；31—7v降压模块；32—arduino；33—12v电池；34—增压泵；35—树莓派外壳；36—树莓派；37—挡水板；38—右电磁阀；39—左电磁阀；40—光电开关传感器支撑架；41—底盘。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做进一步说明：

图4至图9出示了本实用新型教学竞赛用喷药机器人的一种实施方式。图10是本实施方式中教学竞赛喷药机器人的正等轴二测图（整体立体图）。

本实施方式中的教学竞赛用喷药机器人，包括底盘41，以及设置在所述底盘41上部的行驶避障模块、目标检测模块、喷药控制模块、主控制模块和电源控制模块，设置在所述底盘41下部的行走控制模块，设置在所述底盘41四周的挡水板37；所述行驶避障模块检测是否存在障碍物，并将检测信号传输给主控制模块；所述目标检测模块检测是否存在仿真植物，并将检测信号传输给主控制模块；所述喷药控制模块根据主控制模块的信号开启向仿真植物喷药的动作；所述行走控制模块执行行驶功能；所述主控制模块控制行驶避障模块、目标检测模块、喷药控制模块和行走控制模块；电源控制模块为行驶避障模块、目标检测模块、喷药控制模块、主控制模块和行走控制模块提供电能。

所述主控制模块包括上位机控制器树莓派36、下位机控制器arduino32；所述树莓派36与arduino32通过usb数据线连接。

所述行驶避障模块包括左底层避障光电开关传感器20、右底层避障光电开关传感器19、左高层避障光电开关传感器14和右高层避障光电开关传感器15；左底层避障光电开关传感器20、右底层避障光电开关传感器19、左高层避障光电开关传感器14和右高层避障光电开关传感器15的信号输出端与arduino32相对应引脚连接。

所述目标检测模块包括左底层检测光电开关传感器21、右底层检测光电开关传感器18、右中层检测光电开关传感器16、左高层检测光电开关传感器3、右高层检测光电开关传感器2和摄像头7；左底层检测光电开关传感器21、右底层检测光电开关传感器18、右中层检测光电开关传感器16、左高层检测光电开关传感器3和右高层检测光电开关传感器2的信号输出端与树莓派36相对应引脚连接，摄像头7与树莓派36的usb接口连接。

所述喷药控制模块包括旋转支架、三个电磁继电器（位于右电磁阀38的正下方）、增压泵34、左电磁阀39、右电磁阀38、左喷头4和右喷头1、左喷头控制舵机5、右喷头控制舵机6和药箱24；旋转支架由云台12、云台控制舵机13、纵向支撑杆11、角钢10和横向支撑杆8构成；左喷头控制舵机5和右喷头控制舵机6固定在旋转支架的横向支撑杆8上；左喷头4通过连接板固定在左喷头控制舵机5上，并且左喷头4通过水管9与左电磁阀39的出水口连接；右喷头1通过连接板固定在右喷头控制舵机6上，并且右喷头1通过水管与右电磁阀38的出水口连接；左电磁阀39、右电磁阀38的进水口与所述增压泵34的出水口连接；增压泵34的进水管放置于药箱24内底部；左电磁阀39、右电磁阀38、增压泵34的电源两极连接到相应电磁继电器的电流输出端，电磁继电器信号控制端通过信号线连接到树莓派36对应的引脚上。

所述电源控制模块包括5v降压模块30、7v降压模块31和12v电池33；12v电池33直接向增压泵34、电机驱动器29提供12v工作电压；5v降压模块30将12v电池33降压向树莓派36、arduino32、灰度循迹传感器28、所有光电开关传感器和所有电磁继电器提供5v工作电压；7v降压模块31将12v电池33降压向云台控制舵机13、左喷头控制舵机5和右喷头控制舵机6提供7v工作电压。

所述行走控制模块包括四个相同的车轮26、四个相同的电机27、两个相同灰度循迹传感器28和电机驱动器29；电机27通过电机支架固定在底盘41下部，车轮26通过联轴器连接电机27，电机27的信号线与电机驱动器29相对应引脚连接；灰度循迹传感器28固定在底盘41下部，灰度循迹传感器28的信号线与arduino32相对应引脚连接。

优选地，根据仿真植物高低特点，将避障光电开关传感器设置为高低不同的两层，并且左底层避障光电开关传感器20与由底层避障光电开关传感器19排列呈“八”字的形式，大头向前更有利于障碍物的检测。

优选地，根据仿真植物高低特点，将左底层检测光电开关传感器21、右底层检测光电开关传感器18、右中层检测光电开关传感器16、左高层检测光电开关传感器3和右高层检测光电开关传感器2设置为高中低不同的三层，每个不同层次的传感器负责相应高度的仿真植物检测。

优选地，喷药控制模块中的旋转支架结构设计简单，可由云台控制舵机13控制支架在水平方向转动；左喷头控制舵机5控制左喷头4可在垂直方向转动；右喷头控制舵机6控制右喷头1可在垂直方向转动；由云台控制舵机13、左喷头控制舵机5和右喷头控制舵机6组合转动控制可使左右喷头喷药的空间覆盖面更广，喷药范围控制更灵活、更精准。

优选地，主控制模块上位机控制器树莓派36采用树莓派3b+、下位机控制器arduino32采用arduinomega2560，并且树莓派36与arduino32通过串口通信协议协同工作。

本实施例中，底盘41由钢板构成，底盘41的本体是矩形结构。树莓派外壳35（内部安装树莓派36）、arduino32、5v降压模块、7v降压模块31、12v电池33、电机驱动器29、电源总开关22和电机驱动器电源开关23直接固定在底盘41上面；底盘41上一层安装铝板，铝板上固定喷药控制装置，其中左电磁阀39、旋转支架、右电磁阀38（下部安装电磁继电器）固定在铝板上面的前方，药箱24安装在铝板上面的中后方；药箱24和挡水板37选择亚克力版设计而成。

工作时，机器人需在a、b、c、d、e区中间通道和其它非通道中自动行驶，并在a、b、c、d、e区中检测识别各区仿真植物，然后按需控制喷药，自动行驶与仿真植物检测识别并喷药过程相互协同工作。

自动行驶从起点区→a1→b1→b2→c2→c1→c2→d2→d1→d2→e4→e5→e2→e5→返回起始点（e4→d2→c2→b2→起点区），即a区、b区只需行驶一次，c区、d区、e区，需要往返各行驶一次，才能完成两边仿真植物检测与喷药任务；在a区、d区、e区通道中，机器人依靠左高层避障光电开关传感器14、右高层避障光电开关传感器15，判断与仿真植物间距进行避障前行；在b区、c区通道中，机器人依靠左底层避障光电开关传感器20、右底层避障光电开关传感器19，判断与仿真植物间距进行避障前行；在非通道中，机器人依靠场地白色线迹，利用灰度循迹传感器28循迹前进，检测到十字白色线迹，则向仿真植物通道方向进行转弯行驶。当机器人即将行驶进入某区时，arduino32将向树莓派36发送串口数据信息，提示树莓派36做好当前区仿真植物识别的准备。

仿真植物检测识别并喷药的过程：在a区通道中，机器人依靠左高层检测光电开关传感器3、右高层检测光电开关传感器2，检测图3中的藤蔓01，将检测到的信号传送给树莓派36，树莓派36首先向arduino32发送停止行驶的控制信号，再向电磁继电器发送控制信号，打开增压泵34、左电磁阀39、右电磁阀38，同时也向左喷头控制舵机5、右喷头控制舵机6发送控制转动信号，从而实现藤蔓01的全覆盖喷药，当喷药结束后，树莓派36向arduino32发送继续行驶的控制信号，重复上述过程检测下一个藤蔓01并控制喷药，直到机器人行驶离开a区进入下一个区域；在b区通道中，机器人依靠左底层检测光电开关传感器21、右底层检测光电开关传感器18，检测图3中的低矮作物02，后续喷药控制过程与a区通道中类似，不同之处在b区采用机器人行驶不停车的左右边连续喷药，并且左喷头4和右喷头1调整合适的喷药角度后，就固定不再转动的喷药姿势；在c区通道中，机器人依靠右中层检测光电开关传感器16，检测图3中的杂草03，后续喷药控制过程与a区通道中类似，不同之处在c通道只能先识别右边杂草03，只控制开启右喷头1，并按照合适的喷药姿势进行喷药，然后再返回识别另外一边杂草03，在c区识别到杂草03后，喇叭17会播报“识别到杂草”的语音；在d区通道中，机器人依靠右高层检测光电开关传感器2，检测图3中的树冠04，当检测到树冠04后，树莓派36启动摄像头7，对树冠颜色（绿、浅绿、黄、灰）进行识别，识别出结果后，喇叭17会播报识别颜色，树莓派36将根据树冠04的颜色启动相应时间长度的喷药程序，喷药控制过程与c区通道中类似。在e区通道中，由于树冠04位置和方向随机摆放，与d区通道检测识别喷药相同的基础上，需增加云台控制舵机13的转动来调整旋转支架转动一定角度，便于正对树冠04进行颜色识别与准确喷药。

本实用新型可在设定的竞赛场景中，按照比赛规则，实现机器人自主导航、对仿真植物喷药、精准喷药、变量喷药。

本实用新型中，左喷头4、右喷头1可在垂直方向转动、也能在水平方向转动，操作灵活、喷射范围广，既可实现定点或运动的精准喷药，又可以使机器人在不喷药时，结构紧凑，占空间较小。

本实用新型中，只需两个喷头，相应所需的控制舵机、电磁阀、增压泵、电磁继电器个数大大减少，从而大大降低实现成本。

本实用新型成本较低，特别适合教学竞赛，易于学生上手。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性的描述，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。