一种基于多传感器的精准变量果树施药机器人制造技术

本发明专利技术公开了一种基于多传感器的精准变量果树施药机器人，该机器人包括：自走系统，用于安装设备并带动整个机器人行进；激光传感器(10)，用于检测靶标的有无并在检测到靶标后发送信号给工控机，且用于采集距离信息输送给工控机；摄像机(11)，用于对靶标进行图像采集并传输给工控机处理；工控机，用于接收激光传感器(10)的靶标信号并根据采集的图像信息判定病害等级、根据靶标的距离信息获得靶标的冠层总体积以确定喷药量，且将喷药量信息传递至单片机(9)；单片机(9)，用于接收喷药量信息并控制供药系统向变量喷雾系统供药、控制变量喷雾系统施药。本发明专利技术的机器人通过准确检测靶标的体积和识别病虫害的程度，获得准确的喷药量。

A Precise Variable Pesticide Robot for Fruit Tree Based on Multi-sensor

【技术实现步骤摘要】
一种基于多传感器的精准变量果树施药机器人
本专利技术涉及植保机械及自动化领域，具体地说是一种能够结合病虫害程度和树冠体积进行精准施药的基于多传感器的精准变量果树施药机器人。
技术介绍
果园的生态环境比较稳定，适宜害虫繁殖，随着果树种植面积的增大，果园害虫的防治工作也越来越繁重。由于果树生长的外部条件(水分、光照等)各不相同，害虫在每棵果树上的分布数量难免会有差异，所以每棵果树的病虫害程度也会有不同；同时在实际的果园中，果树的树冠形状和树叶密度会各不相同，树与树之间的间距也各不相同。这些都是实现果园精准施药必要考虑的因素。目前主流的根据树冠的大小和形状计算喷药量的方法存在一个严重的问题：在实际应用中并没有考虑到具体的病虫害程度。按照实际情况，一般冠层体积越大的果树，其病虫害程度越低，实际所需的喷药量应该越少。如果根据树冠的大小和形状喷对应量的农药，会造成农药的浪费，不仅增加了生产成本而且造成了农业生态环境的污染。所以只根据树冠体积这一单一特征来计算施药量缺乏一定的准确性。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种能够结合病虫害程度和树冠体积进行精准施药的基于多传感器的精准变量果树施药机器人，该施药机器人通过准确检测靶标的体积和识别病虫害的程度以提供精准的喷药量，解决了现有喷雾机工作效率低、无法有效识别病虫害程度导致施药量不合理、不能达到实时变量喷药而造成的药剂浪费、环境污染严重等问题。本专利技术的目的是通过以下技术方案解决的：一种基于多传感器的精准变量果树施药机器人，其特征在于：该机器人包括：自走系统，用于安装机器人激光传感器、摄像机、单片机、设置供药系统和变量喷雾系统的双层支撑台并带动整个机器人行进；激光传感器，用于检测靶标的有无并在检测到靶标后发送信号给工控机，所述工控机控制激光传感器进行距离信息采集并将采集的距离信息传输给工控机进行处理；摄像机，用于接收工控机的信号对靶标进行图像采集并将采集的图像信息传输给工控机进行处理；工控机，用于接收激光传感器的靶标信号且分别控制激光传感器进行靶标距离信息采集、摄像机进行靶标图像采集，工控机根据采集的图像信息判定病害等级并根据靶标的距离信息获得靶标的冠层总体积以确定喷药量，工控机将喷药量信息传递至单片机；单片机，用于接收工控机传递过来的喷药量信息并控制供药系统向变量喷雾系统供药、控制变量喷雾系统施药。所述的自走系统能够在单片机的控制下按照设定的方向、路线、速度进行自主行走或由工控机通过单片机进行远程遥控行走。所述的自走系统包括履带轮、履带电机，单片机通过电流放大模块与履带电机相连，履带电机依次通过减速器和链传动将动力传递给履带轮，使得单片机能够控制履带轮的行进。所述双层支撑台的底部平台上设有自走系统中的履带电机和给整个机器人供电的电源系统；所述双层支撑台的顶部平台上设有单片机、供药系统和变量喷雾系统，变量喷雾系统安装在支撑架末端并通过支撑架安装在双层支撑台的顶部平台上。所述的双层支撑台的顶部平台的前端设有平台支座，平台支座的前端安装激光传感器，平台支座的后端左右两侧分别放置摄像机以使得摄像机的拍摄目标和激光传感器的检测目标一致。所述的供药系统包括放置在双层支撑台的顶部平台上的供药电机、药箱、直流隔膜泵、阀门组以及相应的连接管，所述药箱的顶部设有药箱盖且药箱的进液口处设有过滤网，药箱的岀液口通过管路连接至直流隔膜泵的进液口、直流隔膜泵的出液口通过软橡胶管连接至阀门组，阀门组分别通过不同的施药管与对应的变量喷雾系统相连接；所述的直流隔膜泵通过线路与供药电机相连接且供药电机通过线路与单片机相连接，单片机通过供药电机启动直流隔膜泵向变量喷雾系统供药。所述的变量喷雾系统包括喷头和电磁阀，电磁阀通过线路与单片机相连接以控制电磁阀的开合，供药系统供应的药液通过电磁阀输送至喷头进行施药。所述的机器人还包括可调供风装置，可调供风装置包括风筒和位于风筒中的风机和无刷电机，无刷电机通过线路与单片机相连接且单片机通过无刷电机控制风机的转速以调节供风量；变量喷雾系统中的喷头固定安装在风筒的前端端面出风口处且与喷头相连接的电磁阀亦能够安装在风筒的前端外壁上。所述的可调供风装置和变量喷雾系统一一对应设置，且可调供风装置由上至下竖直等距安装在支撑杆上，可调供风装置中的风筒的尾端安装在支撑杆上且支撑杆设置在双层支撑台的顶部平台后部左右两侧。工控机根据采集的图像信息判定病害等级的过程为：a、首先对采集的图片进行灰度化处理，之后利用边缘检测法，将叶片、病斑以及背景区域分割开，利用二值化方法，完成叶片区域、病斑区域和其它区域以及叶片区域与病斑区域的图像分离；之后，对叶片区域进行逐行扫描，从而确定出叶片轮廓所包含的像素点个数，确定出叶片的实际面积S’；以同样的方法，扫描计算出病斑面积S；并根据叶片的实际面积S’和病斑面积S计算获得叶片的相对病斑大小η：之后对多个叶片的相对病斑大小η求和并除以叶片数量获得叶片的相对病斑大小均值当则相对病斑大小的程度xi＝0；当则相对病斑大小的程度xi＝0.5；当则相对病斑大小的程度xi＝1；b、根据RGB三原色模型，对采集的图片进行颜色特征提取，利用欧式距离计算图像信息；根据K-means聚类方法，在颜色空间下对叶片的绿叶区域和病害区域同时进行聚类，确定出两个聚类中心；之后将叶片划分为绿叶区域和病害区域，以上述两个聚类中心进行图像的标记，分别提取出绿叶区域的灰度值q′和病害区域的灰度值p′,然后分别与该种果树正常情况下的绿叶区域的阈值q和病害区域的阈值p分别做对比，获得绿叶的相对颜色深度G：G＝q′/q、病斑的相对颜色深度H：H＝p′/p，且别对多个叶片的绿叶的相对颜色深度G求和并除以叶片数量获得绿叶的相对颜色深度均值对多个叶片的病斑的相对颜色深度H求和并除以叶片数量获得病斑的相对颜色深度均值根据绿叶区域的阈值q确定对应的下限值g1和上限值g2，范围分别为0.8＜g1＜0.9、1.1＜g2＜1.2，若则绿叶的相对颜色深度的程度yj＝0；若则绿叶的相对颜色深度的程度yj＝0.5；若则绿叶的相对颜色深度的程度yj＝1；同时根据病害区域的阈值p确定对应的下限值h1和上限值h2，范围分别为0.7＜h1＜0.8、1.2＜h2＜1.3；若病斑的相对颜色深度的程度zk＝0；若病斑的相对颜色深度的程度zk＝0.5；若病斑的相对颜色深度的程度zk＝1；c、根据步骤(a)获得的相对病斑大小的程度xi、步骤(a)获得的绿叶的相对颜色深度的程度yj和病斑的相对颜色深度的程度zk去计算判定病害等级：μ＝xi-yj+zk；若-1≤μ≤0，则病害等级为低；0＜μ≤1，则病害等级为中；1＜μ≤2，则病害等级为高。据步骤(c)得到的病害等级确定理想药液的喷射系数Ki，并乘以预防施药的单位体积的理想喷药量R获得药液实际单位体积喷射量Rk：Rk＝Ki·R，其中理想药液的喷射系数Ki根据施药对象以及药液种类确定，R的药液浓度范围为0.025L/m3～0.13L/m3。所述的自走系统上设有能够测量自走系统的实时行进速度的霍尔传感器且霍尔传感器能够把自走系统的实时行进速度传送给工控机，工控机根据激光传感器测出的靶标距离和霍尔传感器传回的实时行进速度获得靶标的冠层总体积。本专利技术相比现有技术有如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多传感器的精准变量果树施药机器人，其特征在于：该机器人包括：自走系统，用于安装机器人激光传感器(10)、摄像机(11)、单片机(9)、设置供药系统和变量喷雾系统的双层支撑台(17)并带动整个机器人行进；激光传感器(10)，用于检测靶标的有无并在检测到靶标后发送信号给工控机，所述工控机控制激光传感器(10)进行距离信息采集并将采集的距离信息传输给工控机进行处理；摄像机(11)，用于接收工控机的信号对靶标进行图像采集并将采集的图像信息传输给工控机进行处理；工控机，用于接收激光传感器(10)的靶标信号且分别控制激光传感器(10)进行靶标距离信息采集、摄像机(11)进行靶标图像采集，工控机根据采集的图像信息判定病害等级并根据靶标的距离信息获得靶标的冠层总体积以确定喷药量，工控机将喷药量信息传递至单片机(9)；单片机(9)，用于接收工控机传递过来的喷药量信息并控制供药系统向变量喷雾系统供药、控制变量喷雾系统施药。

【技术特征摘要】
1.一种基于多传感器的精准变量果树施药机器人，其特征在于：该机器人包括：自走系统，用于安装机器人激光传感器(10)、摄像机(11)、单片机(9)、设置供药系统和变量喷雾系统的双层支撑台(17)并带动整个机器人行进；激光传感器(10)，用于检测靶标的有无并在检测到靶标后发送信号给工控机，所述工控机控制激光传感器(10)进行距离信息采集并将采集的距离信息传输给工控机进行处理；摄像机(11)，用于接收工控机的信号对靶标进行图像采集并将采集的图像信息传输给工控机进行处理；工控机，用于接收激光传感器(10)的靶标信号且分别控制激光传感器(10)进行靶标距离信息采集、摄像机(11)进行靶标图像采集，工控机根据采集的图像信息判定病害等级并根据靶标的距离信息获得靶标的冠层总体积以确定喷药量，工控机将喷药量信息传递至单片机(9)；单片机(9)，用于接收工控机传递过来的喷药量信息并控制供药系统向变量喷雾系统供药、控制变量喷雾系统施药。2.根据权利要求1所述的基于多传感器的精准变量果树施药机器人，其特征在于：所述的自走系统能够在单片机(9)的控制下按照设定的方向、路线、速度进行自主行走或由工控机通过单片机(9)进行远程遥控行走。3.根据权利要求1或2所述的基于多传感器的精准变量果树施药机器人，其特征在于：所述的自走系统包括履带轮(5)、履带电机(6)，单片机(9)通过电流放大模块与履带电机(6)相连，履带电机(6)依次通过减速器和链传动将动力传递给履带轮(5)，使得单片机(9)能够控制履带轮(5)的行进。4.根据权利要求1所述的基于多传感器的精准变量果树施药机器人，其特征在于：所述双层支撑台(17)的底部平台上设有自走系统中的履带电机(6)和给整个机器人供电的电源系统；所述双层支撑台(17)的顶部平台上设有单片机(9)、供药系统和变量喷雾系统，变量喷雾系统安装在支撑架(18)末端并通过支撑架(18)安装在双层支撑台(17)的顶部平台上。5.根据权利要求4所述的基于多传感器的精准变量果树施药机器人，其特征在于：所述的双层支撑台(17)的顶部平台的前端设有平台支座(16)，平台支座(16)的前端安装激光传感器(10)，平台支座(16)的后端左右两侧分别放置摄像机(11)以使得摄像机(11)的拍摄目标和激光传感器(10)的检测目标一致。6.根据权利要求1所述的基于多传感器的精准变量果树施药机器人，其特征在于：所述的供药系统包括放置在双层支撑台(17)的顶部平台上的供药电机(8)、药箱(12)、直流隔膜泵(19)、阀门组(7)以及相应的连接管，所述药箱(12)的顶部设有药箱盖且药箱(12)的进液口处设有过滤网，药箱(12)的岀液口通过管路连接至直流隔膜泵(19)的进液口、直流隔膜泵(19)的出液口通过软橡胶管连接至阀门组(7)，阀门组(7)分别通过不同的施药管与对应的变量喷雾系统相连接；所述的直流隔膜泵(19)通过线路与供药电机(8)相连接且供药电机(8)通过线路与单片机(9)相连接，单片机(9)通过供药电机(8)启动直流隔膜泵(19)向变量喷雾系统供药。7.根据权利要求1或6所述的基于多传感器的精准变量果树施药机器人，其特征在于：所述的变量喷雾系统包括喷头(2)和电磁阀(3)，电磁阀(3)通过线路与单片机(9)相连接以控制电磁阀(3)的开合，供药系统供应的药液通过电磁阀(3)输送至喷头(2)进行施药。8.根据权利要求1所述的基于多传感器的精准变量果树施药机器人，其特征在于：所述的机器人还包括可调供风装置，可调供风装置包括风筒(1)和位于风筒(1)中的风机(13)和无刷电机(14)，无刷电机(14)通过线路与单片机(9)相连接且单片机(9)通过无刷电机(14...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱威，欧阳思莹，林建军，王栋辉，田佳运，孙玉慧，廖洋洋，王慧，姚新月，
申请(专利权)人：南京农业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32