自平衡农用植保机器人制造技术

自平衡农用植保机器人属于农业机械技术领域，主要由农业溶液盛装容器，行走轮，自平衡装置，机器视觉模块，激光循迹模块，变量喷施液体装置，静止承托支架，遥控装置，电池组，喷施液体所需的管路等组成。本实用新型专利技术专利在于提供一种独轮的、具有自平衡性能的农用植保机器人，其工作过程中可精确或者变量喷施农业液体药剂或者液体肥料，其作业过程可自动或者半自动。本实用新型专利技术专利的推广能够降低农民的劳动强度，保护农民的生命健康。本实用新型专利技术专利与现有的高地隙喷药机相比能降低植保作业对作物秧苗的伤害，与现有的植保无人机相比，能够显著降低雾滴漂移。

Self-balancing Agricultural Plant Protection Robot

【技术实现步骤摘要】
自平衡农用植保机器人
本技术专利属于农业机械
，具体涉及一种行间作业的具有自平衡特征的自动或半自动农用植保机械。
技术介绍
农业机械进入田间作业不可避免地会造成作物秧苗的损害，这一直是田间植保作业亟需解决的问题之一。大多数植保机械进入田间作业需要跨越作物行，造成秧苗损害的原因主要包括作业机械离地间隙低以及轮胎或者履带过宽。因此，研发不需要跨越作物行，可在作物行间进行作业的窄轮宽作业机械可解决上述问题。目前，农药、化肥的过量施用造成了粮食安全隐患，同时也增加了农业生产的成本，不仅如此，人工喷施农药还威胁农民的生命健康安全。因此，研发可以变量以及精量喷施农药、液体肥料的自动作业或半自动作业的机械可以解决上述问题。
技术实现思路
本技术专利在于提供一种独轮的、具有自平衡性能的农用植保机器人，本技术专利应达到的技术指标为可精确或者变量喷施农业液体药剂或者液体肥料，其作业过程可自动或者半自动。自平衡农用植保机器人包括农业溶液盛装容器，行走轮，自平衡装置，机器视觉模块，激光循迹模块，变量喷施液体装置，静止承托支架，遥控装置；还包括电池组，喷施液体所需的管路。所述自平衡农用植保机器人能够以独轮自平衡的方式进行自动或者遥控作业，自平衡农用植保机器人的两端均可以作为行进时的前端，且可以在田间地头转向。因其轮胎窄，且不需要跨越作物行作业，因此可以降低植保作业过程中对秧苗的损害。自动作业或者遥控作业可使农民远离药剂或者肥料，既降低了农民的劳动强度、又保障了农民的生命健康。所述的农业溶液盛装容器可盛装液体药剂或者肥料，为T型包围式设计，依据机器视觉模块、激光循迹模块、变量喷施液体装置、行走轮、自平衡装置、适配的供电电池组的尺寸设计有安装槽，安装槽处的壁厚与其余部位的壁厚相等。所述的行走轮的轮毂上安装伺服轮毂电机，轮胎可选用充气或免充气橡胶轮胎。所述的自平衡装置包含陀螺仪，铅芯平衡摆，铅芯平衡摆伺服电机，控制单元，控制单元可独立自动作业或者接收遥控信号。所述的机器视觉模块由工业摄像头、视觉光源、红外避障传感器、图像处理单片机、图像处理算法、避障算法组成；避障算法为自平衡农用植保机器人两侧的红外避障传感器检测两侧作物行距离传感器自身的距离，然后通过设定距离差阈值确定自平衡农用植保机器人是否处于作物行的中间。所述的激光循迹模块由激光发射器、激光接收器与数据输出单元组成，数据输出单元可兼容串行通信协议、并行通信协议与数据通信协议。通过田间目标位置设定的靶标，可自动引导本技术的自平衡农用植保机器人行进。所述的变量喷施液体装置包含基于脉冲宽度调制的喷头、电动泵体和变量喷施控制装置，变量喷施控制装置可独立自动工作或者接收遥控信号；变量喷施控制装置可以依据农田中作物密度、杂草密度改变液体喷施量，或者依据机器视觉模块识别的作物或者杂草位置，进行精确喷施。所述的静止承托支架由电动伸缩机构及其控制模块组成，控制模块可独立自动工作或者接收遥控信号。所述的遥控装置可接收无线保真、蓝牙或者红外控制信号。所述的铅芯平衡摆为倒立钟摆型，其质心位于距离摆轴1/3至4/5处。所述的控制单元驱动伺服轮毂电机与铅芯平衡摆伺服电机运动，伺服轮毂电机的转动量由如下公式确定：△α=P[(σk-σk-1)+∫σkdt+d(σk-σk-1-σk-2)/dt]其中，以垂直于地面向上的方向为z轴，以自平衡农用植保机器人带有静止承托支架的一侧为y轴建立右手笛卡尔坐标系，σ为陀螺仪检测到当前时刻自平衡农用植保机器人绕x轴方向的倾角，k为计时起点时刻，k-1为前1时刻，k-2则为前2时刻，P为比例常数，t为时间间隔，△α为伺服轮毂电机需要调整的角度；铅芯平衡摆伺服电机转动量由如下公式确定：△γ=-Q[(θk-θk-1)+∫θkdt+d(θk-θk-1-θk-2)/dt]其中，以垂直于地面向上的方向为z轴，以自平衡农用植保机器人带有静止承托支架的一侧为y轴建立右手笛卡尔坐标系，θ为陀螺仪检测到当前时刻自平衡农用植保机器人绕y轴方向的倾角，k为计时起点时刻，k-1为前1时刻，k-2则为前2时刻，Q为比例常数，t为时间间隔，△γ为铅芯平衡摆伺服电机需要向反方向调整的角度。所述的工业摄像头在自平衡农用植保机器人的两端各有2组，每组的拍摄角度可以调整，调整的范围为135°的球面以内，球面以工业摄像头的主光轴和安装平面的交点为坐标原点，视觉光源可依据工业摄像头主光轴的角度调整而改变其照射方向。所述的图像处理算法为首先将采集的视频流分解为单帧图像，然后将图像进行配准，灰度变化后进行HSV色彩空间变换，进而采用色彩直方图的反向投影确定图像中的目标物体，最后确定图像中目标物体的面积与宽高比，从而确定图像中的物体属于种植作物还是杂草，最后依据两组工业摄像头的双目视觉性能，对种植作物或者杂草进行精确定位。本技术专利能够降低农民的劳动强度，保护农民的生命健康。本技术专利与现有的高地隙喷药机相比能降低植保作业对作物秧苗的伤害，与现有的植保无人机相比，能够显著降低雾滴漂移；除此之外，本技术专利的制造成本要远远低于现有的高地隙喷药机与植保无人机。附图说明图1为自平衡农用植保机器人的整体三维结构示意图。图2为农业溶液盛装容器的整体三维结构示意图。图3为行走轮的整体三维结构示意图。图4为铅芯平衡摆与铅芯平衡摆伺服电机的三维结构示意图。图5为机器视觉模块的三维结构示意图。图6为激光循迹模块的三维结构示意图。其中：1.农业溶液盛装容器；2.行走轮；3.机器视觉模块；4.激光循迹模块；5.静止承托支架；6.基于脉冲宽度调制的喷头；7.激光循迹模块安装槽；8.机器视觉模块安装槽；9.箱体盖；10.铅芯平衡摆安装槽；11.基于脉冲宽度调制的喷头安装槽；12.行走轮安装槽；13.适配的供电电池组安装槽；14.行走轮的轮毂；15.行走轮的轮胎；16.伺服轮毂电机；17.轮轴；18.铅芯平衡摆；19.摆轴；20.铅芯平衡摆伺服电机；21.视觉光源；22.工业摄像头；23.红外线发射传感器；24.红外线接收传感器；25.激光发射器Ⅰ；26.激光接收器Ⅰ；27.激光收发灵敏度调节装置Ⅰ；28.激光收发灵敏度调节装置Ⅱ；29.激光发射器Ⅱ；30.激光接收器Ⅱ。具体实施方式如图1所示，自平衡农用植保机器人包括农业溶液盛装容器1，行走轮2，自平衡装置，机器视觉模块3，激光循迹模块4，变量喷施液体装置，静止承托支架5，遥控装置；所述自平衡农用植保机器人能够以独轮自平衡的方式进行自动或者遥控作业。如图2所示，农业溶液盛装容器1可盛装液体药剂或者肥料，为T型包围式设计，依据各组件的尺寸设计有激光循迹模块安装槽7、机器视觉模块安装槽8、箱体盖9、铅芯平衡摆安装槽10、基于脉冲宽度调制的喷头安装槽11、行走轮安装槽12、适配的供电电池组安装槽13，安装槽处的壁厚与其余部位的壁厚相等。农业溶液盛装容器1为树脂材料制作，容积为30L到50L。如图3所示，行走轮的轮毂14直径为30cm至45cm，行走轮的轮胎15宽度为5cm至8cm，轮毂上安装伺服轮毂电机16，轮毂电机的工作电压为37V到72V，轮胎15可选用充气或免充气橡胶轮胎。自平衡装置包含陀螺仪，铅芯平衡摆18，铅芯平衡摆伺服电机20，控制单元；铅芯平衡摆如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.自平衡农用植保机器人，其特征在于包括农业溶液盛装容器，行走轮，自平衡装置，机器视觉模块，激光循迹模块，变量喷施液体装置，静止承托支架，遥控装置；农业溶液盛装容器包覆于行走轮的外围，自平衡装置安装于农业溶液盛装容器的几何中心，机器视觉模块安装于农业溶液盛装容器的两端，激光循迹模块安装于机器视觉模块的下方，变量喷施液体装置安装于农业溶液盛装容器的两侧，静止承托支架安装于农业溶液盛装容器的任意一侧的斜下方。

【技术特征摘要】
1.自平衡农用植保机器人，其特征在于包括农业溶液盛装容器，行走轮，自平衡装置，机器视觉模块，激光循迹模块，变量喷施液体装置，静止承托支架，遥控装置；农业溶液盛装容器包覆于行走轮的外围，自平衡装置安装于农业溶液盛装容器的几何中心，机器视觉模块安装于农业溶液盛装容器的两端，激光循迹模块安装于机器视觉模块的下方，变量喷施液体装置安装于农业溶液盛装容器的两侧，静止承托支架安装于农业溶液盛装容器的任意一侧的斜下方。2.如权利要求1所述的自平衡农用植保机器人，其特征在于所述的农业溶液盛装容器为T型包围式设计，依据机器视觉模块、激光循迹模块、变量喷施液体装置、行走轮、自平衡装置、适配的供电电池组的尺寸设计有安装槽，安装槽处的壁厚与其余部位的壁厚相等。3.如权利要求1所述的自平衡农用植保机器人，其特征在于所述的行走轮的轮毂上安装伺服轮毂电机，轮胎可选用充气或免充气橡胶轮胎。4.如权利要求1所述的自平衡农用植保机器人，其特征在于所述的自平衡装置包含陀螺仪，铅芯平衡摆，铅芯平衡摆伺服电机，控制单元；铅芯平衡摆为倒立钟摆型，其质心位于距离摆轴1/3至4/5处；控制单元可独立自动作业或者接收遥控信号，控制单元驱动伺服轮毂电机与铅芯平衡摆伺服电机运动，伺服轮毂电机的转动量由如下公式确定：△α=P[(σk-σk-1)+∫σkdt+d(σk-σk-1-σk-2)/dt]其中，以垂直于地面向上的方向为z轴，以自平衡农用植保机器人带有静止承托支架的一侧为y轴建立右手笛卡尔坐标系，σ为陀螺仪检测到当前时刻自平衡农用植保机器人绕x轴方向的倾角，k为计时起点时刻，k-1为前1时刻，k-2则为前2时刻，P为比例常数，t为时间间隔，△α为伺服...

【专利技术属性】
技术研发人员：王强，王刚，刘慧力，季爽风，
申请(专利权)人：长春市智本致华科技有限公司，
类型：新型
国别省市：吉林,22