專利：一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu)及規(guī)劃路徑方法.pdf

19 中華 人民共和國 國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局 12 發(fā)明 專利申請(qǐng) 10 申請(qǐng)公布號(hào) 43 申請(qǐng)公布日 21 申請(qǐng) 號(hào) 202110578048 0 22 申請(qǐng)日 2021 05 26 71 申請(qǐng)人 江蘇 大 學(xué) 地址 212013 江蘇省鎮(zhèn)江市京口區(qū)學(xué)府路 301號(hào) 72 發(fā)明人 劉慧 段云鵬 張世義 姜高峰 沈躍 51 Int Cl G05D 1 02 2020 01 54 發(fā)明名稱 一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人結(jié) 構(gòu)及規(guī)劃路徑方法 57 摘要 本發(fā)明公開了一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送 噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu)及規(guī)劃路徑方法 阿克曼移動(dòng)底 盤1上固定有系統(tǒng)支架2 數(shù)據(jù)采集模塊6 所述系 統(tǒng)支架2上設(shè)有變量噴霧系統(tǒng)3 變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng) 4 供電模 塊5 中央處理器7 所述變量噴霧系統(tǒng)3 由水箱31 水泵32 分流器33 電磁閥 4 噴頭組 件35組成 所述變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng)4由涵道41 電機(jī) 42 槳葉43組成 所述數(shù)據(jù)采集模塊6由三臺(tái)二維 激光雷達(dá)61和激光固定板62組成 所述中央處理 器7用于控制阿克曼移動(dòng)底盤1的行進(jìn)速度和方 向 變量噴霧系統(tǒng)3的噴霧量和噴霧時(shí)間 變風(fēng)速 風(fēng)送系統(tǒng)4的風(fēng)速和風(fēng)量 本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)了精 準(zhǔn)的變量送 風(fēng)和變量噴霧 提高了霧滴的冠層穿 透性和沉積分布量 權(quán)利要求書3頁 說明書7頁 附圖4頁 CN 113341961 A 2021 09 03 CN 113341961 A 1 一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu) 其特征在于 包括阿克曼移動(dòng)底盤 1 系統(tǒng)支架 2 變量噴霧系統(tǒng) 3 變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng) 4 供電模塊 5 阿克曼移動(dòng)底盤 1 上固定有系統(tǒng)支架 2 數(shù)據(jù)采集模塊 6 系統(tǒng)支架 2 上設(shè)有變量噴霧系統(tǒng) 3 變風(fēng) 速風(fēng)送系統(tǒng) 4 供電模塊 5 中央處 理器 7 所述變量噴霧系統(tǒng) 3 由水箱 31 水泵 32 分流器 33 電磁閥 34 噴頭 組件 35 組成 用于給大棚內(nèi)植株噴灑藥物 通過水管 36 將他們連通 藥液存放于水箱 31 中 依 次通過水泵 32 分流器 33 電磁閥 34 噴頭組件 35 噴灑到植株冠層 所述變風(fēng)速風(fēng) 送系統(tǒng) 4 由涵道 41 電機(jī) 42 槳葉 43 組成 電機(jī) 42 軸端連接槳葉 43 并內(nèi)置于涵 道 41 內(nèi) 并用直角件 44 固定于系統(tǒng)支架 2 上 變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng) 4 用于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)速 與風(fēng)量 將霧化的藥液覆蓋更廣的作物面積 所述供電模塊 5 用于為水泵 32 電磁閥 34 電機(jī) 42 數(shù)據(jù)采集模塊 6 中的二維激光雷達(dá) 61 中央處理器 7 提供電力 所述 中央處 理器 7 用于路徑規(guī)劃算法和靶標(biāo)植株 體積檢測(cè)算法所需的算力和存 儲(chǔ)需求 2 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu) 其特征在于 所 述阿克曼移動(dòng)底盤 1 用于噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向以及 姿態(tài) 位置調(diào)整 并為作業(yè)系統(tǒng)提供 搭 載平臺(tái) 3 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu) 其特征在于 所 述系統(tǒng)支架 2 分為上 中 下三部 分 下層部 分使用螺栓螺母將其固定在阿克曼移動(dòng)底盤 1 上 并搭載下層鋁板 將供電模塊 5 中央處理器 7 電磁閥 34 通過螺栓螺母固定于 下層鋁板上 中層部分搭載中層鋁板 用于固定水箱 31 水泵 32 和分流器 33 上層部 分用于搭載 噴頭組件 35 水管 36 和變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng) 4 所述系統(tǒng)支架 2 由鋁型材和 鋁板通過金屬角件連接而成 給整個(gè)平臺(tái)提供了支撐和承重作用的同時(shí)也減輕了平臺(tái)的質(zhì) 量 此外 鋁型 材的凹槽結(jié)構(gòu)還可以作為電源線 信號(hào)線和水 管 3 6 的布線通道 4 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu) 其特征在于 所 述水箱 31 通過不銹鋼 卡箍將其固定在系統(tǒng)支架 2 中層鋁板前端 所述水泵 32 和分流 器 33 使用螺栓螺母固定于系統(tǒng)支架 2 中層鋁板后端 所述電磁閥 34 共8個(gè) 左右各放 置4個(gè) 使用螺栓螺母固定于系統(tǒng)支架 2 下層鋁板后端 所述噴頭組件 35 由快速接頭 352 兩端連接噴頭 351 和轉(zhuǎn)接頭 353 組成 通過騎馬卡 354 固定在噴頭支撐板 355 上 所述噴頭組件 35 共8個(gè) 左右各4個(gè) 在豎直方向等距排列 通過直角件 44 固定于系 統(tǒng)支 架 2 上層 5 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu) 其特征在于 所 述變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng) 4 包括8個(gè)涵道 41 8個(gè)電機(jī) 42 8個(gè) 槳葉 43 所述涵道 41 左右各放置4個(gè) 外部通過直角件 44 固定在系統(tǒng)支架 2 上層 在豎直 方向等距 排列 與噴頭組件 35 一一對(duì)應(yīng) 每個(gè)涵道 41 內(nèi)部通過螺栓固定一個(gè)電機(jī) 42 電機(jī) 42 上裝有槳葉 43 通過電調(diào)控制電機(jī) 42 的轉(zhuǎn)速 進(jìn) 而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速和風(fēng) 量的調(diào)節(jié) 6 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu) 其特征在于 所 述供電模塊 5 主要包括6S60AH鋰電池 51 將其固定于系統(tǒng)支架 2 下層鋁板后端 為水 泵 32 電磁閥 34 電機(jī) 42 二維激光雷達(dá) 61 中央處 理器 7 提供電力 7 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫室自主精準(zhǔn)變量 風(fēng)送噴霧 機(jī)器人 結(jié)構(gòu) 其特 征在于 所述數(shù)據(jù)采集模塊 6 由三臺(tái)二維激光雷達(dá) 61 和激光固定板 62 組成 所述激光固 權(quán) 利 要 求 書 1 3 頁 2 CN 113341961 A 定板 62 分為前激光固定板 621 上激光固定板 622 和后激光固定板 623 所述前激光 固定板 621 和上激光固定板 622 呈 Z 字型 兩者通過螺栓螺母固定在一起 然后將其固 定在阿克曼移動(dòng)底盤 1 的前端 所述后激光固定板 623 固定在阿克曼移動(dòng)底盤 1 的后 端 所述二維激光雷達(dá) 61 共三臺(tái) 分為前激光雷達(dá) 611 上激光雷達(dá) 612 和后激光雷 達(dá) 613 所述前激光雷達(dá) 611 水平放置 固定在前激光固定板 621 用于檢測(cè)溫室自主 精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人前方障礙物 上激光雷達(dá) 612 豎直放置 固定在上激光固定板 622 用于掃描溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人兩側(cè)植株冠層的體積 后激光雷達(dá) 613 水平放置 固定在后激光固定板 623 用于檢測(cè)溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人 后方障礙物 8 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu) 其特征在于 所 述中央處理器 7 固定于系統(tǒng)支架 2 下層鋁板前端 所述中央處理器 7 為英特爾酷睿八 代i7 8565u處 理器 9 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu)的規(guī)劃路徑方 法 其特征在于 為排除非相 鄰樹行干擾 設(shè)置感興趣區(qū)域 ROI提取兩側(cè)相 鄰樹行 本發(fā)明采 用橢圓ROI 以極軸為長(zhǎng)軸方向 橢圓極坐標(biāo) 方程如下 其中 為極角 a為長(zhǎng)軸長(zhǎng)度 b為短軸長(zhǎng)度 從前激光雷達(dá) 611 采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中篩選出r r 0的測(cè)量點(diǎn)用作路徑提取 建立直 角坐標(biāo)系 將測(cè)量 點(diǎn)極坐標(biāo) r i i 變換為 直角坐標(biāo) x i y i 采用最小二乘法分別擬合左右兩側(cè)樹行直線 根據(jù)直線斜率估計(jì)偏航角 屬于ROI內(nèi) 所有測(cè)量點(diǎn) 角度小于 的屬于左側(cè)樹行 角度大于 的屬于右側(cè)樹行 計(jì)算出左右 樹行間的 中心線作為 導(dǎo) 航路徑 進(jìn)一步 一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人后退時(shí)的路徑規(guī)劃采用后激光雷達(dá) 613 所采集的數(shù)據(jù) 規(guī)劃方法與向前時(shí)路徑規(guī)劃方法一 致 進(jìn)一 步進(jìn)行靶標(biāo)植株 體積檢測(cè)為 上激光雷達(dá) 612 水平安裝 向上掃描 將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類處理 擬合出植 株樹干 計(jì)算出激光雷達(dá)和植株樹干之間的距離l 激光雷達(dá)的角度分辨率為0 225 因此 相鄰兩點(diǎn)云之間的角度差為0 2 25 相鄰兩點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間存在 如下關(guān)系 其中 i和 i 1為兩相鄰點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的角度 l i和l i 1為兩相鄰點(diǎn)云所采集到的距離值 即激 權(quán) 利 要 求 書 2 3 頁 3 CN 113341961 A 光雷達(dá)與靶標(biāo)植株之間的距離 d i和d i 1為樹冠外側(cè)與樹干間的距離 h為兩相鄰點(diǎn)云在豎 直方向上的距離 每?jī)上噜忺c(diǎn)云之間覆蓋的靶標(biāo)植株側(cè)面積S i近似于梯形 為 二維激光雷達(dá)的掃描頻率 為25 Hz 在噴霧 機(jī)器人 前進(jìn)過程中 其中 t為激光雷達(dá)掃描一幀數(shù)據(jù)所需時(shí)間 W為一幀激光雷達(dá)掃描的寬度 即激光雷 達(dá)采集一幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)間內(nèi)噴霧機(jī)器人所前進(jìn)的距離 v為噴霧機(jī)器人前進(jìn)的速度 V i 為 兩相鄰點(diǎn)云之間植株冠層的體積 將5幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一次累計(jì) 即每 幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)所占體積為 噴霧機(jī)器人單側(cè)安裝四個(gè)噴頭組件 35 從上到下依次記為1 2 3和4號(hào) 1號(hào)噴頭組件 對(duì)應(yīng)角度為20 30 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 2號(hào)噴頭組件對(duì)應(yīng)角度為30 50 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 3號(hào)噴頭組件 對(duì)應(yīng)角度為50 80 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 4號(hào)噴頭組件對(duì)應(yīng)角度為80 135 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 計(jì)算出對(duì)應(yīng) 點(diǎn)云數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)植株體積V i的總和V 5i 根據(jù)施藥模型對(duì)植株冠層進(jìn)行噴藥量計(jì)算 生成脈 寬調(diào)制信號(hào)PWM存儲(chǔ)到噴霧數(shù)組 延時(shí)控制后根據(jù)噴霧數(shù)組中脈寬調(diào)制信號(hào)的大小實(shí)時(shí)調(diào) 節(jié)噴頭流 量 實(shí)現(xiàn)對(duì) 靶變量噴霧作業(yè) 權(quán) 利 要 求 書 3 3 頁 4 CN 113341961 A 一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī) 器人結(jié)構(gòu)及 規(guī)劃路徑方 法 技術(shù)領(lǐng)域 0001 本發(fā)明涉及 一種噴霧機(jī)器人 更具體地說是一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器 人 結(jié)構(gòu)及規(guī)劃路徑方法 背景技術(shù) 0002 溫室農(nóng)業(yè)是我國設(shè)施農(nóng)業(yè)中的一個(gè)重要組成部分 為保證大棚果蔬的產(chǎn)出質(zhì)量 需要在果蔬的生長(zhǎng)周期內(nèi)進(jìn)行多次噴藥 大棚植株在不同的生長(zhǎng)時(shí)期呈現(xiàn)不同的外形結(jié) 構(gòu) 其枝葉的疏密程度隨時(shí)間和季節(jié)的轉(zhuǎn)變而變化 目前國內(nèi)大中型果蔬大棚大多配置了 自動(dòng)控制系統(tǒng) 自動(dòng)控制系統(tǒng)多采用PLC控制系統(tǒng) 使用同一套裝置進(jìn)行自動(dòng)澆水與施藥 可實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量噴藥 一般不能實(shí)現(xiàn)精量控制 存在重噴 漏噴 誤噴現(xiàn)象 不僅浪費(fèi)了農(nóng) 藥 而且被浪費(fèi) 的農(nóng)藥還對(duì)土地和其他作 物造成了二次污染 針對(duì)這一問題 設(shè)計(jì)了能夠?qū)?現(xiàn)智能精準(zhǔn)變量噴藥功能的大棚自主噴霧 機(jī)器人 發(fā)明內(nèi)容 0003 本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人 適用于溫室大棚 內(nèi)作業(yè) 能夠高精度的實(shí)現(xiàn)對(duì)植株靶標(biāo)有無 大小 形狀和密度等特征的檢測(cè) 從而進(jìn)行適 量 均勻 精準(zhǔn)對(duì)靶的變量 噴霧 提高農(nóng)藥使用效率 降低噴施誤靶率 節(jié)約 成本 減少 對(duì)環(huán) 境污染和操作者 安全隱患問題 0004 為實(shí)現(xiàn)上述目的 本發(fā)明的技 術(shù)方案如下 0005 一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu) 包括阿克曼移動(dòng) 底盤 1 系統(tǒng)支架 2 變量噴霧系統(tǒng) 3 變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng) 4 供電模塊 5 阿克曼移動(dòng)底盤 1 上固定有系 統(tǒng)支架 2 數(shù)據(jù)采集模塊 6 系統(tǒng)支架 2 上設(shè)有變量噴霧系統(tǒng) 3 變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng) 4 供電模塊 5 中央處 理器 7 0006 所述變量噴霧系統(tǒng) 3 由水箱 31 水泵 32 分流器 33 電磁閥 34 噴頭組件 35 組成 用于給大棚內(nèi)植株噴灑藥物 通過水管 36 將他們連通 藥液存放于水箱 31 中 依次通過水泵 32 分流器 33 電磁閥 34 噴頭組件 35 噴灑到植株冠層 所述變風(fēng) 速風(fēng)送系統(tǒng) 4 由涵道 41 電機(jī) 42 槳葉 43 組成 電機(jī) 42 軸端連接槳葉 43 并內(nèi)置 于涵道 41 內(nèi) 并用直角件 44 固定于系統(tǒng)支架 2 上 變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng) 4 用于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié) 風(fēng)速與風(fēng)量 將霧化的藥液覆蓋更廣的作物面積 所述供電模塊 5 用于為水泵 32 電磁 閥 34 電機(jī) 42 數(shù)據(jù)采集模塊 6 中的二維激光雷達(dá) 61 中央處理器 7 提供電力 所 述中央處 理器 7 用于路徑規(guī)劃算法和靶標(biāo)植株 體積檢測(cè)算法所需的算力和存 儲(chǔ)需求 0007 進(jìn)一步 所述阿克曼移動(dòng)底盤 1 用于噴霧機(jī)器人結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向以及姿態(tài) 位置調(diào) 整 并為作業(yè)系統(tǒng)提供 搭 載平臺(tái) 0008 進(jìn)一步 所述系統(tǒng)支架 2 分為上 中 下三部分 下層部分使用螺栓螺母將其固 定在阿克曼移動(dòng)底盤 1 上 并搭載下層鋁板 將供電模塊 5 中央處理器 7 電磁閥 34 通過螺栓螺母固定于下層鋁板上 中層部分搭載中層鋁板 用于固定水箱 31 水泵 32 和 說 明 書 1 7 頁 5 CN 113341961 A 分流器 33 上層部分用于搭載 噴頭組件 35 水管 36 和變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng) 4 所述系統(tǒng) 支架 2 由鋁型材和鋁板通過金屬角件連接而成 給整個(gè)平臺(tái)提供了支撐和承重作用的同 時(shí)也減輕了平臺(tái)的質(zhì)量 此外 鋁型材的凹槽結(jié)構(gòu)還可以作為電源線 信號(hào)線和水管 36 的 布線通道 0009 進(jìn)一步 所述水箱 3 1 通過不銹鋼卡 箍將 其固定在系統(tǒng)支架 2 中層鋁 板前端 所 述水泵 32 和分流器 33 使用螺栓螺母固定于系統(tǒng)支架 2 中層鋁板后端 所述電磁閥 34 共8個(gè) 左右各放置4個(gè) 使用螺栓螺母固定于系統(tǒng)支架 2 下層鋁板后端 所述噴頭組 件 35 由快速接頭 352 兩端連接噴頭 351 和轉(zhuǎn)接頭 353 組成 通過騎馬卡 354 固定 在噴頭支撐板 355 上 所述噴頭組件 35 共8個(gè) 左右各4個(gè) 在豎直方向等距排列 通過直 角件 4 4 固定 于系統(tǒng)支 架 2 上層 0010 進(jìn)一 步 所述變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng) 4 包括8個(gè)涵道 41 8個(gè)電機(jī) 42 8個(gè) 槳葉 43 0011 所述涵道 41 左右各放置4個(gè) 外部通過直角件 44 固定在系統(tǒng)支架 2 上層 在 豎直方向等距排列 與噴頭組件 35 一一對(duì)應(yīng) 每個(gè)涵道 41 內(nèi)部通過螺栓固定一個(gè)電機(jī) 42 電機(jī) 42 軸端裝有槳葉 43 通過電調(diào)控制電機(jī) 42 的轉(zhuǎn)速 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速和風(fēng)量 的調(diào)節(jié) 0012 進(jìn)一步 所述供電模塊 5 主要包括6S60AH鋰電池 51 將其固定于系統(tǒng)支架 2 下層鋁板后端 為水泵 32 電磁閥 34 電機(jī) 42 二維激光雷達(dá) 61 中央處理器 7 提 供電力 0013 進(jìn)一步 所述數(shù)據(jù)采集模塊 6 由三臺(tái)二維激光雷達(dá) 61 和激光固定板 62 組成 所述激光固定板 62 分為前激光固定板 621 上激光固定板 622 和后激光固定板 623 所述前激光固定板 621 和上激光固定板 622 呈 Z 字型 兩者通過螺栓螺母固定在一起 然后將其固定在阿克曼移動(dòng)底盤 1 的前端 所述后激光固定板 623 固定在阿克曼移動(dòng)底 盤 1 的后端 0014 所述二維激光雷達(dá) 61 共三臺(tái) 分為前激光雷達(dá) 611 上激光雷達(dá) 612 和后激 光雷達(dá) 613 所述前激光雷達(dá) 611 水平放置 固定在前激光固定板 621 用于檢測(cè)溫室 自主精 準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人前方障礙物 上激光雷達(dá) 612 豎直放置 固定在上激光固定 板 622 用于掃描溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人兩側(cè)植株冠層 的體積 后激光雷達(dá) 613 水平放置 固定在后激光固定板 623 用于檢測(cè)溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人 后方障礙物 0015 進(jìn)一步 所述中央處理器 7 固定于系統(tǒng)支架 2 下層鋁 板前端 所述中央處理器 7 為英特爾酷睿八代i7 8565u處 理器 0016 進(jìn)一 步 所述路徑規(guī)劃方法為 0017 為排除非相 鄰樹行干擾 設(shè)置感興趣區(qū)域 Region of Interest ROI 提取兩側(cè)相 鄰樹行 本發(fā)明采用橢圓ROI 以極軸為長(zhǎng)軸方向 可采集到更多的樹行信息 提高樹行直線 的擬合精度 橢圓極坐標(biāo) 方程如下 0018 0019 其中 為極角 a為長(zhǎng)軸長(zhǎng)度 b為短軸長(zhǎng)度 0020 從前激光雷達(dá) 611 采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中篩選出r r 0的測(cè)量點(diǎn)用作路徑提取 建 說 明 書 2 7 頁 6 CN 113341961 A 立 直角坐標(biāo)系 將測(cè)量 點(diǎn)極坐標(biāo)變換為 直角坐標(biāo) 0021 0022 采用最小二乘法分別擬合左右兩側(cè)樹行直線 根據(jù)直線斜率估計(jì)偏航角 屬于 ROI內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn) 角度小于 的屬于左側(cè)樹行 角度大于 的屬 于右側(cè)樹行 計(jì)算出左右樹 行間的中心線作為 導(dǎo) 航路徑 0023 進(jìn)一步 一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人后退時(shí)的路徑規(guī)劃采用后激光雷 達(dá) 613 所采集的數(shù)據(jù) 規(guī)劃方法與向前時(shí)路徑規(guī)劃方法一 致 0024 進(jìn)一 步 所述靶標(biāo)植株 體積檢測(cè)算法為 0025 上激光雷達(dá) 612 水平安裝 向上掃描 將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類處理 擬合 出植株樹干 計(jì)算出激光雷達(dá)和植株樹干之間的距離l 激光雷達(dá)的角度分辨率為0 225 因此相鄰兩點(diǎn)云之間的角度差為0 2 25 相鄰兩點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間存在 如下關(guān)系 0026 0027 其中 i和 i 1為兩相鄰點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的角度 l i和l i 1為兩相鄰點(diǎn)云所采 集到的距 離值 即激光雷達(dá)與靶標(biāo)植株之間的距離 d i和d i 1為樹冠外側(cè)與樹干間的距離 h為兩相鄰點(diǎn)云 在豎直方向上的距離 0028 每?jī)上噜忺c(diǎn)云之間覆蓋的靶標(biāo)植株側(cè)面積S i近似于梯形 為 0029 0030 二維激光雷達(dá)的掃描頻率 為25 Hz 在噴霧 機(jī)器人 前進(jìn)過程中 0031 0032 其中 t為激光雷達(dá)掃描一幀數(shù)據(jù)所需時(shí)間 W為一幀激光雷達(dá)掃描的寬度 即激 光雷達(dá)采集一幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)間內(nèi)噴霧機(jī)器人所前進(jìn)的距離 v為噴霧機(jī)器人前進(jìn)的速度 Vi 為兩相鄰點(diǎn)云之間植株冠層的體積 0033 將5幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一次累計(jì) 即每 幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)所占體積為 0034 0035 噴霧機(jī)器人單側(cè)安裝四個(gè)噴頭組件 35 從上到下依次記為1 2 3和4號(hào) 1號(hào)噴頭 組件對(duì)應(yīng)角度為20 30 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 2號(hào)噴頭組件對(duì)應(yīng)角度為30 50 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 3號(hào)噴頭 組件對(duì)應(yīng)角度為50 80 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 4號(hào)噴頭組件對(duì)應(yīng)角度為80 135 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 計(jì)算出 對(duì)應(yīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)植株體積V i的總和V 5i 根據(jù)施藥模型對(duì)植株冠層進(jìn)行噴藥量計(jì)算 生 說 明 書 3 7 頁 7 CN 113341961 A 成脈寬調(diào)制信號(hào) PWM 存儲(chǔ)到噴霧數(shù)組 延時(shí)控制后根據(jù)噴霧數(shù)組中脈寬調(diào)制信號(hào)的大小 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴頭流 量 實(shí)現(xiàn)對(duì) 靶變量噴霧作業(yè) 0036 傳統(tǒng)人工施藥易導(dǎo)致施藥均勻性差 作業(yè)過程中存在重噴 漏噴 誤噴現(xiàn)象 作業(yè) 效率低 藥物利用率低 并且作業(yè)人員直接暴露在農(nóng)藥彌霧中 容易中毒 傳統(tǒng)的機(jī)械作業(yè) 易危害植株 不僅性能落后 而且故障率高 造成農(nóng)藥有效成分在病蟲草害嚴(yán)重的區(qū)域用量 不足 而在輕微或沒有發(fā)生的區(qū)域用量過度 本方案的宗旨便是 精準(zhǔn)高效 綠色環(huán)保 便 捷的手機(jī)端遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制交互界面 真正實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè) 穩(wěn)定可靠的底層移動(dòng)部分提 高了對(duì)作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性 噴霧系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的變量送風(fēng)和變量噴霧 提高了霧滴的冠 層穿透性和沉積分布量 0037 本發(fā)明所采用的方案為以阿克曼底盤為移動(dòng)平臺(tái) 的自主精準(zhǔn)變量噴霧機(jī)器人 主 要應(yīng)用于大中型設(shè)施大棚 適用于多數(shù)棚內(nèi)道路 附圖說明 0038 圖1為本發(fā)明左前 方視圖 0039 圖2為本發(fā)明左后方視圖 0040 圖3為本發(fā)明變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng)和噴頭組件結(jié)構(gòu)示 意圖 0041 圖4 為前側(cè)二維激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)示 意圖 0042 圖5為后側(cè)二維激光雷達(dá)結(jié)構(gòu)示 意圖 0043 圖6為路徑規(guī)劃示 意圖 0044 圖7為靶標(biāo)植株 體積計(jì)算 示 意圖 0045 其中 1 阿克曼移動(dòng)底盤 2 系統(tǒng)支架 3 變量噴霧系統(tǒng) 31 水箱 32 水泵 33 分 流器 34 電磁閥 35 噴頭組件 351 噴頭 352 快速接頭 353 轉(zhuǎn)接頭 354 騎馬卡 355 噴 頭支撐板 36 水管 4 變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng) 41 涵道 42 電機(jī) 43 槳葉 44 直角件 5 供電模 塊 51 6S60AH鋰電池 6 數(shù)據(jù)采集模塊 61 二維激光雷達(dá) 611 前激光雷達(dá) 612 上激光雷 達(dá) 613 后激光雷達(dá) 62 激光固定板 621前激光固定板 622 上激光固定板 623 后激光固 定 板 7 中央處 理器 具體實(shí)施方式 0046 下面結(jié)合 示 意圖具體說明所發(fā)明的一種溫室自主精準(zhǔn)變量 風(fēng)送噴霧 機(jī)器人 0047 如圖1 圖2 所示 一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人左前與左后結(jié)構(gòu)視圖 它 主要由阿克曼移動(dòng)底盤 1 系統(tǒng)支架 2 變量噴霧系統(tǒng) 3 變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng) 4 供電模 塊 5 數(shù)據(jù)采集模塊 6 組成整體結(jié)構(gòu)框架 并包括以下部分 水箱 31 水泵 32 分流器 33 電磁閥 34 噴頭組件 35 噴頭 351 快速接頭 352 轉(zhuǎn)接頭 353 騎馬卡 354 噴頭支撐板 355 水管 36 涵道 41 電機(jī) 42 槳葉 43 直角件 44 24V60AH鋰電池 51 二維激光雷達(dá) 61 前激光雷達(dá) 611 上激光雷達(dá) 612 后激光雷達(dá) 613 激光固 定 板 62 前激光固定 板 621 上激光固定 板 62 2 后激光固定 板 623 0048 阿克曼移動(dòng)底盤 1 采用經(jīng)典控制方法PID控制 包括橫向控制和縱向控制 分別 實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)向和速度的操控 具有良好的抗側(cè)翻性 行駛穩(wěn)定且靈活 適合溫室內(nèi)多為土壤且 路況較差的作業(yè)地面 系統(tǒng)支架 2 由鋁型材和鋁板通過金屬角件連接而成 在保證支架強(qiáng) 說 明 書 4 7 頁 8 CN 113341961 A 度的前提下極大的減輕了負(fù)載的重量 中央控制器 7 對(duì)前激光雷達(dá) 611 和后激光雷達(dá) 613 實(shí)時(shí)掃描 所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn) 行 處理 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障和局部路徑 規(guī)劃 兩個(gè)水平 放置激光 雷達(dá) 611 613 用于機(jī)器人的定位 避障和姿態(tài)調(diào)節(jié) 豎直放置的激光雷達(dá) 612 輔助變量 噴霧 變量噴霧系統(tǒng) 3 和變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng) 4 根據(jù)噴嘴前方植株的冠層體積和距離實(shí)現(xiàn)精 準(zhǔn)變量噴霧 0049 如圖3所示 變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng)和噴頭組件結(jié)構(gòu) 示意圖 涵道 41 通過3D打印加工制 作而成 涵道 41 內(nèi)部通過4根螺栓固定電機(jī) 42 涵道 41 外部通過直角件 44 固定在系 統(tǒng)支架 2 上 電機(jī) 42 通過電調(diào)來控制其轉(zhuǎn)速 實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速和風(fēng)量的調(diào)節(jié) 快速接頭 352 兩端連接噴頭 351 和轉(zhuǎn)接頭 353 通過騎馬卡 354 固定在噴頭支撐板 355 上 繼而通 過直角件 44 固定在系統(tǒng)支架 2 上層 變風(fēng)速風(fēng)送系統(tǒng) 3 和噴頭組件 35 一一對(duì)應(yīng) 各 有8組 每側(cè)安裝4組 每個(gè)電磁閥控制一個(gè)噴嘴 351 通過脈寬調(diào)制信號(hào)對(duì)電磁閥開關(guān)頻 率的控制實(shí)現(xiàn)變量 噴霧 開關(guān)頻率最高可達(dá)10Hz 通過對(duì)每個(gè)電機(jī) 42 轉(zhuǎn)速控制可細(xì)化液 滴 增強(qiáng)藥 液覆蓋率 從而實(shí)現(xiàn) 精準(zhǔn)噴霧 深層施藥 的目的 0050 如圖4和圖5所示 為前側(cè)二維激光雷達(dá)示意圖和后側(cè)二維激光雷達(dá)示意圖 前側(cè) 二 維激光雷達(dá)包括向前掃描的前激光雷達(dá) 611 和向上掃描的上激光雷達(dá) 612 后側(cè)二維 激光雷達(dá)為向后掃描的后激光雷達(dá) 613 通過螺栓螺母固定在激光固定板 62 上 繼而通 過螺母固定在阿克曼移動(dòng)底盤 1 的前端和后端 搭載英特爾酷睿八代i7 8565u處理器作 為中央處理器 7 完全能夠滿足三臺(tái)單線激光雷達(dá)點(diǎn)云計(jì)算和規(guī)劃算法所需的算力和存 儲(chǔ)需求 以主流的機(jī)器人軟件框架ROS Robot Operation System 作為 當(dāng)前開發(fā)環(huán)境 大量 的開源資料簡(jiǎn)化了感知規(guī)劃處理的難度 基于ROS開發(fā)的冠層點(diǎn)云體積處理算法和導(dǎo)航規(guī) 劃處理算法集合ROS系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn) 具有模塊化的特點(diǎn) 本方案充分利用前后兩臺(tái)激光 611 613 同時(shí)用于定位 姿態(tài)估計(jì)以及局部軌跡規(guī)劃 局部軌跡規(guī)劃采用結(jié)合阿克曼運(yùn)動(dòng)模 型 的teb算法 噴霧機(jī)器人根據(jù)前后兩臺(tái)二維激光雷達(dá) 611 613 的數(shù)據(jù) 實(shí)時(shí)調(diào)整行駛路線 及自身姿態(tài) 使噴霧機(jī)器人與植株之間保持一定的安全距離和噴霧距離 同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)作 業(yè)過程中避障功能 0051 如圖6所示 為路徑規(guī)劃示意圖 設(shè)置橢圓ROI Region of Interest 以極軸為長(zhǎng) 軸方向 可采集到更多的樹行信息 提高樹行直線的擬合精度 篩選出ROI內(nèi)的點(diǎn)云數(shù)據(jù) 采 用最小二乘法擬合出噴霧機(jī)器人兩側(cè)樹行直線 計(jì)算出左右兩側(cè)樹行直線的中心線作為導(dǎo) 航路線 噴霧機(jī)器人前進(jìn)時(shí)根據(jù)前激光雷達(dá) 611 采集到點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn) 行路徑 規(guī)劃 后退時(shí)根 據(jù)后激光雷達(dá) 613 采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃 0052 如圖7所示 為靶標(biāo)植株體積計(jì)算示意圖 上激光雷達(dá) 612 水平安裝 向上掃描 將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類處理 擬合出植株樹干 計(jì)算出激光雷達(dá)和植株樹干之間的 距離l 通過點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的角度 i和距離值l i可計(jì)算出兩相鄰點(diǎn)云之間靶標(biāo)植株側(cè)面積S i 結(jié)合噴霧機(jī)器人前進(jìn)速度v和 激光雷達(dá)采集數(shù)據(jù)的頻率25Hz 可計(jì)算出兩相鄰點(diǎn)云之間植 株冠層的體積V i 將5幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一次累計(jì) 計(jì)算出每5幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)所占體積V 5i 根據(jù) 施藥模 型對(duì)植株冠層 進(jìn) 行噴藥量計(jì)算 生 成脈寬調(diào)制 信號(hào) PWM 存儲(chǔ)到噴霧數(shù) 組 延時(shí)控制 后根據(jù)噴霧數(shù)組中脈寬調(diào)制信號(hào)的大小實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴頭流 量 實(shí)現(xiàn)對(duì) 靶變量噴霧作業(yè) 0053 噴霧機(jī)器人擁有穩(wěn)定 的續(xù)航能力 電池電量以百分比的形式在遠(yuǎn)程控制端顯示 中央處 理器 7 通過對(duì)電池電壓檢測(cè) 實(shí)現(xiàn)噴霧 機(jī)器人低壓狀態(tài)自主返航充電功能 說 明 書 5 7 頁 9 CN 113341961 A 0054 噴霧機(jī)器人的風(fēng)送系統(tǒng) 4 根據(jù)冠層枝葉稠密程度通過脈寬調(diào)制 pulse width modulation PWM 信號(hào)控制電機(jī) 42 轉(zhuǎn)速 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)速與風(fēng)量 可將 霧化的藥液覆蓋更廣 的作物面積 提高霧滴在果樹冠層的穿透和沉積分布 并且風(fēng)力輔助輸送霧滴可脅迫霧滴 定向沉積至目標(biāo)冠層 氣流二次破碎霧滴同時(shí)翻轉(zhuǎn)擾動(dòng)冠層內(nèi)部莖葉使得霧滴沉積到目標(biāo) 冠層內(nèi)部 從而增加霧滴在目標(biāo)冠層內(nèi)部的穿透能力 葉片背面的沉積量 沉積分布均勻 性 使噴霧 機(jī)器人能將藥 液噴灑到常規(guī)噴霧器難以噴灑到的冠層內(nèi)部 施藥效果更好 0055 噴霧系統(tǒng)通過豎直放置的二維激光雷達(dá) 612 獲得兩側(cè)靶標(biāo)植株信息 實(shí)時(shí)處理 得到植株冠層體積以及植株距噴嘴距離從而得到所需施藥量和風(fēng)送機(jī)的風(fēng)速 噴霧機(jī)器人 的每個(gè) 噴頭均由單獨(dú)的電磁閥來控制其流量的大小 根據(jù)計(jì)算出 的冠層離散化后的體積 控制電磁閥的流 量大小 使得每 個(gè)噴頭噴灑對(duì)應(yīng) 體積的藥 液 0056 各系統(tǒng)之間相互配合 實(shí)現(xiàn)了自主移動(dòng)噴霧機(jī)器人的送風(fēng)噴霧雙變量的精準(zhǔn)作 業(yè) 0057 本發(fā)明的路徑規(guī)劃方法為 0058 為排除非相 鄰樹行干擾 設(shè)置感興趣區(qū)域 Region of Interest ROI 提取兩側(cè)相 鄰樹行 本發(fā)明采用橢圓ROI 以極軸為長(zhǎng)軸方向 可采集到更多的樹行信息 提高樹行直線 的擬合精度 橢圓極坐標(biāo) 方程如下 0059 0060 其中 為極角 a為長(zhǎng)軸長(zhǎng)度 b為短軸長(zhǎng)度 0061 從前激光雷達(dá) 611 采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中篩選出r r 0的測(cè)量點(diǎn)用作路徑提取 建 立 直角坐標(biāo)系 將測(cè)量 點(diǎn)極坐標(biāo)變換為 直角坐標(biāo) 0062 0063 采用最小二乘法分別擬合左右兩側(cè)樹行直線 根據(jù)直線斜率估計(jì)偏航角 屬于 ROI內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn) 角度小于 的屬于左側(cè)樹行 角度大于 的屬 于右側(cè)樹行 計(jì)算出左右樹 行間的中心線作為 導(dǎo) 航路徑 0064 進(jìn)一步 一種溫室自主精準(zhǔn)變量風(fēng)送噴霧機(jī)器人后退時(shí)的路徑規(guī)劃采用后激光雷 達(dá) 613 所采集的數(shù)據(jù) 規(guī)劃方法與向前時(shí)路徑規(guī)劃方法一 致 0065 進(jìn)一 步 所述靶標(biāo)植株 體積檢測(cè)算法為 0066 上激光雷達(dá) 612 水平安裝 向上掃描 將采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類處理 擬合 出植株樹干 計(jì)算出激光雷達(dá)和植株樹干之間的距離l 激光雷達(dá)的角度分辨率為0 225 因此相鄰兩點(diǎn)云之間的角度差為0 2 25 相鄰兩點(diǎn)云數(shù)據(jù)之間存在 如下關(guān)系 0067 0068 其中 i和 i 1為兩相鄰點(diǎn)云對(duì)應(yīng)的角度 l i和l i 1為兩相鄰點(diǎn)云所采 集到的距 離值 說 明 書 6 7 頁 10 CN 113341961 A 即激光雷達(dá)與靶標(biāo)植株之間的距離 d i和d i 1為樹冠外側(cè)與樹干間的距離 h為兩相鄰點(diǎn)云 在豎直方向上的距離 0069 每?jī)上噜忺c(diǎn)云之間覆蓋的靶標(biāo)植株側(cè)面積S i近似于梯形 為 0070 0071 二維激光雷達(dá)的掃描頻率 為25 Hz 在噴霧 機(jī)器人 前進(jìn)過程中 0072 0073 其中 t為激光雷達(dá)掃描一幀數(shù)據(jù)所需時(shí)間 W為一幀激光雷達(dá)掃描的寬度 即激 光雷達(dá)采集一幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)時(shí)間內(nèi)噴霧機(jī)器人所前進(jìn)的距離 v為噴霧機(jī)器人前進(jìn)的速度 Vi 為兩相鄰點(diǎn)云之間植株冠層的體積 0074 將5幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一次累計(jì) 即每 幀點(diǎn)云數(shù)據(jù)所占體積為 0075 0076 噴霧機(jī)器人單側(cè)安裝四個(gè)噴頭組件 35 從上到下依次記為1 2 3和4號(hào) 1號(hào)噴頭 組件對(duì)應(yīng)角度為20 30 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 2號(hào)噴頭組件對(duì)應(yīng)角度為30 50 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 3號(hào)噴頭 組件對(duì)應(yīng)角度為50 80 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 4號(hào)噴頭組件對(duì)應(yīng)角度為80 135 點(diǎn)云數(shù)據(jù) 計(jì)算出 對(duì)應(yīng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)區(qū)域內(nèi)植株體積V i的總和V 5i 根據(jù)施藥模型對(duì)植株冠層進(jìn)行噴藥量計(jì)算 生 成脈寬調(diào)制信號(hào) PWM 存儲(chǔ)到噴霧數(shù)組 延時(shí)控制后根據(jù)噴霧數(shù)組中脈寬調(diào)制信號(hào)的大小 實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴頭流 量 實(shí)現(xiàn)對(duì) 靶變量噴霧作業(yè) 說 明 書 7 7 頁 11 CN 113341961 A 圖1 圖2 說 明 書 附 圖 1 4 頁 12 CN 113341961 A 圖3 圖4 說 明 書 附 圖 2 4 頁 13 CN 113341961 A 圖5 圖6 說 明 書 附 圖 3 4 頁 14 CN 113341961 A 圖7 說 明 書 附 圖 4 4 頁 15 CN 113341961 A