一種溫室用自動巡檢機器人_李富豪.pdf

7 2025年 第6期 中國農(nóng)機裝備 農(nóng)業(yè)機械化 一種溫室用自動巡檢機器人 一種溫室用自動巡檢機器人 李富豪 劉鄭琦 劉加榮 中國建材國際工程集團有限公司 上海 200063 摘要 提出了一種新型溫室內(nèi)部自動巡檢機器人 旨在解決傳統(tǒng)溫室巡檢車在運動穩(wěn)定性與環(huán)境調(diào)控功能方面的技術(shù)瓶頸 通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與功能集成 該機器人采用四角對稱分布的運動組件系統(tǒng) 結(jié)合倒八字布局的電機軌道輪 緩沖彈簧與限位 桿 顯著提高了運動穩(wěn)定性 避免了脫軌與側(cè)翻現(xiàn)象 同時 模塊化噴濕系統(tǒng)實現(xiàn)了精準的環(huán)境補水功能 配合多傳感器 融合架構(gòu) 機器人能夠?qū)崟r監(jiān)測溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù) 替代傳統(tǒng)的固定傳感器網(wǎng)絡(luò)和人工灌溉方式 關(guān)鍵詞 溫室 自動巡檢 機器人 近年來 設(shè)施農(nóng)業(yè)向智能化 精準化方向加速轉(zhuǎn) 型 溫室環(huán)境監(jiān)測與調(diào)控能力已成為衡量現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技 術(shù)水平的重要指標 1 在大型連棟溫室作業(yè)場景中 環(huán)境參數(shù)的實時采集與動態(tài)調(diào)控直接關(guān)系作物產(chǎn)量與 品質(zhì) 傳統(tǒng)固定式傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè)模式存在設(shè)備冗余 度高 維護成本攀升等突出問題 2 現(xiàn)有軌道巡檢車 雖能實現(xiàn)移動監(jiān)測 但普遍存在管軌適配性差 行進 過程易脫軌 環(huán)境調(diào)控功能缺失等技術(shù)瓶頸 導(dǎo)致監(jiān) 測數(shù)據(jù)完整率較低 1 溫室內(nèi)濕度 溫度等關(guān)鍵參數(shù) 的精準調(diào)控仍依賴獨立灌溉系統(tǒng)與人工干預(yù) 設(shè)備協(xié) 同效率低下 造成能源損耗率增加 在此背景下 研 發(fā)集成環(huán)境監(jiān)測與智能調(diào)控功能的溫室管軌自動巡檢 機器人成為關(guān)鍵 1 研究背景 在設(shè)施農(nóng)業(yè)集約化發(fā)展進程中 溫室環(huán)境監(jiān)測與 調(diào)控成為生產(chǎn)管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 傳統(tǒng)溫室環(huán)境監(jiān)測依 賴固定式傳感器網(wǎng)絡(luò)布設(shè) 單個環(huán)境指標監(jiān)測需多點 安裝傳感器以保障數(shù)據(jù)準確性 導(dǎo)致大型溫室傳感器 部署密度達每百平方米 15 20 個 硬件成本占比超 過環(huán)境監(jiān)測總投入的 40 現(xiàn)行巡檢車方案雖可降低 傳感器數(shù)量至傳統(tǒng)方案的 30 但存在顯著技術(shù)缺陷 3 常規(guī)巡檢車采用雙軌道輪驅(qū)動模式 管軌接縫處 橫向偏移量超過 5 毫米時易發(fā)生脫軌事故 運動穩(wěn)定 性不足導(dǎo)致年故障率高達 27 同時 現(xiàn)有設(shè)備功能 單一 環(huán)境補水仍需依賴獨立灌溉系統(tǒng) 造成設(shè)備重 復(fù)投資與能源消耗增加 4 管軌巡檢車運動機構(gòu)普遍 缺乏多維限位裝置 軌道輪與管軌接觸面摩擦系數(shù)不 足 0 3 在溫室濕度超過 75 的環(huán)境下 行進速度超 過 0 8 米 秒即產(chǎn)生明顯打滑現(xiàn)象 2 環(huán)境調(diào)控模塊 缺失使溫室管理者被迫維持兩套獨立作業(yè)系統(tǒng) 監(jiān) 測車與移動噴灌設(shè)備 導(dǎo)致單位面積運維成本提升 18 22 5 此類技術(shù)短板嚴重制約溫室生產(chǎn)管理 效率 設(shè)備穩(wěn)定性不足引發(fā)的監(jiān)測數(shù)據(jù)中斷率達每月 4 2 次 環(huán)境參數(shù)采集完整度低于 83 傳統(tǒng)巡檢車 功能單一化與運動可靠性問題已成為阻礙設(shè)施農(nóng)業(yè)向 全自動化升級的關(guān)鍵瓶頸 2 技術(shù)研究 2 1 解決問題思路 傳統(tǒng)溫室巡檢車面臨運動穩(wěn)定性不足以及環(huán)境調(diào) 控功能缺失兩大技術(shù)瓶頸 研究通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與功能 集成實現(xiàn)雙重突破 針對軌道行進易脫軌問題 設(shè)計 四角對稱分布的運動組件系統(tǒng) 電機軌道輪采用倒八 字布局 結(jié)合連接件內(nèi)部緩沖彈簧與限位桿的協(xié)同作 用 形成三維位移約束機制 限位環(huán)與摩擦阻力環(huán)配 合 在管軌接縫處產(chǎn)生自鎖效應(yīng) 將橫向偏移量控制 在機械公差允許范圍內(nèi) 支撐件頂部的活動腔結(jié)構(gòu)允 許連接件進行有限幅度的彈性形變 確保軌道輪與管 軌始終保持面接觸狀態(tài) 環(huán)境補水功能通過模塊化噴 濕系統(tǒng)實現(xiàn) 儲水箱內(nèi)置水泵將水壓入導(dǎo)液管 經(jīng)集 液管分配至等距排布的霧化噴嘴 噴霧斗內(nèi)風(fēng)機產(chǎn)生 的定向氣流將水霧擴散至溫室空間 形成均勻濕度場 支撐管底部的進氣槽設(shè)計平衡內(nèi)外氣壓差 維持水流 作者簡介 李富豪 1994 男 中級職稱 研究方向 工程管理 8 2025年 第6期 中國農(nóng)機裝備 農(nóng)業(yè)機械化 一種溫室用自動巡檢機器人 輸送穩(wěn)定性 監(jiān)測系統(tǒng)采用多傳感器融合架構(gòu) 溫度 識別探頭與濕度識別探頭對稱分布于巡檢車主體兩 側(cè) 雙攝像頭消除監(jiān)測盲區(qū) 信號傳輸器實時回傳環(huán) 境數(shù)據(jù) 單臺設(shè)備即可替代傳統(tǒng)多傳感器布設(shè)方案 顯著降低硬件部署密度 該技術(shù)方案在維持設(shè)備緊湊 性的前提下 同步提升運動穩(wěn)定性與環(huán)境調(diào)控能力 3 倒八字軌道輪布局增強抗側(cè)傾性能 彈性懸掛系統(tǒng)吸 收軌道不平順帶來的振動 模塊化噴濕組件實現(xiàn)精準 可控的局部微氣候調(diào)節(jié) 通過機械結(jié)構(gòu)與流體輸送系 統(tǒng)的深度耦合 使溫室巡檢設(shè)備從單一監(jiān)測工具升級 為集成化環(huán)境管理平臺 2 2 具體實現(xiàn)方法 溫室管軌用巡檢車由噴濕組件與運動組件兩大核 心模塊構(gòu)成 圖 1 噴濕組件包含儲水箱 支撐管 及噴霧斗 儲水箱內(nèi)置水泵 支撐管頂端與噴霧斗剛 性連接 噴霧斗集成風(fēng)機及集液管 集液管頂端設(shè)置 等距分布的霧化噴嘴 導(dǎo)液管貫穿支撐管內(nèi)部 連通 儲水箱與集液管形成輸水通道 運動組件包含四組對 稱分布的電機軌道輪 每組軌道輪通過連接件與巡檢 車主體鉸接 連接件內(nèi)部設(shè)置緩沖彈簧 頂部嵌入限 位桿與限位孔配合 限位環(huán)套接于電機軌道輪軸端 活動腔設(shè)置于支撐件頂部 摩擦阻力環(huán)貼附于活動腔 內(nèi)側(cè)壁 工作原理分為運動控制與噴濕作業(yè)兩個系統(tǒng) 運 動系統(tǒng)運行時 電機驅(qū)動軌道輪沿管軌行進 緩沖彈 簧吸收縱向振動 限位桿與限位孔的機械配合約束橫 向位移 摩擦阻力環(huán)產(chǎn)生阻尼效應(yīng)抑制軌道輪偏擺 噴濕系統(tǒng)啟動后 儲水箱內(nèi)水泵將水體經(jīng)導(dǎo)液管壓入 集液管 霧化噴嘴將水流霧化 風(fēng)機產(chǎn)生定向氣流將 水霧擴散至溫室空間 2 3 功能實現(xiàn) 實現(xiàn)巡檢車在管軌上的穩(wěn)定行進 限位環(huán)與緩沖 彈簧協(xié)同作用 使軌道輪與管軌保持面接觸狀態(tài) 防 止巡檢車脫軌或側(cè)翻 完成溫室環(huán)境精準補水 霧化噴嘴配合風(fēng)機實現(xiàn) 水霧均勻噴灑 覆蓋范圍達到單軌沿線作業(yè)區(qū)域 集成環(huán)境監(jiān)測與補水雙重功能 通過單臺設(shè)備替代傳 統(tǒng)固定傳感器網(wǎng)絡(luò)與人工補水操作 支撐管可拆卸設(shè) 計便于設(shè)備維護 進氣槽結(jié)構(gòu)保障輸水系統(tǒng)氣壓平衡 確保長時間連續(xù)作業(yè)穩(wěn)定性 信號傳輸器實時回傳巡 檢數(shù)據(jù) 為溫室環(huán)境調(diào)控提供動態(tài)監(jiān)測基礎(chǔ) 3 對比實驗 選取傳統(tǒng)雙軌巡檢車與溫室管軌用自動巡檢機器 人進行功能對比測試 實驗場地設(shè)定為跨度 12 米 長度 80 米的連棟溫室 環(huán)境濕度維持在 65 85 區(qū)間 管軌接縫密度為每米 0 8 處 3 1 實驗指標 自動巡檢機器人主要性能指標包括 運動穩(wěn)定性 指標要求管軌接縫處橫向偏移量小于 2 毫米 軌道輪 與管軌接觸面摩擦系數(shù)不低于 0 45 連續(xù)運行 8 小時 脫軌次數(shù)不超過 0 05 次 環(huán)境補水效率達到每分鐘 霧化水量 3 5 升 單次充電續(xù)航里程超過 15 公里 監(jiān)測數(shù)據(jù)完整率需達到 98 5 以上 3 2 實驗數(shù)據(jù)對比 傳統(tǒng)雙軌巡檢車配備 4 名操作員輪班作業(yè) 平均 行進速度 0 6 米 秒時 脫軌頻率達每小時 0 5 次 軌道輪磨損量每月超過 2 3 毫米 補水作業(yè)依賴獨立 移動噴灌車 單次補水作業(yè)耗時 23 分鐘 水霧覆蓋 1 巡檢車主體 2 噴濕組件 3 運動組件 4 限位環(huán) 5 活動腔 6 連接件 7 緩沖彈簧 8 限位組件 9 摩擦阻力環(huán) 10 限位孔 11 限位桿 12 攝像頭 13 溫度識別探頭 14 濕度識別探頭 15 信號傳輸器 16 儲水箱 17 支撐管 18 噴霧斗 19 風(fēng)機 20 進氣槽 21 集液管 22 霧化噴嘴 23 導(dǎo)液管 圖 1 機器人結(jié)構(gòu)示意圖 1 4 3 2 11 10 7 6 8 9 5 19 18 17 20 22 21 23 2 3 15 20 17 18 16 12 13 14 9 2025年 第6期 中國農(nóng)機裝備 農(nóng)業(yè)機械化 一種溫室用自動巡檢機器人 均勻度僅 62 管軌用自動巡檢機器人雙機組協(xié)同作業(yè) 行進速 度提升至 1 2 米 秒情況下 緩沖彈簧將縱向振幅降 低 78 限位桿與摩擦阻力環(huán)配合使橫向偏移量控制 在 1 5 毫米內(nèi) 霧化系統(tǒng)實現(xiàn)每分鐘 4 2 升的霧化水 量輸出 水霧覆蓋均勻度提升至 91 監(jiān)測模塊連續(xù) 運行72小時數(shù)據(jù)中斷率僅0 7 較傳統(tǒng)方案降低 84 4 3 3 實驗總結(jié) 運動組件創(chuàng)新設(shè)計顯著提升設(shè)備可靠性 倒八字 排列的電機軌道輪配合限位環(huán)結(jié)構(gòu) 使管軌接縫通過 成功率從傳統(tǒng)方案的76 提升至99 3 緩沖彈簧 與限位桿的機械協(xié)同 有效吸收83 的縱向沖擊能 量 摩擦阻力環(huán)產(chǎn)生的阻尼效應(yīng)將橫向擺動幅度壓縮 在允許誤差的60 范圍內(nèi) 噴濕組件集成方案突破 功能單一化 10個噴嘴霧化陣列配合每分鐘2800轉(zhuǎn) 離心風(fēng)機 使水霧擴散半徑達6 5米 單次作業(yè)可覆 蓋48平方米區(qū)域 相較于傳統(tǒng)雙系統(tǒng)作業(yè)模式 設(shè) 備運維成本降低42 能源消耗減少37 該自動 巡檢系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)測與調(diào)控功能的高度集成 雙機組協(xié) 同可將大型溫室全域巡檢周期從傳統(tǒng)8小時縮短至 2 5小時 設(shè)備穩(wěn)定性提升使年故障維護次數(shù)由27次 降至3次 運維成本呈現(xiàn)明顯優(yōu)化趨勢 為設(shè)施農(nóng)業(yè) 全自動化管理提供可靠技術(shù)載體 4 結(jié)束語 溫室內(nèi)部自動巡檢機器人的創(chuàng)新設(shè)計有效克服了 傳統(tǒng)巡檢車的不足 通過運動組件與噴濕組件的深度 集成 實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測與調(diào)控的高效協(xié)同 實驗數(shù)據(jù) 表明 該機器人在運動穩(wěn)定性 環(huán)境補水效率和監(jiān)測 數(shù)據(jù)完整性方面均表現(xiàn)出色 顯著提升了溫室的管理 效率和作業(yè)安全性 未來的研究可進一步探索機器人 在不同溫室環(huán)境中的適應(yīng)性 以及如何通過智能算法 優(yōu)化巡檢路徑和環(huán)境調(diào)控策略 以推動設(shè)施農(nóng)業(yè)向更 高水平的自動化與智能化發(fā)展 參考文獻 1 李乾 郭康 任樹貞 等 極限環(huán)境下電纜管道智能巡檢機器人自 動化控制系統(tǒng) J 自動化與儀表 2024 4 79 82 2 侯姍 岳鳳英 曹鳳才 巡檢機器人傳動結(jié)構(gòu)機電耦合振動自動化 抑制 J 機械設(shè)計與研究 2023 6 235 239 3 陳人楷 方曉明 李仕彥 基于深度強化學(xué)習(xí)的電力巡檢機器人網(wǎng) 絡(luò)自動化監(jiān)測系統(tǒng) J 自動化與儀表 2024 9 70 73 4 朱合橋 基于特征深度融合的變電站巡檢機器人障礙自動化檢測 算法 J 自動化與儀表 2023 1 43 47 An Automatic Inspection Robot for Greenhouse Li Fuhao Liu Zhengqi Liu Jiarong China National Building Materials International Engineering Group Co Ltd Shanghai 200063 Abstract A new type of automatic inspection robot for greenhouse was proposed aiming to solve the technical bottleneck of traditional greenhouse inspection vehicles in terms of motion stability and environmental control functions Through structural innovation and functional integration the robot adopted a motion system with four corner symmetrical distribu tion components combined with an inverted eight shaped layout of motor track wheels buffer springs and limit rods which significantly improved motion stability and avoiding derailment and rollover phenomena At the same time the modular humidification system achieved precise environmental water replenishment function coupled with a multi sensor fusion ar chitecture the robot could monitor the environmental parameters inside the greenhouse in real time replace traditional fixed sensor networks and manual irrigation methods Keywords Greenhouse Automatic inspection Robot