专利：一种温室自主精准变量风送喷雾机器人结构及规划路径方法.pdf

19 中华 人民共和国 国家知识产权局 12 发明 专利申请 10 申请公布号 43 申请公布日 21 申请 号 202110578048 0 22 申请日 2021 05 26 71 申请人 江苏 大 学 地址 212013 江苏省镇江市京口区学府路 301号 72 发明人 刘慧 段云鹏 张世义 姜高峰 沈跃 51 Int Cl G05D 1 02 2020 01 54 发明名称 一种温室自主精准变量风送喷雾机器人结 构及规划路径方法 57 摘要 本发明公开了一种温室自主精准变量风送 喷雾机器人结构及规划路径方法 阿克曼移动底 盘1上固定有系统支架2 数据采集模块6 所述系 统支架2上设有变量喷雾系统3 变风速风送系统 4 供电模 块5 中央处理器7 所述变量喷雾系统3 由水箱31 水泵32 分流器33 电磁阀 4 喷头组 件35组成 所述变风速风送系统4由涵道41 电机 42 桨叶43组成 所述数据采集模块6由三台二维 激光雷达61和激光固定板62组成 所述中央处理 器7用于控制阿克曼移动底盘1的行进速度和方 向 变量喷雾系统3的喷雾量和喷雾时间 变风速 风送系统4的风速和风量 本发明能够实现了精 准的变量送 风和变量喷雾 提高了雾滴的冠层穿 透性和沉积分布量 权利要求书3页 说明书7页 附图4页 CN 113341961 A 2021 09 03 CN 113341961 A 1 一种温室自主精准变量风送喷雾机器人结构 其特征在于 包括阿克曼移动底盘 1 系统支架 2 变量喷雾系统 3 变风速风送系统 4 供电模块 5 阿克曼移动底盘 1 上固定有系统支架 2 数据采集模块 6 系统支架 2 上设有变量喷雾系统 3 变风 速风送系统 4 供电模块 5 中央处 理器 7 所述变量喷雾系统 3 由水箱 31 水泵 32 分流器 33 电磁阀 34 喷头 组件 35 组成 用于给大棚内植株喷洒药物 通过水管 36 将他们连通 药液存放于水箱 31 中 依 次通过水泵 32 分流器 33 电磁阀 34 喷头组件 35 喷洒到植株冠层 所述变风速风 送系统 4 由涵道 41 电机 42 桨叶 43 组成 电机 42 轴端连接桨叶 43 并内置于涵 道 41 内 并用直角件 44 固定于系统支架 2 上 变风速风送系统 4 用于实时调节风速 与风量 将雾化的药液覆盖更广的作物面积 所述供电模块 5 用于为水泵 32 电磁阀 34 电机 42 数据采集模块 6 中的二维激光雷达 61 中央处理器 7 提供电力 所述 中央处 理器 7 用于路径规划算法和靶标植株 体积检测算法所需的算力和存 储需求 2 根据权利要求1所述的一种温室自主精准变量风送喷雾机器人结构 其特征在于 所 述阿克曼移动底盘 1 用于喷雾机器人结构的转向以及 姿态 位置调整 并为作业系统提供 搭 载平台 3 根据权利要求1所述的一种温室自主精准变量风送喷雾机器人结构 其特征在于 所 述系统支架 2 分为上 中 下三部 分 下层部 分使用螺栓螺母将其固定在阿克曼移动底盘 1 上 并搭载下层铝板 将供电模块 5 中央处理器 7 电磁阀 34 通过螺栓螺母固定于 下层铝板上 中层部分搭载中层铝板 用于固定水箱 31 水泵 32 和分流器 33 上层部 分用于搭载 喷头组件 35 水管 36 和变风速风送系统 4 所述系统支架 2 由铝型材和 铝板通过金属角件连接而成 给整个平台提供了支撑和承重作用的同时也减轻了平台的质 量 此外 铝型 材的凹槽结构还可以作为电源线 信号线和水 管 3 6 的布线通道 4 根据权利要求1所述的一种温室自主精准变量风送喷雾机器人结构 其特征在于 所 述水箱 31 通过不锈钢 卡箍将其固定在系统支架 2 中层铝板前端 所述水泵 32 和分流 器 33 使用螺栓螺母固定于系统支架 2 中层铝板后端 所述电磁阀 34 共8个 左右各放 置4个 使用螺栓螺母固定于系统支架 2 下层铝板后端 所述喷头组件 35 由快速接头 352 两端连接喷头 351 和转接头 353 组成 通过骑马卡 354 固定在喷头支撑板 355 上 所述喷头组件 35 共8个 左右各4个 在竖直方向等距排列 通过直角件 44 固定于系 统支 架 2 上层 5 根据权利要求1所述的一种温室自主精准变量风送喷雾机器人结构 其特征在于 所 述变风速风送系统 4 包括8个涵道 41 8个电机 42 8个 桨叶 43 所述涵道 41 左右各放置4个 外部通过直角件 44 固定在系统支架 2 上层 在竖直 方向等距 排列 与喷头组件 35 一一对应 每个涵道 41 内部通过螺栓固定一个电机 42 电机 42 上装有桨叶 43 通过电调控制电机 42 的转速 进 而实现对风速和风 量的调节 6 根据权利要求1所述的一种温室自主精准变量风送喷雾机器人结构 其特征在于 所 述供电模块 5 主要包括6S60AH锂电池 51 将其固定于系统支架 2 下层铝板后端 为水 泵 32 电磁阀 34 电机 42 二维激光雷达 61 中央处 理器 7 提供电力 7 根据权利要求1所述的一种温室自主精准变量 风送喷雾 机器人 结构 其特 征在于 所述数据采集模块 6 由三台二维激光雷达 61 和激光固定板 62 组成 所述激光固 权 利 要 求 书 1 3 页 2 CN 113341961 A 定板 62 分为前激光固定板 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 两者通过螺栓螺母固定在一起 然后将其固 定在阿克曼移动底盘 1 的前端 所述后激光固定板 623 固定在阿克曼移动底盘 1 的后 端 所述二维激光雷达 61 共三台 分为前激光雷达 611 上激光雷达 612 和后激光雷 达 613 所述前激光雷达 611 水平放置 固定在前激光固定板 621 用于检测温室自主 精准变量风送喷雾机器人前方障碍物 上激光雷达 612 竖直放置 固定在上激光固定板 622 用于扫描温室自主精准变量风送喷雾机器人两侧植株冠层的体积 后激光雷达 613 水平放置 固定在后激光固定板 623 用于检测温室自主精准变量风送喷雾机器人 后方障碍物 8 根据权利要求1所述的一种温室自主精准变量风送喷雾机器人结构 其特征在于 所 述中央处理器 7 固定于系统支架 2 下层铝板前端 所述中央处理器 7 为英特尔酷睿八 代i7 8565u处 理器 9 根据权利要求1所述的一种温室自主精准变量风送喷雾机器人结构的规划路径方 法 其特征在于 为排除非相 邻树行干扰 设置感兴趣区域 ROI提取两侧相 邻树行 本发明采 用椭圆ROI 以极轴为长轴方向 椭圆极坐标 方程如下 其中 为极角 a为长轴长度 b为短轴长度 从前激光雷达 611 采集到的点云数据中筛选出r r 0的测量点用作路径提取 建立直 角坐标系 将测量 点极坐标 r i i 变换为 直角坐标 x i y i 采用最小二乘法分别拟合左右两侧树行直线 根据直线斜率估计偏航角 属于ROI内 所有测量点 角度小于 的属于左侧树行 角度大于 的属于右侧树行 计算出左右 树行间的 中心线作为 导 航路径 进一步 一种温室自主精准变量风送喷雾机器人后退时的路径规划采用后激光雷达 613 所采集的数据 规划方法与向前时路径规划方法一 致 进一 步进行靶标植株 体积检测为 上激光雷达 612 水平安装 向上扫描 将采集到的点云数据进行聚类处理 拟合出植 株树干 计算出激光雷达和植株树干之间的距离l 激光雷达的角度分辨率为0 225 因此 相邻两点云之间的角度差为0 2 25 相邻两点云数据之间存在 如下关系 其中 i和 i 1为两相邻点云对应的角度 l i和l i 1为两相邻点云所采集到的距离值 即激 权 利 要 求 书 2 3 页 3 CN 113341961 A 光雷达与靶标植株之间的距离 d i和d i 1为树冠外侧与树干间的距离 h为两相邻点云在竖 直方向上的距离 每两相邻点云之间覆盖的靶标植株侧面积S i近似于梯形 为 二维激光雷达的扫描频率 为25 Hz 在喷雾 机器人 前进过程中 其中 t为激光雷达扫描一帧数据所需时间 W为一帧激光雷达扫描的宽度 即激光雷 达采集一帧点云数据时间内喷雾机器人所前进的距离 v为喷雾机器人前进的速度 V i 为 两相邻点云之间植株冠层的体积 将5帧点云数据进行一次累计 即每 帧点云数据所占体积为 喷雾机器人单侧安装四个喷头组件 35 从上到下依次记为1 2 3和4号 1号喷头组件 对应角度为20 30 点云数据 2号喷头组件对应角度为30 50 点云数据 3号喷头组件 对应角度为50 80 点云数据 4号喷头组件对应角度为80 135 点云数据 计算出对应 点云数据区域内植株体积V i的总和V 5i 根据施药模型对植株冠层进行喷药量计算 生成脉 宽调制信号PWM存储到喷雾数组 延时控制后根据喷雾数组中脉宽调制信号的大小实时调 节喷头流 量 实现对 靶变量喷雾作业 权 利 要 求 书 3 3 页 4 CN 113341961 A 一种温室自主精准变量风送喷雾机 器人结构及 规划路径方 法 技术领域 0001 本发明涉及 一种喷雾机器人 更具体地说是一种温室自主精准变量风送喷雾机器 人 结构及规划路径方法 背景技术 0002 温室农业是我国设施农业中的一个重要组成部分 为保证大棚果蔬的产出质量 需要在果蔬的生长周期内进行多次喷药 大棚植株在不同的生长时期呈现不同的外形结 构 其枝叶的疏密程度随时间和季节的转变而变化 目前国内大中型果蔬大棚大多配置了 自动控制系统 自动控制系统多采用PLC控制系统 使用同一套装置进行自动浇水与施药 可实现定时定量喷药 一般不能实现精量控制 存在重喷 漏喷 误喷现象 不仅浪费了农 药 而且被浪费 的农药还对土地和其他作 物造成了二次污染 针对这一问题 设计了能够实 现智能精准变量喷药功能的大棚自主喷雾 机器人 发明内容 0003 本发明的目的在于设计一种温室自主精准变量风送喷雾机器人 适用于温室大棚 内作业 能够高精度的实现对植株靶标有无 大小 形状和密度等特征的检测 从而进行适 量 均匀 精准对靶的变量 喷雾 提高农药使用效率 降低喷施误靶率 节约 成本 减少 对环 境污染和操作者 安全隐患问题 0004 为实现上述目的 本发明的技 术方案如下 0005 一种温室自主精准变量风送喷雾机器人结构 包括阿克曼移动 底盘 1 系统支架 2 变量喷雾系统 3 变风速风送系统 4 供电模块 5 阿克曼移动底盘 1 上固定有系 统支架 2 数据采集模块 6 系统支架 2 上设有变量喷雾系统 3 变风速风送系统 4 供电模块 5 中央处 理器 7 0006 所述变量喷雾系统 3 由水箱 31 水泵 32 分流器 33 电磁阀 34 喷头组件 35 组成 用于给大棚内植株喷洒药物 通过水管 36 将他们连通 药液存放于水箱 31 中 依次通过水泵 32 分流器 33 电磁阀 34 喷头组件 35 喷洒到植株冠层 所述变风 速风送系统 4 由涵道 41 电机 42 桨叶 43 组成 电机 42 轴端连接桨叶 43 并内置 于涵道 41 内 并用直角件 44 固定于系统支架 2 上 变风速风送系统 4 用于实时调节 风速与风量 将雾化的药液覆盖更广的作物面积 所述供电模块 5 用于为水泵 32 电磁 阀 34 电机 42 数据采集模块 6 中的二维激光雷达 61 中央处理器 7 提供电力 所 述中央处 理器 7 用于路径规划算法和靶标植株 体积检测算法所需的算力和存 储需求 0007 进一步 所述阿克曼移动底盘 1 用于喷雾机器人结构的转向以及姿态 位置调 整 并为作业系统提供 搭 载平台 0008 进一步 所述系统支架 2 分为上 中 下三部分 下层部分使用螺栓螺母将其固 定在阿克曼移动底盘 1 上 并搭载下层铝板 将供电模块 5 中央处理器 7 电磁阀 34 通过螺栓螺母固定于下层铝板上 中层部分搭载中层铝板 用于固定水箱 31 水泵 32 和 说 明 书 1 7 页 5 CN 113341961 A 分流器 33 上层部分用于搭载 喷头组件 35 水管 36 和变风速风送系统 4 所述系统 支架 2 由铝型材和铝板通过金属角件连接而成 给整个平台提供了支撑和承重作用的同 时也减轻了平台的质量 此外 铝型材的凹槽结构还可以作为电源线 信号线和水管 36 的 布线通道 0009 进一步 所述水箱 3 1 通过不锈钢卡 箍将 其固定在系统支架 2 中层铝 板前端 所 述水泵 32 和分流器 33 使用螺栓螺母固定于系统支架 2 中层铝板后端 所述电磁阀 34 共8个 左右各放置4个 使用螺栓螺母固定于系统支架 2 下层铝板后端 所述喷头组 件 35 由快速接头 352 两端连接喷头 351 和转接头 353 组成 通过骑马卡 354 固定 在喷头支撑板 355 上 所述喷头组件 35 共8个 左右各4个 在竖直方向等距排列 通过直 角件 4 4 固定 于系统支 架 2 上层 0010 进一 步 所述变风速风送系统 4 包括8个涵道 41 8个电机 42 8个 桨叶 43 0011 所述涵道 41 左右各放置4个 外部通过直角件 44 固定在系统支架 2 上层 在 竖直方向等距排列 与喷头组件 35 一一对应 每个涵道 41 内部通过螺栓固定一个电机 42 电机 42 轴端装有桨叶 43 通过电调控制电机 42 的转速 进而实现对风速和风量 的调节 0012 进一步 所述供电模块 5 主要包括6S60AH锂电池 51 将其固定于系统支架 2 下层铝板后端 为水泵 32 电磁阀 34 电机 42 二维激光雷达 61 中央处理器 7 提 供电力 0013 进一步 所述数据采集模块 6 由三台二维激光雷达 61 和激光固定板 62 组成 所述激光固定板 62 分为前激光固定板 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 两者通过螺栓螺母固定在一起 然后将其固定在阿克曼移动底盘 1 的前端 所述后激光固定板 623 固定在阿克曼移动底 盘 1 的后端 0014 所述二维激光雷达 61 共三台 分为前激光雷达 611 上激光雷达 612 和后激 光雷达 613 所述前激光雷达 611 水平放置 固定在前激光固定板 621 用于检测温室 自主精 准变量风送喷雾机器人前方障碍物 上激光雷达 612 竖直放置 固定在上激光固定 板 622 用于扫描温室自主精准变量风送喷雾机器人两侧植株冠层 的体积 后激光雷达 613 水平放置 固定在后激光固定板 623 用于检测温室自主精准变量风送喷雾机器人 后方障碍物 0015 进一步 所述中央处理器 7 固定于系统支架 2 下层铝 板前端 所述中央处理器 7 为英特尔酷睿八代i7 8565u处 理器 0016 进一 步 所述路径规划方法为 0017 为排除非相 邻树行干扰 设置感兴趣区域 Region of Interest ROI 提取两侧相 邻树行 本发明采用椭圆ROI 以极轴为长轴方向 可采集到更多的树行信息 提高树行直线 的拟合精度 椭圆极坐标 方程如下 0018 0019 其中 为极角 a为长轴长度 b为短轴长度 0020 从前激光雷达 611 采集到的点云数据中筛选出r r 0的测量点用作路径提取 建 说 明 书 2 7 页 6 CN 113341961 A 立 直角坐标系 将测量 点极坐标变换为 直角坐标 0021 0022 采用最小二乘法分别拟合左右两侧树行直线 根据直线斜率估计偏航角 属于 ROI内所有测量点 角度小于 的属于左侧树行 角度大于 的属 于右侧树行 计算出左右树 行间的中心线作为 导 航路径 0023 进一步 一种温室自主精准变量风送喷雾机器人后退时的路径规划采用后激光雷 达 613 所采集的数据 规划方法与向前时路径规划方法一 致 0024 进一 步 所述靶标植株 体积检测算法为 0025 上激光雷达 612 水平安装 向上扫描 将采集到的点云数据进行聚类处理 拟合 出植株树干 计算出激光雷达和植株树干之间的距离l 激光雷达的角度分辨率为0 225 因此相邻两点云之间的角度差为0 2 25 相邻两点云数据之间存在 如下关系 0026 0027 其中 i和 i 1为两相邻点云对应的角度 l i和l i 1为两相邻点云所采 集到的距 离值 即激光雷达与靶标植株之间的距离 d i和d i 1为树冠外侧与树干间的距离 h为两相邻点云 在竖直方向上的距离 0028 每两相邻点云之间覆盖的靶标植株侧面积S i近似于梯形 为 0029 0030 二维激光雷达的扫描频率 为25 Hz 在喷雾 机器人 前进过程中 0031 0032 其中 t为激光雷达扫描一帧数据所需时间 W为一帧激光雷达扫描的宽度 即激 光雷达采集一帧点云数据时间内喷雾机器人所前进的距离 v为喷雾机器人前进的速度 Vi 为两相邻点云之间植株冠层的体积 0033 将5帧点云数据进行一次累计 即每 帧点云数据所占体积为 0034 0035 喷雾机器人单侧安装四个喷头组件 35 从上到下依次记为1 2 3和4号 1号喷头 组件对应角度为20 30 点云数据 2号喷头组件对应角度为30 50 点云数据 3号喷头 组件对应角度为50 80 点云数据 4号喷头组件对应角度为80 135 点云数据 计算出 对应点云数据区域内植株体积V i的总和V 5i 根据施药模型对植株冠层进行喷药量计算 生 说 明 书 3 7 页 7 CN 113341961 A 成脉宽调制信号 PWM 存储到喷雾数组 延时控制后根据喷雾数组中脉宽调制信号的大小 实时调节喷头流 量 实现对 靶变量喷雾作业 0036 传统人工施药易导致施药均匀性差 作业过程中存在重喷 漏喷 误喷现象 作业 效率低 药物利用率低 并且作业人员直接暴露在农药弥雾中 容易中毒 传统的机械作业 易危害植株 不仅性能落后 而且故障率高 造成农药有效成分在病虫草害严重的区域用量 不足 而在轻微或没有发生的区域用量过度 本方案的宗旨便是 精准高效 绿色环保 便 捷的手机端远程监控与控制交互界面 真正实现无人化作业 稳定可靠的底层移动部分提 高了对作业环境的适应性 喷雾系统实现了精准的变量送风和变量喷雾 提高了雾滴的冠 层穿透性和沉积分布量 0037 本发明所采用的方案为以阿克曼底盘为移动平台 的自主精准变量喷雾机器人 主 要应用于大中型设施大棚 适用于多数棚内道路 附图说明 0038 图1为本发明左前 方视图 0039 图2为本发明左后方视图 0040 图3为本发明变风速风送系统和喷头组件结构示 意图 0041 图4 为前侧二维激光雷达结构示 意图 0042 图5为后侧二维激光雷达结构示 意图 0043 图6为路径规划示 意图 0044 图7为靶标植株 体积计算 示 意图 0045 其中 1 阿克曼移动底盘 2 系统支架 3 变量喷雾系统 31 水箱 32 水泵 33 分 流器 34 电磁阀 35 喷头组件 351 喷头 352 快速接头 353 转接头 354 骑马卡 355 喷 头支撑板 36 水管 4 变风速风送系统 41 涵道 42 电机 43 桨叶 44 直角件 5 供电模 块 51 6S60AH锂电池 6 数据采集模块 61 二维激光雷达 611 前激光雷达 612 上激光雷 达 613 后激光雷达 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 中央处 理器 具体实施方式 0046 下面结合 示 意图具体说明所发明的一种温室自主精准变量 风送喷雾 机器人 0047 如图1 图2 所示 一种温室自主精准变量风送喷雾机器人左前与左后结构视图 它 主要由阿克曼移动底盘 1 系统支架 2 变量喷雾系统 3 变风速风送系统 4 供电模 块 5 数据采集模块 6 组成整体结构框架 并包括以下部分 水箱 31 水泵 32 分流器 33 电磁阀 34 喷头组件 35 喷头 351 快速接头 352 转接头 353 骑马卡 354 喷头支撑板 355 水管 36 涵道 41 电机 42 桨叶 43 直角件 44 24V60AH锂电池 51 二维激光雷达 61 前激光雷达 611 上激光雷达 612 后激光雷达 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 阿克曼移动底盘 1 采用经典控制方法PID控制 包括横向控制和纵向控制 分别 实现对转向和速度的操控 具有良好的抗侧翻性 行驶稳定且灵活 适合温室内多为土壤且 路况较差的作业地面 系统支架 2 由铝型材和铝板通过金属角件连接而成 在保证支架强 说 明 书 4 7 页 8 CN 113341961 A 度的前提下极大的减轻了负载的重量 中央控制器 7 对前激光雷达 611 和后激光雷达 613 实时扫描 所得点云数据进 行 处理 实现实时避障和局部路径 规划 两个水平 放置激光 雷达 611 613 用于机器人的定位 避障和姿态调节 竖直放置的激光雷达 612 辅助变量 喷雾 变量喷雾系统 3 和变风速风送系统 4 根据喷嘴前方植株的冠层体积和距离实现精 准变量喷雾 0049 如图3所示 变风速风送系统和喷头组件结构 示意图 涵道 41 通过3D打印加工制 作而成 涵道 41 内部通过4根螺栓固定电机 42 涵道 41 外部通过直角件 44 固定在系 统支架 2 上 电机 42 通过电调来控制其转速 实现对风速和风量的调节 快速接头 352 两端连接喷头 351 和转接头 353 通过骑马卡 354 固定在喷头支撑板 355 上 继而通 过直角件 44 固定在系统支架 2 上层 变风速风送系统 3 和喷头组件 35 一一对应 各 有8组 每侧安装4组 每个电磁阀控制一个喷嘴 351 通过脉宽调制信号对电磁阀开关频 率的控制实现变量 喷雾 开关频率最高可达10Hz 通过对每个电机 42 转速控制可细化液 滴 增强药 液覆盖率 从而实现 精准喷雾 深层施药 的目的 0050 如图4和图5所示 为前侧二维激光雷达示意图和后侧二维激光雷达示意图 前侧 二 维激光雷达包括向前扫描的前激光雷达 611 和向上扫描的上激光雷达 612 后侧二维 激光雷达为向后扫描的后激光雷达 613 通过螺栓螺母固定在激光固定板 62 上 继而通 过螺母固定在阿克曼移动底盘 1 的前端和后端 搭载英特尔酷睿八代i7 8565u处理器作 为中央处理器 7 完全能够满足三台单线激光雷达点云计算和规划算法所需的算力和存 储需求 以主流的机器人软件框架ROS Robot Operation System 作为 当前开发环境 大量 的开源资料简化了感知规划处理的难度 基于ROS开发的冠层点云体积处理算法和导航规 划处理算法集合ROS系统优点 具有模块化的特点 本方案充分利用前后两台激光 611 613 同时用于定位 姿态估计以及局部轨迹规划 局部轨迹规划采用结合阿克曼运动模 型 的teb算法 喷雾机器人根据前后两台二维激光雷达 611 613 的数据 实时调整行驶路线 及自身姿态 使喷雾机器人与植株之间保持一定的安全距离和喷雾距离 同时能够实现作 业过程中避障功能 0051 如图6所示 为路径规划示意图 设置椭圆ROI Region of Interest 以极轴为长 轴方向 可采集到更多的树行信息 提高树行直线的拟合精度 筛选出ROI内的点云数据 采 用最小二乘法拟合出喷雾机器人两侧树行直线 计算出左右两侧树行直线的中心线作为导 航路线 喷雾机器人前进时根据前激光雷达 611 采集到点云数据进 行路径 规划 后退时根 据后激光雷达 613 采集到的点云数据进行路径规划 0052 如图7所示 为靶标植株体积计算示意图 上激光雷达 612 水平安装 向上扫描 将采集到的点云数据进行聚类处理 拟合出植株树干 计算出激光雷达和植株树干之间的 距离l 通过点云数据中的角度 i和距离值l i可计算出两相邻点云之间靶标植株侧面积S i 结合喷雾机器人前进速度v和 激光雷达采集数据的频率25Hz 可计算出两相邻点云之间植 株冠层的体积V i 将5帧点云数据进行一次累计 计算出每5帧点云数据所占体积V 5i 根据 施药模 型对植株冠层 进 行喷药量计算 生 成脉宽调制 信号 PWM 存储到喷雾数 组 延时控制 后根据喷雾数组中脉宽调制信号的大小实时调节喷头流 量 实现对 靶变量喷雾作业 0053 喷雾机器人拥有稳定 的续航能力 电池电量以百分比的形式在远程控制端显示 中央处 理器 7 通过对电池电压检测 实现喷雾 机器人低压状态自主返航充电功能 说 明 书 5 7 页 9 CN 113341961 A 0054 喷雾机器人的风送系统 4 根据冠层枝叶稠密程度通过脉宽调制 pulse width modulation PWM 信号控制电机 42 转速 实时调节风速与风量 可将 雾化的药液覆盖更广 的作物面积 提高雾滴在果树冠层的穿透和沉积分布 并且风力辅助输送雾滴可胁迫雾滴 定向沉积至目标冠层 气流二次破碎雾滴同时翻转扰动冠层内部茎叶使得雾滴沉积到目标 冠层内部 从而增加雾滴在目标冠层内部的穿透能力 叶片背面的沉积量 沉积分布均匀 性 使喷雾 机器人能将药 液喷洒到常规喷雾器难以喷洒到的冠层内部 施药效果更好 0055 喷雾系统通过竖直放置的二维激光雷达 612 获得两侧靶标植株信息 实时处理 得到植株冠层体积以及植株距喷嘴距离从而得到所需施药量和风送机的风速 喷雾机器人 的每个 喷头均由单独的电磁阀来控制其流量的大小 根据计算出 的冠层离散化后的体积 控制电磁阀的流 量大小 使得每 个喷头喷洒对应 体积的药 液 0056 各系统之间相互配合 实现了自主移动喷雾机器人的送风喷雾双变量的精准作 业 0057 本发明的路径规划方法为 0058 为排除非相 邻树行干扰 设置感兴趣区域 Region of Interest ROI 提取两侧相 邻树行 本发明采用椭圆ROI 以极轴为长轴方向 可采集到更多的树行信息 提高树行直线 的拟合精度 椭圆极坐标 方程如下 0059 0060 其中 为极角 a为长轴长度 b为短轴长度 0061 从前激光雷达 611 采集到的点云数据中筛选出r r 0的测量点用作路径提取 建 立 直角坐标系 将测量 点极坐标变换为 直角坐标 0062 0063 采用最小二乘法分别拟合左右两侧树行直线 根据直线斜率估计偏航角 属于 ROI内所有测量点 角度小于 的属于左侧树行 角度大于 的属 于右侧树行 计算出左右树 行间的中心线作为 导 航路径 0064 进一步 一种温室自主精准变量风送喷雾机器人后退时的路径规划采用后激光雷 达 613 所采集的数据 规划方法与向前时路径规划方法一 致 0065 进一 步 所述靶标植株 体积检测算法为 0066 上激光雷达 612 水平安装 向上扫描 将采集到的点云数据进行聚类处理 拟合 出植株树干 计算出激光雷达和植株树干之间的距离l 激光雷达的角度分辨率为0 225 因此相邻两点云之间的角度差为0 2 25 相邻两点云数据之间存在 如下关系 0067 0068 其中 i和 i 1为两相邻点云对应的角度 l i和l i 1为两相邻点云所采 集到的距 离值 说 明 书 6 7 页 10 CN 113341961 A 即激光雷达与靶标植株之间的距离 d i和d i 1为树冠外侧与树干间的距离 h为两相邻点云 在竖直方向上的距离 0069 每两相邻点云之间覆盖的靶标植株侧面积S i近似于梯形 为 0070 0071 二维激光雷达的扫描频率 为25 Hz 在喷雾 机器人 前进过程中 0072 0073 其中 t为激光雷达扫描一帧数据所需时间 W为一帧激光雷达扫描的宽度 即激 光雷达采集一帧点云数据时间内喷雾机器人所前进的距离 v为喷雾机器人前进的速度 Vi 为两相邻点云之间植株冠层的体积 0074 将5帧点云数据进行一次累计 即每 帧点云数据所占体积为 0075 0076 喷雾机器人单侧安装四个喷头组件 35 从上到下依次记为1 2 3和4号 1号喷头 组件对应角度为20 30 点云数据 2号喷头组件对应角度为30 50 点云数据 3号喷头 组件对应角度为50 80 点云数据 4号喷头组件对应角度为80 135 点云数据 计算出 对应点云数据区域内植株体积V i的总和V 5i 根据施药模型对植株冠层进行喷药量计算 生 成脉宽调制信号 PWM 存储到喷雾数组 延时控制后根据喷雾数组中脉宽调制信号的大小 实时调节喷头流 量 实现对 靶变量喷雾作业 说 明 书 7 7 页 11 CN 113341961 A 图1 图2 说 明 书 附 图 1 4 页 12 CN 113341961 A 图3 图4 说 明 书 附 图 2 4 页 13 CN 113341961 A 图5 图6 说 明 书 附 图 3 4 页 14 CN 113341961 A 图7 说 明 书 附 图 4 4 页 15 CN 113341961 A