CN104430272A - 一种基于图像处理的自走式智能喷雾机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于图像处理的自走式智能喷雾机，包括车架、底盘、动力机构、传动机构、两个履带行走机构、喷洒机构和控制***，车架固定在底盘上方，动力机构和传动机构安装在底盘上，两个履带行走机构分别安装在底盘两侧，喷洒机构安装在车架上；喷洒机构包括储药箱、药液传输***、喷头装载平台、离心泵和步进电机，步进电机输出轴与喷头装载平台驱动连接并驱动喷头装载平台转动；控制***包括图像采集装置和主控制器，图像采集装置安装在车架前端，主控制器通过图像采集装置获取喷雾机前方图像信息并根据上述图像信息分析获得待喷区域信息，且根据上述待喷区域信息控制动力机构、离心泵、步进电机动作。

Description

一种基于图像处理的自走式智能喷雾机
技术领域
本发明涉及植保喷雾机械技术领域，尤其涉及一种基于图像处理的自走式智能喷雾机。
背景技术
我国的植保机械自动化程度低，喷洒农药量不能根据植物长势不同进行智能化喷洒，也无法实现喷雾机的自动定位、自动行走、自动调节喷雾量等功能。目前，针对玉米、小麦、大豆、棉花、高粱等窄行距、大面积高植株作物的病虫害防治，大多依靠人工背负机械式或电动喷雾机对田地或者植物进行喷洒，这样不仅造成环境污染、导致药物资源浪费，而且在药物雾滴漂移和高温作业的环境中，很容易造成作业人员中毒中暑，导致不必要的人员伤亡。植保飞机的研制为大田块农作物的病虫害防治提供了一种有效的可行性方案，但由于植保飞机技术水平滞后以及昂贵的价格等原因，使得该方案迟迟未能普及。其他相关的自走式植保机械，也由于车身宽度的限制而不能适应作物的病虫害防治工作。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种基于图像处理的自走式智能喷雾机，实现了根据植物长势不同进行智能化喷洒，可以进行自动定位、自动行走、自动调节喷雾量，同时也节约了用药量和用水量，极大限度降低了环境污染。
在本发明中喷雾机前进喷洒方向为前，与之相反的方向为后。
本发明提出的一种基于图像处理的自走式智能喷雾机，包括车架、底盘、动力机构、传动机构、两个履带行走机构、喷洒机构和控制***，车架固定在底盘上方，动力机构和传动机构安装在底盘上，两个履带行走机构分别安装在底盘两侧，喷洒机构安装在车架上；
喷洒机构包括储药箱、药液传输***、喷头装载平台、离心泵和步进电机，储药箱、离心泵和步进电机安装在车架上，离心泵的进液口与储药箱内腔管路连通，离心泵的出液口通过药液传输***与喷头装载平台进液口连通，步进电机输出轴与喷头装载平台驱动连接并驱动喷头装载平台转动；
控制***包括图像采集装置和主控制器，动力机构、离心泵、步进电机均与主控制器通信连接并由主控制器控制其动作，图像采集装置安装在车架前端，主控制器通过图像采集装置获取喷雾机前方图像信息并根据上述图像信息分析获得待喷区域信息，且根据上述待喷区域信息控制动力机构、离心泵、步进电机动作。
优选的，喷头装载平台包括空心的喷药杆，上述喷药杆上设有多个喷药嘴，上述喷药嘴交错平行分布在喷药杆上，每个喷药嘴处对应安装有喷头，喷药杆内设有螺旋流量电磁阀，上述螺旋流量电磁阀的阀体呈螺旋状油道，油道口径与喷药嘴口径一致，螺旋流量电磁阀与喷药杆内壁过盈配合，螺旋流量电磁阀与主控制器通信连接，主控制器通过控制螺旋流量电磁阀吸合程度而控制喷药杆各喷头喷射的距离和流量大小。
优选的，喷头装载平台包括空心的喷药杆和微型增压机，上述喷药杆上设有多个喷药嘴，上述喷药嘴交错平行分布在喷药杆上，每个喷药嘴处对应安装有喷头，喷药杆靠近步进电机一端与微型增压机出液口相连，微型增压机进液口通过药液传输***与离心泵的出液口连通。
优选的，还包括喷药机械手和液压泵，液压泵安装在机架上，步进电机输出轴通过上述喷药机械手与喷头装载平台驱动连接，喷药机械手包括转向节臂、转向摇臂、圆形横拉杆和液压油缸，液压泵出液口与液压油缸进液口连通，转向摇臂一端与步进电机输出轴固定且另一端与转向节臂铰接，液压油缸一端与圆形横拉杆铰接且另一端转向摇臂铰接，转向节臂一端与圆形横拉杆铰接且另一端转向摇臂铰接，转向节臂、转向摇臂、圆形横拉杆和液压油缸组成四连杆机构。
优选的，还包括远程遥控器，主控制器具有无线发射器，远程遥控器与主控制器通过上述无线发射器通信连接，远程遥控器通过获取喷雾机前方图像信息并向主控制器发送控制指令以优先方式控制动力机构、离心泵、步进电机动作。
优选的，还包括第一分控制器，第一分控制器与主控制器通信连接，主控制器通过第一分控制器控制步进电机动作。
优选的，履带行走机构包括履带、驱动轮、张紧轮、支撑轮和拖轮，动力机构与驱动轮驱动连接，履带安装在驱动轮上，拖轮通过滚动轴承并行安装在车架上，拖轮的底端内嵌在履带内，张紧轮通过轮心转动安装在支架后端且内嵌在履带内，张紧轮轮心通过挡板和长螺杆与车架连接。
优选的，还包括第二分控制器、第一距离传感器、第二距离传感器和电磁离合器，第一距离传感器、第二距离传感器、电磁离合器均与第二分控制器通讯连接，第一距离传感器、第二距离传感器分别安装在两个履带行走机构的驱动轮外侧，第二分控制器通过第一距离传感器、第二距离传感器获取喷雾机与两侧障碍物之间距离信息，第二分控制器与主控制器通信连接，主控制器通过第二分控制器获取上述距离信息并通过第二分控制器控制电磁离合器动作以实现喷雾机转向。
优选的，动力机构包括电机和减速机，电机与减速机驱动连接，传动机构包括传动轴，减速机通过电磁离合器与传动轴驱动连接，传动轴与驱动轮驱动连接。
优选的，主控制器中具有数字信号处理模块，上述数字信号处理模块将图像采集装置所采集喷雾机前方图像信息进行分析处理并得出待喷区域信息。
优选的，远程遥控器为智能远程遥控器，其包括供电模块、STM32控制器、无线视频接收器、PAN协调器、液晶显示模块、按键模块；供电模块通过电源线与STM32控制器、无线视频接收器、PAN协调器和液晶显示模块分别连接并为其提供电源，PAN协调器通过串口与STM32控制器的串口连接进行局域网通讯，用户可通过远程中央控制点对***实施监测和控制，按键模块与STM32模块的I/O口连接；显示器与无线接收器连接。
优选的，图像采集装置为高清摄像机；高清摄像机通过T形支架固定在机架上。
本发明中的基于图像处理的自走式智能喷雾机，动力机构通过传动机构带动履带行走机构动作使得喷雾机行走，并有控制***控制喷雾机行走和喷洒机构进行喷洒；通过图像采集装置采集喷雾机前方的图像信息，从而确定待喷区域，离心泵将储药箱中的药液经药液传输***送至喷头装载平台喷出，步进电机则在控制***的控制下，带动喷头装载平台转动，将药液准确喷洒至待喷区域；因此，与现有的植保机械相比，其自动化程度高、操作简便、作业效率高，实现了根据植物长势不同进行智能化喷洒，可以进行自动定位、自动行走、自动调节喷雾量，同时也节约了用药量和用水量，极大限度降低了环境污染，喷雾机工作过程中，作业人员无需坐在喷雾机中，即可轻松完成农药喷施，该过程完全避免了传统人工作业时由于药物雾滴漂移和高温环境中造成的人员中毒中暑等事故。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于图像处理的自走式智能喷雾机结构图；
图2为图1的主视图；
图3为图1的侧视图；
图4为喷药机械手装置图；
图5为螺旋流量电磁阀芯剖面图；
图6为远程遥控器机构图。
具体实施方式
如图1所示，图1为本发明提出的一种基于图像处理的自走式智能喷雾机的结构示意图。
参照图1，本发明提出的一种基于图像处理的自走式智能喷雾机，包括车架1、底盘、动力机构、传动机构、两个履带行走机构2、喷洒机构和控制***，车架1固定在底盘上方，动力机构和传动机构安装在底盘上，两个履带行走机构2分别安装在底盘两侧，喷洒机构安装在车架1上；
喷洒机构包括储药箱31、药液传输***、喷头322装载平台32、离心泵33和步进电机34，储药箱31、离心泵33和步进电机34安装在车架1上，离心泵33的进液口与储药箱31内腔管路连通，离心泵33的出液口通过药液传输***与喷头322装载平台32进液口连通，步进电机34输出轴与喷头322装载平台32驱动连接并驱动喷头322装载平台32转动；
控制***包括图像采集装置41和主控制器42，动力机构、离心泵33、步进电机34均与主控制器42通信连接并由主控制器42控制其动作，图像采集装置41安装在车架1前端，主控制器42通过图像采集装置41获取喷雾机前方图像信息并根据上述图像信息分析获得待喷区域信息，且根据上述待喷区域信息控制动力机构、离心泵33、步进电机34动作。
在上述实施例中，动力机构通过传动机构带动履带行走机构2动作使得喷雾机行走，并有控制***控制喷雾机行走和喷洒机构进行喷洒；通过图像采集装置41采集喷雾机前方的图像信息，从而确定待喷区域，离心泵33将储药箱31中的药液经药液传输***送至喷头322装载平台32喷出，步进电机34则在控制***的控制下，带动喷头322装载平台32转动，将药液准确喷洒至待喷区域；因此，与现有的植保机械相比，其自动化程度高、操作简便、作业效率高，实现了根据植物长势不同进行智能化喷洒，可以进行自动定位、自动行走、自动调节喷雾量，同时也节约了用药量和用水量，极大限度降低了环境污染，喷雾机工作过程中，作业人员无需坐在喷雾机中，即可轻松完成农药喷施，该过程完全避免了传统人工作业时由于药物雾滴漂移和高温环境中造成的人员中毒中暑等事故。
在进一步改进的技术方案中，喷头322装载平台32包括空心的喷药杆321，上述喷药杆321上设有多个喷药嘴，上述喷药嘴交错平行分布在喷药杆321上，每个喷药嘴处对应安装有喷头322，喷药杆321内设有螺旋流量电磁阀324，上述螺旋流量电磁阀324的阀体呈螺旋状油道3242，油道3242口径与喷药嘴口径一致，螺旋流量电磁阀324与喷药杆321内壁过盈配合，螺旋流量电磁阀324与主控制器42通信连接，主控制器42通过控制螺旋流量电磁阀324吸合程度而控制喷药杆321各喷头322喷射的距离和流量大小。
在上述改进中，喷药杆321上的多个喷头322可以实现多行喷雾；优选的方式中，可以将喷头322数量设计为10个，由于喷药杆321内安装螺旋流量电磁阀324，在主控制器42的控制下，螺旋流量电磁阀324吸合程度可以控制喷药杆321上10个喷头322喷射的距离和流量大小；螺旋流量电磁阀324的阀芯3241可以由硬质铝合金材质制成。
在进一步改进的技术方案中，喷头322装载平台32还包括微型增压机323，喷药杆321靠近步进电机34一端与微型增压机323出液口相连，微型增压机323进液口通过药液传输***与离心泵33的出液口连通。
在上述改进中，药液通过微型增压机323将液压再次升高送至喷药杆321，从而提高药液喷射能力。
在进一步改进的技术方案中，还包括喷药机械手35和液压泵36，液压泵36安装在车架1上，步进电机34输出轴通过上述喷药机械手35与喷头322装载平台32驱动连接，喷药机械手35包括转向节臂354、转向摇臂351、圆形横拉杆353和液压油缸352，液压泵36出液口与液压油缸352进液口连通，转向摇臂351一端与步进电机34输出轴固定且另一端与转向节臂354铰接，液压油缸352一端与圆形横拉杆353铰接且另一端转向摇臂351铰接，转向节臂354一端与圆形横拉杆353铰接且另一端转向摇臂351铰接，转向节臂354、转向摇臂351、圆形横拉杆353和液压油缸352组成四连杆机构。
在上述改进中，通过液压泵36对油缸的油压控制，可以通过喷药机械手35实现喷药杆321的高度和伸缩调节，从而使得药液喷洒更加准确。
在进一步改进的技术方案中，还包括远程遥控器6，主控制器42具有无线发射器45，远程遥控器6与主控制器42通过上述无线发射器45通信连接，远程遥控器6通过获取喷雾机前方图像信息并向主控制器42发送控制指令以优先方式控制动力机构、离心泵33、步进电机34动作。
在上述改进中，可以使得喷雾机在自动运行的基础上，具有人工远程干涉控制的模式，在喷雾机在工作过程中出现不可预知的情况，操作人员可以在进行远程操控，使得喷雾机工作更加可靠和精确。
在进一步改进的技术方案中，还包括第一分控制器43，第一分控制器43与主控制器42通信连接，主控制器42通过第一分控制器43控制步进电机34动作。
在上述设计中，通过第一分控制器43，可以降低主控制器42的工作强度。
在进一步改进的技术方案中，履带行走机构2包括履带21、驱动轮22、张紧轮25、支撑轮23和拖轮24，动力机构与驱动轮22驱动连接，履带21安装在驱动轮22上，拖轮24通过滚动轴承并行安装在车架1上，拖轮24的底端内嵌在履带21内，张紧轮25通过轮心转动安装在支架后端且内嵌在履带21内，张紧轮25轮心通过挡板和长螺杆与车架1连接。
在上述设计中，履带行走机构2各部件彼此配合，运行稳定。
在进一步改进的技术方案中，还包括第二分控制器44、第一距离传感器、第二距离传感器和电磁离合器，第一距离传感器、第二距离传感器、电磁离合器均与第二分控制器44通讯连接，第一距离传感器、第二距离传感器分别安装在两个履带行走机构2的驱动轮22外侧，第二分控制器44通过第一距离传感器、第二距离传感器获取喷雾机与两侧障碍物之间距离信息，第二分控制器44与主控制器42通信连接，主控制器42通过第二分控制器44获取上述距离信息并通过第二分控制器44控制电磁离合器动作以实现喷雾机转向。
在上述设计中，第一距离传感器和第二距离传感器实时检测喷雾机与两侧障碍物之间的行驶距离，同时将检测的实时信号传输至第二分控制器44，从而可以根据安全行驶距离与实时行驶距离的大小关系控制电磁离合器的通断来实现底盘驱动部分的转向；具体地，在底盘驱动部分正常行驶过程中，当第一侧的实时行驶距离小于安全行驶距离时，第一距离传感器向控制***发出电压信号，控制***将接收的电压信号转换为控制执行第二侧的电磁离合器断开，这样底盘驱动部分向第二侧进行转向，在转向过程中当第一侧的实时行驶距离大于安全行驶距离时，控制***控制第二侧的电磁离合器结合，以使喷雾机在安全范围内进行行驶；第二分控制器44的存在则可以分担主控制器42的工作，使得控制***更加可靠。
在进一步改进的技术方案中，动力机构包括电机5和减速机，电机5与减速机驱动连接，传动机构包括传动轴，减速机通过电磁离合器与传动轴驱动连接，传动轴与驱动轮22驱动连接。
在上述改进中，电机5可以采用无刷直流电机5，整个动力机构和传动机构运行平稳可靠。
在进一步改进的技术方案中，主控制器42中具有数字信号处理模块，上述数字信号处理模块将图像采集装置41所采集喷雾机前方图像信息进行分析处理并得出待喷区域信息。
在上述改进中，数字信号处理模块可以提高主控制器42的图像信息处理和分析能力。
在进一步改进的技术方案中，远程遥控器6为智能远程遥控器6，其包括供电模块、STM32控制器、无线视频接收器62、PAN协调器63、液晶显示模块61、按键模块64；供电模块通过电源线与STM32控制器、无线视频接收器62、PAN协调器63和液晶显示模块61分别连接并为其提供电源，PAN协调器通过串口与STM32控制器的串口连接进行局域网通讯，用户可通过远程中央控制点对***实施监测和控制，按键模块64与STM32模块的I/O口连接；显示器与无线接收器连接；图像采集装置41采用高清摄像机；高清摄像机通过T形支架固定在车架1上。
综上所述，上述实施例提供的喷雾机，与现有的植保机械相比，其自动化程度高、操作简便、作业效率高，工作过程中作业人员可以站在田头操作远程遥控部分即可轻松完成农药喷施，该过程完全避免了传统人工作业时由于药物雾滴漂移和高温环境中造成的人员中毒中暑等事故；该发明采用烟雾弥散形式喷施农药，至少可节约50％的农药使用量和80％的用水量，很大程度上降低了资源成本和环境污染，具有良好的市场前景和推广价值。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于图像处理的自走式智能喷雾机，其特征在于，包括车架(1)、底盘、动力机构、传动机构、两个履带行走机构(2)、喷洒机构和控制***，车架(1)固定在底盘上方，动力机构和传动机构安装在底盘上，两个履带行走机构(2)分别安装在底盘两侧，喷洒机构安装在车架(1)上；
喷洒机构包括储药箱(31)、药液传输***、喷头(322)装载平台(32)、离心泵(33)和步进电机(34)，储药箱(31)、离心泵(33)和步进电机(34)安装在车架(1)上，离心泵(33)的进液口与储药箱(31)内腔管路连通，离心泵(33)的出液口通过药液传输***与喷头(322)装载平台(32)进液口连通，步进电机(34)输出轴与喷头(322)装载平台(32)驱动连接并驱动喷头(322)装载平台(32)转动；
控制***包括图像采集装置(41)和主控制器(42)，动力机构、离心泵(33)、步进电机(34)均与主控制器(42)通信连接并由主控制器(42)控制其动作，图像采集装置(41)安装在车架(1)前端，主控制器(42)通过图像采集装置(41)获取喷雾机前方图像信息并根据上述图像信息分析获得待喷区域信息，且根据上述待喷区域信息控制动力机构、离心泵(33)、步进电机(34)动作。
2.根据权利要求1所述的基于图像处理的自走式智能喷雾机，其特征在于，喷头(322)装载平台(32)包括空心的喷药杆(321)，上述喷药杆(321)上设有多个喷药嘴，上述喷药嘴交错平行分布在喷药杆(321)上，每个喷药嘴处对应安装有喷头(322)，喷药杆(321)内设有螺旋流量电磁阀(324)，上述螺旋流量电磁阀(324)的阀体呈螺旋状油道(3242)，油道(3242)口径与喷药嘴口径一致，螺旋流量电磁阀(324)与喷药杆(321)内壁过盈配合，螺旋流量电磁阀(324)与主控制器(42)通信连接，主控制器(42)通过控制螺旋流量电磁阀(324)吸合程度而控制喷药杆(321)各喷头(322)喷射的距离和流量大小。
3.根据权利要求1所述的基于图像处理的自走式智能喷雾机，其特征在于，喷头(322)装载平台(32)包括空心的喷药杆(321)和微型增压机(323)，上述喷药杆(321)上设有多个喷药嘴，上述喷药嘴交错平行分布在喷药杆(321)上，每个喷药嘴处对应安装有喷头(322)，喷药杆(321)靠近步进电机(34)一端与微型增压机(323)出液口相连，微型增压机(323)进液口通过药液传输***与离心泵(33)的出液口连通。
4.根据权利要求1所述的基于图像处理的自走式智能喷雾机，其特征在于，还包括喷药机械手(35)和液压泵(36)，液压泵(36)安装在车架(1)上，步进电机(34)输出轴通过上述喷药机械手(35)与喷头(322)装载平台(32)驱动连接，喷药机械手(35)包括转向节臂(354)、转向摇臂(351)、圆形横拉杆(353)和液压油缸(352)，液压泵(36)出液口与液压油缸(352)进液口连通，转向摇臂(351)一端与步进电机(34)输出轴固定且另一端与转向节臂(354)铰接，液压油缸(352)一端与圆形横拉杆(353)铰接且另一端转向摇臂(351)铰接，转向节臂(354)一端与圆形横拉杆(353)铰接且另一端转向摇臂(351)铰接，转向节臂(354)、转向摇臂(351)、圆形横拉杆(353)和液压油缸(352)组成四连杆机构。
5.根据权利要求1所述的基于图像处理的自走式智能喷雾机，其特征在于，还包括远程遥控器(6)，主控制器(42)具有无线发射器(45)，远程遥控器(6)与主控制器(42)通过上述无线发射器(45)通信连接，远程遥控器(6)通过获取喷雾机前方图像信息并向主控制器(42)发送控制指令以优先方式控制动力机构、离心泵(33)、步进电机(34)动作；优选的，还包括第一分控制器(43)，第一分控制器(43)与主控制器(42)通信连接，主控制器(42)通过第一分控制器(43)控制步进电机(34)动作。
6.根据权利要求1所述的基于图像处理的自走式智能喷雾机，其特征在于，履带行走机构(2)包括履带(21)、驱动轮(22)、张紧轮(25)、支撑轮(23)和拖轮(24)，动力机构与驱动轮(22)驱动连接，履带(21)安装在驱动轮(22)上，拖轮(24)通过滚动轴承并行安装在车架(1)上，拖轮(24)的底端内嵌在履带(21)内，张紧轮(25)通过轮心转动安装在支架后端且内嵌在履带(21)内，张紧轮(25)轮心通过挡板和长螺杆与车架(1)连接。
7.根据权利要求6所述的基于图像处理的自走式智能喷雾机，其特征在于，还包括第二分控制器(44)、第一距离传感器、第二距离传感器和电磁离合器，第一距离传感器、第二距离传感器、电磁离合器均与第二分控制器(44)通讯连接，第一距离传感器、第二距离传感器分别安装在两个履带行走机构(2)的驱动轮(22)外侧，第二分控制器(44)通过第一距离传感器、第二距离传感器获取喷雾机与两侧障碍物之间距离信息，第二分控制器(44)与主控制器(42)通信连接，主控制器(42)通过第二分控制器(44)获取上述距离信息并通过第二分控制器(44)控制电磁离合器动作以实现喷雾机转向。
8.根据权利要求7所述的基于图像处理的自走式智能喷雾机，其特征在于，动力机构包括电机(5)和减速机，电机(5)与减速机驱动连接，传动机构包括传动轴，减速机通过电磁离合器与传动轴驱动连接，传动轴与驱动轮(22)驱动连接。
9.根据权利要求1所述的基于图像处理的自走式智能喷雾机，其特征在于，主控制器(42)中具有数字信号处理模块，上述数字信号处理模块将图像采集装置(41)所采集喷雾机前方图像信息进行分析处理并得出待喷区域信息。
10.根据权利要求1-9任一项所述的基于图像处理的自走式智能喷雾机，其特征在于，远程遥控器(6)为智能远程遥控器(6)，其包括供电模块、STM32控制器、无线视频接收器(62)、PAN协调器(63)、液晶显示模块(61)、按键模块(64)；供电模块通过电源线与STM32控制器、无线视频接收器(62)、PAN协调器(63)和液晶显示模块(61)分别连接并为其提供电源，PAN协调器(63)通过串口与STM32控制器的串口连接进行通讯，按键模块(64)与STM32模块的I/O口连接；显示器与无线接收器连接；优选的，图像采集装置(41)为高清摄像机；高清摄像机通过T形支架固定在车架(1)上。
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