CN207182032U - 一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人，所述执行***包括扇形喷头，固定横杆，固定支架，发动机，传动***，车轮，直流风机，直流电机，滚珠丝杆，换向器，发电机组，蓄电池组，药箱；超声波传感器阵列作为探测***，实时捕捉获取目标植株的有无及距离信息。喷雾行进过程中，STM32嵌入式单片机根据手机ＡＰＰ计算结果，控制丝杆螺母，直流风机，喷头根据作物冠层体积的大小、目标靶物的有无进行变量喷雾，变量送风，对于较厚的冠层，增大风力，从而达到减少雾滴飘移，增加雾滴的穿透性，破碎大雾滴，增加雾滴风行距离的目的，进而使得整个植株冠层的沉积量增加，减少了用药量，提高农药利用率及果园农业机械化及自动化，改善果园生态环境，提高果品品质。

Description

一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量 喷雾机器人

技术领域

本实用新型设计一种喷雾机器人，尤其是涉及一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人。

背景技术

常规大容量连续式喷雾，自动化水平低，检测水平低甚至根本没有检测***，不能实现精准变喷量变风量的喷雾要求，容易造成农药浪费，引起环境污染及生态问题，降低果品品质甚至农药残留。

精确变喷量变风量喷雾技术作为近年来新出现的先进农业技术，能根据植株靶标的有无，多种作物特征的变化，实时准确的进行变量喷雾施药，变风量送风，在果园植保作业方面已经得到初步推广及应用。

风送式喷雾机喷雾雾滴在风送的帮助下，扰动植株叶片，使得雾滴能够有效附着在叶片两侧，并有效穿透植株冠层增加穿透性，提高药液利用率。

研究发现，在喷施过程中，植株距离喷头的距离不同，相同的风速风量的风在行进过程中会发生变化，风力随着喷雾距离的增加，逐渐减弱，且存在严重飘移现象，且冠层体积越大，风无法扰动冠层深处的叶片。

若能控制风机风量风速大小，风的方向达到减少雾滴飘移，增加雾滴的穿透性，破碎大雾滴，增加雾滴风行距离的目的，进而使得整个植株冠层的沉积量增加，提高农药使用率，实现果园农业机械化及自动化，改善果园生态环境提高果品品质。

实用新型内容

本实用新型的目的在于通过物联网技术设计一种根据植株特征进行智能自动精准喷药，提高农药利用率，减少农药使用量并可根据金属轨道自动寻迹的一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人。

本实用新型固定道变量喷雾机器人的技术方案为：

一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能变量喷雾机器人，包括执行***、固定道、测试与控制***、控制启动装置、传输与决策***、手机APP（34）；

所述执行***包括扇形喷头（3），固定横杆（5），固定支架（6），发动机（20），传动***（21），车轮（8），直流风机（2），外球面轴承（24），滚珠丝杆单元（25），丝杆螺母（26），实心无丝丝杆（27），梅花联轴器（28），换向器（29），步进电机（30），发电机组（23），蓄电池（17），药箱（14）；

固定横杆固定在支撑横梁上，固定横杆的上端设有U型框架，U型框架且呈倒U型，U型框架的贯通方向与车体的长度方向垂直；所述扇形喷头（3）分布在“U”型框架（1）的下方，扇形喷头位于直流风机（2）的前方，扇形喷头用螺栓螺母以及固定件安装固定在铝合金水管（4）上；

发动机安装在底盘中间用螺栓螺母固定，通过传动***传给车轮，带动喷雾机器人实现运动；

所述滚珠丝杆单元由外球面轴承，滚珠丝杆，无丝实心丝杆，丝杆螺母，换向器，梅花联轴器，步进电机组成；丝杆螺母与滚珠丝杆同轴啮合，整个丝杆两端分别安装有外球面轴承，外球面轴承固定在固定横杆上，换向器用螺栓螺母固定在固定横杆上，丝杆与换向器，换向器与步进电机间用梅花联轴器连接； 换向器与步进电机之间连接起来用于控制多个滑块实现不同距离及速度的移动；

所述滚珠丝杆机构，采用有丝无丝相间的丝杆，用固定横杆与外球面轴承固定丝杆；并用梅花联轴器将丝杆与换向器，步进电机固定在‘U’型框架的下部，通过梅花联轴器将力传递给换向器，实现速度方向的转变；

所述丝杆及丝杆螺母两者啮合，通过换向器梅花联轴器连接步进电机，使得丝杆螺母在一定范围内移动；步进电机的旋转速度程序可调，使得丝杆螺母上下移动速度大小可调；

所述有丝丝杆与无丝丝杆，两者间隔处设有固定螺母，其防止丝杆螺母进入无丝丝杆，从而固定直流风机的上下行程；

在丝杆螺母上固定有直流风机：所述丝杆螺母与直流风机外罩相连，风机外罩出风口附近设置有孔与铝合金管同轴心间隙配合，使得直流风机可以竖直上下运动；

所述直流电机调速器1（40）用于对直流风机（2）进行调速，使其风量产生变化进而影响扇形喷头（3）喷出雾滴飞向植株的距离；

所述的固定道，为铺设在果园内部的一条轨道；

所述测试与控制***包括超声波传感器（15）、编码器（37）、投入式液位传感器（38），三维角度传感器（39），金属感应传感器（32）、电磁阀（42）、电动流量阀（41）、温度传感器、流量传感器（33），直流电机调速器1（40），STM32嵌入式单片机（31）；

所述超声波传感器（15），编码器（37），流量传感器（33），金属感应传感器（32），电磁阀（42）、直流电机调速器1（40），电路放大模块分别与STM32嵌入式单片机（31）相连；电路放大模块连接有控制启动装置，电液转向***；

所述超声波传感器（15）安装在喷雾机器人行进的前端，对两侧的植株进行检测，并将植株的距离信息传给STM32嵌入式单片机（31）；

所述的控制启动装置用于对发动机（20）的电启动，以及发动机（20）的调速，通过传动***（21）可以将动力传送给车轮（8），实现喷雾机器人的运动快慢以及转向；

所述金属感应传感器（32）安装在喷雾机器人的底盘（12）下，感应金属轨道的信息调整车体行进方向，使得金属传感器一直位于轨道的上方；

所述传输与决策***包括USR_WIFI232-602-V2无线串口服务器（35）、通讯协议、服务器协议、手机APP（34）、服务器（36）；

所述USR_WIFI232-602-V2无线串口服务器（35）与STM32嵌入式单片机（31）相连，通过通讯协议将作物信息，喷雾机器人的作业信息传递给手机APP（34）；

所述手机APP（34），将信息通过相关协议传递给服务器，并作为STM32嵌入式单片机（31）的上位机。

上述的丝杆螺母初始位置可以人为提前设计安装调节。本实用新型采用超声波传感器对目标植株进行检测，并将在规定距离范围内的有效信息，反馈给STM32嵌入式单片机，经单片机程序进行初步处理及整理，通过USR_WIFI232-602-V2无线串口服务器及相关协议，把初步处理的信息传递给手机APP进行数据信息的进一步处理、加工及储存，根据用户自己研发的三维仿形植株体积计算方法，计算植株体，将处理过后植株体积及冠层信息等回传STM32嵌入式单片机，并将控制信息传给直流电机调速器1、步进电机驱动器、电动流量阀、电磁阀分别控制直流风扇的转速，丝杆螺母的上下，扇形喷头流量的大小，扇形喷头的开关；通过这样一个过程，可以实现根据作物冠层体积的大小、目标靶物的有无进行变量喷雾，变量送风，从而达到减少雾滴飘移，增加雾滴的穿透性，破碎大雾滴，增加雾滴风行距离的目的，进而使得整个植株冠层的沉积量增加。

本实用新型的有益效果是一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人，由超声波传感器采集植株距离信息，由速度传感器、流量传感器等采集速度、流量等信息，进行多传感器数据的融合，由电流控制模块控制电流的大小改变直流风机的大小，控制步进电机正反转以及转速，使得直流风机吹出的风可以携带药液穿透冠层，并更好地翻转叶片，增加目标靶物的药液沉积量，减少药液的飘移量。

一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人，包括步骤：

步骤1：启动机器人控制***电源，各模块处于待机状态；

步骤2，打开手机APP，连接USR_WIFI232-602-V2无线串口Wi-Fi模块，并设置喷雾机器人的相关工作参数，进行设备工作初始化；

步骤3，STM32嵌入式单片机接收到手机APP工作初始化命令后，根据初始化信息自动调节丝杆螺母在有丝丝杆上位置。初始化完成后，通过可视化手机界面查看数据库数据，了解喷雾机初始状态及历史情况。根据手机APP设置的发动机档位等工作初始化信息，STM32嵌入式单片机发送控制信号，通过电动控制装置启动发动机，并将动力分配给喷雾机器人的行进***以及柱塞泵；同时手机APP通过无线传输协议对STM32发送指令，使STM32嵌入式单片机对超声波传感器，金属感应传感器，电磁阀，直流电机调速器等设备进行初始化。

步骤4，金属感应传感器根据果园的金属固定道方向前进，并且行进***根据设定的档位信息使得机体匀速前进，同时超声波传感器实时收集作物的距离信息，将信息传递回STM32嵌入式单片机。

步骤5，所有作物信息及喷雾机器人的作业信息，回传STM32嵌入式单片机，经单片机程序进行初步处理及整理，通过USR_WIFI232-602-V2无线串口服务器及相关协议，把初步处理的信息传递给手机APP进行数据信息的进一步处理、加工显示及储存。根据实用新型人独立编写的三维仿形植株体积及冠层分割模型的计算方法，计算植株体积。手机APP将体积及其他喷雾等处理过的信息回传STM32嵌入式单片机。

步骤6，STM32嵌入式单片机根据回传的诸多信息，控制直流电机调速器进而控制直流风机的转速，控制电磁阀及电动流量阀进而控制扇形喷头的喷量，控制电动控制装置，使喷雾机器人在必要的位置实现转向；同时，手机APP通过相关协议将储存的数据信息传给服务器；

步骤7，当投入式液位传感器低于设定的药箱警戒液位，喷雾机器人停止前进及喷雾，并向手机APP传递警戒信息，根据使用者提供的信息判断是否继续作业，若停止作业，喷雾机器人原路返回，若继续作业喷雾机器人根据设定的轨迹行进，到果园指定位置添加药液，完毕后回到上次停止喷雾的位置，重复步骤4,5,6,7；

本实用新型的有益效果是，本实用新型采用超声波传感器对目标植株进行体积形状检测，将探测到的植株数据信息传递给STM32嵌入式单片机初步处理，然后通过无线传输协议传输给手机ＡＰＰ，手机ＡＰＰ对数据按照模型进一步计算处理，并通过控制命令传回给STM32嵌入式单片机，同时将作物信息储存在数据库中，便于实时查看分析；STM32嵌入式单片机根据手机ＡＰＰ传递的信息，控制连杆、风机、喷头等设备，根据作物冠层体积的大小、目标靶物的有无进行变量喷雾、变量送风，从而达到减少雾滴飘移，增加雾滴的穿透性，破碎大雾滴，增加雾滴风行距离的目的，进而使得整个植株冠层的沉积量增加，提高农药使用率，实现果园农业机械化及自动化，改善果园生态环境提高果品品质。

附图说明：

图1是一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人的结构示意图。

图2是整机动力启动及分配图

图3是滚珠丝杆传动设计图；

图4是一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人的测试与控制***及传输与决策***的原理图；

其中：1-“U”型框架；2-直流风机；3-扇形喷头；4-铝合金水管；5-固定横杆；6-固接件；7-支撑横梁；8-车轮；9-连接挂件；10-PVC管；11-柱塞泵；12-底盘；13-车体；14-药箱；15-超声波传感器；16-型钢支架；17-蓄电池；18-电动启动***；19-直流电机控制器2；20-发动机；21-传动***；22-柱塞泵；23-发电机组；24-外球面轴承；25-滚珠丝杆；26-丝杆螺母；27-实心无丝丝杆；28-梅花联轴器；29-换向器；30-步进电机；31-STM32嵌入式单片机；32-金属传感器；33-流量传感器；34-手机APP；35-USR_WIFI232-602-V2无线串口服务器；36-服务器；37-编码器；38-投入式液位传感器；39-三维角度传感器；40-直流电机调速器1；42-电磁阀：

具体实施方式：

下面结合示意图 具体说明所实用新型的一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人的工作过程。

如图1所示，是一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人示意图，由“U”型框架1，直流风机2；扇形喷头3；铝合金水管4；固定横杆5；固接件6；支撑横梁7；车轮8；连接挂件9；PVC管10；柱塞泵11；底盘12；车体13；药箱14；超声波传感器15；型钢支架16；蓄电池17；“U”型框架安装在车体底盘后部，其中直流风机以及扇形喷头各六个，安装在“U”型框架的两侧，其中直流风机安装在丝杆螺母上，直流风机罩设有两个孔，铝合金水管穿过风机罩的上下两孔安装并固定在风机罩上，风机罩设有螺孔安装在设有导轨的支撑横梁上；扇形喷头固定在铝合金水管上。丝杆螺母与直流风机外罩相连，风机外罩出风口附近设置有孔与铝合金管同轴心间隙配合，使得直流风机可以竖直上下运动。

如图2所示是一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人的电启动***，发电机组产生的电流储存在蓄电池当中，当单片机接受机器启动信号时，将电信号给直流电机控制器2，放大电信号并控制电动启动***启动发动机；发动机通过传动***将力矩传递给柱塞泵以及行进机构，通过电启动***可以有效控制机器的启动。

如图3所示，是一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人的丝杆传动***，采用有丝无丝相间的丝杆，用固定横杆与外球面轴承固定丝杆；并用梅花联轴器将丝杆与换向器，换向器与步进电机之间连接起来研究发现，在喷施过程中，若植株和喷头间的距离不同，相同的风速风量的风在行进过程中会发生变化，风力随着喷雾距离的增加，逐渐减弱，且存在严重飘移现象，且冠层体积越大，风无法扰动冠层深处的叶片，同时若风力过大，造成喷雾动能过大，液滴容易反弹不易附着，造成农药的浪费污染周围环境。本实用新型设计的复杂曲柄连杆机构，可以使得控制直流风机上下移动，可以最大范围的扰动植株冠层，调整直流风机的输出位置使其携带的雾滴在植株冠层以不同的方向进入。

如图4所示，是一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人的测试与控制***及传输与决策***的原理图；STM32嵌入式单片机将接受超声波传感器对植株的距离进行扫描后得到的信息，金属感应传感器将感应到金属轨道的信息，流量传感器的实时流量信息，投入式液位传感器传输的实时药箱液位信息，编码器的实时行进速度信息，三维角度传感器的角度感应信息；这些信息在STM32嵌入式单片机进行简单的加工处理，通过USR_WIFI232-602-V2无线串口联网模块及相关协议将数据信息传输给手机APP，手机APP将数据信息进行进一步的加工，计算出植株体积，计算喷雾机器人前进距离传给STM32嵌入式单片机，计算喷雾机器人的位移，在手机APP画出相应的行进轨迹以及位移，并选择性将部分加工的数据信息传送到数据库。根据手机传递给STM32嵌入式单片机的体积信息，控制电磁阀，电动流量阀，直流电机调速器1，直流电机调速器2发生相应的动作，进行变喷量，变风量喷雾，达到精确喷雾的目的；根据手机APP传输回的编码器比较信息，控制汽车电动控制装置实现喷雾机器人的调速；根据手机APP接收到的三维角度传感器的比较处理消息，结合速度编码器的路程信息，编制喷雾机器人的运动轨迹及位移；手机APP接收到的投入式液位传感器，对药箱的液位进行预警。

下面结合图1，图2，图3和图4具体说明本实用新型的一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人的风力风向调节方法及自动寻迹计算轨迹、位移的方法；打开手机APP，连接USR_WIFI232-602-V2无线串口Wi-Fi模块，并设置喷雾机器人的相关工作参数，进行设备工作初始化；根据初始化信息自动调节丝杆螺母在有丝丝杆上位置；根据手机APP设置的发动机档位等工作初始化信息，STM32嵌入式单片机发送控制信号，通过电动控制装置启动发动机，并将动力分配给喷雾机器人的行进***以及柱塞泵；同时手机APP通过无线传输协议对STM32发送指令，使STM32嵌入式单片机对超声波传感器，金属感应传感器，电磁阀，直流电机调速器等设备进行初始化；金属感应传感器根据果园的金属固定道方向前进，并且行进***根据设定的档位信息使得机体匀速前进，同时超声波传感器实时收集作物的距离信息，将信息传递回STM32嵌入式单片机；STM32嵌入式单片机根据回传的诸多信息，控制直流电机调速器进而控制直流风机的转速，控制电磁阀及电动流量阀进而控制扇形喷头的喷量，控制电动控制装置，使喷雾机器人在必要的位置实现转向；同时，手机APP通过相关协议将储存的数据信息传给服务器；当投入式液位传感器低于设定的药箱警戒液位，喷雾机器人停止前进及喷雾，并向手机APP传递警戒信息，根据使用者提供的信息判断是否继续作业，若停止作业，喷雾机器人原路返回，若继续作业喷雾机器人根据设定的轨迹行进，到果园指定位置添加药液。

Claims (2)

1.一种基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人，其特征在于，包括执行***、固定道、测试与控制***、控制启动装置、传输与决策***、手机APP（34）；

所述执行***包括扇形喷头（3），固定横杆（5），固定支架（6），发动机（20），传动***（21），车轮（8），直流风机（2），外球面轴承（24），滚珠丝杆单元（25），丝杆螺母（26），实心无丝丝杆（27），梅花联轴器（28），换向器（29），步进电机（30），发电机组（23），蓄电池（17），药箱（14）；

固定横杆固定在支撑横梁上，固定横杆的上端设有U型框架，U型框架且呈倒U型，U型框架的贯通方向与车体的长度方向垂直；所述扇形喷头（3）分布在“U”型框架（1）的下方，扇形喷头位于直流风机（2）的前方，扇形喷头用螺栓螺母以及固定件安装固定在铝合金水管（4）上；

发动机安装在底盘中间用螺栓螺母固定，通过传动***传给车轮，带动喷雾机器人实现运动；

所述滚珠丝杆单元由外球面轴承，滚珠丝杆，无丝实心丝杆，丝杆螺母，换向器，梅花联轴器，步进电机组成；丝杆螺母与滚珠丝杆同轴啮合，整个丝杆两端分别安装有外球面轴承，外球面轴承固定在固定横杆上，换向器用螺栓螺母固定在固定横杆上，丝杆与换向器，换向器与步进电机间用梅花联轴器连接； 换向器与步进电机之间连接起来用于控制多个滑块实现不同距离及速度的移动；

所述滚珠丝杆单元，采用有丝无丝相间的有丝丝杆与无丝丝杆，用固定横杆与外球面轴承固定丝杆；并用梅花联轴器将丝杆与换向器，步进电机固定在‘U’型框架的下部，通过梅花联轴器将力传递给换向器，实现速度方向的转变；

所述丝杆及丝杆螺母两者啮合，通过换向器梅花联轴器连接步进电机，使得丝杆螺母在一定范围内移动；步进电机的旋转速度程序可调，使得丝杆螺母上下移动速度大小可调；

所述有丝丝杆与无丝丝杆，两者间隔处设有固定螺母，其防止丝杆螺母进入无丝丝杆，从而固定直流风机的上下行程；

在丝杆螺母上固定有直流风机：所述丝杆螺母与直流风机外罩相连，风机外罩出风口附近设置有孔与铝合金管同轴心间隙配合，使得直流风机竖直上下运动；

还包括直流电机调速器1（40），所述直流电机调速器1（40）用于对直流风机（2）进行调速，使其风量产生变化进而影响扇形喷头（3）喷出雾滴飞向植株的距离；

所述的固定道，为铺设在果园内部的一条轨道；

所述测试与控制***包括超声波传感器（15）、编码器（37）、投入式液位传感器（38），三维角度传感器（39），金属感应传感器（32）、电磁阀（42）、电动流量阀（41）、温度传感器、流量传感器（33），直流电机调速器1（40），STM32嵌入式单片机（31）；

所述超声波传感器（15），编码器（37），流量传感器（33），金属感应传感器（32），电磁阀（42）、直流电机调速器1（40），电路放大模块分别与STM32嵌入式单片机（31）相连；电路放大模块连接有控制启动装置，电液转向***；

所述超声波传感器（15）安装在喷雾机器人行进的前端，对两侧的植株进行检测，并将植株的距离信息传给STM32嵌入式单片机（31）；

所述的控制启动装置用于对发动机（20）的电启动，以及发动机（20）的调速，通过传动***（21）将动力传送给车轮（8），实现喷雾机器人的运动快慢以及转向；

所述金属感应传感器（32）安装在喷雾机器人的底盘（12）下，感应金属轨道的信息调整车体行进方向，使得金属传感器一直位于轨道的上方；

所述传输与决策***包括USR_WIFI232-602-V2无线串口服务器（35）、通讯协议、服务器协议、手机APP（34）、服务器（36）；

所述USR_WIFI232-602-V2无线串口服务器（35）与STM32嵌入式单片机（31）相连，通过通讯协议将作物信息，喷雾机器人的作业信息传递给手机APP（34）；

所述手机APP（34），将信息通过相关协议传递给服务器，并作为STM32嵌入式单片机（31）的上位机 。

2.根据权利要求1所述的基于物联网技术及冠层分割模型的固定道智能精准变量喷雾机器人，其特征在于，所述丝杆螺母与直流风机外罩相连，风机外罩出风口附近设置有空与铝合金管同轴心间隙配合，使得直流风机竖直上下运动。