一种精准喷药机器人控制系统及控制方法与流程

本发明涉及喷药机器人控制领域，特别是涉及一种精准喷药机器人控制系统及控制方法。

背景技术：

植物质地柔软且形状各异，机械化收获的难度较大。控制系统作为喷药机器人的核心，对作业效率有着决定性的影响。现有技术可以对控制系统中的每个模块进行独立控制工作，但是让每个独立模块协调运作起来，是不能实现的，因此，如何让每个独立模块协调运作起来是当前需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种精准喷药机器人控制系统及控制方法，能够将各独立模块协调运作起来，进而更加准确地识别目标植物，自主规划行走路线和规避障碍。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种精准喷药机器人控制系统，包括：图像识别模块、定位模块、机械臂控制模块、自走模块、分布式协作数据库模块和控制器模块；

所述图像识别模块用于获取目标植株的位置信息，获取完成后，将所述目标植株的位置信息以及当前图像识别模块的状态发送至所述控制器模块；

所述定位模块用于获取精准喷药机器人的位置信息，获取完成后，将精准喷药机器人的位置信息以及当前定位模块执行状态发送至所述控制器模块；

所述控制器模块用于根据所述目标植株的位置信息和所述精准喷药机器人的位置信息控制所述机械臂控制模块执行指定动作，执行完成后，所述机械臂控制模块将机械臂控制模块执行结束状态信息与机械臂控制模块当前位置状态信息发送至所述控制器模块；

所述控制器模块还用于根据所述目标植株的位置信息和所述精准喷药机器人的位置信息控制所述自走模块执行指定动作，执行完成后，所述自走模块将自走模块执行结束状态信息与自走模块当前位置状态信息发送至所述控制器模块；

所述控制器模块还用于接收各模块的信息，并将各模块的信息存入分布式协作数据库模块，对各模块发生控制命令使各模块协调工作。

可选地，所述精准喷药机器人控制系统还包括增强版706外围电路模块，所述增强版706外围电路模块用于接入外部设备至所述控制器模块，所述外部设备与所述控制器模块通过外围电路进行信息交互，辅助所述控制器模块进行各模块的控制。

可选地，所述图像识别模块具体包括尼康coolpixp60型相机和天创ub570型图像采集卡，尼康coolpixp60型相机具有800万像素，用于拍摄获得jpeg格式的图像，经过天创ub570型图像采集卡转换为数字信号。

可选地，所述机械臂控制模块包括5个自由度的关节型机械手和多轴运动控制卡，所述5个自由度的关节型机械手的末端执行器的植物接触部位附着橡胶材料，采用电极切割的方式摘取；所述多轴运动控制卡包括pc110型工业计算机与p22－3型多轴运动控制卡，所述多轴运动控制卡采用开放式的分层控制。

可选地，所述自走模块具体为基于履带式的制动模块，所述自走模块通过液压阀驱动履带实现精准喷药机器人的转向。

可选地，所述控制器模块具体为pc110型工业计算机的tms320型芯片。

可选地，所述增强版706外围电路模块具体包括复位电路、接口电路和调理电路，各电路通过rs232串口协议与所述控制器模块连接。

一种精准喷药机器人控制方法，包括：

获取图像识别模块的状态信息；

根据所述图像识别模块的状态信息，执行目标识别操作，得到目标植物位置信息；

根据所述目标植物位置信息，计算所述5个自由度的关节型机械手应当延展的距离；

判断所述5个自由度的关节型机械手应当延展的距离是否大于所述5个自由度的关节型机械手的展臂范围；

若是，将控制器模块自身位置信息和所述目标植物位置信息之间的中间位置设为目标位置信息，并发送所述目标位置信息的方向移动指令至自走模块和定位模块；

通过自走模块和定位模块，根据所述目标位置信息对精准喷药机器人进行移动操作，直至移动到目标位置；

通过机械臂控制模块延展机械臂，对目标植物进行喷药操作；

若否，直接通过机械臂控制模块延展机械臂，对目标植物进行喷药操作。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过图像识别模块获取目标植株的位置信息；定位模块获取精准喷药机器人的位置信息；控制器模块根据目标植株的位置信息和精准喷药机器人的位置信息控制机械臂控制模块和自走模块执行指定动作，执行完成后，机械臂控制模块将机械臂控制模块执行结束状态信息与机械臂控制模块当前位置状态信息发送至控制器模块，自走模块将自走模块执行结束状态信息与自走模块当前位置状态信息发送至控制器模块；控制器模块还接收各模块的信息，并将各模块的信息存入分布式协作数据库模块，对各模块发生控制命令使各模块协调工作，本发明的精准喷药机器人控制系统能够实现能够将各独立模块协调运作起来，准确地识别目标植物、自主规划行走路线和规避障碍。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明精准喷药机器人控制系统结构组成图；

图2为本发明精准喷药机器人控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种精准喷药机器人控制系统及控制方法，能够将各独立模块协调运作起来，进而更加准确地识别目标植物，自主规划行走路线和规避障碍。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

分布式协作是集体竞技项目，对运动员的目标锁定和路线规划能力要求较高。分布式协作的决策原理首先是确定一个明确的目标，其次让结点间工作具有明确的运作流程，并具有处理结点间可能发生的冲突的能力，能协调各结点的操作。将分布式协作的决策原理引入到喷药机器人上，可以改善机器人的控制性能。为此，基于分布式协作的决策原理，研制了植物喷药机器人的控制系统，可以准确地识别目标植物，还能够自主规划行走路线和规避障碍，具有很高的智能化水平。如图1所示，一种精准喷药机器人控制系统包括：图像识别模块1、定位模块2、机械臂控制模块3、自走模块4、分布式协作数据库模块5和控制器模块6。

图像识别模块1用于获取目标植株的位置信息，获取完成后，将目标植株的位置信息以及当前图像识别模块1的状态发送至控制器模块6。

定位模块2用于获取精准喷药机器人的位置信息，获取完成后，将精准喷药机器人的位置信息以及当前定位模块2执行状态发送至控制器模块6。

控制器模块6用于根据目标植株的位置信息和精准喷药机器人的位置信息控制机械臂控制模块3执行指定动作，执行完成后，机械臂控制模块3将机械臂控制模块3执行结束状态信息与机械臂控制模块3当前位置状态信息发送至控制器模块6。

控制器模块6还用于根据目标植株的位置信息和精准喷药机器人的位置信息控制自走模块4执行指定动作，执行完成后，自走模块4将自走模块4执行结束状态信息与自走模块4当前位置状态信息发送至控制器模块6。

控制器模块6还用于接收各模块的信息，并将各模块的信息存入分布式协作数据库模块5，对各模块发生控制命令使各模块协调工作。

精准喷药机器人控制系统还包括增强版706外围电路模块7，增强版706外围电路模块7用于接入外部设备至控制器模块6，外部设备与控制器模块6通过外围电路进行信息交互，辅助控制器模块6进行各模块的控制。增强版706外围电路模块7具体包括复位电路、接口电路和调理电路，各电路通过rs232串口协议与控制器模块6连接。

图像识别模块1具体包括尼康coolpixp60型相机和天创ub570型图像采集卡，尼康coolpixp60型相机具有800万像素，用于拍摄获得jpeg格式的图像，经过天创ub570型图像采集卡转换为数字信号。

机械臂控制模块3包括5个自由度的关节型机械手和多轴运动控制卡，5个自由度的关节型机械手的末端执行器的植物接触部位附着橡胶材料，采用电极切割的方式摘取；多轴运动控制卡包括pc110型工业计算机与p22－3型多轴运动控制卡，多轴运动控制卡采用开放式的分层控制。

为了使机械臂拥有更高的灵活性，将机械臂设计为常见的六自由度机械臂。关节型机械手分为两个大部分：机械手臂部分和机械手部分；驱动装置采用机械驱动。

自走模块4具体为基于履带式的制动模块，自走模块4采用无级变速，通过液压阀驱动履带实现精准喷药机器人的转向。

控制器模块6具体为pc110型工业计算机的tms320型芯片。

定位模块2具体由gps信号天线、接收机以及与基站匹配的无线调制解调器组成。

所述控制系统具体为基于搭载平台为gprt－4型植物喷药机器人系统，尺寸为1.43m×0.51m×0.62m，用于喷药蔬菜和水果。

控制器模块6对各个模块行管理，定时从分布式协作数据库模块获取所有模块的数据，对获取的数据进行分析，获取到目前最需要被操作的模块，控制器模块按照优先关系对各模块进行协调工作，如果模块间发生优先冲突，控制器模块中止本轮操作并重新开始该流程。

如图2所示，一种基于精准喷药机器人控制系统的控制方法具体包括：

步骤101：获取图像识别模块的状态信息。

当需要进行目标识别时，控制器模块发送查询图像识别模块状态指令至分布式协作数据库，分布式协作数据库接收指令后取出图像识别模块的状态信息，将该状态信息发送至控制器模块。

步骤102：根据所述图像识别模块的状态信息，执行目标识别操作，得到目标植物位置信息。

控制器模块对接收的状态信息进行分析处理，如果图像识别模块为工作中状态，则控制器模块设定3s的任务定时器，3s后再次执行查询操作；如果图像识别模块状态为空闲状态，则控制器模块向图像识别模块发出目标识别指令，图像识别模块接收到指令后，开始执行目标识别操作，同时图像识别模块发送正在工作的转态信息至控制器模块，控制器模块接收到消息后，将该信息存入分布式协作数据库。此后控制器模块开始处理其他事务。当图像识别模块识别结束，图像识别模块将目标植株的位置信息、图像识别模块工作结束状态信息发生至控制器模块，控制器模块将数据存入分布式协作数据库，并根据植物位置信息，计算所述5个自由度的关节型机械手应当延展的距离。

图像识别模块目标识别操作具体流程为：

模块序列建立：

图像识别模块获取到图像视频流后，经过图像采集卡将图像信号采集到主板中，以数据文件的方式保存。

再基于python图形库中的imagesequence模块对数据文件进行处理，建立图像序列。

图像采集：

基于之前建立的图像序列，遍历图像序列中所有的帧，取出图像。

边缘预处理：

将取出的图像转为整数矩阵储存。所述整数矩阵具体为，每个数字代表一类相近的颜色，整数范围越大，说明整数矩阵的精准度越高。

边缘检测：

遍历整数矩阵中所有的点，进行边缘检测，将整数矩阵中存在阶跃性变化的点作为边界，找出可能符合结果的目标。所述边缘检测是基于自适应canny算子的阶梯型边缘检测算法，用指定标准差进行高斯函数滤波，产生梯度矢量计算公式，再将特定方向上的矢量模极大值的点定义为图像边缘。

阈值分割：

再对处理后的图像进行阈值分割，按照灰度级，对像素集合进行一个划分，得到的每个子集形成一个与结果相对应的区域。如果目标的符合度够高，即大于阈值就进行目标特征提取，并进行后续操作。若小于阙值，则需要重新进行图像采集，选取其他目标进行检测。

步骤103：根据所述目标植物位置信息，计算所述5个自由度的关节型机械手应当延展的距离。

步骤104：判断所述5个自由度的关节型机械手应当延展的距离是否大于所述5个自由度的关节型机械手的展臂范围。所述5个自由度的关节型机械手的臂展范围为1.6m，可以应对不同高度植物的喷药。

步骤105：若所述5个自由度的关节型机械手应当延展的距离大于所述5个自由度的关节型机械手的展臂范围，将控制器模块自身位置信息和所述目标植物位置信息之间的中间位置设为目标位置信息，并发送所述目标位置信息的方向移动指令至自走模块和定位模块。

步骤106：通过自走模块和定位模块，根据所述目标位置信息对精准喷药机器人进行移动操作，直至移动到目标位置。

步骤107：通过机械臂控制模块延展机械臂，对目标植物进行喷药操作；

如果所述距离大于所述5个自由度的关节型机械手的展臂范围，控制器模块将自身位置信息和所述植物位置之间的中间位置设置为目标位置，并发送附带目标位置信息的方向移动指令至自走模块，至此控制器模块开始处理其他事务。自走模块接收指令后，提取目标位置信息，开始针对目标进行移动操作。待移动到目标位置时，自走模块将当前位置状态信息和执行结束状态信息发生至控制器模块，控制器模块接收到消息后，将该信息存入分布式协作数据库，再次执行上述目标识别操作获取目标植物距离，然后根据植物位置信息，计算所述5个自由度的关节型机械手应当延展的距离，之后控制器模块发送目标位置信息至机械臂控制模块，机械臂控制模块结收信息后，开始延展机械臂，对目标植株进行喷药操作，执行完成后，将机械臂控制模块执行结束状态信息与机械臂控制模块当前位置状态信息，发生至控制器模块。

自走模块开始针对目标进行移动操作，具体为：

目标识别后，精准喷药机器人与植物的位置已经被数字化。

控制器模块根据位置信息计算机器人与植物的相对坐标位置。

通过机器人与目标植物之间的水平距离以及机器人与目标植物之间的垂直高度的数值，通过勾股定理求出地面的坡度，建立出机器人-地面-植物三维立体模型。

检测数据库中已有模型信息，与建立的机器人-地面-植物三维立体模型比较是否已经有相似案例，若有案例则直接进行匹配，若数据库中无类似案例，则基于机器人-地面-植物三维立体模型，进行实时模拟，让系统模拟出每一条可用路径的可能移动时间、路线可行性和路线通过难度，计算出最合适的移动方案。

若所述5个自由度的关节型机械手应当延展的距离小于或等于所述5个自由度的关节型机械手的展臂范围，直接通过机械臂控制模块延展机械臂，对目标植物进行喷药操作。

如果所述距离小于所述5个自由度的关节型机械手的展臂范围，控制器模块发送目标位置信息至机械臂控制模块，机械臂控制模块结收信息后，开始延展机械臂，对目标植株进行喷药操作，执行完成后，将机械臂控制模块执行结束状态信息与机械臂控制模块当前位置状态信息，发生至控制器模块。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的系统及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。