《一種自動對靶噴施系統》是浙江大學於2014年4月18日申請的專利，該專利的公布號為CN103999841A，公布日為2014年8月27日，發明人是劉飛、丁希斌、何勇、張初、孔汶汶、方慧。該發明屬於農業機械技術領域。
《一種自動對靶噴施系統》包括全方位移動平台，所述全方位移動平台上安裝有圖像採集裝置、噴施裝置，以及用於接收和分析圖像採集裝置輸出的作物圖像信息，並控制噴施裝置、全方位移動平台工作的控制裝置；噴施裝置包括：藥箱；出液管，一端與藥箱相通，另一端連有噴桿，噴桿上固定有若干噴頭；輸送泵，安裝在出液管上，用於將藥箱中的肥料或農藥泵入出液管；機械臂，噴桿固定在該機械臂上；圖像採集裝置包括固定在機械臂上的CMOS相機和距離感測器。將CMOS相機、距離感測器和噴桿安裝在機械臂上，既對作物進行全方點陣圖像採集，也對作物進行全方位地、精細地噴施農藥或肥料，從而提高了農藥或肥料的利用率。
2017年12月11日，《一種自動對靶噴施系統》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種自動對靶噴施系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種自動對靶噴施系統
- 申請人：浙江大學
- 申請日：2014年4月18日
- 申請號：2014101583854
- 公布號：CN103999841A
- 公布日：2014年8月27日
- 發明人：劉飛、丁希斌、何勇、張初、孔汶汶、方慧
- 地址：浙江省杭州市西湖區浙大路38號
- 分類號：A01M7/00(2006.01)I、A01C23/04(2006.01)I
- 代理機構：杭州天勤智慧財產權代理有限公司3
- 代理人：馬士林
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
病蟲害防治是農作物種植過程中的重要環節，在2014年前的中國，近80%的施藥作業仍採用手動式噴霧器，將農藥大範圍噴灑在作物上。施藥方法簡單粗放，“跑、冒、滴、漏”現象嚴重，農藥利用率只有20%左右，造成嚴重的浪費和環境污染，同時也會影響到農作物的銷售、食用和出口。每年都會發生不少因施藥造成的農藥中毒事件。研製既能有效控制病蟲害發展，又能保證生態環境，提高農藥利用率的施藥系統械和方法成為當務之急。圍繞這一目標，研製針對植株病害部位的快速判斷和對靶變數施藥作業裝置成為研究者們關注的熱點。
截至2014年4月，中國國內外在對靶施藥系統械方面也做了大量研究，並取得了一定進展。GilesDK等（GilesDK，SlaughterDC.Precisionbandsprayingwithmachine-visionguidanceandadjustableyawnozzles[J].TransactionsofASAE，1997，40（1）：29－36.）使用攝像頭定位了植株中心線，控制噴頭進行對靶噴霧。Sammons（SammonsPJ，FurukawaT，BulginA.Autonomouspesticidesprayingrobotforuseinagreenhouse[A].AustralianConferenceonRoboticsandAutomation，SydneyAustralian.2005：1－8.）研製了溫室噴霧機器人，可以利用貼在地面的標記進行定點噴霧。Singh等（SinghS，BurksT，LeeWS.Autonomousroboticvehicleforgreenhousespraying[A].2004ASAE/CSAEAnnualInternationalMeeting.Ottawa，Ontario，Canada.2004.）開發了6輪差動驅動小車，結合機器視覺好雷射雷達技術用於精確導航控制施藥。另外，美國ITS、日本S&H、韓國Agro-Mister、中國國內的碧斯凱公司的PG-Ⅱ型和京鵬公司的JYG-1型等噴灌機產品也可用於溫室噴霧使用，但缺乏病害信息獲取能力，不能實現變數噴霧。
中國國內何雄奎等（何雄奎.改變中國植保機械和施藥技術嚴重落後的現狀[J].農業工程學報，2004，20（1）：13－15.）研製了基於紅外技術的果園自動噴霧機，通過判斷果樹的有無控制對靶噴霧。葛玉峰等（葛玉峰，周宏平，鄭加強，張惠春.基於機器視覺的室內農藥自動精確噴霧系統[J].農業機械學報，2005，36（3）：86-89.）設計了基於機器視覺的農藥精準噴霧系統，探討了施藥過程中的決策問題和運動模擬。但上述研究還是以整棵的植株為對象進行施藥控制，也缺乏對病害情況的判斷能力，農藥利用率仍較為低下，且對靶精度不高。
張俊雄等（張俊雄，曹崢勇，耿長興，等.溫室精準對靶噴霧機器人研製[J].農業工程學報，2009，25（2）：70－73.）進行了溫室精準對靶噴霧機器人的研製，通過在溫室內搭建導軌，使機器人可以在植株上方滑動，以0.2米*0.2米為最小施藥單元，結合機器視覺技術簡單判斷病害程度，取得了很好的成效。但仍存在一些問題：一是鋪設導軌增加了成本；二是將套用環境局限在了溫室內種植的籬架型植物；三是由於施藥系統器人懸掛在導軌上，由於機器人的重量會引起導軌和機械臂發生形變，產生一定誤差，且誤差可能累積，誤差積累後會對施藥精度和準確度造成影響。
發明內容
專利目的
該發明提供了一種自動對靶噴施系統，該自動對靶噴施系統使用範圍廣，能夠在0.1米*0.1米～0.2米*0.2米範圍內進行精細的施藥或施肥操作。
技術方案
《一種自動對靶噴施系統》包括全方位移動平台，所述全方位移動平台上安裝有：用於採集作物圖像信息的圖像採集裝置；用於向作物噴施農藥或肥料的噴施裝置；以及用於接收和分析圖像採集裝置輸出的作物圖像信息，並控制噴施裝置、全方位移動平台工作的控制裝置。
所述噴施裝置包括：用於盛放農藥或肥料的藥箱；出液管，一端與所述藥箱相連通，另一端連通有噴桿，所述噴桿上固定有若干噴頭；輸送泵，安裝在所述出液管上，用於將藥箱中的肥料或農藥泵入出液管；所述輸送泵與驅動電機相連；機械臂，所述噴桿固定在該機械臂上；所述圖像採集裝置包括固定在所述機械臂上的CMOS相機和距離感測器，所述距離感測器用於採集CMOS相機與作物之間的距離信息。
全方位移動平台有助於提高該發明的自動對靶噴施系統對狹小、無迴轉作業道路的適應性。距離感測器採集CMOS相機與作物之間的距離信息並傳輸給控制裝置，控制裝置根據該距離信息控制機械臂移動，調整CMOS相機與作物之間的距離為預設值；再採用CMOS相機高清拍攝作物圖像，控制裝置對接收到的作物圖像信息進行分析，或進行病斑提取或進行葉面面積分析，最後控制噴頭對病斑噴施農藥或對葉片噴施肥料。
噴桿、噴頭、CMOS相機和距離感測器均安裝在機械臂上，機械臂可實現多個自由度的運動，既可實現對作物進行全方點陣圖像採集，也可實現對作物進行全方位地、精細地噴施農藥或肥料，從而提高了農藥或肥料的利用率，減少了農藥對施藥者健康的危害，並降低了對環境的污染。
所述機械臂為機械臂，作為優選，所述機械臂包括：固定在所述全方位移動平台上的豎直導軌；升降座，與所述豎直導軌滑動定位配合；水平導軌，固定在所述升降座上且與所述豎直導軌垂直布置；移動座，與所述水平導軌滑動定位配合；液壓伸縮桿，固定在所述移動座上且垂直於水平導軌和豎直導軌，CMOS相機、距離感測器和噴桿固定均在該液壓伸縮桿上。
該機械臂為三自由度機械臂，通過液壓伸縮桿、水平導軌、豎直導軌分別實現X、Y、Z三個自由度的運動。其中，水平導軌隨升降座一同沿著豎直導軌上升或下降，先將CMOS相機、距離感測器和噴桿定位至某一垂直高度上；然後液壓伸縮桿隨移動座沿著水平導軌移動，再將CMOS相機、距離感測器和噴桿定位至某一水平方位上；此時距離感測器採集CMOS相機與作物之間的距離信息並傳輸給控制裝置，控制裝置根據該距離信息（作物深度信息）控制液壓伸縮桿伸縮，將CMOS相機和噴桿定位至某一作物深度上，CMOS相機採集該空間位點處的作物圖像。
作為優選，所述出液管包括：一端與所述藥箱連通的出液總管；與所述出液總管相連通的若干出液支管，每條出液支管的出液口分別與噴桿上的噴頭一一連通。將噴頭與獨立的出液支管相連，便於調整每一個噴頭的噴施量，實現精確噴施，避免噴施過多，提高農藥或肥料的利用率。
該發明中，每一個噴頭的噴施量是通過如下方式調節的：每條出液支管上均安裝有流量感測器和電磁閥，所述控制裝置接收流量感測器的輸出信息並控制電磁閥的開啟或關閉。電磁閥安裝在每條出液支管的出液口與噴頭的連線處。
在同一時刻內，從藥箱進入出液總管的總農藥量或總肥料量是一定的，當控制裝置對每一噴頭的噴施量進行調整時，每次噴施後出液總管或出液支管中的殘留農藥量或殘留肥料量會增多，增大了對出液總管或出液支管的壓力，降低了使用壽命。
為防止該情況出現，該發明中，所述出液總管上還安裝有位於輸送泵下游的三通球閥，所述三通球閥上設有流入通道、第一分流通道和第二分流通道，所述流入通道與出液總管相連，所述第一分流通道內安裝有與藥箱相連的回流管，所述第二分流通道內安裝有與各出液支管相連的出液分管。如此殘留在出液總管或出液支管內的農藥或肥料即可經回流管返回至藥箱中，不會對出液總管或出液支管產生過多壓力。
作為進一步優選，所述噴桿上還安裝有位於相鄰噴頭間的導流板。導流板的傾斜角度可以調節，從而調節噴頭的噴施範圍。作為優選，所述噴頭有1～5個，且均勻分布在所述噴桿上。
該發明中，所述全方位移動平台上還設有定位導航裝置，所述控制裝置接收該定位導航裝置的定位信息並控制全方位移動平台行走。定位導航裝置對全方位移動平台和作物進行定位，控制裝置根據接收到的定位信息自動規劃全方位移動平台的行走路徑，並控制全方位移動平台行走至相應作物處。
有益效果
與2014年4月之前的技術相比，《一種自動對靶噴施系統》的有益效果為：
（1）該發明採用全方位移動平台搭載自動對靶噴霧系統，全方位移動平台的轉彎半徑為零，對溫室、藤架乃至大田壟間等不同的工作環境都有很好的適應性；
（2）該發明的自動對靶噴霧系統包含有定位導航系統，可以實現全方位移動平台行走路徑的自動規劃，以及作物的自動定位；
（3）該發明採用距離感測器採集CMOS相機與作物之間的距離信息，再由控制裝置調整CMOS相機、噴頭與作物之間的距離，實現了精細地採集圖像、精準地噴施農藥或肥料；
（4）該發明將CMOS相機、距離感測器噴桿均安裝在三自由度機械臂上，既可實現對作物進行全方點陣圖像採集，也可實現對作物進行全方位地、精細地噴施農藥或肥料，從而提高了農藥或肥料的利用率，減少了農藥對施藥者健康的危害，並降低了對環境的污染；
（5）該發明利用流量感測器和電磁閥控制每個噴頭的噴施量，進一步提高了噴施精度和農藥或肥料的利用率。
附圖說明
圖1為該發明一種自動對靶噴施系統的結構示意圖；
圖2為圖1中機械臂處的結構示意圖；
圖3為該發明一種自動對靶噴施系統的工作原理圖；
其中，1：全方位移動平台；2：車輪，3：流量感測器，4：出液支管，5：電磁閥，6：距離感測器，7：CMOS相機，8：機械臂，9：隔膜泵，10：變速箱，11：發動機，12：藥箱，13：單片機，14：K508GNSS主機板，15：PC機，16：座位，17：回流管，18：三通球閥，19：出液分管，20：出液總管，21：導流板，22：噴桿，23：液壓伸縮桿，24：水平導軌，25：垂直導軌，26：升降座，27：噴頭。
權利要求
1.《一種自動對靶噴施系統》包括全方位移動平台，所述全方位移動平台上安裝有：用於採集作物圖像信息的圖像採集裝置；用於向作物噴施農藥或肥料的噴施裝置；以及用於接收和分析圖像採集裝置輸出的作物圖像信息，並控制噴施裝置、全方位移動平台工作的控制裝置；其特徵在於，所述噴施裝置包括：用於盛放農藥或肥料的藥箱；出液管，一端與所述藥箱相連通，另一端連通有噴桿，所述噴桿上固定有若干噴頭；輸送泵，安裝在所述出液管上，用於將藥箱中的肥料或農藥泵入出液管；所述輸送泵與驅動電機相連；機械臂，所述噴桿固定在該機械臂上；所述圖像採集裝置包括固定在所述機械臂上的CMOS相機和距離感測器，所述距離感測器用於採集CMOS相機與作物之間的距離信息。
2.如權利要求1所述的自動對靶噴施系統，其特徵在於，所述機械臂包括：固定在所述全方位移動平台上的豎直導軌；升降座，與所述豎直導軌滑動定位配合；水平導軌，固定在所述升降座上且與所述豎直導軌垂直布置；移動座，與所述水平導軌滑動定位配合；液壓伸縮桿，固定在所述移動座上且垂直於水平導軌和豎直導軌，CMOS相機、距離感測器和噴桿固定均在該液壓伸縮桿上。
3.如權利要求1所述的自動對靶噴施系統，其特徵在於，所述出液管包括：一端與所述藥箱連通的出液總管；與所述出液總管相連通的若干出液支管，每條出液支管的出液口分別與噴桿上的噴頭一一連通。
4.如權利要求3所述的自動對靶噴施系統，其特徵在於，每條出液支管上均安裝有流量感測器和電磁閥，所述控制裝置接收流量感測器的輸出信息並控制電磁閥的開啟或關閉。
5.如權利要求3所述的自動對靶噴施系統，其特徵在於，所述出液總管上還安裝有位於輸送泵下游的三通球閥，所述三通球閥上設有流入通道、第一分流通道和第二分流通道，所述流入通道與出液總管相連，所述第一分流通道內安裝有與藥箱相連的回流管，所述第二分流通道內安裝有與各出液支管相連的出液分管。
6.如權利要求3所述的自動對靶噴施系統，其特徵在於，所述噴桿上還安裝有位於相鄰噴頭間的導流板。
7.如權利要求6所述的自動對靶噴施系統，其特徵在於，所述噴頭有1～5個，且均勻分布在所述噴桿上。
8.如權利要求1～7任一所述的自動對靶噴施系統，其特徵在於，所述全方位移動平台上還設有定位導航裝置，所述控制裝置接收該定位導航裝置的定位信息並控制全方位移動平台行走。
實施方式
如圖1所示，該實施例一種自動對靶噴施系統，包括全方位移動平台1，全方位移動平台1的底部安裝有360°原地旋轉車輪2。全方位移動平台1上設有K508GNSS主機板14作為定位導航裝置，K508GNSS主機板14可以採用BDS（北斗衛星導航系統）B1/B2/B3三頻、GPSL1/L2/L5三頻以及GLONASSL1/L2雙頻三系統進行聯合定位，支持單系統獨立定位和多系統聯合定位。K508GNSS主機板14通過LV-TTLRS232接口與PC機15連線，採用配套的板卡控制軟體CRU以及GNSS數據處理軟體CompassSolution進行數據的分析處理。
PC機15採用微軟windows系統，控制程式採用VC++6.0編寫，且帶有監視面板。全方位移動平台1上設有與PC機15鄰近的座位16，供操作人員乘坐，方便控制整個自動對靶噴施系統。K508GNSS主機板14對全方位移動平台1和作物進行定位，PC機15根據接收到的定位信息，採用空間格線化節點算法自動規劃出全方位移動平台1的行走路徑，並控制全方位移動平台1行走至相應作物處。
由圖1、圖2可見，全方位移動平台1上安裝有機械臂8，機械臂8包括固定在全方位移動平台1上的豎直導軌25（Z向），豎直導軌25上滑動定位安裝有升降座26，升降座26上固定有與豎直導軌25垂直布置的水平導軌24（Y向），水平導軌24上滑動定位安裝有移動座（圖中省略），移動座上固定有垂直於水平導軌24和豎直導軌25的液壓伸縮桿23（X向）。
豎直導軌25、水平導軌24以及液壓伸縮桿23的長度可以根據實際需要設定，該實施例中，豎直導軌25和水平導軌24均為1.2米，液壓伸縮桿23的長度可在0.2-0.4米範圍內變化。
由圖3可見，機械臂8的移動由PLC控制，PLC通過RS232數據串口線接收PC機15傳送的控制位元組，並上傳各關節的狀態信息。升降座26和移動座均由步進電機驅動，PC機15通過PLC上的高速脈衝口向步進電機驅動器發出頻率可變的脈衝段，從而實現升降座26和移動座的平穩運動，並通過PLC內部的脈衝計數器統計實時發出的脈衝數，換算得知機械臂8各關節的位置。
液壓伸縮桿23上安裝有CMOS相機7和距離感測器6。距離感測器6用於採集CMOS相機7與作物之間的距離信息，並通過RS232串口傳送距離信息到PC機15。該實施例採用的距離感測器6為LM-300-050超音波距離感測器，測量範圍為0.1-1米。
CMOS相機7用於採集作物圖像，該實施例選用的CMOS相機7型號為JHSM300，彩色，300萬像素，幀率/解析度為7.5fps@2048*1536，採用USB2.0口傳輸數據至PC既15，速度可達480Mb/s。它支持ROI功能，可以設定感興趣視窗，可按用戶要求添加外觸發。
PC機15根據距離感測器6採集的距離信息控制機械臂8移動，使CMOS相機7與作物的距離為0.4米，此時CMOS相機7開始採集作物圖像，圖像所對應的實際面積為1.0米*1.0米。PC機15接收到CMOS相機7傳輸的圖像後，將圖像劃分為5*5個0.2米*0.2米大小的子區域，並通過BP神經網路算法獲取各子區域內的病斑區域。
BP神經網路算法的步驟為：依據顏色這一特徵，將病斑區域與健康區域的顏色作為BP神經網路的輸入值，即顏色的R、G、B三個分量，因此輸入層節點數為3；而輸出層有3種情況：如果輸出層最終信號小於0.5，則對應的圖像像素為背景；如果輸出層最終信號大於0.5，則對應的圖像像素為病斑；如果輸出層最終信號等於0.5，則為不確定圖像；最終將背景和不確定圖像的顏色賦予白色，從而提取出病斑區域。
提取出各子區域內的病斑區域後，計算每個子區域內病斑所占像素數與總像素數的比值x，根據這個比值x與施藥量之間已建立的經驗線性模型y=ax+b，計算得出該子區域施藥量y（這個經驗模型只適用於一種特定的作物和特定的病害，對於其他作物或其他病害，所建立的經驗模型是不成立的，需要輸入其他的對應經驗模型）。然後將施藥量信息傳輸給AT89S52單片機13。
或者，通過圖像處理技術提取各子區域內的葉片部位，並計算每個子區域內葉片所占像素數與總像素數的比值x’，根據這個比值x’與施肥量之間已建立的經驗線性模型y’=cx’+d，計算得出該子區域施肥量y’；然後將施肥量信息傳輸給單片機13。
如圖1所示，全方位移動平台1上安裝有用於盛放農藥或肥料的藥箱12，藥箱12底部安裝有出液總管20，出液總管20上安裝有隔膜泵9。隔膜泵9與變速箱10相連，變速箱10與發動機11（含離合器）相連，由發動機11與變速箱10驅動隔膜泵9工作。
在隔膜泵9的下游，出液總管20上安裝有三通球閥18，三通球閥上設有流入通道、第一分流通道和第二分流通道；其中，出液總管20與流入通道相連，第一分流通道內安裝有與藥箱12相連的回流管17，所述第二分流通道內安裝有出液分管19，出液分管19又分出五條出液支管4。五條出液支管4的出液口均安裝有噴頭27，五個噴頭27均勻安裝在一根噴桿22上，噴桿22也安裝在液壓伸縮桿23上。
由圖2可見，噴桿22上還安裝有位於相鄰噴頭27間的導流板21。導流板21的傾斜角度可以調節，從而調節每個噴頭27的噴施範圍。噴施時，PC機15控制機械臂8移動，使噴頭27距離作物0.2米，每個噴頭27的噴施範圍為0.2米*0.2米，與PC機15進行圖像分析時各子區域的大小一致。
由圖1可見，每條出液支管4上均安裝有流量感測器3和電磁閥5。該實施例採用的單片機13為AT89S52單片機，採用外接電源供電。
AT89S52單片機的P0.0-P0.4口、P2.0-P2.4口與五個放大隔離晶片TLP250連線（每個TLP250的輸入端有兩個引腳，兩個引腳分別與一個P0口、一個P2口連線，根據加在兩個引腳的電壓差別決定輸出端的電壓輸出），五個放大隔離晶片TLP250的VO口分別與五個電磁閥5相連；P1.0-P1.4口分別與五個A/D轉換晶片PCF8591連線，A/D轉換晶片PCF8591則分別直接與五個流量感測器3連線；P3.0-P3.1口與串口連線晶片MAX232連線，串口連線晶片MAX232與串口RS232連線，串口RS232通過數據線連線到PC機15；P1.6-P1.7口分別與2個輸入鍵盤連線，2個輸入鍵盤執行的命令分別是“開始噴藥”、“停止噴藥”；P3.7口與蜂鳴器連線，P2.5口與發光二極體連線。當施藥量或施肥量超過預先設定的範圍但電磁閥因故障未關閉時，蜂鳴器響起且發光二極體閃亮。
該實施例一種自動對靶噴施系統的工作過程為：根據作物的形狀、高低等信息初步調整機械臂8架設的高度；需要施藥時，根據病害的種類選擇相應的農藥，且將對應的經驗線性模型輸入到PC機15中；選擇該種作物上的10個病斑點和10個背景點，將它們的R、G、B值作為三個輸入節點，來訓練BP神經網路算法；需要施肥時，則選擇相應的肥料；且將對應的經驗線性模型輸入到PC機15中。
已知噴桿22、CMOS相機7與距離感測器6的相對位置，以及CMOS相機7的參數信息，可算出採集到的圖像對應實際面積為1.0米*1.0米時，距離感測器6測得的距離信息，以及此時噴桿22距離施肥對象的位置信息。這裡設距離感測器6測得的距離為0.4米時，相機採集到的圖像所對應實際面積為1.0米*1.0米，此時噴桿22距離噴施對象0.2米，通過調整導流板21的角度，使得在此距離下每個噴頭22的噴施範圍為0.2米*0.2米。
通過K508GNSS主機板14獲取全方位移動平台1以及作物的位置信息，通過空間格線化節點算法，做出路徑規劃；全方位移動平台1根據規劃的路逕行駛到目標位置後，控制全方位移動平台1使機械臂8正對作物；PC機15讀取距離感測器6測得的作物深度信息並與預設值0.4米進行比較，進而調節機械臂8的液壓伸縮桿23的長度，使CMOS相機7距離作物0.4米，此時噴桿距離0.2米。
CMOS相機7採集作物圖像，圖像對應的實際面積為1.0米*1.0米，PC機15對採集圖像進行病斑提取或葉片部位提取，並根據相應的經驗線性模型計算出施藥量或施肥量。
一次將一行五個子區域的施藥量或施肥量信息傳輸給單片機13，同時PC機15控制機械臂8的升降座26沿垂直導軌25移動，使噴頭27對準第一行子區域（一共五行，每行五列）；單片機13根據得到的一行五個子區域的噴施量信息，控制電磁閥5開啟，開始噴施，五個流量感測器3將每個噴頭27的實際噴施量信息傳輸給單片機13，直到噴頭27的噴施量達到了該區域的預設值，單片機13控制相應的電磁閥5閉合，停止噴施。
完成了這一行所有五個子區域的施藥後，PC機15控制機械臂8的升降座26沿垂直導軌25移動0.2米，使噴頭27對準第二行子區域繼續噴施。待完成整個1.0米*1.0米區域後，PC機15控制全方位移動平台1啟動，行走至下一個噴施區域，開始下一輪操作。
榮譽表彰
2017年12月11日，《一種自動對靶噴施系統》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
