一种可快速拆换机具的多功能田间管理机器人
技术领域
本发明涉及农业机器人技术领域，具体涉及一种可快速拆换机具的多功能田间管理机器人。
背景技术
随着人口日益增长与农业生产水土资源、劳动短缺的矛盾日益显露，迫切需要提高农业生产效率，故各式各样的农业机械应运而生。由于大部分农业机械只能在特定阶段完成特定的作业种类，针对复杂的田间任务，需要配置多台不同类型的作业机械，单机的使用频率低，从而间接的提高了田间的整体作业成本。而综合型的机械大多体型庞大，能耗高，且易受地形影响。所以，如何能更高效、安全、可靠地完成特定的、复杂的田间任务，提高机具使用效率，是农业机械化发展的必然趋势。研究一种集成精量施药、施肥、除草、土壤探测、作物表型信息采集等多种功能田间管理机器人，实现一机多用，有助于实现我国农业生产减药节肥、绿色可持续发展的目标。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种可快速拆换机具的多功能田间管理机器人，使机具具有更多的功能性和通用性。
本发明提供的技术方案为：
一种可快速拆换机具的多功能田间管理机器人，包括移动平台和多功能模组，其特征在于：
所述移动平台外壳的中部设有上下贯通且一侧敞口的方形凹槽，所述方形凹槽的槽壁上安装有搭载机构；
所述多功能模组由多个功能模块组成，各功能模块设有相同的框架结构，所述框架通过搭载机构嵌装在所述方形凹槽中，将对应的功能模块搭载在所述移动平台上；
所述搭载机构由提升装置与搭载卡扣组成：
所述提升装置包括前后两个对应的搭载平台，两搭载平台分别固定在所述方形凹槽的前后槽壁上；所述搭载平台包括两根竖梁和一根搭载横梁，两根竖梁固定安装在槽壁上，搭载横梁两端被左右两个安装在竖梁上的支撑座托起，并与支撑座固定连接，所述支撑座在竖梁上的高度位置可调；
所述搭载卡扣包括定位块，定位块中部设有上方开口的竖直插槽以及前后贯通的第一锁定螺孔，其左右两侧也设有螺孔；安装搭载卡扣时，通过螺栓将所述定位块固定在搭载横梁朝向方形凹槽中心的一侧；
框架上设有与搭载卡扣配合使用的搭载卡扣插件，所述搭载卡扣插件包括L型插片，所述L型插片安装在构成框架前后两侧底部边框的横梁上，其顶部为水平部，通过螺栓固定在边框横梁的顶面， L型插片向下延伸的竖直部设有与第一锁定螺孔对应的第二锁定螺孔；
将功能模块搭载在移动平台上时，将其框架叠摞搁置在所述搭载横梁上，使L型插片的竖直部插入下方搭载卡扣定位块的插槽中，并使第一、第二定位螺孔对准，通过螺栓锁定。
在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
作为优选，所述搭载卡扣和搭载卡扣插件设有两组，以对角的形式布置。
作为优选，所述多功能模组包括喷杆喷洒模块、对靶施药模块、土壤信息模块和植物表型分析模块中的一种或多种。
进一步的，所述喷杆喷洒模块包括第一框架、喷杆喷洒控制箱、第一水泵、第一水箱、喷杆固定杆、喷杆、第一电磁阀和第一喷头。
所述喷杆喷洒控制箱、第一水泵与第一水箱安装在所述第一框架内侧，与第一框架固定连接；第一框架的底部与两根向下延伸的第一悬臂固定连接，喷杆固定杆横向设置，通过角槽连接件与两第一悬臂的底端连接，喷杆通过固定在喷杆固定杆上，喷杆的进水口通过设有第一水泵的输水管路与水箱连接，出水口与安装在喷杆上的第一喷头连接，所述第一喷头由第一电磁阀控制启闭；所述第一水泵和第一电磁阀驱动电路的控制信号输入端，分别与所述喷杆喷洒控制箱的信号输出端连接，由喷杆喷洒控制箱根据远程控制终端发送的控制指令或预先加载的控制程序，控制实施喷洒作业。
进一步的，所述对靶施药模块包括第二框架、对靶施药控制箱、第二水泵、第二水箱、相机、第二电磁阀、第二喷头和并联机械手。
所述对靶施药控制箱、第二水泵与第二水箱均安装在第二框架内侧，固定在第二框架上；所述第二框架底部前侧的左右两端分别设有两根向下延伸的第二悬臂，两相机分别通过安装在两根第二悬臂的底端；并联机械手安装在第二框架下方，位于两第二悬臂的后侧，与第二框架的底部固定连接；并联机械手的末端执行器即为由第二电磁阀控制的第二喷头，所述第二电磁阀和第二喷头安装在并联机械手的底端，第二喷头通过设有第二水泵的第二输水管路与所述第二药箱连接；所述第二水泵、第二电磁阀和并联机械手驱动电路的控制信号输入端分别与所述对靶施药控制箱的控制信号输入端连接，两相机的信号输出端与对靶施药控制箱的信号输入端连接，通过图像处理器对两相机捕捉的图像进行实时处理，识别出杂草并对其进行定位，对靶施药控制箱根据杂草的位置，控制第二水泵、第二电磁阀和并联机械手动作，对杂草位置实施喷药。
进一步的，所述土壤信息模块包括第三框架、土壤信息控制箱、压力测量垂向电机、压力测量垂向导、湿度测量垂向电机、湿度测量垂向导轨、横向电机、横向导轨、压力传感器、探针、湿度传感器。
所述土壤信息控制箱安装在第三框架内侧，固定在第三框架上。第三框架底面的中间位置设有一横梁，横向导轨固定安装在所述中间位置的横梁上；所述导轨连接板垂直设置，并向下延伸，其上部通过导轨滑块与所述横向导轨连接，由横向电机控制其在横向导轨上左右移动；所述压力测量垂向导轨固定安装在所述导轨连接板上，与导轨连接板平行；探针垂直向下设置，通过导轨滑块与压力测量垂向导轨连接，由压力测量垂向电机控制其在压力测量垂向导轨上进行升降运动，探针的顶部设有压力传感器；所述湿度测量垂向导轨固定安装在导轨连接板上，与压力测量垂向导轨相反的一侧；湿度传感器通过导轨滑块与湿度测量垂向导轨连接，由湿度测量垂向电机控制其在湿度测量垂向导轨进行升降运动。所述压力测量垂向电机、湿度测量垂向电机、横向电机驱动电路的控制信号输入端分别与所述土壤信息控制箱的控制信号输出端连接，土壤信息控制箱根据预先加载的控制程序或远程控制终端发送的指令，控制相应电机的运动，完成对土壤紧实度与湿度的测量；所述压力传感器和湿度传感器的信号输出端与土壤信息控制箱的信号输入端连接，由土壤信息控制箱将采集的土壤紧实度和湿度信息发送给远程控制终端或云平台。
进一步的，所述植物表型分析模块包括第四框架、植物表型分析控制箱、云台、RGB相机、光谱成像仪、光幕传感器。
植物表型分析控制箱安装在第四框架的内部，固定在第四框架上。所述第四框架底部的左右两侧各设有一垂直向下延伸的第四悬臂；所述RGB相机与光谱成像仪搭载在云台上，第四框架底面的中间位置设有横梁，云台固定安装所述中间位置的横梁上，两光幕传感器分别安装在两第四悬臂上，向前方投射光幕；所述RGB相机、光谱成像仪、光幕传感器的信号输出端分别与植物表型分析控制箱的信号输入端连接，植物表型分析控制箱根据RGB相机、光谱成像仪、光幕传感器反馈的信号，识别并检测植物生长状况及其病虫害情况，并将植物生长状况及其病虫害情况的信息数据发送给远程控制终端或云平台。
有益效果：
本发明多功能田间管理机器人，可以快速更换多种机具，实施不同种类的作业任务，如农作物平面喷洒，单点对靶喷洒，土壤探测和植株监测等，为植物生长提供更多保障，做到机器应用多元化，且对各种机具的搭载基于同一移动平台，可以提高移动平台的使用率，在管理植物全周期生长过程中，降低作业机械的购买和维护成本，且机器人整体结构设计集成度高，占用空间小，安装操作方便，易于维护，具有良好的通用性，适合推广使用。
附图说明
图1为移动平台结构图
图2为喷杆喷洒模块结构图；
图3为对靶施药模块结构图；
图4为土壤信息模块结构图；
图5为植物表型分析模块结构图；
图6为移动平台搭载喷杆喷洒模块结构图；
图7为移动平台搭载对靶施药模块结构图；
图8为移动平台搭载土壤信息模块结构图；
图9为移动平台搭载植物表型分析模块结构图；
图10为搭载机构结构图；
图11为框架部分细节图；
图12为搭载卡扣和搭载卡扣插件的配合图；
图13位搭载卡扣和搭载卡扣插件的拆分结构示意图。
其中：激光雷达1、北斗导航天线2、三色警报灯3、散热系统4、増程器5、紧急制动按钮6、转向电机7、驱动电机8、搭载机构9、提升装置9-1、插槽9-2、旋钮螺栓9-2-1、第一锁定螺栓孔9-2-2、螺帽9-2-3、T型螺栓9-2-4、紧急制动10、人字纹农业轮胎11、喷杆固定卡12、第一框架13、搭载卡扣插件13-1、插片13-1-1、螺帽13-1-2、T型螺栓13-1-3、喷杆喷洒控制箱14、第一水泵15、第一水箱16、第一悬臂17、喷杆固定杆18、喷杆19、第一电磁阀20、第一喷头21、第二框架22、对靶施药控制箱23、第二水泵24、第二水箱25、第二悬臂26、相机固定夹27、CCD相机28、第二电磁阀29、第二喷头30、并联机械手31、第三框架32、土壤探测控制箱33、导轨连接板34、压力测量垂向电机35、压力测量垂向导轨36、压力传感器37、探针38、湿度传感器39、湿度测量垂向导轨40、湿度测量垂向电机41、横向电机42、横向导轨43、第四框架44、植物表型分析控制箱45、第四悬臂46、云台47、RGB相机48、光谱成像仪49、光幕传感器50。
具体实施方式
为了阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做详细的介绍。下文中，“前”是指移动平台的前进方向，前后代表纵向，左右代表横向。
如图1所示，一种可快速拆换的多功能田间机器人，包括移动平台和多功能模组。
所述移动平台为设有四个轮胎的轮式车体，轮胎采用人字纹农业轮胎11，每个轮胎由单独的驱动轮系控制，每个驱动轮系均设有驱动电机8、转向电机7和紧急制动10。移动平台外壳前端设有激光雷达1，顶部安装有北斗导航天线2、三色警报灯3与紧急制动按钮6，后部设有散热系统4与増程器5。所述移动平台外壳的中部设有上下贯通且一侧敞口的方形凹槽，所述方形凹槽中安装有搭载机构9，用于搭载所述多功能模组中的各功能模块。
所述多功能模组包括喷杆喷洒模块、对靶施药模块、土壤信息模块和植物表型分析模块，各功能模块的结构设计具体如下：
一）喷杆喷洒模块
如图2所示，所述喷杆喷洒模块主要由第一框架13、喷杆喷洒控制箱14、第一水泵15、第一水箱16、喷杆固定杆18、喷杆19、第一电磁阀20、第一喷头21组成。
所述第一框架13为矩形框架，其形状与所述方形凹槽适配，可通过搭载机构9嵌装在所述方形凹槽中，将喷杆喷洒模块搭载在所述移动平台上。
所述第一框架13和下文中的第二、第三、第四框架结构相同，优选采用铝合金槽条加工制作。
所述喷杆喷洒控制箱14、第一水泵15与第一水箱16安装在所述第一框架1内侧，与第一框架固定连接。
第一框架1的底部与两根向下延伸的第一悬臂17固定连接，横向设置的喷杆固定杆18通过角槽连接件与两第一悬臂17的底端连接，喷杆19通过固定卡12固定在喷杆固定杆18上，与喷杆固定杆18保持平行，喷杆19上连接有均匀分布的多个第一喷头21。所述喷杆19的进水口通过设有第一水泵15的输水管路与水箱16连接，其各出水口分别通过设有第一电磁阀20的分支管路与相应的第一喷头21连接。
所述第一水泵15和各第一电磁阀20驱动电路的控制信号输入端，分别与所述喷杆喷洒控制箱14的信号输出端连接，由喷杆喷洒控制箱14根据远程控制终端发送的控制指令或预先加载的控制程序，控制喷头实施喷洒作业。
二）对靶施药模块
如图3所示，所述对靶施药模块主要第二框架22、对靶施药控制箱23、第二水泵24、第二水箱25、CCD相机28、第二电磁阀29、第二喷头30、并联机械手31组成。
所述对靶施药控制箱23、第二水泵24与第二水箱25均安装在第二框架22内侧，固定在第二框架22上。
所述第二框架2底部前侧的左右两端分别设有两根向下延伸的第二悬臂26，两CCD相机28分别通过固定夹27安装在两根第二悬臂26的底端，用于采集行驶路径上的植被图像。并联机械手31安装在第二框架22下方，位于两第二悬臂26的后侧，与第二框架22的底部固定连接。并联机械手31的末端执行器为第二电磁阀29控制的第二喷头30，所述第二电磁阀29和第二喷头30安装在并联机械手31的底端，第二喷头30通过设有第二水泵24的第二输水管路与所述第二药箱25连接。
所述第二水泵24、第二电磁阀29和并联机械手31驱动电路的控制信号输入端分别与所述对靶施药控制箱23的控制信号输入端连接。两CCD相机28的信号输出端与对靶施药控制箱23的信号输入端连接，通过对靶施药控制箱23内置的图像处理器，对两CCD相机捕捉的图像进行实时处理，根据两CCD相机捕捉的图像识别出杂草，并进行定位。根据杂草的位置，控制第二水泵24、第二电磁阀29和并联机械手31动作，对杂草位置进行喷药。
三）土壤信息模块
如图4所示，所述土壤信息模块主要由第三框架32、土壤信息控制箱33、压力测量垂向电机35、压力测量垂向导轨36、湿度测量垂向电机41、湿度测量垂向导轨40、横向电机42、横向导轨43、压力传感器37、探针38、湿度传感器39组成。
所述土壤信息控制箱33安装在第三框架32内侧，固定在第三框架32上。
第三框架32底面的中间位置设有一横梁，横向导轨43固定安装在所述中间位置的横梁上。垂直设置的导轨连接板34向下延伸，其上部通过导轨滑块与所述横向导轨43连接，由横向电机42控制其在横向导轨43上左右移动。所述横向电机42也固定在第三框架32的底部横梁上，位于横向导轨43的一侧。
所述压力测量垂向导轨36固定安装在所述导轨连接板34上，与导轨连接板34平行。探针38垂直向下设置，通过导轨滑块与压力测量垂向导轨36连接，由压力测量垂向电机35控制其在压力测量垂向导轨36上进行升降运动。所述压力测量垂向电机35固定安装在压力测量垂向导轨36的顶端。
所述湿度测量垂向导轨40也固定安装在导轨连接板34上，与压力测量垂向导轨36相反的一侧。湿度传感器39通过导轨滑块与湿度测量垂向导轨40连接，由湿度测量垂向电机41控制其在湿度测量垂向导轨40进行升降运动。所述湿度测量垂向电机41固定安装在湿度测量垂向导轨40的顶端。
本模块中，各导轨均采用设有丝杠结构的直线导轨，各电机均采用步进电机。所述压力测量垂向电机35、湿度测量垂向电机41、横向电机42驱动电路的控制信号输入端分别与所述土壤信息控制箱33的控制信号输出端连接，土壤信息控制箱33根据预先加载的控制程序或远程控制终端发送的指令，控制相应电机的运动，完成对土壤紧实度与湿度的测量。所述探针38的顶部设有压力传感器37，所述压力传感器37 和湿度传感器39的信号输出端与土壤信息控制箱33的信号输入端连接。土壤信息控制箱33通过无线通信设备与远程控制终端或云平台连接，将采集的土壤紧实度和湿度信息发送给远程控制终端或云平台。
四）植物表型分析模块
如图5所示，所述植物表型分析模块主要由第四框架44、植物表型分析控制箱45、云台47、RGB相机48、光谱成像仪49、光幕传感器50组成。
植物表型分析控制箱45安装在第四框架44的内侧，固定在第四框架44上。所述第四框架44底部的左右两侧各设有一垂直向下延伸的第四悬臂46。
所述RGB相机48与光谱成像仪49搭载在云台47上，第四框架44底面设有中间位置横梁，云台47固定安装所述中间位置横梁上，两光幕传感器50分别安装在两第四悬臂46上，向前方投射光幕。所述RGB相机48、光谱成像仪49、光幕传感器50的信号输出端分别与植物表型分析控制箱45的信号输入端连接，植物表型分析控制箱45通过内置的图像处理器对RGB相机48、光谱成像仪49采集的图像进行分析，并结合光幕传感器50反馈的信号，识别并检测植物生长状况及其病虫害情况，植物表型分析控制箱45通过无线通信设备与远程控制终端或云平台连接，将植物生长状况及其病虫害情况的信息数据发送给远程控制终端或云平台。所述光幕传感器50反馈的信号可以反映植物的立体形态，RGB相机48拍摄的植被图像，可以反映植物表面的颜色和形态以及表面的病虫害分布，而光谱成像仪49所利用的光谱成像技术能够直接反映植物分子内部结构及运动状态，其应用原理是基于不同的病虫害对不同波段光线吸收和反射效果也不同。故结合图像处理技术，基于 RGB相机48、光谱成像仪49和光幕传感器50反馈的信号，能够采集植物更多的信息，区分不同作物叶片的生化组成、含量及其变化，从而快速准确的获得作物的生长信息和病害情况。
所述搭载机构9主要由提升装置9-1与搭载卡扣9-2组成。
所述提升装置9-1包括前后两个对应的搭载平台，两搭载平台分别固定在所述方形凹槽的前后槽壁上，结构对称。所述搭载平台包括两根竖梁和一根搭载横梁，两根竖梁附着在槽壁上，搭载横梁两端被左右两个安装在竖梁上的支撑座托起，并与支撑座固定连接。所述支撑座以可拆卸的方式固定在竖梁上，例如螺栓固定连接，使其在竖梁上的高度位置可调。
所述搭载横梁也采用铝合金槽条制成，其侧面设有沿横向延伸的T型卡槽。所述搭载卡扣9-2由定位块和连接件组成。所述定位块的中部设有上方开口的竖直插槽以及前后贯通的第一锁定螺孔9-2-2，左右两侧设有直角折边，使定位块横向截面的轮廓呈T形。所述连接件包括T型螺栓9-2-4和旋钮螺栓9-2-1，搭载卡扣9-2定位块的直角折边上设有腰型螺孔。安装时，将搭载卡扣9-2的左右折边贴在搭载平台的横梁上，通过T型螺栓9-2-4和螺帽9-2-3与搭载横梁的T型卡槽连接，将定位块锁定在搭载横梁朝向方形凹槽中心的一侧。
所述第一至第四框架均设有与所述搭载卡扣9-2配合使用的搭载卡扣插件13-1。以第一框架13为例，所述搭载卡扣插件13-1安装在构成第一框架13前后两侧底部边框的横梁上，边框横梁的顶面设有沿横向延伸的T型卡槽。所述搭载卡扣插件13-1由L型插片13-1-1和T型螺栓组成。所述L型插片13-1-1的顶部为水平部，安装时，放置在所述边框横梁的顶面，通过T型螺栓与边框横梁的T型卡槽连接，将L型插片13-1-1固定在边框横梁上。
所述L型插片13-1-1向下延伸的竖直部设有与第一锁定螺孔9-2-2对应的第二锁定螺孔。将喷杆喷洒模块装配在移动平台上时，将第一框架13搁置在搭载平台的搭载横梁上，使L型插片13-1-1的竖直部插入下方搭载卡扣9-2定位块的插槽中，并使第一、第二定位螺孔对准，旋转旋钮螺栓9-2-1，使其通过第一、第二定位螺孔，将定位块和L型插片13-1-1锁定，使机器人颠簸振动时，L型插片13-1也不会轻易从搭载卡扣9-2的插槽中脱离。
本发明针对的对象为间行种植的农作物，根据作业需要选择合适的功能模块与移动平台搭载，通过提升装置9-1将功能模块调节至最佳高度位置，将框架上对角线安装的两个L型插片13-1插入对应的搭载卡扣插槽中，通过旋钮螺栓9-2-1固定，完成搭载机构与不同模块框架之间的连接，可快速更换不同功能的模块。拆卸模块时，将旋钮螺栓9-2-1松开，将框架连同附着在框架上的其它模块组件一并抬起，使L型插片13-1从搭载卡扣9-2的插槽中脱离即可。
本实施例管理机器人通过所述激光雷达1 感知的信息进行障碍物探测、作物行检测、全局定位和场景构建，结合卫星导航系统，规划最优路径，实现移动平台的自主导航，实际行驶轨迹上传至云平台记录保存。
如图6所示，喷杆喷洒模块与移动平台搭载时，其工作过程为：第一步，通过根据实际作业作物情况将喷杆与喷头调至合适状态；第二步，在水箱16中加入合适比例的药剂与水；第三步，通过远程控制终端给喷杆喷洒控制箱14下达指令，设置参数，调节作业过程中的喷洒流量；第四步，通过移动平台的带动前行进行喷洒作业。
如图7所示，对靶施药模块与移动平台搭载时，其工作过程为：第一步，通过移动平台带动前进达到作业区域，对CCD相机28捕捉的图像进行图像实时处理，识别出杂草；第二步，控制并联机械手31移动，带动喷头30至杂草位置实现对靶喷施；第三步，完成对靶喷施后，移动平台根据预先规划的路径在作业区域中继续行驶。
如图8所示，土壤信息模块与移动平台搭载时，其工作过程为：第一步，通过移动平台与横向导轨43的移动来调节需要探测点的纵向与横向位置；第二步，控制垂向导轨移动，使探针38和湿度传感器39接触土壤，实现对土壤紧实度与湿度的测量；第三步，数据采集后发送云平台记录保存。
如图9所示，植物表型分析模块与移动平台搭载时，其工作过程为：第一步，通过移动平台带动至被检测植株位置；第二步，应用RGB相机48、光谱成像仪49和光幕传感器50识别并检测植物生长状况及其病虫害情况，第三步，数据采集后发送云平台，制作处方图。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
