本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域，具體涉及噴藥方法，尤其涉及一種基于子母系統(tǒng)的噴藥系統(tǒng)及方法，還涉及一種基于圖像處理的噴藥母機。

背景技術(shù)：

當(dāng)前，我國常見的噴藥方式為由工作人員背負(fù)機械式或電動式噴藥機對某一區(qū)域需要保護的農(nóng)作物進行大面積噴灑。人工噴藥的方式，一方面需要付出大量的人力，另一方面由于噴灑不均造成了農(nóng)藥浪費和土地污染的問題。隨著科技發(fā)展，利用無人機對農(nóng)作物進行大面積噴灑的植保機出現(xiàn)。在運用無人機進行植保作業(yè)時，需要對農(nóng)田進行人工圖像采集，并人工規(guī)劃路徑，然后根據(jù)路徑進行大范圍的噴藥。其中對農(nóng)田進行人工圖像采集和路徑規(guī)劃的通常做法是通過人工攜帶定位裝置對帶噴藥農(nóng)田區(qū)域進行測繪規(guī)劃；目前的植保機仍然存在明顯的弊端：(1)沒有解決噴灑不均造成的農(nóng)藥浪費和土地污染的問題；(2)人工測繪不適用于大面積農(nóng)田；(3)由于人工測繪的誤差，始終無法保證植保機噴藥路徑為最優(yōu)路徑；(4)無人機高空作業(yè)，無法保證精準(zhǔn)噴藥，尤其是對于百合一類需要精準(zhǔn)噴藥的作物，非常地不適用。

目前，無人機大量應(yīng)用于植保，對農(nóng)田進行噴藥等，但無法保證達到對作物待噴藥部位精準(zhǔn)噴藥的效果。而結(jié)合無人機能自動規(guī)劃最優(yōu)線路與機器人能精準(zhǔn)控流靶向噴藥的優(yōu)勢，基于子母系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)植保機尚未研發(fā)應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的問題是，針對現(xiàn)有的噴藥方式所存在的缺陷，提供一種基于子母系統(tǒng)的噴藥系統(tǒng)及方法，由噴藥機器人和線路規(guī)劃無人機組成的子母系統(tǒng)共同完成植保作業(yè)，減去人工規(guī)劃機器人線路的復(fù)雜操作，通過無人機的智能規(guī)劃線路，最大程度地減少機器人在工作過程中的藥劑、電量等耗損。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種基于子母系統(tǒng)的噴藥系統(tǒng)，包括由噴藥機器人和線路規(guī)劃無人機組成的子母系統(tǒng)，其中母機為噴藥機器人，子機為線路規(guī)劃無人機，母機和子機通信連接；

所述母機中設(shè)置有機器人圖像采集模、機器人定位模塊、噴藥模塊和機器人控制模塊；機器人定位模塊、機器人圖像采集模塊和噴藥模塊均與機器人控制模塊相連；

所述子機中設(shè)置有無人機圖像采集模塊、無人機定位模塊和無人機控制模塊；無人機圖像采集模塊和無人機定位模塊與無人機控制模塊相連；

所述無人機圖像采集模塊采集農(nóng)田圖像，并將農(nóng)田圖像發(fā)送至無人機控制模塊；所述無人機控制模塊根據(jù)無人機圖像采集模塊采集的農(nóng)田圖像(圖像灰度值)，生成最優(yōu)噴藥線路；

所述機器人定位模塊用于獲取母機位置，并提供給子機上的無人機控制模塊；無人機定位模塊獲取子機位置，并提供給無人機控制模塊；無人機控制模塊根據(jù)母機和子機的位置，控制子機正確返航，并與母機對接；

與母機對接后，無人機控制模塊將生成的最優(yōu)噴藥線路發(fā)送給機器人控制模塊，機器人控制模塊控制機器人按照最優(yōu)噴藥線路行進至需要噴藥的農(nóng)田區(qū)域附近；

到達需要噴藥的農(nóng)作物附近后，機器人圖像采集模塊獲取周圍的農(nóng)作物圖像，并識別農(nóng)作物上需要噴藥的部位【通過采取超綠(2g‐r‐b)特征對彩色的農(nóng)作物圖像進行灰度化，把綠色的植株圖像從褐色的土壤背景中分割出來，得到超綠特征灰度圖像，對超綠特征灰度圖像進行閾值分割，獲取農(nóng)作物的二值圖像；通過二值化處理作物上需要噴藥的部位使葉片特征更加明顯，從而讓更準(zhǔn)確地從圖像中識別出農(nóng)作物需要噴藥的部位；提取二值圖像中的綠色區(qū)域，即農(nóng)作物上需要噴藥的部位】，發(fā)送至機器人控制模塊；機器人控制模塊控制機械臂移動至農(nóng)作物上需要噴藥的部位，使噴頭對準(zhǔn)需要噴藥的部位開始進行噴藥，實現(xiàn)對農(nóng)田農(nóng)作物進行靶向噴藥。

進一步地，所述無人機控制模塊與地面控制端相連，將無人機圖像采集模塊采集的農(nóng)田圖像發(fā)送至地面控制端，并接收地面控制端的控制信號，實現(xiàn)地面控制端實時監(jiān)測無人機采集的農(nóng)田圖像，并對無人機進行控制。

進一步地，所述子機中還設(shè)置有氣壓計，用于檢測當(dāng)前無人機飛行高度。

進一步地，所述無人機控制模塊，包括飛行控制電路板和路徑規(guī)劃模塊；

飛行控制電路板與地面控制端相連，地面控制端實時監(jiān)測的無人機采集的農(nóng)田圖像，指定需要噴藥的農(nóng)田區(qū)域，發(fā)送人工干預(yù)控制信號至飛行控制電路板，控制無人機飛行狀態(tài)以及飛行區(qū)域；

路徑規(guī)劃模塊根據(jù)無人機圖像采集系統(tǒng)采集的農(nóng)田圖像以及需要噴藥的農(nóng)田區(qū)域，通過最優(yōu)路徑選擇算法進行最佳路徑的規(guī)劃，得到農(nóng)田圖像上的最優(yōu)噴藥線路。

進一步地，所述無人機圖像采集模塊，包括數(shù)字?jǐn)z像頭和數(shù)字信號處理器；其中數(shù)字?jǐn)z像頭用于對農(nóng)田進行航拍，獲取航拍的農(nóng)田圖像，并將采集到的農(nóng)田圖像送到數(shù)字信號處理器；數(shù)字信號處理器通過計算采集的需要噴藥的農(nóng)田區(qū)域圖像灰度值，判別母機可行走區(qū)域和農(nóng)作物區(qū)域。

進一步地，所述機器人圖像采集模塊，包括數(shù)字?jǐn)z像頭和數(shù)字信號處理器；其中數(shù)字?jǐn)z像頭用于對噴藥機器人周圍的農(nóng)作物進行拍攝，并將拍攝圖像傳送到數(shù)字信號處理器；數(shù)字信號處理器對拍攝圖像進行處理、分析，找到農(nóng)作物上需要噴藥的部位，將信息傳送到機器人控制模塊。

母機和子機通過連接模塊相連；所述連接模塊包括在母機和子機上配套設(shè)置的卡口、數(shù)據(jù)傳輸端口和電能補給端口；卡口用于子子機正確返航后子機和母機精準(zhǔn)對接；電能補給端口用于將母機電能補給給子機；數(shù)據(jù)傳輸端口用于子機將實際最優(yōu)噴藥線路傳輸給機器人控制模塊。所述連接模塊用于將子機和母機固定、實現(xiàn)母機為子機的充電、子機將噴藥最優(yōu)路徑信息傳輸給母機的控制系統(tǒng)，集三種功能于一體。

所述數(shù)據(jù)傳輸端口和電能補給端口均集成在所述卡口上。

進一步地，所述母機中還設(shè)置有供電模塊，用于為母機各個模塊提供所需能源；且包括電量檢測模塊，用于檢測自己的剩余電量，在子機剩余電量低于預(yù)設(shè)電量(30％滿電量)時，通過連接模塊為子機提供電能補給。

進一步地，所述機器人基于履帶車行走，履帶車受控于機器人控制模塊；機器人控制模塊控制履帶車按照規(guī)劃的路線行進至需要噴藥的農(nóng)田區(qū)域的農(nóng)作物附近。

進一步地，所述定位模塊為gps定位模塊。

一種基于子母系統(tǒng)的噴藥方法,采用上述基于子母系統(tǒng)的噴藥系統(tǒng)完成噴藥，步驟如下：

子機上升到一定高度，對農(nóng)田進行系統(tǒng)的航拍，并將畫面實時傳送到地面控制端；工作人員通過地面控制端判斷航拍畫面中是否包含待噴藥的所有農(nóng)田，若沒有，則控制子機繼續(xù)上升或改變位置，直到航拍畫面中是否包含待噴藥的所有農(nóng)田；工作人員通過地面控制端選擇需要噴藥的農(nóng)田區(qū)域；

子機接收地面信號確定需要噴藥的農(nóng)田區(qū)域，并對需要噴藥的農(nóng)田區(qū)域進行詳細(xì)的拍攝，獲取需要噴藥的農(nóng)田區(qū)域的所有畫面；在拍攝工作完成之后，子機獲取母機的位置開始返航，同時開始整理所有航拍畫面，從中提取出所有的路徑并計算制定一條最優(yōu)噴藥路線；并根據(jù)無人機飛行高度換算成地面上噴藥機器人的實際最優(yōu)噴藥線路；

【換算方法為：通過無人機上的氣壓計獲取的氣壓p計算當(dāng)前無人機飛行高度h1，并計算氣壓計和無人機圖像采集模塊的高度差h2，利用相似三角形原理，即s2/s1＝h2/h1，計算農(nóng)田區(qū)域?qū)嶋H大小s1與采集的農(nóng)田圖像大小s2比值；由此根據(jù)農(nóng)田圖像上的最優(yōu)噴藥線路映射得到地面上噴藥機器人的實際最優(yōu)噴藥線路；

其中通過無人機上的氣壓計獲取的氣壓p計算當(dāng)前無人機飛行高度h1的公式如下：

h1＝(rt/gm)*ln(p0/p)

其中，r為常數(shù)8.51，t為常溫下的熱力學(xué)溫度，g為重力加速度，m為氣體的分子量(取值為29)，p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓?！?/p>

子機飛到母機的泊機臺正上方并垂直降落在泊機臺上，子機與母機對接，固定為一個整體；

子機將制定好的路線傳送到機器人控制模塊；

機器人控制模塊接收子機傳送來的路徑，控制噴藥機器人按照既定路線行進至需要噴藥的農(nóng)田區(qū)域的農(nóng)作物附近；

母機上的機器人圖像采集模塊對周圍的農(nóng)作物進行拍攝，并將拍攝圖像傳送到母機上的機器人控制模塊，機器人控制模塊經(jīng)過處理、分析，識別農(nóng)作物上需要噴藥的部位，將信息送到機器人控制模塊；

機器人控制模塊控制機械臂移動至農(nóng)作物上需要噴藥的部位，使噴頭對準(zhǔn)需要噴藥的部位開始進行噴藥，實現(xiàn)對農(nóng)田農(nóng)作物進行靶向噴藥；當(dāng)前植株噴藥完成后，機器人控制模塊控制機械臂移動到下一處需要噴藥的植株上需要噴藥的部位；

直到當(dāng)前位置機械臂所及范圍內(nèi)的所有植株完成噴藥工作之后，機器人控制模塊控制噴藥機器任按照規(guī)劃路線繼續(xù)前進，直到所有噴藥工作完成。

進一步地，所述機器人噴藥模塊包括藥箱、水泵、噴頭和機械臂，所述水泵設(shè)置于藥箱中；水泵的出水口與機械臂上噴藥桿的入水口相連；噴頭設(shè)置在噴藥桿的出水口；

機器人控制模塊獲得噴藥的具體位置后，控制機械臂移動到對應(yīng)的位置，噴頭對準(zhǔn)需要噴藥的部位；

控制水泵開啟，將藥箱中的藥物引流到噴頭，通過噴頭噴射藥物到植物待噴藥部位。

進一步地，通過水泵的開關(guān)控制噴藥的時間和流量(每3秒開啟一次)，實現(xiàn)對待噴藥位置進行定時定量的噴灑。

有益效果：

本發(fā)明通過無人機提供噴藥機器人最優(yōu)工作路徑的方法，減去人工規(guī)劃機器人線路的復(fù)雜操作，通過無人機的智能規(guī)劃線路，最大程度地減少機器人在工作過程中的藥劑、電量等耗損。噴藥機器人接收到無人機傳送來的路徑，按照既定路線行進至需要噴藥的農(nóng)田區(qū)域的農(nóng)作物附近；再利用對周圍的農(nóng)作物進行拍攝，找到需要噴藥的具體部位，達到精準(zhǔn)噴灑的目的。

附圖說明

圖1為本發(fā)明無人機規(guī)劃路徑流程圖；

圖2為本發(fā)明工作流程圖；

圖3為本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步具體說明。

實施例1：

如圖1所示，本發(fā)明的工作過程為：

子機在母機上充滿電后脫離母機開始工作。

子機上升到一定高度，對農(nóng)田進行系統(tǒng)的航拍，并將畫面實時傳送到地面控制端，工作人員在地面選擇需要噴藥的農(nóng)田區(qū)域。

子機接收地面信號確定需要噴藥的農(nóng)田區(qū)域，并對需要噴藥的農(nóng)田區(qū)域進行詳細(xì)的拍攝，獲取需要噴藥的農(nóng)田區(qū)域的所有畫面。在拍攝工作完成之后，子機利用gps定位技術(shù)找到母機的位置，同時子機上的數(shù)字信號處理器開始整理所有航拍畫面，從中提取出所有的路徑并計算制定一條最優(yōu)噴藥路線作為母機的行進路線。

子機飛到泊機臺正上方并垂直降落在泊機臺上，對應(yīng)卡口相互銜接，子機和母機固定為一個整體。

子機通過集成在卡口上的數(shù)據(jù)傳輸接口將制定好的路線傳送到機器人控制模塊，通過集成在卡口上的電能補給端口從母機獲取電能。

機器人控制模塊接受到子機傳送來的路徑，控制履帶車按照既定路線行進，噴藥工作正式開始。

母機上的攝像頭對周圍的作物開始拍攝，并將拍攝圖像傳送到母機上的數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器經(jīng)過處理、分析，找到需要噴藥的具體部位，后，將具體信息數(shù)字化傳送到機器人控制模塊。

所述機器人噴藥模塊包括藥箱、水泵、噴頭和機械臂，所述水泵設(shè)置于藥箱中；水泵的出水口與機械臂上噴藥桿的入水口相連；噴頭設(shè)置在噴藥桿的出水口；

機器人控制模塊獲得噴藥的具體位置后，控制機械臂移動到對應(yīng)的位置，噴頭對準(zhǔn)需要噴藥的部位；

控制水泵開啟，將藥箱中的藥物引流到噴頭，通過噴頭噴射藥物到植物待噴藥部位。通過水泵的開關(guān)控制噴藥的時間和流量(每3秒開啟一次)，實現(xiàn)對待噴藥位置進行定時定量的噴灑，利用攝像頭捕捉植株局部圖找到需要噴藥的具體部位，達到精準(zhǔn)噴灑的目的。

當(dāng)前植株噴藥完成，機器人控制模塊控制機械臂移動到下一處需要噴藥的植株的對應(yīng)位置。

直到當(dāng)前位置機械臂所及范圍以內(nèi)的所有植株完成噴藥工作之后，機器人控制模塊控制履帶車按照既定路線繼續(xù)前進，直到所有噴藥工作完成。