智能对靶喷雾室内机器人系统研究
|
摘要
目前农林病虫害形势严峻，化学防治为主要的防治手段，但效率相当低下，同时在施药过程中会污染环境以及损害操作者健康。因此研究利用农药精确对靶施用技术的智能对靶喷雾机器人系统有着现实的意义，可以大大降低农林病虫害防治过程中的农药使用成本，提高农药使用效率，同时又能保护农林生态环境，保护操作者人身安全。
本文建立了由图像采集系统、运动控制系统和喷雾控制系统组成的智能对靶喷雾室内机器人系统。图像采集系统由CCD和PC组成；运动控制系统由导航标志线、控制电机、电源、运动控制电路等组成；喷雾控制系统由喷雾微型泵、喷头、药箱、喷雾控制电路等组成。同时研究设计了上位机和下位机的通信协议。论文实现了如下功能：(1)设计开发的运动机构和相应的运动控制模块，可控制机器人在行驶过程中巡线行进；(2)设计研制的喷雾执行机构和相应的喷雾执行模块，可对喷雾执行机构进行有效控制；(3)设计的通讯模块可实现上、下位机的信息通讯，将决策结果转化为喷雾指令，控制喷雾执行系统执行实时对靶喷雾。
本文在实验室开展了一系列的试验和分析，对出现的问题和技术难点作了较为深入的研究，并以此为基础探索了在户外进行农药智能对靶喷雾的可行性和实际效果，为在户外真实环境中开展基于机器视觉的农药精确对靶施用提供了理论和实践依据。
Presently the infestation of forest and agricultural plant diseases and insects causes severe problems while the chemical treatment, as the major solution, is of very low efficiency. Meanwhile, chemical application causes severe pollution to the agricultural and forestry ecological environment and damage to the manipulators. So, developing robot system for pesticide smart targeting spraying is necessary and significative, which bears the promises of low cost and high efficiency of chemical application in diseases and insects (?)(?)atment and moreover, will protect the agricultural and forestry ecological environment, and shield the manipulators from the dangerous pesticide.
In the paper, an indoor smart targeting pesticide application robot system was developed. Three sub-systems were established, that is, image capturing sub-system, movement control sub-system and smart spray execution sub-system. The image capturing sub-system composed of a CCD camera and PC. The movement control sub-system composed of navigational line, DC motors, batteries and movement control circuit. The smart spray execution sub-system composed of spraying pump, nozzle, tank and spray control circuit. The communication between PC and MCU was established. In the paper, the functions were realized as follows: (l)controling the movement of the robot, following the navigational line; (2) controling smart spraying when the PC capturing the target image and giving the spraying instructions; (3) realizing data communications between PC and MCU, converting the decision making results to spraying instructions to control the spray execution system..
A series of experiments and analysis, which covered the main puzzles and technical difficulties, were carried out to predict the feasibility and reliability of the system for out-door purposes. The research in the paper will provide valuable experiences both theoretically and practically for the outdoor smart chemical applications based on machine vision.
本文建立了由图像采集系统、运动控制系统和喷雾控制系统组成的智能对靶喷雾室内机器人系统。图像采集系统由CCD和PC组成；运动控制系统由导航标志线、控制电机、电源、运动控制电路等组成；喷雾控制系统由喷雾微型泵、喷头、药箱、喷雾控制电路等组成。同时研究设计了上位机和下位机的通信协议。论文实现了如下功能：(1)设计开发的运动机构和相应的运动控制模块，可控制机器人在行驶过程中巡线行进；(2)设计研制的喷雾执行机构和相应的喷雾执行模块，可对喷雾执行机构进行有效控制；(3)设计的通讯模块可实现上、下位机的信息通讯，将决策结果转化为喷雾指令，控制喷雾执行系统执行实时对靶喷雾。
本文在实验室开展了一系列的试验和分析，对出现的问题和技术难点作了较为深入的研究，并以此为基础探索了在户外进行农药智能对靶喷雾的可行性和实际效果，为在户外真实环境中开展基于机器视觉的农药精确对靶施用提供了理论和实践依据。
Presently the infestation of forest and agricultural plant diseases and insects causes severe problems while the chemical treatment, as the major solution, is of very low efficiency. Meanwhile, chemical application causes severe pollution to the agricultural and forestry ecological environment and damage to the manipulators. So, developing robot system for pesticide smart targeting spraying is necessary and significative, which bears the promises of low cost and high efficiency of chemical application in diseases and insects (?)(?)atment and moreover, will protect the agricultural and forestry ecological environment, and shield the manipulators from the dangerous pesticide.
In the paper, an indoor smart targeting pesticide application robot system was developed. Three sub-systems were established, that is, image capturing sub-system, movement control sub-system and smart spray execution sub-system. The image capturing sub-system composed of a CCD camera and PC. The movement control sub-system composed of navigational line, DC motors, batteries and movement control circuit. The smart spray execution sub-system composed of spraying pump, nozzle, tank and spray control circuit. The communication between PC and MCU was established. In the paper, the functions were realized as follows: (l)controling the movement of the robot, following the navigational line; (2) controling smart spraying when the PC capturing the target image and giving the spraying instructions; (3) realizing data communications between PC and MCU, converting the decision making results to spraying instructions to control the spray execution system..
A series of experiments and analysis, which covered the main puzzles and technical difficulties, were carried out to predict the feasibility and reliability of the system for out-door purposes. The research in the paper will provide valuable experiences both theoretically and practically for the outdoor smart chemical applications based on machine vision.
引文
1．国科普博览网-机器人博览-古代机器人网址：http://www.kepu.com.cn/big5/technology/robot/secret/sec104.html
2．东风教育科学研究室网站．在实践中创新网址：http://school.dfedu.com/jys/dfjy_view.asp?id=106
3．王耀南．机器人智能控制工程[M]．北京：科学出版社，2004．6
4．蒋新松．未来机器人技术发展方向的探讨[J]．机器人，1996，18(5)：285-291
5．蔡鹤皋．机器人技术的发展与在制造业中的应用[J]．机械制造与自动化，2004，33(1)：6-10
6．姜树海，陆怀民．林业机器人研究动态[J]．森林工程，1998，14(1)：39-40
7．中国科普博览网-机器人博览-机器人的分类网址: http://www.kepu.com.cn/big5/technology/robot/secret/sec103.html
8．孙艳青．日本研制的林业机器人[J]．机器人技术与应用，1997，5：6-7
9. Nobutaka Ito. Agricultural Robots in Japan, IEEE International Workshop on Intelligent Robots and Systems[J], IROS 90
10．贾志成，郑加强，周宏平．林业机器人研究现状及发展综述[J]．农业装备技术，2005，31(S)：29-33
11．陆怀民，刘晋浩等．林木球果采集机器人[J]．机器人技术与应用，1997，5：4-5
12．陆怀民．林木球果采集机器人设计与试验[J]．农业机械学报，2001，17(6)：52-58
13．陆怀民．林木伐根清理机器人设计与试验[J]．农业工程学报，2002，18(6)：169-172
14．刘晋浩，陆怀民，葛安华．新型智能伐根清理机器人[J]．机器人技术与应用，2001，(2)：12-13
15. Chen, Yong, Lei Tian, Jiaqiang Zheng. Direct herbicide application with an autonomous robot for weed control[J]. 2005 ASAE ANNUAL INTERNATIONAL MEETING, July, 7-20, 2005, Tampa, Florida
16. Zheng Jiaqiang, Hongping Zhou, Youlin Xu, Maocheng Zhao, Huichun Zhang, Yufeng Ge, Haitao Xiang, Yong Chen. Pilot Study on Toward-target Precision Pesticide Application in Forestry. [J] ASAE/CSAE ANNUAL INTERNATIONAL MEETING, August 1-4, 2004-Ottawa, ON, Canada
17．郑加强、周宏平等．21世纪精确农药使用方法展望[J]．见：倪汉祥，成卓敏主编．面向21世纪植物保护发展战略研讨会论文集．北京：中国科学技术出版社，2001
18. Zheng Jiaqiang, Zhou Hongping, Xu Youlin, Zhao Maocheng, Zhang Huichun, Ge Yufeng, Xiang Haitao, Chen Yong. Toward-target Precision Pesticide Application and its System Design[J]. Transaction of the CSAE, 2005, 21(11)
19．张慧春，郑加强，周宏平，万永志，贾志成，汪东，杜治平，马凯．基于信息流集成的农药精确施用系统初步研究[J]．农业装备技术，2005，3l(S)：173-176
20. Yael Edan, Gaines E. Miles. Systems Engineering of Agricultural Robot Design[J] IEEE Transaction on Systems, 1994, 24 (8)
21．白井良明(日)．机器人工程[M]．北京：科学出版社，2001．2
22．宗光华．机器人的创意设计与实践[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004．2
23．谢存禧，张铁等．机器人技术及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2005．8
24．Jorge Angeles．机器人机械系统原理理论、方法和算法[M]．北京：机械工业出版社，2004．8
25．城井田胜仁[日]．有视觉机器人制作[M]．北京：科学出版社，2002．3
26．高桥友一，秋田纯一，渡边正人．小型机器人的基础技术与制作[M]．北京：科学出版社，2004．5
27．西山一郎，兆十．自律型机器人制作[M]．北京：科学出版社，2002．3
28．陈志青．喷雾机器人控制系统研制．中国农业大学硕士学位论文，2002．3
29．David Cook．机器人制作[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005．7
30．肖立，佟仕忠等．基于PIC单片机控制的智能巡线小车[J]．中国仪器仪表，2005，(3)：95-96
31．陈琪，孟爱成等．基于PIC单片机控制的智能排险机器人[J]．机电产品开发与创新，2005，18(3)：34-37
32．约翰 埃欧文．PIC机器人初学指南[M]．北京：科学出版社，2005．5
33．约翰 埃欧文．PIC微控制器应用[M]．北京：科学出版社，2005．5
34．丹尼斯 克拉克，迈克尔 欧文斯．机器人设计与控制[M]．北京：科学出版社，2004．5
35．彭树生．PIC单片机原理及应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002
36．武锋．PIC系列单片机的开发应用技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2000
37．船仓一郎，土屋尧等．机器人控制电子学[M]．北京：科学出版社，2004．5
38．方建军，何广平．智能机器人[M]．第1版．北京：化学工业出版社，2004．2
39. Ray Jarvis. Converting Outdoor Vehicles into Autonomous Mobile Robots[J], Proceedings of the 1993 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Yakohama, Japan, July 26-30,1993
40．丁晨，李荣正．行进电动小汽车的自动控制[J]．上海工程技术大学学报，2004，18(1)：10-14
41．刘凤然，田红芳，王侃．基于单片机的移动机器人自动避障控制系统[J]．中国仪器仪表，2001．3：27-29
42．罗均，崔坤征，谢少荣等．一种小型移动机器人的电机控制系统设计[J]．驱动控制，2005．9：25-27
43．郭丙华，胡跃明．移动机器人计算机控制[J]．计算机测量与控制，2003．11(10)：749-766
44．欧青立，何克忠．室外智能移动机器人的发展及其关键技术研究[J]．机器人，2001(11)：519-526
45．王有绪．PIC系列单片机接口技术及应用系统设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2000：
46．朱立忠，冯丹．PC机与MCS51单片机串行通信接口电路的设计[J]．沈阳工业学院 学报，2003．22(2)：22-24
47．谢淑如．Protel PCB 99SE电路板设计[M]．北京：清华大学出版社．2001
48．贾振国等．“看门狗”电路DS1232在单片机产品中的应用[J]．国外电子元器件，2000，4：20-21
49．杨文龙．单片机原理及应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2002．1
50．李广弟等．单片机基础[修订版][M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003．6
51．余永权，汪明慧，黄英．单片机在控制系统中的应用[M]．北京：电子工业出版社，2004．2
52．文庭秋，蔡立军．计算机接口技术[M]．北京：电子工业出版社，1998．11
53．殷志华，郑海，杨浩．单片机与PC机串口通信的实现[J]．中国数据通信，2004．1：66-69
54．向海涛．基于机器视觉的树木图像实时采集与识别．南京林业大学硕士学位论文．2002
55．葛玉峰．基于机器视觉的室内模拟农药精确对靶施用系统研究．南京林业大学硕士学位论文．2003
56．门槛创作室．Visual C++6.0实例教程[M]．北京：电子工业出版社．，1999．4
57．王宏，李玉东，李罡．Visual C++实战演练[M]．北京：人民邮电出版社．，2000．10
58．李现勇．Visual C++串口通信技术与工程实践[M]．北京：人民邮电出版社．，2003．1
2．东风教育科学研究室网站．在实践中创新网址：http://school.dfedu.com/jys/dfjy_view.asp?id=106
3．王耀南．机器人智能控制工程[M]．北京：科学出版社，2004．6
4．蒋新松．未来机器人技术发展方向的探讨[J]．机器人，1996，18(5)：285-291
5．蔡鹤皋．机器人技术的发展与在制造业中的应用[J]．机械制造与自动化，2004，33(1)：6-10
6．姜树海，陆怀民．林业机器人研究动态[J]．森林工程，1998，14(1)：39-40
7．中国科普博览网-机器人博览-机器人的分类网址: http://www.kepu.com.cn/big5/technology/robot/secret/sec103.html
8．孙艳青．日本研制的林业机器人[J]．机器人技术与应用，1997，5：6-7
9. Nobutaka Ito. Agricultural Robots in Japan, IEEE International Workshop on Intelligent Robots and Systems[J], IROS 90
10．贾志成，郑加强，周宏平．林业机器人研究现状及发展综述[J]．农业装备技术，2005，31(S)：29-33
11．陆怀民，刘晋浩等．林木球果采集机器人[J]．机器人技术与应用，1997，5：4-5
12．陆怀民．林木球果采集机器人设计与试验[J]．农业机械学报，2001，17(6)：52-58
13．陆怀民．林木伐根清理机器人设计与试验[J]．农业工程学报，2002，18(6)：169-172
14．刘晋浩，陆怀民，葛安华．新型智能伐根清理机器人[J]．机器人技术与应用，2001，(2)：12-13
15. Chen, Yong, Lei Tian, Jiaqiang Zheng. Direct herbicide application with an autonomous robot for weed control[J]. 2005 ASAE ANNUAL INTERNATIONAL MEETING, July, 7-20, 2005, Tampa, Florida
16. Zheng Jiaqiang, Hongping Zhou, Youlin Xu, Maocheng Zhao, Huichun Zhang, Yufeng Ge, Haitao Xiang, Yong Chen. Pilot Study on Toward-target Precision Pesticide Application in Forestry. [J] ASAE/CSAE ANNUAL INTERNATIONAL MEETING, August 1-4, 2004-Ottawa, ON, Canada
17．郑加强、周宏平等．21世纪精确农药使用方法展望[J]．见：倪汉祥，成卓敏主编．面向21世纪植物保护发展战略研讨会论文集．北京：中国科学技术出版社，2001
18. Zheng Jiaqiang, Zhou Hongping, Xu Youlin, Zhao Maocheng, Zhang Huichun, Ge Yufeng, Xiang Haitao, Chen Yong. Toward-target Precision Pesticide Application and its System Design[J]. Transaction of the CSAE, 2005, 21(11)
19．张慧春，郑加强，周宏平，万永志，贾志成，汪东，杜治平，马凯．基于信息流集成的农药精确施用系统初步研究[J]．农业装备技术，2005，3l(S)：173-176
20. Yael Edan, Gaines E. Miles. Systems Engineering of Agricultural Robot Design[J] IEEE Transaction on Systems, 1994, 24 (8)
21．白井良明(日)．机器人工程[M]．北京：科学出版社，2001．2
22．宗光华．机器人的创意设计与实践[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004．2
23．谢存禧，张铁等．机器人技术及其应用[M]．北京：机械工业出版社，2005．8
24．Jorge Angeles．机器人机械系统原理理论、方法和算法[M]．北京：机械工业出版社，2004．8
25．城井田胜仁[日]．有视觉机器人制作[M]．北京：科学出版社，2002．3
26．高桥友一，秋田纯一，渡边正人．小型机器人的基础技术与制作[M]．北京：科学出版社，2004．5
27．西山一郎，兆十．自律型机器人制作[M]．北京：科学出版社，2002．3
28．陈志青．喷雾机器人控制系统研制．中国农业大学硕士学位论文，2002．3
29．David Cook．机器人制作[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005．7
30．肖立，佟仕忠等．基于PIC单片机控制的智能巡线小车[J]．中国仪器仪表，2005，(3)：95-96
31．陈琪，孟爱成等．基于PIC单片机控制的智能排险机器人[J]．机电产品开发与创新，2005，18(3)：34-37
32．约翰 埃欧文．PIC机器人初学指南[M]．北京：科学出版社，2005．5
33．约翰 埃欧文．PIC微控制器应用[M]．北京：科学出版社，2005．5
34．丹尼斯 克拉克，迈克尔 欧文斯．机器人设计与控制[M]．北京：科学出版社，2004．5
35．彭树生．PIC单片机原理及应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002
36．武锋．PIC系列单片机的开发应用技术[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2000
37．船仓一郎，土屋尧等．机器人控制电子学[M]．北京：科学出版社，2004．5
38．方建军，何广平．智能机器人[M]．第1版．北京：化学工业出版社，2004．2
39. Ray Jarvis. Converting Outdoor Vehicles into Autonomous Mobile Robots[J], Proceedings of the 1993 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Yakohama, Japan, July 26-30,1993
40．丁晨，李荣正．行进电动小汽车的自动控制[J]．上海工程技术大学学报，2004，18(1)：10-14
41．刘凤然，田红芳，王侃．基于单片机的移动机器人自动避障控制系统[J]．中国仪器仪表，2001．3：27-29
42．罗均，崔坤征，谢少荣等．一种小型移动机器人的电机控制系统设计[J]．驱动控制，2005．9：25-27
43．郭丙华，胡跃明．移动机器人计算机控制[J]．计算机测量与控制，2003．11(10)：749-766
44．欧青立，何克忠．室外智能移动机器人的发展及其关键技术研究[J]．机器人，2001(11)：519-526
45．王有绪．PIC系列单片机接口技术及应用系统设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2000：
46．朱立忠，冯丹．PC机与MCS51单片机串行通信接口电路的设计[J]．沈阳工业学院 学报，2003．22(2)：22-24
47．谢淑如．Protel PCB 99SE电路板设计[M]．北京：清华大学出版社．2001
48．贾振国等．“看门狗”电路DS1232在单片机产品中的应用[J]．国外电子元器件，2000，4：20-21
49．杨文龙．单片机原理及应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，2002．1
50．李广弟等．单片机基础[修订版][M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003．6
51．余永权，汪明慧，黄英．单片机在控制系统中的应用[M]．北京：电子工业出版社，2004．2
52．文庭秋，蔡立军．计算机接口技术[M]．北京：电子工业出版社，1998．11
53．殷志华，郑海，杨浩．单片机与PC机串口通信的实现[J]．中国数据通信，2004．1：66-69
54．向海涛．基于机器视觉的树木图像实时采集与识别．南京林业大学硕士学位论文．2002
55．葛玉峰．基于机器视觉的室内模拟农药精确对靶施用系统研究．南京林业大学硕士学位论文．2003
56．门槛创作室．Visual C++6.0实例教程[M]．北京：电子工业出版社．，1999．4
57．王宏，李玉东，李罡．Visual C++实战演练[M]．北京：人民邮电出版社．，2000．10
58．李现勇．Visual C++串口通信技术与工程实践[M]．北京：人民邮电出版社．，2003．1