一种美国白蛾幼虫网幕喷药机器人控制系统技术方案

本发明专利技术提供一种美国白蛾幼虫网幕喷药机器人控制系统，包括工业控制计算机单元，其特征是：所述工业控制计算机单元分别连接4轴驱动器单元、电动喷头单元和工业摄像头单元，所述4轴驱动器单元连接步进电机驱动单元和微动开关限位检测单元。本发明专利技术的工业控制计算机单元为4轴驱动器单元、工业摄像头单元和电动喷头单元发送控制信号，4轴驱动器单元根据接收的控制信号控制步进电机驱动单元工作，微动开关限位检测单元获取步进电机的位置信息，发送信号给4轴驱动器单元，4轴驱动器单元根据接收的信号控制步进电机驱动单元的工作或者停止，实现智能对靶喷药机器人的自动化喷药作业，提高喷药效率，降低农药污染。

【技术实现步骤摘要】
一种美国白蛾幼虫网幕喷药机器人控制系统
本专利技术涉及机械人控制领域，具体地讲，涉及一种美国白蛾幼虫网幕喷药机器人控制系统。
技术介绍
美国白蛾又名美国灯蛾、秋幕毛虫，属鳞翅目，灯蛾科，是举世瞩目的世界性检疫害虫。主要危害果树、行道树和观赏树木，尤其以阔叶树为重，对园林树木、经济林、农田防护林等造成严重的危害。前3龄幼虫网幕较明显，是实施防治的最佳时机。目前常采用人工摘除网幕和化学药剂大规模喷施的防治方法。这些方式大多粗放、低效、高污染，智能对靶喷药机器人则能够实现美国白蛾幼虫网幕的自动化喷药作业，降低劳动强度，提高喷药效率。现有技术较少涉及美国白蛾幼虫网幕智能对靶喷药机器人控制系统。美国白蛾幼虫网幕智能对靶喷药机器人由控制系统、喷药软件系统及机械系统组成。本专利技术专利主要涉及美国白蛾幼虫网幕智能对靶喷药机器人的控制系统。
技术实现思路
：本专利技术要解决的技术问题是提供一种美国白蛾幼虫网幕喷药机器人控制系统，基于工业控制计算机与其他单元的相互配合，从而驱动相应的机构，实现自动化喷药作业。本专利技术采用如下技术手段实现专利技术目的：一种智能对靶喷药机器人控制系统，包括工业控制计算机单元，其特征是：所述工业控制计算机单元分别连接4轴驱动器单元、电动喷头单元和工业摄像头单元，所述4轴驱动器单元连接步进电机驱动单元和微动开关限位检测单元，所述工业控制计算机单元通过RS232总线发出控制信号给4轴驱动器单元，4轴驱动器单元接受控制信号后，通过连接的I/O信号接口控制步进电机驱动单元，从而控制步进电机位置归零，实现步进电机所驱动的左滑轨和右滑轨的滑块到达初始位置；所述工业摄像头单元实时捕获美国白蛾幼虫网幕图像信息，并传送到工业控制计算机单元；工业控制计算机单元提取美国白蛾幼虫网幕图像信息，并估算网幕图像信息与机器人的相对距离L，并确定距离执行机构L处的物体的图像平面面积S和喷药覆盖面面积S′；令μ＝S′/S，S为图像平面面积，S′为喷药覆盖面面积，当μ＞0.5时，执行简单的扫描控制策略，当μ＜＝0.5时，执行扫描、对靶、喷药三种运动的复杂策略，最终确定最优喷药位置，一旦发现喷药区域，则发出信号，停止步进电机运动；此时，工业控制计算机单元通过RS232总线控制电动喷头单元，通过控制继电器模块，打开喷药头，美国白蛾幼虫网幕智能对靶喷药机器人对此区域实施喷药，2秒后，关闭喷药头。作为对本技术方案的进一步限定，所述工业控制计算机单元通过RS232总线分别与所述4轴驱动器单元和电动喷头单元相互连接，所述工业控制计算机单元通过USB总线与所述工业摄像头单元相互连接。作为对本技术方案的进一步限定，所述步进电机驱动单元包括3个57系列的步进电机及其相应的步进电机驱动器，4轴驱动器单元的相关I/O口与步进电机驱动器的方向信号和脉冲信号口相连接，控制3个步进电机的转向和转速，通过同步带驱动直线导轨，实现一个平面内横向和纵向的二维运动。作为对本技术方案的进一步限定，所述电动喷头单元包括继电器模块和喷药头，继电器模块通过RS232总线与所述工业控制计算机单元相互连接，接受工业控制计算机单元发出的控制信号。作为对本技术方案的进一步限定，所述的简单的扫描控制策略包括如下步骤：(1)确定喷药机器人局部运动轨迹，每个扫描行之间的距离h公式如下：h＝0.8*b*δ，其中，δ为距离执行机构L处的二维垂直立面A上的物体与其图像中的成像大小的对应比例关系，b是图像中的喷药覆盖范围的内接正四边形的边长；(2)最佳喷药位置的确定：相机向右平移时，设变量Left、Down初值为零，用来标记输入图像Q中喷药区域M范围内的左侧、下侧边缘区域是否有未喷药的目标，输入图像Q为从视频流中获取的静态单帧图像，为避免因惯性等造成漏喷将距离边缘小于其总长度的1/4的点组成的区域称为敏感区域，首先在机械系统运动过程中使用上述单帧图像处理方法实时检测图像中是否有目标区域，设喷药区域M经检测其中有目标区域，检测M中敏感区域中是否有白色目标，若左侧敏感区域中有，则将Left置为true，若下侧敏感区域中有,则将Down置为true，若Left和Down有一者为true，则表示进入最佳喷药位置，否则不需喷药；(3)重复步骤(2)，直到满足扫描终止条件，即相机位于可运动区域最左端或最右端，且距离可运动区域最上端不足扫描行之间的距离h，即不足以进行下一行扫描。作为对本技术方案的进一步限定，所述复杂的扫描控制策略包括如下步骤：(1)扫描主运动的确定：h＝0.8*d*δ，其中，δ为立面A上的物体与其图像中的成像大小的对应比例关系，d是成像图像的高度；(2)执行对靶运动喷药运动的条件：当相机向右运动即图像相左时的判断条件，设变量Left、Down初值为零，用来标记输入图像Q中的左侧，下侧边缘区域是否有未喷药的目标，输入图像Q为从视频流中获取的静态单帧图像，为避免因惯性等造成漏喷将距离边缘小于其总长度的1/4的点组成的区域称为敏感区域，首先在机械系统运动过程中使用上述单帧图像处理方法实时检测图像Q中是否有目标区域，假设输入图像为Q经检测其中有目标区域，检测Q中敏感区域中是否有白色目标，若左侧敏感区域中有，则将Left置为true，若下侧敏感区域c中有,则将Down置为true，若Left和Down有一者为true，则需进行喷药处理；(3)按照轮廓优先次序依次对图像Q内存在的所有目标执行对靶运动：图像Q面积较大时，如果存在多个需喷药目标，此时需对图像Q内存在的所有目标进行喷药优先级判断，进而确定是否进入最佳喷药位置，这里使用轮廓的重心来标识轮廓位置及重要性，重心的确定方法如下：其中指的是重心的坐标；A指的是轮廓区域的面积；ρ(x,y)指的是加权值表征虫害程度，可用生长素探测经试验获得，设某一轮廓j的重心到图像Q中心距离为Lj，面积为Aj，记权重G(j)＝Lj×Aj，按照权重的大小确定轮廓处理的先后顺序，先后顺序确定后，将第一个要处理的轮廓标记为正在处理，然后将当前的摄像机所在坐标及当前图像压入堆栈即将当前工作状态先保存，之后经对靶运动将摄像头和喷药头对准到第一个轮廓上，从边缘开始喷药同时将已喷药区域的相机坐标标记为已喷，完毕后以直线返回保存在堆栈中的摄像机所在坐标，读取保存的图像即回复工作状态并将第一个轮廓标记为已处理，而后用相同方法处理其余轮廓直到全部处理完毕，手眼执行机构继续扫描运动；(4)重复步骤(2)和(3)，直到满足扫描终止条件，即相机位于可运动区域最左端或最右端，且距离可运动区域最上端不足h，即不足以进行下一行扫描。作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤(3)的对对靶运动是指执行机构由当前位置运动到目标轮廓所在区域的运动，并且为了便于控制，执行机构只能向8个方向运动，即上、下、左、右、左上、左下、右上、右下，对靶运动具体实施方法如下：①对靶运动初始化：设一枚举类型Direction＝{正左,左上,正上,右上,正右,右下,正下,左下}用来表示速度向量即运动方向，设一个Direction类型变量V并将当前相机运动方向V0设初始值为正左，设一变量k用来累计某一时间间隔内的帧数，初始值为零，最后从内存中开辟一个二维动态数组用来存储目标轮廓的面积值记为Area(v,k)，其中v是Direction类型本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种美国白蛾幼虫网幕喷药机器人控制系统，包括工业控制计算机单元，其特征是：所述工业控制计算机单元分别连接4轴驱动器单元、电动喷头单元和工业摄像头单元，所述4轴驱动器单元连接步进电机驱动单元和微动开关限位检测单元。

【技术特征摘要】
1.一种美国白蛾幼虫网幕喷药机器人控制系统，包括工业控制计算机单元，其特征是：所述工业控制计算机单元分别连接4轴驱动器单元、电动喷头单元和工业摄像头单元，所述4轴驱动器单元连接步进电机驱动单元和微动开关限位检测单元，所述工业控制计算机单元通过RS232总线发出控制信号给4轴驱动器单元，4轴驱动器单元接受控制信号后，通过连接的I/O信号接口控制步进电机驱动单元，从而控制步进电机位置归零，实现步进电机所驱动的左滑轨和右滑轨的滑块到达初始位置；所述工业摄像头单元实时捕获美国白蛾幼虫网幕图像信息，并传送到工业控制计算机单元；工业控制计算机单元提取美国白蛾幼虫网幕图像信息，并估算网幕图像信息与机器人的相对距离L，并确定距离执行机构L处的物体的图像平面面积S和喷药覆盖面面积S′；令μ＝S′/S，S为图像平面面积，S′为喷药覆盖面面积，当μ＞0.5时，执行简单的扫描控制策略，当μ＜＝0.5时，执行扫描、对靶、喷药三种运动的复杂策略，最终确定最优喷药位置，一旦发现喷药区域，则发出信号，停止步进电机运动；此时，工业控制计算机单元通过RS232总线控制电动喷头单元，通过控制继电器模块，打开喷药头，美国白蛾幼虫网幕智能对靶喷药机器人对此区域实施喷药，2秒后，关闭喷药头。2.根据权利要求1所述的美国白蛾幼虫网幕喷药机器人控制系统，其特征是：所述工业控制计算机单元通过RS232总线分别与所述4轴驱动器单元和电动喷头单元相互连接，所述工业控制计算机单元通过USB总线与所述工业摄像头单元相互连接。3.根据权利要求1所述的美国白蛾幼虫网幕喷药机器人控制系统，其特征是：所述步进电机驱动单元包括3个57系列的步进电机及其相应的步进电机驱动器，4轴驱动器单元的相关I/O口与步进电机驱动器的方向信号和脉冲信号口相连接，控制3个步进电机的转向和转速，通过同步带驱动直线导轨，实现一个平面内横向和纵向的二维运动。4.根据权利要求1所述的美国白蛾幼虫网幕喷药机器人控制系统，其特征是：所述电动喷头单元包括继电器模块和喷药头，继电器模块通过RS232总线与所述工业控制计算机单元相互连接，接受工业控制计算机单元发出的控制信号。5.根据权利要求1所述的美国白蛾幼虫网幕喷药机器人控制系统，其特征是：所述的简单的扫描控制策略包括如下步骤：(1)确定喷药机器人局部运动轨迹，每个扫描行之间的距离h公式如下：h＝0.8*b*δ，其中，δ为距离执行机构L处的二维垂直立面A上的物体与其图像中的成像大小的对应比例关系，b是图像中的喷药覆盖范围的内接正四边形的边长；(2)最佳喷药位置的确定：相机向右平移时，设变量Left、Down初值为零，用来标记输入图像Q中喷药区域M范围内的左侧、下侧边缘区域是否有未喷药的目标，输入图像Q为从视频流中获取的静态单帧图像，为避免因惯性等造成漏喷将距离边缘小于其总长度的1/4的点组成的区域称为敏感区域，首先在机械系统运动过程中使用上述单帧图像处理方法实时检测图像中是否有目标区域，设喷药区域M经检测其中有目标区域，检测M中敏感区域中是否有白色目标，若左侧敏感区域中有，则将Left置为true，若下侧敏感区域中有,则将Down置为true，若Left和Down有一者为true，则表示进入最佳喷药位置，否则不需喷药；(3)重复步骤(2)，直到满足扫描终止条件，即相机位于可运动区域最左端或最右端，且距离可运动区域最上端不足扫描行之间的距离h，即不足以进行下一行扫描。6.根据权利要求1所述的美国白蛾幼虫网幕喷药机器人控制系统，其特征是：所述扫描、对靶、喷药三种运动的复杂策略包括如下步骤：(1)扫描主运动的确定：h＝0.8*d*δ，其中，δ为立面A上的物体与其图像中的成像大小的对应比例关系，d是成像图像的高度；(2)执行对靶运动喷药运动的条件：当相机向右运动即图像相左时的判断条件，设变量Left、Down初值为零，用来标记输入图像Q中的左侧，下侧边缘区域是否有未喷药的目标，输入图像Q为从视频流中获取的静态单帧图像，为避免因惯性等造成漏喷将距离边缘小于其总长度的1/4的点组成的区域称为敏感区域，首先在机械系统运动过程中使用上述单帧图像处理方法实时检测图像Q中是否有目标区域，假设输入图像为Q经检测其中有目标区域，检测Q中敏感区域中是否有白色目标，若左侧敏感区域中有，则将Left置为true，若下侧敏感区域中有,则...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵颖，张翠华，孙群，楚晓华，赵栋杰，
申请(专利权)人：聊城大学，
类型：发明
国别省市：山东;37