基本信息
- 項目名稱：
- 蔬菜管理機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 蔬菜管理機器人利用太陽能光伏板為機器人各個系統(tǒng)的運行提供動力能源，通過光纖傳感器根據(jù)設定路線智能行進，先進的低溫溶氧殺菌系統(tǒng)能夠科學診治病蟲害，有效殺滅病原微生物。機器人通過視覺系統(tǒng)進行果實顏色與形狀的識別，確定果實的位置，控制行進位置和機械手臂的采摘功能，并能完成自動充電，自動調節(jié)和監(jiān)測蔬菜生長的溫度、濕度和光照，進行無公害蔬菜的管理采摘。
- 詳細介紹：
- 蔬菜管理機器人的主要研制內容：蔬菜管理機器人由生態(tài)能源供應系統(tǒng)、MCU核心控制系統(tǒng)、視覺定位系統(tǒng)、光纖導航系統(tǒng)、果實識別系統(tǒng)、采摘控制系統(tǒng)等組成。（一）能源供應系統(tǒng)能源是蔬菜管理機器人的動力來源，該系統(tǒng)的智能導航行進系統(tǒng)和果實顏色形狀識別系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、低溫溶氧殺菌系統(tǒng)等多項功能的運行需要大量的能源。我們選用太陽能光伏板對機器人提供和儲存能源，節(jié)能環(huán)保障機器人運行提供充足的動力。 機器人的能源系統(tǒng)是太陽能電池板將太陽能轉換為電能，通過高能電池存儲能量，當機器人電量不足時，導航運行系統(tǒng)控制機器人進行自動充電，通過光度傳感器自動撐開折疊式光伏板，接受太陽能充電，充電完畢后，機器人可繼續(xù)執(zhí)行上次未完成的任務。試驗表明：按當?shù)厥卟朔N植大棚面積80×10平方米計算，蔬菜管理機器人完成一次軌跡行進和成熟果實的采摘，需要的能源達8.3千瓦。（二）MCU核心控制系統(tǒng) 蔬菜管理機器人的主控制器包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)兩部分，在制作蔬菜管理機器人的控制系統(tǒng)時，由于機器人主要在管理過程中完成多項功能的運行，主控制系統(tǒng)我們選取功能齊全、可靠、集成度高的MC68HC908AP64微處理器；總線工作頻率8M,,64k flash存儲器,８路10bit模擬輸入口，4路timer輸入,８位數(shù)據(jù)總線，一個普通SCI端口,一個紅外SCI端口,一個SPI端口,一個通用并行I/O端口，具備中斷和多種復位方式。該單片及功能強大，擴展能力豐富，通過其他邏輯芯片的擴展了5各數(shù)字量輸入端口，5個模擬量輸入端口和4個擴展槽。該單片機內部集成了存儲器，不用擴展存儲器，我們可以寫入機器人程序；64k flash存儲器，存儲容量較大，適宜于我們根據(jù)機器人的不同任務更換不同的執(zhí)行程序。該機器人的很多功能模塊是基于這些通訊端口的，例如釋放臭氧模塊、無線通訊模塊、環(huán)境檢測模塊等。在軟件編程研究中，我們應用MOTOROLA軟件，它可通過編寫C語言程序來開發(fā)高層應用軟件。（三）蔬菜管理機器人的低溫溶氧生成系統(tǒng)由活氧管、變頻器、電子制冷器、定時控制器等部分組成。實驗表明，以空氣為原料，在變頻高壓狀態(tài)下產生的活氧，常溫常壓下為無色氣體，當濃度達到15%時，呈淡藍色，微溶于水，但我通過多次的對比試驗發(fā)現(xiàn)，在不同溫度下活氧在水中的溶解度不同，低溫狀態(tài)下，活氧在水中的溶解度高。為此，我們通過設計運用電子制冷器使水達到一定的低溫，然后將產生的活氧充入到低溫水中，可控制一定的溶氧效果.試驗表明活氧是一種很強的氧化劑，活氧溶于水后，在蔬菜表面能直接氧化分解病原微生物內部氧化葡萄糖所必需的酶,從而破壞微生物的細胞膜將病原微生物殺死。0.80 mg/L的活氧水可殺滅空氣中的芽孢等頑固性病菌?；钛鯕⒕c化學農藥殺菌比較，其優(yōu)勢在于生物體內不存在任何藥物殘留,沒有二次污染.根據(jù)試驗，我們先通過電子制冷器把水溫控制在7-8℃左右，再將活氧產生器產生的O3充入低溫水中，目的是提高活氧水的濃度，達到殺滅病原微生物的效果。（四）利用活氧水噴霧殺菌系統(tǒng)是在蔬菜種植生產中，發(fā)生真菌、細菌、病毒等病害時，利用噴灑泵將一定濃度的活氧水均勻地噴灑到地面或蔬菜的表面，可有效殺滅蔬菜病原微生物. （五）視覺定位系統(tǒng) 蔬菜管理機器人的視覺導航包括三個方面,其一是視覺信息處理, 機器人視覺系統(tǒng)的CCD 攝像機采集外部環(huán)境場景中的圖像, 從中提取導航特征。由于是室外作業(yè), 要求圖像處理算法具有實時性和很強的魯棒性, 能夠適應復雜多變的自然光線條件。其二是根據(jù)視覺信息處理得到的位置和姿態(tài)誤差進行導航規(guī)劃, 并由此產生操向角。由于圖像處理數(shù)據(jù)量很大, 需要較長的計算時間, 因此圖像處理的結果有較大的滯后。另外還有車輛行駛的速度, 車輛相對導航基準的初始姿態(tài)都對操向角有很大的影響。其三是伺服控制系統(tǒng), 需要快速準確的完成操向控制指令, 通過執(zhí)行機構完成轉向, 其間要克服車輛導向輪與地面之間相互作用的影響。本文的機器視覺導航系統(tǒng), 在頂部設有檢測環(huán)境變化的攝像頭，通過對環(huán)境地形的變化，實施對機器人進行指令導航，由于視覺導航的精確度很大部分取決于環(huán)境因素的變化，為保證其導航的精確程度并且配合底部的紅外光纖傳感器對路徑偏差進行校正。（六）果實識別系統(tǒng)視覺上使用的是神經網(wǎng)絡識別系統(tǒng)，由于神經網(wǎng)絡技術具有很強的自適應性、學習性和容錯性,因此被廣泛應用于各個領域。該機器人的視覺識別系統(tǒng),充分利用了神經網(wǎng)絡的以上特點,將其應用于圖像識別中,實現(xiàn)了對圖像命令的識別,其中主要涉及到對真彩色圖像的灰度化處理、二值化處理、字符的提取、校正、歸一化處理。針對圖像傾斜的情況,首先進行邊緣檢測,根據(jù)檢測結果,再用霍夫變換法對圖像進行傾斜度糾正。本系統(tǒng)采用 CCD 圖像定位系統(tǒng)，配置2 個高速 CCD 相機，對蔬菜位置進行精確定位，并將定位坐標傳輸給機械手控制系統(tǒng)進行自動采摘作業(yè)。工作流程： 1：開機 等電腦開機完畢以及機器人開機完畢處于工作狀態(tài)時，若要開始檢測，則機器人向電腦發(fā)出指令（開始捕捉指令） 則處理軟件進入捕捉掃描狀態(tài) 2：當一號相機捕捉到辣椒處于屏幕中心位置時，二號相機判斷辣椒的具體橫向坐標，2個相機都捕捉成功的情況下，系統(tǒng)向機器人發(fā)送辣椒的相對坐標位置，此時機器人馬上停止前進，并驅動機器手臂抓取辣椒。 3：當機器人操作機器手臂抓取辣椒并歸位后，向系統(tǒng)發(fā)送開始捕捉指令，此時系統(tǒng)再次處于捕捉掃描狀態(tài)。通信協(xié)議：電腦串口號：COM1 通信波特率：9600 數(shù)據(jù)位： 8 停止位：1 校驗位：None 流控制：Non （七） 采摘控制系統(tǒng)果實采摘系統(tǒng)是由十二自由度手臂構成，關節(jié)由SM-S8166M舵機組成，主MCU將蔬菜三維坐標的數(shù)據(jù)傳送給采摘系統(tǒng)，經過MCU計算確定果實的位置后，機械手根據(jù)定位系統(tǒng)的傳輸信息，進行升降伸縮完成蔬菜果實的采摘功能， (八)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在蔬菜生產過程中，溫度、濕度、二氧化碳和光照對生物的生長有著十分重要的影響，智能化病原菌防治系統(tǒng)不僅能夠完成殺菌的功能，還能準確測量蔬菜大棚內的各種環(huán)境參數(shù)。我在病原菌防治器上安裝了溫度傳感器用于檢測大棚內溫度；安裝了濕度傳感器用于檢測大棚內空氣濕度和土壤濕度；安裝了光敏傳感器用于記錄作物的光照時間等。通過分析這些數(shù)據(jù)，便于進行科學栽培與管理，提高產量和改善蔬菜的品質。在設計制作中，為了便于直觀的采樣數(shù)據(jù)，我將這些模擬傳感器連接到了模數(shù)轉換器，通過模數(shù)轉換后將數(shù)據(jù)輸出結果讀到單片機中，將傳感器數(shù)據(jù)和標準儀器的讀數(shù)作比較，這樣的數(shù)據(jù)精度高、讀數(shù)準確。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的和思路： 在蔬菜生產中，病原微生物引發(fā)的多種蔬菜病害主要通過化學藥物進行防治，導致蔬菜中化學藥物殘留過高，引發(fā)食物中毒，嚴重危害人們的身體健康，為此，我們研制了一種蔬菜管理機器人。一是機器人利用太陽能光伏板為各個系統(tǒng)的運行提供動力能源，二是機器人進行蔬菜病害的診斷，通過電子制冷系統(tǒng)使活氧在低溫狀態(tài)下溶于水，進行蔬菜病害的防治，不僅代替具有藥物殘留的化學農藥，還能改善蔬菜的品質；三是通過視覺系統(tǒng)進行果實顏色與形狀的識別，確定果實的位置，控制機器人的行進位置和機械手臂的采摘功能，并能自動充電，自動監(jiān)測和調節(jié)環(huán)境溫度、濕度和光照，進行無公害蔬菜的管理。 創(chuàng)新點： 1、蔬菜管理采摘機器人利用太陽能光伏板為機器人各系統(tǒng)的運行提供動力能源。 2、利用低溫溶氧殺菌系統(tǒng)，智能識別病蟲害，并有效殺滅蔬菜病原微生物。 3、機器人通過光纖傳感器根據(jù)設定路線智能行進，通過視覺系統(tǒng)進行果實顏色與形狀的識別，確定果實的位置，控制機器人的行進位置和機械手臂的采摘功能。 4、機器人自動充電，自動調節(jié)和監(jiān)測蔬菜生長的溫度、濕度和光照。 關鍵技術： 蔬菜病害測診系統(tǒng)、低溫溶氧殺菌系統(tǒng)、神經網(wǎng)絡定位識別系統(tǒng)、PID伺服控制系統(tǒng)、太陽能光伏能源系統(tǒng)。
科學性、先進性
- 1、機器人利用光纖傳感器沿軌跡智能行進，機器人通過視覺系統(tǒng)對果實的顏色與形狀進行識別，確定出果實的位置，控制多自由度的機械手進行果實采摘，果實采摘后再根據(jù)設定的方案放到指定的菜筐內。 2、機器人利用低溫溶氧生成系統(tǒng)，在發(fā)生真菌、細菌、病毒等病害時，利用噴灑泵將一定濃度的活氧水均勻地噴灑到地面或蔬菜的表面，可有效殺滅蔬菜病原微生物。與化學農藥相比在生物體內不存在任何藥物殘留,沒有二次污染，有著巨大優(yōu)勢。 3、機器人通過無線視頻傳輸系統(tǒng)，利用溫度傳感器、PH值傳感器等蔬菜生長環(huán)境多項指標的隨機抽樣檢測結果傳輸?shù)绞卟说墓芾碇行摹? 4、通過太陽能光伏板將電能儲存在微型高能電池，為機器人各系統(tǒng)的運行提供電力能量，節(jié)能環(huán)保，保障系統(tǒng)長期運作的功能。
獲獎情況及鑒定結果
- 在第12屆國際蔬菜科技博覽會上進行展示，有30多家全國省市新聞媒體進行了報道，其中： 1.2011年3月23日新浪網(wǎng)報道《“機器人菜農”將亮相壽光國際蔬菜博覽會》 2.2011年4月20日中國中央電視臺CCTV在關于《第12屆中國（壽光）國際博覽會開幕式》的報道中著重強調了位于7號展廳的智能蔬菜栽培管理機器人，并認為其代表了本次菜博會的科技水平進一步提高。 3.2011年4月25日濰坊日報在專訪《“機器人菜農”受追捧》中，對蔬菜管理采摘機器人進行了大篇幅的報道。 4.2011年5月4日中國移動通信網(wǎng)報道《第十二屆中國壽光菜博會律動“科技芯”》。
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 聯(lián)系有關廠家提供配件支持，為壽光科技蔬菜博覽園再制作一批機器人，進行實地采摘。
作品可展示的形式
- 實物、產品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 隨著現(xiàn)代農業(yè)的訊速發(fā)展，高科技的應用越來越受到重視。蔬菜種植具有勞動強度大，管理過程中易受農藥侵害的特點。因此，模仿人們在蔬菜種植管理的主要動作和功能，設計制作了一種應用于蔬菜管理機器人。 我們以采摘辣椒為例，機器人先智能行進到蔬菜旁邊，采用視頻從左到右，從下到上查找辣椒，進行辣椒大小，色彩，空間位置等方面的識別。將辣椒的空間位置數(shù)據(jù)傳輸給機械臂。下機械手用兩個手指握住辣椒，上機械手采用智能剪刀剪斷辣椒梗。機械手運動位置，視頻識別辣椒梗是否剪斷，剪斷后右機械手再將辣椒放入指定的籃筐中。 機器人整合了國際上比較先進的低溫溶氧殺菌技術，在智能識別病蟲害的同時，將活氧溶于水噴灑在地面或蔬菜的表面，可有效殺滅蔬菜病原微生物，并且綠色無污染，與傳統(tǒng)的化學農藥相比具有很大的優(yōu)勢。 通過試驗，機器人在蔬菜采摘過程中實現(xiàn)智能化、人性化，利用微電子技術、圖像識別技術、機器人技術下是能實現(xiàn)的。是未來現(xiàn)代農業(yè)技術的發(fā)展方向，具有很大的研究推廣價值。
同類課題研究水平概述
- 經過山東省科技信息檢索中心的技術查新，利用智能系統(tǒng)進行蔬菜管理與采摘的試驗，在國、內外尚無研究與報道。 查新結果見山東省科技查新咨詢單位的查新報告。 隨著現(xiàn)代農業(yè)的訊速發(fā)展，高科技的應用越來越受到重視。據(jù)調查，機器人在工業(yè)領域已有著廣泛的前景，但在農業(yè)方面的研究與應用極少。目前統(tǒng)計結果表明：日本、美國、韓國等國家對采摘機器人進行了較長時間的研究，但他們研究的機器人由于投資成本高，實用性較低。在我國對于蔬菜采摘機器人的研究，由于蔬菜采摘的復雜性，現(xiàn)在還沒有發(fā)現(xiàn)真正研究成功的蔬菜采摘機器人。 我們根據(jù)農民在蔬菜栽培管理中，具有勞動強度大，工作環(huán)境惡劣，易受農藥侵害等特點。因此，我們模仿人們在蔬菜種植管理的主要動作和功能，設計制作了一種應用于蔬菜管理與采摘的智能機器人。 它的主要創(chuàng)新點： 1、蔬菜管理機器人利用太陽能光伏板為機器人各個系統(tǒng)的運行提供動力能源， 2、機器人通過光纖傳感器根據(jù)設定路線智能行進。 3、機器人利用低溫溶氧殺菌系統(tǒng)這一國際上比較先進的技術，科學診治病蟲害，有效提高農作物產量，與傳統(tǒng)化學農藥相比，綠色無污染，優(yōu)勢明顯。 4、通過視覺系統(tǒng)進行果實顏色與形狀的識別，確定果實的位置，控制機器人的行進位置和機械手臂的采摘功能。 5、蔬菜管理機器人能自動充電，自動調節(jié)和監(jiān)測蔬菜生長的溫度、濕度和光照，進行無公害蔬菜的管理采摘。 6、蔬菜管理機器人設計合理，實用性強。 附：山東省科技查新咨詢單位的查新報告
