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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 蔬菜管理機(jī)器人
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 蔬菜管理機(jī)器人利用太陽能光伏板為機(jī)器人各個系統(tǒng)的運(yùn)行提供動力能源，通過光纖傳感器根據(jù)設(shè)定路線智能行進(jìn)，先進(jìn)的低溫溶氧殺菌系統(tǒng)能夠科學(xué)診治病蟲害，有效殺滅病原微生物。機(jī)器人通過視覺系統(tǒng)進(jìn)行果實(shí)顏色與形狀的識別，確定果實(shí)的位置，控制行進(jìn)位置和機(jī)械手臂的采摘功能，并能完成自動充電，自動調(diào)節(jié)和監(jiān)測蔬菜生長的溫度、濕度和光照，進(jìn)行無公害蔬菜的管理采摘。
- 詳細(xì)介紹：
- 蔬菜管理機(jī)器人的主要研制內(nèi)容：蔬菜管理機(jī)器人由生態(tài)能源供應(yīng)系統(tǒng)、MCU核心控制系統(tǒng)、視覺定位系統(tǒng)、光纖導(dǎo)航系統(tǒng)、果實(shí)識別系統(tǒng)、采摘控制系統(tǒng)等組成。（一）能源供應(yīng)系統(tǒng)能源是蔬菜管理機(jī)器人的動力來源，該系統(tǒng)的智能導(dǎo)航行進(jìn)系統(tǒng)和果實(shí)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(xiàng)功能的運(yùn)行需要大量的能源。我們選用太陽能光伏板對機(jī)器人提供和儲存能源，節(jié)能環(huán)保障機(jī)器人運(yùn)行提供充足的動力。 機(jī)器人的能源系統(tǒng)是太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，通過高能電池存儲能量，當(dāng)機(jī)器人電量不足時，導(dǎo)航運(yùn)行系統(tǒng)控制機(jī)器人進(jìn)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(jī)器人可繼續(xù)執(zhí)行上次未完成的任務(wù)。試驗(yàn)表明：按當(dāng)?shù)厥卟朔N植大棚面積80×10平方米計算，蔬菜管理機(jī)器人完成一次軌跡行進(jìn)和成熟果實(shí)的采摘，需要的能源達(dá)8.3千瓦。（二）MCU核心控制系統(tǒng) 蔬菜管理機(jī)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(jī)器人的控制系統(tǒng)時，由于機(jī)器人主要在管理過程中完成多項(xiàng)功能的運(yùn)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(fù)位方式。該單片及功能強(qiáng)大，擴(kuò)展能力豐富，通過其他邏輯芯片的擴(kuò)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(kuò)展槽。該單片機(jī)內(nèi)部集成了存儲器，不用擴(kuò)展存儲器，我們可以寫入機(jī)器人程序；64k flash存儲器，存儲容量較大，適宜于我們根據(jù)機(jī)器人的不同任務(wù)更換不同的執(zhí)行程序。該機(jī)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(yīng)用MOTOROLA軟件，它可通過編寫C語言程序來開發(fā)高層應(yīng)用軟件。（三）蔬菜管理機(jī)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(shí)驗(yàn)表明，以空氣為原料，在變頻高壓狀態(tài)下產(chǎn)生的活氧，常溫常壓下為無色氣體，當(dāng)濃度達(dá)到15%時，呈淡藍(lán)色，微溶于水，但我通過多次的對比試驗(yàn)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(shè)計運(yùn)用電子制冷器使水達(dá)到一定的低溫，然后將產(chǎn)生的活氧充入到低溫水中，可控制一定的溶氧效果.試驗(yàn)表明活氧是一種很強(qiáng)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(nèi)部氧化葡萄糖所必需的酶,從而破壞微生物的細(xì)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。活氧殺菌與化學(xué)農(nóng)藥殺菌比較，其優(yōu)勢在于生物體內(nèi)不存在任何藥物殘留,沒有二次污染.根據(jù)試驗(yàn)，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(chǎn)生器產(chǎn)生的O3充入低溫水中，目的是提高活氧水的濃度，達(dá)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(chǎn)中，發(fā)生真菌、細(xì)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(jī)器人的視覺導(dǎo)航包括三個方面,其一是視覺信息處理, 機(jī)器人視覺系統(tǒng)的CCD 攝像機(jī)采集外部環(huán)境場景中的圖像, 從中提取導(dǎo)航特征。由于是室外作業(yè), 要求圖像處理算法具有實(shí)時性和很強(qiáng)的魯棒性, 能夠適應(yīng)復(fù)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(jìn)行導(dǎo)航規(guī)劃, 并由此產(chǎn)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(jié)果有較大的滯后。另外還有車輛行駛的速度, 車輛相對導(dǎo)航基準(zhǔn)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(zhǔn)確的完成操向控制指令, 通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成轉(zhuǎn)向, 其間要克服車輛導(dǎo)向輪與地面之間相互作用的影響。本文的機(jī)器視覺導(dǎo)航系統(tǒng), 在頂部設(shè)有檢測環(huán)境變化的攝像頭，通過對環(huán)境地形的變化，實(shí)施對機(jī)器人進(jìn)行指令導(dǎo)航，由于視覺導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)行校正。（六）果實(shí)識別系統(tǒng)視覺上使用的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別系統(tǒng)，由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性、學(xué)習(xí)性和容錯性,因此被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。該機(jī)器人的視覺識別系統(tǒng),充分利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的以上特點(diǎn),將其應(yīng)用于圖像識別中,實(shí)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(jìn)行邊緣檢測,根據(jù)檢測結(jié)果,再用霍夫變換法對圖像進(jìn)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(jī)，對蔬菜位置進(jìn)行精確定位，并將定位坐標(biāo)傳輸給機(jī)械手控制系統(tǒng)進(jìn)行自動采摘作業(yè)。工作流程： 1：開機(jī) 等電腦開機(jī)完畢以及機(jī)器人開機(jī)完畢處于工作狀態(tài)時，若要開始檢測，則機(jī)器人向電腦發(fā)出指令（開始捕捉指令） 則處理軟件進(jìn)入捕捉掃描狀態(tài) 2：當(dāng)一號相機(jī)捕捉到辣椒處于屏幕中心位置時，二號相機(jī)判斷辣椒的具體橫向坐標(biāo)，2個相機(jī)都捕捉成功的情況下，系統(tǒng)向機(jī)器人發(fā)送辣椒的相對坐標(biāo)位置，此時機(jī)器人馬上停止前進(jìn)，并驅(qū)動機(jī)器手臂抓取辣椒。 3：當(dāng)機(jī)器人操作機(jī)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(yàn)位：None 流控制：Non （七） 采摘控制系統(tǒng)果實(shí)采摘系統(tǒng)是由十二自由度手臂構(gòu)成，關(guān)節(jié)由SM-S8166M舵機(jī)組成，主MCU將蔬菜三維坐標(biāo)的數(shù)據(jù)傳送給采摘系統(tǒng)，經(jīng)過MCU計算確定果實(shí)的位置后，機(jī)械手根據(jù)定位系統(tǒng)的傳輸信息，進(jìn)行升降伸縮完成蔬菜果實(shí)的采摘功能， (八)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在蔬菜生產(chǎn)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(zhǔn)確測量蔬菜大棚內(nèi)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(nèi)溫度；安裝了濕度傳感器用于檢測大棚內(nèi)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(jìn)行科學(xué)栽培與管理，提高產(chǎn)量和改善蔬菜的品質(zhì)。在設(shè)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(zhuǎn)換器，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)據(jù)輸出結(jié)果讀到單片機(jī)中，將傳感器數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)儀器的讀數(shù)作比較，這樣的數(shù)據(jù)精度高、讀數(shù)準(zhǔn)確。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的和思路： 在蔬菜生產(chǎn)中，病原微生物引發(fā)的多種蔬菜病害主要通過化學(xué)藥物進(jìn)行防治，導(dǎo)致蔬菜中化學(xué)藥物殘留過高，引發(fā)食物中毒，嚴(yán)重危害人們的身體健康，為此，我們研制了一種蔬菜管理機(jī)器人。一是機(jī)器人利用太陽能光伏板為各個系統(tǒng)的運(yùn)行提供動力能源，二是機(jī)器人進(jìn)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(jìn)行蔬菜病害的防治，不僅代替具有藥物殘留的化學(xué)農(nóng)藥，還能改善蔬菜的品質(zhì)；三是通過視覺系統(tǒng)進(jìn)行果實(shí)顏色與形狀的識別，確定果實(shí)的位置，控制機(jī)器人的行進(jìn)位置和機(jī)械手臂的采摘功能，并能自動充電，自動監(jiān)測和調(diào)節(jié)環(huán)境溫度、濕度和光照，進(jìn)行無公害蔬菜的管理。 創(chuàng)新點(diǎn)： 1、蔬菜管理采摘機(jī)器人利用太陽能光伏板為機(jī)器人各系統(tǒng)的運(yùn)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(jī)器人通過光纖傳感器根據(jù)設(shè)定路線智能行進(jìn)，通過視覺系統(tǒng)進(jìn)行果實(shí)顏色與形狀的識別，確定果實(shí)的位置，控制機(jī)器人的行進(jìn)位置和機(jī)械手臂的采摘功能。 4、機(jī)器人自動充電，自動調(diào)節(jié)和監(jiān)測蔬菜生長的溫度、濕度和光照。 關(guān)鍵技術(shù)： 蔬菜病害測診系統(tǒng)、低溫溶氧殺菌系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(xué)性、先進(jìn)性
- 1、機(jī)器人利用光纖傳感器沿軌跡智能行進(jìn)，機(jī)器人通過視覺系統(tǒng)對果實(shí)的顏色與形狀進(jìn)行識別，確定出果實(shí)的位置，控制多自由度的機(jī)械手進(jìn)行果實(shí)采摘，果實(shí)采摘后再根據(jù)設(shè)定的方案放到指定的菜筐內(nèi)。 2、機(jī)器人利用低溫溶氧生成系統(tǒng)，在發(fā)生真菌、細(xì)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(xué)農(nóng)藥相比在生物體內(nèi)不存在任何藥物殘留,沒有二次污染，有著巨大優(yōu)勢。 3、機(jī)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(xiàng)指標(biāo)的隨機(jī)抽樣檢測結(jié)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(jī)器人各系統(tǒng)的運(yùn)行提供電力能量，節(jié)能環(huán)保，保障系統(tǒng)長期運(yùn)作的功能。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 在第12屆國際蔬菜科技博覽會上進(jìn)行展示，有30多家全國省市新聞媒體進(jìn)行了報道，其中： 1.2011年3月23日新浪網(wǎng)報道《“機(jī)器人菜農(nóng)”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(guān)于《第12屆中國（壽光）國際博覽會開幕式》的報道中著重強(qiáng)調(diào)了位于7號展廳的智能蔬菜栽培管理機(jī)器人，并認(rèn)為其代表了本次菜博會的科技水平進(jìn)一步提高。 3.2011年4月25日濰坊日報在專訪《“機(jī)器人菜農(nóng)”受追捧》中，對蔬菜管理采摘機(jī)器人進(jìn)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(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 聯(lián)系有關(guān)廠家提供配件支持，為壽光科技蔬菜博覽園再制作一批機(jī)器人，進(jìn)行實(shí)地采摘。
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的訊速發(fā)展，高科技的應(yīng)用越來越受到重視。蔬菜種植具有勞動強(qiáng)度大，管理過程中易受農(nóng)藥侵害的特點(diǎn)。因此，模仿人們在蔬菜種植管理的主要動作和功能，設(shè)計制作了一種應(yīng)用于蔬菜管理機(jī)器人。 我們以采摘辣椒為例，機(jī)器人先智能行進(jìn)到蔬菜旁邊，采用視頻從左到右，從下到上查找辣椒，進(jìn)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(jī)械臂。下機(jī)械手用兩個手指握住辣椒，上機(jī)械手采用智能剪刀剪斷辣椒梗。機(jī)械手運(yùn)動位置，視頻識別辣椒梗是否剪斷，剪斷后右機(jī)械手再將辣椒放入指定的籃筐中。 機(jī)器人整合了國際上比較先進(jìn)的低溫溶氧殺菌技術(shù)，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(xué)農(nóng)藥相比具有很大的優(yōu)勢。 通過試驗(yàn)，機(jī)器人在蔬菜采摘過程中實(shí)現(xiàn)智能化、人性化，利用微電子技術(shù)、圖像識別技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)下是能實(shí)現(xiàn)的。是未來現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)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(jīng)過山東省科技信息檢索中心的技術(shù)查新，利用智能系統(tǒng)進(jìn)行蔬菜管理與采摘的試驗(yàn)，在國、內(nèi)外尚無研究與報道。 查新結(jié)果見山東省科技查新咨詢單位的查新報告。 隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的訊速發(fā)展，高科技的應(yīng)用越來越受到重視。據(jù)調(diào)查，機(jī)器人在工業(yè)領(lǐng)域已有著廣泛的前景，但在農(nóng)業(yè)方面的研究與應(yīng)用極少。目前統(tǒng)計結(jié)果表明：日本、美國、韓國等國家對采摘機(jī)器人進(jìn)行了較長時間的研究，但他們研究的機(jī)器人由于投資成本高，實(shí)用性較低。在我國對于蔬菜采摘機(jī)器人的研究，由于蔬菜采摘的復(fù)雜性，現(xiàn)在還沒有發(fā)現(xiàn)真正研究成功的蔬菜采摘機(jī)器人。 我們根據(jù)農(nóng)民在蔬菜栽培管理中，具有勞動強(qiáng)度大，工作環(huán)境惡劣，易受農(nóng)藥侵害等特點(diǎn)。因此，我們模仿人們在蔬菜種植管理的主要動作和功能，設(shè)計制作了一種應(yīng)用于蔬菜管理與采摘的智能機(jī)器人。 它的主要創(chuàng)新點(diǎn)： 1、蔬菜管理機(jī)器人利用太陽能光伏板為機(jī)器人各個系統(tǒng)的運(yùn)行提供動力能源， 2、機(jī)器人通過光纖傳感器根據(jù)設(shè)定路線智能行進(jìn)。 3、機(jī)器人利用低溫溶氧殺菌系統(tǒng)這一國際上比較先進(jìn)的技術(shù)，科學(xué)診治病蟲害，有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量，與傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥相比，綠色無污染，優(yōu)勢明顯。 4、通過視覺系統(tǒng)進(jìn)行果實(shí)顏色與形狀的識別，確定果實(shí)的位置，控制機(jī)器人的行進(jìn)位置和機(jī)械手臂的采摘功能。 5、蔬菜管理機(jī)器人能自動充電，自動調(diào)節(jié)和監(jiān)測蔬菜生長的溫度、濕度和光照，進(jìn)行無公害蔬菜的管理采摘。 6、蔬菜管理機(jī)器人設(shè)計合理，實(shí)用性強(qiáng)。 附：山東省科技查新咨詢單位的查新報告
