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多功能自主农业机器人研制

作　者: 王宝梁
导　师: 薛金林
学　校: 南京农业大学
专　业: 车辆工程
关键词: 农业机器人多功能开放式结构机器视觉自主导航
分类号: S126
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

20世纪90年代中期,我国开始了农业机器人技术的研发,至今为止成果显著,但是由于农业环境的特殊性以及技术的局限性,目前农业机器人很难普及应用于农业生产实践中,即使在发达国家也无法实现真正有效的普及使用,一方面是因为很多关键技术有待于进一步完善和创新,另一方面是由于季节性导致的农业机器人效率低以及维护成本高等问题。随着我国人口老龄化趋势的逐步加剧,从事农业劳动的人口数量将越来越少,劳动力的成本越来越高,实现农业机器人的普及实用性问题日益重要,而解决上述这些问题的有效途径之一是研制出一种能够适用于农业作业的多功能用途农业机器人。因此研究具有通用性、适用性强、可扩展和低成本的多功能用途的农业机器人对于农业机器人走向实用普及具有重要意义。本文应用开放式思想研制一种适用于田间作业的多功能用途农业机器人,通过机器视觉引导农业机器人自主行走,并针对具有行种植特征叶菜类蔬菜进行喷洒(杀虫剂和除草剂)和机械除草作业。本文主要基于以下两点进行多功能自主农业机器人研制工作：(1)根据机器人的作业环境和作业任务；(2)基于开放式系统结构思想。本文具体工作内容包括：1.多功能自主农业机器人总体方案设计。主要对机器人机械执行结构、控制系统、导航系统和执行装置等进行合理的考虑和布局,确定农业机器人驱动方案、导航方式和系统控制方式等,确定多功能自主农业机器人技术参数。2.作业工具和执行装置设计。主要针对作物进行喷洒和机械除草等作业任务,应用开放式结构思想进行作业工具和执行装置的设计工作,实现作业工具易于更换等特点,满足不同作业要求。应用AutoCAD和Pro/e软件建立了作业工具和执行装置模型。3.控制系统开发。详细介绍了控制系统中软、硬件系统,基于控制系统的开放性特点对下位机进行了选择,并对本文所选用的下位机BasicATOM Pro40m微控制器进行了详细介绍。最后对农业机器人自主行走和作业控制流程进行了设计,同时针对直流电机驱动出现的问题,设计了耦合电路等。4.机器视觉系统。主要研究机器视觉导航和识别技术,本文选用机器视觉作为引导农业机器人行走以及作物和杂草识别；分别使用Hough变换和垂直投影法进行图像处理,获取作物行中心线,并对两种方法进行分析比较,最终确定选用方案；通过形态学特征识别杂草和作物。本文使用MATLAB(2012a)软件进行图像处理。5.试验及结果分析。主要进行农业机器人自主行走能力和喷洒作业试验,分别进行模拟试验和田间试验。试验前分别对相机和农业机器人进行了标定,对标定数据进行了分析整合。最后对试验结果进行了分析并提出改进意见。试验结果表明自主农业机器人基本上能实现预期的功能。农业机器人起始速度为0.2m/s时,模拟和田间自主行走试验平均偏差分别为18.8mm和38.5mm,喷洒作业功能能够很好的实现。最后对试验结果进行分析总结,提出进一步的改进和优化建议。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-10
第一章绪论  10-19
  1.1 课题研究背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-16
    1.2.1 国外研究概况  11-14
    1.2.2 国内研究概况  14-16
  1.3 主要研究内容  16-18
  1.4 本章总结  18-19
第二章机器人总体方案及结构设计  19-29
  2.1 多功能农业机器人的系统要求  19-20
  2.2 开放式结构思想  20-22
  2.3 多功能农业机器人总体方案设计  22-28
    2.3.1 多功能农业机器人机械本体  22-24
    2.3.2 控制系统方案设计  24-25
    2.3.3 农业机器人总体方案及技术参数  25-28
  2.4 本章小结  28-29
第三章作业工具和执行装置设计  29-40
  3.1 机械除草工具  29-30
  3.2 喷洒作业工具  30-31
  3.3 作业工具运动装置  31-39
  3.4 本章小结  39-40
第四章控制系统开发  40-59
  4.1 上位机硬件系统介绍  40
  4.2 下位机硬件系统介绍  40-52
    4.2.1 微控制器模块  40-43
      4.2.1.1 微控制器的选择  41-42
      4.2.1.2 BasicATOM Pro 40m微控制器的特点  42
      4.2.1.3 BasicATOM Pro 40m微控制器简介  42-43
    4.2.2 电机驱动模块  43-51
      4.2.2.1 直流减速电机驱动模块  43-48
      4.2.2.2 直线步进电机驱动模块  48-51
    4.2.3 电源模块  51-52
  4.3 控制系统软件设计  52-58
  4.4 本章小结  58-59
第五章机器视觉系统  59-68
  5.1 单目机器视觉导航  59-65
    5.1.1 导航技术方案的选择  59-60
    5.1.2 机器视觉导航  60-65
  5.2 机器视觉识别技术研究  65-67
  5.3 本章小结  67-68
第六章试验及结果分析  68-86
  6.1 自主行走试验  68-78
    6.1.1 标定  68-73
      6.1.1.1 相机标定  68-71
      6.1.1.2 农业机器人标定  71-73
    6.1.2 自主行走试验  73-78
      6.1.2.1 模拟试验  73-75
      6.1.2.2 模拟试验结果分析  75-76
      6.1.2.3 田间试验  76-78
      6.1.2.4 田间试验结果分析  78
  6.2 自主作业试验  78-85
    6.2.1 相机标定  78-80
    6.2.2 模拟试验过程及结果分析  80-83
    6.2.3 田间作业试验过程及结果分析  83-85
  6.3 本章小结  85-86
第七章结论与展望  86-88
  7.1 研究结论  86
  7.2 展望与建议  86-88
参考文献  88-94
致谢  94-96
硕士研究生期间发表的论文  96

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