一体化的AI精准节水灌溉机器人

一体化的ai精准节水灌溉机器人
技术领域
1.本实用型涉及智能化灌溉测技术领域，特别是一体化的ai精准节水灌溉机器人。


背景技术：

2.我国是水资源紧缺国，多年人均水资源仅为世界人均占有量的28％，仅世界人均占有量的1/4，同时我国是农业大国，农业用水量比重大，农业灌溉用水占总用水量的61.3％。而水稻灌溉用水约占农业灌用水量的70％，水稻的灌溉主要采用大水漫灌形式，常规灌溉对水资源的浪费巨大。随着人口增长、城镇和工业的发展，全球气候变化等因素，用于作物灌溉的水资源愈来愈匮乏，严重威胁作物特别是水稻生产的发展。如何在增加水稻产量的同时减少宝贵水资源的使用，这是农业面临的一个巨大挑战。另外稻田是我国农业面源污染的重要来源，在稻田耕作中，为保证作物需水量，用于田间灌溉的水量较大，易增加地表径流，引起面源污染。如何在节水的同时减少氮磷污染，这是农业面临的另一个巨大挑战。国内外研究结果表明，水稻具有一定的水旱两栖性，有很大的节水潜力。现有的灌溉技术和稻田灌溉设备存在水资源利用率不高、氮肥利用率不高、自动化程度低，人力成本高、缺乏精准的墒情诊断和灌水指标、缺乏精准水量与产量的耦合指标、缺乏有效减少面源氮磷污染等六大问题与痛点。
3.因此，现设计一种一体化的ai精准节水灌溉机器人，耦合ai技术、水稻灌溉技术、机械电子技术及土壤学相关知识，充分利用各学科优势，实现智能灌溉，有效解决上述痛点。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种一体化的ai精准节水灌溉机器人，能耦合ai技术、水稻灌溉技术、土壤学相关知识等相关技术，对灌溉区土壤指标、气象指标、作物指标等多种指标进行检测，并能根据监测指标进行智能决策，实现智能灌溉。
5.本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：
6.一体化的ai精准节水灌溉机器人：
7.包括行走机构和设置于行走机构上的机器人本体；
8.所述机器人本体上配置有中央控制系统，信息采集模块，以及用于检测作物生长情况的检测模块；
9.所述信息采集模块、检测模块分别与中央控制系统电性连接；
10.所述中央控制系统与排水模块、灌溉模块、移动终端分别无线连接。
11.进一步地，所述的检测模块包括检测仪，检测仪通过机械臂夹持在机器人本体上。
12.进一步地，所述的机械臂包括依次连接的后臂、中臂、前臂、机械手，机器人本体躯干为圆柱形壳体、圆柱形壳体内部形成内腔，后臂通过升降柱设置在升降气缸升缩端的顶部，升降气缸设置在内腔底部，机器人本体躯干左右两侧均开设有可供机械臂伸出的侧开口；
13.所述升降柱与后臂之间，后臂与中臂之间，中臂与前臂之间分别通过一舵机连接。
14.进一步地，所述的升降气缸外部还安装有气缸套筒，升降柱与气缸套筒相互配合。
15.进一步地，所述的行走机构包括两个前轮轮，两个后轮；
16.所述两个前轮设置在底盘底部前侧并分别连接有直行电机，两个后轮分别安装在底盘底部后侧并分别连接有转向电机。
17.进一步地，所述的灌溉模块包括自动阀门；
18.所述自动阀门设置在主道渠与每级稻田之间，主道渠设置在稻田右侧，每级稻田均设有一水池，水池内设置有水位传感器；
19.所述水位传感器、自动阀门均与中央控制系统无线连接。
20.进一步地，所述的排水模块包括排水阀门，排水阀门设置在排水沟与每级稻田之间，排水沟设置在稻田左侧，排水阀门与中央控制系统无线连接。
21.本实用新型具有以下优点：(1)采用具有ai神经网络的机器人，结合排水模块、灌溉模块，以及信息采集模块等，实现ai技术、水稻灌溉技术、土壤学相关知识等技术耦合，进而使机器人对灌溉区土壤指标、气象指标、作物指标等多种指标进行检测，并根据监测指标进行智能决策，实现智能灌溉的目的；
22.(2)通过互联网可远程利用移动终端实时监控水位传感器所检测的水位，和自动阀门或排水阀门的流量，实时掌控阀门开关状态以及施肥参数等灌溉系统的综合运行情况，实现灌溉、施肥全智能化管理。
附图说明
23.图1为本实用新型ai精准节水灌溉机器人示意图；
24.图2为本实用新型系统示意图；
25.图3为本实用新型ai精准节水灌溉机器人去前侧壳体后的示意图；
26.图4为本实用新型的排水沟、主渠道示意图；
27.图中：1-中央控制系统，2-信息采集模块，3-排水模块，4-灌溉模块，7-视觉模块，9-检测模块，10-移动终端，11-人机交互模块，201-气象信息采集模块，202-水位信息采集模块，203-土壤信息采集模块，401-自动阀门，402-水池，403-主渠道，301-排水沟，302-排水阀门，601-摄像机，603-测开口，604-电池模块，605-底盘，1001-升降气缸，1002-升降柱，1003-气缸套筒，1004-后臂，1005-舵机，1006-中臂，1007-前臂，1101-显示屏。
具体实施方式
28.下面结合附图对本实用新型做进一步的描述，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。
29.如图1至图4所示，一体化的ai精准节水灌溉机器人，包括行走机构和设置于行走机构上的机器人本体，该机器人本体上配置有中央控制系统1，信息采集模块2，以及用于检测作物生长情况的检测模块9；信息采集模块2、检测模块9分别与中央控制系统1电性连接；同时，中央控制系统1与排水模块3、灌溉模块4、移动终端10还分别无线连接；其中排水模块3包括设置在稻田内的多个排水阀门302，灌溉模块4包括设置在稻田内的多个自动阀门401。
30.同时，检测模块9包括检测仪901，检测仪901通过机械臂设置于机器人本体躯干上用于检测作物生长情况，信息采集模块2包括气象信息采集模块201、水位信息采集模块202、土壤信息采集模块203，其中，气象信息采集模块201主要作用为记录植物的生长环境状态，具体的可选用shq-2型综合数字气象仪，安装于稻田监测区的空地处，用于采集空气温度、空气湿度、风速、风向、气压和雨量等信息，并将信息传输给中央控制系统1；水位信息采集模块202，可选用水位监测仪进行监测，安装于各个稻田监测稻田内及田间的沟渠中，用于采集田面水深度、沟渠水位、地下水位等信息，并将信息传输给中央控制系统1；土壤墒情采集模块203，可选用土壤温湿度传感器进行信息采集，安装于用于各个稻田监测区间内，用于采集土壤温度、土壤湿度等信息，并将信息传输给中央控制系统1。从而，中央控制系统1结合排水模块3、灌溉模块4、检测模块9以及信息采集模块2等形成整体系统，可通过使用现代信息采集及传输技术，对灌区内的土壤指标、气象指标、作物指标等多种指标进行监测，并根据监测指标，进行灌溉智能决策或辅助决策，对灌溉过程进行控制，以保证灌溉的适时、适量。
31.本方案中，检测仪901为植物冠层分析仪，可检测叶面积指数，冠层氮素含量等多种植物生长指标，中央控制系统1控制检测仪901进行植物冠层检测，然后检测仪901将检测的植物生长信息传回给中央控制系统1。
32.本方案中，中央控制系统1含有ai神经网络，信息采集模块2采集的数据和检测模块9所得数据可输入中央控制系统1内的ai神经网络，从而ai神经网络可无限采集稻田数据，构成强大的数据支撑和实时诊断报告，并在不同时期，依据诊断报告来调节控制阀门实现智能灌溉；例如，需要灌溉时，ai神经网络分析输入的信号后得出诊断报告再输出信号，该信号将信息传递给中央控制系统1的控制模块，控制模块依据诊断报告发送控制信号给进水或排水阀门，缺水时，打开或调节进水阀门来实现智能灌溉；而雨水量过多时，控制模块则依据诊断报告打开排水阀进行排水。
33.本方案中，机器人本体头部还设有视觉模块7，视觉模块7与中央控制系统1电性连接，视觉模块7包括设置在机器人本体头部的两个摄像机601，摄像机601采集现场图像信息并将现场图像信息传递给中央控制系统1，中央控制系统1将图像信息远程传送给移动终端10，从而能便于移动终端10远程观察图像信息。
34.同时，除利用移动终端查看作物生长以及控制信号发送外，还可以通过机器人头部的人机交互模块11进行控制信号的输入，人机交互模块11包括显示屏1101和输入按键，从而可在现场使用ai精准节水灌溉机器人开启植物生长状态的检测或直接进行智能灌溉。
35.本方案中，灌溉的稻田为多级稻田，稻田右侧设有主渠道403、左侧设有排水沟301，每级稻田左侧均设有一排水出口与排水沟301连通，排水出口处设有排水阀门302，中央控制系统1远程控制排水阀门302的开关，以及排水出口的流量大小；每级稻田右侧还设有一个水池402，水位传感器设置在水池402内用于测量稻田内的水位信息，并将水位信息传递给中央控制系统1；主道渠403与每级稻田之间还设有一个自动阀门401，当水位信息低于所需值时，中央控制系统1控制自动阀门401打开，进行灌溉，当水位传感器感应到水位上升至设定高度时，自动阀门401立即关闭。
36.本方案中，水位传感器、主渠道403和自动阀门401形成一个灌溉系统，水位传感器、排水沟301、排水阀门302形成的排水系统；按照作物的生长要求和稻田水分状况对稻田
排水水位实行有效管理，结合排水系统，控制降雨期间和雨后格田向排水沟排水的时间，推迟降雨期间格田的排水时间，增加田面水深，便可减轻由于雨滴击溅引起的水流絮动。
37.本方案中，行走机构包括两个前轮轮，两个后轮，两个前轮设置在底盘605底部前侧并分别连接有直行电机，两个后轮分别安装在底盘605底部后侧并分别连接有转向电机，直行电机可驱动机器人本体前后移动，转向电机驱动机器人本体进行转向，直行电机、转向电机分别与中央控制系统电性连接。
38.本方案中，机器人本体躯干为圆柱形壳体，圆柱形壳体内部形成内腔，检测模块9设置于机器人本体躯干上用于检测作物生长情况，检测模块9包括检测仪901和机械臂；机械臂包括依次连接的后臂1004、中臂1006、前臂1007、机械手，检测仪901被夹持在机械手处，后臂1004安装在升降气缸1001顶端的升降柱1002上，升降气缸1001安装在机器人本体的内腔底部，机器人本体的圆柱形壳体左右侧各开设有侧开口603，机械臂可从侧开口603伸出圆柱形壳体活动，同时，升降柱1002与后臂之间，后臂1004与中臂1006之间，中臂1006与前臂1007之间分别通过一舵机1005连接，其中，后臂1004与升降柱1002之间的舵机1005可驱动后臂1004沿升降柱1002轴向转动，后臂1004与中臂1006之间，和中臂1006与前臂1007之间的舵机1005可驱动中臂1006、前臂1007进行弯曲，再结合升降气缸1001的升降功能，便可用于检测仪901测量不同高度作物，以及不同生长角度作物的生长信息。
39.为了提高升降气缸1001和机械臂间的稳定性，升降气缸1001外部还安装有气缸套筒1003，升降柱1002与气缸套筒1003相互配合滑动。
40.本方案中，底盘605上方机器人本体躯干下方还设有电池模块604，电池模块604为机器人整体提供电能。
41.本方案中，中央控制系统1还包括储存模块，移动终端10可将施肥参数等信息录入储存模块储存，同时，中央控制系统1也可自动将灌溉次数录入储存模块中储存。
42.本方案中，机器人本体还配置有测距模块，测距模块包括设置在机器人本体躯干上的激光雷达图中未画出，激光雷达设定角度发射多束探测激光束，并根据探测激光束的反射信号确定障碍物，以及障碍物的特征信息，激光雷达采用rplidara1，通过激光雷达与中央控制系统1的ai神经网络也可形成强大的雷达数据，确定机器人的位置，与周边环境，再通过ai神经网络判断当时环境，形成ai导航算法，算法能准确规划路线，达到自动巡田、定点采集、自动避障、自动返航等复合型功能的目的。
43.本方案中，机器人对灌区内多种指标进行监测与通控，还可通过在沟渠设置水位检测装置，实时录入降雨信息等措施，耦合田间水位、沟渠水位、土壤湿度及降雨信息，实现田间水位调节，以及推迟降雨期间格田的排水时间，达到面源氮磷污染流失最小化，实现稻田面源污染输出的控制，实现远程掌控阀门及参数，可实现节水65％、增产58％，提品15％，总磷、总氮降低80.7％、65.6％四大功能耦合，实现水稻农业生产节水、优质、高效、生态、安全等可持续发展的目标。