一种温室用自动巡检机器人_李富豪.pdf

7 2025年 第6期 中国农机装备 农业机械化 一种温室用自动巡检机器人 一种温室用自动巡检机器人 李富豪 刘郑琦 刘加荣 中国建材国际工程集团有限公司 上海 200063 摘要 提出了一种新型温室内部自动巡检机器人 旨在解决传统温室巡检车在运动稳定性与环境调控功能方面的技术瓶颈 通过结构创新与功能集成 该机器人采用四角对称分布的运动组件系统 结合倒八字布局的电机轨道轮 缓冲弹簧与限位 杆 显著提高了运动稳定性 避免了脱轨与侧翻现象 同时 模块化喷湿系统实现了精准的环境补水功能 配合多传感器 融合架构 机器人能够实时监测温室内的环境参数 替代传统的固定传感器网络和人工灌溉方式 关键词 温室 自动巡检 机器人 近年来 设施农业向智能化 精准化方向加速转 型 温室环境监测与调控能力已成为衡量现代农业技 术水平的重要指标 1 在大型连栋温室作业场景中 环境参数的实时采集与动态调控直接关系作物产量与 品质 传统固定式传感器网络布设模式存在设备冗余 度高 维护成本攀升等突出问题 2 现有轨道巡检车 虽能实现移动监测 但普遍存在管轨适配性差 行进 过程易脱轨 环境调控功能缺失等技术瓶颈 导致监 测数据完整率较低 1 温室内湿度 温度等关键参数 的精准调控仍依赖独立灌溉系统与人工干预 设备协 同效率低下 造成能源损耗率增加 在此背景下 研 发集成环境监测与智能调控功能的温室管轨自动巡检 机器人成为关键 1 研究背景 在设施农业集约化发展进程中 温室环境监测与 调控成为生产管理的关键环节 传统温室环境监测依 赖固定式传感器网络布设 单个环境指标监测需多点 安装传感器以保障数据准确性 导致大型温室传感器 部署密度达每百平方米 15 20 个 硬件成本占比超 过环境监测总投入的 40 现行巡检车方案虽可降低 传感器数量至传统方案的 30 但存在显著技术缺陷 3 常规巡检车采用双轨道轮驱动模式 管轨接缝处 横向偏移量超过 5 毫米时易发生脱轨事故 运动稳定 性不足导致年故障率高达 27 同时 现有设备功能 单一 环境补水仍需依赖独立灌溉系统 造成设备重 复投资与能源消耗增加 4 管轨巡检车运动机构普遍 缺乏多维限位装置 轨道轮与管轨接触面摩擦系数不 足 0 3 在温室湿度超过 75 的环境下 行进速度超 过 0 8 米 秒即产生明显打滑现象 2 环境调控模块 缺失使温室管理者被迫维持两套独立作业系统 监 测车与移动喷灌设备 导致单位面积运维成本提升 18 22 5 此类技术短板严重制约温室生产管理 效率 设备稳定性不足引发的监测数据中断率达每月 4 2 次 环境参数采集完整度低于 83 传统巡检车 功能单一化与运动可靠性问题已成为阻碍设施农业向 全自动化升级的关键瓶颈 2 技术研究 2 1 解决问题思路 传统温室巡检车面临运动稳定性不足以及环境调 控功能缺失两大技术瓶颈 研究通过结构创新与功能 集成实现双重突破 针对轨道行进易脱轨问题 设计 四角对称分布的运动组件系统 电机轨道轮采用倒八 字布局 结合连接件内部缓冲弹簧与限位杆的协同作 用 形成三维位移约束机制 限位环与摩擦阻力环配 合 在管轨接缝处产生自锁效应 将横向偏移量控制 在机械公差允许范围内 支撑件顶部的活动腔结构允 许连接件进行有限幅度的弹性形变 确保轨道轮与管 轨始终保持面接触状态 环境补水功能通过模块化喷 湿系统实现 储水箱内置水泵将水压入导液管 经集 液管分配至等距排布的雾化喷嘴 喷雾斗内风机产生 的定向气流将水雾扩散至温室空间 形成均匀湿度场 支撑管底部的进气槽设计平衡内外气压差 维持水流 作者简介 李富豪 1994 男 中级职称 研究方向 工程管理 8 2025年 第6期 中国农机装备 农业机械化 一种温室用自动巡检机器人 输送稳定性 监测系统采用多传感器融合架构 温度 识别探头与湿度识别探头对称分布于巡检车主体两 侧 双摄像头消除监测盲区 信号传输器实时回传环 境数据 单台设备即可替代传统多传感器布设方案 显著降低硬件部署密度 该技术方案在维持设备紧凑 性的前提下 同步提升运动稳定性与环境调控能力 3 倒八字轨道轮布局增强抗侧倾性能 弹性悬挂系统吸 收轨道不平顺带来的振动 模块化喷湿组件实现精准 可控的局部微气候调节 通过机械结构与流体输送系 统的深度耦合 使温室巡检设备从单一监测工具升级 为集成化环境管理平台 2 2 具体实现方法 温室管轨用巡检车由喷湿组件与运动组件两大核 心模块构成 图 1 喷湿组件包含储水箱 支撑管 及喷雾斗 储水箱内置水泵 支撑管顶端与喷雾斗刚 性连接 喷雾斗集成风机及集液管 集液管顶端设置 等距分布的雾化喷嘴 导液管贯穿支撑管内部 连通 储水箱与集液管形成输水通道 运动组件包含四组对 称分布的电机轨道轮 每组轨道轮通过连接件与巡检 车主体铰接 连接件内部设置缓冲弹簧 顶部嵌入限 位杆与限位孔配合 限位环套接于电机轨道轮轴端 活动腔设置于支撑件顶部 摩擦阻力环贴附于活动腔 内侧壁 工作原理分为运动控制与喷湿作业两个系统 运 动系统运行时 电机驱动轨道轮沿管轨行进 缓冲弹 簧吸收纵向振动 限位杆与限位孔的机械配合约束横 向位移 摩擦阻力环产生阻尼效应抑制轨道轮偏摆 喷湿系统启动后 储水箱内水泵将水体经导液管压入 集液管 雾化喷嘴将水流雾化 风机产生定向气流将 水雾扩散至温室空间 2 3 功能实现 实现巡检车在管轨上的稳定行进 限位环与缓冲 弹簧协同作用 使轨道轮与管轨保持面接触状态 防 止巡检车脱轨或侧翻 完成温室环境精准补水 雾化喷嘴配合风机实现 水雾均匀喷洒 覆盖范围达到单轨沿线作业区域 集成环境监测与补水双重功能 通过单台设备替代传 统固定传感器网络与人工补水操作 支撑管可拆卸设 计便于设备维护 进气槽结构保障输水系统气压平衡 确保长时间连续作业稳定性 信号传输器实时回传巡 检数据 为温室环境调控提供动态监测基础 3 对比实验 选取传统双轨巡检车与温室管轨用自动巡检机器 人进行功能对比测试 实验场地设定为跨度 12 米 长度 80 米的连栋温室 环境湿度维持在 65 85 区间 管轨接缝密度为每米 0 8 处 3 1 实验指标 自动巡检机器人主要性能指标包括 运动稳定性 指标要求管轨接缝处横向偏移量小于 2 毫米 轨道轮 与管轨接触面摩擦系数不低于 0 45 连续运行 8 小时 脱轨次数不超过 0 05 次 环境补水效率达到每分钟 雾化水量 3 5 升 单次充电续航里程超过 15 公里 监测数据完整率需达到 98 5 以上 3 2 实验数据对比 传统双轨巡检车配备 4 名操作员轮班作业 平均 行进速度 0 6 米 秒时 脱轨频率达每小时 0 5 次 轨道轮磨损量每月超过 2 3 毫米 补水作业依赖独立 移动喷灌车 单次补水作业耗时 23 分钟 水雾覆盖 1 巡检车主体 2 喷湿组件 3 运动组件 4 限位环 5 活动腔 6 连接件 7 缓冲弹簧 8 限位组件 9 摩擦阻力环 10 限位孔 11 限位杆 12 摄像头 13 温度识别探头 14 湿度识别探头 15 信号传输器 16 储水箱 17 支撑管 18 喷雾斗 19 风机 20 进气槽 21 集液管 22 雾化喷嘴 23 导液管 图 1 机器人结构示意图 1 4 3 2 11 10 7 6 8 9 5 19 18 17 20 22 21 23 2 3 15 20 17 18 16 12 13 14 9 2025年 第6期 中国农机装备 农业机械化 一种温室用自动巡检机器人 均匀度仅 62 管轨用自动巡检机器人双机组协同作业 行进速 度提升至 1 2 米 秒情况下 缓冲弹簧将纵向振幅降 低 78 限位杆与摩擦阻力环配合使横向偏移量控制 在 1 5 毫米内 雾化系统实现每分钟 4 2 升的雾化水 量输出 水雾覆盖均匀度提升至 91 监测模块连续 运行72小时数据中断率仅0 7 较传统方案降低 84 4 3 3 实验总结 运动组件创新设计显著提升设备可靠性 倒八字 排列的电机轨道轮配合限位环结构 使管轨接缝通过 成功率从传统方案的76 提升至99 3 缓冲弹簧 与限位杆的机械协同 有效吸收83 的纵向冲击能 量 摩擦阻力环产生的阻尼效应将横向摆动幅度压缩 在允许误差的60 范围内 喷湿组件集成方案突破 功能单一化 10个喷嘴雾化阵列配合每分钟2800转 离心风机 使水雾扩散半径达6 5米 单次作业可覆 盖48平方米区域 相较于传统双系统作业模式 设 备运维成本降低42 能源消耗减少37 该自动 巡检系统实现监测与调控功能的高度集成 双机组协 同可将大型温室全域巡检周期从传统8小时缩短至 2 5小时 设备稳定性提升使年故障维护次数由27次 降至3次 运维成本呈现明显优化趋势 为设施农业 全自动化管理提供可靠技术载体 4 结束语 温室内部自动巡检机器人的创新设计有效克服了 传统巡检车的不足 通过运动组件与喷湿组件的深度 集成 实现了环境监测与调控的高效协同 实验数据 表明 该机器人在运动稳定性 环境补水效率和监测 数据完整性方面均表现出色 显著提升了温室的管理 效率和作业安全性 未来的研究可进一步探索机器人 在不同温室环境中的适应性 以及如何通过智能算法 优化巡检路径和环境调控策略 以推动设施农业向更 高水平的自动化与智能化发展 参考文献 1 李乾 郭康 任树贞 等 极限环境下电缆管道智能巡检机器人自 动化控制系统 J 自动化与仪表 2024 4 79 82 2 侯姗 岳凤英 曹凤才 巡检机器人传动结构机电耦合振动自动化 抑制 J 机械设计与研究 2023 6 235 239 3 陈人楷 方晓明 李仕彦 基于深度强化学习的电力巡检机器人网 络自动化监测系统 J 自动化与仪表 2024 9 70 73 4 朱合桥 基于特征深度融合的变电站巡检机器人障碍自动化检测 算法 J 自动化与仪表 2023 1 43 47 An Automatic Inspection Robot for Greenhouse Li Fuhao Liu Zhengqi Liu Jiarong China National Building Materials International Engineering Group Co Ltd Shanghai 200063 Abstract A new type of automatic inspection robot for greenhouse was proposed aiming to solve the technical bottleneck of traditional greenhouse inspection vehicles in terms of motion stability and environmental control functions Through structural innovation and functional integration the robot adopted a motion system with four corner symmetrical distribu tion components combined with an inverted eight shaped layout of motor track wheels buffer springs and limit rods which significantly improved motion stability and avoiding derailment and rollover phenomena At the same time the modular humidification system achieved precise environmental water replenishment function coupled with a multi sensor fusion ar chitecture the robot could monitor the environmental parameters inside the greenhouse in real time replace traditional fixed sensor networks and manual irrigation methods Keywords Greenhouse Automatic inspection Robot