CN111771562A - 种植物补光机器人、系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种种植物补光机器人、系统及工作方法。该机器人包括水平移动组件、竖直移动组件、旋转组件和光源组件，竖直移动组件的第一端连接于水平移动组件的底部，竖直移动组件的第二端与旋转组件连接，光源组件安装于旋转组件上，光源组件包括反光镜面和补光灯。该系统包括种植盆装置、控制装置和上述的种植物补光机器人。该补光系统的工作方法，可以自动追踪光线位置和光线照射角度，并根据光线位置和照射角度调整反光镜面的位置和角度，确保在日间利用阳光反射始终能够提供精准的补光；在夜间提供人工光源补光。

Description

种植物补光机器人、系统及工作方法

技术领域

本发明涉及农业技术领域，特别是涉及一种植物补光机器人、系统及工作方法。

背景技术

光照是影响植物生长发育的最重要的因素之一，对于采光有限、建筑布局特殊的阳台，种植物容易受遮光、光照不足等影响导致生长缓慢、坐果难等问题。

现有补光装置只针对光线不足的情况补光，对于光线充足但采光受限限、有遮挡的场景未有较好的补光方案。现有补光系统及装置，绝大多数利用人工光源，造成电力资源浪费，无法利用太阳光资源；另外，大部分均为固定光源，少见有利用移动光源进行补光，无法实现全天候补光。现有技术当中的补光装置存在以下缺点：

1)、未能将自然光反射与人工光补光优势相结合进行全天候的补光，尤其是针对采光条件受限的阳台种植补光；

2)、在利用日光反射补光中，未能根据每日太阳运动轨迹调节光源单元移动路线，更充分利用阳光，为阳台植物提供移动光源的均匀补光；

3)、现有补光方案中，补光灯的照射角度需要人工调节，未实现根据环境条件智能的自动调节；

4)、种植单元的位置为固定的，一旦种植单元被挪动，补光的设备需要重新布置或人工调节。

发明内容

本发明实施例提供一种种植物补光机器人、系统及工作方法，以解决现有技术中的补光系统采用人工固定光源导致的电力资源浪费，无法利用太阳光资源和无法实现早晚补光的缺陷，实现自然光反射与人工光补光相结合进行全天候的补光。

本发明实施例提供一种种植物补光机器人，包括：水平移动组件、竖直移动组件、旋转组件和光源组件，所述竖直移动组件的第一端连接于所述水平移动组件的底部，所述竖直移动组件的第二端与所述旋转组件连接，所述光源组件安装于所述旋转组件上，所述光源组件包括反光镜面和补光灯。

其中，所述水平移动组件包括导轨、滑动装置以及第一驱动装置，所述导轨水平设置，所述滑动装置滑动设置于所述导轨上，且与所述第一驱动装置驱动连接，所述竖直移动组件安装于所述滑动装置的下端；

所述竖直移动组件为气动升降杆，所述气动升降杆的一端与所述滑动装置连接，所述旋转组件安装于所述气动升降杆的另一端；

所述旋转组件包括第二驱动装置、第三驱动装置、第一传动装置和第二传动装置，所述第二驱动装置的输出轴通过所述第一传动装置沿所述光源组件的长度方向与所述光源组件连接，所述第三驱动装置的输出轴通过所述第二传动装置沿所述光源组件的宽度方向与所述光源组件连接。

其中，所述光源组件包括聚光结构，所述聚光结构的第一端为收缩口，第二端为扩张口，所述收缩口固定于所述反光镜面的外缘，所述扩张口向外延伸，且在所述聚光结构的表面覆盖有反光涂层。

其中，所述补光灯安装于所述反光镜面的边缘处且位于所述聚光结构的收缩口的内侧。

本发明实施例还提供一种种植物补光系统，包括种植盆装置、控制装置和根据本发明实施例的种植物补光机器人，

所述光源组件还包括测光孔、测光管、角度传感器、感光板、测距装置，所述测光孔由所述反光镜面的正面贯通，并与所述测光管的第一端连接，所述测光管的第二端罩设于所述感光板的表面，所述角度传感器安装于所述反光镜面的背侧，所述测距装置安装于所述感光板且位于所述测光管的第二端内部，沿所述测光管的延伸方向进行测距；

所述种植盆装置包括盆体和位于盆体外侧的光敏传感器；

所述控制装置分别与所述水平移动组件、所述竖直移动组件、所述旋转组件、所述光源组件、所述角度传感器、所述感光板、所述测距装置和所述光敏传感器电连接。

其中，在所述感光板的表面上、下、左和右四个边缘处分别至少设置第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点，所述测光管的第二端罩设于所述感光板的几何中心位置，且在所述感光板的几何中心位置设置第五感光点，所述第五感光点由所述测光管的第二端罩住。

本发明实施例还提供一种根据本发明实施例的种植物补光系统的工作方法，包括：

S1、设定水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件的初始状态，通过水平移动组件带动测距装置水平移动，旋转组件带动测距装置旋转，对种植物补光系统所处环境和种植盆装置进行扫描定位；

S2、判断并启用日间补光模式或夜间补光模式；

日间补光模式包括：

水平移动组件和竖直移动组件分别移动并采用感光板上感光点获取光线位置，旋转组件旋转并采用感光板上感光点获取光线照射角度；

根据种植物补光系统、种植盆装置所处位置、光线位置和光线角度，调整水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件，通过反光镜面将太阳光线反射到盆体内的种植物；

夜间补光模式包括：

根据光源组件所处位置和倾角以及种植盆装置所处位置，调整水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件，通过补光灯对盆体内的种植物进行补光。

其中，所述S1中的种植盆装置扫描定位包括：

S11、规定水平移动组件每次位移值为d₀，旋转组件每次旋转角度为a₀，通过测距装置扫描种植盆装置并规定测距值为z_i，通过光敏传感器获取种植盆装置受到的光照强度并规定受到的光照强度值为u_i；

S12、获取种植盆装置受到的光照强度值最大的三个值所对应的水平移动组件的三个水平位移值以及种植盆装置受到的光照强度值最大的三个值所对应的旋转组件的三个旋转角度值，所述三个水平位移值中最大值命名为d_max，最小值命名为d_min，所述三个旋转角度值中最大值命名为a_max，最小值命名为a_min；

S13、比较d_max-d_min与第一误差设定值的大小关系，若d_max-d_min大于第一误差设定值，则将d₀值变为原来的一半并更新至步骤S11中的d₀值；否则d₀不变；

比较a_max-a_min与第二误差设定值的大小关系，若a_max-a_min大于第二误差设定值，则将a₀值变为原来的一半并更新至步骤S11中的a₀；否则a₀值不变；

若d₀和a₀中至少一者有变化，则返回步骤S11；否则以种植盆装置受到的光照强度值最大时对应的水平移动组件的水平位移值、旋转组件的旋转角度值和z_i为种植盆装置的空间位置数据。

其中，所述S2中所述水平移动组件和竖直移动组件分别移动并采用感光板上感光点获取光线位置包括：

S201、在所述感光板的表面上、下、左和右四个边缘处分别至少设置第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点，计算第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点四个点的平均光强并命名为

获取光源组件的水平位移并命名为D和竖直位移值并命名为H；

S202、比较第三感光点和第四感光点的光强大小，并通过水平移动组件带动光源组件向感光点光强较强的方向移动单位距离d₀，

比较第一感光点和第二感光点的光强大小，并通过竖直移动组件带动光源组件向感光点光强较强的方向移动单位距离，

S203、将水平移动后的光源组件的位移值命名为d，将竖直移动后的光源组件的位移值命名为h，

计算经过水平和竖直移动后的第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点四个点的平均光强并命名为

S204、比较

和

大小，若

则将步骤S201中的D值更新为步骤S203中的d值，步骤S201中的H值更新为步骤S203中的h值，并返回步骤S201；否则通过水平移动组件和竖直移动组件逆向调整回步骤S201中光源组件的位置，并以水平位移D和竖直位移H为光源组件的位置数据。

其中，所述S2中所述旋转组件旋转并采用感光板上感光点获取光线照射角度包括：

S211、在所述感光板的表面上、下、左、右四个边缘以及几何中心处分别至少设置第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点和第五感光点，获取光源组件的沿长度方向的倾角并命名为A_x、沿宽度方向的倾角并命名为A_y以及第五感光点的光强U_c，并规定旋转组件沿光源组件的长度方向和宽度方向每次调整角度为a₀；

S212、比较第一感光点和第二感光点的光强大小，若第一感光点和第二感光点之间的光强差值大于第三误差设定值，则通过旋转组件控制光源组件向感光点光强较强的一侧旋转a₀，并将旋转后的角度记为a_x；否则角度不变；

S213、比较第三感光点和第四感光点的光强大小，若第三感光点和第四感光点之间的光强差值大于第四误差设定值，则通过旋转组件控制光源组件向感光点光强较强的一侧旋转a₀，并将旋转后的角度记为a_y；否则角度不变；

S214、若第一感光点和第二感光点之间的光强差值小于等于第三误差设定值且同时第三感光点和第四感光点之间的光强差值小于等于第四误差设定值，则记录此时的A_x、A_y和U_c；否则返回步骤S211；

S215、在光源组件沿长度方向的倾角为a_x且同时沿宽度方向的倾角为a_y时，获取第五感光点的光强u_c；

比较U_c和u_c大小，若u_c＞U_c，则将步骤S211中的A_x值、A_y值和U_c值对应更新为a_x值、a_y值和u_c值；否则不更新；

S216、将步骤S211中的a₀值变为原来的一半，并返回步骤S212，直至a₀小于预设值时，停止循环并输出此时的沿长度方向的倾角A_x和沿宽度方向的倾角A_y作为光线垂直照射反光镜面时，反光镜面的角度。

本发明实施例提供的种植物补光机器人、系统及工作方法。利用该种植物补光机器人操作人员可通过操控水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件对光源组件进行水平位置、竖直高度和旋转角度的调整，一方面实现了早晚种植物补光的需求，日间可不使用人工光源，采用太阳光反射原理对种植物进行补光，夜间采用补光灯补光；另一方面操作人员可操控水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件的机械组件对反光镜面的位置和角度进行调整，提高了机械化程度，提高了调整准确性和可重复性。利用该种植物补光系统和对应的工作方法可以自动追踪光线位置和光线照射角度，并根据光线位置和照射角度调整反光镜面的位置和角度，确保日间始终能够提供精准的补光。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例种植物补光系统的主视图；

图2为本发明实施例种植物补光系统的右视图；

图3为本发明实施例种植物补光系统的俯视图；

图4为本发明实施例光源组件的主视图；

图5为本发明实施例光源组件的侧视图；

图6为本发明实施例种植物补光系统的工作方法。

附图标记：

1：导轨；11：滑轮；12：步进电机；2：升降杆；3：旋转组件；4：光源组件；41：反光镜面；42：补光灯；43：聚光结构；44：测光孔；45：角度传感器；46：测光管；47：感光点；48：感光板；5：种植盆装置；6：控制装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1-图5描述本发明实施例的种植物补光机器人，包括：水平移动组件、竖直移动组件、旋转组件3和光源组件4，竖直移动组件的第一端连接于水平移动组件的底部，竖直移动组件的第二端与旋转组件3连接，光源组件4安装于旋转组件3上，光源组件4包括反光镜面41和补光灯42。

具体地，本实施例中的水平移动组件用于通过竖直移动组件和旋转组件3带动光源组件4对其水平位移进行调整，竖直移动组件用于通过旋转组件3带动光源组件4对其竖直高度进行调整，旋转组件3用于对光源组件4的旋转角度进行调整。光源组件4的反光镜面41主要用于日光情况下对太阳光进行反射，并将反射光投射到种植物上，补光灯42用于在夜间对种植物进行补光。

若想增强照射效果和照射有效时段，可适当增加反光镜面41的尺寸，以保证太阳光经过反光镜面41后能够照射到种植物上。

本发明实施例公开的一种种植物补光机器人，操作人员可通过操控水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件3对光源组件4进行水平位置、竖直高度和旋转角度的调整，一方面实现了早晚种植物补光的需求，日间可不使用人工光源，采用太阳光反射原理对种植物进行补光，夜间采用补光灯补光；另一方面操作人员可操控水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件3的机械组件对反光镜面41的位置和角度进行调整，提高了机械化程度，提高了调整准确性和可重复性。

其中，水平移动组件包括导轨1、滑动装置以及第一驱动装置，导轨1水平设置，滑动装置滑动设置于导轨1上，且与第一驱动装置驱动连接，竖直移动组件安装于滑动装置的下端。本实施例中的水平移动组件是通过第一驱动装置驱动滑动装置在导轨1中滑动来实现水平位置调整的。具体地，导轨1中设置有供滑动装置卡放的卡槽，滑动装置可以为滑块或滑轮11等，第一驱动装置为带有减速器的步进电机12，步进电机12的输出轴经丝杠机构或其他传动机构将旋转运动转化为直线往复运动，最后与滑动装置连接。

其中，竖直移动组件为气动升降杆2，气动升降杆2的一端与滑动装置连接，旋转组件安装于气动升降杆2的另一端。本实施例中可通过气动升降杆2的升降来调节旋转组件3的高度位置。

其中，旋转组件3包括第二驱动装置、第三驱动装置、第一传动装置和第二传动装置，第二驱动装置的输出轴通过第一传动装置沿光源组件4的长度方向与光源组件4连接，第三驱动装置的输出轴通过第二传动装置沿光源组件4的宽度方向与光源组件4连接。本实施例中的光源组件4的形状矩形，可以理解的是其长度方向和宽度方向垂直，旋转组件3分别从光源组件4的水平轴和竖直轴进行角度调整。具体地，本实施例中的第二驱动装置和第三驱动装置可采用带减速器的步进电机，第一传动装置和第二传动装置可采用能够传递步进电机输出轴的转动运动的旋转架。

以上水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件的具体实施方式仅为示意性的，根据不同需要，可以采用其他装置来实现相同效果，本发明不局限于此。

其中，光源组件4包括聚光结构43，聚光结构43的第一端为收缩口，第二端为扩张口，收缩口固定于反光镜面41的外缘，扩张口向外延伸，且在聚光结构43的表面覆盖有反光涂层，该聚光结构43对光线具有聚拢作用，减少一部分光线的散射，增加对光线的利用效率。

其中，补光灯42安装于反光镜面41的边缘处且位于聚光结构43的收缩口的内侧。具体地，本实施例中的反光镜面41位于光源组件4的正中央，在反光镜面41的边缘处安装补光灯42，该补光灯42可采用LED灯带的形式粘贴反光镜面41，再在补光灯42的外围安装聚光结构43。

如图1-5所示，本发明实施例公开了种植物补光系统，包括种植盆装置5、控制装置6和根据本发明上述实施例的种植物补光机器人，

其中，光源组件4还包括测光孔44、测光管46、角度传感器45、感光板48、测距装置(图中未示出，其被测光孔44挡住)，测光孔44由反光镜面41的正面贯通，并与测光管46的第一端连接，测光管46的第二端罩设于感光板48的表面，角度传感器45安装于反光镜面41的背侧，测距装置安装于感光板48且位于测光管46的第二端内部，沿测光管46的延伸方向进行测距。具体地，测光孔44位于反光镜面41的中心位置，其为一个圆形小孔，供光线通过。测光管46为圆柱形硬质细管，管径与测光孔44直径一致，测光管46的内壁为黑色，垂直安装于反光镜面41的背面与感光板48之间，且测光管46连接于反光镜面41和感光板48的中心位置。感光板48的形状与反光镜面41相同且面积略小于反光镜面41，与反光镜面41平行设置，且感光板48的中轴线与反光镜面41的中轴线重合。反光镜面41对感光板48具有一定的光线遮挡作用，其原因在于感光板48对于光强较强的光敏感度较差，因此减少光线直接照射，而通过光线的漫反射来反映光线强度具有更高的准确性。测光管46的一端通过测光孔44采集光线，测光管46的另一端将感光板48的中心位置(即后文的“第五感光点”)和测距装置完全罩于管内，形成一个垂直于镜面的测光通道。测距装置可采用红外测距仪，可沿测光管46从测光孔44射出，对障碍物进行扫描测距。角度传感器45具体为双轴倾角传感器，可监测反光镜面41的沿长度方向的倾角和沿宽度方向的倾角。

种植盆装置5包括盆体和位于盆体外侧的光敏传感器。该光敏传感器可对光照强度进行监测，以反映盆体内的种植物所接收到的光强。进一步地，种植盆装置5还包括用于传递信息的网络模块，该信息包括但不限于光敏传感器的光强信息；还包括供电模块，用于给光敏传感器进行供电。

控制装置6分别与水平移动组件、竖直移动组件、旋转组件3、光源组件4、角度传感器45、感光板48、测距装置和光敏传感器电连接。具体地，控制装置6还包括用于传递信息的通信模块，该通信模块可采用无线网络或蓝牙等无线传输协议；还包括微处理器用于对收集到的信息进行处理运算，微处理器的处理流程和逻辑判断过程可见下文的种植物补光系统的工作方法；还包括PLC控制模块，将输出指令传递给各个执行模块(水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件3等)，该指令可见下文的种植物补光系统的工作方法。

其中，在感光板48的表面上、下、左和右四个边缘处分别至少设置第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点，测光管46的第二端罩设于感光板48的几何中心位置，且在感光板48的几何中心位置设置第五感光点，第五感光点由测光管46的第二端罩住。第一感光点、第二感光点、第三感光点、第四感光点和第五感光点用于本系统进行智能寻光。第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点沿第五感光点对称设置，可以识别光线的位置，当感光板48的上、下方向中有光强较强的一个感光点、左和右方向中有光强较强的一个感光点时，则可将反光镜面41向该方向移动，以靠近光线照射充足的位置，可以避免阳台等遮挡物遮挡；第一感光点、第二感光点、第三感光点、第四感光点和第五感光点可以识别光线的照射角度，其中当第五感光点的光强最强时，可以判断光线与反光镜面41垂直。图5中的感光点47代表第一感光点、第二感光点和第三感光点，其中第四感光点和第五感光点被挡住。

如图6所示，本发明实施例还公开了一种种植物补光系统的工作方法，包括：

S1、设定水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件3的初始状态，通过水平移动组件带动测距装置水平移动，旋转组件3带动测距装置旋转，对种植物补光系统所处环境和种植盆装置5进行扫描定位。

具体地，首先步骤S1中设定初始状态包括将导轨1安装于阳台内测(或室内)顶部，设定滑动装置位于导轨1的端部为初始位置，气动升降杆2处于缩回状态为初始状态，旋转组件3是的反光镜面41的反射面为竖直状态，且反光镜面41与阳台窗户所在面平行为初始状态。利用测距装置对阳台进行扫描，通过滑动装置以d₀为步长在导轨1上平移，每一步稍作停留以便测距装置进行扫描，通过旋转组件3绕水平轴线在0-90°范围内每次以a₀为单位进行旋转，记录光源组件4的水平位移d_i、倾角旋转a_i、红外测距距离z_i以及各个盆体上的光敏传感器所监测到的光强强度，以三个盆体为例(分别记为u、v、w)，则对应的光强强度分别为u_i、v_i和w_i，光源组件4直到终点并恢复至初始位置和状态。最终可得到阳台的空间数据，每次测量可形成一个向量数据(d_i，a_i，z_i，u_i，v_i，w_i)。可将d₀设定为反光镜面41的长度，a₀＝3°。可以理解的是，上述设定可以根据实际应用进行设定。

其中，S1中的种植盆装置5扫描定位，对多个种植盆依次进行定位，详细的定位步骤包括：

S11、规定水平移动组件每次位移值为d₀，旋转组件3每次旋转角度为a₀，通过测距装置扫描种植盆装置5并规定测距值为z_i，通过光敏传感器获取种植盆装置5受到的光照强度并规定受到的光照强度值为u_i。

S12、获取种植盆装置受到的光照强度值最大的三个值所对应的水平移动组件的三个水平位移值以及种植盆装置受到的光照强度值最大的三个值所对应的旋转组件3的三个旋转角度值，三个水平位移值中最大值命名为d_max，最小值命名为d_min，三个旋转角度值中最大值命名为a_max，最小值命名为a_min。

种植盆装置u的最大光强值记为U，对应最大光强向量记为(d_U,a_U,z_U,U)。

其中，水平位移值可通过d₀乘以滑动装置移动的次数计算得出，旋转角度值可由a₀乘以旋转次数计算得出。

S13、比较d_max-d_min与第一误差设定值的大小关系，若d_max-d_min大于第一误差设定值，则将d₀值变为原来的一半并更新至步骤S11中的d₀值；否则d₀不变；

比较a_max-a_min与第二误差设定值的大小关系，若a_max-a_min大于第二误差设定值，则将a₀值变为原来的一半并更新至步骤S11中的a₀；否则a₀值不变；

若d₀和a₀中至少一者有变化，则返回步骤S11；否则以种植盆装置受到的光照强度值最大时对应的水平移动组件的水平位移值、旋转组件3的旋转角度值和z_i为种植盆装置5的空间位置数据，此时该种植盆装置5的水平位移为d_U，旋转角度为a_U，红外测距距离为z_U，光敏传感器监测到的光强强度为U。更新最大光强向量(d_U,a_U,z_U,U)。

S13步骤中通过逐渐缩小搜索范围的方法，采用二分法，快速缩小搜索范围，逐渐精确盆体所在位置。可以理解的是，当种植盆装置受到的光照强度值最大时，即是反光镜面41调整到了最佳位置，测距装置的光线直射到种植盆装置的光敏传感器。此时，可以得出对于该种植盆装置5：

水平位移＝d_U，竖直位移＝z_U*sin a_U，纵向位移＝z_U*cos a_U

与水平方向的倾角(即沿长度方向的倾角)＝a_U，与竖直方向的倾角(即沿宽度方向的倾角)＝arc tan(d_U/(z_U*cos a_U))将上述结果数据保存至控制装置6，种植盆u的定位结束，返回S12开始依次对种植盆v，种植盆w进行定位，直至所有的种植盆单元全部定位结束。

完成后测量后，光源单元返回导轨起点，并恢复初始空间位置。

可以理解的是，若在上述过程中光敏传感器监测到的光强强度为U持续无变化，则对反光镜面41的角度进行微调，若光强仍然无变化，则说明光敏传感器故障，或者盆体被挪动，发出报警信息。

若是能够判定盆体被挪动，则需要并重新建立扫描定位的任务，即返回S11步骤对盆体进行重新扫描定位。

S2、判断并启用日间补光模式或夜间补光模式；

日间补光模式包括：

水平移动组件和竖直移动组件分别移动并采用感光板48上感光点获取光线位置，旋转组件3旋转并采用感光板48上感光点获取光线照射角度。

其中，S2中水平移动组件和竖直移动组件分别移动并采用感光板48上感光点获取光线位置包括：

S201、在感光板48的表面上、下、左和右四个边缘处分别至少设置第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点，计算第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点四个点的平均光强并命名为

获取光源组件4的水平位移并命名为D和竖直位移值并命名为H；

S202、比较第三感光点和第四感光点的光强大小，并通过水平移动组件带动光源组件4向感光点光强较强的方向移动单位距离d₀，当第三感光点和第四感光点的光强相等时，则不移动。

比较第一感光点和第二感光点的光强大小，并通过竖直移动组件带动光源组件4向感光点光强较强的方向移动单位距离，当第一感光点和第二感光点的光强相等时，则不移动。

S203、将水平移动后的光源组件4的位移值命名为d，将竖直移动后的光源组件4的位移值命名为h，

计算经过水平和竖直移动后的第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点四个点的平均光强并命名为

S204、比较

和

大小，若

则将步骤S201中的D值更新为步骤S203中的d值，步骤S201中的H值更新为步骤S203中的h值，并返回步骤S201；否则通过水平移动组件和竖直移动组件逆向调整回步骤S201中光源组件4的位置，并以水平位移D和竖直位移H为光源组件4的位置数据。

通过对感光板48四个方向上的光强进行检测(即通过第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点检测)，若哪个方向光强大，则说明该位置的遮挡较少；哪个方向光强小，则说明该位置的遮挡较多，可能是由于阳台遮挡的缘故导致。通过向光强大的方向逐步移动，以精确定位光线位置，而后再通过四个位置的平均光强来进行验证，取平均光强较大的位置为最后确定的光线照射位置。

其中，S2中旋转组件3旋转并采用感光板48上感光点获取光线照射角度包括：

S211、在感光板48的表面上、下、左、右四个边缘以及几何中心处分别至少设置第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点和第五感光点，获取光源组件4的沿长度方向的倾角并命名为A_x、沿宽度方向的倾角并命名为A_y以及第五感光点的光强U_c，并规定旋转组件3沿光源组件4的长度方向和宽度方向每次调整角度为a₀；

S212、比较第一感光点和第二感光点的光强大小，若第一感光点和第二感光点之间的光强差值大于第三误差设定值，则通过旋转组件3控制光源组件4向感光点光强较强的一侧旋转a₀，并将旋转后的角度记为a_x；否则角度不变；

S213、比较第三感光点和第四感光点的光强大小，若第三感光点和第四感光点之间的光强差值大于第四误差设定值，则通过旋转组件3控制光源组件4向感光点光强较强的一侧旋转a₀，并将旋转后的角度记为a_y；否则角度不变；

S214、若第一感光点和第二感光点之间的光强差值小于等于第三误差设定值且同时第三感光点和第四感光点之间的光强差值小于等于第四误差设定值，则记录此时的A_x、A_y和U_c；否则返回步骤S211；

S215、在光源组件4沿长度方向的倾角为a_x且同时沿宽度方向的倾角为a_y时，获取第五感光点的光强u_c；

比较U_c和u_c大小，若u_c＞U_c，则将步骤S211中的A_x值、A_y值和U_c值对应更新为a_x值、a_y值和u_c值；否则不更新；

S216、将步骤S211中的a₀值变为原来的一半，并返回步骤S212，直至a₀小于预设值时，停止循环并输出此时的沿长度方向的倾角A_x和沿宽度方向的倾角A_y作为光线垂直照射反光镜面41时，反光镜面41的角度。

应当理解的是，步骤S212和S212可相互调换。

本实施例通过感光点监测四个方向的光强，可以理解的是，由于感光板48上的感光点对于微弱的光强较为敏感，对强光的敏感性弱。反光镜面41起到了一定程度的遮光作用，有效避免了感光板48被强光直射，确保了系统运行的稳定性。临近光线照射方向的感光点会由于光线漫反射的缘故监测到较大光强，当对称点的光强差值较大时，则反映光线照射角度并非与反光镜面41垂直，因此将反光镜面41逐渐向光强较大的方向旋转，当反光镜面41调整到将要与光线垂直角度时，即对称点光强差值较小时，通过中心的感光点进行角度的精确调节：由于第五感光点感受到的阳光是通过测光管46照射进来的，由于测光管46内壁为黑色，基本不反光，只有当光线是沿测光管46入射进来时，第五感光点的光强最大，由于测光管46是垂直安装与反光镜面41和感光板48之间的，因此，当第五感光点的光强最大时，光线照射角度与反光镜面41垂直，此时，可以根据反光镜面41的倾角换算得出光线照射角度，即阳光照射角度：水平(沿长度方向)倾角＝90°-A_x；竖直(沿宽度方向)倾角＝90°-A_y。

根据光源组件4所处位置、倾角以及种植盆装置5所处位置、光线位置和光线角度，调整水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件3，通过反光镜面41将太阳光线反射到盆体内的种植物。

可以推算得出：盆体相对于光源组件4的空间角度为：

水平偏角＝arc tan[(z_U*sin a_U-H)/(z_U*cos a_U)]

垂直偏角＝arc tan[(d_U-D)/(z_U*cos a_U)]

由前为文知，阳光的照射角度为：水平倾角＝90°-A_x，竖直倾角＝90°-A_y。

则反光镜面41需要倾斜的角度为：

水平倾角＝{arc tan[(z_U*sin a_U-H)/(z_U*cos a_U)]-90°+A_x}/2

竖直倾角＝{arc tan[(d_U-D)/(z_U*cos a_U)]-90°+A_y}/2

针对日间动态补光：

1)、通过光敏传感器监测光照强度，若光强明显增，则开始计时；

2)、若光强持续无变化，则对反光镜面41的角度进行微调，若光强仍然无变化，则说明光敏传感器故障，或者盆体被挪动，则发出报警信息，并重新建立扫描定位的任务。

3)若光强明显增强，一段时间后出现减弱，则对反光镜面41在现有角度下依次进行沿长度方向±20°倾角、沿宽度方向±20°倾角的转动。

4)在此过程中，若被补光单元的光强恢复，则立刻停止转动，继续计时。

5)若在此过程中，光强未恢复，则重新开始智能寻光。

6)当补光时长达到一定值时，结束该种植体的补光任务，计时清空。开始下一个种植体的补光任务。

7)若没有新的补光任务，则光源组件4恢复初始位置。

8)若有重新识别种植盆装置5的任务，开始重新采集并更新阳台空间数据，识别并更新种植盆装置5空间位置。

9)可实现在白天从早到晚为多个种植体进行智能补光。

10)当监测到天黑时(可通过感光板48上的感光点进行识别监测)，则启动夜间模式，光源组件4恢复初始位置。

夜间补光模式包括：

根据光源组件4所处位置和倾角以及种植盆装置5所处位置，调整水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件3，通过补光灯42对盆体内的种植物进行补光。

根据种植体日间光线照射强度和照射时长进行分析，判断是否需要夜间补光；

若多个种植体需要夜间补光，则安排队列任务。

针对需要夜间补光的种植体，开启补光灯42，并通过水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件3调整补光灯42以尽量靠近种植体；

若光敏传感器监测到光强具有明显变化时，开始计时，当到达一定补光时长时，结束该补光任务，计时清零。开始下一个种植体的补光任务；

若没有新的补光任务，则光源组件4恢复初始位置。

补光策略包括：

根据多个种植体的要求不同，可定制不同的补光策略。实现持续对单一种植体最大限度补光；或者轮流对多个种植体进行均匀分配补光；

当反光镜面41足够大时，或者种植体摆放相对集中时，可实现利用同一位置和角度的反光镜面41，同时对多个种植体进行补光。具体的补光角度及移动策略，以多个光敏传感器光强的加权最优值决定。

夜间LED灯补光时，可根据植物特性的不同，实现红、蓝、绿三色的比例调整，更利用植物吸收。

本发明实施例公开了种植物补光系统及其工作方法，能够自动追踪并定位太阳光线，自动调节光源组件4的双轴倾角，精准测算太阳光的照射角度；通过初始化的测量，能够得到阳台详细的空间数据，同时通过迭代智能识别出多个种植体的的空间位置；根据环境条件智能调节反光镜面41的角度，并根据光线的移动及时调整；当种植体被挪动，位置发生改变，补光系统仍能及时发现，并自动测量并更新位置数据，确保始终能够提供精准的补光；将自然光反射与人工光补光优势相结合，进行白天+晚上全天候的补光，尤其是针对采光条件受限的阳台种植补光；在利用日光反射补光中，根据每日太阳运动轨迹调节光源组件4移动路线，更充分利用阳光，为阳台植物提供“移动光源”的均匀补光。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种种植物补光机器人，其特征在于，包括：水平移动组件、竖直移动组件、旋转组件和光源组件，所述竖直移动组件的第一端连接于所述水平移动组件的底部，所述竖直移动组件的第二端与所述旋转组件连接，所述光源组件安装于所述旋转组件上，所述光源组件包括反光镜面和补光灯。

2.根据权利要求1所述的种植物补光机器人，其特征在于，

所述水平移动组件包括导轨、滑动装置以及第一驱动装置，所述导轨水平设置，所述滑动装置滑动设置于所述导轨上，且与所述第一驱动装置驱动连接，所述竖直移动组件安装于所述滑动装置的下端；

所述竖直移动组件为气动升降杆，所述气动升降杆的一端与所述滑动装置连接，所述旋转组件安装于所述气动升降杆的另一端；

所述旋转组件包括第二驱动装置、第三驱动装置、第一传动装置和第二传动装置，所述第二驱动装置的输出轴通过所述第一传动装置沿所述光源组件的长度方向与所述光源组件连接，所述第三驱动装置的输出轴通过所述第二传动装置沿所述光源组件的宽度方向与所述光源组件连接。

3.根据权利要求1所述的种植物补光机器人，其特征在于，所述光源组件包括聚光结构，所述聚光结构的第一端为收缩口，第二端为扩张口，所述收缩口固定于所述反光镜面的外缘，所述扩张口向外延伸，且在所述聚光结构的表面覆盖有反光涂层。

4.根据权利要求3所述的种植物补光机器人，其特征在于，所述补光灯安装于所述反光镜面的边缘处且位于所述聚光结构的收缩口的内侧。

5.一种种植物补光系统，其特征在于，包括种植盆装置、控制装置和根据权利要求1-4中任意一项所述的种植物补光机器人，

所述光源组件还包括测光孔、测光管、角度传感器、感光板、测距装置，所述测光孔由所述反光镜面的正面贯通，并与所述测光管的第一端连接，所述测光管的第二端罩设于所述感光板的表面，所述角度传感器安装于所述反光镜面的背侧，所述测距装置安装于所述感光板且位于所述测光管的第二端内部，沿所述测光管的延伸方向进行测距；

所述种植盆装置包括盆体和位于盆体外侧的光敏传感器；

所述控制装置分别与所述水平移动组件、所述竖直移动组件、所述旋转组件、所述光源组件、所述角度传感器、所述感光板、所述测距装置和所述光敏传感器电连接。

6.根据权利要求5所述的种植物补光系统，其特征在于，在所述感光板的表面上、下、左和右四个边缘处分别至少设置第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点，所述测光管的第二端罩设于所述感光板的几何中心位置，且在所述感光板的几何中心位置设置第五感光点，所述第五感光点由所述测光管的第二端罩住。

7.一种根据权利要求5或6所述的种植物补光系统的工作方法，其特征在于，包括：

S1、设定水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件的初始状态，通过水平移动组件带动测距装置水平移动，旋转组件带动测距装置旋转，对种植物补光系统所处环境和种植盆装置进行扫描定位；

S2、判断并启用日间补光模式或夜间补光模式；

日间补光模式包括：

水平移动组件和竖直移动组件分别移动并采用感光板上感光点获取光线位置，旋转组件旋转并采用感光板上感光点获取光线照射角度；

根据种植物补光系统、种植盆装置所处位置、光线位置和光线角度，调整水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件，通过反光镜面将太阳光线反射到盆体内的种植物；

夜间补光模式包括：

根据光源组件所处位置和倾角以及种植盆装置所处位置，调整水平移动组件、竖直移动组件和旋转组件，通过补光灯对盆体内的种植物进行补光。

8.根据权利要求7所述的种植物补光系统的工作方法，其特征在于，所述S1中的种植盆装置扫描定位包括：

S11、规定水平移动组件每次位移值为d₀，旋转组件每次旋转角度为a₀，通过测距装置扫描种植盆装置并规定测距值为z_i，通过光敏传感器获取种植盆装置受到的光照强度并规定受到的光照强度值为u_i；

S12、获取种植盆装置受到的光照强度值最大的三个值所对应的水平移动组件的三个水平位移值以及种植盆装置受到的光照强度值最大的三个值所对应的旋转组件的三个旋转角度值，所述三个水平位移值中最大值命名为d_max，最小值命名为d_min，所述三个旋转角度值中最大值命名为a_max，最小值命名为a_min；

S13、比较d_max-d_min与第一误差设定值的大小关系，若d_max-d_min大于第一误差设定值，则将d₀值变为原来的一半并更新至步骤S11中的d₀值；否则d₀不变；

比较a_max-a_min与第二误差设定值的大小关系，若a_max-a_min大于第二误差设定值，则将a₀值变为原来的一半并更新至步骤S11中的a₀；否则a₀值不变；

若d₀和a₀中至少一者有变化，则返回步骤S11；否则以种植盆装置受到的光照强度值最大时对应的水平移动组件的水平位移值、旋转组件的旋转角度值和z_i为种植盆装置的空间位置数据。

9.根据权利要求7所述的种植物补光系统的工作方法，其特征在于，所述S2中所述水平移动组件和竖直移动组件分别移动并采用感光板上感光点获取光线位置包括：

S201、在所述感光板的表面上、下、左和右四个边缘处分别至少设置第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点，计算第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点四个点的平均光强并命名为

获取光源组件的水平位移并命名为D和竖直位移值并命名为H；

S202、比较第三感光点和第四感光点的光强大小，并通过水平移动组件带动光源组件向感光点光强较强的方向移动单位距离d₀，

比较第一感光点和第二感光点的光强大小，并通过竖直移动组件带动光源组件向感光点光强较强的方向移动单位距离，

S203、将水平移动后的光源组件的位移值命名为d，将竖直移动后的光源组件的位移值命名为h，

计算经过水平和竖直移动后的第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点四个点的平均光强并命名为

S204、比较

和

大小，若

则将步骤S201中的D值更新为步骤S203中的d值，步骤S201中的H值更新为步骤S203中的h值，并返回步骤S201；否则通过水平移动组件和竖直移动组件逆向调整回步骤S201中光源组件的位置，并以水平位移D和竖直位移H为光源组件的位置数据。

10.根据权利要求7所述的种植物补光系统的工作方法，其特征在于，所述S2中所述旋转组件旋转并采用感光板上感光点获取光线照射角度包括：

S211、在所述感光板的表面上、下、左、右四个边缘以及几何中心处分别至少设置第一感光点、第二感光点、第三感光点和第四感光点和第五感光点，获取光源组件的沿长度方向的倾角并命名为A_x、沿宽度方向的倾角并命名为A_y以及第五感光点的光强U_c，并规定旋转组件沿光源组件的长度方向和宽度方向每次调整角度为a₀；

S212、比较第一感光点和第二感光点的光强大小，若第一感光点和第二感光点之间的光强差值大于第三误差设定值，则通过旋转组件控制光源组件向感光点光强较强的一侧旋转a₀，并将旋转后的角度记为a_x；否则角度不变；

S213、比较第三感光点和第四感光点的光强大小，若第三感光点和第四感光点之间的光强差值大于第四误差设定值，则通过旋转组件控制光源组件向感光点光强较强的一侧旋转a₀，并将旋转后的角度记为a_y；否则角度不变；

S214、若第一感光点和第二感光点之间的光强差值小于等于第三误差设定值且同时第三感光点和第四感光点之间的光强差值小于等于第四误差设定值，则记录此时的A_x、A_y和U_c；否则返回步骤S211；

S215、在光源组件沿长度方向的倾角为a_x且同时沿宽度方向的倾角为a_y时，获取第五感光点的光强u_c；

比较U_c和u_c大小，若u_c＞U_c，则将步骤S211中的A_x值、A_y值和U_c值对应更新为a_x值、a_y值和u_c值；否则不更新；

S216、将步骤S211中的a₀值变为原来的一半，并返回步骤S212，直至a₀小于预设值时，停止循环并输出此时的沿长度方向的倾角A_x和沿宽度方向的倾角A_y作为光线垂直照射反光镜面时，反光镜面的角度。

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