CN101589705A - 一种激光除草机器人 - Google Patents
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Abstract
一种激光除草机器人，涉及农业机器人领域。由自主移动小车、横向移动装置、激光除草装置和控制系统(1)组成。主视觉系统(2)探测前方信息以引导自主移动小车沿作物的行方向前进，同时从视觉系统(9)对草进行识别和定位，由控制系统(1)根据草的位置信息控制自主移动小车在沿作物行方向的前进运动，同时通过横向移动装置控制聚焦透镜(10)在垂直作物行方向的横向移动，从而使激光光束准确聚焦于草上，通过激光在草上产生的热效应将草割断或烧死。动作精确迅速，适用于行间和作物苗周围的除草，不存在耕起的土块压苗现象，作物苗的损伤率大大降低，且能耗低，通用性强。
Description
技术领域
本发明涉及农业机器人领域，特别涉及一种激光除草机器人。
背景技术
目前广泛采用的人工化学除草方法，对生态环境、农产品安全以及人体健康都造成了严重威胁，非化学的自动化除草方法开始受到越来越多的重视。在行间、行内和作物苗周围三类区域中，行间除草易于实现机械化，而行内和作物苗周围区域的除草，对机器的智能化和执行装置性能的要求极高，至今未有成熟方案。丹麦开发了转齿除草装置(Griepentrog.Autonomous intra-row rotor weeding based on GPS.Proceedings of CIGR World CongressAgricultural Engineering for a Better World，2006.)，德国开发了纵向转锄除草装置(Z.Gobor.Prototype of a rotary hoe for intra-row weeding.12th IFToMM World Congress，2007：1-5.)、英国开发了缺口耕盘除草装置(N.D.Tillett.Mechanical within-row weed control for transplantedcrops using computer vision.Biosystem s Engineering，2008，99：171-178.)，以上机械除草装置虽然进行了试验验证，但用于自动化除草时仍存在以下问题：
(1)由于受机械装置的运动控制精度限制造成的机械伤害、耕起的土块压苗等原因，造成作物苗的损伤率较高；
(2)在越靠近作物苗的周围，草被作物冠层所遮挡，无法被竖直方向的视觉系统发现；同时由于运动控制精度限制，作物苗周围区域的草无法除去；
(3)机械装置存在的下犁(锄)问题，对控制要求更高，而工作效率受到影响；
(4)机械装置特定的尺寸结构无法适应不同作物和不同栽培方式下行距与株距的变化。
发明内容
为了克服现有自动化除草方法和装置的不足，本发明提供一种激光除草机器人，利用激光的热效应实现行内和作物苗周围区域的除草。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：主视觉系统探测前方信息以引导自主移动小车沿作物的行方向前进，同时从视觉系统对草进行识别和定位，由控制系统根据草的位置信息控制自主移动小车在沿作物行方向的前进运动，同时通过横向移动装置控制聚焦透镜在垂直作物行方向的横向移动，从而使激光光束准确聚焦于草上，通过激光在草上产生的热效应将草割断或烧死。
本发明的有益效果是，动作精确迅速，适用于行间和作物苗周围的除草，不存在耕起的土块压苗现象，作物苗的损伤率大大降低，且能耗低，通用性强。
附图说明
图1为激光除草机器人主视示意图。
图2为激光除草机器人左视示意图。
图3为激光除草机器人控制方案示意图。
图4为上连接板结构示意图。
图5为下连接板结构示意图。
图6为激光除草机器人田间作业示意图。
图中，1.控制系统，2.主视觉系统，3.行程开关，4.车体，5.车架，6.车轮，7.上连接板，8.下连接板，9.从视觉系统，10.聚焦透镜，11.齿轮齿条机构，12.电池组，13.激光单元，14.车轮电机，15.车轮电机驱动器，16.车轮电机编码器，17.横移电机，18.横移电机驱动器，19.横移电机编码器，20.驱动电源，21.光纤耦合半导体激光器，22.长通槽，23.螺栓孔。
具体实施方式
如图1～图3所示，该激光除草机器人由自主移动小车、横向移动装置、激光除草装置和控制系统(1)组成。
其中控制系统(1)由工控机、多轴运动控制卡和输入/输出接口板组成。
其中自主移动小车包括主视觉系统(2)、车体(4)、车架(5)、车轮(6)、电池组(12)、车轮电机(14)、车轮电机驱动器(15)、车轮电机编码器(16)。主视觉系统(2)安装于车体(4)的车头位置，探测前方信息以引导自主移动小车沿作物的行方向前进；车体(4)下方安装有电池组(12)，为除草机器人提供动力；四个车轮(6)由车架(5)支承，并分别由一个车轮电机(14)带动；车轮电机编码器(16)安装于车轮电机(14)的轴上，检测车轮电机(14)的转动位置信息并输入控制系统(1)，实现车轮电机(14)的伺服运动控制。
横向移动装置包括横移电机(17)、齿轮齿条机构(11)、上连接板(7)、下连接板(8)、行程开关(3)、横移电机驱动器(18)、横移电机编码器(19)。横移电机(17)安装于车体(4)上，横移电机(17)与齿轮齿条机构(11)内的齿轮连接，通过齿轮齿条机构(11)将横移电机(4)的转动变换为齿条的直线移动；上连接板(7)与齿轮齿条机构(11)内的齿条固定；如图(4)和图(5)所示，上连接板(7)上开有长通槽(22)，下连接板(8)上开有两个螺栓孔(23)，下连接板(8)与上连接板(7)通过长通槽(22)和两个螺栓孔(23)由螺栓连接，通过上下调节长通槽(22)与螺栓孔(23)的相对位置，可以调整下连接板(8)距离地面的高度；车体上安装行程开关(3)，对上连接板(7)横向移动的极限位置进行安全限位；横移电机编码器(19)安装于横移电机(17)的轴上，检测横移电机(17)的转动位置信息并输入控制系统(1)，实现横移电机(17)的伺服运动控制。
激光除草装置包括激光单元(13)、聚焦透镜(10)和从视觉系统(9)。激光单元(13)包括光纤耦合半导体激光器(21)及其驱动电源(20)，驱动电源(20)对光纤耦合半导体激光器(21)进行恒流供电，驱动电源(20)与控制系统(1)相连，由控制系统(1)控制驱动电源(20)的开断和输出电流的大小，从而控制光纤耦合半导体激光器(21)的工作/停止和输出激光光束的功率；光纤耦合半导体激光器(21)通过光纤与聚焦透镜(10)相连，通过聚焦透镜(10)使激光光束聚焦；光纤耦合半导体激光器(21)和从视觉系统(9)均固定于下连接板(8)上，并与地面成15°～30°倾角，由从视觉系统(9)对草进行识别和定位。
如图1～图6，在激光除草机器人工作过程中，主视觉系统(2)探测前方信息以引导自主移动小车沿作物的行方向前进，此时从视觉系统(9)对草进行识别和定位，由控制系统(1)根据草的位置信息控制自主移动小车在沿作物行方向的前进运动，同时通过横向移动装置控制聚焦透镜(10)在垂直作物行方向的横向移动，从而使激光光束准确聚焦于草上，由于激光的能量高度集中，通过激光在草上产生的热效应，将草割断或烧死。由于从视觉系统(9)与聚焦透镜(10)相对位置固定并与地面成15°～30°倾角，可以避免现有自动化除草装置中竖直方向视觉系统无法发现被作物冠层所遮挡的草的问题。对于不同土壤和不同作物生长期，通过上下调节螺栓连接时长通槽(22)与螺栓孔(23)的相对位置，可以对激光光束聚焦点距离地面的高度进行调整，从而调节除草时留茬的高度。
Claims (3)
1.一种激光除草机器人，其特征在于：由自主移动小车、横向移动装置、激光除草装置和控制系统(1)组成；其中自主移动小车包括主视觉系统(2)、车体(4)、车架(5)、车轮(6)、电池组(12)、车轮电机(14)、车轮电机驱动器(15)、车轮电机编码器(16)，主视觉系统(2)安装于车体(4)的车头位置，电池组(12)安装于车体(4)下方，四个车轮(6)由车架(5)支承，并分别由一个车轮电机(14)带动；横向移动装置包括横移电机(17)、齿轮齿条机构(11)、上连接板(7)、下连接板(8)、行程开关(3)、横移电机驱动器(18)、横移电机编码器(19)，横移电机(17)安装于车体(4)上，横移电机(17)与齿轮齿条机构(11)内的齿轮连接，上连接板(7)与齿轮齿条机构(11)内的齿条固定，下连接板(8)与上连接板(7)由螺栓连接，车体(4)上安装行程开关(3)；激光除草装置包括激光单元(13)、聚焦透镜(10)和从视觉系统(9)，激光单元(13)包括光纤耦合半导体激光器(21)及其驱动电源(20)，驱动电源(20)与控制系统(1)相连，光纤耦合半导体激光器(21)通过光纤与聚焦透镜(10)相连，光纤耦合半导体激光器(21)和从视觉系统(9)均固定于下连接板(8)上。
2.根据权利要求1所述的一种激光除草机器人，其特征在于：光纤耦合半导体激光器(21)和从视觉系统(9)均与地面成15°～30°倾角。
3.根据权利要求1所述的一种激光除草机器人，其特征在于：上连接板(7)上开有长通槽(22)，下连接板(8)上开有两个螺栓孔(23)，下连接板(8)与上连接板(7)通过长通槽(22)和两个螺栓孔(23)由螺栓连接。
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