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Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的锄草机器人系统及方法，包括机器人移动平台，用于执行所述机器人系统在田间的行进动作；田间导航装置，用于获取所述机器人系统运动所需的导航参数，并将其发送给机器人控制系统；田间苗草识别装置，用于对田间苗草图像信息进行采集，根据田间苗草图像信息进行苗体识别，得到识别数据，及计算苗体坐标和苗间距，并将苗体坐标和苗间距数据发送给所述机器人控制系统；锄草装置，用于执行锄草动作；机器人控制系统，用于按照所接收的导航参数控制所述机器人移动平台执行在田间的行进动作，并根据苗体坐标和苗间距数据控制所述锄草装置执行锄草动作。本发明可实现对田间作物的快速、精确锄草作业。

Description

基于机器视觉的锄草机器人系统及方法
技术领域
本发明涉及一种机器人技术领域，尤其是涉及一种基于机器视觉技术的、用于稀植类作物的田间锄草机器人系统及方法。
背景技术
农田杂草是农业生态系统中的一个组成部分，据2002年统计，全国农田草害发生面积11.33亿亩。其中，菜田草害中杂草发生密度最大可达3000株/m2以上，一般为500株/m2左右，少者亦达50-100株/m2。稀植蔬菜如花菜、甘蓝、生菜等，由于裸地面积大，杂草发生密度大、危害更为严重。
目前常用的除草方式为化学除草和人工除草。我国化学除草面积已超12亿亩，年耗除草剂10万-12万吨，占农药使用量30％-40％，30％-70％的除草剂会残留在土壤与空气中。长期以来以化学除草为主的方式已造成农田杂草种群更替、除草剂药害频发、杂草抗药性增强、食物中残留积聚及日益严峻的环境污染等问题。其中，我国除草剂药害每年达3000万亩，严重药害面积超过500万亩，当茬及后茬作物严重受害，农民直接收益减少近40％。而农田人工锄草用工年均50亿-60亿个劳动日，相当于1400万-1600万人常年从事锄草工作，占农田总用工量的1/3-1/2，但仍造成作物减产15％-25％，各类作物减产约1.5亿吨，相当于5亿人一年的口粮。
替代化学除草技术的机械锄草技术可大幅提高工作效率，但现有锄草机械装置大部分以行间锄草为主，极少数带有苗间锄草功能的锄草机械装置也因伤苗率高、锄草效率低等原因均未得到广泛应用，仍停留在实验研究阶段。因此，研究自动化精准锄草机械作为精细农业保护性耕作的关键技术之一正在得到世人重新认识，自动化精准锄草机械因其不可替代的优势，在不久的将来必将成为取代除草剂、发展精细耕作的可持续农业生产的重要技术手段。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何实现对田间作物(尤其是针对稀植类作物)的快速、精确锄草作业。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于机器视觉的锄草机器人系统，包括机器人移动平台、田间导航装置、田间苗草识别装置、锄草装置以及机器人控制系统；
所述机器人移动平台用于执行所述机器人系统在田间的行进动作；
所述田间导航装置用于获取所述机器人系统运动所需的导航参数，并将其发送给所述机器人控制系统；
田间苗草识别装置用于对田间苗草图像信息进行采集，根据田间苗草图像信息进行苗体识别，以及计算苗体坐标和苗间距，并将苗体坐标和苗间距数据发送给所述机器人控制系统；
所述锄草装置用于执行锄草动作；
所述机器人控制系统用于按照所接收的导航参数控制所述机器人移动平台执行在田间的行进动作，并根据所述苗体坐标和苗间距数据控制所述锄草装置执行锄草动作。
其中，所述机器人移动平台包括四轮驱动的移动平台本体。
其中，所述田间导航装置包括彩色CCD摄像机视觉系统和车载差分全球定位系统，所述车载差分全球定位系统用于执行相对大范围内机器人系统的路径规划与导航；所述彩色CCD摄像机视觉系统用于执行相对小范围内作物垄行的识别并获取导航参数。
其中，所述锄草装置包括锄具和锄具悬挂机械臂，所述锄具包括直流伺服电机、用于苗间锄草的耙形旋转锄刀及用于行间锄草的固定铲形锄刀，所述直流伺服电机中减速机的输出轴通过联轴器与耙形旋转锄刀的刀柄连接，所述固定铲形锄刀为两个，分别位于所述耙形旋转锄刀的两侧。
其中，所述锄具悬挂机械臂包括锄具抬升机构及地面仿形机构，所述锄具抬升机构为电推缸，其固定部与移动平台本体的车架铰接，伸缩部与所述地面仿形机构铰接；所述地面仿形机构与所述直流伺服电动机连接，用于带动所述锄具沿竖直方向上下浮动。
本发明还提供了一种利用上述的系统进行锄草的方法，包括以下步骤：
所述田间导航装置获取所述机器人系统运动所需的导航参数，并将其发送给所述机器人控制系统；
所述田间苗草识别装置用于对田间苗草图像信息进行采集，根据田间苗草图像信息进行苗体识别，以及计算苗体坐标和苗间距，并将坐标和苗间距数据发送给所述机器人控制系统；
所述机器人控制系统按照所接收到的导航参数控制所述机器人移动平台执行在田间的行进动作，并根据所述坐标和苗间距数据控制所述锄草装置执行锄草动作。
其中，根据所述坐标和苗间距数据控制所述锄草装置执行锄草动作具体为：所述机器人控制系统控制锄具悬挂机械臂带动锄具下降至耙形旋转锄刀的耙齿全部插入土壤，然后控制耙形旋转锄刀开始旋转，根据所述坐标和苗间距数据实时调整耙形旋转锄刀的旋转速度及转角，使耙形旋转锄刀形成与作物苗间距相适应的耙齿旋移曲线，以清除苗间杂草；同时固定铲形锄刀在随所述机器人移动平台行进的过程中清除行间杂草。
(三)有益效果
本发明针对稀植类作物进行设计，利用多传感器融合的田间导航和基于机器视觉的草苗快速识别技术，通过视觉伺服控制系统控制锄草刀具精确作业，在实现有效机械锄草的同时极大程度的降低了伤苗率，减少了农业污染。
附图说明
图1为本发明实施例的基于机器视觉的锄草机器人系统结构示意图；
图2为本发明实施例的系统中锄具的结构示意图；
图3为本发明实施例的系统中机器人控制系统的结构示意图；
图4为本发明实施例的机器人系统的锄草作业示意图。
图中：1、机器人移动平台；2、彩色CCD摄像机视觉系统；3、机器人控制系统；4、车载DGPS系统；5、能源供给装置；6、锄具抬升机构；7、直流伺服电机；8、弹簧减震器；9、四连杆机构；10、耙形旋转锄刀；11、固定铲形锄刀；12、移动平台本体；13、旋转编码器；14、直流有刷电机；15、减速机；16、联轴器。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明针对稀植类作物进行设计，利用多传感器融合的田间导航和基于机器视觉的草苗快速识别技术，通过视觉伺服控制系统控制锄草刀具精确作业，在实现有效机械锄草的同时极大程度的降低了伤苗率，减少了农业污染。
本发明的一种基于机器视觉的锄草机器人系统，包括机器人移动平台1、基于多传感器融合技术的田间导航装置、田间苗草识别装置、一种高效低误伤率锄具、锄具悬挂机械臂以及机器人控制系统。机器人田间作业时由多传感器融合下的田间导航装置引导机器人系统沿作物行行走，基于机器视觉的田间苗草识别装置对田间苗草信息进行采集，并完成作物苗体识别、苗体间相对位置计算，通过实时调整锄刀的转速与转角以适应作物苗体间距的变化，最终完成对我国移栽类蔬菜、玉米、大豆等稀植类、易滋生杂草且种植规则的农作物田间杂草的机械化清除。锄刀每转过120度可完成一个苗间距的锄草工作，锄刀需要伸到苗间区域锄草，因此要求苗与苗之间必须有一定间距，否则锄刀无法工作。例如小麦等这样的条播作物是无法用本发明进行除草作业的。因此是针对稀植类作物进行设计的。
上述机器人移动平台1包括四轮驱动的高地隙移动平台本体12、能源供给系统5。考虑到锄草机器人需在底盘上挂载锄草锄具(见图2)并要跨越作物垄行作业，为了给锄具留有安装和作业空间，以及避免移动平台底盘刮伤作物苗体，本发明所涉锄草机器人移动平台采用高地系底盘设计。机器人控制系统包括车载工业计算机、多轴电机运动控制器及电机驱动器，主要担负导航信息及苗草图像信息的处理、移动平台的运动规划及锄具运动控制等任务，是整个机器人的控制核心。
上述基于多传感器融合技术的田间导航装置由彩色CCD摄像机视觉系统2和车载DGPS(Differential Global Positioning System，差分全球定位系统)系统4组成，车载DGPS系统4实现大环境下机器人路径规划与导航，彩色CCD摄像机视觉系统2完成小范围内作物垄行识别并获取精确导航数据信息。田间苗草识别装置的功能也可以通过彩色CCD摄像机视觉系统2结合苗草快速识别软件实现，彩色CCD摄像机视觉系统2获取田间图像信息，苗草快速识别软件对所得图像进行分析处理，得到作物苗体坐标、苗间距等信息，并将此信息传送给视觉伺服控制系统用以指导锄具的运动。
高效低误伤率锄具(见图2)由直流伺服电机7、用于苗间锄草的耙形旋转锄刀10及用于行间锄草的固定铲形锄刀11组成。直流伺服电机7集直流有刷电机14、减速机15及旋转编码器13与一体，减速机15的输出轴通过联轴器16与耙形旋转锄刀10刀柄相连，直流伺服电机7转动可带动耙形锄刀10一同旋转作业。
锄具悬挂机械臂包括锄具抬升机构6及地面仿形机构，锄具抬升机构6为一电推缸，其固定部(上部)与车架铰接，伸缩部(下部)与地面仿形机构铰接，伸缩部的伸缩可带动锄具升起与落下，升起时为方便非作业状态运输，落下后即可进行田间锄草作业；仿形机构由弹簧减震器8及四连杆机构9组成。当锄具作业过程中遇到地面坑洼不平时，锄具可沿竖直方向上下浮动，避免耙形旋转锄刀10和固定铲形锄刀11与地面始终处于刚性接触状态而损坏锄具。
机器人控制系统3包括四个模块(参见图3)，即机器人移动平台运动控制系统(包括车载工业计算机、多轴电机运动控制系统和电机驱动系统)、田间导航系统(包括控制彩色CCD摄像机视觉系统2的视觉导航控制系统和控制车载DGPS系统的车载DGPS控制系统)、视觉伺服控制系统(包括视觉伺服控制器及其控制软件)、锄具悬挂机械臂运动控制及耙形锄刀旋转运动控制系统(包括电机运动控制系统和电机驱动系统)。其中，视觉伺服控制器的作用是结合其控制软件将苗草快速识别软件所得苗体坐标、苗间距等数据用于实时调整旋转锄刀的转速与转角，以适应作物苗体与锄刀间距离及苗间距的变化，进而实现清除苗间杂草的同时有效避让作物苗体。
机器人进行田间锄草作业时，由彩色CCD摄像机视觉系统和DGPS系统组成的田间行走导航系统得到机器人自主运动的导航参数并将其发送给机器人控制系统，机器人控制系统按照导航参数控制机器人沿作物垄行行进，并同时控制锄具悬挂机械臂带动锄具下降至耙形旋转锄刀耙齿部分全部插入土壤为止，此时机器人系统完全进入锄草作业状态。接下来，机器人控制系统控制耙形旋转锄刀开始旋转，田间苗草识别装置实时获取田间苗草图像信息，并进行作物苗体识别、坐标位置确定及苗间距计算，并将所得结果发送至视觉伺服控制系统，视觉伺服控制系统依据苗间距变化情况实时调整耙形锄刀旋转速度及转角，使其形成与作物苗间距相适应的耙齿旋移曲线，以实现清除苗间杂草的同时能有效避让作物苗体，同时固定铲形锄刀在随平台行进过程中已将行间杂草铲除，最终通过耙形旋转锄刀和固定铲形锄刀的联合作业即可清除行间及苗间杂草(如图4所示)。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种基于机器视觉的锄草机器人系统，其特征在于，包括机器人移动平台、田间导航装置、田间苗草识别装置、锄草装置以及机器人控制系统；
所述机器人移动平台用于执行所述机器人系统在田间的行进动作；
所述田间导航装置用于获取所述机器人系统运动所需的导航参数，并将其发送给所述机器人控制系统；
田间苗草识别装置用于对田间苗草图像信息进行采集，根据田间苗草图像信息进行苗体识别，以及计算苗体坐标和苗间距，并将苗体坐标和苗间距数据发送给所述机器人控制系统；
所述锄草装置用于执行锄草动作；
所述机器人控制系统用于按照所接收的导航参数控制所述机器人移动平台执行在田间的行进动作，并根据所述苗体坐标和苗间距数据控制所述锄草装置执行锄草动作。
2.如权利要求1所述的基于机器视觉的锄草机器人系统，其特征在于，所述机器人移动平台包括四轮驱动的移动平台本体(12)。
3.如权利要求1所述的基于机器视觉的锄草机器人系统，其特征在于，所述田间导航装置包括彩色CCD摄像机视觉系统(2)和车载差分全球定位系统(4)，所述车载差分全球定位系统(4)用于执行相对大范围内机器人系统的路径规划与导航；所述彩色CCD摄像机视觉系统(2)用于执行相对小范围内作物垄行的识别并获取导航参数。
4.如权利要求1所述的基于机器视觉的锄草机器人系统，其特征在于，所述锄草装置包括锄具和锄具悬挂机械臂，所述锄具包括直流伺服电机(7)、用于苗间锄草的耙形旋转锄刀(10)及用于行间锄草的固定铲形锄刀(11)，所述直流伺服电机(7)中减速机(15)的输出轴通过联轴器(16)与耙形旋转锄刀(10)的刀柄连接，所述固定铲形锄刀(11)为两个，分别位于所述耙形旋转锄刀(10)的两侧。
5.如权利要求4所述的基于机器视觉的锄草机器人系统，其特征在于，所述锄具悬挂机械臂包括锄具抬升机构(6)及地面仿形机构，所述锄具抬升机构(6)为电推缸，其固定部与移动平台本体(12)的车架铰接，伸缩部与所述地面仿形机构铰接；所述地面仿形机构与所述直流伺服电动机(7)连接，用于带动所述锄具沿竖直方向上下浮动。
6.一种利用权利要求1～5任一项所述系统进行锄草的方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述田间导航装置获取所述机器人系统运动所需的导航参数，并将其发送给所述机器人控制系统；
所述田间苗草识别装置对田间苗草图像信息进行采集，根据田间苗草图像信息进行苗体识别，以及计算苗体坐标和苗间距，并将苗体坐标和苗间距数据发送给所述机器人控制系统；
所述机器人控制系统按照所接收到的导航参数控制所述机器人移动平台执行在田间的行进动作，并根据所述苗体坐标和苗间距数据控制所述锄草装置执行锄草动作。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，根据所述苗体坐标和苗间距数据控制所述锄草装置执行锄草动作具体为：所述机器人控制系统控制锄具悬挂机械臂带动锄具下降至耙形旋转锄刀的耙齿全部插入土壤，然后控制耙形旋转锄刀开始旋转，根据所述苗体坐标和苗间距数据实时调整耙形旋转锄刀的旋转速度及转角，使耙形旋转锄刀形成与作物苗间距相适应的耙齿旋移曲线，以清除苗间杂草；同时固定铲形锄刀在随所述机器人移动平台行进的过程中清除行间杂草。
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