CN102598903A - 一种株间机械除草爪齿避苗控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，包括确定除草爪齿运动轨迹方程和相关参数，采用与前进速度匹配的目标角速率PID控制器获得稳定和准确的除草爪齿转速，由爪齿运动轨迹方程、前进速度和实际角速率，前进速度误差和实际角速率误差得到除草爪齿预测运动轨迹，分析了除草爪齿预测运动轨迹和目标作物位置关系存在的三种除草爪齿碰撞目标作物的判断条件，根据判断结果可输出除草爪齿控制决策。本发明充分利用了余摆线运动株间除草原理，可提供精确可靠的株间除草爪齿旋转速度和避苗控制信号，适应于运用余摆线理论、具有避让目标作物功能的株间除草装置或系统，有利于提高株间机械除草的除草效果，降低伤苗率。

Description

一种株间机械除草爪齿避苗控制方法

技术领域

本发明属于机械除草技术领域，具体涉及一种株间机械除草爪齿避苗控制方法。

背景技术

智能化的株间机械除草技术能选择性地对株间杂草进行机械移除，利用除草爪齿余摆运动原理实现株间区域除草技术的相关报道有奥斯纳布吕克大学与Amazone Werke联合开发的摆线锄机械除草装置(Griepentrog，HW，

M，Nielsen J.Autonomous intra-row rotor weeding based onGPS[C]//2006 CIGR World Congress Agricultural Engineering for a BetterWorld，Bonn，Germany，2006)、中国发明专利申请一种除草机器人的六爪执行机构(发明专利申请号：200810019830.3)、张朋举等(张朋举，张纹，陈树人，等.八爪式株间机械除草装置虚拟设计与运动仿真[J].农业机械学报，2010，41(4)：56-59)设计的八爪式苗间除草装置和张春龙等(张春龙，黄小龙，耿长兴，等.智能锄草机器人系统设计与仿真[J].农业机械学报，2011，42(7)：196-199)设计的三指手爪锄草机械手。为了避免除草爪齿损伤目标作物，除草爪齿任一根爪齿的旋转半径应能改变，株间除草时半径较大，避让目标作物时半径较小。通常情况是除草爪齿绕主轴旋转靠目标作物行的半周旋转半径是可以改变的，除草爪齿的旋转半径的切换由半径改变起点处的控制机构实现的。控制机构的特点是除草爪齿任一根爪齿的旋转半径通过切换机构决策为大半径或小半径，一次旋转周内除草爪齿的旋转半径不能再改变，即不可控制从大半径切换至小半径或从小半径切换至大半径。因此，准确的控制每根除草爪齿的旋转半径切换是保证株间区域除草面积和避免除草爪齿损伤目标作物的关键。

基于GPS的摆线锄机械除草装置的控制系统(

M，Griepentrog HW，Nielsen J，et al.The development and assessment of theaccuracy of an autonomous GPS-based system for intra-row mechanical weedcontrol in row crops[J].Biosystems Engineering，2008，101(4)：396-410)的除草爪齿避苗控制是根据装置上的某一参考点与目标作物的距离来控制改变除草爪齿半径的锁齿释放或锁定，释放距离和锁定距离由机械结构、速比等参数确定。陈树人等(陈树人，张朋举，周恩权.基于LabVIWE的八爪式株间除草装置控制及实验研究[C].2010国际农业工程大会论文集.2010，11：298-303)对八爪除草装置的控制策略是当目标作物的y坐标与电磁铁的实时纵坐标位置b满足-5cm＜y-b＜7cm(-5cm为离去距离，7cm为接近距离)时电磁铁通电，使电磁铁吸合控制铲齿保持避让目标作物的状态，达到避让目标作物的目的。然而以上方法的控制规则的参数都需通过实验确定，且易受前进速度的影响。因此，精确可靠的株间除草爪齿避苗控制方法对保证株间机械除草的除草效果和减少伤苗率相当重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种精确可靠、保证株间机械除草效果和减少伤苗率株间机械除草爪齿避苗控制方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于包括下述步骤：

一、根据除草爪齿的前进速度、实际角速度、运行时间、爪齿初始圆心角、相邻爪齿间圆心角、爪齿旋转半径，以及除草爪齿旋转中心与目标作物行中心的距离的函数关系，确定除草爪齿的运动轨迹；

二、根据除草爪齿的实际旋转线速度与前进速度之比，计算出速比；

三、转速控制器根据速比、除草爪齿的前进速度、爪齿旋转半径的函数关系，计算出与前进速度匹配的目标角速率，转速控制器将目标角速率输入到PID控制器；

四、PID控制器向驱动器输出控制信号，驱动器根据控制信号调节电机转速；电机驱动除草爪齿的旋转，控制除草爪齿主轴角速率；转速传感器测量除草爪齿主轴角速率并反馈至PID控制器输入端，转速传感器与转速控制器、PID控制器、驱动器、电机形成控制闭环，控制除草爪齿的转速；

五、根据除草爪齿的爪齿旋转半径、前进速度和实际角速度，以及前进速度和实际角速度的误差预测除草爪齿的运动轨迹；

六、避苗控制器根据预测的除草爪齿运动轨迹和目标作物信息判断是否需要避让目标作物；

七、若满足避苗条件，避苗控制器向执行机构发出信号控制除草爪齿的爪齿旋转半径减小；若未满足避苗条件，除草爪齿的爪齿旋转半径保持旋转半径进入株间区域除草。

本发明的株间机械除草爪齿避苗控制方法的流程如下：

一、根据除草爪齿的前进速度、实际角速度、运行时间、爪齿初始圆心角、相邻爪齿间圆心角、爪齿旋转半径，以及除草爪齿旋转中心与目标作物行中心的距离的函数关系，建立除草爪齿余摆运动轨迹方程，依据运动轨迹方程可预测出每根除草爪齿的运动轨迹：

除草爪齿的前进速度、实际角速度、运行时间、爪齿初始圆心角、相邻爪齿间圆心角、爪齿旋转半径，以及除草爪齿旋转中心与目标作物行中心的距离的函数关系：

目标作物行中心线定义为X轴，以目标作物行中心线为X轴建立坐标系XOY，i为除草爪齿序号(0，1，2，...)，v_m为前进速度，ω_o为实际角速度，t为运行时间，初始运行时间定义为0，β为相邻爪齿间圆心角，γ为爪齿初始圆心角，R_r为爪齿旋转半径，H为除草爪齿旋转中心至X轴的距离，函数关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=v_m\·t+R_r\·\cos ({\mathrm{\ω}}_o\·t-i\·\mathrm{\β}+\mathrm{\γ})\\ y_i=H-R_r\·\sin ({\mathrm{\ω}}_o\·t-i\·\mathrm{\β}+\mathrm{\γ})\end{array}\right..---\left(1\right)$

二、根据除草爪齿的实际旋转线速度与前进速度之比，计算出速比，确定方程相关参数：

速比是指除草爪齿旋转线速度和前进速度之比，λ为速比，如式(2)表示：

λ＝ω·R_r/v_m        (2)

为达到株间覆盖率，除草爪齿的实际旋转线速度与前进速度之比的确定方法为环扣的最宽距离为株距的0.5倍法、仿真分析法或直接计算法，总之都是建立目标旋转角速率与前进速度的关系。

三、转速控制器根据速比、除草爪齿的前进速度、爪齿旋转半径的函数关系，计算出与前进速度匹配的目标角速率ω：

速比、除草爪齿的前进速度、爪齿旋转半径的函数关系如式(3)表示：

λ为速比，v_m为除草爪齿的前进速度，R_r为爪齿旋转半径，ω为目标角速率，是保证株间区域除草覆盖率和准确预测除草爪齿运动轨迹的重要参数，函数关系为：

ω＝λ·v_m/R_r        (3)

H决定了爪齿运动轨迹的环扣进入株间区域的程度，X轴至环扣顶点的距离D为：

D＝R_r-H              (4)

转速控制器将目标角速率ω输入到PID控制器。

四、根据式(3)计算得到的目标角速率ω，PID控制器向驱动器输出PWM控制信号，驱动器根据PWM控制信号调节电机转速，电机驱动除草爪齿的旋转，控制除草爪齿主轴角速率，同时转速传感器测量除草爪齿主轴角速率并反馈至PID控制器输入端，转速传感器与转速控制器、PID控制器、驱动器、电机形成控制闭环，从而获得准确、稳定的除草爪齿转速。电机驱动为无刷电机驱动。

五、根据除草爪齿的爪齿旋转半径、前进速度和目标角速率，以及前进速度和目标角速率的误差预测除草爪齿的运动轨迹：

预测除草爪齿的运动轨迹包括预测时间的确定、运动轨迹环扣顶点坐标值预测和预测轨迹环扣最宽处两端点的X轴坐标值x_l和x_p：

除草爪齿顺时针旋转一周有两次y＝H，x值较大的一次定义为第一次，用表示，另一次定义为第二次，用

表示；除草爪齿以株间除草半径旋转其运动轨迹形成余摆线环扣，从

处旋转圆周，也即

时为爪齿运动轨迹余摆线环扣顶点，除草爪齿运动轨迹环扣最宽处在X轴上投影线段最长，两端点的X轴坐标分别定义为x_l和x_p，且x_l＜x_p，除草爪齿运动轨迹环扣顶点的X轴坐标定义为x_b，

①预测时间的确定：

除草爪齿从至

环扣顶点所需时间t_pre，如下式所示：

$t_{\mathrm{pre}}=\frac{\mathrm{\π}}{2\·{\mathrm{\ω}}_o};---\left(5\right)$

②运动轨迹环扣顶点坐标值预测：

除草爪齿余摆运动轨迹的环扣顶点可由爪齿在

时的坐标(x₀，y₀)，时间t_pre和余摆运动方程(1)计算得到，环扣顶点坐标值(x_b，y_b)计算式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_b=x_0+v_m\·t_{\mathrm{pre}}+R_r\·\cos ({\mathrm{\ω}}_o\·t_{\mathrm{pre}})\\ y_b=y_0-R_r\·\sin ({\mathrm{\ω}}_o\·t_{\mathrm{pre}})\end{array}\right.;---\left(6\right)$

③轨迹环扣最宽处两端点的X轴坐标值x_l和x_p预测

由环扣顶点X轴坐标值和环扣最宽距离计算出x_l和x_p，分别如式(7)和式(8)所示：

$x_l=x_b-\frac{R_r}{\mathrm{\λ}}(\arcsin \frac{1}{\mathrm{\λ}}+\sqrt{{\mathrm{\λ}}^2-1}-\frac{\mathrm{\π}}{2})+{\mathrm{\ϵ}}_l---\left(7\right)$

$x_p=x_b+\frac{R_r}{\mathrm{\λ}}(\arcsin \frac{1}{\mathrm{\λ}}+\sqrt{{\mathrm{\λ}}^2-1}-\frac{\mathrm{\π}}{2})+{\mathrm{\ϵ}}_p---\left(8\right)$

式中ε_p和ε_l表示由前进速度v_m和除草爪齿的目标角速率ω的误差而引入的运动轨迹预测误差。

六、避苗控制器根据预测的除草爪齿运动轨迹和目标作物信息判断是否需要避让目标作物：

目标作物信息包括目标作物中心的坐标(x_i，y_i)和用于描述目标作物大小的信息——目标作物中心到最外沿的距离r₀，目标作物信息通过计算机视觉处理软件获得。在以下三种情况下判断除草爪齿将会损伤目标作物：第一种情况是除草爪齿预测轨迹绕过目标作物，即目标作物位于环扣内部；第二种情况是除草爪齿预测轨迹在进入株间区域时碰撞到目标作物；第三种情况是除草爪齿在旋出株间区域时碰撞到目标作物，数学描述如下式：

式中d为除草爪齿与土壤接触面的宽度。

七、若满足避苗条件，避苗控制器向执行机构发出信号控制除草爪齿的爪齿旋转半径减小；若未满足避苗条件，除草爪齿的爪齿旋转半径保持原旋转半径进入株间区域除草。执行机构为电磁铁驱动除草齿控制机构。

本发明基于余摆线运动理论，采用PID控制除草爪齿旋转角速率，通过预测除草爪齿的运动轨迹以及分析预测轨迹与目标作物的相对位置关系，判断除草爪齿是否碰撞目标作物，从而准确控制除草爪齿避让目标作物。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明充分利用了余摆线运动株间除草原理，可提供精确可靠的株间除草爪齿旋转速度和避苗控制信号，适应于运用余摆线理论、具有避让目标作物功能的株间除草装置或系统，有利于提高株间机械除草的除草效果，降低伤苗率。

附图说明

图1为一种株间机械除草爪齿避苗控制方法原理图；

图2为除草爪齿碰撞目标作物情况一示意图，A为除草爪齿预测轨迹，B为目标作物；

图3为除草爪齿碰撞目标作物情况二示意图；

图4为除草爪齿碰撞目标作物情况三示意图；

图5为株间除草爪齿避苗控制方法Matlab仿真截图，C为除草时除草爪齿中心的运动轨迹，D为避苗时出除草爪齿中心的运动轨迹。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于包括下述步骤：

一、根据除草爪齿的前进速度v_m、实际角速度ω_o、运行时间t(初始运行时间定义为0)、爪齿初始圆心角γ、相邻爪齿间圆心角β、爪齿旋转半径R_r，以及除草爪齿旋转中心与目标作物行中心的距离H的函数关系，建立除草爪齿余摆运动轨迹方程，依据运动轨迹方程可预测出每根除草爪齿的运动轨迹：

以目标作物行中心线为X轴建立坐标系XOY，根据式(1)建立除草爪齿余摆运动轨迹方程，除草装置共八根除草爪齿，其在土壤表面的旋转半径为400mm：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=v_m\·t+R_r\·\cos ({\mathrm{\ω}}_o\·t-i\·\mathrm{\β}+\mathrm{\γ})\\ y_i=H-R_r\·\sin ({\mathrm{\ω}}_o\·t-i\·\mathrm{\β}+\mathrm{\γ})\end{array}\right..---\left(1\right)$

前进速度v_m由五轮仪提供，目标作物信息由计算机视觉处理软件获得，包括目标作物坐标(x_i，y_i)和目标作物大小的信息——目标作物中心到最外沿的距离r₀，除草爪齿的旋转由无刷电机驱动，除草爪齿的避苗控制切换由电磁铁驱动实现。

二、根据除草爪齿的旋转线速度与前进速度之比，计算出速比λ：

设定相邻两爪齿环扣顶点距离应尽可能小，环扣最宽距离和相邻两爪齿最窄距离相等时为除草效果最佳条件。

λ＝ω·R_r/v_m           (2)

在上述条件下，根据余摆运动特性和式(2)可直接计算确定λ＝1.388，相邻两爪齿环扣顶点距离113mm，环扣最宽距离等于相邻两爪齿最窄距离，均为57mm。为保证覆盖率，选取除草爪齿与土壤接触面宽度d为57mm。单根除草爪齿避苗运动的距离为120mm，X轴至环扣顶点的距离D＝60mm。

D＝R_r-H                 (4)

根据式(4)确定除草装置中心至X轴的距离H＝140mm。

三、如图1所示，转速控制器根据速比λ、除草爪齿的前进速度v_m、爪齿旋转半径R_r的函数关系：

ω＝λ·v_m/R_r           (3)

根据式(3)计算出与前进速度v_m匹配的目标角速率ω，转速控制器将目标角速率ω输入到PID控制器；

四、PID控制器向驱动器输出PWM控制信号，驱动器根据PWM控制信号调节电机转速，电机驱动除草爪齿的旋转，控制除草爪齿主轴角速度，即为实际旋转角速度ω_o，同时转速传感器测量除草爪齿主轴角速率ω_f并反馈至PID控制器输入端，转速传感器与转速控制器、PID控制器、驱动器、电机形成控制闭环，从而获得准确、稳定的除草爪齿转速。PID控制器输出PWM控制信号通过驱动器调节无刷直流电机的转速。PID的参数通过实验整定。

五、根据除草爪齿的爪齿旋转半径R_r、前进速度v_m和实际角速度ω_o，以及前进速度v_m和实际角速度ω_o的误差，根据式(5)、(6)、(7)和(8)，预测除草爪齿的运动轨迹：

①预测时间的确定

除草爪齿在

时，由式(5)确定除草爪齿运动至顶点所需时间t_pre：

$t_{\mathrm{pre}}=\frac{\mathrm{\π}}{2\·{\mathrm{\ω}}_o};---\left(5\right)$

②运动轨迹环扣顶点坐标值预测

由除草爪齿在

时的坐标(x₀，y₀)，时间t_pre和式(6)预测计算出环扣顶点坐标值(x_b，y_b)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_b=x_0+v_m\·t_{\mathrm{pre}}+R_r\·\cos ({\mathrm{\ω}}_o\·t_{\mathrm{pre}})\\ y_b=y_0-R_r\·\sin ({\mathrm{\ω}}_o\·t_{\mathrm{pre}})\end{array}\right.;---\left(6\right)$

③轨迹环扣最宽处两端点的X轴坐标值x_l和x_p预测：

$x_l=x_b-\frac{R_r}{\mathrm{\λ}}(\arcsin \frac{1}{\mathrm{\λ}}+\sqrt{{\mathrm{\λ}}^2-1}-\frac{\mathrm{\π}}{2})+{\mathrm{\ϵ}}_l---\left(7\right)$

$x_p=x_b+\frac{R_r}{\mathrm{\λ}}(\arcsin \frac{1}{\mathrm{\λ}}+\sqrt{{\mathrm{\λ}}^2-1}-\frac{\mathrm{\π}}{2})+{\mathrm{\ϵ}}_p---\left(8\right)$

由式(7)和式(8)分别预测计算出轨迹环扣最宽处两端点的X轴坐标值x_l和x_p，运动轨迹预测误差ε_p和ε_l根据前进速度v_m和除草爪齿的实际角速度ω_o的波动范围和实验确定。

六、避苗控制器根据预测的除草爪齿运动轨迹和目标作物信息判断是否需要避让目标作物：

避苗控制器利用目标作物的信息和预测的除草爪齿轨迹根据式(9)判断除草爪齿是否损伤目标作物。如图2所示，第一种情况，除草爪齿预测轨迹A绕过目标作物B，即目标作物B位于环扣内部，除草爪齿绕过目标作物B时损伤目标作物B，由于除草爪齿有一定的宽度，从而会伤到目标作物B；如图3所示，第二种情况，除草爪齿在进入株间区域时碰撞到目标作物B；如图4所示，第三种情况，除草爪齿在旋出株间区域时碰撞到目标作物B。避苗判断的三种情况考虑了除草爪齿与土壤接触面宽度d对损伤目标作物B的影响。

七、若满足避苗条件，避苗控制器向电磁铁驱动除草齿控制机构发出信号控制除草爪齿的爪齿旋转半径减小；若未满足避苗条件，除草爪齿的爪齿旋转半径保持原旋转半径进入株间区域除草。

如图5所示，ε_p和ε_l设定为0，图中除草爪齿在株间区域内按爪齿宽度57mm设定，为使运动轨迹清晰，株间区域之外的区域只显示了除草时除草爪齿中心的运动轨迹C和避苗时出除草爪齿中心的运动轨迹D。选取前进速度v_m为0.1m/s～1m/s、株距为25cm～50cm进行仿真分析，结果表明除草爪齿避苗控制准确性不受前进速度和株距的影响。

实施例二

本实施例除下述特征外同实施例一：为达到株间覆盖率，除草爪齿的实际旋转线速度与前进速度之比λ的确定方法为环扣的最宽距离为株距的0.5倍法。

实施例三

本实施例除下述特征外同实施例一：除草爪齿的实际旋转线速度与前进速度之比λ的确定方法为仿真分析法。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于包括下述步骤：

一、根据除草爪齿的前进速度、实际角速度、运行时间、爪齿初始圆心角、相邻爪齿间圆心角、爪齿旋转半径，以及除草爪齿旋转中心与目标作物行中心的距离的函数关系，确定除草爪齿的运动轨迹；

二、根据除草爪齿的旋转线速度与前进速度之比，计算出速比；

三、转速控制器根据速比、除草爪齿的前进速度、爪齿旋转半径的函数关系，计算出与前进速度匹配的目标角速率，转速控制器将目标角速率输入到PID控制器；

四、PID控制器向驱动器输出控制信号，驱动器根据控制信号调节电机转速；电机驱动除草爪齿的旋转，控制除草爪齿主轴旋转角速率；转速传感器测量除草爪齿主轴旋转角速率并反馈至PID控制器输入端，转速传感器与转速控制器、PID控制器、驱动器、电机形成控制闭环，控制除草爪齿的转速；

五、根据除草爪齿的爪齿旋转半径、前进速度和目标角速率，以及前进速度和目标角速率的误差预测除草爪齿的运动轨迹；

六、避苗控制器根据预测的除草爪齿运动轨迹和目标作物信息判断是否需要避让目标作物；

七、若满足避苗条件，避苗控制器向执行机构发出信号控制除草爪齿的爪齿旋转半径减小；若未满足避苗条件，除草爪齿的爪齿旋转半径保持原旋转半径进入株间区域除草。

2.根据权利要求1所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于：所述步骤一中，除草爪齿的前进速度、实际角速度、运行时间、爪齿初始圆心角、相邻爪齿间圆心角、爪齿旋转半径，以及除草爪齿旋转中心与目标作物行中心的距离的函数关系：

目标作物行中心线定义为X轴，以目标作物行中心线为X轴建立坐标系XOY，i为除草爪齿序号(0，1，2，...)，v_m为前进速度，ω_o为实际角速度，t为运行时间，初始运行时间定义为0，β为相邻爪齿间圆心角，γ为爪齿初始圆心角，R_r为爪齿旋转半径，H为除草爪齿旋转中心至X轴的距离，函数关系为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=v_m\·t+R_r\·\cos ({\mathrm{\ω}}_o\·t-i\·\mathrm{\β}+\mathrm{\γ})\\ y_i=H-R_r\·\sin ({\mathrm{\ω}}_o\·t-i\·\mathrm{\β}+\mathrm{\γ})\end{array}\right..$

3.根据权利要求2所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于：所述步骤三中，速比、除草爪齿的前进速度、爪齿旋转半径的函数关系：

λ为速比，v_m为除草爪齿的前进速度，R_r为爪齿旋转半径，ω为目标角速率，函数关系为：

ω＝λ·v_m/R_r。

4.根据权利要求3所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于：所述步骤五中，预测除草爪齿的运动轨迹包括预测时间的确定、运动轨迹环扣顶点坐标值预测和预测轨迹环扣最宽处两端点的X轴坐标值x_l和x_p：

除草爪齿顺时针旋转一周有两次y＝H，较大的一次定义为第一次，用

表示，另一次定义为第二次，用

表示；除草爪齿以株间除草半径旋转其运动轨迹形成余摆线环扣，从处旋转

圆周，也即

时为爪齿运动轨迹余摆线环扣顶点，除草爪齿运动轨迹环扣最宽处在X轴上投影线段最长，两端点的X轴坐标分别定义为x_l和x_p，且x_l＜x_p，除草爪齿运动轨迹环扣顶点的X轴坐标定义为x_b，

①预测时间的确定

除草爪齿从至

即环扣顶点所需时间t_pre，如下式所示：

$t_{\mathrm{pre}}=\frac{\mathrm{\π}}{2\·{\mathrm{\ω}}_o};$

②运动轨迹环扣顶点坐标值预测

除草爪齿余摆运动轨迹的环扣顶点坐标值(x_b，y_b)计算式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_b=x_0+v_m\·t_{\mathrm{pre}}+R_r\·\cos ({\mathrm{\ω}}_o\·t_{\mathrm{pre}})\\ y_b=y_0-R_r\·\sin ({\mathrm{\ω}}_o\·t_{\mathrm{pre}})\end{array}\right.;$

③轨迹环扣最宽处两端点的X轴坐标值x_l和x_p预测

由环扣顶点X轴坐标值和环扣最宽距离分别计算出：

$x_l=x_b-\frac{R_r}{\mathrm{\λ}}(\arcsin \frac{1}{\mathrm{\λ}}+\sqrt{{\mathrm{\λ}}^2-1}-\frac{\mathrm{\π}}{2})+{\mathrm{\ϵ}}_l$

和

$x_p=x_b+\frac{R_r}{\mathrm{\λ}}(\arcsin \frac{1}{\mathrm{\λ}}+\sqrt{{\mathrm{\λ}}^2-1}-\frac{\mathrm{\π}}{2})+{\mathrm{\ϵ}}_p$

式中ε_p和ε_l表示由前进速度v_m和实际角速率ω_o的误差而引入的运动轨迹预测误差。

5.根据权利要求4所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于：所述步骤六中，目标作物信息包括目标作物中心的坐标(x_i，y_i)和用于描述目标作物大小的信息——目标作物中心到最外沿的距离r₀，在以下三种情况下判断除草爪齿将会损伤目标作物：第一种情况是除草爪齿预测轨迹绕过目标作物，即目标作物位于环扣内部；第二种情况是除草爪齿预测轨迹在进入株间区域时碰撞到目标作物；第三种情况是除草爪齿在旋出株间区域时碰撞到目标作物，数学描述如下式：

式中d为除草爪齿与土壤接触面的宽度。

6.根据权利要求5所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于：所述步骤七中，执行机构为电磁铁驱动除草齿控制机构。

7.根据权利要求1所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于：所述步骤二中，除草爪齿的旋转线速度与前进速度之比的确定方法可采用环扣的最宽距离为株距的0.5倍法、仿真分析法或直接计算法。

8.根据权利要求1所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于：所述步骤四中，PID控制器向驱动器输出PWM控制信号，驱动器根据PWM控制信号调节电机转速。

9.根据权利要求1所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于：所述步骤四中，电机驱动为无刷电机驱动。

10.根据权利要求1所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于：所述步骤六中，目标作物信息通过计算机视觉处理软件获得。

Images