CN102612874B - 一种智能化株行间机械除草机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能化株行间机械除草机，包括机架、作物识别机器视觉系统、横移补偿控制系统、深度调节系统和株行间除草装置。该智能化株行间机械除草机通过机架上的三点悬挂机构与农用拖拉机的三点悬挂机构连接，由拖拉机牵引前行；作物识别机器视觉系统用于提取作物行信息、每颗作物位置信息；横移补偿控制系统可以调节株行间除草装置跟随作物行；深度调节系统用于控制除草爪齿的入土深度，仿形地轮用于控制除草爪齿的入土深度一致；株行间除草装置用于控制每根除草爪齿是进入株间区域还是避让作物。本发明对牵引拖拉机跟踪作物行精度的要求低，可以减少株行间除草装置对除草机器人或牵引拖拉机高精度跟踪作物行的依赖性。

Description

一种智能化株行间机械除草机

技术领域

本发明涉及农业机械领域，特别涉及一种智能化株行间机械除草机。

背景技术

目前农业生产中对于杂草的控制，大都采用化学药剂，但化学药剂的残留毒性会给作物和土壤造成一定的环境污染，所以近年来，机械除草方式开始受到越来越多的重视。对于株间区域的杂草控制有一些报道，如指形除草装置(Leinonen et al.，2004)、刷状除草装置(Kouwenhoven，1997)，但这些除草装置都难以有效控制株间区域的杂草。奥斯纳布吕克大学(OsnabrueckUnivesity)与Amazone Werke联合开发了八爪摆线锄株间除草装置，但其对围绕作物周围18mm宽的区域内的杂草无法控制，如果稍有调整不当就会对作物造成损伤，并且受土壤影响较大，不能避免较大土块损伤作物(Dedousis，2007)。英国开发了缺口圆盘锄(Tillett et al.，2008)、丹麦开发了转齿除草装置(Griepentrog，2006)、旋转式圆盘耙齿除草装置(Lempens et al.，1996)和八爪式株间除草装置(张朋举.等，2010)，但都需要安装在具有导航功能的牵引平台上或智能机器人上才能实现机械除草功能，而且价格较昂贵。目前，对于不依赖于农业机器人、可由驾驶员操纵的拖拉机牵引的智能化株行间机械除草机械的研究还甚少，更无成熟的株行间除草机械。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种操作简单、成本低、适用于由驾驶员操纵的农用拖拉机牵引的智能化株行间机械除草机。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种智能化株行间机械除草机，包括机架、作物识别机器视觉系统、横移补偿控制系统、深度调节系统和株行间除草装置；

所述机架2的一端固定有三点悬挂机构1，除草机通过所述三点悬挂机构1与农用拖拉机的三点悬挂机构相连接，由农用拖拉机过牵引除草机前行；机架2的左右两边分别设有左车轮5和右车轮17；

所述作物识别机器视觉系统包括摄像机和图像处理器3，图像处理器从摄像机上获取作物图像，经图像处理后将作物信息提供给横移补偿控制系统和株行间除草装置，摄像机和图像处理器3置于固定在机架2上的支架4上；

所述横移补偿控制系统包括横移补偿平行机构6、液压油缸18和控制器，横移补偿平行机构6安装于机架2的另一端，液压油缸18与横移补偿平行机构6的相邻两边相连接，控制器用于控制液压油缸18的伸长量或缩短量；

所述深度调节系统包括深度调节机构7、深度调节手柄8、仿形地轮15和距离传感器16，深度调节机构7与横移补偿机构6相连接，深度调节手柄8的螺杆通过深度调节机构7上的螺纹孔，末端与仿形地轮15的支架相连接，旋转深度调节手柄8可以调节深度调节机构7的后端与地面的距离；距离传感器16安装于仿形地轮15的滚动轴上；

所述株行间除草装置包括株行间除草机构12和除草爪齿14，株行间除草机构支架13和液压马达安装座9固定于深度调节机构7的后端，株行间除草机构支架13上安装有株行间除草机构12，安装在液压马达安装座9上的液压马达10通过万向节11与株行间除草机构12相连接，除草爪齿14安装在株行间除草机构12上。

所述株行间除草机构12包括主轴24、编码盘19和轨道圆盘29，主轴24上套有右同步带轮23，编码盘19的旋转轴上套有左同步带轮21，右同步带轮23的转动通过同步带22准确传动至左同步带轮21，编码盘19的外壳安装于固定在顶端固定架27的编码盘安装座20上，编码盘19用于测量主轴的旋转转速和旋转角度；轨道圆盘29与顶端固定架27通过螺丝紧固于一体，均不随主轴24旋转；主轴24上套有安装于轴承台座内的主轴下轴承28和主轴上轴承26，主轴下轴承28位于轨道圆盘29的下端，主轴上轴承26位于顶端固定架27的上端，主轴24上固定有主轴紧固螺母25，使得主轴24仅能旋转而不能上下移动。

所述株行间除草机构12包括爪齿控制块30和底圆盘33，底圆盘33通过底圆盘键34和底圆盘紧固螺丝35固定于主轴24的底部；位于底圆盘33上方的控制块滑动座32通过控制块滑动座键36安装于主轴24上，爪齿控制块30置于控制块滑动座32上，控制块滑动座键36确保控制块滑动座32随主轴24、底圆盘33和除草爪齿14同步旋转；除草爪齿14的中部通过销38与底圆盘33连接，除草爪齿14的顶端为长槽形孔，通过销38与爪齿控制块30连接形成关节。每根除草爪齿14可绕各自的销38转动，除草爪齿14通过销38和底圆盘33、爪齿控制块30一起随主轴24旋转。

所述爪齿控制块30与控制块滑动座32采用梯形槽配合。每个爪齿控制块30可独自在控制块滑动座32的径向方向上进行往复直线运动：当爪齿控制块30向控制块滑动座32中心方向运动时，可以拉动除草爪齿14的顶端向内运动，除草爪齿14中部绕销38转动使除草爪齿14的尖端向外运动；相反，当爪齿控制块30向控制块滑动座32中心方向的反方向运动时，除草爪齿14的尖端向内运动。

所述爪齿控制块30上装有一个沿轨滚动轴承37，沿轨滚动轴承37与轨道圆盘29相契合，沿轨滚动轴承37随着主轴24的转动沿着轨道圆盘29的轨道内壁滚动。

所述轨道圆盘29上有两条轨道；一条为圆形轨道A；另一条轨道B位于轨道圆盘29的右半部分，是由一段圆弧轨道和两段直线轨道组成的轨道，其中圆弧轨道的半径与圆形轨道A的半径一致，但圆心位置从圆形轨道A圆心平移了一定距离，再通过两段直线轨道与圆形轨道A相切；在圆形轨道A和轨道B的分离处安装有切换轨道器39；在圆形轨道A和轨道B的合并处安装有合轨器41；轨道切换控制座40安装于切换轨道器39上，是控制切换轨道器39位置切换的驱动力作用点。沿轨滚动轴承37在轨道内沿轨道内壁顺时钟滚动，当沿轨滚动轴承37在圆形轨道A内运行时，除草爪齿14的尖端在地面的运动轨迹为余摆线，可实现株行间除草，因此称轨道A为除草轨道；当沿轨滚动轴承37在轨道B内运行时，除草爪齿14的尖端不能进入株间区域，可以保护作物苗不受除草爪齿14的伤害，因此可以将轨道B称为避苗轨道。除草爪齿14是否进入株间区域由沿轨滚动轴承37运行的轨道决定，而沿轨滚动轴承37的运行轨道由切换轨道器39决定。切换轨道器39上有一段与圆形轨道A半径相同的弧形轨道，当在轨道切换控制座40上施加作用力控制切换轨道器39拨动至圆弧轨道与圆形轨道A结合时，形成一个平滑的圆形轨道，此时沿轨滚动轴承37在主轴24旋转驱动下沿圆形轨道内壁滚动，除草爪齿14的除草区域为株间和行间。当切换轨道器39拨动至圆弧轨道与轨道B即避苗轨道连接时，圆形轨道A的左半部分与避苗轨道连通，此时沿轨滚动轴承37在主轴24旋转驱动下沿左半部分圆形轨道壁和右半部分避苗轨道滚动，除草爪齿14尖端不进入株间区域，避开作物苗。沿轨滚动轴承37从圆形轨道的右半部分或避苗轨道运动到圆形轨道A和避苗轨道合并处附近时，合轨器41由沿轨滚动轴承37自动拨动形成平滑轨道使沿轨滚动轴承37平稳进入圆形轨道A的左半部分；当从圆形轨道的右半部分进入左半部分时，合轨器41拨至下方，合并处形成一段平滑的圆形轨道；当从避苗轨道进入圆形轨道左半部分时，合轨器41拨至上方，合并处形成一段直线轨道，其两端分别与圆形轨道和避苗轨道相切。

所述株行间除草机构12还包括外壳31，外壳31的顶端固定于顶端固定架27上，株行间除草机构12的转动部件均被罩于外壳31内。

所述智能化株行间机械除草机的实现方法是：作物识别机器视觉系统通过摄像机获取照片，经图像处理后识别出作物，提取出作物行信息、每颗作物位置信息；横移补偿控制系统根据作物行信息和除草机与作物行相对位置关系，控制液压油缸18调节株行间除草装置跟随作物行，减少拖拉机航向变化的影响；株行间除草装置根据作物位置、除草机位置、前进速度、除草爪齿14旋转速度，控制每根除草爪齿14是进入株间区域还是避让作物；深度调节系统用于控制除草爪齿14的入土深度，仿形地轮15用于控制除草爪齿14的入土深度一致。

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

(1)本发明通过作物识别机器视觉系统获得作物行和每株作物位置信息，采用单根可控制的除草爪齿进行株间除草和作物避让，横移补偿控制系统保证株行间除草装置跟随作物行，通过深度调节系统控制除草深度，可以适应不同的环境，达到机械除草的要求。

(2)本发明对牵引拖拉机跟踪作物行精度的要求低，可以减少株行间除草装置对除草机器人或牵引拖拉机高精度跟踪作物行的依赖性。

附图说明

图1为智能化株行间机械除草机的主视图

图2为智能化株行间机械除草机的俯视图

图3为株行间除草装置的主视图

图4为轨道圆盘上的轨道示意图

图5为切换轨道器的俯视图

图6为切换轨道器的侧视图

图7为合轨器的示意图

图8为爪齿控制块在控制块滑动座上的分布图

图9为爪齿控制块与控制块滑动座配合的剖面示意图

图10为智能化株行间机械除草机的田间作业示意图

图中，1.三点悬挂机构、2.机架、3.摄像机和图像处理器、4.支架、5.左车轮、6.横移补偿机构、7.深度调节机构、8.深度调节手柄、9.液压马达安装座、10.液压马达、11.万向节、12.株行间除草机构、13.株行间除草机构支架、14.除草爪齿、15.仿形地轮、16.距离传感器、17.右车轮、18.液压油缸、19.编码盘、20编码盘安装座、21.左同步带轮、22.同步带、23.右同步带轮、24.主轴、25.主轴紧固螺母、26.主轴上轴承、27.顶端固定架、28.主轴下轴承、29.轨道圆盘、30.爪齿控制块、31.外壳、32.控制块滑动座、33.底圆盘、34.底圆盘键、35.底圆盘紧固螺丝、36.控制块滑动座键、37.沿轨滚动轴承、38.销、39.切换轨道器、40.轨道切换控制座、41.合轨器。

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1

如图1至图10所示，本实施例是一种智能化株行间机械除草机，包括机架、作物识别机器视觉系统、横移补偿控制系统、深度调节系统和株行间除草装置。

所述机架2的一端固定有三点悬挂机构1，除草机通过所述三点悬挂机构1与农用拖拉机的三点悬挂机构相连接，由农用拖拉机过牵引除草机前行。机架2的左右两边分别设有左车轮5和右车轮17。

所述作物识别机器视觉系统包括摄像机和图像处理器3，图像处理器从摄像机上获取作物图像，经图像处理后将作物信息提供给横移补偿控制系统和株行间除草装置，摄像机和图像处理器3置于固定在机架2上的支架4上，支架4与地面有一定高度。作物识别机器视觉系统可以实时获取和处理照片，提供作物位置信息。

所述横移补偿控制系统包括横移补偿平行机构6、液压油缸18和控制器。横移补偿平行机构6为平行四边行结构，安装于机架2的另一端。液压油缸18与横移补偿平行机构6的相邻两边相连接。控制器用于控制液压油缸18的伸长量或缩短量，控制器根据当前机架与作物行的相对位置(横向偏差)调节液压油缸18的伸长量或缩短量使平行四边行机构向右或左移动，从而补偿拖拉机航向变化带来的横向偏差，保证后端的深度调节机构和株行间除草装置沿作物前行。

所述深度调节系统包括深度调节机构7、深度调节手柄8、仿形地轮15和距离传感器16。深度调节机构7为平行四边行结构，与横移补偿机构6相连接。深度调节手柄8的螺杆通过深度调节机构7上的螺纹孔，末端与仿形地轮15的支架相连接，旋转深度调节手柄8可以调节深度调节机构7的后端与地面的距离；距离传感器16安装于仿形地轮15的滚动轴上；

所述株行间除草装置包括株行间除草机构12、8个除草爪齿14、主轴24、编码盘19、轨道圆盘29、爪齿控制块30、底圆盘33和外壳31。株行间除草机构支架13和液压马达安装座9固定于深度调节机构7的后端，株行间除草机构支架13上安装有株行间除草机构12，安装在液压马达安装座9上的液压马达10通过万向节11与株行间除草机构12相连接，除草爪齿14安装在株行间除草机构12上，液压马达10的旋转动力通过万向节11传递至株行间除草机构12的主轴24实现除草爪齿14的转动。主轴24上套有右同步带轮23，编码盘19的旋转轴上套有左同步带轮21，右同步带轮23的转动通过同步带22准确传动至左同步带轮21，编码盘19的外壳安装于固定在顶端固定架27的编码盘安装座20上，编码盘19用于测量主轴的旋转转速和旋转角度。轨道圆盘29与顶端固定架27通过螺丝紧固于一体，均不随主轴24旋转。主轴24上套有安装于轴承台座内的主轴下轴承28和主轴上轴承26，主轴下轴承28位于轨道圆盘29的下端，主轴上轴承26位于顶端固定架27的上端，主轴24上固定有主轴紧固螺母25，使得主轴24仅能旋转而不能上下移动。底圆盘33通过底圆盘键34和底圆盘紧固螺丝35固定于主轴24的底部。位于底圆盘33上方的控制块滑动座32通过控制块滑动座键36安装于主轴24上，爪齿控制块30置于控制块滑动座32上，控制块滑动座键36确保控制块滑动座32随主轴24、底圆盘33和除草爪齿14同步旋转。8根除草爪齿14的中部通过销38与底圆盘33连接，除草爪齿14的顶端为长槽形孔，均通过销38与爪齿控制块30连接形成8个关节。每根除草爪齿14可绕各自的销38转动，除草爪齿14通过销38和底圆盘33、爪齿控制块30一起随主轴24旋转；外壳31的顶端固定于顶端固定架27上，株行间除草机构12的转动部件均被罩于外壳31内。

每个爪齿控制块30与控制块滑动座32采用梯形槽配合。每个爪齿控制块30可独自在控制块滑动座32的径向方向上进行往复直线运动：当爪齿控制块30向控制块滑动座32中心方向运动时，可以拉动除草爪齿14的顶端向内运动，除草爪齿14中部绕销38转动使除草爪齿14的尖端向外运动；相反，当爪齿控制块30向控制块滑动座32中心方向的反方向运动时，除草爪齿14的尖端向内运动。所述爪齿控制块30上装有一个沿轨滚动轴承37，沿轨滚动轴承37与轨道圆盘29相契合，沿轨滚动轴承37随着主轴24的转动沿着轨道圆盘29的轨道内壁滚动。

所述轨道圆盘29上有两条轨道；一条为圆形轨道A；另一条轨道B位于轨道圆盘29的右半部分，是由一段圆弧轨道和两段直线轨道组成的轨道，其中圆弧轨道的半径与圆形轨道A的半径一致，但圆心位置从圆形轨道A圆心平移了一定距离，再通过两段直线轨道与圆形轨道A相切；在圆形轨道A和轨道B的分离处安装有切换轨道器39；在圆形轨道A和轨道B的合并处安装有合轨器41；轨道切换控制座40安装于切换轨道器39上，它是控制切换轨道器39位置切换的驱动力作用点。沿轨滚动轴承37在轨道内沿轨道内壁顺时钟滚动，当沿轨滚动轴承37在圆形轨道A内运行时，除草爪齿14的尖端在地面的运动轨迹为余摆线，可实现株行间除草，因此称轨道A为除草轨道；当沿轨滚动轴承37在轨道B内运行时，除草爪齿14的尖端不能进入株间区域，可以保护作物苗不受除草爪齿14的伤害，因此可以将轨道B称为避苗轨道。除草爪齿14是否进入株间区域由沿轨滚动轴承37运行的轨道决定，而沿轨滚动轴承37的运行轨道由切换轨道器39决定。切换轨道器39上有一段与圆形轨道A半径相同的弧形轨道，当在轨道切换控制座40上施加作用力控制切换轨道器39拨动至圆弧轨道与圆形轨道A结合时，形成一个平滑的圆形轨道，此时沿轨滚动轴承37在主轴24旋转驱动下沿圆形轨道内壁滚动，除草爪齿14的除草区域为株间和行间。当切换轨道器39拨动至圆弧轨道与轨道B即避苗轨道连接时，圆形轨道A的左半部分与避苗轨道连通，此时沿轨滚动轴承37在主轴24旋转驱动下沿左半部分圆形轨道壁和右半部分避苗轨道滚动，除草爪齿14尖端不进入株间区域，避开作物苗。沿轨滚动轴承37从圆形轨道的右半部分或避苗轨道运动到圆形轨道A和避苗轨道合并处附近时，合轨器41由沿轨滚动轴承37自动拨动形成平滑轨道使沿轨滚动轴承37平稳进入圆形轨道A的左半部分；当从圆形轨道的右半部分进入左半部分时，合轨器41拨至下方，合并处形成一段平滑的圆形轨道；当从避苗轨道进入圆形轨道左半部分时，合轨器41拨至上方，合并处形成一段直线轨道，其两端分别与圆形轨道和避苗轨道相切。

Claims (6)

1.一种智能化株行间机械除草机,其特征在于：包括机架、作物识别机器视觉系统、横移补偿控制系统、深度调节系统和株行间除草装置；

所述机架的一端固定有三点悬挂机构，除草机通过所述三点悬挂机构与农用拖拉机的三点悬挂机构相连接，由农用拖拉机来牵引除草机前行；机架的左右两边分别设有左车轮和右车轮；

所述作物识别机器视觉系统包括摄像机和图像处理器，图像处理器从摄像机上获取作物图像，经图像处理后将作物信息提供给横移补偿控制系统和株行间除草装置，摄像机和图像处理器置于固定在机架上的支架上；

所述横移补偿控制系统包括横移补偿平行机构、液压油缸和控制器，横移补偿平行机构安装于机架的另一端，液压油缸与横移补偿平行机构的相邻两边相连接；控制器与液压油缸相连接，用于控制液压油缸的伸长量或缩短量；

所述深度调节系统包括深度调节机构、深度调节手柄、仿形地轮和距离传感器，深度调节机构与横移补偿平行机构相连接；深度调节手柄的螺杆穿过深度调节机构上的螺纹孔，其末端与仿形地轮的支架相连接，深度调节手柄用于调节深度调节机构的后端与地面的距离；距离传感器安装于仿形地轮的滚动轴上；

所述株行间除草装置包括株行间除草机构和除草爪齿，株行间除草机构支架和液压马达安装座固定于深度调节机构的后端，株行间除草机构支架上安装有株行间除草机构，安装在液压马达安装座上的液压马达通过万向节与株行间除草机构相连接，除草爪齿安装于株行间除草机构上；所述株行间除草机构包括主轴、编码盘和轨道圆盘，主轴上套有右同步带轮，编码盘的旋转轴上套有左同步带轮，右同步带轮与左同步带轮之间通过同步带连接以实现同步转动，编码盘的外壳安装于固定在顶端固定架的编码盘安装座上，编码盘用于测量主轴的旋转转速和旋转角度；轨道圆盘与顶端固定架通过螺丝紧固于一体，均不随主轴旋转；主轴上套有安装于轴承台座内的主轴下轴承和主轴上轴承，主轴下轴承位于轨道圆盘的下端，主轴上轴承位于顶端固定架的上端，主轴上固定有主轴紧固螺母，使得主轴仅能旋转而不能上下移动。

2.根据权利要求1所述的智能化株行间机械除草机,其特征在于：所述株行间除草机构包括爪齿控制块和底圆盘，底圆盘通过底圆盘键和底圆盘紧固螺丝固定于主轴的底部；位于底圆盘上方的控制块滑动座通过控制块滑动座键安装于主轴上，爪齿控制块置于控制块滑动座上，控制块滑动座键用于确保控制块滑动座随主轴、底圆盘和除草爪齿同步旋转；除草爪齿的中部通过销与底圆盘连接，除草爪齿的顶端为长槽形孔，通过销与爪齿控制块连接形成关节。

3.根据权利要求2所述的智能化株行间机械除草机,其特征在于：所述爪齿控制块与控制块滑动座采用梯形槽配合，每个爪齿控制块可独自在控制块滑动座的径向方向上进行往复直线运动。

4.根据权利要求3所述的智能化株行间机械除草机,其特征在于：所述爪齿控制块上装有一个沿轨滚动轴承，沿轨滚动轴承与轨道圆盘相契合，沿轨滚动轴承随着主轴的转动沿着轨道圆盘的轨道内壁滚动。

5.根据权利要求4所述的智能化株行间机械除草机,其特征在于：所述轨道圆盘上有两条轨道；一条为圆形轨道A；另一条轨道B位于轨道圆盘的右半部分，是由一段圆弧轨道和两段直线轨道组成的轨道，其中圆弧轨道的半径与圆形轨道A的半径一致，但圆心位置从圆形轨道A圆心平移了一定距离，再通过两段直线轨道与圆形轨道A相切；在圆形轨道A和轨道B的分离处安装有切换轨道器；在圆形轨道A和轨道B的合并处安装有合轨器；轨道切换控制座安装于切换轨道器上，用于控制切换轨道器的位置切换。

6.根据权利要求2所述的智能化株行间机械除草机,其特征在于：所述株行间除草机构包括外壳，外壳的顶端固定于顶端固定架上，株行间除草机构的转动部件均被罩于外壳内。

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