CN103283331B - 一种智能导向横移机具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能导向横移机具，包括大横梁、横移机构、导向机构和机器视觉伺服系统，机器视觉伺服控制系统通过摄像头采集田间地面图像，采集的图像在控制箱中完成作物苗体识别、坐标计算，得到锄刀单元中心与作物苗行中心的偏差，进而控制导向机构中的导向电机的转动，这样限深轮会转动一定的角度，进而会使动子和定子之间滑动，这样拖拉机中心就与机具中心会产生一个横向的运动，减小甚至消除了锄刀单元中心与作物苗行中心偏差，实现农作物苗株定位，控制锄刀清除苗间杂草且准确避开农作物苗株，操作简单，不污染环境，提高锄草效率的目的。

Description

一种智能导向横移机具

技术领域

本发明涉及精细农业装备技术领域，尤其是涉及一种用于田间作业过程中消除锄草刀单元与作物苗行横向偏移距离的智能导向横移机具。

背景技术

农田杂草是农业生态系统中的一个组成部分，它直接或间接影响着农业生产。据联合国粮农组织的报导，世界粮食作物平均每年因杂草损失10％左右，损失粮食2.9亿吨。我国每年因杂草引起的粮食损失约占粮食总产量的10％，损失粮食上百亿公斤。传统的杂草控制方法是人工除草和化学除草，人工除草劳动强度大、耗时费力、作业效率低。化学除草会给作物和土壤造成一定的化学污染、环境污染，这与农业可持续性发展的宗旨相违背，是一种不可持续的耕作方式。

机械锄草较人工除草及化学除草方式，具有高效率、无污染、无连带危害且成本低等优点，作为精细农业保护性耕作的关键技术之一，因其不可替代的优势，在不久的将来必将成为可持续农业生产的重要技术手段。

智能苗间锄草机通过拖拉机牵引在田间行走，通过机器视觉技术识别苗草信息，最终控制锄草刀避苗锄草。但是即使智能锄草机可以精准的识别苗草信息并控制锄草刀运动，但由于苗间锄草机在实际田间作业中，由于移栽技术、农田地形等一些不确定性因素，田间苗行种植通常不能保证是一条直线，而是会有一定的横向波动。除此之外，拖拉机在田间行进时，拖拉机的运动很难保证沿苗行直线运动。这样，锄草机与拖拉机固连，在拖拉机的行进过程中苗间锄草刀就会与苗行有一定的偏差，起不到苗间锄草的作用，甚至会对苗造成一定的伤害，因此，一种能控制锄草刀始终工作于作物苗行上，消除拖拉机的行进偏差的机具亟需出现。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种智能导向横移机具，以实现农作物苗株定位，控制锄刀清除苗间杂草且准确避开农作物苗株，操作简单，不污染环境，提高锄草效率的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种智能导向横移机具，包括大横梁、横移机构、导向机构和机器视觉伺服系统，所述导向机构与所述横移机构分别连接在所述大横梁的两侧；

所述横移机构由定子和动子构成，所述定子与所述动子之间滑动连接，所述动子通过螺栓连接在所述大横梁的一侧，所述定子相对所述动子的一侧安装有用于连接牵引机器的三点悬挂连接轴；

所述导向机构包括导向电机、固定套筒、转动轴、限深轮、和两个参数相同的平行四边形机构，所述固定套筒固定在所述大横梁上，所述转动轴的上端位于所述固定套筒中，其下端与所述限深轮固定连接，所述导向电机驱动所述限深轮转动；

所述机器视觉伺服系统包括控制箱、摄像头和摄像机架，所述摄像机架固定在所述大横梁上，所述控制箱与所述摄像头和所述导向电机连接。

优选的，所述平行四边形机构包括横拉杆和被拉杆，两个所述平行四边形机构共用一个主动杆，所述导向电机固定在大横梁上，所述主动杆与所述导向电机的转轴固连，所述横拉杆的一端与所述主动杆铰接，另一端通过销钉与所述被拉杆铰接，所述固定套筒上固设有安装法兰，所述被拉杆固定在所述安装法兰上。

优选的，所述被拉杆上设置有长孔，所述安装法兰上用于锁紧所述被拉杆的螺栓的一端位于所述长孔中。

优选的，所述销钉为与所述主动杆平行的导向轴，所述导向轴固定在所述被拉杆上。

优选的，所述转动轴的上端安装有限深调节手柄。

优选的，所述限深轮上安装有导向轮板。

优选的，所述定子对应所述动子的一侧设置有水平放置的滑动导轨，所述动子对应所述滑动导轨处设置有滑动块，所述滑动块卡设在所述滑动导轨中。

优选的，所述定子和动子之间设置有导向组件，所述导向组件包括支撑件和支撑轴，所述支撑件固定在所述动子上，所述支撑轴固定在所述定子上，所述支撑轴插在所述支撑件中。

优选的，所述动子和动子上开设有轴向固定销孔，所述轴向固定销孔中安插有固定销轴。

通过上述技术方案，本发明提供的智能导向横移机具，机器视觉伺服控制系统通过摄像头采集田间地面图像，采集的图像在控制箱中完成作物苗体识别、坐标计算，得到锄刀单元中心与作物苗行中心的偏差，进而控制导向机构中的导向电机的转动，这样限深轮会转动一定的角度，进而会使动子和定子之间滑动，这样拖拉机中心就与机具中心会产生一个横向的运动，减小甚至消除锄刀单元中心与作物苗行中心偏差，实现了农作物苗株定位，控制锄刀清除苗间杂草且准确避开农作物苗株，操作简单，不污染环境，提高锄草效率的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种智能导向横移机具的结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的横移机构主视图；

图3为图2的侧视图；

图4为本发明实施例所公开的一种智能导向横移机具的示意简图；

图5为本发明实施例所公开的导向横移机具作业时所受内外力示意图；

图6为本发明实施例所公开的一种智能导向横移机具的工作过程中状态一的示意图；

图7为本发明实施例所公开的一种智能导向横移机具的工作过程中状态二的示意图；

图8为本发明实施例所公开的一种智能导向横移机具的工作过程中状态三的示意图。

具体实施方式

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。

本发明提供了一种智能导向横移机具(参见图1)，包括大横梁4、横移机构、导向机构和机器视觉伺服系统，导向机构与横移机构分别连接在大横梁4的两侧。

如图2和3所示，横移机构由定子1和动子2构成，定子1与动子2之间滑动连接，动子2通过螺栓连接在大横梁4的一侧，定子1相对动子2的一侧安装有用于连接牵引机器的三点悬挂连接轴a。定子1对应动子2的一侧设置有水平放置的滑动导轨c，动子2对应滑动导轨c处设置有滑动块d，滑动块d卡设在滑动导轨c中。定子1和动子2之间设置有导向组件，导向组件包括支撑件b1和支撑轴b2，支撑件b1固定在动子2上，支撑轴b2固定在定子1上，支撑轴b2插在支撑件b1中。动子2在定子1上滑动时，滑动块d在滑动导轨c上滑动，限制了二者Y、Z方向的直线运动自由度，同时支撑轴b2和支撑件b1限制了二者各个方向转动自由度，定子1与动子2之间只有X方向直线运动的自由度。动子2和动子2上开设有轴向固定销孔e，轴向固定销孔e中安插有固定销轴，导向横移机具提升后，用固定销轴穿过定子1与动子2上的轴向固定销孔e，即完全限制了定子1与动子2的相对运动。

如图1所示，导向机构包括导向电机16、固定套筒5、转动轴6、限深轮7、和两个参数相同的平行四边形机构，固定套筒5固定在大横梁4上，转动轴6的上端位于固定套筒5中，其下端与限深轮7固定连接，导向电机16驱动限深轮7转动；转动轴6的上端安装有限深调节手柄9，通过限深调节手柄9调节限深轮7伸出的长度。

平行四边形机构包括横拉杆10和被拉杆13，两个平行四边形机构共用一个主动杆11，导向电机16固定在大横梁4上，主动杆11与导向电机16的转轴固连，横拉杆10的一端与主动杆11铰接，另一端通过销钉与被拉杆13铰接，固定套筒5上固设有安装法兰15，被拉杆13固定在安装法兰15上。被拉杆13上设置有长孔17，安装法兰15上用于锁紧被拉杆13的螺栓的一端位于长孔17中，通过调节被拉杆13与安装法兰15连接螺栓在长孔17中的位置来改变被拉杆13与安装法兰15的相对位置。销钉为与主动杆11平行的导向轴14，导向轴14固定在被拉杆13上，由于导向轴14较长，横拉杆10在导向轴14上有一定的轴向移动范围。

当针对不同畦深作业时，可以通过限深调节手柄9调节限深轮7伸出的长度来满足作业要求，此时平行四边形机构中的横拉杆10会在导向轴14上滑动，平行四边形机构所在平面不会有变化。如果畦深度较深，限深轮7的上下调节范围无法满足作业要求，限深轮7调节的范围较大时，也可通过调节被拉杆13与被拉杆13安装法兰15的相对位置来实现。

参见图1，限深轮7上安装有限深轮板8。泥土对限深轮7的阻力大小与限深轮板8的宽度有关，限深轮板8越宽阻力越大，横移越快。通过更换不同宽度的限深轮板8，可以调节横移的速度。

机器视觉伺服系统包括控制箱18、摄像头20和摄像机架19，摄像机架19固定在大横梁4上，控制箱18与摄像头20和导向电机16连接。

便于本发明运动方式的描述，将整个系统分成三个可以相对运动的刚性部件A、B、C(见图4)，定子1通过三点悬挂提升器固定在拖拉机上(图中拖拉机未画出)构成一个刚性部件，记为A；固定套筒5、导向电机16、大横梁4、摄像机架19、摄像头20、控制箱18和动子2刚性连接构成一个刚性的部件，记为B；其余为一个刚性部件，记为C。其中A与B之间构成滑动副，B与C之间构成转动副。当限深轮7转动过一个角度后，部件B与C作为一个整体，进行受力分析，如图5所示：F_阻为泥土对限深轮7的阻力，方向与限深轮7垂直，该力可分解为与前进方向平行的力F₁及与前进方向垂直的力F₂。F为拖拉机给整个机具的沿前进方向的推力，方向与横移机构定子1垂直，大小与F₁相等，这样该整体(B与C)在横向上会有一个力F₂使横移机构定子1与动子2之间发生滑动。此处阻力的分力F₂是横向运动的主动力。

锄草机田间作业时，机器视觉伺服控制系统通过摄像头20采集田间地面图像，采集的图像在控制箱18中完成作物苗体识别、坐标计算，得到锄刀单元中心与作物苗行中心的偏差，进而控制导向机构的导向电机16的转动，这样刚性部件B与C之间会转动一定的角度，进而会使A与B之间滑动。这样拖拉机中心就与机具中心会产生一个横向的运动，减小甚至消除锄刀单元中心与作物苗行中心偏差。

本发明的操作过程如下：

当前置提升器处于提起状态时，视觉伺服控制系统不工作，导向电机16处于初始零点位置，导向电机16与限深轮7转过的角度为0，轴向固定销孔e中插入轴向固定销轴，动子2位于定子1的中心位置，定子1动子2之间不能相对运动。

放下导向横移机具，打开视觉伺服控制系统的开关，将固定销轴从轴向固定销孔e中抽出，使得动子2可以相对于定子1滑动，便可以开始田间锄草作业。

拖拉机在田间作业时，视觉伺服系统的摄像头20将田间苗信息传送至控制箱18，控制箱18控制导向电机16的转动。如图6所示，状态一，当机具中心与作物苗行中心没有偏差时，导向电机16限深轮7转过的角度为0，动子2位于定子1中心，定子1动子2之间没有相对滑动。如图7所示，状态二，当作物苗行中心线与机具中心线有偏差时，导向电机16带动限深轮7转过一定的角度，定子1与动子2间有相对滑动。如图8所示，状态三，作物苗行中心线与机具中心线重新重合(与拖拉机运动直线产生一个偏差)，导向电机16和限深轮7回归初始0位，动子2与定子1中心线不再重合，定子1动子2之间没有相对滑动。

当田间作业结束时，提升导向横移机具，导向电机16和限深轮7自动回归初始零位，关闭视觉伺服系统电源开关，手动将动子2推至定子1中心位置，将固定销轴插入轴向固定销孔e中。

本发明具有以下优点：

1、通过视觉伺服系统来实现作物苗行与锄草机机具中心的智能对齐，伤苗率明显降低。

2、横向运动的力是由地面施加到限深轮7上的，地面的阻力在这里是个主动力，相比于传统的通过液压直接推动动子2运动的横移机构，会省很大的力。

3、限深轮7同时有限深的作用，通过调节限深调节手柄9可以调节限深轮7伸出的长度，适合各种不同畦深田地，通用性强。

4、导向机具平行四边形机构是平面四边形机构，所在平面不会因为限深轮7的调节发生变化。

5、横移机构的巧妙设计，使得定子1与动子2之间无刚性的连接，并且在非工作状态时可以用三点悬挂连接轴a提升。

6、该机构不仅仅可以用于锄草机，一切需要在横向有一定运动精度的农业机具都可以使用。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种智能导向横移机具，其特征在于，包括大横梁、横移机构、导向机构和机器视觉伺服系统，所述导向机构与所述横移机构分别连接在所述大横梁的两侧；

所述横移机构由定子和动子构成，所述定子与所述动子之间滑动连接，所述动子通过螺栓连接在所述大横梁的一侧，所述定子相对所述动子的一侧安装有用于连接牵引机器的三点悬挂连接轴；

所述导向机构包括导向电机、固定套筒、转动轴、限深轮、和两个参数相同的平行四边形机构，所述固定套筒固定在所述大横梁上，所述转动轴的上端位于所述固定套筒中，其下端与所述限深轮固定连接，所述导向电机驱动所述限深轮转动；

所述机器视觉伺服系统包括控制箱、摄像头和摄像机架，所述摄像机架固定在所述大横梁上，所述控制箱与所述摄像头和所述导向电机连接。

2.根据权利要求1所述的一种智能导向横移机具，其特征在于，所述平行四边形机构包括横拉杆和被拉杆，两个所述平行四边形机构共用一个主动杆，所述导向电机固定在大横梁上，所述主动杆与所述导向电机的转轴固连，所述横拉杆的一端与所述主动杆铰接，另一端通过销钉与所述被拉杆铰接，所述固定套筒上固设有安装法兰，所述被拉杆固定在所述安装法兰上。

3.根据权利要求2所述的一种智能导向横移机具，其特征在于，所述被拉杆上设置有长孔，所述安装法兰上用于锁紧所述被拉杆的螺栓的一端位于所述长孔中。

4.根据权利要求3所述的一种智能导向横移机具，其特征在于，所述销钉为与所述主动杆平行的导向轴，所述导向轴固定在所述被拉杆上。

5.根据权利要求4所述的一种智能导向横移机具，其特征在于，所述转动轴的上端安装有限深调节手柄。

6.根据权利要求1或5所述的一种智能导向横移机具，其特征在于，所述限深轮上安装有导向轮板。

7.根据权利要求6所述的一种智能导向横移机具，其特征在于，所述定子对应所述动子的一侧设置有水平放置的滑动导轨，所述动子对应所述滑动导轨处设置有滑动块，所述滑动块卡设在所述滑动导轨中。

8.根据权利要求7所述的一种智能导向横移机具，其特征在于，所述定子和动子之间设置有导向组件，所述导向组件包括支撑件和支撑轴，所述支撑件固定在所述动子上，所述支撑轴固定在所述定子上，所述支撑轴插在所述支撑件中。

9.根据权利要求8所述的一种智能导向横移机具，其特征在于，所述动子和动子上开设有轴向固定销孔，所述轴向固定销孔中安插有固定销轴。