CN104521936B - 杂草自动清理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种杂草自动清理系统，包括除草设备、电机、履带式底盘、电机驱动设备、杂草检测设备和数字信号处理器DSP，所述履带式底盘由所述电机带动，所述电机驱动设备为所述电机提供电机驱动信号以控制电机的转速，所述杂草检测设备对所述系统前方农田执行拍摄以获得农田图像，并对所述农田图像进行杂草检测，所述数字信号处理器与所述除草设备、所述电机驱动设备和所述杂草检测设备分别连接，基于所述杂草检测设备的检测结果控制所述除草设备和所述电机驱动设备。通过本发明，能够不需人工参与即可完成田间地头的杂草清理工作，提高了杂草清理系统的自动化水平。

Description

杂草自动清理系统

技术领域

本发明涉及农田管理领域，尤其涉及一种杂草自动清理系统。

背景技术

杂草对正常种植的农作物危害很大，不仅仅表现在与农作物争夺营养方面，而且在传播病虫害、影响水利建设等方面都严重干扰了农田种植部门的农田经营秩序。

为了减少田间地头频繁出现的杂草，各地的农田种植部门也纷纷采用不同的除草方式，包括安排作业人员定期人工除草，例如在农闲时间组织大规模的人工除草活动，或使用机械化方式定向除草，例如使用手扶式中耕机或牵引式除草设备。但是这些除草方式都存在一定的弊端：前者耗费大量的人力，而且除草效率低下；后者在使用大量物力的同时，也需要一定的人力，同时除草区域受到限制。至于早期使用的化学除草方式，也因为农药污染严重而被许多国家和地区明令禁止。

因此，需要一种高效的杂草清理系统，能够在不需要人为的操作的同时，根据农田杂草的具体生长情况，因地制宜，实施不同的力度的除草手段，做到杂草清理的全自动化。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种杂草自动清理系统，通过图像采集和识别技术自动、精确地确定杂草的位置，根据杂草的面积确定是否需要处理以及处理的力度，同时还通过红外线测距技术和履带式底盘技术做到所述清理系统在田间地头的无障碍式通行，整个过程不需要人工参与操作，提高了除草的效率，降低了农田管理部门的除草成本。

根据本发明的一方面，提供了一种杂草自动清理系统，所述系统包括除草设备、电机、履带式底盘、电机驱动设备、杂草检测设备和数字信号处理器DSP，所述履带式底盘由所述电机带动，所述电机驱动设备为所述电机提供电机驱动信号以控制电机的转速，所述杂草检测设备对所述系统前方农田执行拍摄以获得农田图像，并对所述农田图像进行杂草检测，所述数字信号处理器与所述除草设备、所述电机驱动设备和所述杂草检测设备分别连接，基于所述杂草检测设备的检测结果控制所述除草设备和所述电机驱动设备。

更具体地，在所述杂草自动清理系统中，还包括：用户输入设备，用于根据用户的操作，输入杂草面积阈值、杂草上限灰度阈值和杂草下限灰度阈值，所述杂草上限灰度阈值和所述杂草下限灰度阈值用于将图像中的杂草和背景分离；移动硬盘，与所述用户输入设备连接，以接收并存储所述杂草面积阈值、所述杂草上限灰度阈值和所述杂草下限灰度阈值；四个红外线测距传感器，分别位于所述履带式底盘的前后左右四个位置，用于分别检测所述系统前后左右四个方向的障碍物距离；无线收发设备，与远端的农业管理平台建立双向的无线通信链路，用于接收所述农业管理平台发出的控制指令；所述除草设备为一个八爪式除草机构，包括一个可伸缩器件和八个铲式刀头，在除草时，所述可伸缩器件带动八个铲式刀头抓住杂草以进行清理；所述杂草检测设备包括摄像头和图像处理器，所述摄像头位于所述系统的前端，用于对所述系统前方农田执行拍摄以获得农田图像，所述图像处理器与所述摄像头和所述移动硬盘分别连接，对所述农田图像进行杂草检测，所述图像处理器包括自适应递归滤波单元、对比度增强单元、灰度化处理单元、图像分割单元和图像识别单元，所述自适应递归滤波单元与所述摄像头连接，对所述农田图像执行自适应递归滤波处理，以获得滤波图像，所述对比度增强单元与所述自适应递归滤波单元连接，对所述滤波图像执行对比度增强处理，以输出增强图像，所述灰度化处理单元与所述对比度增强单元连接，对所述增强图像执行灰度化处理，以输出灰度图像，所述图像分割单元与所述灰度化处理单元和所述移动硬盘分别连接，用于将所述灰度图像中灰度值在所述杂草上限灰度阈值和所述杂草下限灰度阈值之间的像素识别并组成杂草子图像，所述图像识别单元与所述图像分割单元和所述移动硬盘分别连接，计算所述杂草子图像的面积以作为杂草面积，将所述杂草子图像中的杂草形状的形心位置作为杂草中心位置，并在所述杂草面积大于等于所述杂草面积阈值时，发出存在杂草信号并输出所述杂草中心位置，在所述杂草面积小于所述杂草面积阈值时，发出无杂草信号；所述数字信号处理器与所述摄像头、所述除草设备、所述电机驱动设备、所述四个红外线测距传感器和所述图像识别单元分别连接，根据接收到的前后左右四个方向的障碍物距离向所述电机驱动设备和所述履带式底盘发送避障信号，所述避障信号包括了发送给所述电机驱动设备的电机转速和发送给所述履带式底盘的转弯角度，所述数字信号处理器还在接收到存在杂草信号时，向所述电机驱动设备发送停止电机运行信号，基于所述杂草中心位置控制所述除草设备向所述杂草的实际所在位置处移动，基于所述杂草面积控制所述除草设备的除草范围，同时输出所述农田图像；其中，所述无线收发设备与所述数字信号处理器连接，以将所述存在杂草信号或所述无杂草信号发送给所述农业管理平台，并在接收到所述存在杂草信号时，将所述数字信号处理器转发的农田图像无线发送给所述农业管理平台；所述数字信号处理器通过串口与所述除草设备、所述电机驱动设备、所述四个红外线测距传感器和所述图像识别单元分别连接，通过并口与所述摄像头连接；所述数字信号处理器还包括压缩编码器，以在输出所述农田图像前，对所述农田图像执行基于MPEG-2编码标准的图像压缩。

更具体地，在所述杂草自动清理系统中，所述电机为直流电机，其额定功率为90W。

更具体地，在所述杂草自动清理系统中，所述履带式底盘的宽度为40厘米。

更具体地，在所述杂草自动清理系统中，所述自适应递归滤波单元、所述对比度增强单元、所述灰度化处理单元、所述图像分割单元和所述图像识别单元分别采用不同的FPGA芯片来实现。

更具体地，在所述杂草自动清理系统中，所述串口为RS-232串行通信接口，所述并口为所述数字信号处理器的八位并行I/O口。

更具体地，在所述杂草自动清理系统中，所述数字信号处理器还在接收到无杂草信号时，向所述电机驱动设备发送启动电机运行信号。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：

图1为根据本发明实施方案示出的杂草自动清理系统的结构方框图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的杂草自动清理系统的实施方案进行详细说明。

以往最普遍使用的除草方式是向农田中喷施农药，有针对性地杀死目标种类的杂草，维护正常农作物的健康生长。这种方式因为使用方便而被广泛使用，甚至一些农田管理部门采用机械的方式大面积喷洒农药。虽然农药除草在一定程度上具有见效快、效率高的优点，然而，一方面，农药的大量使用给自然环境带来化学污染，长期使用，污染会越来越严重，另一方面，农药的使用也会对正常农作物的生长造成一定的影响。

为了避免农药对自然环境和农作物的伤害，有的国家和地区甚至制定法律禁止使用农药除草，这样，现有技术中的除草方式就集中为人工除草和机械化除草两种方式，前者需要使用大量的人力来执行除草这个任务，而且效率最慢，后者除草效率较快，但除草的面积受大限制，一些大型机械无法到达的位置就无法进行除草，同时，机械化的除草仍需要人员参与。

本发明的杂草自动清理系统，克服了现有技术的各种除草方式的弊端，能够全程凭借机器自动化除草，不需要人力干涉，另外，除草方式灵活，根据杂草的生长状况决定除草位置和除草面积，而且，不会带来任何化学污染。

图1为根据本发明实施方案示出的杂草自动清理系统的结构方框图，所述系统包括：履带式底盘1、电机2、电机驱动设备3、数字信号处理器DSP 4、除草设备5和杂草检测设备6，所述数字信号处理器4与所述履带式底盘1、所述电机2、所述电机驱动设备3、所述除草设备5和所述杂草检测设备6分别连接。

其中，所述履带式底盘1由所述电机2带动，所述电机驱动设备3为所述电机2提供电机驱动信号以控制电机2的转速，所述杂草检测设备6对所述系统前方农田执行拍摄以获得农田图像，并对所述农田图像进行杂草检测，所述数字信号处理器4基于所述杂草检测设备6的检测结果控制所述除草设备5和所述电机驱动设备3。

接着，继续对本发明的杂草自动清理系统的具体结构进行进一步的说明。

所述杂草自动清理系统还包括：用户输入设备，用于根据用户的操作，输入杂草面积阈值、杂草上限灰度阈值和杂草下限灰度阈值，所述杂草上限灰度阈值和所述杂草下限灰度阈值用于将图像中的杂草和背景分离。

所述杂草自动清理系统还包括：移动硬盘，与所述用户输入设备连接，以接收并存储所述杂草面积阈值、所述杂草上限灰度阈值和所述杂草下限灰度阈值。

所述杂草自动清理系统还包括：四个红外线测距传感器，分别位于所述履带式底盘的前后左右四个位置，用于分别检测所述系统前后左右四个方向的障碍物距离。

所述杂草自动清理系统还包括：无线收发设备，与远端的农业管理平台建立双向的无线通信链路，用于接收所述农业管理平台发出的控制指令。

所述除草设备5为一个八爪式除草机构，包括一个可伸缩器件和八个铲式刀头，在除草时，所述可伸缩器件带动八个铲式刀头抓住杂草以进行清理。

所述杂草检测设备6包括摄像头和图像处理器，所述摄像头位于所述系统的前端，用于对所述系统前方农田执行拍摄以获得农田图像，所述图像处理器与所述摄像头和所述移动硬盘分别连接，对所述农田图像进行杂草检测，所述图像处理器包括自适应递归滤波单元、对比度增强单元、灰度化处理单元、图像分割单元和图像识别单元。

所述自适应递归滤波单元与所述摄像头连接，对所述农田图像执行自适应递归滤波处理，以获得滤波图像，所述对比度增强单元与所述自适应递归滤波单元连接，对所述滤波图像执行对比度增强处理，以输出增强图像，所述灰度化处理单元与所述对比度增强单元连接，对所述增强图像执行灰度化处理，以输出灰度图像，所述图像分割单元与所述灰度化处理单元和所述移动硬盘分别连接，用于将所述灰度图像中灰度值在所述杂草上限灰度阈值和所述杂草下限灰度阈值之间的像素识别并组成杂草子图像。

所述图像识别单元与所述图像分割单元和所述移动硬盘分别连接，计算所述杂草子图像的面积以作为杂草面积，将所述杂草子图像中的杂草形状的形心位置作为杂草中心位置，并在所述杂草面积大于等于所述杂草面积阈值时，发出存在杂草信号并输出所述杂草中心位置，在所述杂草面积小于所述杂草面积阈值时，发出无杂草信号。

所述数字信号处理器4与所述摄像头、所述除草设备5、所述电机驱动设备3、所述四个红外线测距传感器和所述图像识别单元分别连接，根据接收到的前后左右四个方向的障碍物距离向所述电机驱动设备3和所述履带式底盘1发送避障信号，所述避障信号包括了发送给所述电机驱动设备3的电机转速和发送给所述履带式底盘1的转弯角度。

所述数字信号处理器4还在接收到存在杂草信号时，向所述电机驱动设备3发送停止电机运行信号，基于所述杂草中心位置控制所述除草设备5向所述杂草的实际所在位置处移动，基于所述杂草面积控制所述除草设备5的除草范围，同时输出所述农田图像。

其中，所述无线收发设备与所述数字信号处理器4连接，以将所述存在杂草信号或所述无杂草信号发送给所述农业管理平台，并在接收到所述存在杂草信号时，将所述数字信号处理器4转发的农田图像无线发送给所述农业管理平台；所述数字信号处理器4通过串口与所述除草设备5、所述电机驱动设备3、所述四个红外线测距传感器和所述图像识别单元分别连接，通过并口与所述摄像头连接；所述数字信号处理器4还包括压缩编码器，以在输出所述农田图像前，对所述农田图像执行基于MPEG-2编码标准的图像压缩。

其中，在所述杂草自动清理系统中，所述电机2可选为直流电机，其额定功率为90W，所述履带式底盘1的宽度可选为40厘米，所述自适应递归滤波单元、所述对比度增强单元、所述灰度化处理单元、所述图像分割单元和所述图像识别单元可以分别采用不同的FPGA芯片来实现，所述串口可选为RS-232串行通信接口，所述并口可选为所述数字信号处理器4的八位并行I/O口，所述数字信号处理器4还可以在接收到无杂草信号时，向所述电机驱动设备3发送启动电机运行信号。

另外，杂草的存在对农作物的生长存在以下危害：(1)与农作物争夺水、肥、光等营养资源，杂草的根系一般庞大，耗费水肥的能力比较强；(2)杂草是作物病害、虫害的中间寄主，由于杂草生命力旺盛，不少是两年生或多年生植物，所以病菌及害虫常常先在杂草上寄生或过冬，在作物长出后再去作物上危害；(3)侵占地上和地下部空间，影响光合作用，干扰作物生长，早生产中杂草的种子数量远远超过作物的播种量，加上出苗早、速度快，易形成草荒；(4)增加管理用工和生产成本，农民在除草用工上占据田间的劳动量近一半，尤其现在水稻旱直播大面积的推广，杂草更是遍地重生，并且杂草还影响耕地效率，延长工作时间；(5)降低农作物的产量和品质，由于杂草在土壤养分、水分、作物生长空间和病虫害传播等方面直接、间接地危害作物，最终还是影响农作物的产量和品质；(6)影响水利设施，如果水渠中长满了杂草，会使渠水流减缓，泥沙淤积，并且为鼠类栖息提供条件，使得水渠大坝受损；(7)影响人畜健康，有些杂草例如毒麦种子，如果混入小麦，人吃了后会中毒甚至死亡，再例如夹竹桃，被畜牲吃了后也会中毒。

采用本发明的杂草自动清理系统，针对现有杂草清理方案清理效率低下或者清理范围受限的技术问题，采用杂草检测设备实时确定杂草位置和面积，采用红外线测距设备、电机、履带式底盘和电机驱动设备的协同操作实现田间地自动通行，无需人工操作即可完成预定面积的杂草清理工作，有效降低杂草对农作物生长的影响。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (1)

1.一种杂草自动清理系统，其特征在于，所述系统包括除草设备、电机、履带式底盘、电机驱动设备、杂草检测设备和数字信号处理器DSP，所述履带式底盘由所述电机带动，所述电机驱动设备为所述电机提供电机驱动信号以控制电机的转速，所述杂草检测设备对所述系统前方农田执行拍摄以获得农田图像，并对所述农田图像进行杂草检测，所述数字信号处理器与所述除草设备、所述电机驱动设备和所述杂草检测设备分别连接，基于所述杂草检测设备的检测结果控制所述除草设备和所述电机驱动设备；

所述系统还包括：

用户输入设备，用于根据用户的操作，输入杂草面积阈值、杂草上限灰度阈值和杂草下限灰度阈值，所述杂草上限灰度阈值和所述杂草下限灰度阈值用于将图像中的杂草和背景分离；

移动硬盘，与所述用户输入设备连接，以接收并存储所述杂草面积阈值、所述杂草上限灰度阈值和所述杂草下限灰度阈值；

四个红外线测距传感器，分别位于所述履带式底盘的前后左右四个位置，用于分别检测所述系统前后左右四个方向的障碍物距离；

无线收发设备，与远端的农业管理平台建立双向的无线通信链路，用于接收所述农业管理平台发出的控制指令；

所述除草设备为一个八爪式除草机构，包括一个可伸缩器件和八个铲式刀头，在除草时，所述可伸缩器件带动八个铲式刀头抓住杂草以进行清理；

所述杂草检测设备包括摄像头和图像处理器，所述摄像头位于所述系统的前端，用于对所述系统前方农田执行拍摄以获得农田图像，所述图像处理器与所述摄像头和所述移动硬盘分别连接，对所述农田图像进行杂草检测，所述图像处理器包括自适应递归滤波单元、对比度增强单元、灰度化处理单元、图像分割单元和图像识别单元，所述自适应递归滤波单元与所述摄像头连接，对所述农田图像执行自适应递归滤波处理，以获得滤波图像，所述对比度增强单元与所述自适应递归滤波单元连接，对所述滤波图像执行对比度增强处理，以输出增强图像，所述灰度化处理单元与所述对比度增强单元连接，对所述增强图像执行灰度化处理，以输出灰度图像，所述图像分割单元与所述灰度化处理单元和所述移动硬盘分别连接，用于将所述灰度图像中灰度值在所述杂草上限灰度阈值和所述杂草下限灰度阈值之间的像素识别并组成杂草子图像，所述图像识别单元与所述图像分割单元和所述移动硬盘分别连接，计算所述杂草子图像的面积以作为杂草面积，将所述杂草子图像中的杂草形状的形心位置作为杂草中心位置，并在所述杂草面积大于等于所述杂草面积阈值时，发出存在杂草信号并输出所述杂草中心位置，在所述杂草面积小于所述杂草面积阈值时，发出无杂草信号；

所述数字信号处理器与所述摄像头、所述除草设备、所述电机驱动设备、所述四个红外线测距传感器和所述图像识别单元分别连接，根据接收到的前后左右四个方向的障碍物距离向所述电机驱动设备和所述履带式底盘发送避障信号，所述避障信号包括了发送给所述电机驱动设备的电机转速和发送给所述履带式底盘的转弯角度，所述数字信号处理器还在接收到存在杂草信号时，向所述电机驱动设备发送停止电机运行信号，基于所述杂草中心位置控制所述除草设备向所述杂草的实际所在位置处移动，基于所述杂草面积控制所述除草设备的除草范围，同时输出所述农田图像；

其中，所述无线收发设备与所述数字信号处理器连接，以将所述存在杂草信号或所述无杂草信号发送给所述农业管理平台，并在接收到所述存在杂草信号时，将所述数字信号处理器转发的农田图像无线发送给所述农业管理平台；

其中，所述数字信号处理器通过串口与所述除草设备、所述电机驱动设备、所述四个红外线测距传感器和所述图像识别单元分别连接，通过并口与所述摄像头连接；

其中，所述数字信号处理器还包括压缩编码器，以在输出所述农田图像前，对所述农田图像执行基于MPEG-2编码标准的图像压缩；

所述电机为直流电机，其额定功率为90W；

所述履带式底盘的宽度为40厘米；

所述自适应递归滤波单元、所述对比度增强单元、所述灰度化处理单元、所述图像分割单元和所述图像识别单元分别采用不同的FPGA芯片来实现；

所述串口为RS-232串行通信接口，所述并口为所述数字信号处理器的八位并行I/O口；

所述数字信号处理器还在接收到无杂草信号时，向所述电机驱动设备发送启动电机运行信号。