CN105892456A - 一种用于单行农作物植株株顶轨迹自动跟踪控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业装备电子控制技术，尤其涉及玉米去雄机和棉花去顶机的田间单行植株株顶轨迹自动跟踪控制方法。其特征在于：通过光电识别延时手段搜索植株株顶位置目标，经信息处理及放大模块对采集到的目标轨迹信息与期望雄顶轨迹对比放大后向电磁液压阀块发出指令，电磁液压阀块根据位置偏移指令控制跟踪机构油缸的伸缩方向和延时时间，跟踪机构带动连接其下的执行机构、调速支架机构和安装在支架前端的株顶位置监测器同步运动。变化后的株顶位置监测器继续在当前位置搜索当前的株顶目标，再将信息发送到信息处理模块。采取适时调整预描距离和平行四杆机构倾斜运动综合措施，补偿跟踪滞后产生的仿形偏移，可有效降低漏除率。

Description

一种用于单行农作物植株株顶轨迹自动跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及农业装备电子控制技术，尤其涉及玉米去顶机和棉花去顶机的田间植株株顶轨迹跟踪控制。

背景技术

玉米种子田间去顶作业通常是在农作物株高为1.5米～2.0米的抽雄阶段进行，工期短，环境恶劣，任务重，去顶作业质量要求高。棉花田间去顶期间，工期短，作业量大，需要投入在量的人力。

在欧美一些农业发达国家已实现机械化去顶作业，例如法国Bourgoin公司的去雄喷药机、美国Hagie公司204去雄机、美国Big John公司PDF752D去雄机等，其技术成熟，具有利用机器视觉定位农作物雄穗高度的自动跟踪功能。

在中国玉米去雄仍然是以人工为主，近年有少量进口去顶机投入生产作业，国内已有自主研制的去雄机样机进入田间试验阶段，但对以植株株顶轨迹跟踪为核心的去顶机控制系统的研制才刚刚起步，远远落后于发达国家。这直接制约着中国玉米去雄机的发展。同时国内玉米制种田的种植水平和习惯与国外发达国家有很大差距，这就增加了机械化去顶作业的难度，尤其是植株株顶轨迹跟踪的难度。中国是棉花生产在国，棉花田间去顶还完全靠人工作业。

目前，对连续曲线的轨迹跟踪技术已经达到非常成熟的阶段，在一些领域得到广泛的应用，对类似单行若干农作物植株株顶的非连续目标顶点位置的精确跟踪控制仍然是有待于攻关的技术瓶颈。

集成运用传感技术、计算机技术、控制技术等高新技术，能够解决植株株顶轨迹跟踪难题。

发明内容

本发明的目的是使农作物去顶机能够在田间自动控制单体去顶部件跟踪单行植株株顶去顶作业，满足去顶工作部件相对植株株顶位置的精度要求，提高去顶率，提出了一种用于单行农作物植株株顶轨迹自动跟踪控制方法。

为了实现上述目的，本发明农作物去顶机去顶工作装置的株顶轨迹跟踪方法采用如下步骤：

步骤1：将单行各个农作物植株株顶位置点描述为以株距间隔为水平坐标、以株高差异为垂直坐标的若干折线所构成的连续多段折线，所述连续多段折线就是单行去顶部件工作点的期望跟踪轨迹；

步骤2：所述单行去顶机工作点的期望跟踪轨迹是运动轨迹，参数包括：单行去顶部件工作点坐标X_o、期望跟踪轨迹的垂直速度v、期望跟踪轨迹的水平速度u，所述植株株顶期望跟踪轨迹的位置坐标(X_P、Y_P)是相对去顶机工作点X_o的位置坐标，所述期望跟踪轨迹的垂直速度v是平行四杆跟踪机构的垂直分速度，所述期望跟踪轨迹的水平速度u是机车的行驶速度；

步骤3：采用上下光电传感器作为识别植株株顶位置的感应元件，设上传感器未发现目标时无信号输出，发现目标时有信号输出并延时T时间；下传感器发现目标时无信号输出并延时T时间，未发现目标时有信号输出；

步骤4：在去顶机工作点X₀当前位置的前进方向一侧设定上、下光电传感器识别区间Y_ab，所述设定的识别区间Y_ab包含居中的株顶期望位置点Y_P及上下相邻合理区间，株顶期望位置点Y_P与去顶部件工作点X_o处于同一水平线上，上传感器坐标Y_a是反映上临界点的坐标、下传感器坐标Y_b是反映下临界点的坐标；

Y_ab＝V_上T+V_下T＝2vt

其中

V_上——垂直上升速度是平行四杆跟踪机构的垂直上升分速度

V_下——垂直下降速度是平行四杆跟踪机构的垂直下降分速度

步骤5：所述的轨迹跟踪还包括光电传感器识别区间Y_ab距去顶机工作点X₀向前方伸出距离L；

$L=\left\{\begin{array}{cc}{L}_{\min },& u<u_{\min }\\ u\&CenterDot;T& u_{\min }<u<u_{\max }\\ L_{\max }& u>u_{\max }\end{array}\right.$

步骤6：。把相关信息存储到信息处理模块和速度控制器中。

步骤7：去顶机开始工作，去顶工作部件与连接一体的光电识别器一起向前运动，光电识别传感器在识别区内搜索株顶目标，实时采集植株株顶当前位置信息，把当前信息发送到信息处理模块和速度控制器中，信息处理模块和速度控制器将当前信息与预置存储信息进行比较后向平行四杆跟踪机构发出工作指令，当识别器搜索到的株顶目标P位于期望区间时，信息处理模块指令平行四杆跟踪机构静止不动并延时T时间；在当前位置或上个T延时时间内，识别器搜索到的株顶目标超出期望区间上临界点Y_a时，信息处理模块指令平行四杆跟踪机构向上运动并延时T时间；在当前位置或上个T延时时间内，识别器搜索到的株顶目标超出期望区间下临界点Y_b时，信息处理模块指令平行四杆跟踪机构向下运动并延时T时间。

本发明所述的延时时间T的取值范围是依据植株的株距S和去顶机的行驶速度u确定的，国内目前制种田种植水平的S取值范围为0.21m～0.27m，中型拖拉机田间行驶速度u的取值范围为3.6km～9km，故延时时间的取值范围为0.1s～0.3s。以当前速度u行驶当前确定的延时时间T所得距离S_t应大于当单行 平均植株的株距S。

本发明植株株顶轨迹自动跟踪控制方法，其特征在于所述植株株顶的期望识别区间Y_ab与去顶部件入禾面垂直高度相同，依据去顶农艺要求确定，一般为8cm左右。

本发明株顶轨迹跟踪控制方法所述期望跟踪轨迹的垂直速度v由期望识别区间Y_ab宽度和延时时间T确定，

V≈Y_ab/T

上升时V_上＝0.125～0.25m/s

下降时V_下＝0.075～0.15m/s。

本发明农作物植株株顶轨迹自动跟踪控制方法，其特征在于所述光电传感器识别区间Y_ab距去顶机工作点X_o向前方伸出距离L，由去顶机作业速度和延时时间确定，

$L=\left\{\begin{array}{cc}{L}_{\min },& u<u_{\min }\\ u\&CenterDot;T& u_{\min }<u<u_{\max }\\ L_{\max }& u>u_{\max }\end{array}\right.$

中型拖拉机田间行驶速度u的取值范围为1m/s～2.5m/s，延时时间的取值范围为0.1s～0.3s，伸出距离L为500mm～900mm，大型拖拉机田间行驶速度u的取值范围为1.5m/s～3m/s，延时时间的取值范围为0.05s～0.15s，伸出距离L为800mm～1200mm，速度u越快，伸出距离L越大；株距S越大，伸出距离L越小，L伸出距离L长短由速度控制器调节，用以消除水平方向的跟踪滞后。

本发明植株株顶轨迹自动跟踪控制方法所述步骤7中在当前位置或上个T延时时间内，识别器搜索到的株顶目标超出期望区间上临界点Y_a时，信息处理模块指令平行四杆跟踪机构向上运动并延时T时间，此时向上纠偏距离 Y_偏移＝Y_上·T；在当前位置或上个T延时时间内，识别器搜索到的株顶目标超出期望区间下临界点Y_b时，信息处理模块指令平行四杆跟踪机构向下运动并延时T时间，此时向下纠偏距离Y_偏移＝V_上·T；每个延时的纠偏距离为

本发明农作物植株株顶轨迹自动跟踪控制方法，其特征在于所述平行四杆跟踪机构固定竖臂下端向后倾斜，使得活动竖杆在向上运动的同时也向前运动，向下运动的同时也向后运动；具有跟踪滞后的补偿功效，当倾斜角度设为45°时，其运动速度当四杆机构向下运动时，期望跟踪轨迹水平速度u与平行四杆跟踪机构的水平运动速度V_水平方向一致，相当于速度增加，可补偿下降过程中的跟踪滞后；当四杆机构向上运动时，期望跟踪轨迹水平速度u与平行四杆跟踪机构的水平运动速度V_水平方向相反，可补偿上升过程中的跟踪滞后。

本发明提出的单行农作物植株株顶轨迹自动跟踪控制方法基于扫描延时跟踪技术，适用于任何具有前悬挂功能的高架拖拉机、任何需要去顶的垅作植物和各种工况下的株顶轨迹的仿形跟踪控制，采用本跟踪控制办法的去顶机进行玉米去雄、棉花去顶作业，对提高作业的质量和效率，减轻人工作业的劳动强度具有重要意义。本方法的优点和积极效果在于：解决了非连续目标的高度位置跟踪方法；采用适时调整预描距离和平行四杆机构倾斜运动综合措施，获得满意的跟踪补偿效果；提出了在不同条件地块、不同行驶速度下设置不同的延时时间、伸杆长度和垂直速度，可有效降低漏除率。

附图说明

图1为本发明的跟踪控制方法的流程图

图2为本发明结构原理示意图

图3为本发明高度纠偏、水平滞后补偿示意图

图1中是应用本发明轨迹跟踪控制方法的电液控制系统流程图，该跟踪控制系统包括：电液监测控制中心1，调速支架机构2，去顶执行机构3，位置跟踪机构4，液压泵站5，电液换向调速集成阀块6，电源模块7，信号放大模块8，信息处理模块9，株顶位置监测器10，行进速度u，株顶位置p。

图2中调速支架机构2，去顶执行机构3，位置跟踪机构4，株顶位置监测器10。

图3中平行四杆机构固定竖臂11，液压油缸12，平行四杆机构上横杆13，平行四杆机构前竖臂14，调速伸缩杆15，株顶位置监测器16，去顶轮组17，去顶轮动力机18，平行四杆机构下横杆19，农作物植株20。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明

图1中是应用本发明轨迹跟踪控制方法的电液控制系统流程图，该系统的工作流程是：采用扫描延时手段，以行进速度u将同一行内的单株农作物虚拟为顶点高低变化的农作物植株立体平面，设置在系统前端的上下并列光电传感器对株顶位置P进行轨迹跟踪，把搜索到的株顶位置信息发送到信息处理模块9，处理后的信息经信号放大模块8变为驱动电能传给电磁液压集成阀块6，集成阀块6根据信息处理模块9的指令开启相应的液压油路推动位置跟踪机构4的油缸工作，连在跟踪机构4下端的去顶执行机构3随跟踪机构4一同运 动，去顶执行机构3的位置变化通过联在其上的调速支架机构2带动株顶位置监测器10同步变化。位置变化后的株顶位置监测器10继续在当前位置搜索当前的株顶位置P，再将信息发送到信息处理模块9，如此反复工作。电液监测控制中心1用以预设和即时控制延时时间T和行进速度u、电源模块7为系统提供24伏直流开关电源，液压泵站5为跟踪控制系统提供3.5mp的系统压力。

图3中平行四杆机构固定竖臂11下端后倾的角度与去顶轮组17的入禾角r相同，所述入禾角r是去顶轮组17两轮相交的切线g与水平线的夹角。平行四杆跟踪机构固定竖臂11的下端向后倾斜，使得活动前竖臂14在向上运动的同时也向前运动，向下运动的同时也向后运动。此结构具有跟踪滞后补偿功能。

图3中给出平行四杆跟踪机构4活动前竖臂14的速度三角形，当倾斜角度设为45°时，其运动速度当四杆机构向下运动时，期望跟踪轨迹水平速度u与平行四杆跟踪机构4的水平运动速度V_水平方向一致，相当于速度增加，可补偿下降过程中的跟踪滞后；当四杆机构向上运动时，期望跟踪轨迹水平速度u与平行四杆跟踪机构4的水平运动速度V_水平方向相反，可补偿上升过程中的跟踪滞后。

步骤4：确定了株顶位置监测器10相对工作点X_o的上下、前后位置。株顶位置监测器10相对去顶工作点X_o的侧向距离应等于或大于去顶工作点X_o相对单侧去顶滚轮17轮轴的距离，本实施例株顶位置监测器10相对植株雄穗的侧向距离为100mm～150mm之间。监测识别元件选用漫反射光电传感器。这种单行贴近监测方式能够避开较大植株伸展叶片的干扰，提高识别的准确率。

本发明农作物植株株顶轨迹自动跟踪控制方法，其特征在于所述光电传感器识别区间Y_ab距去顶机工作点X_o向前方伸出距离L，由去顶机作业速度 和延时时间确定，伸出距离L为500mm～900mm，速度u越快，伸出距离L越大；株距S越大，伸出距离L越小，伸出距离L长短由调速支架机构2的伸缩杆15调节，本实施例采用400mm行程电推杆做为调速支架机构2的伸缩杆15，推杆总长900mm，分600mm，700mm，800mm，900mm四个段位，由固定在驾驶室的遥控装置对多组电推杆同步控制，驾驶员可根据机车速度(档位)变化状况对调速支架机构2的伸缩杆15进行远程手动调节。在另一实施例中调速支架机构2也可采用方形伸缩套管分级定位，手动预设支架伸出长度。

本发明农作物植株株顶轨迹自动跟踪控制方法，其特征在于所述延时时间T的取值范围是依据植株的株距S和去顶机的行驶速度u确定的，速度u越快，延时时间T越小；株距S越大，延时时间T越大，本实施例延时时间T采取预设方式，对于群体植株株顶整齐、植株密度又高的地块，机车能够在田间以较高的行驶速度作业时，延时时间T可选小些，一般为1～2秒；对于群体植株株顶不整齐或植株密度小的地块，机车在田间以稍低的行驶速度作业时，延时时间T可选大些，一般为2～3秒。

每台农作物去顶机上悬挂着多组单行去顶装置3和株顶位置监测器10，用于处理信息的信息处理模块9可以是单行分立的，也可以是多行集成的。本发明自动跟踪控制方法的信息处理模块9在一个实施例中采用分立式FRM信息处理模块，其结构特点是将FRM信息处理模块、24v25w开关电源与光电传感器一起固装在株顶位置监测器10的壳体中，构成独立的单行株顶信息采集与信息处理器，该装置的监测信号就近传输给信息处理模块9，避免远距离信号传输失真现象发生，开关电源7就近供电，线路布置简单清晰，信息采集与信息处理装置的工作状况可以通过安装在驾驶员视野中的信息放大模块8上的指示灯显示。在另一实施例中采用多路集成的信息处理模块9，其型号为TPC型程序 控制器，将TPC型程序控制器与电液监控面板集中固装在驾驶室的仪表区，便于驾驶员调控和监测，各路株顶位置监测器10信号输出线必须采取屏蔽措施。

所述独立的单行株顶信息采集与信息处理器的结构待补充

当然本发明还可以有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于单行农作物植株株顶轨迹自动跟踪控制方法，其特征在于，该方法具有如下步骤：

步骤1：将单行各个农作物植株株顶位置点描述为以株距间隔为水平坐标、以株高差异为垂直坐标的若干折线所构成的连续多段折线，所述连续多段折线就是单行去顶部件工作点的期望跟踪轨迹；

步骤2：所述单行去顶机工作点的期望跟踪轨迹是运动轨迹，参数包括：植株株顶位置点P、单行去顶部件工作点坐标X_o、期望跟踪轨迹的垂直速度v、期望跟踪轨迹的水平速度u，所述植株株顶期望跟踪轨迹的位置坐标(X_P、Y_P)是相对去顶机工作点X_o的位置坐标，所述期望跟踪轨迹的垂直速度v是平行四杆跟踪机构的垂直分速度，所述期望跟踪轨迹的水平速度u是机车的行驶速度；

步骤3：采用上下光电传感器做为识别植株株顶位置P的感应元件，设上传感器未发现目标时无信号输出，发现目标时有信号输出并延时T时间；下传感器发现目标时无信号输出并延时T时间，未发现目标时有信号输出；

步骤4：在去顶机工作点X₀当前位置的前进方向一侧设定上、下光电传感器识别区间Y_ab，所述设定的识别区间Y_ab包含居中的株顶期望位置点YP及上下相邻合理区间，株顶期望位置点Y_P与去顶部件工作点X₀处于同一水平线上，上传感器坐标Y_a是反映上临界点的坐标、下传感器坐标Y_b是反映下临界点的坐标；

Y_ab＝V_上T+V_下T＝2vt

其中

V_上——垂直上升速度是平行四杆跟踪机构的垂直上升分速度

V_下——垂直下降速度是平行四杆跟踪机构的垂直下降分速度

步骤5：所述的轨迹跟踪还包括光电传感器识别区间Y_ab距去顶机工作点X₀向前方伸出距离L；

$L=\left\{\begin{array}{cc}{L}_{\min },& u<u_{\min }\\ u\&CenterDot;T,& u_{\min }<u<u_{\max }\\ L_{\max }& u>u_{\max }\end{array}\right.$

步骤6：。把相关信息存储到信息处理模块和速度控制器中。

步骤7：去顶机开始工作，去顶工作部件与连接一体的光电识别器一起向前运动，光电识别传感器在识别区内搜索株顶目标，实时采集植株株顶当前位置信息，把当前信息发送到信息处理模块和速度控制器中，信息处理模块和速度控制器将当前信息与预置存储信息进行比较后向平行四杆跟踪机构发出工作指令，当识别器搜索到的株顶目标P位于期望区间时，信息处理模块指令平行四杆跟踪机构静止不动并延时T时间；在当前位置或上个T延时时间内，识别器搜索到的株顶目标超出期望区间上临界点Y_a时，信息处理模块指令平行四杆跟踪机构向上运动并延时T时间；在当前位置或上个T延时时间内，识别器搜索到的株顶目标超出期望区间下临界点Y_b时，信息处理模块指令平行四杆跟踪机构向下运动并延时T时间。

2.根据权利要求1一种用于单行农作物植株株顶轨迹自动跟踪控制方法，其特征在于所述延时时间T的取值范围是依据植株的株距S和去顶机的行驶速度u确定的，对于玉米去雄机而言，国内目前制种田种植水平的S取值范围为0.21m～0.27m，中型拖拉机田间行驶速度u的取值范围为3.6km～7km，大型拖拉机为7km～10km，故延时时间的取值范围为0.1S～0.3S。以当前速度u行驶当前确定的延时时间T所得距离S_t应大于当单行平均植株的株距S。

3.根据权利要求1一种用于单行农作物植株株顶轨迹自动跟踪控制方法，其特征在于所述植株株顶的期望识别区间Y_ab与去顶部件入禾面垂直高度相同，依据去顶农艺要求确定，一般为8cm左右。

4.根据权利要求1一种用于单行农作物植株株顶轨迹自动跟踪控制方法，其特征在于所述期望跟踪轨迹的垂直速度v由期望识别区间Y_ab宽度和延时时间T确定，

V≈Y_ab/T

上升时 V_上＝0.125～0.25m/s

下降时 V_下＝0.075～0.15m/s。

5.根据权利要求1一种用于单行农作物植株株顶轨迹自动跟踪控制方法，其特征在于所述光电传感器识别区间Y_ab距去顶机工作点X₀向前方伸出距离L，由去顶机作业速度和延时时间确定，

$L=\left\{\begin{array}{cc}{L}_{\min },& u<u_{\min }\\ u\&CenterDot;T,& u_{\min }<u<u_{\max }\\ L_{\max }& u>u_{\max }\end{array}\right.$

中型拖拉机田间行驶速度u的取值范围为1m/s～2m/s，延时时间的取值范围为0.1S～0.3S，伸出距离L为600mm，700mm，800mm，900mm，速度u越快，伸出距离L越大；株距S越大，伸出距离L越小，L伸出距离L长短由速度控制器调节，用以消除水平方向的跟踪滞后。

6.根据权利要求1一种用于单行农作物植株株顶轨迹自动跟踪控制方法，其特征在于所述步骤7中在当前位置或上个T延时时间内，识别器搜索到的株顶目标超出期望区间上临界点Ya时，信息处理模块指令平行四杆跟踪机构向上运动并延时T时间，此时向上纠偏距离Y_偏移＝V_上·T；在当前位置或上个T延时时间内，识别器搜索到的株顶目标超出期望区间下临界点Yb时，信息处理模块指令平行四杆跟踪机构向下运动并延时T时间，此时向下纠偏距离Y_偏移＝V_上·T；每个延时的纠偏距离为

7.根据权利要求1一种用于单行农作物植株株顶轨迹自动跟踪控制方法，其特征在于所述平行四杆跟踪机构固定竖臂的下端向后倾斜，使得活动竖杆在向上运动的同时也向前运动，向下运动的同时也向后运动；具有跟踪滞后的补偿功效，当倾斜角度设为45°时，其运动速度当四杆机构向下运动时，期望跟踪轨迹水平速度u与平行四杆跟踪机构的水平运动速度V_水平方向一致，相当于速度增加，可补偿下降过程中的跟踪滞后；当四杆机构向上运动时，期望跟踪轨迹水平速度u与平行四杆跟踪机构的水平运动速度V_水平方向相反，可补偿上升过程中的跟踪滞后。