CN106889052A - 一种除草机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种除草机,包括车体，该车体包括主架及限深轮，还包括设于主架上的横摆除草结构、除草部件、行间除草结构、视觉与控制系统，该横摆除草结构通过横摆运动使除草部件进入株间区域进行除草，行间除草结构通过一双翼铲铲入土来进行除草，视觉与控制系统对作物进行识别，确定植株保护区域和株间除草区域，并控制横摆除草结构与行间除草结构在株间除草区域进行除草。本发明可降低株间除草装置对牵引拖拉机跟踪作物行精度的要求，减少了株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，并可根据行距来选择行间除草双翼铲的宽度来适应不同行距栽培作物的行间区域除草。
Description
技术领域
本发明属于农业机器人领域，特别涉及一种除草机。
背景技术
目前农业生产中的杂草控制主要依靠除草剂，除草剂虽然控制草害效果好，但是会带来诸如生物灭绝、杂草群落变迁、杂草抗药性增强且抗药谱扩大、环境污染及农药残留等问题。为了克服化学除草所带来的危害和摆脱除草繁重体力劳动，更好地生产绿色食品，近年来，机械除草方式开始受到越来越多的重视。对作物行间的杂草控制，国内外均已有相关产品。而株间杂草控制也有一些报道，如指形除草装置(Leinonen et al.,2004)、刷状除草装置(Kouwenhoven,1997)，这些除草机具都难以有效控制株间区域的杂草。奥斯纳布吕克大学(Osnabrueck Univesity)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，如果稍有调整不当将会对作物造成损伤，并且其受土壤影响较大，因为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)。以上除草机具虽都有一些实验报道，但都对牵引拖拉机跟踪作物行行走的精度要求高，一般需安装于具有导航功能的农业机械上或智能机器人上，价格较昂贵。而且至今仍无成熟的株间除草机具。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种可适用于各种农用拖拉机牵引的横摆式株间除草装置，可降低株间除草装置对牵引拖拉机跟踪作物行精度的要求，减少了株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，通过更换不同尺寸的除草部件来满足不同株距和不同作物生长时期除草的要求，并可根据行距来选择行间除草双翼铲的宽度来适应不同行距栽培作物的行间区域除草。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种除草机,包括车体，该车体包括主架及限深轮，其中，还包括设于主架上的横摆除草结构、除草部件、行间除草结构、视觉与控制系统，该横摆除草结构通过横摆运动使除草部件进入株间区域进行除草，行间除草结构通过一双翼铲铲入土来进行除草，视觉与控制系统对作物进行识别，确定植株保护区域和株间除草区域，并控制横摆除草结构与行间除草结构在株间除草区域进行除草。
该限深轮上还设有测速结构，用于实时测量车体的运行速度和位移。
该行间除草结构包括左双翼铲和右双翼铲；通过调节双翼铲与主架的相对高度来调节双翼铲入土作业深度。
该横摆除草结构包括横摆机构支架、左横摆导轴轴座、右横摆导轴轴座、上横摆导轴、下横摆导轴、带座直线滚动轴承、带传感器的横摆电机及直线导轨；
上横摆导轴和下横摆导轴通过左横摆导轴轴座和右横摆导轴轴座固定于横摆机构支架上，上横摆导轴和下横摆导轴组成的平面平行于横摆机构支架平面，带座直线滚动轴承由两个直线滚动轴承组成，同时套在上横摆导轴和下横摆导轴上；带传感器的横摆电机通过直线导轨驱动带座直线滚动轴承在上、下横摆导轴上来回摆动，直线导轨固定于横摆机构支架上，带座直线滚动轴承在导轴上摆动行程由带传感器的横摆电机上的传感器检测而得，除草部件固定于带座直线滚动轴承的座上。
上横摆导轴和下横摆导轴通过左横摆导轴轴座和右横摆导轴轴座固定于横摆机构支架上，上横摆导轴和下横摆导轴组成的平面平行于横摆机构支架平面，带座直线滚动轴承由两个直线滚动轴承组成，同时套在上横摆导轴和下横摆导轴上；带传感器的横摆电机通过直线导轨驱动带座直线滚动轴承在上、下横摆导轴上来回摆动，直线导轨固定于横摆机构支架上，带座直线滚动轴承在导轴上摆动行程由带传感器的横摆电机上的传感器检测而得，除草部件固定于带座直线滚动轴承的座上。
该除草部件包括除草部件支架、除草部件旋转电机、万向节、转轴及除草刀具；
除草部件支架固定于带座直线滚动轴承的座上，安装在除草部件支架上的除草部件旋转电机通过万向节和转轴驱动除草刀具旋转。
该除草刀具由圆盘、连接口、紧固螺栓和除草爪齿组成，除草爪齿均匀分布于圆盘上，圆盘与连接口紧密相连，连接口接于转轴上，利用坚固螺栓将圆盘固定于转轴上。
视觉与控制系统包括摄像机和图像处理与控制系统，摄像机垂直向下安装，图像处理与控制系统用于接收及识别处理摄像机拍摄的图片，将图片中的作物生成作物行和作物保护圆，并通过带传感器的横摆电机上的传感器检测横向运动的行程，实现对带传感器的横摆电机的伺服控制。
一种除草机的控制方法，其中，首先，图像处理与控制系统识别出图片中的作物，并计算出每颗作物的中心，以作物最远边界为半径、作物中心为圆心计算得到每颗作物的保护圆参数，利用最小二乘法根据每颗作物的中心坐标拟合出作物行直线；
其次，图像处理与控制系统根据作物中心坐标、保护圆参数和作物行直线参数作为横摆除草结构控制的跟踪路径，在株间区域时带传感器的横摆电机控制除草刀具以作物行直线作为作业路径进行跟踪，而在作物附近则以保护圆的左半部分或右半部分为作业路径进行跟踪，从而实现株间区域除草作业和避让作物。
本发明的有益效果是，通过对旋转除草刀具的横摆运动，实现株间区域杂草控制；由于采用横摆方式，可降低株间除草装置对牵引拖拉机跟踪作物行的精度要求，有效减少了系统成本；通过不同大小尺寸除草部件的更换，实现对作物不同生长时期株间区域和不同株距栽培作物的株间区域的杂草的控制，通过行距来选择行间除草双翼铲的宽度以满足不同行距栽培作物的行间区域除草的要求。
附图说明
图1为横摆式株间除草装置右视图；
图2为横摆式株间除草装置主视图；
图3为横摆式株间除草装置俯视图；
图4为除草刀具的侧视图；
图5为除草刀具的仰视图；
图6为横摆式株间除草装置作业示意图。
图中，1.摄像机，2.主架，3.限深轮，4.测速结构，5.横摆机构支架，6.下横摆导轴，7.带传感器的横摆电机，8.除草部件支架，9.除草部件旋转电机，10.万向节，11.转轴，12.除草刀具，13.左双翼铲，14.左横摆导轴轴座，15.直线导轨，16.上横摆导轴，17.右横摆导轴轴座，18.右双翼铲，19.图像处理与控制系统，20.带座直线滚动轴承，21.圆盘，22.连接口，23.紧固螺栓，24.除草爪齿，25.作物，26.作物行径，27.作物保护圆。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明进行详细的描述。
如图1至图6所示，本发明公开了一种除草机,包括车体，该车体包括主架2及限深轮3，其中，还包括设于主架上的横摆除草结构、除草部件、行间除草结构、视觉与控制系统，该横摆除草结构通过横摆运动使除草部件进入株间区域进行除草，行间除草结构通过一双翼铲铲入土来进行除草，视觉与控制系统对作物进行识别，确定植株保护区域和株间除草区域，并控制横摆除草结构与行间除草结构在株间除草区域进行除草。主架2为横摆株间除草装置提供了安装平台，通过多个主架2并联实现多行同时进行株间除草，并为横摆株间除草装置与牵引拖拉机三点悬挂提供接口。限深轮3用于调节除草部件入土深度。
如图1至图6所示，本发明公开了一种除草机,包括车体，该车体包括主架2及限深轮3，其中，还包括设于主架上的横摆除草结构、除草部件、行间除草结构、视觉与控制系统，该横摆除草结构通过横摆运动使除草部件进入株间区域进行除草，行间除草结构通过一双翼铲铲入土来进行除草，视觉与控制系统对作物进行识别，确定植株保护区域和株间除草区域，并控制横摆除草结构与行间除草结构在株间除草区域进行除草。主架2为横摆株间除草装置提供了安装平台，通过多个主架2并联实现多行同时进行株间除草，并为横摆株间除草装置与牵引拖拉机三点悬挂提供接口。限深轮3用于调节除草部件入土深度。
该限深轮3上还设有测速结构4，用于实时测量车体的运行速度和位移。测速结构4为测速编码盘，其安装于车轮轴上，实时测量横摆株间除草装置进行速度和位移。
该行间除草结构包括左双翼铲13和右双翼铲18；通过调节双翼铲与主架2的相对高度来调节双翼铲入土作业深度。左双翼铲13和右双翼铲18为传统的双翼铲，双翼铲的宽度可根据作物行距进行选择。
该横摆除草结构包括横摆机构支架5、左横摆导轴轴座14、右横摆导轴轴座17、上横摆导轴16、下横摆导轴6、带座直线滚动轴承20、带传感器的横摆电机7及直线导轨15；
上横摆导轴16和下横摆导轴6通过左横摆导轴轴座14和右横摆导轴轴座17固定于横摆机构支架5上，上横摆导轴16和下横摆导轴6组成的平面平行于横摆机构支架5平面，带座直线滚动轴承20由两个直线滚动轴承组成，同时套在上横摆导轴16和下横摆导轴6上；带传感器的横摆电机7通过直线导轨15驱动带座直线滚动轴承20在上、下横摆导轴上来回摆动，直线导轨15固定于横摆机构支架5上，带座直线滚动轴承20在导轴上摆动行程由带传感器的横摆电机7上的传感器检测而得，除草部件固定于带座直线滚动轴承20的座上。
该除草部件包括除草部件支架8、除草部件旋转电机9、万向节10、转轴11及除草刀具12；
除草部件支架8固定于带座直线滚动轴承20的座上，安装在除草部件支架8上的除草部件旋转电机9通过万向节10和转轴11驱动除草刀具12旋转。除草部件在自身旋转、摆动运动和牵引机头向前行驶三个运动配合下进出作物株间区域实现避让作物和除草作业。
该除草刀具12由圆盘21、连接口22、紧固螺栓23和除草爪齿24组成，除草爪齿24均匀分布于圆盘21上，圆盘21与连接口22紧密相连，连接口22接于转轴11上，利用坚固螺栓23将圆盘21固定于转轴上11。
视觉与控制系统包括摄像机1和图像处理与控制系统19，摄像机1垂直向下安装，图像处理与控制系统19用于接收及识别处理摄像机1拍摄的图片，将图片中的作物25生成作物行径26和作物保护圆27，并通过带传感器的横摆电机上的传感器检测横向运动的行程，实现对带传感器的横摆电机的伺服控制。
同时，本发明还公开了一种除草机的控制方法，首先，图像处理与控制系统19识别出图片中的作物，并计算出每颗作物的中心，以作物最远边界为半径、作物中心为圆心计算得到每颗作物的保护圆参数，利用最小二乘法根据每颗作物的中心坐标拟合出作物行直线；
其次，图像处理与控制系统19根据作物中心坐标、保护圆参数和作物行直线参数作为横摆除草结构控制的跟踪路径，在株间区域时带传感器的横摆电机7控制除草刀具12以作物行直线作为作业路径进行跟踪，而在作物附近则以保护圆的左半部分或右半部分为作业路径进行跟踪，从而实现株间区域除草作业和避让作物。
Claims (5)
1.一种除草机,包括车体，该车体包括主架(2)及限深轮(3)，其特征在于，还包括设于主架上的横摆除草结构、除草部件、行间除草结构、视觉与控制系统，该横摆除草结构通过横摆运动使除草部件进入株间区域进行除草，行间除草结构通过一双翼铲铲入土来进行除草，视觉与控制系统对作物进行识别，确定植株保护区域和株间除草区域，并控制横摆除草结构与行间除草结构在株间除草区域进行除草；
该横摆除草结构包括横摆机构支架(5)、左横摆导轴轴座(14)、右横摆导轴轴座(17)、上横摆导轴(16)、下横摆导轴(6)、带座直线滚动轴承(20)、带传感器的横摆电机(7)及直线导轨(15)；
上横摆导轴(16)和下横摆导轴(6)通过左横摆导轴轴座(14)和右横摆导轴轴座(17)固定于横摆机构支架(5)上，上横摆导轴(16)和下横摆导轴(6)组成的平面平行于横摆机构支架(5)平面，带座直线滚动轴承(20)由两个直线滚动轴承组成，同时套在上横摆导轴(16)和下横摆导轴(6)上；带传感器的横摆电机(7)通过直线导轨(15)驱动带座直线滚动轴承(20)在上、下横摆导轴上来回摆动，直线导轨(15)固定于横摆机构支架(5)上，带座直线滚动轴承(20)在导轴上摆动行程由带传感器的横摆电机(7)上的传感器检测而得，除草部件固定于带座直线滚动轴承(20)的座上，所述限深轮(3)上还设有测速结构(4)，用于实时测量车体的运行速度和位移，所述行间除草结构包括左双翼铲(13)和右双翼铲(18)；通过调节双翼铲与主架(2)的相对高度来调节双翼铲入土作业深度。
2.根据权利要求1所述的横摆式株间除草装置，其特征在于，该除草部件包括除草部件支架(8)、除草部件旋转电机(9)、万向节(10)、转轴(11)及除草刀具(12)；
除草部件支架(8)固定于带座直线滚动轴承(20)的座上，安装在除草部件支架(8)上的除草部件旋转电机(9)通过万向节(10)和转轴(11)驱动除草刀具(12)旋转。
3.根据权利要求2所述的横摆式株间除草装置，其特征在于，该除草刀具(12)由圆盘(21)、连接口(22)、紧固螺栓(23)和除草爪齿(24)组成，除草爪齿(24)均匀分布于圆盘(21)上，圆盘(21)与连接口(22)紧密相连，连接口(22)接于转轴(11)上，利用坚固螺栓(23)将圆盘(21)固定于转轴(11)上。
4.根据权利要求1所述的横摆式株间除草装置，其特征在于，视觉与控制系统包括摄像机(1)和图像处理与控制系统(19)，摄像机(1)垂直向下安装，图像处理与控制系统(19)用于接收及识别处理摄像机(1)拍摄的图片，将图片中的作物(25)生成作物行径(26)和作物保护圆(27)，并通过带传感器的横摆电机上的传感器检测横向运动的行程，实现对带传感器的横摆电机的伺服控制。
5.一种根据权利要求4所述的横摆式株间除草装置的控制方法，其特征在于，首先，图像处理与控制系统(19)识别出图片中的作物(25)，并计算出每颗作物的中心，以作物最远边界为半径、作物中心为圆心计算得到每颗作物的保护圆参数，利用最小二乘法根据每颗作物的中心坐标拟合出作物行直线；
其次，图像处理与控制系统(19)根据作物中心坐标、保护圆参数和作物行直线参数作为横摆除草结构控制的跟踪路径，在株间区域时带传感器的横摆电机(7)控制除草刀具(12)以作物行直线作为作业路径进行跟踪，而在作物附近则以保护圆的左半部分或右半部分为作业路径进行跟踪，从而实现株间区域除草作业和避让作物。
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