CN108135122B - 一种用于控制杂草的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制杂草的装置。所述装置包括适于去除或破坏目标杂草的叉齿结构，以及叉齿支撑组件，所述叉齿支撑组件适于支撑叉齿沿大致竖直的方向围绕第一控制轴线在接合位置和脱离位置之间运动，其中，在接合位置中使用的叉齿结构接触地面以去除或破坏目标杂草，在脱离位置中叉齿结构基本上从地面缩回。叉齿支撑组件进一步适于支撑叉齿沿大致水平的方向围绕第二控制轴线运动。叉齿支撑组件还包括适于实现叉齿围绕第一控制轴线的运动的第一致动机构以及适于实现叉齿围绕第二控制轴线的运动的第二致动机构。该装置还包括用于感测环境的状况并产生相应的数据的感测系统以及基于来自感测系统的数据来识别环境内的目标杂草的分类系统。控制系统适于根据预定的控制逻辑启动叉齿支撑组件的第一和第二致动机构，从而顺序地定位叉齿以破坏性地接触目标杂草。

Description

一种用于控制杂草的装置

技术领域

本发明一般涉及用于在农业、植物栽培或环境管理方面管理杂草或类似害虫的自动化装置、方法和系统。

本发明主要针对杂草的瞄准和机械去除而开发，并且将主要在这方面进行描述。然而，应该理解的是，本发明不限于这个使用领域，也潜在地适用于喂食或浇灌植物，收割农产品，对植物授粉，对树叶修剪、修枝或使其变薄，或其他类似的目的，其中靶向和末端执行器定位系统可以被有效利用。本发明还潜在地适用于识别和控制害虫和疾病，特别是潜在地适用于检测、控制和/或去除来自某个部位或预定区域的异物，例如棒、骨、小鼠、蜘蛛、大鼠、昆虫、垃圾和其它废物。

背景技术

现有技术的以下讨论旨在将本发明置于适当的技术背景下，并使其优势得到更充分的理解。然而，贯穿本说明书对现有技术的任何引用不应被解释为明确或暗示地承认这样的技术是广泛已知的或者是相关领域中的公知常识。

众所周知，农业和作物种植最重要的方面之一就是对杂草的有效管理。杂草在空间、水、阳光和营养物质方面侵略性地争夺有限的资源。因此，杂草的出现对作物产量和品质有明显的不利影响。而且，由于与作物相比生长速度较快，如果杂草没有得到清除或有效管理，特别是在作物播种后的早期阶段，杂草可能迅速占领整个田块，造成严重的产量损失。

为了减轻这个问题，已经开发了各种化学除草剂。然而，出现了一些相关的问题和限制，包括这些农业化学品和相关应用设备的成本、短期和长期的环境毒性效应、在某些情况下包括致癌作用在内的人类毒性效应、提高的除草剂抗性、以及与有机农业技术的不兼容性。

为了试图避免这些问题，已经开发了各种机械除草装置和系统，其大致可以分为：

·手工除草工具和用具，如锄头；

·机械除草工具，适用于被拖曳在拖拉机或类似车辆后面，并利用叉齿、锄头、刷子或刀片杀死、除去或破坏杂草；以及

·机器人系统，使用自动或半自动操纵器来清除或破坏目标杂草。

机器人系统在自动化方面提供了潜在的好处，因此降低了人工成本。然而，迄今为止，这样的系统倾向于具有显著的缺点或缺陷，包括以下一个或多个缺点或缺陷：不能准确一致地区分杂草和作物或其他植物；缺乏对操纵器的精确控制；无法追踪复杂的轨迹，并在高度有序或结构化的环境之外有效地运作；无法准确地将作物或其他障碍物附近的杂草瞄准；无法有效集成到各种车辆或其他操作平台上；过大的尺寸；功耗过大；可靠性差；和/或成本过高。

本发明的目的是克服或减轻现有技术的一个或多个缺点，或者至少提供有用的替代方案。

发明内容

因此，第一方面，本发明提供了一种用于控制杂草的装置，所述装置包括：

适于去除或破坏目标杂草的叉齿结构；

叉齿支撑组件，其适于支撑所述叉齿结构沿大致竖直的方向围绕第一控制轴线在接合位置和脱离位置之间运动，其中，在接合位置中使用的所述叉齿结构接触地面以去除或破坏目标杂草，在脱离位置中所述叉齿结构基本上从所述地面缩回，所述叉齿支撑组件进一步适于支撑所述叉齿结构沿大致水平的方向围绕第二控制轴线运动；

所述叉齿支撑组件还包括适于实现所述叉齿结构围绕所述第一控制轴线的运动的第一致动机构以及适于实现所述叉齿结构围绕所述第二控制轴线的运动的第二致动机构；

感测系统，用于感测环境的状况并产生相应的数据；

根据来自所述感测系统的所述数据识别环境内的目标杂草的分类系统；以及

控制系统，其适于根据预定的控制逻辑来启动叉齿支撑组件的第一致动机构和第二致动机构，从而定位叉齿结构以破坏性地接触目标杂草。

这里使用的术语“破坏性接触”意在从功能的角度广泛地被解释，包括足以杀死、除去、损坏、干扰、破坏或清除目标杂草的任何程度的直接接触，以及在没有直接接触的情况下非常接近以足够间接地杀死、除去、损坏、干扰、破坏或清除目标杂草周围的叶子、根系或土壤，以阻止杂草进一步的生长或繁殖。

在一个实施例中，叉齿支撑组件包括弹性偏置机构，弹性偏置机构适于在接合位置利用偏置力将叉齿向下推动至与地面接触，由此叉齿能够穿透地面达到足以有效地去除或破坏目标杂草的程度，同时在接合位置允许叉齿抵抗偏置力而缩回一定程度，以自动适应诸如岩石、土块、灌溉管线或其它障碍物的障碍物。

在一个实施例中，弹性偏置机构采取一个或多个机械弹簧的形式。在其它实施例中，弹性偏置机构采取弹性条或带的形式。在其他实施例中，可以使用气动或电磁弹簧机构。弹簧机构可以是固定的、静态可调节的或动态可调节的，例如以适应不同程度的土壤硬度或压实度、不同种类的杂草或作物、不同的叉齿结构和其他相关因素。另外，致动机构可以被操作以模拟动态弹簧，例如通过以扭矩模式操作控制器，由此可以通过电流、液压、气动压力的变化或通过扭矩传感器来感测扭矩。互补的阻尼元件也可以结合到弹簧机构中，并且这些元件也可以是固定的、静态可调的或动态可调的。在一些实施例中，该装置包括相对于第一控制轴线可操作的弹簧机构，以将叉齿返回到脱离位置或初始位置，由此减少能量消耗并提供安全、方便且确定的停用状态。

优选地，第二致动机构可操作以实现叉齿在与地面接触的接合位置中以与地震示踪仪相似的方式沿大致水平的方向的运动，由此叉齿可控地跟循响应于控制系统的路径，以便在作业范围内瞄准杂草。在一些实施例中，叉齿被设计和构造成具有相对高的横向刚度，以促进精确的横向定位，结合较低的竖直刚度来提供竖直方向上的被动弹簧或弹性变形特性。

在一个实施例中，第一致动机构包括适于在接合位置和脱离位置之间围绕第一控制轴线大致竖直地移动叉齿的液压、气动或机电致动器。在一个相对直接的形式中，使用简单的双位置致动器。在其他更复杂的实施例中，可使用渐进式致动器或电动伺服马达，以在接合位置与脱离位置之间提供对叉齿的渐进式、比例式或增量式控制。

类似地，第二致动机构可以包括适于在预定的外侧极限位置之间围绕第二控制轴横向地移动叉齿的液压、气动或机电致动器。在一个相对简单的形式中，这也可以是简单的双位置致动器。在其他更复杂的实施例中，优选地使用渐进式致动器或电动伺服马达，以便在横向偏移的极限位置之间提供对叉齿的渐进式、比例式或增量式控制。

在一个实施例中，叉齿结合有或支撑有流体导管，该流体导管可适于将液体农药、除草剂、肥料或其它农业化学品或添加剂以喷射、蒸汽、滴灌或喷雾的形式输送到目标杂草，或者目标作物。在该实施例的变体中，流体导管可以适于传送诸如水的液体的射流或喷雾，以便于对目标杂草的移除、清除或破坏。在一种形式中，例如，由控制系统调节的水射流与叉齿一起可用于物理切断目标杂草的茎。应该理解的是，该功能还可以在替代的瞄准和控制逻辑下用作系统灌溉、修枝、修剪、薄化、修边、或者收获植物或作物的手段。在进一步的实施例中，流体导管也可以与叉齿一起用作种子供给和种植机制。流体导管还可用于在载体液体或气体(例如空气)流中输送精细颗粒或粉末，用于各种目的，包括人工授粉。

在第二方面，本发明提供了一种用于控制杂草的装置，所述装置包括：

以大致横向的线性阵列布置的多个叉齿结构，每个叉齿结构在使用中可操作以去除或破坏目标杂草；

叉齿支撑组件，其适于支撑每个叉齿结构在大致竖直的方向上围绕第一控制轴线运动，由此阵列中的每个叉齿结构在使用中可在接合位置和脱离位置之间独立地运动，其中，在接合位置中相应叉齿结构接触地面以去除或破坏目标杂草，在脱离位置中叉齿结构基本上从地面缩回，叉齿支撑组件还包括多个第一致动机构，每个第一致动机构适于使所述多个叉齿结构中相应的一个叉齿结构围绕第一控制轴线运动；

感测系统，用于感测环境的状况并产生相应的数据；

根据来自所述感测系统的所述数据识别环境内的目标杂草的分类系统；以及

控制系统，其适于根据预定的控制逻辑独立地启动所述叉齿支撑组件的各个所述第一致动机构，从而定位相应的叉齿结构以破坏性地接触所述目标杂草。

在本发明的这种形式中，可以理解的是，由本发明的第一方面的第二控制轴线和相关联的致动机构提供的水平控制维度通过选择和致动线性阵列内的适当的叉齿或者叉齿的组合而被有效地提供。应该理解的是，在这个实施例中的各个叉齿的旋转控制轴线不必是共线的，而是替代地可以是彼此偏移、彼此错开或以其它构造布置。这样的替代布置可以减小相邻叉齿之间冲突的可能性和/或降低岩石或其他碎屑缠绕在叉齿中或叉齿之间的可能性。

在一个实施例中，所述装置适于由原动机(例如拖拉机、收割机、多用途运载车、卡车、四轮驱动车等)推进或拉动。在这种情况下，该装置可以固定到原动机，或与原动机集成，或被拖曳在原动机的后面，例如是以拖车或其他辅助动力车辆或辅助无动力车辆的形式。

在一个实施例中，该装置被附接到无人地面车辆(UGV)，被其拖曳或推动，或者与之集成，所述无人地面车辆(UGV)例如是适于横穿连续的作物行的类型的无人地面车辆(UGV)。在一个优选的形式中，利用了全方位的、自推进式的、自主的UGV。作为整体环境扫描、路线规划和目标控制方法的一部分，UGV的控制可以部分或全部自动化，可选地与多个相似或互补的自主车辆一起系统地操作。

在一些实施例中，叉齿支撑组件包括额外的自由度，以提供用于定位和定向叉齿的更多的灵活性。例如，在一个实施例中，瞄准机构的叉齿支撑组件可适于围绕附加的旋转控制轴线和/或沿着平移控制轴线运动。在一些实施例中，叉齿可伸缩地延伸。

在一个实施例中，叉齿和支撑组件构成多角度运动的(DoF)机械臂的末端执行器，其中机械臂在由中间连杆连接的多个旋转关节中的每一个关节处提供至少一个角度的运动。在一些实施例中，机械臂本身可以包括叉齿支撑组件和相关联的瞄准机构。

在一些实施例中，感测系统包括适于生成环境的二维图像的相机，并且控制系统包括将来自相机的图像的像素空间与叉齿支撑组件中的致动器的位置相关联的数学变换算法。更复杂的实施例利用3-D成像和多模式感测进行绘图和定位。可以用于绘图和定位的传感器的示例包括红外、紫外线、视觉、激光测距或激光雷达、高光谱、惯性、声学和基于雷达的感测系统。

在一个实施例中，该装置包括用于实时感测叉齿的位置和取向的第二感测系统，作为反馈控制回路的一部分。这使得可以与非目标进行碰撞检测，确定目标的成功率，检测诸如无意中将污垢或碎屑沉积到非目标上的异常，以及接收其他可能有用的控制输入。然而，在其它实施例中，将理解的是，可选地可以通过开环控制策略来确定或计算与叉齿的位置和取向有关的参数，可选地利用用于调节叉齿的位置或取向的致动器的相应的预定义的中间参考值或路标点。在一些实施例中，感测系统的至少一个传感器可以直接安装在叉齿上，以便于瞄准目标。

优选地，控制系统包括优先化排序算法，用于装置的目标的优先化排序。在一个实施例中，该算法基于相对简单的“先进先出”(FIFO)优先级策略。然而，在其他实施例中，可以将额外的优化参数并入到控制策略中，包括车辆速度，、叉齿到达每个目标所需的时间或距离、相关的后果(例如，无意中撞击邻近的植物而不是撞击近距离的目标杂草)、机会值参数(例如不同目标杂草的相对大小)等。

控制系统优选地还包括用于全局标定的策略，由此使用一个或多个传感器来估计每个目标的全局坐标。在一些实施例中，该策略记录已经被命中的每个目标的中心位置，并且验证任何随后识别的目标与先前已经被命中的目标相距是否超出了预定的最小距离(例如，在误差圆、椭圆或其他几何边界内限定的误差区或排除区)，以使得这些区域内的潜在目标被忽略而有利于命中下一个目标。在一些实施例中，这些误差区或排除区的尺寸是围绕所记录或计算的每个目标的中心位置而固定的或可调整的。

在一些实施例中，控制算法包括用于基于与特定输入相关的实时数据，例如成像中的误差、实时运动学(RTK)数据、测距数据等，而为每个目标动态地确定、分配和存储唯一的误差区或排除区的方法。

在更复杂的实施例中，将环境中的特征的状态信息并入到全局地图中，其包括诸如绘图、定位、特征分类(杂草，作物等)、特征状态(诸如哪些目标已经被命中)、误差估计、排除区、和/或先前的全局地图或其部分的存储值等维度。

在一些实施例中，多个机器人或自主UGV被联网并被配置成与中央控制系统通信，中央控制系统适于存储状态信息并生成更高级别的计划。另一种变型使用去中心化系统，其中多个机器人可以在它们之间直接进行通信和协调，从而避免了对中央控制系统的需求。

在第三方面，本发明提供了一种用于控制杂草的装置，所述装置包括：

适于去除或破坏目标杂草的叉齿结构；

叉齿支撑组件，其适于支撑叉齿结构在预定方向上围绕至少一个控制轴线在接合位置和脱离位置之间运动，其中，在接合位置中使用的叉齿结构接触地面以去除或破坏目标杂草，在脱离位置中叉齿结构基本上从地面缩回；

叉叉齿支撑组件还包括至少一个致动机构，所述致动机构适于实现叉齿结构围绕控制轴线的运动；

感测系统，用于感测环境的状况并产生相应的数据；

根据来自所述感测系统的所述数据识别环境内的目标杂草的分类系统；以及

控制系统，其适于根据预定的控制逻辑启动叉齿支撑组件的致动机构，从而顺序地定位叉齿结构以破坏性地接触目标杂草。

另一方面，本发明提供了一种用于控制杂草的装置，所述装置包括：

用于破坏目标杂草或害虫的除草工具；

具有布置在除草工具附近的抽吸装置(例如抽吸嘴)的真空系统；

支撑组件，其适于支撑除草工具和抽吸装置在预定方向上围绕至少一个控制轴线在接合位置和脱离位置之间运动，其中，在接合位置中使用的除草工具接触地面以破坏目标杂草或害虫，在脱离位置中除草工具基本上从地面缩回；

支撑组件还包括至少一个致动机构，所述致动机构适于实现除草工具和抽吸装置围绕控制轴线的运动；

感测系统，用于感测环境的状况并产生相应的数据；

根据来自传感系统的数据来识别环境内的目标杂草或害虫的分类系统；以及

控制系统，其适于根据预定的控制逻辑启动支撑组件的致动机构，从而顺序地定位除草工具以破坏性地接触目标杂草或害虫，并且顺序地定位抽吸装置以随后去除被破坏的杂草或害虫。

在一些实施例中，致动机构适于参考笛卡尔坐标系，SCARA坐标系，平行坐标系，极坐标系或其他坐标系来控制除草工具和抽吸装置的运动。

可以理解的是，在某些实施方式中，结合真空系统用于去除被破坏的杂草或害虫的这种装置可以在使得不希望的种子扩散最小化方面提供优势，从而随着种子和杂草本身被完全从作物土壤中移除而潜在地减少杂草发生率。

在进一步的方面，本发明提供了使用所描述的装置来识别、瞄准并且清除或破坏杂草的自动化方法和系统。

附图说明

现在将参照附图仅以举例的方式描述本发明的优选实施例，其中：

图1是根据本发明的第一实施例的集成在全方位的无人地面车辆(UGV)中的具有处于接合位置的叉齿结构的自主农用除草装置的透视图；

图2是放大的透视图，更详细地示出了图1的装置的除草叉齿和叉齿支撑组件；

图3是类似于图2的放大透视图，示出了与图1的装置一起使用的除草叉齿和叉齿支撑组件的替代实施例；

图4是放大的透视图，示出了与图1的装置一起使用的提供了第三控制轴线的叉齿支撑组件的另一个实施例；

图5是根据本发明的第二种形式或方面的自主农业除草装置的透视图，所述自主农业除草装置以线性阵列的形式集成了一系列被支撑为独立致动的叉齿；

图6是放大的透视图，示出了图5的装置的一个叉齿和相关的叉齿支撑组件；

图7是类似于图6的放大透视图，示出了与图5的装置一起使用的叉齿和叉齿支撑组件的替代实施例；

图8是示出根据本发明的一个实施例的除草装置和系统的高级控制方法的图解表示的流程图；

图9是示出作为总体控制策略的一部分的用于定位目标并使叉齿啮合(无标定)的控制逻辑的图解表示的流程图；

图10是示出用于定位目标的控制逻辑的图解表示的流程图，所述控制逻辑包含在全局坐标中使用目标存储器的标定；

图11是示出作为总体控制策略的一部分的用于定位目标并将叉齿移动到目标区域(无标定)的控制逻辑的图解表示的流程图；

图12是示出用于定位和杀死目标杂草的控制逻辑的图解表示的流程图，所述控制逻辑包含在全局坐标中使用目标存储器的标定；

图13是示出作为使用根据本发明的一个实施例的装置和系统的总体控制策略的一部分的基于叉齿的一侧到另一侧轨迹来杀死或破坏杂草的控制逻辑的图解表示的流程图；

图14是示出了叉齿和叉齿支撑组件的替代实施例的透视图，该叉齿和叉齿支撑组件包含同轴地连接到真空系统的软管并且通向覆盖装置的多叉末端除草执行器具；

图15是集成在具有图14的多叉器具和真空系统的全方位无人地面车辆(UGV)中的自主农业除草装置的透视图；

图16示出了在作物床上方行进并且瞄准杂草进行去除的图15的全方位无人地面车辆(UGV)；

图17是示出叉齿和叉齿支撑组件的替代实施例的透视图，其中多叉末端执行器被安装到多角度运动的机械臂并且真空软管被定位在多叉末端执行器附近并且通向覆盖装置。

具体实施方式

首先参考图1和图2，本发明提供了一种自主除草装置1。该装置包括叉齿结构2，其适于在沿着种植的行或种子床4拉动叉齿时移除、清除或破坏目标杂草3。

叉齿支撑组件10适于支撑叉齿结构2在大致竖直的方向上围绕水平取向的第一控制轴线12运动。这样，叉齿在使用中可以在向下定向的接合位置(如图1所示)与向上定向的脱离位置之间运动，其中，在接合位置中叉齿接触或穿透地面以去除或破坏目标杂草，在脱离位置中叉齿基本上从地面缩回。叉齿支撑组件10进一步适于支撑叉齿沿大致水平的方向围绕竖直取向的第二控制轴线14运动。在这个实施例中，叉齿支撑组件采取能为叉齿提供相互正交的平扫控制轴线和俯仰控制轴线的转台的形式。然而，在其它实施例中，将认识到的是，这些自由度可以不同地取向或以其他方式提供，例如通过平移运动或伸缩延伸，可选地结合一个或多个旋转控制轴线。

叉齿支撑组件10进一步包括适于实现叉齿围绕第一控制轴线12的运动的第一致动机构(容纳在转台内但在图1和图2的视图中隐藏)，和适于实现叉齿围绕第二控制轴线14的运动的第二致动机构(也容纳在转台内但在图1和图2的视图中隐藏)。

在该实施例中，第一致动机构采取设置在支撑组件的主体内的第一电动伺服马达的形式并且适于使叉齿围绕第一控制轴线在接合位置和脱离位置之间旋转。类似地，第二致动机构采取第二电动伺服马达的形式，该第二电动伺服马达也设置在支撑组件或转台的主体内，并且适于使叉齿围绕基本竖直的第二控制轴线14旋转。然而，应该认识到，在其他实施例中，致动机构可以可选地包括液压的、气动的、机电的或其它合适的致动形式。这些致动机构可以包括相对简单的双位置致动控制，或者在更复杂的实施例中，在其工作范围内对叉齿进行比例式或增量式双轴控制。

图3示出了用于图1的装置中的叉齿和叉齿支撑组件的替代实施例。在这种情况下，可以看出，第一致动机构采取第一电动旋转伺服马达24的形式，该第一电动旋转伺服马达24适于使叉齿围绕水平取向的第一控制轴线12旋转，从而实现叉齿沿竖直方向在接合位置和脱离位置之间的运动。第二致动机构采取第二电动旋转伺服马达25的形式，该第二电动旋转伺服马达25适于使叉齿围绕竖直取向的第二控制轴线14旋转，从而在处于与地面接触的接合位置时沿水平方向实现一侧到另一侧的运动。在这个控制维度中的叉齿的移动使人想起地震示踪仪，由此叉齿可控制地跟循响应于控制系统的路径，以促进与操作范围内的目标杂草的破坏性接触，以下将更充分地进行描述。

图4示出了叉齿支撑组件的另一个实施例。在这种情况下，将会看到，支撑组件的双轴转台安装在滑架26上，滑架26可滑动地与互补的导轨27接合。由此，滑架响应于线性致动器28的运动而被支撑为沿着前后轴线做有限程度的线性偏移。这种布置提供了第三控制轴线，使得双轴叉齿支撑组件能够向前和向后运动。该额外的控制轴线可以用来在叉齿瞄准杂草时引起较高的相对速度，并且通过实现一定程度的“回溯”来减少错过的杂草的数量。这又可以在特定应用中实现更高的恒定车速和/或更高的除草率。

该装置还包括感测系统30，用于感测环境的各个方面并生成指示它的数据。在一些实施例中，感测系统包括适于生成环境的二维图像的相机，并且控制系统包括将来自相机的图像的像素空间与叉齿支撑组件中的致动器的位置相关联的数学变换算法。更复杂的实施例利用3-D成像和多模式感测进行绘图和定位。可以用于绘图和定位的传感器的示例包括红外、紫外线、视觉、激光测距或激光雷达、高光谱、惯性、声学和基于雷达的感测系统。

该装置还提供了分类系统以根据来自传感系统的数据和适当的分类标准在环境内识别目标杂草，以及可选地识别诸如植物或作物的非目标。

控制系统35适于根据预定的控制逻辑启动叉齿支撑组件10的第一和第二致动机构，从而顺序地定位叉齿以便杀死或至少破坏性地接触目标杂草。对预定控制逻辑的提及旨在包括随时间演进或精细化的自适应算法和机器学习策略。

叉齿或叉齿支撑组件还包括弹性偏置机构，该弹性偏置机构适于在接合位置以正向偏置力弹性地将叉齿向下推动至与地面有效接触。通过这种方式，叉齿能够穿透地面达到足以有效地杀死、除去或破坏目标杂草的程度，同时允许叉齿抵抗偏置力缩回而自动适应诸如岩石、土块、灌溉管线或其他障碍的障碍物。弹性偏压机构因此充当叉齿的悬挂件的形式，在接合位置保持叉齿和待耕作土壤之间的最佳功能性接触，并且具有足够的灵活性以适应地面地形中的障碍物和起伏。

在一个实施例中，弹性偏置机构采用一个或多个机械弹簧的形式，并被定位成向下推动叉齿的尖端以便在接合位置中穿透地面。在其他实施例中，弹性偏置机构可以采取弹性条或带的形式。进一步的变型包括气动或电磁弹簧机构。在一种形式中，叉齿本身由具备有一定程度的弹力或弹性的材料(例如弹簧钢)形成，由此弹性偏置机构在叉齿本身的形状、构造和材料组成中是固有的。

在各种实施例中，弹簧机构可以是固定的、静态可调的或动态可调的，以适应不同程度的土壤硬度或压实度、不同种类的杂草或作物、不同的叉齿配置和其他相关因素。互补的阻尼元件(未示出)也可以结合到弹性偏置机构中，并且就阻尼特性而言，这些元件也可以是固定的、静态可调的或动态可调的。

在一些实施例(未示出)中，叉齿结合或支撑有补充流体导管，该补充流体导管可适于将液体农药、除草剂、肥料或其它农业化学品或添加剂输送至目标杂草，或者替代地输送至目标作物。例如，在该实施例的一个变型中，叉齿的尖端可以用于机械地清除杂草，而与同一叉齿相关联的流体导管可以与类似的精确瞄准一起使用以添加化学肥料、灌溉水或其他支持性农业化学物质到植物或待栽培作物。在另一个变型中，多个流体导管可以与叉齿结合或由其支撑，例如一个导管将除草剂引导至目标杂草，另一个导管将肥料引导至目标植物。

在该实施例的另一变型中，流体导管可以适于传送液体射流，例如水的射流，以促进目标杂草的移除、清除或破坏。例如，在一种形式中，由控制系统调节的水射流与叉齿一起可用于物理切断目标杂草的茎。应该理解的是，该功能还可以在替代的瞄准和控制逻辑下用作系统灌溉、修枝、修剪、薄化、修边、或者收获植物或作物的手段。在进一步的实施例中，流体导管也可以与叉齿一起用作种子供给和种植机构。

装置可以由任何适当形式的原动机推进，也可以安装到固定平台。在所示的实施例中，该装置被直接附接到无人地面车辆(UGV)50或与无人地面车辆(UGV)50集成。优选实施例的UGV是紧凑的全方位车辆，其具备有底盘52和四个独立驱动和可独立转向的车轮54，以及电驱动马达、电池、可选的太阳能电池板以延长电池寿命，以及车载传感器、控制模块、存储器和数据存储模块、导航装置(包括所要求具备的GPS、接收器、发射器和辅助装置)。可以理解的是，该车辆平台基于UGV本身的全方位平台的定位而提供了进一步的自由度以便于叉齿的定位和定向。如果特定应用有需要或为了扩展可操作范围，叉齿也可以通过中间机械臂安装到UGV平台上。在一些实施例中，叉齿也能够可伸缩地延伸以提供附加的运动自由度并扩展可操作范围。

应该理解的是，还设想了各种各样的其他基于地面的车辆与装置结合使用，其他基于地面的车辆具有不同数量的车轮、轨道、腿或滑轨，包括轨道式车厢和一系列用于动力、转向、导航等的选择项。这可以扩展到多腿自主行走车辆或机器人和无人飞行器(UAV)。而且，应该理解的是，可以将多个叉齿和相关联的支撑组件安装到单个车辆平台，以基本上同时协调操作，从而提供冗余度、提高的效率、扩展的可操作范围和潜在的更高的车辆速度。系统的各种实施例也可以反向改装到现有的农业装置或车辆上，包括拖拉机、拖车、犁、收割机、四轮驱动车等。

在其他实施例(未示出)中，该装置可以连接到固定基站，该固定基站可选地与多个类似的基站相结合，这些基站以相互隔开的关系设置，具有相邻或相重叠的目标区域，并且一起协同操作以提供对需要除草的预定目标区域的有效覆盖。

图5至图7示出了本发明的另一种形式，其中类似的特征由相对应的附图标记表示。这种形式的装置也被集成到一个全方位的UGV 50中。然而，在这种情况下，将会看到，多个叉齿结构2以大致横向的线性阵列60布置，每个叉齿在使用中可操作以去除或破坏目标杂草。在这种情况下，叉齿支撑组件适于支撑叉齿沿大致竖直的方向围绕第一控制轴线运动。因此，阵列中的每个叉齿于使用中在接合位置和脱离位置之间可独立移动，其中在接合位置中随着UGV沿着地面拖曳叉齿而移除或破坏目标杂草，其中在脱离位置中叉齿基本上缩回到地面以上的位置。虽然为了清楚起见没有示出，但是应当理解，该装置可以适当地具备有额外的盖、外壳、防护罩或护罩从而为叉齿、支撑组件、致动器和相关部件提供足够的保护。该系统还可以包括用户接口，由此操作者可以通过计算机、移动电子装置(有线或无线)或远程控制站直接与系统交互。

图6示出了用于该实施例的叉齿和相关联的叉齿支撑组件10的第一变体。在这种情况下，致动器(未示出)被安装在支撑体61的外部。

图7示出了用于本发明的这种形式的叉齿和支撑组件的第二变型，其中将看到第一致动机构62基本上安装在支撑体61内部以实现叉齿围绕水平定向的第一控制轴线12的旋转运动，从而实现叉齿的远端在接合位置和脱离位置之间的大致竖直的运动。

在本发明的这种形式中，由多个离散的叉齿支撑组件10相互连接而形成的复合叉齿支撑组件66包括多个第一致动机构62，例如液压或气动致动器或者电动伺服马达，每个致动机构都适于实现相应的一个叉齿围绕其对应的第一控制轴线的运动。在该实施例中，叉齿的第一控制轴线12基本上是同轴的，但是应该理解的是，不一定是这种情况。例如，叉齿可以是彼此错开的、彼此交替偏移的、或以其他合适的构型排列。

还将注意到，在本发明的这种形式中，各个叉齿不被支撑为基于围绕第二控制轴线的旋转而可侧向或水平运动。相反，如图5所示，水平控制维度通过基于控制策略而在线性阵列内选择和致动适当的叉齿、叉齿组合或叉齿簇来有效地提供。如果需要的话，可以实施一种叉齿的自清洁控制模式，由此，通过相邻的叉齿之间的相对运动或快速洗牌式运动来清理它们自身，以清除泥土，岩石或其他碎屑。

在一些实施例中，该系统包括传送系统(例如传送带、桶、辊)或其他传送装置(例如真空泵、蠕动泵等)，由此可以从末端执行器取出被移除的目标，然后将其移动到更合适的目的地(例如存储篮、桶、垃圾箱、焚化炉、堆肥器或地面上)。优选地，该系统能够以通过最小化杂草种子分散从而不会导致进一步的杂草生长的方式来命中杂草。

在一些实施方案中，待处置的目标杂草的生物质可以用作向系统提供动力的能源。这可以通过用于将生物质转化为电能的机载或非机载装置来实现，例如通过直接燃烧、热解、气化或厌氧消化。

在一个实施例中，该系统结合了各种传感器来测量目标的特性。例如，可以使用天平和应变计来测量重量，可以使用成像传感器来测量颜色，可以使用温度传感器来测量温度，可以使用测距和距离传感器来测量尺寸等。来自这些传感器的信息可以用于数据收集目的，或者进一步作为高级别方法的积极的一部分，其中只有满足一定标准的目标才会被作为系统的目标(例如，系统被指令只对直径大于2厘米的非作物植被进行除草操作)。这可以通过连接到单独的或集成的计算机系统来用于选择性除草，所述计算机系统使用各种传感器来识别哪些杂草应该成为目标，并且控制末端执行器和操纵装置以对目标进行除草操作。操作人员可以与系统进行高层次的交互，输入高层次的指令，使计算机系统能够独立运行、速度快、计算复杂、精度高、准确性高，然后只向操作人员报告具有重要性的细节。在更高级的实施例中，系统可以自动检测和区分杂草的类型，并为每一种杂草类型采取各种纠正措施。例如，A型的所有杂草都可以被机械地清除，但是由于诸如会导致幼苗散播的不利效果，B型的所有杂草不应该被机械地清除。在这种情况下，系统可以自动记录和报告自动机械除草系统的成功率以及可能需要诸如手动去除、燃烧或使用除草剂之类的替代方法进行处理的任何未被清除的杂草。

在一个实施例中，传感器(例如，视觉传感器、激光传感器、超声波传感器、开关)作为末端执行器的一部分被安装，以在整个操作过程中确定目标(例如杂草)的状态。系统可以将光流传感器结合在末端执行器上，以帮助操纵器对目标进行除草操作。当平台或叉齿机械手包含了限制叉齿尖端的定位精度的某种动态行为时，这可能是特别有用的。

在某些优选实施例中，各种传感器和控制算法可以有利地提供系统及其末端执行器的相对高速度和低成本的空间操纵。

对于机械除草任务，在一些实施例中，重要的是，系统不应当错误地将非目标归类为是目标。系统优选地以近乎完美的精度(即大约99.9％的精度)进行目标分类。这对于避免作物由于多次被破坏性遍历而降低产量来说非常重要。以下公式可以用来确定由分类系统中的误差引起的潜在损失的大致程度：

例如，将1％的作物错误地归类为杂草的系统将在20次遍历后错误地破坏大约18％的初始作物。如果系统将杂草探测成作物，那么这可能不像将作物探测成杂草那样严重，因为产量的损失是一定的。

在一些实施例中，系统能够通过使用其他组的测量结果进行推断来对目标进行分类。例如，假设我们的系统能够使用归一化植被指数(NDVI)来检测植物，我们可以从所有植物中根据形状、颜色、质地或先前的定位信息来对那些是作物进行分类。那么，系统能够确定那些是杂草，因为不是作物的植物便是杂草，或者表示为以下逻辑表达式：

此外，如果系统能够高精度地识别植物、作物或杂草中的任意两种，则可以高精度地推断出第三种。

在一些实施例中，系统使用机器学习算法来确定什么是目标以及什么不是目标。在其他实施例中，可以使用已知的信息来提高分类算法的准确性。这样的例子是作物模式的结构，其可以基于种植机器的操作方法来建模。此外，作物种植的中心位置可以在种植时或种植不久之后记录，以进一步提高分类器的准确性。

在一些实施例中，多于一个的地震仪模式除草器的叉齿模块一起协同操作。该系统能够协调致动器以实现总体目标而不会使叉齿相互碰撞。在一些实施例中，优选地具有足够多的地震仪模式叉齿模块，从而能够使得在任何情况下都不需要将叉齿举起并越过作物或其他障碍物(例如滴灌管线)以便到达作物另一边的目标物。在这种情况下，每个作物床所需要的叉齿的数量最好比障碍物排的数量多一个(例如，1+2排生菜+1排滴灌管线＝需要4个叉齿)。

在一些实施例中，该系统包括防止叉齿无意中撞击到不应该被撞击的区域的静止防护装置，例如可以有安全防护装置将其运动范围限制在安全区域内以避免叉齿碰撞周围车辆或使用者等。同样地，通过使用向下伸入地面或略高于地面的防护装置，可以相对于叉齿而将滴灌管线或农作物自身屏蔽。在这些实施例中，还可以安装传感器来检测限位事件何时发生(例如通过使用限位开关)。优选地，机器的运动部件被容纳在保护罩内，以使对附近的人造成伤害的风险最小化。

优选地，齿轮箱与电动机结合使用以便控制叉齿，从而增加来电动机的转矩。这样的齿轮箱可以包括直齿轮、行星斜面齿轮、谐波齿轮等。用于增加来自致动器的力或转矩的其它手段包括使用皮带、滑轮、杠杆、液压活塞等。

在一个实施例中，一系列地震仪模式叉齿具有用于在平行于地面的平面中操作的独立致动器，以及用于在垂直于地面的平面中操作的耦合致动器。这样只需一个执行器就可以将所有的地震仪模式叉齿从地面抬起或放下，而每个叉齿仍然具有独立的水平控制。

优选地，模块允许快速和容易地交换或更换叉齿或末端执行器，使得系统可以由用户针对给定的应用来配置。在一些实施例中，叉齿的末端执行器具有可以选择性地互换的附件或尖端，从而根据各种目标和环境条件的需要可将各种尖端安装到叉齿上。

例如，末端执行器可以是多叉除草工具40。在一些实施例中，可以调整多叉除草工具，使得叉可以独立地或共同地在打开位置和闭合抓取位置之间移动，从而提高机构的效率和实用性。在一些形式中，末端执行器可以包含一个或多个致动器和传感器以控制工具/叉的各种功能。在这样的实施例中，末端执行器工具可以适于在叉头处于打开位置的状态下被推入地面，然后可以闭合叉头从而通过端部执行器向远离地面的朝上的方向运动来抓住和拔除杂草。在一些实施例中，多叉除草工具可以被结合作为可旋转头部的一部分。

在一些实施例中，末端执行器可以包括可释放的锁定装置，该可释放的锁定装置具有用于使得偏置元件(例如弹簧)蓄能的柱塞，从而将叉具确实地保持在关闭位置。为了处理杂草，锁定装置可以通过选择性地操作闩锁机构(例如，电磁体闩锁、机电闩锁等)以对抗弹簧和柱塞的作用而被释放。一旦锁定装置被释放，弹簧的能量通过柱塞可以使叉头朝向打开位置弹开，从而将所移除的杂草沿所期望的方向抛掷或射出。在一些实施例中，箱体或轮槽被设置为所移除的杂草的直接处置目的地，由此端部执行器可以将杂草丢进或扔入箱体或轮槽中。优选地，箱体包括一个或多个传感器(例如，水平面传感器、质量传感器等)，用于测量箱体内的内容物的量或水平。在一些实施例中，箱体具有用于清空箱体的内容物的排放装置(例如，手动地，或当箱体到达由传感器确定的预定状态(例如，满)时)。在一些实施例中，排放装置可以包括机电可操作的门，其可以由控制系统选择性地打开和关闭，由此在预定的废物处理区域排放废物。在其它实施例中，箱体可以装配有致动器，该致动器被配置为以类似的控制模式使箱体倾斜或翻倒，从而帮助箱体的内容物的排放。

在其他实施例中，末端执行器可以包括在工具的端部处或端部附近的真空软管和/或抽吸嘴45，该真空软管和/或抽吸嘴45通向作为处置目的地的箱体、槽体、容器或其他区域(例如轮槽)。真空压力和流量优选可调节(手动或自动)，以使其吸取或抽吸并且移除选定的目标，而基本上不干扰非目标(例如移除杂草但不干扰土壤)。为了帮助清除有根杂草的过程，可以将机械清除工具的末端执行器与真空末端执行器结合使用，以便一旦杂草被拔除，或者已松动并接近于被机械工具拔除，它们就会被真空系统吸走。

在一些实施例中，传感器(例如压力传感器、视觉传感器、质量传感器等)被结合到真空抽吸嘴、软管或处置箱中以感测目标相比较于非目标(例如杂草相比较于土壤或其他物体)而被真空吸取的成功率。系统随后能够自动地优化真空的控制和操作参数(例如，压力、流量、抽吸嘴直径、用于拔除的机械深度等)以作为闭环真空除草系统的一部分。在一些实施例中，根据需要选择性地启用/禁用真空以优化能量消耗。在一些实施例中，真空系统包括用于从非目标分离目标或者将不同类别的目标引导到不同目的地(例如，第一箱体，第二箱体等)的一个或多个无源过滤器(例如筛分、栅格过滤)或有源过滤器(例如，光学分拣系统)。在进一步的实施方式中，末端执行器工具可以包括覆盖(mulching)或粉碎系统，其自动地将杂草拔起并切碎/覆盖，以便进一步被处置到真空单元或其他处理单元(例如箱体)中。在这些和其他模式中，可以设想，只有当与每个目标相互作用时，叉齿才向下与地面接触，否则，叉齿被收置在地面上方以等待下一个目标。此外，携带除草系统的车辆的控制可以与除草工具的规划协调进行，因为在某些情况下可能优选的是在执行每一个除草操作的同时停止车辆，然后在车辆针对每个目标的启动/停止式驾驶方法中控制车辆朝向下一个目标的运动。

在一些实施例中，真空系统可以包括用于确定在真空管线中是否存在完全或部分堵塞的一个或多个传感器(例如流量传感器、压力传感器、电流传感器、功率传感器、声学传感器等)。在这样的实施例中，系统可以利用一个或多个预定动作积极地响应堵塞，以努力去除堵塞。例如，系统可以反向运行真空系统(即，泵出空气而不是吸入空气)，在地面上刮擦真空末端执行器，和/或产生提醒操作员需要清除堵塞的信号。

在一些实施例中，叉齿本身由相对刚性的中空管构件组成，该中空管构件同时也用作真空管。在其他实施例中，真空管可以是柔性的或刚性的并且集成为主叉齿的辅助附件。

在一些实施例中，用于末端执行器的叉头被设计用于实现杂草或目标通过叉头的相对单向运动；例如，使用单程勾住的叉齿或摆动的长矛/叉头来抓住杂草但不弹出杂草，不断地将新的杂草推到末端执行器的预定的终点位置，在终点位置处放置杂草处理装置(例如真空管或箱体等)。

在一些实施例中，叉齿的轮廓被设计成使得其能够抑制冲击和振动的形式。在某些实施例中，弹簧和阻尼器机构可以与叉齿机构串联或并联地安装，从而提供期望的阻尼特性。

可以设想，除草机构将主要由原动机拉动，使得叉齿只沿一个预定的方向运动。在一些实施例中，如果原动机试图以错误的方向推动除草机构，那么叉齿包括有保护装置或者系统具备有传感器以检测或防止对系统的损坏。例如，该系统可以配备有运动传感器，该运动传感器可以检测例如车辆是否向后行驶，如果检测到车辆向后行驶则控制系统提供信号以自动地将所有的叉齿从地面上抬起。

在一些实施例中，具备有使用工具更换机构来自动地更换尖端工具的特征。优选地，计算机控制系统可以手动或自动地确定所期望的尖端工具模型，由此计算机系统可以根据所安装的尖端工具的特定性质来精确地计划工具路径。可以适配各种尖端，例如传统的扫动式尖端，或为应用而专门设计的扫动切刀。

在一些实施例中，尖端工具装配有刺入深度传感器或者被设计成被动地限制叉齿的最大刺入深度的机构。例如，尖端工具可以具有固定的或可调节的深度止挡件，当与地面强制接触时允许尖端横跨地面(例如沿X和Y方向)水平平移，但是防止进一步移入地面(例如沿Z方向)，这是由于深度止挡件的大接触面积阻止了进一步的刺入。

在一些实施例中，尖端工具被机动化，使得即使在叉齿不移动时尖端工具也能够除草。例如，尖端工具可以是例如指向下方并与地面接触的旋转锯齿形齿面的形式。

现在将参照图8至图13来描述高级控制逻辑和控制方法的说明性示例。本发明的特定实施例和应用的这些方法的详细实施方式将会是在本领域技术人员的知识和专业经验的范围内。

图8是用于该系统的高级控制策略的简单流程图，其应当放在前面所述的装置和相关系统组件的上下文中被理解。在其最基本的形式中，省略了一些细节，系统逻辑大致概述如下：

整体系统逻辑

·通过传感系统评估目标环境，

·根据目标环境生成传感器数据，

·启动自动目标识别和机械除草系统，

·用作为末端执行器的叉齿杀死或清除目标杂草，

·重新评估目标环境，以及

·生成新的传感器数据。

图9的流程图更详细地示出了用于定位目标并在开和关(接合和分离)状态之间移动叉齿的相对简单的控制方法的一个示例，其中无标定。定位目标和啮合叉齿(使用第一控制轴线)的方法大致概括如下：

定位目标和啮合叉齿(无标定)

·从初始目标区域获取传感器数据，

·对来自初始目标区域的传感器数据进行分割，

·对分割后的数据进行分类，

·根据已被分段和分类的数据识别局部坐标系中的目标和非目标，

·确定局部坐标系中目标和非目标的位置估计值，

·计算启动顺序并控制叉齿启用和停用，以取决于哪些目标进入或离开操纵空间而根据位置估计值来实现叉齿与目标的接合，

·叉齿处于新的启用或停用状态。

控制车辆

·访问具有本地化和状态信息的世界全局地图，

·控制车辆定位并杀死新的目标。

图10示出了用于目标获取的控制方法的更详细的示例，其基于全局坐标系中的目标位置的本地化估计值，在全局坐标中用目标存储器来标定目标和非目标。这使得能够基于全局坐标中被标定和更新的目标来生成包括本地化和状态信息的全局地图。这种利用目标标定信息来定位和杀死目标的方法大致概述如下：

定位目标(利用目标标定信息)

·从初始目标区域获取传感器数据，

·对来自初始目标区域的传感器数据进行分割，

·对分割后的数据进行分类，

·在局部坐标系中识别目标和非目标，

·在局部坐标系中估计目标和非目标的位置，

·根据局部到全局的估计，在全局坐标中使用存储器标定目标和非目标，

·根据全局坐标中被标定和更新的目标和非目标，以本地化和状态信息来更新全局地图，

杀死目标

·访问具有本地化和状态信息的全局地图，

·基于优先级算法确定目标以启动和停止查杀，

·计算和控制叉齿以实现叉齿与优先目标的接合和分离，

·以本地化和状态信息来更新全局地图，

控制车辆

·访问具有本地化和状态信息的已被更新的全局地图，

·控制车辆定位并杀死新的目标。

图11显示了一个定位目标和将叉齿移动到目标区域的控制方法示例。这种方法大致概述如下：

定位目标和将叉齿移动到目标区域(无标定)

·从初始目标区域获取传感器数据，

·对来自初始目标区域的传感器数据进行分割，

·对分割后的数据进行分类，

·在局部坐标系中识别目标和非目标，

·在局部坐标系中确定目标和非目标的位置，

·确定待杀死的新目标，

·基于优先级算法确定目标的优先级，

杀死目标

·计算和控制叉齿来杀死优先目标杂草(基于包括一侧到另一侧的轨迹的叉齿的双轴控制)，

控制车辆

·访问具有本地化和状态信息的全局地图，

·控制车辆定位并杀死新的目标。

优先级算法可以基于相对简单的“先进先出”(FIFO)优先级策略。然而，在其它实施例中，可以将额外的优化参数结合到控制策略中，包括车辆速度、叉齿到达每个目标所需的时间或距离、误差容限和相关结果(例如，无意中击中邻近的植物而不是击中近距离的目标杂草)、机会值参数(例如，不同目标杂草的相对大小、目标杂草与相邻植物的接近度、或不同杂草品种的相对重要性)等。在一些实施例中，例如适用于真空除草的那些实施例，由齿轮轴沿大致水平的方向运动的角度范围和速度以及车辆的恒定或可变的线性运动所定义的简单虚拟光栅扫描提供了主致动器的计划路径。通过这种方式，随着该极坐标光栅扫描而出现的目标可以被赋予优先级并且顺序地被处置。在这样的实施例中，将认识到，虽然车辆可能需要也可能不需要停在每个目标处，但由于不断前进的计划方法，通常不需要车辆进行不希望的和低效率的回溯运动。

图12示出了用于定位和杀死目标杂草的控制方法的示例，其基于在全局坐标系中的目标位置的本地化估计值，在全局坐标中用目标存储器来标定目标。同样地，这使得能够基于全局坐标中被标定和更新的目标来生成包括本地化和状态信息的全局地图。

这种利用目标标定信息来定位和杀死目标杂草的方法大致概述如下：

定位目标(利用目标标定信息)

·从初始目标区域获取传感器数据，

·对来自初始目标区域的传感器数据进行分割，

·对分割后的数据进行分类，

·在局部坐标系中识别目标和非目标，

·在局部坐标系中确定目标和非目标的位置，

·(基于从被分段和分类的数据得出的局部坐标，以及从局部到全局的估计)，

·根据局部到全局的估计在全局坐标中使用目标存储器标定目标，

·根据全局坐标中的被标定和更新的目标，以本地化和状态信息来更新全局地图，

杀死目标

·访问具有本地化和状态信息的全局地图，

·确定待杀死的新目标，

·基于优先级算法确定目标的优先级，

·计算和控制叉齿来杀死优先目标杂草(基于包括一侧到另一侧的轨迹的叉齿的双轴控制)，

·以本地化和状态信息来更新具有全局地图，

控制车辆

·访问具有本地化和状态信息的更新的全局地图，

·控制车辆定位并杀死新的目标。

对于图1至图4所示的本发明的实施方式，由于目标杂草被与UGV或其他原动机的向前运动相结合的叉齿的一侧到另一侧的轨迹运动所杀死清除或破坏，所以，无论采用何种具体的定位和标定策略，都可以采用共同的控制功能。图13显示了基于叉齿的双轴控制和一侧到另一侧的轨迹运动来杀死目标杂草的这种共用功能的例子。

这一共同的控制方法大致概括如下：

利用一侧到另一侧的叉齿的轨迹运动杀死目标

·按照优先次序识别待杀死的目标杂草，

·计算从开始到结束的轨迹，包括避开非目标，

·根据开始到结束的轨迹来计算致动器位置设定点，

·在启动时控制致动器到达致动器位置设定点，

·控制致动器跟循所计算的从开始到结束的轨迹，

·一路更新状态信息以保持所计算的轨迹，

·末端执行器(叉齿)跟循从开始到结束的轨迹而穿过各个目标，

·基于叉齿跟循从开始到结束的轨迹来杀死目标，

·更新世界地图(如果相关)，以及

·识别和确定下一个目标的优先级。

如图13所定义的共用控制方法可以适用于每个目标仅需要在预定义的主要点(例如中心点)操纵而不是穿过轨迹操纵的任务。例如，当真空除草、滴灌或使用旋转工具末端执行器时，末端执行器可能仅需要移动到每个目标的中心点，而不是沿着穿过每个目标的轨迹路径运动，因为末端执行器本身就能够从该杂草的中心点有效地杀死整个杂草。

在图5至图7的实施例中，可以理解的是，第一实施例中用于确定单个叉齿的一侧到另一侧的轨迹的控制策略将不会直接适用。相反，在这种情况下，控制策略将确定来自阵列的待启动的叉齿的最佳组合，以及启动的时机，以杀死或清除目标杂草。如图5所示，这可能涉及离散的叉齿组合或叉齿簇的接合，例如同时接合三个、四个或五个相邻叉齿的簇，以便击中目标杂草。当然，可以同时启动多个这样的簇。

这些控制策略在所述的规则、指导方针、程序和目标下的实施将完全在本领域技术人员的能力范围内，因此将不作更详细的描述。类似地可理解，在所描述的发明构思的范围内，各种附加的、补充的或替代的控制策略和方法可以用于特定的应用。

例如，在一些实施例中，末端执行器可以采取除了叉齿尖端之外的形式，例如适合于特定目的的圆棒、锄头、镰刀、小刀、耕耘器、叉子、刷子、圆盘或其它工具。它也可以包含一个机器人抓手或被动抓手作为末端执行器，用于将杂草收集和处置到控制轴范围内的垃圾桶或容器中。它也可以包括诸如小刀、刀片或剪刀形式的切割工具，诸如喷粉器、刷子、喷雾器或吹粉机的授粉工具，诸如滴头、刷子、喷雾器或凝胶涂抹器的精确施加器，具备有胶带、胶水或其他粘合手段的粘合表面，或诸如刷子、扫帚、拖把、喷雾器、蒸汽器、耙或真空喷嘴的清洁工具。此外，这些工具还可适用于除了除草和废物清除之外的各种辅助任务，例如选择性地减薄和选择性收割作物。在一些实施方式中，分类过程可以用于区分不同大小、形状或颜色的目标以确定杂草品种和/或杂草发育程度，并且可以使用该数据来改进目标命中和/或优先级分配流程。此外，装置可以包括诸如灌溉槽和喷嘴的辅助装置，以在杀死杂草的同时灌溉农作物，或者包括杂草收集工具和容器以最小化杂草再生的倾向。

本发明以其各种优选形式提供了许多独特的属性和优点，包括命中任意位置的个体杂草的灵活性，允许系统以相对随机的方式有效地操作而不同于仅在高度有序或结构化的环境中操作。该装置用单个叉齿覆盖多于一个种植行的能力带来在成本、简易度、尺寸、重量和操作效率方面的益处。在不使用时将叉齿从地面上脱离的能力使得拖拽现象和土壤破坏最小化，这又使能量消耗最小化，同时还允许在地面上的接触力以及刺入深度的可调节性。该装置能够准确地命中与作物、喷头、灌溉管线或栅栏柱等障碍物近距离地靠近的杂草。

使用精确的叉齿尖端跟循地面上的复杂轨迹或命中地面上的特定点的能力，与拖动相对较宽的刀片或刷子不同，进一步增强了精确命中的能力，同时进一步使得土壤破坏和能量消耗最小化。能够只移动作为简单轻便的末端执行器的叉齿(不同于大型执行器或执行器组件)的能力潜在地减少了系统组件的数量、功率要求、质量和复杂性。与更传统的开关式液压控制不同的是，通过比例电动伺服马达或其他渐进式致动器来精确和渐进式地控制作为末端执行器的叉齿的灵活性也是有利的。该系统还具有很强的适应性，能够对广泛的替代性末端执行器以及相关的控制策略进行替换使用，并与各种平台、装置、原动机和包括自动车辆在内的其他车辆进行集成。在这些和其他方面，本发明代表了对现有技术的实用的和商业上具有重大意义的改进。

尽管已经参考具体示例描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，本发明可以以许多其他形式来实施。

Claims (27)

1.一种用于控制杂草的装置，所述装置包括：

适于去除或破坏目标杂草的叉齿结构；

叉齿支撑组件，其适于支撑所述叉齿结构沿大致竖直的方向围绕第一控制轴线在接合位置和脱离位置之间运动，其中，在接合位置中使用的所述叉齿结构接触地面以去除或破坏目标杂草，在脱离位置中所述叉齿结构基本上从所述地面缩回，所述叉齿支撑组件进一步适于支撑所述叉齿结构沿大致水平的方向围绕第二控制轴线运动；

所述叉齿支撑组件还包括适于实现所述叉齿结构围绕所述第一控制轴线的运动的第一致动机构以及适于实现所述叉齿结构围绕所述第二控制轴线的运动的第二致动机构，所述叉齿支撑组件包括弹性偏置机构，所述弹性偏置机构适于在所述接合位置以正向偏置力将所述叉齿结构向下推动至与所述地面有效接触，以使所述叉齿结构能够穿透地面达到足以有效地去除或破坏目标杂草的程度；

感测系统，用于感测环境的状况并产生相应的数据；

根据来自所述感测系统的所述数据识别环境内的目标杂草的分类系统；以及

控制系统，其适于根据预定的控制逻辑来启动叉齿支撑组件的第一致动机构和第二致动机构，从而顺序地定位叉齿结构以破坏性地接触目标杂草。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述弹性偏置机构包括一个或多个机械弹簧，弹性条和/或带。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述弹性偏置机构是可调的。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置包括相对于所述第一控制轴线可操作的弹簧机构，用于使所述叉齿结构返回到脱离位置。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二致动机构可操作以实现所述叉齿结构在与地面接触的接合位置中沿大致水平的方向的运动，由此所述叉齿结构可控地跟循响应于所述控制系统的路径。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一致动机构包括适于使所述叉齿结构大体上竖直地围绕所述第一控制轴线在所述接合位置与所述脱离位置之间运动的液压致动器、气动致动器或机电致动器。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二致动机构包括适于使所述叉齿结构横向地围绕所述第二控制轴线在预定的外侧极限位置之间运动的液压致动器、气动致动器或机电致动器。

8.根据权利要求6或7所述的装置，其中，所述第一致动机构和所述第二致动机构是双位置致动器。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述叉齿结构结合有或支撑有用于将液态农药选择性地输送到目标的流体导管。

10.根据权利要求1所述的装置，适于由原动机推进或拉动。

11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置被附接到适于横穿连续的作物行的无人地面车辆。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述无人地面车辆是全方位的自推进式自主车辆。

13.根据权利要求11所述的装置，其中，所述无人地面车辆的控制至少部分自动化。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其中，所述无人地面车辆适于与多个互补的自主车辆一起系统地操作。

15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述叉齿支撑组件包括用于定位和定向所述叉齿结构的一个或多个附加自由度。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述叉齿支撑组件适于围绕附加旋转控制轴线和/或沿着平移控制轴线运动。

17.根据权利要求15或16所述的装置，其中，所述叉齿结构是可伸缩地延伸的。

18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述叉齿结构和叉齿支撑组件构成多角度运动的机械臂的末端执行器，其中机械臂在由中间连杆连接的多个旋转关节中的每一个关节处提供至少一个角度的运动。

19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述感测系统包括适于生成所述环境的二维图像的相机，并且所述控制系统包括将来自所述相机的图像的像素空间与所述叉齿支撑组件中的第一致动机构和第二致动机构的位置相关联的数学变换算法。

20.根据权利要求1所述的装置，包括叉齿结构感测系统，用于实时感测所述叉齿结构的位置和取向，作为反馈控制回路的一部分。

21.根据权利要求1所述的装置，其中，所述感测系统的至少一个传感器直接安装在所述叉齿结构上，以便于瞄准目标。

22.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制系统包括用于所述装置的目标的优先化排序的优先化排序算法。

23.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制系统包括用于全局标定的策略，由此使用一个或多个传感器来估计每个目标的全局坐标。

24.根据权利要求1所述的装置，包括真空系统，所述真空系统具有适于移除被破坏的目标杂草的抽吸装置。

25.一种用于控制杂草的装置，所述装置包括：

以大致横向的线性阵列布置的多个叉齿结构，每个叉齿结构在使用中可操作以去除或破坏目标杂草；

叉齿支撑组件，其适于支撑所述叉齿结构沿大致竖直的方向围绕第一控制轴线运动，由此阵列中的每个叉齿结构在使用中可独立地在接合位置和脱离位置之间运动，其中，在接合位置中相应的叉齿结构接触地面以去除或破坏目标杂草，在脱离位置中所述叉齿结构基本上从地面缩回；

所述叉齿支撑组件还包括多个第一致动机构，每个所述第一致动机构适于实现所述多个叉齿结构中相应的一个叉齿结构围绕所述第一控制轴线的运动，所述叉齿支撑组件包括对应于每个叉齿结构的弹性偏置机构，所述弹性偏置机构适于在所述接合位置以正向偏置力将所述叉齿结构向下推动至与所述地面有效接触，以使所述叉齿结构能够穿透地面达到足以有效地去除或破坏目标杂草的程度；

感测系统，用于感测环境的状况并产生相应的数据；

根据来自所述感测系统的所述数据识别环境内的目标杂草的分类系统；以及

控制系统，其适于根据预定的控制逻辑独立地启动所述叉齿支撑组件的各个所述第一致动机构，从而定位相应的叉齿结构以破坏性地接触所述目标杂草。

26.根据权利要求25所述的装置，其中各个所述叉齿结构的所述第一控制轴线是共线的。

27.根据权利要求25所述的装置，其中各个所述叉齿结构的所述第一控制轴线彼此偏移的或彼此错开的。

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