CN110199637A - 一种基于红外技术的破膜引苗培土机 - Google Patents

Abstract

本发明为一种基于红外技术的破膜引苗培土机。该装置包括行进装置、破膜引苗装置、培土装置、取土传送装置、传感器检测模块、智能控制处理模块；所述行进装置上固定有破膜引苗装置、培土装置、传感器检测模块以及智能控制处理模块；所述取土传送装置固定在行进装置的一侧。本发明利用破膜引苗装置中加热的圆形分切丝对幼苗进行破膜操作，能够降低对花生幼苗的损伤；并能能够精确的在花生幼苗周围盖上一层松散潮湿的土，整体提高了现有破膜引苗装置的效率和准确性。

Description

一种基于红外技术的破膜引苗培土机

技术领域

本发明为一种用于破膜引苗培土的机器设备，尤其涉及一种基于红外技术的破膜引苗培土机，属于农业机械领域。

背景技术

随着人口的增加，人们对于花生等农作物的需求量越来越大，因此人们广泛的使用地膜，以便增加土地保肥、保温和保水的能力。当花生有两片子叶展开、叶片转绿时要及时破膜引苗培土，防止中午温度过高出现“烤苗”，影响花生正常生长。由于花生出苗速度不一，破膜引苗需要分次进行，而且破膜引苗要在晴天的上午10点前、下午3点后或者阴天进行，以防“烤苗”。

目前绝大部分的花生需要依靠人工来进行破膜引苗，其方法是用三个手指在幼苗上方开一个4-5cm的圆孔，随机抓上一把松散的土盖在膜孔上方，这耗费大量的人力，而且分批放苗更是需要农民长时间在田地里工作。针对上述问题，解决方案层出不穷，现举例如下：申请号为CN95205877.4的中国专利公布了一种破膜放苗机，该装置通过行走轮和凸轮同步转动带动破膜装置完成对地膜的打孔，用机械代替人工在地膜上打孔，但是该装置仍需要人工推着行走，通过目测幼苗的位置然后利用人拉手闸来实现破膜引苗；申请号为CN201711262820.8的中国专利公布了一种履带式花生破膜引苗机，该装置利用尖端和摆臂将地膜刺破后，随着摆臂逐渐张开尖端把地膜裂口扩大，当幼苗比较高时尖端在张开时容易伤到幼苗，该装置利用颜色传感器来确定幼苗的位置，没有考虑杂草和幼苗颜色的区分，导致检测到的位置不准确，也无法检测到漏播。

为了提高破膜引苗的效率，并且能够实现自动培土，需要一种能够自动实现破膜引苗培土的机器。

发明内容

本发明的目的在于解决人工破膜培土效率低下的问题，提供一种自动识别花生幼苗并且能够将幼苗从膜下放出以及自动培土的装置，该装置利用破膜引苗装置中加热的圆形分切丝对幼苗进行破膜操作，能够降低对花生幼苗的损伤；通过对红外相机采集到的图像进行聚类、特征提取等分析，能够精确的定位到花生幼苗，这样既能够和杂草区分又能够实现漏播定位；通过对取土传送装置和培土装置中培土桶的设计，能够精确的在花生幼苗周围盖上一层松散潮湿的土，整体提高了现有破膜引苗装置的效率和准确性。

本发明的技术方案为：

一种基于红外技术的破膜引苗培土机，包括行进装置、破膜引苗装置、培土装置、取土传送装置、传感器检测模块、智能控制处理模块；所述行进装置上固定有破膜引苗装置、培土装置、传感器检测模块以及智能控制处理模块；所述取土传送装置固定在行进装置的一侧；

所述行进装置包括第一主动轮、第一从动轮、第一步进电机、直流电源、第一支撑杆、第一车轴、第一固定板、第一车体固定杆、车架、第一滑道、第二滑道和红外相机固定架；

所述车架为水平方形铸铁框架，车架每一端的下方均通过两组第一支撑杆与一组第一车体固定杆相连；每个第一车体固定杆的两端分别固定在两个第一固定板上；所述第一固定板分别通过轴承连接安装在车轮上(即前端和后端分别有两个第一固定板，每一个车轮上有一个第一固定板)，车架前端的两个第一固定板上下部各安装有一个第一步进电机，每个第一步进电机的转子与相邻第一主动轮的轴心相连；所述直流电源固定在第一车体固定杆的上方；所述两个第一从动轮通过第一车轴相连接；所述第一滑道和第二滑道为相同结构的方形框架，相向设置，其底部为一个水平轨道，上横板固定在车架中间的上部；所述红外相机固定架固定在第一滑道和第二滑道中部的上方；

所述直流电源与圆形分切丝之间通过导线连接；

所述直流电源为蓄电池；

所述破膜引苗装置包括第二主动轮、第二从动轮、第二步进电机、第二固定板、第一液压动力单元、组合轨道、第二车轴、第二支撑杆、第二车体固定杆、升降杆、柱状支撑杆、第一举升油缸、六角螺母、圆形分切丝、分切丝支架、滚轮和水平伸缩杆；所述第一液压动力单元包括第一液压控制器、第一联轴器和第三步进电机；

所述破膜引苗装置中的前方的第二主动轮和第二从动轮安装在第二滑道上，后方的第二主动轮和第二从动轮安装在第一滑道上，同时破膜引苗装置位于在第一滑道和第二滑道的左端；

所述组合轨道整体为长方形框架，框架的两侧为一个水平轨道；组合轨道中每个水平轨道的上方均固定有两组第二支撑杆，每组第二支撑杆为两个第二支撑杆，每根第二支撑杆的顶部与一个第二车体固定杆相连；所述第二车体固定杆的两端分别固定在两个第二固定板上；所述第二固定板分别通过轴承连接，安装在车轮上(即前端和后端分别有两个第二固定板)，第二固定板上(位于组合轨道的前端的)的上部各安装有一个第二步进电机，每个第二步进电机的转子与相邻第二主动轮的轴心相连；所述两个第二从动轮通过第二车轴相连接；

所述多个升降杆所组成的整体为升降装置，升降装置包括两个镜像设置的升降单元，每个升降单元包括四个升降杆，两个为一组，中间十字交叉铰接，下方一组的上端分别与上方一组的下端铰接，上方一组的两个末端分别连接在轨道的一侧(其中左边升降杆与滑轮连接，右边的升降杆与轨道相固定)，下方一组的两个底端分别通过柱状支撑杆相固定；两个升降单元中，相同高度的升降杆的端部(即铰接处)通过柱状支撑杆相连接；升降装置最下部的两根柱状支撑杆的中部分别固定有一个水平伸缩杆，水平伸缩杆的末端与分切丝支架的顶端相连；两根分切丝支架分别垂直固定在圆形分切丝的圆周上；第一液压动力单元中，所述第一液压控制器通过第一联轴器与第三步进电机相连，同时第一液压控制器与第一举升油缸相连接；所述第一举升油缸一端固定在柱状支撑杆上(连接两个升降单元中下方一组升降杆的最下部左侧的柱状支撑杆)，另一端固定在升降装置内部中间的柱状支撑杆上(连接两个升降单元中下方一组升降杆中十字交叉位置的柱状支撑杆)；

所述培土装置包括第三主动轮、第三从动轮、第四步进电机、培土桶、第三支撑杆，竖直连接杆、第三车体固定杆、第三车轴、第三固定板、支撑板；

所述培土装置中前方的第三主动轮和第三从动轮安装在第二滑道上，后方的第三主动轮和第三从动轮安装在第一滑道上，同时培土装置位于在第一滑道和第二滑道的右端；所述培土桶整体为圆柱不锈钢材质，培土桶内部为一个尖头朝上的实心圆锥，培土桶顶部有一个圆孔，底部为一个镂空圆形；所述培土桶的上部固定有四个均匀分布的竖直连接杆，每个竖直连接杆顶部固定有一个支撑板，每个支撑板的上部分别设置有两个第三支撑杆，每根第三支撑杆与一个第三车体固定杆相连接；每个第三主动轮或第三从动轮均分别通过轴承安装有一个第三固定板，第三车体固定杆两两一组，两端分别固定在一组第三主动轮或第三从动轮的第三固定板上；所述两个第三从动轮通过第三车轴相连接；每个第三主动轮的轴心上安装有一个第四步进电机；

所述取土传送装置包括传送带、电机传送单元、电机支架、第二液压动力单元、第二液压动力单元固定架、第二举升油缸、第三举升油缸、第四举升油缸、油缸固定杆、可伸缩圆管、大机械臂、小机械臂、挖斗、传送带车轮、传送带车轮支架、第一可移动板、第二可移动板；

所述电机传送单元包括第五步进电机、传送带转轴、主动链轮、从动链轮、第一栓塞、第二栓塞、第一螺母、第二螺母、链条；所述第二液压动力单元包括第二液压控制器、第二联轴器、第六步进电机；其中，所述第五步进电机的转轴用第一栓塞与主动链轮固定在一起，同时用第一螺母再次固定；所述传送带转轴用第二栓塞与从动链轮固定在一起，同时用第二螺母再次固定；所述链条的链节与主动链轮相啮合；所述链条的链节与从动链轮相啮合；所述主动链轮和从动链轮的轴线在同一水平线上；所述第六步进电机经过第二联轴器与第二液压控制器相连接；

所述传送带固定在行进装置的一侧，传送带上部的左侧与可伸缩圆管的入口相连，可伸缩圆管左侧的下部与培土桶上侧的圆孔固定在一起；所述第二液压动力单元通过第二液压动力单元固定架固定在传送带中间的上部；所述大机械臂的一端与第二液压动力单元相连接，另一端与小机械臂相连接；所述小机械臂另一端通过第一可移动板和第二可移动板与挖斗相连接；所述油缸固定杆包含三组，左边一组分别固定在第二液压动力单元的右下方以及大机械臂下方，中间一组分别固定在大机械臂上方以及小机械臂上，右边一组分别固定在大机械臂右上方以及第一可移动板与第二可移动板固定处的两端；所述多个举升油缸分别固定在油缸固定杆上，并分别用螺母加以固定；所述电机支架固定在传送带起始端的上侧，同时第五步进电机固定在电机支架的上侧；所述传送带车轮支架固定在传送带的起始端的右下方；所述传送带车轮固定在传送带车轮支架的下方；取土传送装置中的多个举升油缸(第二举升油缸、第三举升油缸、第四举升油缸)与第二液压控制器相连接；

所述传感器检测模块包括光敏传感器、雨滴传感器、第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器；

所述光敏传感器、雨滴传感器安装在车架的上方；所述第一位移传感器固定于破膜引苗装置中组合轨道的上方；所述第二位移传感器固定于培土装置中支撑板的上方；所述第三位移传感器固定于破膜引苗装置中升降杆的外侧；

所述智能控制处理模块包括工控机、红外相机、步进电机驱动器、GPS接收机；

所述工控机、步进电机驱动器、GPS接收机分别固定在第一车体固定杆的上方；所述红外相机固定于红外相机固定架的下方；

所述工控机分别与传感器检测模块、红外相机、步进电机驱动电连接；所述步进电机驱动器与第一到第六步进电机电连接；

所述圆形分切丝为钼丝。

本发明有益效果在于：

1、本发明结构设计新颖，同时具有破膜引苗以及精准培土的功能，同时使用农田电子地图，实现准确高效以及自动化的破膜引苗培土操作，能够节省人力，提高效率。

2、本发明使用加热后的圆形分切丝对薄膜进行精准切割，不使用传统的机械尖端对薄膜刺破，降低了对花生幼苗的损失。

3、本发明中利用红外相机采集到的图片经过工控机的K-means聚类算法、二值化、腐蚀、膨胀、提取形状特征、纹理特征、分形维数三种特征后识别出花生幼苗，并且统计出花生幼苗叶片的个数，若花生幼苗的子叶还未达到两片展开的状态，将此位置记录保存为待破膜引苗状态，并显示在工控机的显示屏上，以便进行下一次破膜引苗时可以直接定位，继而实现分批次破膜引苗培土，同时提高了识别花生幼苗的效率和准确度。

4、本发明提前设置了花生幼苗之间固定的株距S，若每隔S使用上述所用算法分析之后没有识别到花生幼苗则将此位置记录保存为漏播状态，并显示在工控机的显示屏上，补苗时可以直接利用此精确的位置，可以实现智能化的田间管理。

5、本发明通过光敏传感器、雨滴传感器和工控机的控制可以实时检测光强以及是否下雨，当光强超过一定阈值或者下雨时，表明此时不适合继续进行破膜引苗培土工作，可以自动控制装置停止工作。

6、本发明可以根据一个地膜下覆盖花生的行数增加红外相机的个数并且根据距离调整位置，若有一垄一行则使用一个相机，若有一垄两行可同时使用两个相机检测需要破膜的花生幼苗，破膜引苗装置和培土装置都是可左右移动的，可以同时对一行或两行花生实行破膜引苗培土操作。

附图说明

图1为本发明破膜引苗培土机一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明破膜引苗培土机一种实施例的行进装置1的结构示意图；

图3为本发明破膜引苗培土机一种实施例的破膜引苗装置2结构示意图；

图4为本发明破膜引苗培土机一种实施例的破膜引苗装置2的内部结构示意图；

图5为本发明破膜引苗培土机一种实施例破膜引苗装置2中第一液压动力单元205的结构示意图；

图6为本发明破膜引苗培土机一种实施例培土装置3结构示意图；

图7为本发明破膜引苗培土机一种实施例取土传送装置4结构示意图；

图8为本发明破膜引苗培土机一种实施例取土传送装置4中第二液压动力单元404的结构示意图；

图9为本发明破膜引苗培土机一种实施例培土装置3和取土传送装置4的连接示意图；

图10为本发明破膜引苗培土机一种实施例传送带401上方电机传送单元402的结构示意图；

图11为本发明破膜引苗培土机一种实施例的控制系统整体结构框图；

图12为本发明破膜引苗培土机的工作流程图；

图中：1、行进装置；2、破膜引苗装置；3、培土装置；4、取土传送装置；5、传感器检测模块；6、智能控制处理模块；101、第一主动轮；102、第一从动轮；103、第一步进电机；104、直流电源；105、第一支撑杆；106、第一车轴；107、第一固定板；108、第一车体固定杆；109、车架；110、第一滑道；111、第二滑道；112、红外相机固定架；201、第二主动轮；202、第二从动轮；203、第二步进电机；204、第二固定板；205、第一液压动力单元；206、组合轨道；207、第二车轴；208、第二支撑杆；209、第二车体固定杆；210、升降杆；211、柱状支撑杆；212、第一举升油缸；213、六角螺母；214、圆形分切丝；215、分切丝支架；216、滚轮；217、水平伸缩杆；2051、第一液压控制器；2052、第一联轴器；2053、第三步进电机；301、第三主动轮；302、第三从动轮；303、第四步进电机；304、培土桶；305、第三支撑杆；306、竖直连接杆；307、第三车体固定杆；308、第三车轴；309、第三固定板；310、支撑板；401、传送带；402、电机传送单元；403、电机支架；404、第二液压动力单元；405、第二液压动力单元固定架；406、第二举升油缸；407、第三举升油缸；408、第四举升油缸；409、油缸固定杆；410、可伸缩圆管；411、大机械臂；412、小机械臂；413、挖斗；414、传送带车轮；415、传送带车轮支架；416、螺母；417、第一可移动板；418、第二可移动板；4021、第五步进电机；4022、传送带转轴；4023、主动链轮；4024、从动链轮；4025、第一栓塞；4026、第二栓塞；4027、第一螺母；4028、第二螺母；4029、链条；4041、第二液压控制器；4042、第二联轴器；4043、第六步进电机；501、光敏传感器；502、雨滴传感器；503、第一位移传感器；504、第二位移传感器；505、第三位移传感器；601、工控机；602、红外相机；603、步进电机驱动器；604、GPS接收机。

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明做进一步详述，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明基于红外技术的破膜引苗培土机(参见图1)包括行进装置1、破膜引苗装置2、培土装置3、取土传送装置4、传感器检测模块5、智能控制处理模块6，所述行进装置1上固定有破膜引苗装置2、培土装置3、传感器检测模块5以及智能控制处理模块6，并为其提供行走动力；所述取土传送装置4固定在行进装置1的一侧，随行进装置1的前进而前进；

所述行进装置1(参见图2)包括第一主动轮101、第一从动轮102、第一步进电机103、直流电源104、第一支撑杆105、第一车轴106、第一固定板107、第一车体固定杆108、车架109、第一滑道110、第二滑道111、红外相机固定架112；

所述车架109为水平方形铸铁框架，车架109的每一端的下方均通过两组第一支撑杆105与一组(两根平行的)第一车体固定杆108相连；每个第一车体固定杆108的两端分别固定在两个第一固定板107上；所述第一固定板107分别通过轴承连接安装在车轮上(即前端和后端分别有两个第一固定板107，每一个车轮上有一个第一固定板107)，车架109前端的两个第一固定板上107下部各安装有一个第一步进电机103，每个第一步进电机103的转子与相邻第一主动轮101的轴心相连；所述直流电源104固定在第一车体固定杆108的上方；所述两个第一从动轮102通过第一车轴106相连接；所述第一滑道110和第二滑道111为相同结构的方形框架，相向设置，其底部为一个水平轨道，上横板固定在车架109中间的上部，其中，第一滑道110和第二滑道111之间的间距为20cm；所述红外相机固定架112固定在第一滑道110和第二滑道111中部的上方；

所述直流电源104与圆形分切丝214之间通过导线连接；

所述直流电源104为蓄电池；

所述第一步进电机103驱动第一主动轮101的转动，继而带动第一从动轮102的转动，从而实现整个装置的前进；所述直流电源104为所有步进电机以及整个装置供电，能够使圆形分切丝214发热，加热至一定温度的圆形分切丝214能够将塑料薄膜平整的切割；所述红外相机固定架112用于固定红外相机602；

所述破膜引苗装置2(参见图3-5)包括第二主动轮201、第二从动轮202、第二步进电机203、第二固定板204、第一液压动力单元205、组合轨道206、第二车轴207、第二支撑杆208、第二车体固定杆209、升降杆210、柱状支撑杆211、第一举升油缸212、六角螺母213、圆形分切丝214、分切丝支架215、滚轮216、水平伸缩杆217；所述第一液压动力单元205包括第一液压控制器2051、第一联轴器2052、第三步进电机2053；

所述破膜引苗装置2中的前方的第二主动轮201和第二从动轮202安装在第二滑道111上，后方的第二主动轮201和第二从动轮202安装在第一滑道110上，同时破膜引苗装置2位于在第一滑道110和第二滑道111的左端；所述组合轨道206整体为长方形框架，框架的两侧均为一个水平轨道(所述的水平轨道为上下两根横梁夹持而成，两端通过连接块固定为长方形框架)；组合轨道206中每个水平轨道的上方均固定有两组第二支撑杆208，每组第二支撑杆208为两个第二支撑杆，每根第二支撑杆208的顶部与一个第二车体固定杆209相连；所述第二车体固定杆209的两端分别固定在两个第二固定板204上；所述第二固定板204分别通过轴承连接，安装在车轮上(即前端和后端分别有两个第二固定板204)，第二固定板上204(组合轨道206的前端)的上部各安装有一个第二步进电机203，每个第二步进电机203的转子与相邻第二主动轮201的轴心相连；所述两个第二从动轮202通过第二车轴207相连接；所述多个升降杆210所组成的整体为升降装置，升降装置包括两个镜像设置的升降单元，每个升降单元包括四个升降杆210，两个为一组，中间十字交叉铰接，下方一组的上端分别与上方一组的下端铰接，上方一组的两个末端分别连接在轨道的一侧，下方一组的两个底端分别通过柱状支撑杆211相固定；两个升降单元中，相同高度的升降杆210的端部(即铰接处)通过柱状支撑杆211相连接，并且两端用六角螺母213加以固定；升降装置最下部的两根柱状支撑杆211的中部分别固定有一个水平伸缩杆217，水平伸缩杆217的末端与分切丝支架215的顶端相连；两根分切丝支架215分别垂直固定在圆形分切丝214的圆周上(两个固定点与圆周的中心同在一条与水平轨道平行的线上)，(其中，分切丝支架215为两根竖直杆，圆形分切丝214为直径0.02mm的钼丝组成的圆形结构；所述直流电源104与圆形分切丝214之间通过导线连接，分切丝支架215与之绝缘)，水平伸缩杆217可随升降装置的升降而左右伸缩；第一液压动力单元205中，所述第一液压控制器2051通过第一联轴器2052与第三步进电机2053相连，同时第一液压控制器2051与第一举升油缸212相连接；所述第一举升油缸212一端固定在柱状支撑杆211上(连接两个升降单元中下方一组升降杆210的最下部左侧的柱状支撑杆211)，另一端固定在升降装置内部中间的柱状支撑杆211上(连接两个升降单元中下方一组升降杆210中十字交叉位置的柱状支撑杆211)；所述第一液压控制器2051通过第三步进电机2053为第一举升油缸212提供动力，使第一举升油缸212做往复运动，从而推动升降装置的升降；所述第一联轴器2052起到过载保护的作用；所述升降装置在升降过程中，滚轮216经由升降杆210的牵引在组合轨道206上滚动，柱状支撑杆211焊接的水平伸缩杆217随升降装置的升降而左右伸缩；所述升降装置下降到一定位置时，发热的圆形分切丝214接触到薄膜并将薄膜切出直径为4cm的圆孔；所述第二主动轮201和第二从动轮202可以在第一滑道110和第二滑道111上移动，从而实现整个破膜引苗装置2的位置变换；

所述培土装置3(参见图6)包括第三主动轮301、第三从动轮302、第四步进电机303、培土桶304、第三支撑杆305、竖直连接杆306、第三车体固定杆307、第三车轴308、第三固定板309、支撑板310；

所述培土装置3中前方的第三主动轮301和第三从动轮302安装在第二滑道111上，后方的第三主动轮301和第三从动轮302安装在第一滑道110上，同时培土装置3位于在第一滑道110和第二滑道111的右端；所述培土桶304整体为圆柱不锈钢材质，其内壁光滑，培土桶304内部空间为一个尖头朝上的实心圆锥，其外壁光滑，培土桶304顶部有一个圆孔，底部为内直径为4cm、外直径为8cm的镂空圆形；所述培土桶304的上部固定有四个均匀分布竖直连接杆306，每个竖直连接杆306顶部固定有一个支撑板310(四个支撑板310左侧的两个平行，且对应的与右侧的在一条直线上)，每个支撑板310的上部分别设置有两个第三支撑杆305，每根第三支撑杆305与一个第三车体固定杆307相连接；每个第三主动轮301或第三从动轮302均分别通过轴承安装有一个第三固定板309第三车体固定杆307两两一组，两端分别固定在一组第三主动轮301或第三从动轮302的第三固定板309上；所述两个第三从动轮302通过第三车轴308相连接，每个第三主动轮301的轴心上安装有一个第四步进电机303；所述第三主动轮301和第三从动轮302可以在第一滑道110和第二滑道111上移动，从而实现整个培土装置3的位置变换；

所述两个第四步进电机303分别驱动两个第三主动轮301转动，继而带动第三从动轮302的转动，从而实现培土装置3的前进；所述培土桶304内部尖头向上的锥型结构可以使由可伸缩圆管进入的土松散均匀的盖在薄膜圆孔周围，进行保墒增温；

所述取土传送装置4(参见图7-10)包括传送带401、电机传送单元402、电机支架403、第二液压动力单元404、第二液压动力单元固定架405、第二举升油缸406、第三举升油缸407、第四举升油缸408、油缸固定杆409、可伸缩圆管410、大机械臂411、小机械臂412、挖斗413、传送带车轮414、传送带车轮支架415、螺母416、第一可移动板417、第二可移动板418、所述电机传送单元402包括第五步进电机4021、传送带转轴4022、主动链轮4023、从动链轮4024、第一栓塞4025、第二栓塞4026、第一螺母4027、第二螺母4028、链条4029；所述第二液压动力单元404包括第二液压控制器4041、第二联轴器4042、第六步进电机4043；

所述传送带401固定在行进装置1的一侧，传送带401上部的左侧与可伸缩圆管410的入口相连，可伸缩圆管410左侧的下部与培土桶304上侧的圆孔固定在一起；所述第二液压动力单元404通过第二液压动力单元固定架405固定在传送带401中间的上部；所述大机械臂411的一端与第二液压动力单元404相连接，另一端与小机械臂412相连接；所述油缸固定杆409包含三组，左边一组分别固定在第二液压动力单元404的右下方以及大机械臂411下方，中间一组分别固定在大机械臂411上方以及小机械臂412上，右边一组分别固定在大机械臂411右上方以及第一可移动板417与第二可移动板418固定处的两端；所述小机械臂412另一端通过第一可移动板417和第二可移动板418与挖斗413相连接；所述多个举升油缸分别固定在油缸固定杆409上，并分别用螺母416加以固定；所述电机支架403固定在传送带401的起始端的上侧，同时第五步进电机4021固定在电机支架403的上侧；所述传送带车轮支架415固定在传送带401起始端的右下方；所述传送带车轮414固定在传送带车轮支架415的下方；所述第五步进电机4021的转轴用第一栓塞4025与主动链轮4023固定在一起，同时用第一螺母4027再次固定；所述传送带转轴4022用第二栓塞4026与从动链轮4024固定在一起，同时用第二螺母4028再次固定；所述链条4029的链节与主动链轮4023相啮合；所述链条4029的链节与从动链轮4024相啮合；所述主动链轮4023和从动链轮4024的轴线在同一水平线上；所述第六步进电机4043经过第二联轴器4042与第二液压控制器4041相连接，取土传送装置4中的多个举升油缸(第二举升油缸406、第三举升油缸407、第四举升油缸408)与第二液压控制器4041相连接；所述可伸缩圆管410将传送带401运送来的土经可伸缩圆管410到达培土桶304；所述第二举升油缸406控制大机械臂411运动；所述第三举升油缸407控制小机械臂412运动；所述第四举升油缸408做活塞运动可以控制两个交叉的可移动板(第一可移动板417和第二可移动板418)之间角度变换，从而控制挖斗413的运动；所述传送带车轮414用于控制取土传送装置4跟随行进装置1前进；所述第五步进电机4021驱动主动链轮4023转动，从而带动链条4029转动，为从动链轮4024提供动力，使从动链轮4024随链条4029的转动而转动，从而带动整个传送带401的转动；所述第二液压控制器4041通过第六步进电机4043为第二至第四举升油缸提供动力，控制多个举升油缸的移动，完成一次挖土动作；

所述传感器检测模块5包括光敏传感器501、雨滴传感器502、第一位移传感器503、第二位移传感器504、第三位移传感器505；

所述光敏传感器501、雨滴传感器502安装在车架109的上方；所述第一位移传感器503固定于破膜引苗装置2中组合轨道206的上方；所述第二位移传感器504固定于培土装置3中支撑板310的上方；所述第三位移传感器505固定于破膜引苗装置2中升降杆210的外侧；

所述光敏传感器501用来检测光照强度并发送给工控机601，当工控机601收到的光照强度超过某设定阈值时，表明此时光强太高，不适合继续进行破膜引苗工作，将驱动第一步进电机103停止工作，从而整个装置停止工作；所述雨滴传感器502将检测到的雨滴信号发送给工控机601，工控机601将驱动第一步进电机103停止工作，从而整个装置停止工作；所述第一位移传感器503用于实时监控破膜引苗装置前进以及后退的距离，当到达距离T1时，将信号发送给工控机，工控机601驱动第二步进电机203停止转动；所述第二位移传感器504用于实时监控培土装置3前进以及后退的距离，当到达距离T2时，将信号发送给工控机601，工控机601驱动第四步进电机303停止转动；所述第三位移传感器505用于实时监控破膜引苗装置2下降以及上升的距离，当到达距离S1时，将信号发送给工控机601，工控机601驱动第三步进电机2053停止转动；所述的这些传感器均为公知器件，其获得和使用均为本领域人员所公知，这里不再一一具体表述。

所述智能控制处理模块6包括工控机601、红外相机602、步进电机驱动器603、GPS接收机604；

所述工控机601、步进电机驱动器603、GPS接收机604分别固定在第一车体固定杆108的上方；所述红外相机602固定于红外相机固定架112的下方；

所述工控机601分别与传感器检测模块5、红外相机602、步进电机驱动器603电连接；所述步进电机驱动器603与第一到第六步进电机电连接；

所述工控机601用于接收传感器检测模块5的信号以及进行相应的智能处理，同时可以驱动步进电机的转动和停止，也可以用于接收红外相机602传输来的图像，通过K-means聚类算法将图像分为土壤和植物，再对图像进行二值化处理、腐蚀和膨胀，然后提取植物的三种特征：形状特征、纹理特征、分形维数，进行分类识别，即可以将花生幼苗和杂草区分开，将识别到的花生幼苗的叶片进行标记，统计出花生幼苗叶片的个数；所述红外相机602用于采集植物的图像，并利用工控机601中提前安装好的图像采集卡将图像迅速传送到工控机601的存储器内进行处理；所述步进电机驱动器603用于精确的驱动步进电机的转动与停止；所述GPS接收机604设备使破膜引苗培土机能够按照规定的预定义路径实现自动驾驶，GPS接收机604能够获取机器的实时运动参数，并将机器的实时位置信息与预定义路径相比较，当检测到行驶路径与期望路径有偏差时，工控机601利用导航控制算法计算出偏差信息，调整机器前轮转向从而实现机器的自动转向，以及实时定位机器的位置；

本装置的进一步特征在于所述圆形分切丝214为钼丝，钼丝是一种由纯钼烧结坯料或熔炼锭经锻造、拉丝制成的丝材，可以拉成直径很小仍然具有极强的刚度，有利于塑料薄膜的切割质量，而且使用寿命较长。

本装置的进一步特征在于所述工控机的型号是研华IPC-610H，所述第一至第六步进电机均采用150系列三相步进电机，其驱动器为F3922系列产品，所述红外相机采用SpectraCAMSWIR系列；

本发明破膜引苗培土机的工作流程是：

第一步：农民带着GPS接收机沿农田行走一周或者开车绕行一周，获得农田边界位置数据，在工控机中生成相应的农田电子地图，并测得花生幼苗之间株距S；

第二步：打开开关，行进装置根据预定义路径前进，行进装置前行株距S后停下，红外相机开始工作，采集图像，并发送给工控机，通过K-means聚类算法将图像分为土壤和植物，再对图像进行二值化处理、腐蚀和膨胀，然后提取植物的三种特征：形状特征、纹理特征、分形维数，进行分类识别，即可以将花生幼苗和杂草区分开，将识别到的花生幼苗的叶片进行标记，统计出花生幼苗叶片的个数，若叶片个数小于两个则暂时不需要破膜引苗，记录并保存下该位置，以便下次进行破膜引苗培土工作，装置继续前进；若没有识别到花生幼苗记录并保存该位置为漏播，以便进行补苗工作，装置继续前进；若叶片的个数大于等于两个则该幼苗需要破膜引苗培土操作；

第三步：工控机驱动破膜引苗装置前进T1(T1为破膜引苗装置中心距红外相机的水平距离)后驱动第二步进电机停止转动从而破膜引苗装置停下，第一液压控制器通过第三步进电机为第一举升油缸提供动力，使第一举升油缸做活塞运动，继而升降装置伸长，第三位移传感器实时检测到升降装置下降S1距离后反馈给工控机，工控机驱动第三步进电机停止转动，此时圆形分切丝到达花生幼苗位置，发热的圆形分切丝将薄膜切下，花生幼苗露出后工控机驱动第一液压动力单元使举升油缸收缩，继而升降装置收回，第三位移传感器上升S1后反馈给工控机，工控机驱动第三步进电机停止转动；工控机驱动第二步进电机反向转动，后退T1距离后驱动第二步进电机停止转动，破膜引苗装置回到原位置。

第四步：工控机驱动第四步进电机转动，培土装置前进，第二位移传感器实时检测前进距离，当前进T2(T2为培土装置中心距红外相机的距离)距离时传送给工控机，工控机驱动第四步进电机停止转动，此时培土装置在花生幼苗的上侧；由第六步进电机带动液压控制单元中的第二液压控制器为举升油缸提供动力，通过三个举升油缸的配合完成挖斗的一次挖土动作并将土放到传送带上后关闭第六步进电机；此时开启第五步进电机使之驱动传送带开启一定时间t后(t为土从传送带底部到达顶部所需时间)，工控机驱动第五步进电机停止，传送带停止转动，传送带顶端的土经由表面光滑的可伸缩圆管掉入培土桶，精准地将花生幼苗的周围盖上松散的土；工控机驱动第四步进电机反向转动，位移传感器退回T2距离后将信号发送给工控机，工控机驱动第四步进电机停止转动，培土装置回到原位置，完成一次破膜引苗培土操作。

本发明中所述的前、后、左、右、上、下等方位词语是个相对概念，其中以第一主动轮101所在方向为前，以第一从动轮102所在方向为后，以破膜引苗装置2所在方向为左，以培土装置3所在方向为右。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

本发明中所述的算法包括K-means聚类算法、二值化处理、腐蚀、膨胀，提取形状特征、纹理特征、分形维数等均为公知技术，但不限于此。

本发明未尽事宜为公知技术。

Claims (3)

1.一种基于红外技术的破膜引苗培土机，其特征为该装置包括行进装置、破膜引苗装置、培土装置、取土传送装置、传感器检测模块、智能控制处理模块；所述行进装置上固定有破膜引苗装置、培土装置、传感器检测模块以及智能控制处理模块；所述取土传送装置固定在行进装置的一侧；

所述行进装置包括第一主动轮、第一从动轮、第一步进电机、直流电源、第一支撑杆、第一车轴、第一固定板、第一车体固定杆、车架、第一滑道、第二滑道和红外相机固定架；

所述车架为水平方形铸铁框架，车架每一端的下方均通过两组第一支撑杆与一组第一车体固定杆相连；每个第一车体固定杆的两端分别固定在两个第一固定板上；所述第一固定板分别通过轴承连接安装在车轮上(即前端和后端分别有两个第一固定板，每一个车轮上有一个第一固定板)，车架前端的两个第一固定板上下部各安装有一个第一步进电机，每个第一步进电机的转子与相邻第一主动轮的轴心相连；所述直流电源固定在第一车体固定杆的上方；所述两个第一从动轮通过第一车轴相连接；所述第一滑道和第二滑道为相同结构的方形框架，相向设置，其底部为一个水平轨道，上横板固定在车架中间的上部；所述红外相机固定架固定在第一滑道和第二滑道中部的上方；

所述直流电源与圆形分切丝之间通过导线连接；

所述破膜引苗装置包括第二主动轮、第二从动轮、第二步进电机、第二固定板、第一液压动力单元、组合轨道、第二车轴、第二支撑杆、第二车体固定杆、升降杆、柱状支撑杆、第一举升油缸、六角螺母、圆形分切丝、分切丝支架、滚轮和水平伸缩杆；所述第一液压动力单元包括第一液压控制器、第一联轴器和第三步进电机；

所述破膜引苗装置中的前方的第二主动轮和第二从动轮安装在第二滑道上，后方的第二主动轮和第二从动轮安装在第一滑道上，同时破膜引苗装置位于在第一滑道和第二滑道的左端；

所述组合轨道整体为长方形框架，框架的两侧为一个水平轨道；组合轨道中每个水平轨道的上方均固定有两组第二支撑杆，每组第二支撑杆为两个第二支撑杆，每根第二支撑杆的顶部与一个第二车体固定杆相连；所述第二车体固定杆的两端分别固定在两个第二固定板上；所述第二固定板分别通过轴承连接，安装在车轮上(即前端和后端分别有两个第二固定板)，第二固定板上(位于组合轨道的前端的)的上部各安装有一个第二步进电机，每个第二步进电机的转子与相邻第二主动轮的轴心相连；所述两个第二从动轮通过第二车轴相连接；

所述多个升降杆所组成的整体为升降装置，升降装置包括两个镜像设置的升降单元，每个升降单元包括四个升降杆，两个为一组，中间十字交叉铰接，下方一组的上端分别与上方一组的下端铰接，上方一组的两个末端分别连接在轨道的一侧(其中左边升降杆与滑轮连接，右边的升降杆与轨道相固定)，下方一组的两个底端分别通过柱状支撑杆相固定；两个升降单元中，相同高度的升降杆的端部(即铰接处)通过柱状支撑杆相连接；升降装置最下部的两根柱状支撑杆的中部分别固定有一个水平伸缩杆，水平伸缩杆的末端与分切丝支架的顶端相连；两根分切丝支架分别垂直固定在圆形分切丝的圆周上；第一液压动力单元中，所述第一液压控制器通过第一联轴器与第三步进电机相连，同时第一液压控制器与第一举升油缸相连接；所述第一举升油缸一端固定在柱状支撑杆上(连接两个升降单元中下方一组升降杆的最下部左侧的柱状支撑杆)，另一端固定在升降装置内部中间的柱状支撑杆上(连接两个升降单元中下方一组升降杆中十字交叉位置的柱状支撑杆)；

所述培土装包括第三主动轮、第三从动轮、第四步进电机、培土桶、第三支撑杆，竖直连接杆、第三车体固定杆、第三车轴、第三固定板、支撑板；

所述培土装置中前方的第三主动轮和第三从动轮安装在第二滑道上，后方的第三主动轮和第三从动轮安装在第一滑道上，同时培土装置位于在第一滑道和第二滑道的右端；所述培土桶整体为圆柱不锈钢材质，培土桶内部为一个尖头朝上的实心圆锥，培土桶顶部有一个圆孔，底部为一个镂空圆形；所述培土桶的上部固定有四个均匀分布的竖直连接杆，每个竖直连接杆顶部固定有一个支撑板，每个支撑板的上部分别设置有两个第三支撑杆，每根第三支撑杆与一个第三车体固定杆相连接；每个第三主动轮或第三从动轮均分别通过轴承安装有一个第三固定板，第三车体固定杆两两一组，两端分别固定在一组第三主动轮或第三从动轮的第三固定板上；所述两个第三从动轮通过第三车轴相连接；每个第三主动轮的轴心上安装有一个第四步进电机；

所述取土传送装置包括传送带、电机传送单元、电机支架、第二液压动力单元、第二液压动力单元固定架、第二举升油缸、第三举升油缸、第四举升油缸、油缸固定杆、可伸缩圆管、大机械臂、小机械臂、挖斗、传送带车轮、传送带车轮支架、第一可移动板、第二可移动板；

所述传送带固定在行进装置的一侧，传送带上部的左侧与可伸缩圆管的入口相连，可伸缩圆管左侧的下部与培土桶上侧的圆孔固定在一起；所述第二液压动力单元通过第二液压动力单元固定架固定在传送带中间的上部；所述大机械臂的一端与第二液压动力单元相连接，另一端与小机械臂相连接；所述小机械臂另一侧通过第一可移动板和第二可移动板与挖斗相连接；所述油缸固定杆包含三组，左边一组分别固定在第二液压动力单元的右下方以及大机械臂下方，中间一组分别固定在大机械臂上方以及小机械臂上，右边一组分别固定在大机械臂右上方以及第一可移动板与第二可移动板固定处的两端；所述多个举升油缸分别固定在油缸固定杆上，并分别用螺母加以固定；所述电机支架固定在传送带起始端的上侧，同时第五步进电机固定在电机支架的上侧；所述传送带车轮支架固定在传送带的起始端的右下方；所述传送带车轮固定在传送带车轮支架的下方；取土传送装置中的多个举升油缸(第二举升油缸、第三举升油缸、第四举升油缸)与第二液压控制器相连接；

所述传感器检测模块包括光敏传感器、雨滴传感器、第一位移传感器、第二位移传感器、第三位移传感器；

所述光敏传感器、雨滴传感器安装在车架的上方；所述第一位移传感器固定于破膜引苗装置中组合轨道的上方；所述第二位移传感器固定于培土装置中支撑板的上方；所述第三位移传感器固定于破膜引苗装置中升降杆的外侧；

所述智能控制处理模块包括工控机、红外相机、步进电机驱动器、GPS接收机；

所述工控机、步进电机驱动器、GPS接收机分别固定在第一车体固定杆的上方；所述红外相机固定于红外相机固定架的下方；

所述工控机分别与传感器检测模块、红外相机、步进电机驱动电连接；所述步进电机驱动器与第一到第六步进电机电连接。

2.如权利要求1所述的基于红外技术的破膜引苗培土机，其特征为所述电机传送单元包括第五步进电机、传送带转轴、主动链轮、从动链轮、第一栓塞、第二栓塞、第一螺母、第二螺母、链条；所述第二液压动力单元包括第二液压控制器、第二联轴器、第六步进电机；其中，所述第五步进电机的转轴用第一栓塞与主动链轮固定在一起，同时用第一螺母再次固定；所述传送带转轴用第二栓塞与从动链轮固定在一起，同时用第二螺母再次固定；所述链条的链节与主动链轮相啮合；所述链条的链节与从动链轮相啮合；所述主动链轮和从动链轮的轴线在同一水平线上；所述第六步进电机经过第二联轴器与第二液压控制器相连接。

3.如权利要求1所述的基于红外技术的破膜引苗培土机，其特征为所述圆形分切丝为钼丝。