CN113396650B - 一种智能蔬菜株间除草装置及控制方法 - Google Patents

一种智能蔬菜株间除草装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于智能农用除草设备技术领域，涉及一种智能蔬菜株间除草装置及控制方法，包括：机架、地轮、横移机构、连杆仿形机构、凸轮摆杆式株间除草单体和视觉与运动控制系统；视觉与运动控制系统对蔬菜苗进行识别和定位，确定作业保护区域，控制执行机构运动；凸轮摆杆式株间除草单体将电机的连续旋转运动转化为摆杆的往复运动，进而带动株间除草铲开合，以避苗除草；横移机构控制凸轮摆杆式株间除草单体跟踪作物行；通过前置仿形轮和连杆仿形机构保证株间除草铲具有一定的入土深度。本发明的结构简单、作业可靠，可降低牵引装置跟踪作物行的精度要求，在低伤苗率的条件下有效清除株间杂草。

Description

一种智能蔬菜株间除草装置及控制方法
技术领域
本发明属于智能农用除草设备技术领域，涉及一种智能蔬菜株间除草装置及控制方法。
背景技术
除草是农作物生产周期中最重复和最繁琐的工作之一。特别是对于发展中国家和小农户，杂草管理占劳动力工作量的40％以上。由于蔬菜株间的区域间断，同时杂草靠近作物，除草作业极易对作物造成伤害，自动化除草难度较大。目前机械株间除草方法主要有：被动弹齿式、主动爪齿式、旋转式和摆动式。被动弹齿式只适合部分硬茎作物，应用受限；爪齿式结构复杂，控制要求很高；旋转式虽然结构简单，但需要对作物进行严格定位。同时目前株间除草装置对牵引装置的对行精度和苗草识别定位准确度要求较高，导致株间除草机构和控制算法复杂，除草效果不理想，且成本昂贵。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种应用于蔬菜田除草作业的一种智能蔬菜株间除草装置及方法，其具有机构稳定，控制简单，牵引装置的导航精度要求低，伤苗率低和株间除草效果好的特点，可满足不同作物株行距和不同生长周期的株间除草要求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种智能蔬菜株间除草装置，包括机架1、两个凸轮摆杆式株间除草单体3、横移机构5、两个连杆仿形机构6、两个地轮8和视觉与运动控制系统；
所述视觉与运动控制系统包括：视觉与运动控制系统箱2、摄像头4、编码器12、图像处理设备、控制器、横移电机伺服电机驱动器、除草电机伺服电机驱动器、电源模块、光耦隔离模块、A/D转换模块、计数器和通信模块；
每个凸轮摆杆式株间除草单体3包括：一对株间除草铲25；
所述摄像头4安装于机架1的前部下方，所述视觉与运动控制系统箱2安装于机架1的前部上方；
所述横移机构5位于摄像头4的后方，也安装于机架上；
所述两个连杆仿形机构6并排安装于横移机构5的后方；
所述两个凸轮摆杆式株间除草单体3分别安装于两个连杆仿形机构6的后下方；所述两个地轮8分别安装于机架1的后端左右下方；
所述图像处理设备、控制器(又称为：微控芯片、微控制器或微处理控制器)、横移电机伺服电机驱动器、除草电机伺服电机驱动器、电源模块、光耦隔离模块、A/D转换模块、计数器和和通信模块均安装于视觉与运动控制系统箱2中；
所述通信模块包括：串口通信模块；
所述摄像头4与图像处理设备连接；
所述图像处理设备通过串口通信模块与控制器连接；
所述横移电机伺服电机驱动器、除草电机伺服电机驱动器、电源模块、A/D转换模块、计数器、通信模块和光耦隔离模块均与控制器连接；
所述控制器、图像处理设备、A/D转换模块、计数器、光耦隔离模块、摄像头4、编码器12、横移电机伺服电机驱动器、除草电机伺服电机驱动器和通信模块均与电源模块连接；
在所述地轮8上安装编码器12，
所述编码器12与计数器连接；
所述视觉与运动控制系统用于：对蔬菜苗进行识别和定位，确定作业保护区域，控制执行机构运动以及作业状态显示；
所述作业状态信息包括：所述智能蔬菜株间除草装置不工作或出现故障、智能蔬菜株间除草装置避苗和智能蔬菜株间除草装置除草；
所述执行机构包括：横移机构5和凸轮摆杆式株间除草单体3；
所述凸轮摆杆式株间除草单体3用于：将电机的连续旋转运动转化为摆杆的往复运动，进而带动每对株间除草铲25开合，以避苗除草；
所述横移机构5用于：控制凸轮摆杆式株间除草单体3跟踪作物行；
所述连杆仿形机构6用于：保证株间除草铲25具有一定的入土深度；
所述编码器12用于：测量智能蔬菜株间除草装置的前进速度和位移，并通过计数器传送给控制器；
所述株间除草铲25用于：除草松土；
所述电源模块用于：为控制器、图像处理设备、A/D转换模块、计数器、光耦隔离模块、摄像头4、编码器12、横移电机伺服电机驱动器、除草电机伺服电机驱动器和通信模块供电；
所述摄像头4用于：获取多行蔬菜作物的图像信息。
在上述技术方案的基础上，所述横移机构5包括：若干光轴固定板13、两根光滑导轨14、若干丝杠滑台固定板15、八个光轴滑块16、两个横移固定板17、两个横移驱动电机18、两个丝杠滑块19、两个防尘丝杠滑台20、两个丝杠和两个减速器一；
所述两根光滑导轨14通过若干光轴固定板13固定在机架1上；
在所述两个防尘丝杠滑台20的底部均设有底座；
所述两个防尘丝杠滑台20的底座分别通过丝杠滑台固定板15固定在机架1上；
所述八个光轴滑块16位于所述两根光滑导轨14的上方，每个丝杠滑块19分别位于四个光轴滑块16的后下方；
八个光轴滑块16的上表面与两个丝杠滑块19的上表面在同一水平面上，且每四个光轴滑块16分别与一个横移固定板17固定连接，所述两个丝杠滑块19分别与两个横移固定板17固定连接；
设置四个光轴滑块16与一个横移固定板17固定连接，可以保证横移固定板17及与其连接的部件移动时的稳定性；
两个横移固定板17分别与两个连杆仿形机构6连接；
两个横移驱动电机18分别与两个减速器一连接；
两个减速器一分别与两个丝杠连接；
两个丝杠滑块19分别与所述两个丝杠螺旋连接；
所述两个横移驱动电机18分别与横移电机伺服电机驱动器连接；
在所述两个防尘丝杠滑台20的内部两端均设有限位开关；
所述限位开关通过光耦隔离模块与控制器连接；
所述两个丝杠滑块19与两个防尘丝杠滑台20滑动配合，丝杠滑块19能够在相应的防尘丝杠滑台20上滑动；
所述横移驱动电机18转动，带动丝杠转动，进而带动丝杠滑块19在防尘丝杠滑台20上移动，将横移驱动电机18的转动变成丝杠滑块19的横移运动；再通过横移固定板17带动连杆仿形机构6和凸轮摆杆式株间除草单体3进行横摆避苗；
所述限位开关用于：对丝杠滑块19进行限位，当丝杠滑块19移动到防尘丝杠滑台20的两端时，碰触限位开关，限位开关发送信号给光耦隔离模块，进而传送中断信号到控制器；控制器读到中断信号后，通过横移电机伺服电机驱动器控制横移驱动电机18停止转动；
设置若干光轴固定板13、两根光滑导轨14和光轴滑块16是为了增强所述智能蔬菜株间除草装置的强度。
在上述技术方案的基础上，所述凸轮摆杆式株间除草单体3还包括：株间除草驱动电机21、株间除草单体前板22、两个连接套23、两个除草铲固定架24、电位计传感器26、两个横杆28、单体上板29、主轴一30、单体下板31、两个扭簧32、主轴二33、凸轮34、两个齿轮35、滚轮轴承36、摆杆臂37和减速器二；
所述电机为株间除草驱动电机21，所述摆杆为摆杆臂37；
所述株间除草驱动电机21与减速器二连接；
所述减速器二与凸轮34连接，并带动凸轮34旋转；
所述主轴一30和主轴二33关于所述凸轮摆杆式株间除草单体3的纵向中心平面对称分布，且主轴一30和主轴二33竖直平行布置；
所述滚轮轴承36固定在摆杆臂37的一端，且滚轮轴承36的圆周时刻紧压在凸轮34的圆周上，形成凸轮副；
所述摆杆臂37的另一端固定连接在主轴二33上；一个齿轮35通过键连接，固定在主轴二33上；另一个齿轮35通过键连接，固定在主轴一30上，且两个齿轮35互相啮合；
在两个齿轮35的轮面上都均匀设有一圈通孔；
所述单体上板29和单体下板31的板面平行，且单体上板29位于单体下板31的上方；
所述株间除草单体前板22位于单体上板29和单体下板31的前方，且与单体上板29、单体下板31均连接；
所述主轴一30和主轴二33的上端通过轴承安装在单体上板29上，下端穿出单体下板31；两个齿轮35位于单体上板29下方；
所述主轴一30和主轴二33通过轴承也安装在单体下板31上；
两个旋向相反的扭簧32分别套在主轴一30和主轴二33上，且分别位于两齿轮35的下方；
在所述单体下板31相应于两个齿轮35的通孔位置，设有安装孔；
一个扭簧32的上端伸出的支脚固定在一个齿轮35的通孔中，下端伸出的支脚固定在单体下板31上相应的安装孔中；另一个扭簧32的上端伸出的支脚固定在另一个齿轮35的通孔中，下端伸出的支脚固定在单体下板31上相应的安装孔中；
所述扭簧32、齿轮35和单体下板31组成复位机构；
调整扭簧32上端伸出的支脚与齿轮35轮面上不同位置的通孔连接，使扭簧32具有一定的预紧扭矩，保证滚轮轴承36时刻紧压在凸轮34上；
所述两个横杆28水平布置，且两个横杆28的后端分别垂直焊接在主轴一30和主轴二33上；两个横杆28的前端朝前；
所述摆杆臂37的回转中心与滚轮轴承36的中心连线，形成直线一；所述横杆28的中心线与直线一平行；
所述两个连接套23的形状均为“┓”形，上部为水平段，下部为竖直段；
所述两个连接套23的水平段后端分别套在两个横杆28的前端；
所述两个除草铲固定架24的上端分别套在两个连接套23的竖直段的下端；
在所述两个除草铲固定架24的下端均设有一个通孔和一段与所述通孔同心的圆弧槽；
在所述株间除草铲25的上端设有上下排列的两个通孔；
紧固件穿过除草铲固定架24的通孔和株间除草铲25的上部通孔，将除草铲固定架24与株间除草铲25连接；
紧固件穿过除草铲固定架24的圆弧槽和株间除草铲25的下部通孔，将除草铲固定架24与株间除草铲25连接；
调整紧固件在所述圆弧槽上的不同位置，以调整株间除草铲25的入土角度；
根据不同蔬菜作物的直径，调整两个连接套23的水平伸出长度，以改变株间除草铲25的位置；
所述两个除草铲固定架24套入两个连接套23的长度能够调整，以控制株间除草铲25的入土深度；
所述电位计传感器26安装于主轴一30上。
在上述技术方案的基础上，所述连杆仿形机构6包括：前置仿形轮7、调节螺栓9、仿形机构后板38、两个连杆39、仿形机构前板40、限位螺栓41、拉簧50和短板；
所述前置仿形轮7安装于所述株间除草单体前板22上；
所述前置仿形轮7用于：保证除草铲25具有一定的入土深度；
所述仿形机构后板38和仿形机构前板40均竖直放置；
所述仿形机构前板40的上端与一个连杆39的一端铰接，一个连杆39的另一端与仿形机构后板38的上端铰接，仿形机构后板38的下端与另一个连杆39的一端铰接，另一个连杆39的另一端与仿形机构前板40的下端铰接；
仿形机构前板40、两个连杆39和仿形机构后板38组成四连杆铰链；
所述仿形机构前板40的上端与短板的一端固定连接，所述短板的板面水平；
在所述短板上设有螺纹孔，所述调节螺栓9的上部为螺纹段，调节螺栓9下部设有孔一；
所述调节螺栓8的螺纹段旋入所述短板上的螺纹孔；
所述拉簧50的上端钩环钩入所述调节螺栓9的孔一中，拉簧50的下端与所述仿形机构后板38的下端固定连接；
在所述仿形机构前板40上设有若干竖直竖直排列的孔二，
在所述横移固定板17上设有孔三；
所述仿形机构前板40通过限位螺栓41穿过孔三与若干孔二上的一个孔与横移固定板17连接；
所述株间除草单体前板22与仿形机构后板38固定连接。
在上述技术方案的基础上，所述凸轮34的圆周包括：近休止段、推程段、远休止段和回程段；
所述近休止段的末端与推程段的始端连接，推程段的末端与远休止段的始端连接，远休止段的末端与回程段的始端连接，回程段的末端与近休止段的始端连接；
当滚轮轴承36与凸轮34的近休止段接触时，两个横杆28呈互相平行的状态，一对株间除草铲30闭合，进行株间除草；
当除草电机伺服电机驱动器收到控制器发送的避苗指令后，除草电机伺服电机驱动器驱动株间除草电机21转动，进而带动凸轮34逆时针转动，滚轮轴承36与凸轮34的推程段接触，在凸轮摆杆式株间除草单体3上的两个横杆28的前端向外摆，带动株间除草铲25做“类摆线”运动，进行避苗；
当滚轮轴承36与凸轮34的远休止段接触时，在凸轮摆杆式株间除草单体3上的两个横杆28保持最大外摆角，株间除草铲25呈开合避苗状态，智能蔬菜株间除草装置越过蔬菜作物；
当智能蔬菜株间除草装置越过蔬菜作物后，滚轮轴承36与凸轮34的回程段接触，两个横杆28在扭簧32的作用下，恢复互相平行的状态，带动株间除草铲25回到闭合除草作业状态；
所述电位计传感器26通过联轴器27安装于主轴一30上；
所述电位计传感器26用于：控制器读取电位计传感器26的数值，并通过除草电机伺服电机驱动器驱动株间除草驱动电机21转动，确保智能蔬菜株间除草装置初始上电时，滚轮轴承36与凸轮34的接触点位于所述近休止段的中点位置。
在上述技术方案的基础上，所述智能蔬菜株间除草装置还包括：4个行间铲11；
两个行间铲11分别位于两个凸轮摆杆式株间除草单体3的左右后方两侧，且左右对称安装于机架1上；
另外两个行间铲11位于两个凸轮摆杆式株间除草单体3的中间的后方，且且左右对称分别安装于机架1上；
所述行间铲11的水平位置能够调整，以防止伤苗；
所述行间铲11用于：铲除蔬菜行间的杂草45；
所述行间铲11通过U型卡固定安装于机架1上，所述一对行间铲11的高度和水平位置能够分别调整，所述行间铲11为L形除草铲，
所述L形除草铲的末端为铲刀；
所述铲刀的入土角度能够旋转调整；
在与智能蔬菜株间除草装置前进方向垂直的方向上，株间除草铲25的铲刀与相邻的行间铲11的铲刀与株间除草铲25的铲刀伸出的长度在与前进方向垂直的方向上重叠，以保证行间和株间除草的覆盖面积重叠，将杂草25铲除干净。
在上述技术方案的基础上，所述摄像头4垂直于地面安装，摄像头4的镜头的方向向下；
所述电源模块与车载电瓶连接；
所述车载电瓶用于：为电源模块供电；
所述智能蔬菜株间除草装置还包括：提升环10，所述提升环10安装在机架1的上方；
所述提升环10用于：在运输智能蔬菜株间除草装置或智能蔬菜株间除草装置跨垄时，通过拖拽提升环10拉起整个智能蔬菜株间除草装置；
所述机架1与拖拉机或其他牵引装置连接；
所述控制器为：STM32F407单片机；所述图像处理设备为：树莓派4B；所述摄像头4为：120度和120帧无畸变USB摄像头；所述人机交互设备包括：ipad；
所述串口通信模块采用串口TTL通信方式；
在所述横移驱动电机18的内部设有位置反馈传感器一；
所述位置反馈传感器一用于：实现伺服控制，从而控制横移驱动电机18的转速和圈数(对应丝杠滑块19的位置)，可准确控制转速和旋转圈数；
在所述株间除草驱动电机21的内部设有位置反馈传感器二；
所述位置反馈传感器二用于：实现伺服控制，从而株间除草驱动电机21的转速和圈数，可准确控制转速和旋转圈数；
为了保证强度，所述横移机构5还包括：光轴底板、光轴和光轴底座；
所述防尘丝杠滑台20与光轴底板固定连接，所述光轴底板与光轴的一端固定连接，光轴的另一端与光轴底座固定连接，光轴底座固定在机架1上；
所述地轮8通过U型卡安装于机架1上，且所述地轮8在机架1上的位置能够上下、左右调整；
所述防尘丝杠滑台20的最大行程为：200mm，最大摆动速度为：60mm/s；
所述齿轮35的直径为：60mm、模数为1、齿数为60；
所述主轴一30和主轴二33的中心距为60mm；
所述扭簧32的轴径为：20mm、线径为：2.5mm、圈数为：6；
所述株间除草铲25的入土角度为：20度；
所述行间铲11的铲刀的入土角度为20度；
所述电位计传感器26的量程为：0～345°；
所述减速器二的最高输出转速为：300r/min所述摆杆臂37和横杆28的最大摆角均为：60°；
所述凸轮34的推程段的推程运动角为：115°，回程段的回程运动角为：115°，远休止段的远休止角为：75°，近休止段的近休止角为：55°。
在上述技术方案的基础上，所述视觉与运动控制系统还包括：继电器和指示灯；
所述继电器与控制器连接，所述继电器与指示灯连接；所述继电器也安装于视觉与运动控制系统箱2中；所述指示灯安装在视觉与运动控制系统箱2的外侧壁上；
所述继电器、指示灯均与电源模块连接；
所述电源模块用于：为继电器和指示灯供电；
所述指示灯为：三色灯，能够显示红色、黄色和绿色；
所述指示灯亮红色表示：所述智能蔬菜株间除草装置不工作或出现故障；
所述指示灯亮绿色表示：所述智能蔬菜株间除草装置避苗；
所述指示灯亮黄色表示：所述智能蔬菜株间除草装置除草；
所述指示灯交替亮红色和灭灯表示：视觉与运动控制系统初始化没有成功；
所述继电器用于：根据控制器的指令信息，控制指示灯亮的颜色和灭灯；
所述指令信息包括：所述智能蔬菜株间除草装置不工作或出现故障、智能蔬菜株间除草装置避苗和智能蔬菜株间除草装置除草；视觉与运动控制系统初始化是否成功。
在上述技术方案的基础上，所述视觉与运动控制系统还包括：人机交互设备，所述通信模块还包括：WIFI模块；
所述WIFI模块与控制器连接，所述WIFI模块与所述人机交互设备连接；所述WIFI模块也安装于视觉与运动控制系统箱2中；所述WIFI模块与电源模块连接；所述控制器与车载电瓶连接；
所述控制器实时获得车载电瓶的电压，并通过WIFI模块实时传送给人机交互设备；
所述控制器实时获得与其连接的设备的总电流，并通过WIFI模块实时传送给人机交互设备；
所述控制器实时获得与其连接的凸轮摆杆式株间除草单体3的电流，并通过WIFI模块实时传送给人机交互设备；
所述控制器实时将智能蔬菜株间除草装置的前进速度和位移通过WIFI模块传送给人机交互设备；
所述控制器实时获得避苗的数量，并通过WIFI模块实时传送给人机交互设备；
所述控制器实时获得作业状态信息，并通过WIFI模块实时传送给人机交互设备；
所述电源模块用于：为WIFI模块供电；
所述WIFI模块用于：实现控制器与人机交互设备之间的无线通信；
所述人机交互设备用于：
①实时显示车载电瓶的电压、总电流、凸轮摆杆式株间除草单体3的电流；
②实时显示智能蔬菜株间除草装置的前进速度和位移；
③实时显示避苗的数量；
④实时显示作业状态信息；
⑤向控制器发送更改智能蔬菜株间除草装置的前进速度和修改补偿蔬菜作物保护区域半径R的指令信息；
向控制器发送“避苗”指令，使得智能蔬菜株间除草装置进行避苗操作；
向控制器发送“取消避苗”指令，使得智能蔬菜株间除草装置取消避苗操作；
向控制器发送“除草”指令，使得智能蔬菜株间除草装置进行除草操作；
向控制器发送“取消除草”指令，使得智能蔬菜株间除草装置取消除草操作；
所述作业状态信息包括：所述智能蔬菜株间除草装置不工作或出现故障、智能蔬菜株间除草装置避苗和智能蔬菜株间除草装置除草；
所述控制器接收人机交互设备发送的指令信息，控制智能蔬菜株间除草装置执行所述指令信息。
一种应用于上述智能蔬菜株间除草装置的控制方法，包括以下步骤：
S1、视觉与运动控制系统初始化；
所述视觉与运动控制系统初始化包括：
①控制器开始工作，即控制器初始化；
②控制器读取电位计传感器26的数值，并通过除草电机伺服电机驱动器驱动株间除草驱动电机21转动，确保智能蔬菜株间除草装置初始上电时，滚轮轴承36与凸轮34的接触点位于所述近休止段的中点位置，即凸轮34近休止端初始化定位；
③控制器检测限位开关状态，并通过横移电机伺服电机驱动器驱动横移驱动电机18转动，确保丝杠滑块19位于防尘丝杠滑台20行程的中点位置，即横移机构5初始化；
③控制器向图像处理设备发送开始通信指令，准备接受摄像头4拍摄的照片，即图像处理设备初始化；
S2、当视觉与运动控制系统初始化没有成功时，控制器通过继电器控制指示灯交替亮红色和灭灯(即指示灯亮红色闪烁)；当视觉与运动控制系统初始化成功时，进入步骤S3；否则，视觉与运动控制系统继续初始化；
S3、摄像头4拍摄照片，并传输给图像处理设备；
S4、控制器控制图像处理设备接收摄像头4拍摄的照片(即采集图像)，对蔬菜作物和杂草45进行识别(即进行苗草识别)；
所述识别包括：识别蔬菜作物中心坐标点42的位置和蔬菜作物保护区域半径R，计算蔬菜作物中心相对于株间除草铲25的横向偏差距离(简称横向偏差)X和纵向偏差距离(简称纵向偏差)Y；
S5、图像处理设备将R、X和Y信息发送给控制器；控制器接收R、X和Y信息；
S6、控制器根据横向偏差距离X，计算横移驱动电机18的转动方向和圈数；
S7、控制器向横移电机伺服电机驱动器发送运动控制指令，进而控制横移机构5做横摆运动，跟踪作物行；
S8、控制器读取编码器12的信息，计算智能蔬菜株间除草装置的前进速度V；
同时，控制器根据纵向偏差距离Y、智能蔬菜株间除草装置的前进速度V和蔬菜作物保护区域半径R，计算株间除草驱动电机21的开始转动时刻、转动速度和转动圈数，进而控制株间除草铲25在靠近蔬菜作物保护区域时，滚轮轴承36与凸轮34的接触点从近休止段末端变化到推程段，再变化到远休止段，直至经过回程段，再回到近休止段的始端，以实现每对株间除草铲25进入蔬菜作物保护区域44时，每对株间除草铲25及时打开，每对株间除草铲25出蔬菜作物保护区域44时，每对株间除草铲25及时闭合；
S9、控制器向除草电机伺服电机驱动器发送控制指令，进而控制株间除草铲25完成避苗操作；
S10、当控制器没有停止工作且智能蔬菜株间除草装置没有出现故障时，返回到步骤S3；
当智能蔬菜株间除草装置出现故障时，智能蔬菜株间除草装置停止工作，指示灯亮红色；在智能蔬菜株间除草装置的故障清除后，返回到步骤S3；
所述步骤S4的具体步骤如下：
S41、针对拍摄的照片，将RGB形式的照片转化为LAB色彩空间的照片；
S42、从LAB色彩空间提取a分量灰度图；
S43、利用最大类间方差法和自动阈值分割算法对a分量灰度图二值化处理；
S44、先采用中值滤波算法对步骤S43处理后的图像进行平滑处理，然后采取开运算除去杂草噪声，再利用闭运算填补前景作物内部小孔；
S45、提取所有可能的前景蔬菜作物轮廓；
S46、计算前景蔬菜作物轮廓区域的面积，利用面积特征设置阈值，去除残留噪声和杂草(即面积阈值滤波)；
S47、设定形状比例阈值，计算轮廓区域面积与其最小包围圆面积的比值，若小于设定的形状比例阈值，则判断当前轮廓不是蔬菜作物轮廓(即形状比例阈值滤波)；
S48、计算y方向上，轮廓的形心坐标，公式如式(1)所示，
Figure GDA0003199218490000121
其中，x(i)为第i个轮廓的形心x坐标，y(i)为第i个轮廓的形心y坐标，m00(i)为第i个轮廓的零阶矩，m10(i)和m01(i)分别为x方向和y方向的一阶矩，S(i)为轮廓内的像素个数，S(i)O为最小包围圆的像素个数，ths1为面积阈值，ths2为形状比例阈值；
所述y方向为：所述智能蔬菜株间除草装置的前进方向；
S49、当计算获得的形心x坐标不满足式(2)时，继续按照步骤S48计算下一个轮廓的形心坐标；当计算获得的形心x坐标满足式(2)时，则形心x坐标对应的轮廓为蔬菜作物轮廓；
Figure GDA0003199218490000122
其中，w为采集图像的宽度；
S50、计算蔬菜作物轮廓与株间除草铲25的横向偏差距离X、纵向偏差距离Y和蔬菜作物保护区域半径R(即获得输出目标识别对象位置坐标和最小包围圆直径信息)。
本发明的有益技术效果如下：
本发明的结构简单、作业可靠，可降低牵引装置跟踪作物行的精度要求，在低伤苗率的条件下有效清除株间杂草。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明所述智能蔬菜株间除草装置的正视结构示意图；
图2为本发明所述智能蔬菜株间除草装置的立体结构示意图；
图3为本发明的横移机构5的结构示意图；
图4为本发明的凸轮摆杆式株间除草单体3的正视结构示意图；
图5为本发明的凸轮摆杆式株间除草单体3的侧视结构示意图；
图6为图5中的A-A剖面结构示意图；
图7为本发明的视觉与运动控制系统的硬件结构连接示意框图；
图8为本发明所述智能蔬菜株间除草装置的控制方法流程示意框图；
图9为本发明所述智能蔬菜株间除草装置对蔬菜作物苗进行识别定位的示意图；
图10为本发明所述株间除草铲25的除草轨迹示意图；
图11为本发明所述连杆仿形机构6的结构示意图；
图12为晴天中午的生菜田作物图像；
图13为图12的a分量灰度图；
图14为图12的a分量直方图；
图15为图13的二值化处理图；
图16为图15经过平滑处理、除去杂草噪声以及填补前景作物内部小孔后的图像；
图17为本发明所述实施例的识别定位结果图；
图18为本发明所述图像处理算法的流程示意图。
附图标记：
1.机架，2.视觉与运动控制系统箱，3.凸轮摆杆式株间除草单体，4.摄像头，5.横移机构，6.连杆仿形机构，7.前置仿形轮，8.地轮，9.调节螺栓，10.提升环，11.行间铲，12.编码器，13.光轴固定板，14.光滑导轨，15.丝杠滑台固定板，16.光轴滑块，17.横移固定板，18.横移驱动电机，19.丝杠滑块，20.防尘丝杠滑台，21.株间除草驱动电机，22.株间除草单体前板，23.连接套，24.除草铲固定架，25.株间除草铲，26.电位计传感器，27.联轴器，28.横杆，29.单体上板，30.主轴一，31.单体下板，32.扭簧，33.主轴二，34.凸轮，35.齿轮，36.滚轮轴承，37.摆杆臂，38.仿形机构后板，39.连杆，40.仿形机构前板，41.限位螺栓，42.蔬菜作物中心坐标点，43.除草铲轨迹，44.蔬菜作物保护区域，45.杂草，46.除草铲株间除草作业轨迹，47.除草铲打开轨迹，48.除草铲避苗轨迹，49.除草铲合上轨迹，50.拉簧，51.株间除草区域。
具体实施方式
以下结合实施例及附图1-18对本发明进行详细的描述。
一种智能蔬菜株间除草装置，包括：机架1和两个地轮8，还包括：安装于机架1上的横移机构5，安装于横移机构5上的连杆仿形机构6、安装于连杆仿形机构6上的凸轮摆杆式株间除草单体3、安装于机架1上的摄像头4和视觉与运动控制系统箱2。
视觉与运动控制系统用于：对蔬菜苗进行识别和定位，确定作业保护区域，控制执行机构运动以及作业状态显示；
凸轮摆杆式株间除草单体3用于：将电机的连续旋转运动转化为摆杆的往复运动，进而带动两个株间除草铲25开合，以避苗除草；横移机构5用于：控制凸轮摆杆式株间除草单体3跟踪作物行；通过连杆仿形机构6的前置仿形轮7保证株间除草铲25具有一定的入土深度。
机架1连接在拖拉机或其他牵引装置上，在运输或跨垄时，可通过拖拽提升环10拉起整套智能蔬菜株间除草装置。地轮8通过U型卡固定于机架1上，可上下、左右调整位置，地轮8上安装有编码器12，编码器12用于：测量智能蔬菜株间除草装置的前进速度和位移。
行间铲11为L形除草铲，两个行间铲11分别对称分布于两个凸轮摆杆式株间除草单体3的左右的后方两侧，另外两个行间铲11位于两个凸轮摆杆式株间除草单体3的中间的后方，且且左右对称分别安装于机架1上；
行间铲11通过U型卡固定于机架1上，可调整高度和水平位置。在与智能蔬菜株间除草装置前进方向垂直的方向上，株间除草铲25的铲刀与相邻的行间铲11的铲刀与株间除草铲25的铲刀伸出的长度重叠，以保证行间和株间除草的覆盖面积重叠，将杂草25铲除干净；行间铲11的铲刀可旋转调整入土角度，优选的，入土角度选取20度。
横移机构5的两根光滑导轨14通过光轴固定板13固定于机架1上，防尘丝杠滑台20的底座通过丝杠滑台固定板15与机架1和光轴底板固定在一起。光轴滑块16的上表面与丝杠滑块19的上表面共面。横移驱动电机18采用伺服控制，内部设有位置反馈传感器，防尘丝杠滑台20的内部两端设有限位开关。上电初始化时，控制丝杠滑块19运行至防尘丝杠滑台20的行程中点，横移驱动电机18转动，控制丝杠滑块19移动，带动连杆仿形机构6和凸轮摆杆式株间除草单体3进行横摆避苗。优选的，防尘丝杠滑台20的最大行程为200mm，最大摆动速度为60mm/s。
凸轮摆杆式株间除草单体3上的株间除草单体前板22安装有前置仿形轮7，保证凸轮摆杆式株间除草单体3对于作物垄的相对高度不变。四连杆铰链中间装有调节螺栓9和拉簧50，克服凸轮摆杆式株间除草单体3的一部分重力，防止前置仿形轮7入土过深，而对横移避苗运动产生干扰。
所述调节螺栓9的作用为：调整凸轮摆杆式株间除草单体3(与仿形机构后板38连接)的初始仿形位置，同时可调整拉簧50的输出拉力。仿形机构前板40上装有限位螺栓40，以控制凸轮摆杆式株间除草单体3的最大仿形量，同时限制智能蔬菜株间除草装置被提升时，凸轮摆杆式株间除草单体3的最大仿形量，提高智能蔬菜株间除草装置在整机运输过程中的通过性。
所述凸轮摆杆式株间除草单体3还包括：株间除草驱动电机21、连接套23、除草铲固定架24、株间除草铲25、电位计传感器26、横杆28、主轴一30、扭簧32、主轴二33、凸轮34、齿轮35、滚轮轴承36和摆杆臂37。
优选的，株间除草驱动电机21采用伺服闭环电机形式，内部含有位置反馈传感器二，配有减速器二，减速器二的最高输出转速为：300r/min，株间除草驱动电机的输出轴穿过单体上板29与凸轮34相连，带动凸轮34旋转。
主轴一30和主轴二33对称分布，中心距为60mm，分别通过上下轴承与单体上板29和单体下板31连接。滚轮轴承36固定在摆杆臂37的一端，摆杆臂37的另一端连接在主轴二33上。优选的，两个直径60mm、模数为1、齿数为60的相互啮合的齿轮35分别安装在主轴一30和主轴二33上，在齿轮35上均匀设有一圈通孔。
优选的，两个旋向相反、轴径为20mm、线径为2.5mm、圈数为6的扭簧32分别套在主轴一30和主轴二33上，且位于齿轮35的下方；一个扭簧32的上端伸出的支脚固定在一个齿轮35的通孔中，下端伸出的支脚固定在单体下板31上相应的安装孔中；另一个扭簧32的上端伸出的支脚固定在另一个齿轮35的通孔中，下端伸出的支脚固定在单体下板31上相应的安装孔中；
所述扭簧32、齿轮35和单体下板31组成复位机构，通过调整扭簧32上端伸出的支脚与齿轮35轮面上不同位置的通孔连接，使扭簧32有一定的预紧扭矩，保证滚轮轴承36时刻紧压在凸轮34上，形成凸轮副。
横杆28垂直焊接在主轴一30和主轴二33上，所述摆杆臂37的回转中心与滚轮轴承36的中心连线，形成直线一；所述横杆28的中心线与直线一平行；
连接套23的水平段后端套在横杆28内，且通过通孔和螺栓定位，根据不同蔬菜作物的直径调整连接套23的伸出长度，改变除株间草铲25在水平方向的开合距离，以适应不同直径蔬菜作物的除草需求。
除草铲固定架24套在连接套23的竖直端内，且通过通孔和螺栓定位，可调整连接套23的伸出长度，控制株间除草铲25的入土深度。在所述除草铲固定架24的下端设有一个通孔和一段与所述通孔同心的圆弧槽，分别连接株间除草铲25上端的两个通孔，调整株间除草铲25的入土角度，优选的，入土角度选取20度。
凸轮摆杆式株间除草单体3将电机的连续旋转运动转化为每对株间除草铲25的开合运动，以避苗除草，具体过程如下：滚轮轴承36与凸轮34的近休止段接触时，两个横杆28呈互相平行的状态，两个株间除草铲25闭合，进行株间除草作业；当除草电机伺服电机驱动器收到控制器发送的避苗指令后，除草电机伺服电机驱动器驱动株间除草电机21转动，进而带动凸轮34逆时针转动滚轮轴承36与凸轮34的推程段接触，在凸轮摆杆式株间除草单体3上的两个横杆28的前端向外摆，带动除草铲25做“类摆线”运动，进行避苗；然后，滚轮轴承36与凸轮34的远休止段接触时，在凸轮摆杆式株间除草单体3上的两个横杆28保持最大外摆角，株间除草铲25呈开合避苗状态，智能蔬菜株间除草装置越过蔬菜作物；智能蔬菜株间除草装置越过蔬菜作物后，滚轮轴承36与凸轮34的回程段接触，两个横杆28在扭簧32的回位扭矩作用下，恢复互相平行的状态，带动株间除草铲25回到闭合除草作业状态。
优选的，为保证株间除草铲25迅速打开和闭合，提高除草率，最终确定摆杆臂37和横杆28的最大摆角为60°，凸轮34的推程段的推程运动角取115°，回程段的回程运动角取115°，远休止段的远休止角取75°，近休止段的近休止角取55°。为减少凸轮41与滚轮轴承44之间的刚性和柔性冲击，降低机械磨损，摆杆臂45的运动采用正弦加速度运动规律。根据上述运动规律反求凸轮34的轮廓曲线参数，确定凸轮34的基圆半径为20mm，和中心距为60mm。
优选的，电位计传感器26通过联轴器27和主轴一30连接，量程为0～345°，用于：控制器读取电位计传感器26的数值，并通过除草电机伺服电机驱动器驱动株间除草驱动电机21转动，确保智能蔬菜株间除草装置初始上电时，滚轮轴承36与凸轮34的接触点位于所述近休止段的中点位置。
视觉与运动控制系统包括：摄像头11和视觉与运动控制系统箱3中的图像处理设备、控制器、横移电机伺服电机驱动器、除草电机伺服电机驱动器、电源模块和通信模块等。
优选的，摄像头4采用120度无畸变USB摄像头，图像处理设备采用树莓派4B，控制器采用STM32F407单片机。
一种智能蔬菜株间除草装置的控制方法，简述如下：
摄像头4竖直向下安装，可同时获取多行蔬菜作物的图像信息。树莓派4B接收摄像头4拍摄的照片，根据图像处理算法，对蔬菜作物和杂草45进行识别分离，识别蔬菜作物中心坐标点42的位置和蔬菜作物保护区域半径R，计算蔬菜作物中心相对于株间除草铲25的横向偏差距离X和纵向偏差距离Y，将R、X、Y信息发送给STM32F407单片机。STM32F407单片机将蔬菜作物与株间除草铲25的横向偏差距离X转化为横移驱动电机18的转动方向和相应的圈数，并发送给横移电机伺服电机驱动器，控制横移机构5做横摆运动，跟踪作物行。STM32F407单片机读取编码器12的信息，计算智能蔬菜株间除草装置的前进速度V，同时根据蔬菜作物与株间除草铲25的纵向距离Y和蔬菜作物保护区域半径R，计算株间除草驱动电机21的开始转动时刻、转动速度和转动圈数，并发送给除草电机伺服电机驱动器，控制株间除草铲25完成避苗操作，实现每对株间除草铲25进入蔬菜作物保护区域44时，每对株间除草铲25及时打开，每对株间除草铲25出蔬菜作物保护区域44时，每对株间除草铲25及时闭合。
所述图像处理算法，采用pycharm Community2019与opencv4.4视觉库分别作为图像处理编程环境和支持库，使用python语言进行编程，图像处理设备选择轻量易部署的树莓派4B，树莓派4B的CPU为4核ARM Cortex-A72芯片，主频1.5GHz,4G DDR4内存。摄像头4采用120帧高速摄像头4，为了提高除草单元的模块化，每一个凸轮摆杆式株间除草单体3配有一个摄像头4，仅负责采集当前行的作物信息。
作物苗识别的主要目的就是：将作物从背景中分离，背景主要包括田垄土壤、杂草和石块等。试验田种植的生菜呈翠绿色，与土壤背景特征在色彩空间上有明显区分。考虑实际田间光照强度变化较大，采用CIE—Lab颜色模型，该色彩空间(即CIE-Lab颜色模型)可清晰地分离色彩和灰度信息，其中a分量对绿色信息敏感，可明显区分作物与土壤背景，同时降低超绿法在灰度化过程中土壤噪声的干扰。图12为晴天中午的生菜田作物图像(去除了彩色)，图13为a分量灰度图，图14为a分量直方图。
根据图14，图像中的a分量在直方图上的区分界限明显，采用最大类间方差法(OTUS)自动阈值分割算法对a分量灰度图二值化处理，得到图15。为减少光照不均和土壤土块产生的噪声影响，先采用中值滤波算法对图像进行平滑处理，对处理后的图像先采取开运算除去小面积杂草噪声，再利用闭运算填补前景作物内部小孔,获得图16。
作物识别定位的主要目标为：蔬菜作物轮廓提取、形心坐标和半径信息计算，其主要干扰源为：绿色长叶类杂草、邻行生菜叶片干扰。通过分析对比生菜和杂草，发现生菜和杂草的形态特征存在差异，如圆度，面积和长度等。由于移栽前的土壤旋耕及移栽时间较短，两次除草松土过程中的杂草多处于幼苗期，与生菜作物面积相比，相差加大，计算图16中每一轮廓区域的面积，利用面积特征设置阈值，去除残留噪声和一部分杂草。利用生菜整株和干扰源的形状差别，杂草和邻行生菜叶片多为修长状态，设定形状比例阈值，计算轮廓区域面积与其最小包围圆面积的比值，若小于设定的形状比例阈值，则舍去(即不是蔬菜作物轮廓)。对筛选后的轮廓利用各阶特征矩计算质心坐标(x,y)，以质心坐标近似代替蔬菜作物的形心，计算公式如式(1)所示，
Figure GDA0003199218490000191
其中，m00(i)为第i个轮廓的零阶矩，m10(i)和m01(i)分别为x方向和y方向的一阶矩，S(i)为轮廓内的像素个数，S(i)O为最小包围圆的像素个数，ths1为面积阈值，ths2为形状比例阈值。
识别符合要求的蔬菜作物坐标后，以图9中Y轴正向(竖直向下)第一颗生菜作为“避苗对象”，计算与株间除草铲25的横向偏差距离X、纵向偏差距离Y和蔬菜作物保护区域直径(最小包围圆直径)。在实际应用过程中，考虑到牵引装置的导航精度误差和种植直线度误差，在同一视野内，水平方向会出现邻行半颗左右的作物，仅依赖面积和形状滤波难以排除干扰，影响“避苗对象”的判断，通过大量试验，正确的“避苗对象”形心横坐标需满足式(2)，
Figure GDA0003199218490000192
其中，w为采集图像的宽度，若不满足式(2)，则判定为邻行枝叶噪声，予以舍弃。
识别定位结果如图17所示，图像处理算法的流程示意图如图18所示。
如图10所示，每对株间除草铲25在铲除杂草45时，形成的轨迹为除草铲轨迹43；
当株间除草铲25在株间除草区域51进行除草时，形成除草铲株间除草作业轨迹46；
在株间除草铲25碰到蔬菜作物保护区域44时，株间除草铲25在打开的过程中，形成除草铲打开轨迹47；
在株间除草铲25打开到最大时，形成除草铲避苗轨迹48；
在株间除草铲25准备离开蔬菜作物保护区域44时，株间除草铲25在闭合的过程中，形成除草铲合上轨迹49。
本发明的一种智能蔬菜株间除草装置，可同时挂载多套由凸轮摆杆式株间除草单体3、横移机构5、连杆仿形机构6组成的株间除草装置，适应多行作物株间除草需求。
显然，本发明上述实施例的原理阐述仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，而并非是对本发明实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里没有对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
本说明书中未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种智能蔬菜株间除草装置，其特征在于，包括机架(1)、两个凸轮摆杆式株间除草单体(3)、横移机构(5)、两个连杆仿形机构(6)、两个地轮(8)和视觉与运动控制系统；
所述视觉与运动控制系统包括：视觉与运动控制系统箱(2)、摄像头(4)、编码器(12)、图像处理设备、人机交互设备、控制器、横移电机伺服电机驱动器、除草电机伺服电机驱动器、电源模块、光耦隔离模块、A/D转换模块、计数器和通信模块；
每个凸轮摆杆式株间除草单体(3)包括：一对株间除草铲(25)；
每个凸轮摆杆式株间除草单体(3)还包括：凸轮(34)；
所述凸轮(34)的圆周包括：近休止段、推程段、远休止段和回程段；
所述近休止段的末端与推程段的始端连接，推程段的末端与远休止段的始端连接，远休止段的末端与回程段的始端连接，回程段的末端与近休止段的始端连接；
所述摄像头(4)安装于机架(1)的前部下方，所述视觉与运动控制系统箱(2)安装于机架(1)的前部上方；
所述横移机构(5)位于摄像头(4)的后方，也安装于机架上；
所述两个连杆仿形机构(6)并排安装于横移机构(5)的后方；
所述两个凸轮摆杆式株间除草单体(3)分别安装于两个连杆仿形机构(6)的后下方；所述两个地轮(8)分别安装于机架(1)的后端左右下方；
所述图像处理设备、控制器、横移电机伺服电机驱动器、除草电机伺服电机驱动器、电源模块、光耦隔离模块、A/D转换模块、计数器和通信模块均安装于视觉与运动控制系统箱(2)中；
所述通信模块包括：串口通信模块；
所述摄像头(4)与图像处理设备连接；
所述图像处理设备通过串口通信模块与控制器连接；
所述横移电机伺服电机驱动器、除草电机伺服电机驱动器、电源模块、A/D转换模块、计数器、通信模块和光耦隔离模块均与控制器连接；
所述控制器、图像处理设备、A/D转换模块、计数器、光耦隔离模块、摄像头(4)、编码器(12)、横移电机伺服电机驱动器、除草电机伺服电机驱动器和通信模块均与电源模块连接；
在所述地轮(8)上安装编码器(12)，
所述编码器(12)与计数器连接；
所述视觉与运动控制系统用于：对蔬菜苗进行识别和定位，确定作业保护区域，控制执行机构运动以及显示作业状态信息；
所述作业状态信息包括：所述智能蔬菜株间除草装置不工作或出现故障、智能蔬菜株间除草装置避苗和智能蔬菜株间除草装置除草；
所述执行机构包括：横移机构(5)和凸轮摆杆式株间除草单体(3)；
所述凸轮摆杆式株间除草单体(3)用于：将电机的连续旋转运动转化为摆杆的往复运动，进而带动每对株间除草铲(25)开合，以避苗除草；
所述横移机构(5)用于：控制凸轮摆杆式株间除草单体(3)跟踪作物行；
所述连杆仿形机构(6)用于：保证株间除草铲(25)具有入土深度；
所述编码器(12)用于：测量智能蔬菜株间除草装置的前进速度和位移，并通过计数器传送给控制器；
所述株间除草铲(25)用于：除草松土；
所述电源模块用于：为控制器、图像处理设备、A/D转换模块、计数器、光耦隔离模块、摄像头(4)、编码器(12)、横移电机伺服电机驱动器、除草电机伺服电机驱动器和通信模块供电；
所述摄像头(4)用于：获取多行蔬菜作物的图像信息。
2.如权利要求1所述的智能蔬菜株间除草装置，其特征在于：所述横移机构(5)包括：若干光轴固定板(13)、两根光滑导轨(14)、若干丝杠滑台固定板(15)、八个光轴滑块(16)、两个横移固定板(17)、两个横移驱动电机(18)、两个丝杠滑块(19)、两个防尘丝杠滑台(20)、两个丝杠和两个减速器一；
所述两根光滑导轨(14)通过若干光轴固定板(13)固定在机架(1)上；
在所述两个防尘丝杠滑台(20)的底部均设有底座；
所述两个防尘丝杠滑台(20)的底座分别通过丝杠滑台固定板(15)固定在机架(1)上；
所述八个光轴滑块(16)位于所述两根光滑导轨(14)的上方，每个丝杠滑块(19)分别位于四个光轴滑块(16)的后下方；
八个光轴滑块(16)的上表面与两个丝杠滑块(19)的上表面在同一水平面上，且每四个光轴滑块(16)分别与一个横移固定板(17)固定连接，所述两个丝杠滑块(19)分别与两个横移固定板(17)固定连接；
两个横移固定板(17)分别与两个连杆仿形机构(6)连接；
两个横移驱动电机(18)分别与两个减速器一连接；
两个减速器一分别与两个丝杠连接；
两个丝杠滑块(19)分别与所述两个丝杠螺旋连接；
所述两个横移驱动电机(18)分别与横移电机伺服电机驱动器连接；
在所述两个防尘丝杠滑台(20)的内部两端均设有限位开关；
所述限位开关通过光耦隔离模块与控制器连接；
所述两个丝杠滑块(19)与两个防尘丝杠滑台(20)滑动配合，丝杠滑块(19)能够在相应的防尘丝杠滑台(20)上滑动；
所述横移驱动电机(18)转动，带动丝杠转动，进而带动丝杠滑块(19)在防尘丝杠滑台(20)上移动，将横移驱动电机(18)的转动变成丝杠滑块(19)的横移运动；再通过横移固定板(17)带动连杆仿形机构(6)和凸轮摆杆式株间除草单体(3)进行横摆避苗；
所述限位开关用于：对丝杠滑块(19)进行限位，当丝杠滑块(19)移动到防尘丝杠滑台(20)的两端时，碰触限位开关，限位开关发送信号给光耦隔离模块，进而传送中断信号到控制器；控制器读到中断信号后，通过横移电机伺服电机驱动器控制横移驱动电机(18)停止转动。
3.如权利要求2所述的智能蔬菜株间除草装置，其特征在于：所述凸轮摆杆式株间除草单体(3)还包括：株间除草驱动电机(21)、株间除草单体前板(22)、两个连接套(23)、两个除草铲固定架(24)、电位计传感器(26)、两个横杆(28)、单体上板(29)、主轴一(30)、单体下板(31)、两个扭簧(32)、主轴二(33)、两个齿轮(35)、滚轮轴承(36)、摆杆臂(37)和减速器二；
所述电机为株间除草驱动电机(21)，所述摆杆为摆杆臂(37)；
所述株间除草驱动电机(21)与减速器二连接；
所述减速器二与凸轮(34)连接，并带动凸轮(34)旋转；
所述主轴一(30)和主轴二(33)关于所述凸轮摆杆式株间除草单体(3)的纵向中心平面对称分布，且主轴一(30)和主轴二(33)竖直平行布置；
所述滚轮轴承(36)固定在摆杆臂(37)的一端，且滚轮轴承(36)的圆周时刻紧压在凸轮(34)的圆周上，形成凸轮副；
所述摆杆臂(37)的另一端固定连接在主轴二(33)上；一个齿轮(35)通过键连接，固定在主轴二(33)上；另一个齿轮(35)通过键连接，固定在主轴一(30)上，且两个齿轮(35)互相啮合；
在两个齿轮(35)的轮面上都均匀设有一圈通孔；
所述单体上板(29)和单体下板(31)的板面平行，且单体上板(29)位于单体下板(31)的上方；
所述株间除草单体前板(22)位于单体上板(29)和单体下板(31)的前方，且与单体上板(29)、单体下板(31)均连接；
所述主轴一(30)和主轴二(33)的上端通过轴承安装在单体上板(29)上，下端穿出单体下板(31)；两个齿轮(35)位于单体上板(29)下方；
所述主轴一(30)和主轴二(33)通过轴承也安装在单体下板(31)上；
两个旋向相反的扭簧(32)分别套在主轴一(30)和主轴二(33)上，且分别位于两齿轮(35)的下方；
在所述单体下板(31)相应于两个齿轮(35)的通孔位置，设有安装孔；
一个扭簧(32)的上端伸出的支脚固定在一个齿轮(35)的通孔中，下端伸出的支脚固定在单体下板(31)上相应的安装孔中；另一个扭簧(32)的上端伸出的支脚固定在另一个齿轮(35)的通孔中，下端伸出的支脚固定在单体下板(31)上相应的安装孔中；
所述扭簧(32)、齿轮(35)和单体下板(31)组成复位机构；
调整扭簧(32)上端伸出的支脚与齿轮(35)轮面上不同位置的通孔连接，使扭簧(32)具有一定的预紧扭矩，保证滚轮轴承(36)时刻紧压在凸轮(34)上；
所述两个横杆(28)水平布置，且两个横杆(28)的后端分别垂直焊接在主轴一(30)和主轴二(33)上；两个横杆(28)的前端朝前；
所述摆杆臂(37)的回转中心与滚轮轴承(36)的中心连线，形成直线一；所述横杆(28)的中心线与直线一平行；
所述两个连接套(23)的形状均为“┓”形，上部为水平段，下部为竖直段；
所述两个连接套(23)的水平段后端分别套在两个横杆(28)的前端；
所述两个除草铲固定架(24)的上端分别套在两个连接套(23)的竖直段的下端；
在所述两个除草铲固定架(24)的下端均设有一个通孔和一段与所述通孔同心的圆弧槽；
在所述株间除草铲(25)的上端设有上下排列的两个通孔；
紧固件穿过除草铲固定架(24)的通孔和株间除草铲(25)的上部通孔，将除草铲固定架(24)与株间除草铲(25)连接；
紧固件穿过除草铲固定架(24)的圆弧槽和株间除草铲(25)的下部通孔，将除草铲固定架(24)与株间除草铲(25)连接；
调整紧固件在所述圆弧槽上的不同位置，以调整株间除草铲(25)的入土角度；
根据不同蔬菜作物的直径，调整两个连接套(23)的水平伸出长度，以改变株间除草铲(25)的位置；
所述两个除草铲固定架(24)套入两个连接套(23)的长度能够调整，以控制株间除草铲(25)的入土深度；
所述电位计传感器(26)通过联轴器(27)安装于主轴一(30)上；
所述电位计传感器(26)用于：控制器读取电位计传感器(26)的数值，并通过除草电机伺服电机驱动器驱动株间除草驱动电机(21)转动，确保智能蔬菜株间除草装置初始上电时，滚轮轴承(36)与凸轮(34)的接触点位于所述近休止段的中点位置；
当滚轮轴承(36)与凸轮(34)的近休止段接触时，两个横杆(28)呈互相平行的状态，一对株间除草铲(25)闭合，进行株间除草；
当除草电机伺服电机驱动器收到控制器发送的避苗指令后，除草电机伺服电机驱动器驱动株间除草电机(21)转动，进而带动凸轮(34)逆时针转动，滚轮轴承(36)与凸轮(34)的推程段接触，在凸轮摆杆式株间除草单体(3)上的两个横杆(28)的前端向外摆，带动株间除草铲(25)做“类摆线”运动，进行避苗；
当滚轮轴承(36)与凸轮(34)的远休止段接触时，在凸轮摆杆式株间除草单体(3)上的两个横杆(28)保持最大外摆角，株间除草铲(25)呈开合避苗状态，智能蔬菜株间除草装置越过蔬菜作物；
当智能蔬菜株间除草装置越过蔬菜作物后，滚轮轴承(36)与凸轮(34)的回程段接触，两个横杆(28)在扭簧(32)的作用下，恢复互相平行的状态，带动株间除草铲(25)回到闭合除草作业状态。
4.如权利要求3所述的智能蔬菜株间除草装置，其特征在于：所述连杆仿形机构(6)包括：前置仿形轮(7)、调节螺栓(9)、仿形机构后板(38)、两个连杆(39)、仿形机构前板(40)、限位螺栓(41)、拉簧(50)和短板；
所述前置仿形轮(7)安装于所述株间除草单体前板(22)上；
所述前置仿形轮(7)用于：保证株间除草铲(25)具有入土深度；
所述仿形机构后板(38)和仿形机构前板(40)均竖直放置；
所述仿形机构前板(40)的上端与一个连杆(39)的一端铰接，一个连杆(39)的另一端与仿形机构后板(38)的上端铰接，仿形机构后板(38)的下端与另一个连杆(39)的一端铰接，另一个连杆(39)的另一端与仿形机构前板(40)的下端铰接；
仿形机构前板(40)、两个连杆(39)和仿形机构后板(38)组成四连杆铰链；
所述仿形机构前板(40)的上端与短板的一端固定连接，所述短板的板面水平；
在所述短板上设有螺纹孔，所述调节螺栓(9)的上部为螺纹段，调节螺栓(9)下部设有孔一；
所述调节螺栓(9)的螺纹段旋入所述短板上的螺纹孔；
所述拉簧(50)的上端钩环钩入所述调节螺栓(9)的孔一中，拉簧(50)的下端与所述仿形机构后板(38)的下端固定连接；
在所述仿形机构前板(40)上设有若干竖直排列的孔二，
在所述横移固定板(17)上设有孔三；
所述仿形机构前板(40)通过限位螺栓(41)穿过孔三与若干孔二上的一个孔与横移固定板(17)连接；
所述株间除草单体前板(22)与仿形机构后板(38)固定连接。
5.如权利要求4所述的智能蔬菜株间除草装置，其特征在于：所述智能蔬菜株间除草装置还包括：4个行间铲(11)；
两个行间铲(11)分别位于两个凸轮摆杆式株间除草单体(3)的左右后方两侧，且左右对称安装于机架(1)上；
另外两个行间铲(11)位于两个凸轮摆杆式株间除草单体(3)的中间的后方，且左右对称分别安装于机架(1)上；
行间铲(11)的水平位置能够调整；
行间铲(11)用于：铲除蔬菜行间的杂草(45)；
所述行间铲(11)通过U型卡固定安装于机架(1)上，所述一对行间铲(11)的高度和水平位置能够分别调整，所述行间铲(11)为L形除草铲，
所述L形除草铲的末端为铲刀；
所述铲刀的入土角度能够旋转调整；
在与智能蔬菜株间除草装置前进方向垂直的方向上，株间除草铲(25)的铲刀与相邻的行间铲(11)的铲刀伸出的长度在与前进方向垂直的方向上重叠。
6.如权利要求5所述的智能蔬菜株间除草装置，其特征在于：所述摄像头(4)垂直于地面安装，摄像头(4)的镜头的方向向下；
所述电源模块与车载电瓶连接；
所述车载电瓶用于：为电源模块供电；
所述智能蔬菜株间除草装置还包括：提升环(10)，所述提升环(10)安装在机架(1)的上方；
所述提升环(10)用于：在运输智能蔬菜株间除草装置或智能蔬菜株间除草装置跨垄时，通过拖拽提升环(10)拉起整个智能蔬菜株间除草装置；
所述机架(1)与拖拉机或其他牵引装置连接；
所述控制器为：STM32F407单片机；所述图像处理设备为：树莓派4B；所述摄像头(4)为：120度和120帧无畸变USB摄像头；所述人机交互设备包括：ipad；
所述串口通信模块采用串口TTL通信方式；
在所述横移驱动电机(18)的内部设有位置反馈传感器一；
所述位置反馈传感器一用于：实现伺服控制，从而控制横移驱动电机(18)的转速和圈数；
在所述株间除草驱动电机(21)的内部设有位置反馈传感器二；
所述位置反馈传感器二用于：实现伺服控制，从而株间除草驱动电机(21)的转速和圈数；
所述横移机构(5)还包括：光轴底板、光轴和光轴底座；
所述防尘丝杠滑台(20)与光轴底板固定连接，所述光轴底板与光轴的一端固定连接，光轴的另一端与光轴底座固定连接，光轴底座固定在机架(1)上；
所述地轮(8)通过U型卡安装于机架(1)上，且所述地轮(8)在机架(1)上的位置能够上下、左右调整；
所述防尘丝杠滑台(20)的最大行程为：200mm，最大摆动速度为：60mm/s；
所述齿轮(35)的直径为：60mm、模数为1、齿数为60；
所述主轴一(30)和主轴二(33)的中心距为60mm；
所述扭簧(32)的轴径为：20mm、线径为：2.5mm、圈数为：6；
所述株间除草铲(25)的入土角度为：20度；
所述行间铲(11)的铲刀的入土角度为20度；
所述电位计传感器(26)的量程为：0～345°；
所述减速器二的最高输出转速为：300r/min，所述摆杆臂(37)和横杆(28)的最大摆角均为：60°；
所述凸轮(34)的推程段的推程运动角为：115°，回程段的回程运动角为：115°，远休止段的远休止角为：75°，近休止段的近休止角为：55°。
7.如权利要求5所述的智能蔬菜株间除草装置，其特征在于：所述视觉与运动控制系统还包括：继电器和指示灯；
所述继电器与控制器连接，所述继电器与指示灯连接；所述继电器也安装于视觉与运动控制系统箱(2)中；所述指示灯安装在视觉与运动控制系统箱(2)的外侧壁上；
所述继电器、指示灯均与电源模块连接；
所述电源模块用于：为继电器和指示灯供电；
所述指示灯为：三色灯，能够显示红色、黄色和绿色；
所述指示灯亮红色表示：所述智能蔬菜株间除草装置不工作或出现故障；
所述指示灯亮绿色表示：所述智能蔬菜株间除草装置避苗；
所述指示灯亮黄色表示：所述智能蔬菜株间除草装置除草；
所述指示灯交替亮红色和灭灯表示：视觉与运动控制系统初始化没有成功；
所述继电器用于：根据控制器的指令信息，控制指示灯亮的颜色和灭灯；
所述指令信息包括：所述智能蔬菜株间除草装置不工作或出现故障、智能蔬菜株间除草装置避苗和智能蔬菜株间除草装置除草；视觉与运动控制系统初始化是否成功。
8.如权利要求1所述的智能蔬菜株间除草装置，其特征在于：所述通信模块还包括：WIFI模块；
所述WIFI模块与控制器连接，所述WIFI模块与所述人机交互设备连接；所述WIFI模块也安装于视觉与运动控制系统箱(2)中；所述WIFI模块与电源模块连接；所述控制器与车载电瓶连接；
所述控制器实时获得车载电瓶的电压，并通过WIFI模块实时传送给人机交互设备；
所述控制器实时获得与其连接的设备的总电流，并通过WIFI模块实时传送给人机交互设备；
所述控制器实时获得与其连接的凸轮摆杆式株间除草单体(3)的电流，并通过WIFI模块实时传送给人机交互设备；
所述控制器实时将智能蔬菜株间除草装置的前进速度和位移通过WIFI模块传送给人机交互设备；
所述控制器实时获得避苗的数量，并通过WIFI模块实时传送给人机交互设备；
所述控制器实时获得作业状态信息，并通过WIFI模块实时传送给人机交互设备；
所述电源模块用于：为WIFI模块供电；
所述WIFI模块用于：实现控制器与人机交互设备之间的无线通信；
所述人机交互设备用于：
①实时显示车载电瓶的电压、总电流、凸轮摆杆式株间除草单体(3)的电流；
②实时显示智能蔬菜株间除草装置的前进速度和位移；
③实时显示避苗的数量；
④实时显示作业状态信息；
⑤向控制器发送更改智能蔬菜株间除草装置的前进速度和修改补偿蔬菜作物保护区域半径R的指令信息；
向控制器发送“避苗”指令，使得智能蔬菜株间除草装置进行避苗操作；
向控制器发送“取消避苗”指令，使得智能蔬菜株间除草装置取消避苗操作；
向控制器发送“除草”指令，使得智能蔬菜株间除草装置进行除草操作；
向控制器发送“取消除草”指令，使得智能蔬菜株间除草装置取消除草操作；
所述作业状态信息包括：所述智能蔬菜株间除草装置不工作或出现故障、智能蔬菜株间除草装置避苗和智能蔬菜株间除草装置除草；
所述控制器接收人机交互设备发送的指令信息，控制智能蔬菜株间除草装置执行所述指令信息。
9.一种应用权利要求7所述智能蔬菜株间除草装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、视觉与运动控制系统初始化；
所述视觉与运动控制系统初始化包括：
①控制器开始工作；
②控制器读取电位计传感器(26)的数值，并通过除草电机伺服电机驱动器驱动株间除草驱动电机(21)转动，确保智能蔬菜株间除草装置初始上电时，滚轮轴承(36)与凸轮(34)的接触点位于所述近休止段的中点位置；
③控制器检测限位开关状态，并通过横移电机伺服电机驱动器驱动横移驱动电机(18)转动，确保丝杠滑块(19)位于防尘丝杠滑台(20)行程的中点位置；
④控制器向图像处理设备发送开始通信指令，准备接受摄像头(4)拍摄的照片；
S2、当视觉与运动控制系统初始化没有成功时，控制器通过继电器控制指示灯交替亮红色和灭灯；当视觉与运动控制系统初始化成功时，进入步骤S3；否则，视觉与运动控制系统继续初始化；
S3、摄像头(4)拍摄照片，并传输给图像处理设备；
S4、控制器控制图像处理设备接收摄像头(4)拍摄的照片，对蔬菜作物和杂草(45)进行识别；
所述识别包括：识别蔬菜作物中心坐标点(42)的位置和蔬菜作物保护区域半径R，计算蔬菜作物中心相对于株间除草铲(25)的横向偏差距离X和纵向偏差距离Y；
S5、图像处理设备将R、X和Y信息发送给控制器；控制器接收R、X和Y信息；
S6、控制器根据横向偏差距离X，计算横移驱动电机(18)的转动方向和圈数；
S7、控制器向横移电机伺服电机驱动器发送运动控制指令，进而控制横移机构(5)做横摆运动，跟踪作物行；
S8、控制器读取编码器(12)的信息，计算智能蔬菜株间除草装置的前进速度V；
同时，控制器根据纵向偏差距离Y、智能蔬菜株间除草装置的前进速度V和蔬菜作物保护区域半径R，计算株间除草驱动电机(21)的开始转动时刻、转动速度和转动圈数，进而控制株间除草铲(25)在靠近蔬菜作物保护区域时，滚轮轴承(36)与凸轮(34)的接触点从近休止段末端变化到推程段，再变化到远休止段，直至经过回程段，再回到近休止段的始端，以实现每对株间除草铲(25)进入蔬菜作物保护区域(44)时，每对株间除草铲(25)及时打开，每对株间除草铲(25)出蔬菜作物保护区域(44)时，每对株间除草铲(25)及时闭合；
S9、控制器向除草电机伺服电机驱动器发送控制指令，进而控制株间除草铲(25)完成避苗操作；
S10、当控制器没有停止工作且智能蔬菜株间除草装置没有出现故障时，返回到步骤S3；
当智能蔬菜株间除草装置出现故障时，智能蔬菜株间除草装置停止工作，指示灯亮红色；在智能蔬菜株间除草装置的故障清除后，返回到步骤S3；
所述步骤S4的具体步骤如下：
S41、针对拍摄的照片，将RGB形式的照片转化为LAB色彩空间的照片；
S42、从LAB色彩空间提取a分量灰度图；
S43、利用最大类间方差法和自动阈值分割算法对a分量灰度图二值化处理；
S44、先采用中值滤波算法对步骤S43处理后的图像进行平滑处理，然后采取开运算除去杂草噪声，再利用闭运算填补前景作物内部小孔；
S45、提取所有可能的前景蔬菜作物轮廓；
S46、计算前景蔬菜作物轮廓区域的面积，利用面积特征设置阈值，去除残留噪声和杂草；
S47、设定形状比例阈值，计算轮廓区域面积与其最小包围圆面积的比值，若小于设定的形状比例阈值，则判断当前轮廓不是蔬菜作物轮廓；
S48、计算y方向上，轮廓的形心坐标，公式如式(1)所示，
Figure FDA0003644465140000141
其中，x(i)为第i个轮廓的形心x坐标，y(i)为第i个轮廓的形心y坐标，m00(i)为第i个轮廓的零阶矩，m10(i)和m01(i)分别为x方向和y方向的一阶矩，S(i)为轮廓内的像素个数，S(i)O为最小包围圆的像素个数，ths1为面积阈值，ths2为形状比例阈值；
所述y方向为：所述智能蔬菜株间除草装置的前进方向；
S49、当计算获得的形心x坐标不满足式(2)时，继续按照步骤S48计算下一个轮廓的形心坐标；当计算获得的形心x坐标满足式(2)时，则形心x坐标对应的轮廓为蔬菜作物轮廓；
Figure FDA0003644465140000142
其中，w为采集图像的宽度；
S50、计算蔬菜作物轮廓与株间除草铲(25)的横向偏差距离X、纵向偏差距离Y和蔬菜作物保护区域半径R。
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