CN113678587B - 一种无人驾驶水稻中耕除草机及其作业方法 - Google Patents

一种无人驾驶水稻中耕除草机及其作业方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无人驾驶水稻中耕除草机及其作业方法，所述除草机由动力系统、行‑株间除草装置、自动导航驾驶系统组成；所述自动导航驾驶系统由三部分组成：定位系统、控制系统以及车载电脑；所述除草机具有操作方法简单、科学合理、除草作业效果好、伤苗率低、减少农民劳动强度和保护环境的特点。

Description

一种无人驾驶水稻中耕除草机及其作业方法
技术领域
本发明涉及一种水稻中耕除草机，特别涉及一种无人驾驶水稻中耕除草机，属于水田机械除草技术领域。
背景技术
现今我国稻田杂草防除主要应用化学除草和人工除草。但大量连续使用单一作用机制的除草剂，一般3-5年就容易使杂草产生抗药性。而人工除草劳动强度大，效率低，投入成本高，在常规种植水稻生产中应用较少。机械除草不仅可以避免化学除草带来的农村面源污染，还可以提高除草效率、减少劳动强度。但是，传统的机械除草机具、乘坐式水田除草机等都是由人工操作、驾驶的，在机具作业时易存在对行不准导致伤苗率增高的问题，使其机具的推广应用受到影响。目前，随着农村劳动人口转移，越来越多的年轻壮劳力不再从事农业生产，导致农业生产将面临着劳动力短缺的问题。此外，由于无人驾驶技术的快速发展，其高精度的定位控制系统不仅可以代替人工驾驶农机，精准对行作业，还减少了农民劳动强度，提高作业效率，无人驾驶技术应用于水稻中耕除草机将成为必然趋势。因此，需要研究一种无人驾驶水稻中耕除草机的作业方法和装置，减少伤苗率，降低劳动强度，提高除草效率，改善环境污染，加速绿色农业发展。
针对现有水稻机械除草机具如乘坐式水田除草机是由人工操作、驾驶的，在机具作业时易存在对行不准导致伤苗率增高的问题，本发明解决了除草作业时伤苗率高、对行不准确的技术问题以及农村劳动人口转移，越来越多的年轻人外出打工，农村劳动力急剧缩减的问题。本发明不仅能代替人工驾驶水稻中耕除草机，解决了无人驾驶除草机的技术问题，降低农民劳动强度；可快速对行作业、提高除草效率，减少水稻伤苗率，促进农业稳定发展。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明目的是提供一种无人驾驶水稻中耕除草机及其作业方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种无人驾驶水稻中耕除草机，主要由动力系统、行-株间除草装置、自动导航驾驶系统组成。
所述动力系统包括车架、水田轮及车架上用于驱动车体行进的动力装置、传动装置、转向装置和液压抬升装置。动力装置位于车体前上方，与其下方的传动装置和转向装置相连；传动装置与车架下方的4个水田轮相连，将发动机的动力传到水田轮上，驱动除草机行进。
所述除草装置挂接在液压抬升装置上，主要由刀齿式行间除草轮、伞式株间除草轮、机架和二级仿形机构组成，共7个除草单体，一次作业可作用7行水稻，对水田行间、株间杂草能进行有效防除；行间、株间除草轮接触土壤后从动旋转除草，减少伤苗率。
所述自动导航驾驶系统主要由三大部分组成，第一部分是定位系统，第二部分是控制系统，第三部分是车载电脑。
所述定位系统主要由北斗高精度接收机、卫星天线等组成。其中，卫星天线安装在车体前方，北斗高精度接收机与车载电脑集成在一体，北斗高精度接收机通过卫星天线实时定位除草机的田间位置，采用差分定位的方法获得位置信息，同时将位置信息反馈到车载电脑内。车载电脑将卫星信号和角度传感器的信息并融合处理后，将控制指令输送给工控机，工控机控制电动方向盘和推杆电机，调整除草机行驶方向、前进速度和升降除草装置。
所述控制系统主要由工控机、电动方向盘、推杆电机、遥控器等部分组成，负责接收车载电脑传输过来的信号指令，对整个除草机进行控制。其中，工控机用于控制电动方向盘的旋转以及推杆电机的伸缩，同时工控机可以通过控制液压电磁阀来控制液压抬升装置的升降，从而达到升降除草装置的目的。此外，工控机被放置在机箱内，可以不受外界环境(下雨、日晒、潮湿等)因素干扰；电动方向盘由工控机控制电机旋转，控制除草机转向、田间掉头；推杆电机安装在除草机车体内部，通过推动发动机的油门前后伸缩来控制除草机行驶速度；遥控器则可以由操作员远程遥控除草机前进、停车、左/右转向、切换人工/无人驾驶模式。
所述车载电脑主要用于导航系统的路径规划，对定位系统反馈来的位置信息与预设的位置信息进行对比分析，然后生成控制指令来修正除草机实时位置与预设位置的误差，将指令发送到控制系统中。同时，车载电脑可以显示除草机当前作业姿态、预行驶路径以及设置导航系统参数，自动计算已作业面积，并以图形化显示，减少重复作业，提高作业效率。
上述自动导航驾驶系统的装置均通过电线连接。
上述无人驾驶中耕除草机同辙作业方法步骤如下：
1.插秧时段：首先，操作员驾驶无人驾驶水稻插秧机利用导航系统在田块两头分别打下A、B两点作为参考点，然后启动无人驾驶模式，自动驾驶系统就以A、B两点之间的连线AB线作为参照线，自动控制插秧机进行规划路径和插秧作业，走到田头时可自动转弯180°换行后继续插秧作业。其中，A、B两个参考点距田块边缘的距离应大于一个车身的长度以容纳插秧机田间掉头；无人驾驶插秧机每次插植6行秧苗，插植行距为30cm，株距为11～25cm。
待无人驾驶水稻插秧机完成田块内所有插植作业后，将其走过的路径信息上传基站，以便后期无人驾驶水稻中耕除草机在除草期下载其行走路径，沿着插秧时的轮辙行进，保障插秧、除草作业的行走轨迹都是完全相同的，可以有效减少除草时的伤苗率。
2.除草时段：待水稻移栽后10～20天后进行除草作业。除草时，无人驾驶水稻中耕除草机在导航系统里下载插秧机的行走路线，然后启动无人驾驶模式，沿着插秧机插秧时的轮辙路线行走除草、自动调整方向；在田头转弯时抬升除草装置，待掉头转弯后降下除草装置继续除草作业。其中，除草机的除草轮入土深度为3～5cm,每次作业覆盖7行秧苗，有效防止漏除。
本发明提出了一种无人驾驶水稻中耕除草机及其作业方法，通过多次的田间除草试验验证，具有操作方法简单、科学合理、除草作业效果好、伤苗率低、减少农民劳动强度和保护环境的特点。
有益效果如下：(1)采用无人驾驶水稻中耕除草机同辙作业方法及装置，可有效减少除草机的伤苗率并提高除草率、机具工作效率。整机除草率大于85％，伤苗率小于3％，除草率和伤苗率均好于现有除草机。
(2)节省成本提高经济效益，采用无人驾驶水稻中耕除草机同辙作业技术，与现有机械除草机具相比可减少人工除草及驾驶机具的劳动力，大大节省人工成本，降低农民劳动强度。
(3)本除草机的除草装置有中耕作用，能增加土壤含氧量，促进水稻生长，提高产量。
附图说明
图1为本发明的无人驾驶插秧机、无人驾驶水稻中耕除草机同辙行驶路线示意图
图2为本发明的立体结构示意图
图3为本发明的侧视结构示意图
图中：1-卫星天线，2-电动方向盘，3-车载电脑，4-工控机箱，5-水田轮，6-车体，7-仿形机构，8-浮板，9-株间除草轮，10-行间除草轮，11-除草装置机架，12-动力装置，13-传动装置，14-推杆电机，15-液压抬升装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面对本发明实施方案进行详细描述。一种无人驾驶水稻中耕除草机同辙作业方法、装置，包括：
一种无人驾驶水稻中耕除草机，主要由动力系统、行-株间除草装置、自动导航驾驶系统组成。
所述动力系统包括车架、水田轮及车架上用于驱动车体行进的动力装置、传动装置、转向装置和液压抬升装置。动力装置位于车体前上方，与其下方的传动装置和转向装置相连；传动装置与车架下方的4个水田轮相连，将发动机的动力传到水田轮上，驱动除草机行进。
所述除草装置挂接在液压抬升装置上，主要由刀齿式行间除草轮、伞式株间除草轮、机架和二级仿形机构组成，共7个除草单体，一次作业可作用7行水稻，对水田行间、株间杂草能进行有效防除；两种除草轮接触土壤后从动旋转除草，减少伤苗率。
所述自动导航驾驶系统主要由三大部分组成，第一部分是定位系统，第二部分是控制系统，第三部分是车载电脑。
所述定位系统主要由北斗高精度接收机、卫星天线等组成。其中，卫星天线安装在车体前方，北斗高精度接收机与车载电脑集成在一体，北斗高精度接收机通过卫星天线实时定位除草机的田间位置，采用差分定位的方法获得位置信息，同时将位置信息反馈到车载电脑内。车载电脑将卫星信号和角度传感器的信息并融合处理后，将控制指令输送给工控机，工控机控制电动方向盘和推杆电机，调整除草机行驶方向、前进速度和升降除草装置。
所述控制系统主要由工控机、电动方向盘、推杆电机、遥控器等部分组成，负责接收车载电脑传输过来的信号指令，对整个除草机进行控制。其中，工控机用于控制电动方向盘的旋转以及推杆电机的伸缩，同时工控机可以通过控制液压电磁阀来控制液压抬升装置的升降，从而达到升降除草装置的目的。此外，工控机被放置在机箱内，可以不受外界环境(下雨、日晒、潮湿等)因素干扰；电动方向盘由工控机控制电机旋转，控制除草机转向、田间掉头；推杆电机安装在除草机车体内部，通过推动发动机的油门前后伸缩来控制除草机行驶速度；遥控器则可以由操作员远程遥控除草机前进、停车、左/右转向、切换人工/无人驾驶模式。
所述车载电脑主要用于导航系统的路径规划，对定位系统反馈来的位置信息与预设的位置信息进行对比分析，然后生成控制指令来修正除草机实时位置与预设位置的误差，将指令发送到控制系统中。同时，车载电脑可以显示除草机当前作业姿态、预行驶路径以及设置导航系统参数，自动计算已作业面积，并以图形化显示，减少重复作业，提高作业效率。
上述自动导航驾驶系统的装置均通过电线连接。
无人驾驶水稻中耕除草机同辙作业方法：
(1)插秧时段：首先，操作员无人驾驶水稻插秧机利用导航系统在田块两头分别打下A、B两点作为参考点，然后启动无人驾驶模式，自动驾驶系统就以A、B两点之间的连线AB线作为参照线，自动控制插秧机进行规划路径和插秧作业，走到田头时可自动转弯180°换行后继续插秧作业，如图1所示。其中，A、B两个参考点距田块边缘的距离应大于一个车身的长度容纳插秧机田间掉头；无人驾驶插秧机每次插植6行秧苗，插植行距为30cm，株距为11～25cm。
待无人驾驶水稻插秧机完成田块内所有插植作业后，在插秧后立即放水灌溉，水层厚约3-5cm，并将其走过的路径导航信息上传，以便后期无人驾驶水稻中耕除草机在除草时下载其行走路径，沿着插秧时的轮辙行进，保障插秧、除草作业的行走轨迹都是完全相同的。
(2)除草时段：待水稻移栽后10～20天后进行除草作业。除草时，无人驾驶水稻中耕除草机在导航系统里下载插秧机插秧时的行走路线，由驾驶员将除草机开到插秧机开始插秧的位置A参考点，并进行对行；然后启动无人驾驶模式，除草机沿着插秧机插秧时的轮辙路线行走除草、自动调整方向；在田头转弯时抬升除草装置，待掉头转弯后降下除草装置继续除草作业。除草机的除草轮入土深度为3～5cm,每次作业覆盖7行秧苗，在接行两侧重复除草区域10～15cm，有效防止漏除。
本发明的使用情况是，在插秧时期，先由操作员将无人驾驶水稻插秧机开到田头，启动导航控制系统，在车载电脑里连接基站并点击A点按钮，然后驾驶插秧机行进到田块另一头并在车载电脑里点击B点按钮，自动生成行驶路径；在遥控器上按下自动驾驶按钮，插秧机按照规划路径，自行转弯、升降插秧装置和插植作业。待完成田块内所有插植作业后，操作员在车载电脑里将导航路线上传。在除草时期，启动导航控制系统，在车载电脑里连接基站下载插秧机的行驶路径，由操作员将无人驾驶水稻中耕除草机开到A点附近，在遥控器上按下自动驾驶按钮，则除草机会按照插秧路线行进、田头转弯及除草作业；待除草作业结束后，停车并关闭导航控制系统。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种无人驾驶水稻中耕除草机的作业方法，其特征在于：所述除草机包括动力系统、行-株间除草装置、自动导航驾驶系统；
所述动力系统包括车架、水田轮及车架上用于驱动车体行进的动力装置、传动装置、转向装置和液压抬升装置；动力装置位于车体前上方，与其下方的传动装置和转向装置相连；传动装置与车架下方的4个水田轮相连，将发动机的动力传到水田轮上，驱动除草机行进；
所述行-株间除草装置挂接在液压抬升装置上，由刀齿式行间除草轮、伞式株间除草轮、机架和二级仿形机构组成，共7个除草单体，一次作业可作用7行水稻，对水田行间、株间杂草能进行有效防除；
所述自动导航驾驶系统由三部分组成：定位系统、控制系统以及车载电脑；所述定位系统由北斗高精度接收机、卫星天线组成；其中，卫星天线安装在车体前方，北斗高精度接收机与车载电脑集成一体，北斗高精度接收机通过卫星天线实时定位除草机的田间位置，采用差分定位的方法获得位置信息，同时将位置信息反馈到车载电脑内；车载电脑将卫星信号和角度传感器的信息并融合处理后，将控制指令输送给工控机，工控机控制电动方向盘和推杆电机，调整除草机行驶方向、前进速度和升降除草装置；
所述控制系统由工控机、电动方向盘、推杆电机、遥控器组成，负责接收车载电脑传输过来的信号指令，对整个除草机进行控制；所述工控机用于控制电动方向盘的旋转以及推杆电机的伸缩，工控机通过控制液压电磁阀来控制液压抬升装置的升降，从而达到升降除草装置的目的；电动方向盘由工控机控制电机旋转，控制除草机转向、田间掉头；推杆电机安装在除草机车体内部，通过推动发动机的油门前后伸缩来控制除草机行驶速度；遥控器由操作员远程遥控除草机前进、停车、左/右转向、切换人工/无人驾驶模式；
所述车载电脑用于导航系统的路径规划，对定位系统反馈来的位置信息与预设的位置信息进行对比分析，然后生成控制指令来修正除草机实时位置与预设位置的误差，将指令发送到控制系统中；同时，车载电脑可以显示除草机当前作业姿态、预行驶路径以及设置导航系统参数，自动计算已作业面积，并以图形化显示，减少重复作业，提高作业效率；
所述作业方法分为插秧时段和除草时段；
1)插秧时段：首先，操作员驾驶无人驾驶水稻插秧机利用导航系统在田块两头分别打下A、B两点作为参考点，然后启动无人驾驶模式，自动驾驶系统就以A、B两点之间的连线AB线作为参照线，自动控制插秧机进行规划路径和插秧作业，走到田头时可自动转弯180°换行后继续插秧作业；
待无人驾驶水稻插秧机完成田块内所有插植作业后，将其走过的路径信息上传基站，以便后期无人驾驶水稻中耕除草机在除草期下载其行走路径，沿着插秧时的轮辙行进，保障插秧、除草作业的行走轨迹都是完全相同的，可以有效减少除草时的伤苗率；
2)除草时段：待水稻移栽后10～20天后进行除草作业；除草时，无人驾驶水稻中耕除草机在导航系统里下载插秧机的行走路线，启动无人驾驶模式，沿着插秧机插秧时的轮辙路线行走除草、自动调整方向；在田头转弯时抬升除草装置，待掉头转弯后降下除草装置继续除草作业。
2.依据权利要求1所述的一种无人驾驶水稻中耕除草机的作业方法，其特征在于：所述自动导航驾驶系统的装置均通过电线连接。
3.依据权利要求2所述的一种无人驾驶水稻中耕除草机的作业方法，其特征在于：所述A、B两个参考点距田块边缘的距离应大于一个车身的长度以容纳插秧机田间掉头；无人驾驶插秧机每次插植6行秧苗，插植行距为30cm，株距为11～25cm。
4.依据权利要求3所述的一种无人驾驶水稻中耕除草机的作业方法，其特征在于：所述除草机的除草轮入土深度为3～5cm,每次作业覆盖7行秧苗，有效防止漏除。
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