CN115500341B - 一种基于光-触觉感知的稻田株间精准施药除草机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光‑触觉感知的稻田株间精准施药除草机，包括稻株触觉感知装置、杂草触觉感知装置、稻株偏距感知装置、株间精准施药装置、光电传感器、安装杆、机架；稻株偏距感知装置安装在机架的前段下方；在同一侧，稻株触觉感知装置、杂草触觉感知装置、前排光电传感器均通过前排安装杆安装在机架下方，后排光电传感器通过后排安装杆安装在机架的下方，株间精准施药装置在前后方向上位于两排光电传感器之间。本发明可在除草机行进作业过程中，采用光‑触觉融合的方法识别并定位稻株，利用触觉感知装置评估稻田株间杂草密度信息，实现高密多喷、低密少喷、无草不喷且精准对靶的施药效果，属于农田化学除草设备技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及农田化学除草设备，具体涉及一种基于光-触觉感知的稻田株间精准施药除草机。
背景技术
株间杂草位于水稻根系近区，竞争水分、营养更具优势，是水稻减产、品质下降的重要原因，因株间区域的稻株干扰，株间杂草机械防除的效果还有待提高，目前，株间杂草普遍采用封闭式化学除草方式，但长期、大量、高频的施药会造成杂草抗药性、作物药害、环境污染等负面问题。为此，研究杂草精准感知方法，采用触杀方式实现杂草茎叶靶向精量施药，对降低除草剂危害、满足农业可持续健康发展具有重要意义。
精准施药是根据靶标的有无和靶标特征的变化有选择性地对靶施药，减少农药在非靶标区域的沉降。面向稻田株间区域的精准施药技术，准确的稻株识别与定位是确定株间位置实现靶向施药的前提，精确的株间杂草密度信息评估是实现精量施药的依据，实时的感知稻株偏距是获取靶标实现对靶施药的关键。关于稻株识别与定位，国内外学者进行了相关研究，主要应用视觉技术，根据形状、纹理、颜色特征进行信息获取；CHOI等基于形态学特征，通过对水稻植株与叶片的骨架提取及收敛性与延伸判别实现稻株识别，通过水稻植株的中心区域获取实现稻株定位，但禾本科杂草与水稻形态相似，识别效果受杂草种类及水田背景的影响较大，且稻株位置获取严重依赖于稻株株型的规整性；关于株间杂草识别，金小俊等根据杂草颜色特征，基于图像分割算法实现农田杂草的准确识别；HAMUDA等根据花椰菜叶片的饱和度、色调值识别杂草；TANG等根据杂草纹理特征，基于Garbor小波及神经网络结合方法，实现杂草分类识别；上述杂草识别方式，均以颜色、纹理或形状特征的准确提取与有效表达为前提，然而，水田作业机具姿态动态变化难以提取稻株纹理特征；藻类及浮萍生物，以及形状类稻的禾本科杂草，也增加了颜色、形状等特征的识别难度。
因此，本发明面向稻田环境及水田作业的特殊性，提出一种光-触觉融合感知方法实现稻株识别与株间杂草密度评估，进而针对稻田株间杂草实现精准靶向施药，解决了现有稻田株间杂草化学防除的难题。本发明将实现稻田株间杂草高质量精准防除，对降低稻株伤苗率、减少环境污染、提高化学除草剂利用率、满足农业可持续发展的化学除草具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种基于光-触觉感知的稻田株间精准施药除草机。该除草机融合压力传感器的力学辨识信息和光电传感器的闭合规律实现稻株的定位与株距的获取，根据稻株株距获取的时间节点有效分割感知臂获取的稻苗株间杂草密度信息，依据稻株偏距感知装置获取的稻株位置信息实时控制机械臂从而调节喷头高度与角度，最终实现稻田株间杂草精准防除。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于光-触觉感知的稻田株间精准施药除草机，包括稻株触觉感知装置、杂草触觉感知装置、稻株偏距感知装置、株间精准施药装置、光电传感器、安装杆、机架；稻株偏距感知装置安装在机架的前段下方，且位于左右居中的位置；稻株触觉感知装置、杂草触觉感知装置、株间精准施药装置的数量均为两个，左右对称设置；安装杆、光电传感器的数量均为四个，每侧两个前后对齐，左右两侧对称设置；在同一侧，稻株触觉感知装置、杂草触觉感知装置、前排光电传感器均通过前排安装杆安装在机架下方，且稻株触觉感知装置位于杂草触觉感知装置的正上方，前排光电传感器与稻株触觉感知装置等高且位于稻株触觉感知装置后方，后排光电传感器通过后排安装杆安装在机架的下方，株间精准施药装置在前后方向上位于两排光电传感器之间，在左右方向上位于光电传感器的外侧。
作为一种优选，稻株触觉感知装置包括多根柔性辊指、硅胶板、压力传感器；柔性辊指的长度方向沿着左右方向设置，多根柔性辊指上下依次排列，多根柔性辊指的内端均匀间隔的插入硅胶板的中部，压力传感器通过硅胶包覆在硅胶板表面。
作为一种优选，柔性辊指的横截面为半圆形，内部空心；硅胶板内溶有玻璃纤维。
作为一种优选，杂草触觉感知装置包括碳纤维片、压电薄膜感知器；碳纤维片为矩形，水平横向设置，两个压电薄膜感知器分别沿碳纤维片横纵方向贴嵌在碳纤维片根部区域，碳纤维片和压电薄膜感知器用硅胶包覆形成感知臂。
作为一种优选，感知臂为悬臂梁式结构，感知臂前侧表面和下表面均布置有柔性毛刷，柔性毛刷由多个柔性毛刺均匀间隔且线性阵列组成，感知臂后侧表面贴敷有限弯底垫。
作为一种优选，限弯底垫前侧为矩形板，后侧为固定在矩形板上的多个等腰凸台体，等腰凸台体从感知臂的内端向外端由密到疏依次排列。
作为一种优选，稻株偏距感知装置包括限深滚筒、牵引架、稻株定位感知器；牵引架呈“凸”字形，上端与机架铰接从而形成牵引式挂接方式；限深滚筒与牵引架的下段转动式连接；稻株定位感知器的长度方向沿着左右方向设置，稻株定位感知器的数量为两个，左右对称设置在牵引架下段的两侧。
作为一种优选，限深滚筒由硬质塑料制成，限深滚筒为薄壁圆柱形，内部设有加强筋和电路安装板，限深滚筒外表面设置有圆锥凸点，圆锥凸点沿左右方向排列成行，相邻行之间的圆锥凸点相互错位。
作为一种优选，稻株定位感知器整体呈矩形齿状结构，前侧为多个直角三棱柱，中部为空气夹层，后侧为位移长度电位计；多个直角三棱柱均匀间隔且水平排列。
作为一种优选，光电传感器与杂草触觉感知装置的高度差约等于机械除草期的茎秆长度，同侧两个光电传感器布置的间距等于水稻株间距离。
本发明可在除草机行进作业过程中，采用光-触觉融合的方法识别并定位稻株，利用触觉感知装置评估稻田株间杂草密度信息，采用机械臂调节喷头“侧位-低矮-对靶-触杀”的新型施药模式，实现高密多喷、低密少喷、无草不喷且精准对靶的施药效果。
本发明具有如下优点：
1.该除草机采用光-触觉融合方法获取稻-草信息，并控制机械臂实时调节喷头高度与角度，保证了针对株间杂草施药的精准性与精量性。
2.该除草机触觉感知装置与稻-草为柔性接触，接触面积更大，接触时间更久，能获得更细微的稻-草接触特征，保证了触觉信号特征的可靠性。
3.该除草机稻株偏距感知装置采用限深滚筒结构，牵引式的挂接方式减小了随机具前进的行进阻力和波动性，保证了稻株偏距信息采集条件的稳定性，有利于机械臂对喷头角度的实时调控。
4.该除草机触觉感知装置将稻-草生物力学差异以及移栽稻株株距不变的农艺特点进行了有机融合，提高了稻株定位与株间杂草密度评估的精准性。
5.该除草机结构紧凑、操作简单方便、工作性能可靠、作业效果好，可进一步减轻人工除草强度，降低伤苗率，减少除草剂的使用，提高作物产量，具有推广实用意义。
附图说明
图1是基于光-触觉感知的稻田株间精准施药除草机的结构示意图。
图2是稻株触觉感知装置的结构示意图。
图3是杂草触觉感知装置的结构示意图。
图4是杂草触觉感知装置的仰视图。
图5是稻株偏距感知装置的结构示意图。
图6是限深滚筒等轴测剖面结构示意图。
图7是稻株定位感知器的仰视图。
图8是株间精准施药装置的关键部件结构示意图。
图9是本发明感知方法作业流程图。
图中：1.机架；2.数据处理模块；3.储药箱；4.小型发电机；5.驱动机构；6.承重板；7.光电传感器；8.株间精准施药装置；9.稻株触觉感知装置；10.杂草触觉感知装置；11.安装杆；12.稻株偏距感知装置。
8-1.机械臂；8-1-1.机械臂驱动电机；8-1-2.机械臂固定板；8-2.喷药导管；8-3.喷头。
9-1.硅胶板；9-2.玻璃纤维；9-3压力传感器；9-4.柔性辊指。
10-1.碳纤维片；10-2.压电薄膜感知器；10-3.柔性毛刷；10-3-1.柔性毛刺；10-4.限弯底垫；10-4-1.等腰凸台体。
12-1.稻株定位感知器；12-1-1.直角三棱柱；12-1-2.空气夹层；12-1-3.位移长度电位计；12-2.限深滚筒；12-2-1.圆锥凸点；12-2-2.加强筋；12-2-3.电路安装板；12-2-4.数据收集模块；12-3.牵引架；12-4.稻株定位感知器固定基座。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
一种基于光-触觉感知的稻田株间精准施药除草机，包括稻株触觉感知装置9、杂草触觉感知装置10、稻株偏距感知装置12、光电传感器7、安装杆11及机架1等附属机构。
稻株触觉感知装置9包括柔性辊指9-4、硅胶板9-1及压力传感器9-3，若干根柔性辊指9-4均匀间隔穿插在硅胶板9-1中部，压力传感器9-3由硅胶包覆在硅胶板9-1表面，将玻璃纤维9-2融入硅胶板9-1中进而提高硅胶板9-1的柔韧性，柔性辊指9-4横截面为半圆形且内部采用空心结构，半圆形的结构设计增大了柔性辊指9-4与稻株的接触面积，柔性辊指9-4未与稻株接触一面为圆形且内部采用空心结构，此结构提高了柔性辊指9-4的抗弯强度，又保证了稻株触觉感知装置9能与稻株充分接触，有利于柔性辊指9-4末端的压力传感器9-3获取稻株力学参数，进而可以通过稻-草的力学阈值实现稻株识别。此外，稻株触觉感知装置9采用多根排列的柔性辊指9-4结构，还可以拨开稻株枝叶使杂草裸露，为喷药作业提供辅助作用。
杂草触觉感知装置10包括碳纤维片10-1和压电薄膜感知器10-2，为了防止压电薄膜感知器10-2过度弯曲，将其放置在多片矩形碳纤维片10-1之间，从而使压电薄膜感知器10-2与杂草接触作用过程中形成微形变，进而获取有关杂草密度的触觉信息。将两个压电薄膜感知器10-2分别沿碳纤维片10-1横纵方向镶嵌在碳纤维片10-1根部，通过横向采集与杂草接触产生的滑离特征，纵向采集与杂草接触产生的振动特征，进而使获取的杂草密度特征更加丰富。为了在稻田应用进行了防水处理，碳纤维片10-1和压电薄膜感知器10-2用硅胶包覆形成感知臂。
为保证感知臂与株间杂草充分接触并获取较为敏感的触感信号，在感知臂前侧表面和下表面均布置柔性毛刷10-3，前侧表面布置的柔性毛刷10-3主要与杂草茎基部接触，下表面布置的柔性毛刷10-3负责采集较低杂草冠层信息，感知臂后侧表面贴敷限弯底垫10-4，限弯底垫10-4前侧为矩形板，后侧为固定在矩形板上的多个等腰凸台体10-4-1，等腰凸台体10-4-1由密到疏依次排列，内侧根部密集，靠近限弯底垫10-4外侧端部间隔逐渐增大，在感知臂弯曲时等腰凸台体10-4-1彼此相互接触，可限制感知臂过大弯曲(过大弯曲将导致压电薄膜10-2不能有效获取杂草的触感数据)，而疏密排列方式保证了感知臂弯曲时根部的等腰凸台体10-4-1首先接触限制弯曲，然后依次是感知臂中部、端部限制弯曲，这种次序性限制弯曲使感知臂在弯曲过程中抗弯刚度逐渐增强，使感知臂与杂草接触过程能以柔性且不过度形变的状态相互作用，有利于杂草的触觉感知。
稻株偏距感知装置12包括限深滚筒12-2、牵引架12-3、稻株定位感知器12-1，牵引架12-3呈“凸”字形，限深滚筒12-2安装在牵引架12-3的下段，牵引架12-3上端以铰接方式固定在机架1上，稻株定位感知器12-1对称固定在牵引架12-3底部的左右两侧，为克服稻田泥泞以及路面凹凸不平等复杂路径，稻株偏距感知装置12整体采用牵引式挂接方式，稻株偏距感知装置12在作业过程中被除草机牵引前进，从而减小了随机具作业时的工作阻力，限深滚筒12-2内部设有加强筋12-2-2和电路安装板12-2-3，为利用其密封性降低稻田积水、杂物损伤电子元件，将电子元件固定在电路安装板12-2-3上。同时，电路安装板12-2-3及电子元件放置在密封的限深滚筒12-2内，可以防止雨水、阳光等外界环境对电子元件的损伤。限深滚筒12-2外表面设置有圆锥凸点12-2-1，在限深滚筒12-2作业过程中圆锥凸点12-2-1首先与土壤接触并插入土壤内，圆锥凸点12-2-1沿水平方向交叉错位排布，提高了限深滚筒12-2的抓地性，解决了由于路面不平、土壤软硬差异导致行进阻力大的问题。
稻株定位感知器12-1由硅胶材料融合位移长度电位计12-1-3制作而成，为准确定位稻株，即获取稻株定位感知器12-1与稻株的横向偏距，在稻株定位感知器12-1前侧布置多个排列成行的直角三棱柱12-1-1，均匀间隔且水平布置，间隔距离为0.5cm。当其与稻株接触滑移过程，每经过一个直角三棱柱12-1-1，稻株定位感知器12-1后侧的位移长度电位计12-1-3就会形成1个对应的电压波形峰值，通过提取峰值数量可以计算出稻株定位感知器12-1与稻株的接触位置，引导除草机实现自动对行作业。同时为保证稻株定位感知器12-1紧密贴合稻株茎秆，在中部设有空气夹层12-1-2，稻株定位感知器12-1在弯曲过程中，空气夹层12-1-2受到挤压导致内部气压增大从而使稻株定位感知器12-1的反弹恢复力增强，更有利于稻株定位感知器12-1紧密贴合稻株，提高触感数据获取的稳定性。
光电传感器7、稻株触觉感知装置12、杂草触觉感知装置10均固定在安装杆11上，安装杆11固定在机架1下方，为避免杂草干扰，根据稻田除草期内稻-草高度差将光电传感器7与杂草触觉感知装置10纵向距离设置为除草期茎秆长度(本实施例取稻株茎秆长度为200mm)，光电传感器7与稻株触觉感知装置9等高，为准确获取稻田株间区域，将同侧两个光电传感器7布置的间距等于水稻株间距离(本实施例取水稻株距为150mm)，当稻株触觉感知装置12识别为稻株且同侧两个传感器7同时开启，判定为相邻两株稻株遮挡实现稻田株间区域获取。
作业前，为保证稻田株间杂草精准施药的除草效果，提前将稻田中的水排尽，根据稻田除草期内稻株与杂草的力学阈值差异，利用稻-草感知装置从接触到滑离稻株和杂草时产生的弯度行变感知量从而提取稻株和杂草数据信息。为了准确识别稻株茎秆，避开杂草冠层干扰，在机具中部位置，前后排对称布置一对双目平行的光电传感器7，根据稻株与杂草实况将光电传感器7高度调至接近稻株茎秆顶端部位，同侧两个光电传感器7间距等于水稻株间距离(稻列与除草机行进方向平行，每列相邻两株稻株间的距离为株距)，然后，为有效提取株间杂草信息，杂草触觉感知装置10后侧设置有限弯底垫10-4并将杂草触觉感知装置10安装在光感系统前排且与第一排光电传感器7的水平距离为稻株茎秆直径的1/2,杂草触觉感知装置10与光电传感器7安装位置纵向高度差约等于稻株除草期茎秆长度，将稻株触觉感知装置9安装在杂草触觉感知装置10正上方且与光电传感器7等高位置，将稻株偏距感知装置12以牵引式挂接方式固定在机架1前方，两侧稻株定位感知器12-1采用矩形齿状的结构设计，可以更精准的获取稻株定位感知器12-1与稻株触碰时的峰值点，从而获取稻株偏距，为保证感知装置在水稻行间(行距为300mm)沿行进方向的左或右极限位置时，两侧触觉感知传感器9都能与稻株接触，固定稻株触觉感知装置9、杂草触觉感知装置10的两根安装杆11间距设计为180mm，伸向稻株株间的稻株触觉感知装置9、杂草触觉感知装置10长度设计为130mm，为了避免水稻邻行的稻株干扰，调节光电传感器7最远探测距离为250mm，为保证稻株偏距感知装置10中的位移长度电位计12-1-3在非稻行中线情况下能触碰到稻株，取位移长度电位计12-1-3的尺寸为长150mm，宽20mm，搭载位移长度电位计12-1-3的限深滚筒12-2长度为200mm，为降低喷头8-3误喷率，提高喷药精准度，将喷头8-3与固定在机架1中部的机械臂8-1底端通过顶丝咬紧，喷药导管8-2穿插在机械臂8-1内，根据稻株偏距感知装置12收集的稻株偏距信息实时控制机械臂8-1从而调节喷头8-3角度，最终针对株间杂草实现精准施药。
在田间作业时，首先，安装在限深滚筒12-2两端的稻株定位感知器12-1通过与稻株接触获取稻株偏距信息，由数据处理模块2中单片机计算左右两侧稻株定位感知器12-1分别与两行稻株发生接触冲击时的峰值点，根据峰值点计算稻株横向偏距，将稻株偏距信息传递给机械臂8-1，进而使该除草机在作业过程中可以实时调节喷头8-3作业角度，在此过程中，当感知装置行进在相邻稻株株间间隙位置时，光电传感器7因感知不到障碍物，此时为双目关闭状态，光电传感器7感知信息处于无效状态，而感知装置继续行进，当稻株触觉感知装置9接触稻株茎秆时，一组光电传感器7同时也检测到来自相邻稻株的光学遮挡且二者判别结果同时有效时，则完成相邻稻株光-触觉融合信息的识别即稻株株域获取，定义此刻为感知历程中有效时段的始点，在此基础上，稻-草触觉感知装置随机具行进大约一个株距的距离时，两个光电传感器7输出脉冲信号同时为高电平，此时刻为稻株感知有效时段的终点，此阶段记为一个单位时间段，然后，杂草触觉感知装置10基于光感系统7和稻株触觉感知装置9所获取的稻株位置信息，分割杂草触觉感知装置10在上述单位时间段内获取的稻-草触感数据，通过感知臂上压电薄膜10-2感知的接触应力进行杂草密度评估，将触感数据波形转换到时频域，结合杂草密度分布特性分析构造表征杂草密度的敏感指标，基于机器学习构建了杂草密度评估模型，将单位时间段内稻田株间杂草划分为三个等级：高密、低密、无杂草，最后，机械臂8-1根据稻株偏距信息以及稻株位置信息调整喷头8-3高度与角度，单片机根据株间杂草密度等级评估结果控制喷药电磁阀闭合时间，针对稻田株间杂草采用“侧位-低矮-对靶-触杀”的新型施药模式，实现高密多喷、低密少喷、无草不喷且精准对靶的施药效果。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于光-触觉感知的稻田株间精准施药除草机，其特征在于：包括稻株触觉感知装置、杂草触觉感知装置、稻株偏距感知装置、株间精准施药装置、光电传感器、安装杆、机架；
稻株偏距感知装置安装在机架的前段下方，且位于左右居中的位置；
稻株触觉感知装置、杂草触觉感知装置、株间精准施药装置的数量均为两个，两个稻株触觉感知装置左右对称设置，两个杂草触觉感知装置左右对称设置，两个株间精准施药装置左右对称设置；安装杆、光电传感器的数量均为四个，四个安装杆中，每侧两个前后对齐，左右两侧对称设置，四个光电传感器中，每侧两个前后对齐，左右两侧对称设置；
在同一侧，稻株触觉感知装置、杂草触觉感知装置、前排的光电传感器均通过前排的安装杆安装在机架下方，且稻株触觉感知装置位于杂草触觉感知装置的正上方，前排的光电传感器与稻株触觉感知装置等高且位于稻株触觉感知装置后方，后排的光电传感器通过后排的安装杆安装在机架的下方，株间精准施药装置在前后方向上位于两排光电传感器之间，在左右方向上位于光电传感器的外侧；
稻株触觉感知装置包括多根柔性辊指、硅胶板、压力传感器；柔性辊指的长度方向沿着左右方向设置，多根柔性辊指上下依次排列，多根柔性辊指的内端均匀间隔的插入硅胶板的中部，压力传感器通过硅胶包覆在硅胶板表面；
杂草触觉感知装置包括碳纤维片、压电薄膜感知器；碳纤维片为矩形，水平横向设置，两个压电薄膜感知器分别沿碳纤维片横纵方向贴嵌在碳纤维片根部区域，碳纤维片和压电薄膜感知器用硅胶包覆形成感知臂。
2.按照权利要求1所述的一种基于光-触觉感知的稻田株间精准施药除草机，其特征在于：柔性辊指的横截面为半圆形，内部空心；硅胶板内溶有玻璃纤维。
3.按照权利要求1所述的一种基于光-触觉感知的稻田株间精准施药除草机，其特征在于：感知臂为悬臂梁式结构，感知臂前侧表面和下表面均布置有柔性毛刷，柔性毛刷由多个柔性毛刺均匀间隔且线性阵列组成，感知臂后侧表面贴敷有限弯底垫。
4.按照权利要求3所述的一种基于光-触觉感知的稻田株间精准施药除草机，其特征在于：限弯底垫前侧为矩形板，后侧为固定在矩形板上的多个等腰凸台体，等腰凸台体从感知臂的内端向外端由密到疏依次排列。
5.按照权利要求1所述的一种基于光-触觉感知的稻田株间精准施药除草机，其特征在于：稻株偏距感知装置包括限深滚筒、牵引架、稻株定位感知器；牵引架呈“凸”字形，上端与机架铰接从而形成牵引式挂接方式；限深滚筒与牵引架的下段转动式连接；稻株定位感知器的长度方向沿着左右方向设置，稻株定位感知器的数量为两个，左右对称设置在牵引架下段的两侧。
6.按照权利要求5所述的一种基于光-触觉感知的稻田株间精准施药除草机，其特征在于：限深滚筒由硬质塑料制成，限深滚筒为薄壁圆柱形，内部设有加强筋和电路安装板，限深滚筒外表面设置有圆锥凸点，圆锥凸点沿左右方向排列成行，相邻行之间的圆锥凸点相互错位。
7.按照权利要求5所述的一种基于光-触觉感知的稻田株间精准施药除草机，其特征在于：稻株定位感知器整体呈矩形齿状结构，前侧为多个直角三棱柱，中部为空气夹层，后侧为位移长度电位计；多个直角三棱柱均匀间隔且水平排列。
8.按照权利要求1所述的一种基于光-触觉感知的稻田株间精准施药除草机，其特征在于：光电传感器与杂草触觉感知装置的高度差与机械除草期杂草的茎秆长度相应，同侧两个光电传感器布置的间距等于水稻株间距离。
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