CN205082548U - 一种智能除草机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种智能除草机。本智能除草机包括移动小车，移动小车具有工作平台，工作平台上设置计算机、摄像头和集成控制器，集成控制器电控连接计算机与摄像头，工作平台的下方设置位于前侧的行间除草装置和位于后侧的行内除草装置，行间除草装置包括一部除草机构，行内除草装置包括左右对称的两部除草机构，两部除草机构之间设置内外移动机构，内外移动机构包括平移气缸，平移气缸的伸缩杆连接位于外侧的除草机构，除草机构包括上梳齿板和下梳齿板，上梳齿板和下梳齿板之间设置刀具，上梳齿板和下梳齿板的前端设置成排的齿牙，刀具的前侧边沿为刀刃，下梳齿板上设置施药装置，集成控制器电控连接平移气缸和施药装置。

Description

一种智能除草机

技术领域

本实用新型属于农业机械技术领域，涉及一种农田耕织除草设备，特别是一种智能除草机。

背景技术

杂草跟农作物争夺土壤水分和养分，侵占农田空间，影响农作物生长，不仅降低了农作物的产量和质量，还间接助长了病虫害的滋生和蔓延。为了防除杂草，国内外已经研制出各种方法除草，如人工除草、化学除草、机械除草、生物除草、光化学除草等等。人工除草劳动强度大，效率低下，已经不适应现代农业发展的需要。化学除草相对省时省力，除草效率也比较高，对于突发性的草害,化学除草见效最快，所以深受广大农民的欢迎，成为目前的主要除草方式，在国内外被广泛应用。但是化学除草如果除草剂使用不当，不仅浪费除草剂，而且会造成农产品农药残留量超标，土壤、水环境等农药污染，甚至人员中毒。因此，在利用化学除草剂有效防治杂草的同时，应尽量减少除草剂的施用量以降低其危害。

目前，化学除草法通常采用机械设备来实现化学除草剂的喷洒。在我国，通常采用手动喷雾器或者机动喷雾机施药除草，也有航空喷雾除草。在美国，目前施药设备有喷杆喷雾机、涂抹施药器具等。但农田里杂草和作物混杂，这些方法的缺点是不论地面有无杂草，都向地面均匀地喷洒除草剂，而且喷雾设备往往都有雾滴飘移现象，所以喷洒除草剂时不可避免地会伤害到作物，也会因除草剂用量过多导致农药污染，从而发生除草剂的药害。因此，化学除草法在节省时间和劳力的同时，也带来了浪费和污染的问题，不符合现代农业的要求。

现有技术中，在田间除草的工作几乎都靠人工除草或化学除草完成，一方面劳动强度大，效率低；另一方面，造成环境恶化，水质、土壤等污染日趋严重。随着劳动力成本的不断提高和青壮年劳力的短缺，以及保护生态环境的需要，除草机械化智能化的需求越来越强烈。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有的技术存在上述问题，提出了一种将行间与行内的杂草分开割除，同时提高杂草识别准确率的智能除草机。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：一种智能除草机，包括移动小车，所述移动小车具有工作平台，所述工作平台上设置计算机和集成控制器，所述计算机的两侧各设置有摄像头，所述集成控制器电控连接计算机与摄像头，所述工作平台的下方设置位于前侧的行间除草装置和位于后侧的行内除草装置，所述行间除草装置包括一部除草机构，所述行内除草装置包括左右对称的两部除草机构，两部除草机构之间设置内外移动机构，所述内外移动机构包括平移气缸，所述平移气缸的伸缩杆连接位于外侧的除草机构，所述除草机构包括上梳齿板和下梳齿板，所述上梳齿板和下梳齿板之间设置刀具，所述上梳齿板和下梳齿板的前端设置成排的齿牙，所述刀具的前侧边沿为刀刃，所述下梳齿板上设置施药装置，所述集成控制器电控连接平移气缸和施药装置。

本智能除草机以农业主导产业中的蔬菜、水果等条播作物为作业对象。行内除草装置的左右两部除草机构在进入作物行内进行除草操作时，其位于行间除草装置除草机构的外侧位置，即行内除草装置的两端距离大于行间除草装置的长度；而在行内除草装置的左右两部除草机构避让作物时，其位于行间除草装置除草机构的内侧位置，即行内除草装置的两端距离小于或等于行间除草装置的长度。

在上述的智能除草机中，所述刀具的刀刃呈锯齿形状，所述锯齿形状的锯齿尖角为直角或者锐角。

在上述的智能除草机中，所述下梳齿板的内侧固设定刀片，所述刀具连接前后移动机构。

在上述的智能除草机中，所述前后移动机构包括电动机，所述电动机的转轴驱动连接偏心轮，所述偏心轮连接有连杆，所述连杆的传动端铰接在上述刀具上，所述刀具的上下两侧面对应与上梳齿板或下梳齿板形成滑动连接，所述集成控制器电控连接电动机。通过下梳齿板的定刀片与前后往复动作的刀具配合，对杂草进行有效切割。

在上述的智能除草机中，所述上梳齿板的齿牙向下倾斜，其倾斜角度为35°至75°，所述上梳齿板齿牙的齿端与下梳齿板齿牙的齿端相聚拢靠近。由此上梳齿板和下梳齿板的齿牙形成鸭嘴型，进一步利于将杂草梳理起来，以方便切除。

在上述的智能除草机中，所述施药装置包括存药箱，所述存药箱连接输药管，所述输药管的进口上设置电控阀，所述输药管的末端连接滴药管，所述下梳齿板的齿牙底侧设置施药海绵，所述滴药管的管口接触上述施药海绵，所述施药海绵内放置湿度传感器，所述湿度传感器通过电路连接上述集成控制器，所述集成控制器电连上述电控阀。

在上述的智能除草机中，所述工作平台的底侧设置前支架和后支架，所述前支架的底端固装上述行间除草装置的除草机构，所述后支架具有两个分支架，所述分支架的底端固装上述行内除草装置的除草机构，所述工作平台的底面上固设导轨，所述分支架的顶端设置滚轮，所述滚轮嵌入导轨中形成滑动连接。在平移气缸驱动除草机构做内外平向移动过程中，分支架通过滚轮在导轨中进行同步滑移，通过导轨的导向作用，进一步提升除草机构内外平移动作的稳定性。

在上述的智能除草机中，所述移动小车还包括四个车轮，所述四个车轮均通过双横臂独立悬架连接在工作平台下方，双横臂独立悬架包括上横臂和下横臂，上横臂铰接在工作平台的底面上，车轮转动连接在下横臂上，上横臂和下横臂之间相互铰接，上横臂和下横臂之间装有减震器。通过减震器的作用，以避免因路面不平整而导致的行走震动，提升了行走平稳性，以确保摄像头摄影画面的稳定性。

与现有技术相比，本智能除草机以农业主导产业中的蔬菜、水果等条播作物为研究对象，划分为行间除草和行内除草两部分。利用农田除草的特殊性，基于双目视觉获取作物植株和行内杂草的高度信息，借助颜色特征识别地面绿色目标以减少图像立体匹配运算量，再根据作物植株空间分布特征从横向像素直方图拟合曲线中识别出作物植株，进而识别出行内杂草。为了减少立体匹配的计算工作量，以提高图像处理的实时性，拟将图像背景分割结果与立体匹配操作相结合。进一步利用多光谱特征、形状特征、纹理特征及模式识别等方法，特别提升行内杂草识别的精准度，实现自动机械化田间除草的智能型作业。

附图说明

图1是本智能除草机的立体结构示意图。

图2是本智能除草机中行内除草装置的结构示意图。

图3是本智能除草机中刀具驱动结构的示意图。

图中，1、工作平台；2、摄像头；3、计算机；4、集成控制器；5、前支架；6、分支架；7、上梳齿板；8、下梳齿板；9、刀具；10、偏心轮；11、连杆；12、平移气缸；13、导轨；14、滚轮；15、车轮。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

如图1、图2和图3所示，本智能除草机包括移动小车，移动小车具有工作平台1，工作平台1上设置计算机3和集成控制器4，计算机3的两侧各设置有摄像头2，集成控制器4电控连接计算机3与摄像头2，工作平台1的下方设置位于前侧的行间除草装置和位于后侧的行内除草装置，行间除草装置包括一部除草机构，行内除草装置包括左右对称的两部除草机构，两部除草机构之间设置内外移动机构，内外移动机构包括平移气缸12，平移气缸12的伸缩杆连接位于外侧的除草机构，除草机构包括上梳齿板7和下梳齿板8，上梳齿板7和下梳齿板8之间设置刀具9，上梳齿板7和下梳齿板8的前端设置成排的齿牙，刀具9的前侧边沿为刀刃，下梳齿板8上设置施药装置，集成控制器4电控连接平移气缸12和施药装置。

行内除草装置的左右两部除草机构在进入作物行内进行除草操作时，其位于行间除草装置除草机构的外侧位置，即行内除草装置的两端距离大于行间除草装置的长度；而在行内除草装置的左右两部除草机构避让作物时，其位于行间除草装置除草机构的内侧位置，即行内除草装置的两端距离小于或等于行间除草装置的长度。

一种方式，刀具9的刀刃呈锯齿形状，锯齿形状的锯齿尖角为直角或者锐角。

另一种方式，下梳齿板8的内侧固设定刀片，刀具9连接前后移动机构。前后移动机构包括电动机，电动机的转轴驱动连接偏心轮10，偏心轮10连接有连杆11，连杆11的传动端铰接在刀具9上，刀具9的上下两侧面对应与上梳齿板7或下梳齿板8形成滑动连接，集成控制器4电控连接电动机。通过下梳齿板8的定刀片与前后往复动作的刀具9配合，对杂草进行有效切割。

上梳齿板7的齿牙向下倾斜，其倾斜角度为35°至75°，上梳齿板7齿牙的齿端与下梳齿板8齿牙的齿端相聚拢靠近。由此上梳齿板7和下梳齿板8的齿牙形成鸭嘴型，进一步利于将杂草梳理起来，以方便切除。

施药装置包括存药箱，存药箱连接输药管，输药管的进口上设置电控阀，输药管的末端连接滴药管，下梳齿板8的齿牙底侧设置施药海绵，滴药管的管口接触施药海绵，施药海绵内放置湿度传感器，湿度传感器通过电路连接集成控制器4，集成控制器4电连电控阀。

工作平台1的底侧设置前支架5和后支架，前支架5的底端固装行间除草装置的除草机构，后支架具有两个分支架6，分支架6的底端固装行内除草装置的除草机构，工作平台1的底面上固设导轨13，分支架6的顶端设置滚轮14，滚轮14嵌入导轨13中形成滑动连接。在平移气缸12驱动除草机构做内外平向移动过程中，分支架6通过滚轮14在导轨13中进行同步滑移，通过导轨13的导向作用，进一步提升除草机构内外平移动作的稳定性。

移动小车还包括四个车轮15，四个车轮15均通过双横臂独立悬架连接在工作平台1下方，双横臂独立悬架包括上横臂和下横臂，上横臂铰接在工作平台1的底面上，车轮15转动连接在下横臂上，上横臂和下横臂之间相互铰接，上横臂和下横臂之间装有减震器。通过减震器的作用，以避免因路面不平整而导致的行走震动，提升了行走平稳性，以确保摄像头2摄影画面的稳定性。

一种智能除草机的杂草清除方法，包括以下步骤：

1)、将智能除草机放置于行间的一端，使其前侧的行间除草装置位于行间内，后侧的行内除草装置伸入两侧相邻的行内作物中；

2)、智能除草机向前行走，位于行间的除草机构直接通过上梳齿板7和下梳齿板8梳理杂草，然后通过刀具9割除杂草，最后通过施药装置对刚刚已经切割过的杂草切口涂抹施药；

3)、通过摄像头2拍摄两侧相邻行内的景象，将景象信息传递至集成控制器4进行分析，并将分析过程及结果通过计算机3显示出来，包括以下几项识别作物的方法：

Ⅰ、利用颜色特征识别：

对采集到的图像进行逐点扫描，根据各像素点的RGB值来分割绿植和土壤，即利用颜色特征先从土壤背景中分离出绿植，然后再通过检测目标区域的颜色特征来区分杂草和作物；

例如，研究发现玉米植株叶片的颜色是深绿色，而株心区域的颜色是浅绿色，对此，先利用颜色特征从土壤背景中分割出玉米和杂草绿色植物区域，再利用玉米苗株心颜色特征定位玉米植株，最后根据区域连通性识别玉米植株，得到的非玉米植株的植物区域即为玉米田间杂草。

Ⅱ、利用形态特征识别：

基于形态特征的植物识别主要通过研究叶片的边缘样式(曲率或叶状特征)和整个叶片形状(面积、长度、宽度、周长、矩、无量纲比值等)来实现；利用可变形模版方法来识别部分遮挡的叶片：首先检测出叶片的端部，然后将模型置于每个叶端之上，并通过变形使模型与整个叶片进行匹配，模型结构由叶片的可变骨架和代表叶片形状的轮廓线决定；

例如，单子叶和双子叶杂草在外部形态上差别很大，单子叶杂草叶片窄小且直立；双子叶杂草叶片宽，表面积大。因此，可以利用形态的差异来区分杂草和作物。研究基于形态特征的杂草识别方法，通过分析叶片的伸长度和紧密度来分区番茄苗和杂草。利用可变形模版方法对甜菜田中的杂草进行识别，该模型能够去除83％被遮挡的杂草像素，杂草识别率为81％～87％。

Ⅲ、利用光谱特征识别：

在可见光(400～700nm波段)或近红外光(700～2500nm波段)的照射下，杂草与土壤以及杂草与作物的光谱反射率存在着差异；

例如，运用成像光谱仪测定了甜菜和杂草在435～1000nm范围内的反射率，研究结果准确率达到了91％。利用二次判别分析法选取识别胡萝卜和杂草的特征波长点，以450、550和700nm为特征波长点的三个干涉滤波器的组合对胡萝卜和杂草的识别率达到72％。在可见光和近红外波段采集多重波长的图像，然后利用两个光谱通道(660和800nm)从图像背景中分割棉花和杂草，并开发了基于局部直方图的鲁棒统计算法。测量棉花、刺儿菜、水稻和稗草等四种植物在350～2500nm波段范围内的光谱反射率，识别率高达100％。

Ⅳ、利用纹理特征识别：

纹理为某种基本模式(色调基元)的重复排列，可以通过观察纹理度量是否发生显著改变来确定两种纹理模式之间的边界；

例如，利用热欧姆光谱对小麦和杂草的纹理特征进行分析，以单方向和多方向纹理模式的差异区分小麦和杂草。分析计算10个灰度共生矩阵特征、12个灰度行程矩阵特征和3个灰度特征，利用这25个纹理特征对麦田杂草进行了识别。以作物行中心为基准来选取纹理块，计算量化级数为8级的H颜色空间的共生矩阵，提取5个纹理特征参数，利用K均值聚类法判别分析各块的类别。

Ⅴ、模式识别法：

利用人工神经网络、支持向量机、贝叶斯分类器、决策树和判别分析模式进行识别杂草与作物；

例如，将采集到的向日葵、杂草和土壤图像作为输入数据建模，构造了一个基于误差反向传播算法的人工神经网络，并通过降低图像的分辨率、切割土壤背景的边缘以减少图像尺寸来提高神经网络的学习速率。提取玉米和杂草的纹理特征作为支持向量机分类器的输入向量，利用该支持向量机方法对玉米和杂草进行识别，通过对比发现支持向量机方法识别杂草的准确率高于BP神经网络。以颜色和位置特征为识别参数，采用贝叶斯分类器来区分花菜、杂草和土壤，在获取准确先验概率条件下，错误分类率最低为6.4％。分别运用判别分析、决策树和人工神经网络三种模式识别方法对玉米田中的杂草进行识别，杂草识别率分别为87％、76％和81％。

4)、识别出绿植为作物，集成控制器4操控平移气缸12缩回伸缩杆，带动除草机构向内侧移动以离开行内作物实现避让，智能除草机继续前行，直至摄像头2探测完全经过作物，集成控制器4再操控平移气缸12伸出伸缩杆，带动除草机构向外侧移动重新进入行内空间；

5)、识别出绿植为杂草，伸入行内的除草机构通过上梳齿板7和下梳齿板8梳理杂草，然后通过刀具9割除杂草，最后通过施药装置对刚刚已经切割过的杂草切口涂抹施药。

湿度传感器感测施药海绵的湿度信息，并将湿度信息实时发送至集成控制器4，集成控制器4通过检测数据进行施药海绵中药液含量的判断，一旦判断药液含量不足，集成控制器4控制电控阀开启，使药液由存药箱经过输药管，由滴药管滴落至施药海绵上；直至湿度传感器的感测湿度值达标，集成控制器4通过检测数据进行药量判断，进一步控制电控阀关闭，完成加药操作。

本智能除草机以农业主导产业中的蔬菜、水果等条播作物为研究对象，划分为行间除草和行内除草两部分。利用农田除草的特殊性，基于双目视觉获取作物植株和行内杂草的高度信息，借助颜色特征识别地面绿色目标以减少图像立体匹配运算量，再根据作物植株空间分布特征从横向像素直方图拟合曲线中识别出作物植株，进而识别出行内杂草。为了减少立体匹配的计算工作量，以提高图像处理的实时性，拟将图像背景分割结果与立体匹配操作相结合。进一步利用多光谱特征、形状特征、纹理特征及模式识别等方法，特别提升行内杂草识别的精准度，实现自动机械化田间除草的智能型作业。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了工作平台1；摄像头2；计算机3；集成控制器4；前支架5；分支架6；上梳齿板7；下梳齿板8；刀具9；偏心轮10；连杆11；平移气缸12；导轨13；滚轮14；车轮15等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (8)

1.一种智能除草机，包括移动小车，所述移动小车具有工作平台，所述工作平台上设置计算机和集成控制器，所述计算机的两侧各设置有摄像头，所述集成控制器电控连接计算机与摄像头，其特征在于，所述工作平台的下方设置位于前侧的行间除草装置和位于后侧的行内除草装置，所述行间除草装置包括一部除草机构，所述行内除草装置包括左右对称的两部除草机构，两部除草机构之间设置内外移动机构，所述内外移动机构包括平移气缸，所述平移气缸的伸缩杆连接位于外侧的除草机构，所述除草机构包括上梳齿板和下梳齿板，所述上梳齿板和下梳齿板之间设置刀具，所述上梳齿板和下梳齿板的前端设置成排的齿牙，所述刀具的前侧边沿为刀刃，所述下梳齿板上设置施药装置，所述集成控制器电控连接平移气缸和施药装置。

2.根据权利要求1所述的智能除草机，其特征在于，所述刀具的刀刃呈锯齿形状，所述锯齿形状的锯齿尖角为直角或者锐角。

3.根据权利要求1所述的智能除草机，其特征在于，所述下梳齿板的内侧固设定刀片，所述刀具连接前后移动机构。

4.根据权利要求3所述的智能除草机，其特征在于，所述前后移动机构包括电动机，所述电动机的转轴驱动连接偏心轮，所述偏心轮连接有连杆，所述连杆的传动端铰接在上述刀具上，所述刀具的上下两侧面对应与上梳齿板或下梳齿板形成滑动连接，所述集成控制器电控连接电动机。

5.根据权利要求1所述的智能除草机，其特征在于，所述上梳齿板的齿牙向下倾斜，其倾斜角度为35°至75°，所述上梳齿板齿牙的齿端与下梳齿板齿牙的齿端相聚拢靠近。

6.根据权利要求1所述的智能除草机，其特征在于，所述施药装置包括存药箱，所述存药箱连接输药管，所述输药管的进口上设置电控阀，所述输药管的末端连接滴药管，所述下梳齿板的齿牙底侧设置施药海绵，所述滴药管的管口接触上述施药海绵，所述施药海绵内放置湿度传感器，所述湿度传感器通过电路连接上述集成控制器，所述集成控制器电连上述电控阀。

7.根据权利要求1所述的智能除草机，其特征在于，所述工作平台的底侧设置前支架和后支架，所述前支架的底端固装上述行间除草装置的除草机构，所述后支架具有两个分支架，所述分支架的底端固装上述行内除草装置的除草机构，所述工作平台的底面上固设导轨，所述分支架的顶端设置滚轮，所述滚轮嵌入导轨中形成滑动连接。

8.根据权利要求1所述的智能除草机，其特征在于，所述移动小车还包括四个车轮，所述四个车轮均通过双横臂独立悬架连接在工作平台下方，双横臂独立悬架包括上横臂和下横臂，上横臂铰接在工作平台的底面上，车轮转动连接在下横臂上，上横臂和下横臂之间相互铰接，上横臂和下横臂之间装有减震器。