CN210841314U - 一种新型自动前胡除草机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种新型自动前胡除草机，包括动力系统、电气柜、机架、除草机械臂、光线传感器、摄像头支架、联轴器、减速箱、直流电动机、编码器、缓冲弹簧、曲柄、伸缩杆、夹持装置、运动控制系统、底盘悬架系统、中央控制器MCU以及图像处理系统，所述电气柜上方安装有摄像头支架，所述电气柜的前端安装有除草机械臂，所述电气柜两侧设置有行走装置，在右侧的行走装置内侧前端还安装有光线传感器。
Description
技术领域
本实用新型涉及前胡的除草领域，具体为一种基于机器视觉的新型前胡的除草机器人。
背景技术
在农业种植领域中，农作物与杂草混长会导致肥料的浪费，减产等问题。如何除草是农业领域研究重大课题。目前阶段的除草方式依旧是农药除草方式，这种方式除草方式最大的弊端就是农药残留，而且费时费力。由于前胡是中草药物，不能使用药物除草，人工除草耗用的劳动强度最大，且每年人工除草所需的费用高。使得宁前胡的生产仍处在高成本、低效率的形式局面，严重制约前胡产业发展。
机械式除草代替化学除草是解决食品安全问题的同时也解决了农村劳动力的不足的问题传统的除草机器人大多是行间除草，但传统机械除草误差较大，不能有效去除杂草，而且株间附近的杂草也并不能有效地除去。因此株间除草在农业领域具有广阔的应用前景。
实用新型内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型的技术目的在于提供一种新型除草方式的机器人，旨在解决机械化种植的前胡除草困难和提高株间除草效率与准确率。
为实现上述技术目的，本实用新型提供了一种新型自动前胡除草机，包括动力系统、电气柜、机架、除草机械臂、光线传感器、摄像头支架、联轴器、减速箱、直流电动机、编码器、缓冲弹簧、曲柄、伸缩杆、夹持装置、运动控制系统、底盘悬架系统、中央控制器MCU 以及图像处理系统，所述电气柜上方安装有摄像头支架，所述电气柜的前端安装有除草机械臂，所述电气柜两侧设置有行走装置，在右侧的行走装置内侧前端还安装有光线传感器，在机架的左右侧各安装一个光线传感器与光线补偿灯，所述行走装置包括驱动轮、导向轮、支重轮、履带和张紧轮，所述履带传动连接驱动轮，导向轮，支重轮和张紧轮，所述图像处理系统，用于图像采集与处理，为路径规划和杂草识别提供数据信息，所述运动控制系统，用于控制转向与调速。
进一步的，所述驱动轮与减速箱通过联轴器相连，所述直流电动机与驱动轮通过联轴器传动连接，提供输出转矩动力带动履带行走，所述编码器与直流电动机的尾轴相连接。
进一步的，所述底盘悬架系统包括缓冲弹簧、曲柄，其同时构成减震装置，除草机两侧侧板上分别装有4套独立的减震装置以实现对不同地形的适应，且两侧底盘悬架系统独立运行，车架内侧左右各安装直流电动机，转向时可应用差速和差逆转向，其中，差逆转向可实现原地转向。
进一步的，所述除草机械臂的前端通过舵机安装有除草刀头，除草刀头采用自磨刃，其采用高速水平旋转的方式切断杂草。
进一步的，所述图像处理系统采用openMV图像处理系统，所述光线传感器采用BH1750数字光强传感器。
进一步的，所述的直流电动机13电气连接有主控板，所述主控板输出PWM脉冲通过电机驱动电路进行速度控制和在田间行走的控制，实现前进，转弯及调速。
进一步的，所述主控板采用STM32F103VET6单片机，其通过过控制机械手臂关节节点上舵机旋转不同角度来实现除草机构的伸缩旋转运动，除草机构采用可旋转360度DS3115数字舵机。
本实用新型提供了一种基于机器视觉的新型前胡的除草机器人，相比现有技术，本新型采用履带式车底盘加装减震装置以适应不同地形地除草，使用机器视觉、数字图像技术有效地识别区分杂草和农作物，避免了误伤农作物，动力由直流电动机输出通过传送装置与履带主动轮相连，除草机械结构采用四轴机械臂安装机械刀具用来切割杂草，使得本新型实用性强，应用快速便捷。
附图说明
图1为本新型系统控制图
图2为除草机器人结构示意图。
图3为动力系统图。
图4为车架结构示意图
图5为除草机构结构示意图图
图6为摄像头支架结构图。
图中，1、动力系统；11、联轴器；12、减速箱；13、直流电动机；14、编码器；2、动力系统；3、机架；31、驱动轮；32、缓冲弹簧；33、导向轮；34、支重轮；35、曲柄；37、张紧轮；38、履带； 4、除草机械臂；5、光线传感器；6、摄像头支架；62、夹持装置； 63、伸缩杆；
具体实施方式
以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
本新型主要运动控制系统、中央控制器MCU，图像处理系统，动力系统1、电气柜2、机架3、除草机械臂4、光线传感器5、摄像头支架6、联轴器11、减速箱12、直流电动机13、编码器14、导向轮33、驱动轮31、履带38、张紧轮37、缓冲弹簧32、支重轮34、曲柄35、伸缩杆63、夹持装置62等
所述除草机器人动力系统如图3所示：联轴器、减速箱12、直流电动机13、编码器14。联轴器将驱动轮31和减速箱12相连。减速箱12内部通过减速齿轮相互啮合达到减速的目的，提高输出转矩；直流电动机提供输出转矩动力带动履带轮行走；编码器与电机尾轴相连，实时监测电机转速；
所述除草机器人车架如图4所示主要由导向轮33、驱动轮31、履带38、张紧轮37、缓冲弹簧32、支重轮34、曲柄35及等组成。其中，宽为15cm的履带38位于车架底部两侧,车底板离地面50cm. 驱动轮与直流电动机13通过联轴器相连，电机旋转带动车身行走；底盘悬架系统由曲柄35、缓冲弹簧32、支重轮34等组成，构成减震装置，两侧侧板上分别装有4套独立的减振装置以实现对不同地型的适应且两侧悬架系统独立运行，避免了相互干扰；车架内侧左右各安装一个直流电动机13，转向时可应用差速和差逆转向，差逆转向可实现原地转向，转弯半径理论值为零。采用履带车轮增加受力面积以免在农田里下陷。
所述除草机器人除草机构如图5所示机械臂支架、除草刀头、舵机组成。除草机构由两对机械臂构成分别位于机架两侧。四轴机械臂由四个舵机和机械臂支架组成，四个自由度可以更灵活精准地定位杂草位置精确除草，机械切割装置安装在机械臂前端通过舵机相连。机械切割刀头高速水平旋转用来切断杂草，除草刀头采用自磨刃刀具。
所述除草机器人摄像头支架如图6所示包括、摄像头、伸缩杆、调节装置。摄像头安装在夹持装置的伸缩杆上方，调节装置可以调节摄像头俯仰角；伸缩杆中部调节摄像头垂直高度。在机架的左右侧也各安装一个可调节的光线检测传感器与光线补偿灯。
本新型除草机器人采用锂电池驱动。电量大，续航时间长。所用电气设备电机驱动电路、图像处理硬件、MCU单片机等位于电气柜内。
摄像头采集实时图像信息传递给处理器进行图像识别，通过机器视觉算法得出路径规划最优解避免履带车轮碾压作物，同时获取前胡和杂草图像信息进行图像标定，提取颜色、形态、纹理等进行形态学处理方式识别与区分前湖植株间的杂草，将不符合前胡叶形的杂草全部标定剔除。
STM32F103VET6单片机通过控制机械手臂关节节点上舵机旋转不同角度来实现机械臂的伸缩旋转运动。机械臂采用可旋转360度 DS3115数字舵机,该舵机响应速度快，动力足，且防烧坏。
直流电动机13与主控板电气相连，主控板控制器采用 STM32F103VET6芯片输出PWM脉冲通过电机驱动电路进行速度控制和在田间行走的控制，从而实现前进，转弯及调速。
本新型农机与农艺结合，机械化种植的农作物以行种植形式排列种植。
本新型所述的除草机器人即可株间除草也行间除草。株间除草时，除草机器人两侧履带轮分别行走于行间的一侧，农作物位于机器人正下方和两机械臂中间。行间除草时，机器人则位于两行之间。
开始工作时，电池为整个系统提供电力，打开开关，系统上电复位，openMV开始工作，摄像头61采用视频格式采集实时图像信息传输到图像处理芯片进行图像识别处理分析，通过机器视觉算法得出路径规划最优解避免履带车轮碾压作物，同时获取前胡和杂草图像信息进行图像标定，提取颜色、形态、纹理等进行形态学处理方式识别与区分前湖植株间的杂草，将不符合前胡叶形的杂草全部标定。openMV 图像处理系统通过串口将数据发送到STM32F103VET6单片机。STM32F103VET6单片机同时负责除草与运动控制。在运动控制时，GPIO 引脚通过PWM脉宽调制技术输出PWM脉冲波通过电机驱动电路驱动直流电机旋转和调速，直流电机13动力输出轴与减速箱12齿轮相连，最后在通过联轴器11与与履带主动轮31相连带动机器人行走。编码器14与电机13尾轴相连，实时监测电机13转速以实现对速度的控制。速度的调控则通过PWM脉宽调制进行调整，占空比越大速度越快，反之越小。在机器除草时，STM32F103VET6单片机控制机械臂4关节节点上的四个舵机旋转不同角度来实现机械臂4的伸缩旋转运动。除草机械臂4随着图像识别的变化实时调整位置，自磨刃旋转切削刀头 41切断草茎。控制机械臂移动定位去除前胡株间杂草。当自然环境光线不佳，光线传感器5检测到光线不足时，开启光源补偿灯。
本新型提供了新型除草机器人，相比现有技术，本新型采用履带式车底盘加装减震装置以适应不同地形地除草。本新型使用机器视觉、数字图像技术有效地识别区分杂草和农作物，避免了误伤农作物。动力由直流电动机输出通过传送装置与履带主动轮相连。除草机械结构采用四轴机械臂安装机械刀具用来切割杂草。本新型实用性强，应用快速便捷。
以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种新型自动前胡除草机，包括动力系统(1)、电气柜(2)、机架(3)、除草机械臂(4)、光线传感器(5)、摄像头支架(6)、联轴器(11)、减速箱(12)、直流电动机(13)、编码器(14)、缓冲弹簧(32)、曲柄(35)、伸缩杆63、夹持装置62、运动控制系统、底盘悬架系统、中央控制器MCU以及图像处理系统，其特征在于：所述电气柜(2)上方安装有摄像头支架(6)，所述电气柜(2)的前端安装有除草机械臂(4)，所述电气柜(2)两侧设置有行走装置，在右侧的行走装置内侧前端还安装有光线传感器(5)，在机架(3)的左右侧各安装一个光线传感器(5)与光线补偿灯，所述行走装置包括驱动轮(31)、导向轮(33)、支重轮(34)、履带(38)和张紧轮(37)，所述履带(38)传动连接驱动轮(31)，导向轮(33)，支重轮(34)和张紧轮(37)，所述图像处理系统，用于图像采集与处理，为路径规划和杂草识别提供数据信息，所述运动控制系统，用于控制转向与调速。
2.如权利要求1所述的一种新型自动前胡除草机，所述驱动轮与减速箱通过联轴器相连，所述直流电动机(13)与驱动轮(31)通过联轴器传动连接，提供输出转矩动力带动履带(38)行走，所述编码器(14)与直流电动机(13)的尾轴相连接。
3.如权利要求1所述的一种新型自动前胡除草机，所述底盘悬架系统包括缓冲弹簧(32)、曲柄(35)，其同时构成减震装置，除草机两侧侧板上分别装有4套独立的减震装置以实现对不同地形的适应，且两侧底盘悬架系统独立运行，车架内侧左右各安装直流电动机(13)，转向时可应用差速和差逆转向，其中，差逆转向可实现原地转向。
4.如权利要求1所述的一种新型自动前胡除草机，所述除草机械臂的前端通过舵机安装有除草刀头，除草刀头采用自磨刃，其采用高速水平旋转的方式切断杂草。
5.如权利要求1所述的一种新型自动前胡除草机，所述图像处理系统采用openMV图像处理系统，所述光线传感器(5)采用BH1750数字光强传感器。
6.如权利要求1所述的一种新型自动前胡除草机，所述的直流电动机(13)电气连接有主控板，所述主控板输出PWM脉冲通过电机驱动电路进行速度控制和在田间行走的控制，实现前进，转弯及调速。
7.如权利要求6所述的一种新型自动前胡除草机，所述主控板采用STM32F103VET6单片机，其通过过控制机械手臂关节节点上舵机旋转不同角度来实现除草机构的伸缩旋转运动，除草机构采用可旋转360度DS3115数字舵机。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN111837593A (zh) * | 2020-07-24 | 2020-10-30 | 安徽农业大学 | 一种新型基于机器视觉和卷积神经网络算法的前胡除草机 |
| CN112544204A (zh) * | 2020-12-03 | 2021-03-26 | 武汉理工大学 | 基于risc-v嵌入式处理器的除草机器人及控制方法 |
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