專利名稱：一種橫擺式株間除草裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域，特別涉及一種橫擺式株間除草裝置。
背景技術(shù)：
目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的雜草控制主要依靠除草劑，除草劑雖然控制草害效果好，但是 會帶來諸如生物滅絕、雜草群落變遷、雜草抗藥性增強且抗藥譜擴大、環(huán)境污染及農(nóng)藥殘留 等問題。為了克服化學(xué)除草所帶來的危害和擺脫除草繁重體力勞動，更好地生產(chǎn)綠色食品， 近年來，機械除草方式開始受到越來越多的重視。對作物行間的雜草控制，國內(nèi)外均已有相 關(guān)產(chǎn)品。而株間雜草控制也有一些報道，如指形除草裝置(Leinonen et al. , 2004)、刷狀 除草裝置(Kouwenhoven，1997)，這些除草機具都難以有效控制株間區(qū)域的雜草。奧斯納布 呂克大學(xué)(Osnabrueck Univesity)與Amazone Werke聯(lián)合開發(fā)了八爪擺線鋤株間除草裝 置，但其對圍繞作物周圍18mm寬的區(qū)域內(nèi)的雜草無法控制，如果稍有調(diào)整不當(dāng)將會對作物 造成損傷，并且其受土壤影響較大，因為不能避免較大土塊損傷作物(Dedousis，2007)；英 國開發(fā)了缺口圓盤鋤(Tillett et al., 2008)、丹麥開發(fā)了轉(zhuǎn)齒除草裝置(Gri印entrog， 2006)、旋轉(zhuǎn)式圓盤耙齒除草裝置(Lempens et al. , 1996)和八爪式株間除草裝置(張朋 舉.等，2010)。以上除草機具雖都有一些實驗報道，但都對牽引拖拉機跟蹤作物行行走的 精度要求高，一般需安裝于具有導(dǎo)航功能的農(nóng)業(yè)機械上或智能機器人上，價格較昂貴。而且 至今仍無成熟的株間除草機具。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種可適用于各種農(nóng)用拖拉機牽引的 橫擺式株間除草裝置，可降低株間除草裝置對牽引拖拉機跟蹤作物行精度的要求，減少了 株間除草裝置對除草機器人或牽引拖拉機高精度跟蹤作物行的依賴，通過更換不同尺寸的 除草部件來滿足不同株距和不同作物生長時期除草的要求，并可根據(jù)行距來選擇行間除草 雙翼鏟的寬度來適應(yīng)不同行距栽培作物的行間區(qū)域除草。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種橫擺式株間除草裝置，包括車體， 該車體包括主架及限深輪，其中，還包括設(shè)于主架上的橫擺除草結(jié)構(gòu)、除草部件、行間除草 結(jié)構(gòu)、視覺與控制系統(tǒng)，該橫擺除草結(jié)構(gòu)通過橫擺運動使除草部件進入株間區(qū)域進行除草， 行間除草結(jié)構(gòu)通過一雙翼鏟鏟入土來進行除草，視覺與控制系統(tǒng)對作物進行識別，確定植 株保護區(qū)域和株間除草區(qū)域，并控制橫擺除草結(jié)構(gòu)與行間除草結(jié)構(gòu)在株間除草區(qū)域進行除 草。該限深輪上還設(shè)有測速結(jié)構(gòu)，用于實時測量車體的運行速度和位移。該行間除草結(jié)構(gòu)包括左雙翼鏟和右雙翼鏟；通過調(diào)節(jié)雙翼鏟與主架的相對高度來 調(diào)節(jié)雙翼鏟入土作業(yè)深度。該橫擺除草結(jié)構(gòu)包括橫擺機構(gòu)支架、左橫擺導(dǎo)軸軸座、右橫擺導(dǎo)軸軸座、上橫擺導(dǎo) 軸、下橫擺導(dǎo)軸、帶座直線滾動軸承、帶傳感器的橫擺電機及直線導(dǎo)軌；上橫擺導(dǎo)軸和下橫擺導(dǎo)軸通過左橫擺導(dǎo)軸軸座和右橫擺導(dǎo)軸軸座固定于橫擺機構(gòu)支 架上，上橫擺導(dǎo)軸和下橫擺導(dǎo)軸組成的平面平行于橫擺機構(gòu)支架平面，帶座直線滾動軸承 由兩個直線滾動軸承組成，同時套在上橫擺導(dǎo)軸和下橫擺導(dǎo)軸上；帶傳感器的橫擺電機通 過直線導(dǎo)軌驅(qū)動帶座直線滾動軸承在上、下橫擺導(dǎo)軸上來回擺動，直線導(dǎo)軌固定于橫擺機 構(gòu)支架上，帶座直線滾動軸承在導(dǎo)軸上擺動行程由帶傳感器的橫擺電機上的傳感器檢測而 得，除草部件固定于帶座直線滾動軸承的座上。該除草部件包括除草部件支架、除草部件旋轉(zhuǎn)電機、萬向節(jié)、轉(zhuǎn)軸及除草刀具；
除草部件支架固定于帶座直線滾動軸承的座上，安裝在除草部件支架上的除草部件旋 轉(zhuǎn)電機通過萬向節(jié)和轉(zhuǎn)軸驅(qū)動除草刀具旋轉(zhuǎn)。該除草刀具由圓盤、連接口、緊固螺栓和除草爪齒組成，除草爪齒均勻分布于圓盤 上，圓盤與連接口緊密相連，連接口接于轉(zhuǎn)軸上，利用堅固螺栓將圓盤固定于轉(zhuǎn)軸上。視覺與控制系統(tǒng)包括攝像機和圖像處理與控制系統(tǒng)，攝像機垂直向下安裝，圖像 處理與控制系統(tǒng)用于接收及識別處理攝像機拍攝的圖片，將圖片中的作物生成作物行和作 物保護圓，并通過帶傳感器的橫擺電機上的傳感器檢測橫向運動的行程，實現(xiàn)對帶傳感器 的橫擺電機的伺服控制。一種橫擺式株間除草裝置的控制方法，其中，首先，圖像處理與控制系統(tǒng)識別出圖 片中的作物，并計算出每顆作物的中心，以作物最遠邊界為半徑、作物中心為圓心計算得到 每顆作物的保護圓參數(shù)，利用最小二乘法根據(jù)每顆作物的中心坐標(biāo)擬合出作物行直線；
其次，圖像處理與控制系統(tǒng)根據(jù)作物中心坐標(biāo)、保護圓參數(shù)和作物行直線參數(shù)作為橫 擺除草結(jié)構(gòu)控制的跟蹤路徑，在株間區(qū)域時帶傳感器的橫擺電機控制除草刀具以作物行直 線作為作業(yè)路徑進行跟蹤，而在作物附近則以保護圓的左半部分或右半部分為作業(yè)路徑進 行跟蹤，從而實現(xiàn)株間區(qū)域除草作業(yè)和避讓作物。本發(fā)明的有益效果是，通過對旋轉(zhuǎn)除草刀具的橫擺運動，實現(xiàn)株間區(qū)域雜草控制； 由于采用橫擺方式，可降低株間除草裝置對牽引拖拉機跟蹤作物行的精度要求，有效減少 了系統(tǒng)成本；通過不同大小尺寸除草部件的更換，實現(xiàn)對作物不同生長時期株間區(qū)域和不 同株距栽培作物的株間區(qū)域的雜草的控制，通過行距來選擇行間除草雙翼鏟的寬度以滿足 不同行距栽培作物的行間區(qū)域除草的要求。


圖1為橫擺式株間除草裝置右視圖； 圖2為橫擺式株間除草裝置主視圖3為橫擺式株間除草裝置俯視圖； 圖4為除草刀具的側(cè)視圖； 圖5為除草刀具的仰視圖； 圖6為橫擺式株間除草裝置作業(yè)示意圖。圖中，1.攝像機，2.主架，3.限深輪，4.測速結(jié)構(gòu)，5.橫擺機構(gòu)支架，6.下橫擺導(dǎo) 軸，7.帶傳感器的橫擺電機，8.除草部件支架，9.除草部件旋轉(zhuǎn)電機，10.萬向節(jié)，11.轉(zhuǎn) 軸，12.除草刀具，13.左雙翼鏟，14.左橫擺導(dǎo)軸軸座，15.直線導(dǎo)軌，16.上橫擺導(dǎo)軸， 17.右橫擺導(dǎo)軸軸座，18.右雙翼鏟，19.圖像處理與控制系統(tǒng)，20.帶座直線滾動軸承，21.圓盤，22.連接口，23.緊固螺栓，24.除草爪齒，25.作物，26.作物行徑，27.作物保護圓。
具體實施例方式以下結(jié)合實施例及附圖對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖1至圖6所示，本發(fā)明公開了一種橫擺式株間除草裝置，包括車體，該車體包 括主架2及限深輪3，其中，還包括設(shè)于主架上的橫擺除草結(jié)構(gòu)、除草部件、行間除草結(jié)構(gòu)、 視覺與控制系統(tǒng)，該橫擺除草結(jié)構(gòu)通過橫擺運動使除草部件進入株間區(qū)域進行除草，行間 除草結(jié)構(gòu)通過一雙翼鏟鏟入土來進行除草，視覺與控制系統(tǒng)對作物進行識別，確定植株保 護區(qū)域和株間除草區(qū)域，并控制橫擺除草結(jié)構(gòu)與行間除草結(jié)構(gòu)在株間除草區(qū)域進行除草。 主架2為橫擺株間除草裝置提供了安裝平臺，通過多個主架2并聯(lián)實現(xiàn)多行同時進行株間 除草，并為橫擺株間除草裝置與牽引拖拉機三點懸掛提供接口。限深輪3用于調(diào)節(jié)除草部 件入土深度。該限深輪3上還設(shè)有測速結(jié)構(gòu)4，用于實時測量車體的運行速度和位移。測速結(jié)構(gòu) 4為測速編碼盤，其安裝于車輪軸上，實時測量橫擺株間除草裝置進行速度和位移。該行間除草結(jié)構(gòu)包括左雙翼鏟13和右雙翼鏟18 ；通過調(diào)節(jié)雙翼鏟與主架2的相 對高度來調(diào)節(jié)雙翼鏟入土作業(yè)深度。左雙翼鏟13和右雙翼鏟18為傳統(tǒng)的雙翼鏟，雙翼鏟 的寬度可根據(jù)作物行距進行選擇。該橫擺除草結(jié)構(gòu)包括橫擺機構(gòu)支架5、左橫擺導(dǎo)軸軸座14、右橫擺導(dǎo)軸軸座17、上 橫擺導(dǎo)軸16、下橫擺導(dǎo)軸6、帶座直線滾動軸承20、帶傳感器的橫擺電機7及直線導(dǎo)軌15 ；
上橫擺導(dǎo)軸16和下橫擺導(dǎo)軸6通過左橫擺導(dǎo)軸軸座14和右橫擺導(dǎo)軸軸座17固定于 橫擺機構(gòu)支架5上，上橫擺導(dǎo)軸16和下橫擺導(dǎo)軸6組成的平面平行于橫擺機構(gòu)支架5平 面，帶座直線滾動軸承20由兩個直線滾動軸承組成，同時套在上橫擺導(dǎo)軸16和下橫擺導(dǎo)軸 6上；帶傳感器的橫擺電機7通過直線導(dǎo)軌15驅(qū)動帶座直線滾動軸承20在上、下橫擺導(dǎo)軸 上來回擺動，直線導(dǎo)軌15固定于橫擺機構(gòu)支架5上，帶座直線滾動軸承20在導(dǎo)軸上擺動行 程由帶傳感器的橫擺電機7上的傳感器檢測而得，除草部件固定于帶座直線滾動軸承20的 座上。該除草部件包括除草部件支架8、除草部件旋轉(zhuǎn)電機9、萬向節(jié)10、轉(zhuǎn)軸11及除草 刀具12 ；
除草部件支架8固定于帶座直線滾動軸承20的座上，安裝在除草部件支架8上的除草 部件旋轉(zhuǎn)電機9通過萬向節(jié)10和轉(zhuǎn)軸11驅(qū)動除草刀具12旋轉(zhuǎn)。除草部件在自身旋轉(zhuǎn)、擺 動運動和牽引機頭向前行駛?cè)齻€運動配合下進出作物株間區(qū)域?qū)崿F(xiàn)避讓作物和除草作業(yè)。該除草刀具12由圓盤21、連接口 22、緊固螺栓23和除草爪齒M組成，除草爪齒 24均勻分布于圓盤21上，圓盤21與連接口 22緊密相連，連接口 22接于轉(zhuǎn)軸11上，利用堅 固螺栓23將圓盤21固定于轉(zhuǎn)軸上11。視覺與控制系統(tǒng)包括攝像機1和圖像處理與控制系統(tǒng)19，攝像機1垂直向下安裝， 圖像處理與控制系統(tǒng)19用于接收及識別處理攝像機1拍攝的圖片，將圖片中的作物25生 成作物行徑26和作物保護圓27，并通過帶傳感器的橫擺電機上的傳感器檢測橫向運動的 行程，實現(xiàn)對帶傳感器的橫擺電機的伺服控制。
同時，本發(fā)明還公開了一種橫擺式株間除草裝置的控制方法，首先，圖像處理與控 制系統(tǒng)19識別出圖片中的作物，并計算出每顆作物的中心，以作物最遠邊界為半徑、作物 中心為圓心計算得到每顆作物的保護圓參數(shù)，利用最小二乘法根據(jù)每顆作物的中心坐標(biāo)擬 合出作物行直線；
其次，圖像處理與控制系統(tǒng)19根據(jù)作物中心坐標(biāo)、保護圓參數(shù)和作物行直線參數(shù)作為 橫擺除草結(jié)構(gòu)控制的跟蹤路徑，在株間區(qū)域時帶傳感器的橫擺電機7控制除草刀具12以作 物行直線作為作業(yè)路徑進行跟蹤，而在作物附近則以保護圓的左半部分或右半部分為作業(yè) 路徑進行跟蹤，從而實現(xiàn)株間區(qū)域除草作業(yè)和避讓作物。
權(quán)利要求
1.一種橫擺式株間除草裝置，包括車體，該車體包括主架(2)及限深輪(3)，其特征在 于，還包括設(shè)于主架上的橫擺除草結(jié)構(gòu)、除草部件、行間除草結(jié)構(gòu)、視覺與控制系統(tǒng)，該橫擺 除草結(jié)構(gòu)通過橫擺運動使除草部件進入株間區(qū)域進行除草，行間除草結(jié)構(gòu)通過一雙翼鏟鏟 入土來進行除草，視覺與控制系統(tǒng)對作物進行識別，確定植株保護區(qū)域和株間除草區(qū)域，并 控制橫擺除草結(jié)構(gòu)與行間除草結(jié)構(gòu)在株間除草區(qū)域進行除草。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫擺式株間除草裝置，其特征在于，該限深輪(3)上還設(shè)有測 速結(jié)構(gòu)(4 )，用于實時測量車體的運行速度和位移。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫擺式株間除草裝置，其特征在于，該行間除草結(jié)構(gòu)包括左 雙翼鏟(13)和右雙翼鏟(18);通過調(diào)節(jié)雙翼鏟與主架(2)的相對高度來調(diào)節(jié)雙翼鏟入土作 業(yè)深度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的橫擺式株間除草裝置，其特征在于，該橫擺除草結(jié)構(gòu)包括橫 擺機構(gòu)支架(5)、左橫擺導(dǎo)軸軸座(14)、右橫擺導(dǎo)軸軸座(17)、上橫擺導(dǎo)軸(16)、下橫擺導(dǎo) 軸(6)、帶座直線滾動軸承(20)、帶傳感器的橫擺電機(7)及直線導(dǎo)軌(15)；上橫擺導(dǎo)軸(16)和下橫擺導(dǎo)軸(6)通過左橫擺導(dǎo)軸軸座(14)和右橫擺導(dǎo)軸軸座(17) 固定于橫擺機構(gòu)支架(5)上，上橫擺導(dǎo)軸(16)和下橫擺導(dǎo)軸(6)組成的平面平行于橫擺機 構(gòu)支架(5)平面，帶座直線滾動軸承(20)由兩個直線滾動軸承組成，同時套在上橫擺導(dǎo)軸 (16)和下橫擺導(dǎo)軸(6)上；帶傳感器的橫擺電機(7)通過直線導(dǎo)軌(15)驅(qū)動帶座直線滾動 軸承(20)在上、下橫擺導(dǎo)軸上來回擺動，直線導(dǎo)軌(15)固定于橫擺機構(gòu)支架(5)上，帶座直 線滾動軸承(20)在導(dǎo)軸上擺動行程由帶傳感器的橫擺電機(7)上的傳感器檢測而得，除草 部件固定于帶座直線滾動軸承(20)的座上。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的橫擺式株間除草裝置，其特征在于，該除草部件包括除草部 件支架(8)、除草部件旋轉(zhuǎn)電機(9)、萬向節(jié)(10)、轉(zhuǎn)軸(11)及除草刀具(12);除草部件支架(8)固定于帶座直線滾動軸承(20)的座上，安裝在除草部件支架(8)上 的除草部件旋轉(zhuǎn)電機(9)通過萬向節(jié)(10)和轉(zhuǎn)軸(11)驅(qū)動除草刀具(12)旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的橫擺式株間除草裝置，其特征在于，該除草刀具(12)由圓盤 (21)、連接口(22)、緊固螺栓(23)和除草爪齒(24)組成，除草爪齒(24)均勻分布于圓盤 (21)上，圓盤(21)與連接口(22)緊密相連，連接口(22)接于轉(zhuǎn)軸(11)上，利用堅固螺栓 (23)將圓盤(21)固定于轉(zhuǎn)軸上(11)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的橫擺式株間除草裝置，其特征在于，視覺與控制系統(tǒng)包括攝 像機(1)和圖像處理與控制系統(tǒng)(19)，攝像機(1)垂直向下安裝，圖像處理與控制系統(tǒng)(19) 用于接收及識別處理攝像機(1)拍攝的圖片，將圖片中的作物(25)生成作物行徑(26)和作 物保護圓(27)，并通過帶傳感器的橫擺電機上的傳感器檢測橫向運動的行程，實現(xiàn)對帶傳 感器的橫擺電機的伺服控制。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求7所述的橫擺式株間除草裝置的控制方法，其特征在于，首先，圖 像處理與控制系統(tǒng)(19)識別出圖片中的作物(25)，并計算出每顆作物的中心，以作物最遠 邊界為半徑、作物中心為圓心計算得到每顆作物的保護圓參數(shù)，利用最小二乘法根據(jù)每顆 作物的中心坐標(biāo)擬合出作物行直線；其次，圖像處理與控制系統(tǒng)(19)根據(jù)作物中心坐標(biāo)、保護圓參數(shù)和作物行直線參數(shù) 作為橫擺除草結(jié)構(gòu)控制的跟蹤路徑，在株間區(qū)域時帶傳感器的橫擺電機(7)控制除草刀具(12)以作物行直線作為作業(yè)路徑進行跟蹤，而在作物附近則以保護圓的左半部分或右半部 分為作業(yè)路徑進行跟蹤，從而實現(xiàn)株間區(qū)域除草作業(yè)和避讓作物。
全文摘要
本發(fā)明公開一種橫擺式株間除草裝置,包括車體，該車體包括主架(2)及限深輪(3)，還包括設(shè)于主架上的橫擺除草結(jié)構(gòu)、除草部件、行間除草結(jié)構(gòu)、視覺與控制系統(tǒng)，該橫擺除草結(jié)構(gòu)通過橫擺運動使除草部件進入株間區(qū)域進行除草，行間除草結(jié)構(gòu)通過一雙翼鏟鏟入土來進行除草，視覺與控制系統(tǒng)對作物進行識別，確定植株保護區(qū)域和株間除草區(qū)域，并控制橫擺除草結(jié)構(gòu)與行間除草結(jié)構(gòu)在株間除草區(qū)域進行除草。本發(fā)明可降低株間除草裝置對牽引拖拉機跟蹤作物行精度的要求，減少了株間除草裝置對除草機器人或牽引拖拉機高精度跟蹤作物行的依賴，并可根據(jù)行距來選擇行間除草雙翼鏟的寬度來適應(yīng)不同行距栽培作物的行間區(qū)域除草。
文檔編號A01B39/20GK102138377SQ20111003593
公開日2011年8月3日 申請日期2011年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月11日
發(fā)明者周志艷, 張國忠, 張智剛, 曾山, 羅錫文, 胡煉, 臧英, 趙祚喜 申請人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)