本發(fā)明涉及一種基于影像識別技術(shù)的除草機(jī)器人，屬于農(nóng)用機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

我國一直被認(rèn)為是農(nóng)業(yè)大國，80％的人口是農(nóng)民，人均土地?fù)碛辛亢苌?，農(nóng)業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化的需求不像發(fā)達(dá)國家那么迫切，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展非常滯后。而如今我國已經(jīng)悄然進(jìn)入了人口老齡化時(shí)期，再加之城鎮(zhèn)化進(jìn)程的政策影響下，農(nóng)村的勞動(dòng)力數(shù)量大大減少。這也使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本在不斷的提高，農(nóng)民的工作強(qiáng)度也越來越重。

目前,我國在大田除草的生產(chǎn)環(huán)節(jié)方面主要使用化學(xué)藥劑除草和人工除草的方式,其特點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度大、耗時(shí)費(fèi)力、效率低、效果欠佳，除草工作完成后，幼苗仍受不同程度的草害威脅。濫用農(nóng)藥也很大程度上造成了農(nóng)民的直接或間接經(jīng)濟(jì)損失(如：人身中毒、農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留量超標(biāo)、環(huán)境污染、藥害、生物鏈破壞、農(nóng)藥浪費(fèi)等)隨著人們生活水平的提高，人們不僅滿足于解決溫飽問題，并開始對自己賴以生存的環(huán)境越來越重視，對食品的安全越來越關(guān)注。同時(shí)，由于使用不當(dāng)，農(nóng)藥大量飄移流失，農(nóng)藥有效利用率僅為30％左右(發(fā)達(dá)國家可達(dá)60～70％)。在大量浪費(fèi)了農(nóng)藥的同時(shí)，還造成了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重污染。

國外從20世紀(jì)50年代開始了對機(jī)械除草技術(shù)的研究。在行間機(jī)械除草方面，出現(xiàn)了各種樣式的保護(hù)性耕作農(nóng)機(jī)具如旋轉(zhuǎn)鋤、齒形除草耙、各種形狀的除草鏟和籃狀除草裝置等。在株間除草機(jī)具方面，提出了指形除草機(jī)、扭桿除草機(jī)和刷狀除草機(jī)等機(jī)具。但在實(shí)際工作中，在株間雜草控制時(shí)容易損傷作物，對作物的損傷較大。目前，我國苗間機(jī)械除草主要工作部件形式有旋轉(zhuǎn)鋤式、水平圓盤式、垂直圓盤式、錐形圓盤式、輕耙式、鏈齒式等。雖然有對傳統(tǒng)的除草機(jī)械進(jìn)行改進(jìn)，但是仍然存在傷苗率高、除草效率低等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有除草機(jī)器人除草效率低、傷苗率高等技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于影像識別技術(shù)的除草機(jī)器人，所采取的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于影像識別技術(shù)的除草機(jī)器人，該除草機(jī)器人包括可移動(dòng)機(jī)架1，數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)控制裝置2和除草機(jī)械臂3，其中，數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)控制裝置2包括數(shù)據(jù)采集模塊21，數(shù)據(jù)處理模塊22和運(yùn)動(dòng)控制模塊23；除草機(jī)械臂3的上臂31連接在可移動(dòng)機(jī)架1上，上臂31通過可以沿前進(jìn)方向垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)的第一關(guān)節(jié)35與前臂32，前臂32通過第二關(guān)節(jié)36與可沿自身軸向伸縮的調(diào)節(jié)桿33上端連接，調(diào)節(jié)桿33的下端與垂直于調(diào)節(jié)桿33軸向的連接除草錕34相連；數(shù)據(jù)采集模塊21設(shè)置在可移動(dòng)機(jī)架1移動(dòng)方向的前端，可采集田間圖像信息并將圖像信息傳送給數(shù)據(jù)處理模塊22，數(shù)據(jù)處理模塊22進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后通過與機(jī)械臂1連接的運(yùn)動(dòng)控制模塊23鏟除雜草。

優(yōu)選地，所述可移動(dòng)機(jī)架1包括矩形框架11，連接支架12和移動(dòng)裝置13，其中，連接支架12的一端與矩形框架11的長邊固定連接，另一端平行于矩形框架11的短邊。

優(yōu)選地，所述移動(dòng)裝置13為滾輪，輪胎或履帶，以及其他可以在田壟間實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的裝置。

優(yōu)選地，除草機(jī)械臂3包括上臂31，前臂32，調(diào)節(jié)桿33，除草錕34，第一關(guān)節(jié)35和第二關(guān)節(jié)36，其中，上臂31的上端固定連接在連接支架12平行于矩形框架11短邊的側(cè)面上，下端通過第一關(guān)節(jié)35與前臂32連接，前臂32通過第二關(guān)節(jié)36與可沿自身軸向伸縮的調(diào)節(jié)桿33上端連接，調(diào)節(jié)桿33的下端與垂直于調(diào)節(jié)桿33軸向的連接除草錕34相連。

更優(yōu)選地，所述前臂32，第二關(guān)節(jié)36和調(diào)節(jié)桿33在一條垂直于地面的直線上。

優(yōu)選地，所述除草錕34包括主軸341以及同軸并列連接的葉桿滾輪342和葉片滾輪343，其中，其中，主軸341的軸向與地面平行，一端與調(diào)節(jié)桿33的末端連接，主軸341穿過葉桿滾輪342和葉片滾輪343的中心，可通過移動(dòng)帶動(dòng)葉桿滾輪342和葉片滾輪343上的葉片或葉桿轉(zhuǎn)動(dòng)，以便于通過葉桿和葉片的移動(dòng)翻動(dòng)秧苗附近的土壤，一方面可以鏟除雜草，另一方面還可增加土壤的疏松程度。

優(yōu)選地，所述調(diào)節(jié)桿33，設(shè)有與數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)控制裝置2連接的彈簧、螺紋或滑桿?；蛘咂渌梢酝ㄟ^控制調(diào)節(jié)高度的裝置。

優(yōu)選地，所述第一關(guān)節(jié)35，在上臂31的連接末端設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)，從而可使前臂32，調(diào)節(jié)桿33和除草錕34以該支點(diǎn)為中心轉(zhuǎn)動(dòng)。

優(yōu)選地，所述第二關(guān)節(jié)36，在上臂32的連接端或調(diào)節(jié)桿33的連接端設(shè)有軸承，從而可可使調(diào)節(jié)桿33和除草錕34或者連同第二關(guān)節(jié)36沿水平方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

更優(yōu)選地，數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)控制裝置2包括數(shù)據(jù)采集模塊21，數(shù)據(jù)處理模塊22和運(yùn)動(dòng)控制模塊23，其中，數(shù)據(jù)采集模塊21設(shè)置在矩形框架11連接有連接支架12的長邊底面上，數(shù)據(jù)采集模塊21的數(shù)據(jù)采集單元朝向地面，數(shù)量與連接支架12和機(jī)械臂3的數(shù)量相同，數(shù)據(jù)采集模塊21通過電線或接口與數(shù)據(jù)處理模塊22連接，數(shù)據(jù)處理模塊22具有數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)庫單元和控制指令生成單元，數(shù)據(jù)處理單元接收數(shù)據(jù)采集模塊21發(fā)送的信息，通過與數(shù)據(jù)庫單元進(jìn)行比對分析后生成處理信息，并將處理信息傳送給控制指令生成單元，由控制指令生產(chǎn)單元生成控制指令并將傳送給運(yùn)動(dòng)控制模塊23，運(yùn)動(dòng)控制模塊23與調(diào)節(jié)桿33、第一關(guān)節(jié)35、第二關(guān)節(jié)36和主軸341連接，以控制機(jī)械臂3的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而鏟除雜草并避開秧苗。

具體地，所述的數(shù)據(jù)采集模塊，可以是攝像頭或其他能夠?qū)崿F(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集的裝置。

本發(fā)明獲得的有益效果如下：

(1)本發(fā)明的除草機(jī)器人利用機(jī)器視覺導(dǎo)航技術(shù)引導(dǎo)除草機(jī)器人沿著農(nóng)作物種植方向行走,行走時(shí)利用機(jī)器視覺技術(shù)檢測農(nóng)作物行間作物位置，能夠有效降低除草機(jī)器人的傷苗率，傷苗率可控制在5％以下。

(2)本發(fā)明的除草機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)將動(dòng)力傳遞到除草部件。在滿足除草部件工作性能的前提下，還需快速響應(yīng)使設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到質(zhì)量輕和耐用度高等特點(diǎn)，除草效率高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明除草機(jī)器人應(yīng)用時(shí)的俯視結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明除草機(jī)器人應(yīng)用時(shí)的后視結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明除草機(jī)器人局部立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本發(fā)明除草機(jī)器人除草機(jī)械臂的正視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明除草機(jī)器人除草機(jī)械臂立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明除草機(jī)器人數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)控制裝置的連接控制示意圖。

圖7為在使用時(shí)本發(fā)明除草機(jī)器人機(jī)械臂的除草錕的運(yùn)動(dòng)軌跡及與田壟貼合的狀態(tài)；

其中，a,除草錕的運(yùn)動(dòng)軌跡；b,除草錕與田壟的貼合狀態(tài)。

圖中：1，可移動(dòng)機(jī)架；2，數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)控制裝置；3，除草機(jī)械臂；11，矩形框架；12，連接支架；13，移動(dòng)裝置；21，數(shù)據(jù)采集模塊；22，數(shù)據(jù)處理模塊；23，運(yùn)動(dòng)控制模塊；31，上臂；32，前臂；33，調(diào)節(jié)桿；34，除草錕；35，第一關(guān)節(jié)；36，第二關(guān)節(jié)；341，主軸；342，葉桿滾輪；343，葉片滾輪。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不受實(shí)施例的限制。

本發(fā)明所述材料、方法和儀器，未經(jīng)特殊說明，均為本領(lǐng)域常規(guī)材料、方法和儀器，本領(lǐng)域技術(shù)人員均可通過商業(yè)渠道獲得。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。圖1為本發(fā)明的除草機(jī)器人在使用過程中的俯視圖，圖2為后視圖，圖3為局部立體結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1-3中可以看出，本發(fā)明的除草機(jī)器人，主要由可移動(dòng)支架1，數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)裝置2以及除草機(jī)械臂3構(gòu)成。其中，可移動(dòng)支架1包括與拖拉機(jī)連接的平行于地面的矩形框架11，連接在矩形框架11前進(jìn)方向一側(cè)長邊上的連接支架12以及位于地面和矩形框架11之間的移動(dòng)裝置13。數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)裝置2也設(shè)置在矩形框架11前進(jìn)方向一側(cè)長邊上，不同的是設(shè)置在該長邊的下表面上。其中，采集數(shù)據(jù)信息的單元，可以是攝像頭，其方向指向地面，以便于采集地面信息。在這個(gè)實(shí)施方式中，移動(dòng)裝置13采用輪胎。值得注意的是，矩形框架11實(shí)際形狀為圓角矩形，此部件的形狀不限于圓角矩形和矩形，可以是其他適用于除草的形狀。其中，相鄰的連接支架12采用一長一短錯(cuò)落分布的方式設(shè)置。

圖4為本發(fā)明除草機(jī)器人除草機(jī)械臂的正視結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明除草機(jī)器人除草機(jī)械臂立體結(jié)構(gòu)示意圖。從圖4和圖5中可以看出，除草機(jī)械臂3主要是有上臂31，前臂32，調(diào)節(jié)桿33，除草錕34，第一關(guān)節(jié)35，第二關(guān)節(jié)36組成。其中，上臂31呈傾斜設(shè)置，上端固定在連接支架12上，下端通過第一關(guān)節(jié)35與前臂32連接。第一關(guān)節(jié)35與上臂31的連接端設(shè)置有支點(diǎn)，從而使得除草機(jī)械臂3的前臂32以下部分可以發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。前臂32的下端通過第二關(guān)節(jié)36與調(diào)節(jié)桿33連接。第二關(guān)節(jié)36與前臂32或調(diào)節(jié)桿33連接的任一一端上設(shè)有可以帶動(dòng)下面部分沿調(diào)節(jié)桿33徑向轉(zhuǎn)動(dòng)的軸承，以實(shí)現(xiàn)第二關(guān)節(jié)36以下部分的轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)節(jié)桿33中設(shè)有彈簧，可以使用不同高低的地形。調(diào)節(jié)桿33的下端通過與其軸向垂直的主軸341與除草錕34連接。除草錕34主要由主軸341，葉桿滾輪342和葉片滾輪343組成。其中，主軸341貫穿葉桿滾輪342和葉片滾輪343中心，以帶動(dòng)二者轉(zhuǎn)動(dòng)。葉桿滾輪342和葉片滾輪343采用并列式設(shè)計(jì)，葉桿滾輪342位于內(nèi)側(cè)(相對于調(diào)節(jié)桿33)，葉片滾輪343位于外側(cè)。葉桿滾輪342沿圓周方向設(shè)有葉桿，葉片滾輪343沿圓周方向設(shè)有葉片，葉桿和葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)可以出去雜草并翻動(dòng)土壤。

圖6為本發(fā)明除草機(jī)器人數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)控制裝置的連接控制示意圖。從圖6中可以看出，數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)控制裝置2包括數(shù)據(jù)采集模塊21，數(shù)據(jù)處理模塊22和運(yùn)動(dòng)控制模塊23。實(shí)際設(shè)置過程中，數(shù)據(jù)采集模塊21設(shè)置在矩形框架11連接有連接支架12的長邊底面上，數(shù)據(jù)采集模塊21的數(shù)據(jù)采集單元朝向地面，以進(jìn)行地面雜草及秧苗數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)采集模塊21的數(shù)量與連接支架12和機(jī)械臂3的數(shù)量相同，以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)控制。數(shù)據(jù)采集模塊21通過電線或接口與數(shù)據(jù)處理模塊22連接，以便于將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊22。數(shù)據(jù)處理模塊22具有數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)庫單元和控制指令生成單元，數(shù)據(jù)處理單元接收數(shù)據(jù)采集模塊21發(fā)送的信息，通過與數(shù)據(jù)庫單元進(jìn)行比對分析后生成處理信息，并將處理信息傳送給控制指令生成單元，由控制指令生產(chǎn)單元生成控制指令并將傳送給運(yùn)動(dòng)控制模塊23，運(yùn)動(dòng)控制模塊23與調(diào)節(jié)桿33、第一關(guān)節(jié)35、第二關(guān)節(jié)36和主軸341連接，以控制機(jī)械臂3的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖7為在使用時(shí)本發(fā)明除草機(jī)器人機(jī)械臂的除草錕的運(yùn)動(dòng)軌跡及與田壟貼合的狀態(tài)圖。其中圖7a是除草錕的運(yùn)動(dòng)軌跡，圖7b是除草錕與田壟的貼合狀態(tài)。從圖7b，除草錕34貼合在田壟的表面，兩者的間距控制在稍大于秧苗的直徑。由于一條田壟上的兩個(gè)除草錕采用一前一后設(shè)置，可有效避免除草錕34夾苗的情況發(fā)生。在使用過程中，數(shù)據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)控制裝置2的數(shù)據(jù)采集模塊21采集數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理模塊22進(jìn)行處理，并生成控制指令，運(yùn)動(dòng)控制模塊23再將指令傳送給調(diào)節(jié)桿33、第一關(guān)節(jié)35、第二關(guān)節(jié)36和主軸341，控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，以避讓秧苗。

本發(fā)明數(shù)除草機(jī)器人的據(jù)處理和運(yùn)動(dòng)控制裝置的原理是，先由數(shù)據(jù)采集模塊21中的攝像頭捕捉對象，再由數(shù)據(jù)處理模塊22對所捕捉到的對象的圖像進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過預(yù)處理后再提取所捕捉對象的特征信息，并將特征信息與數(shù)據(jù)庫單元中雜草和秧苗的特征新型進(jìn)行比對識別，最后對所捕捉對象進(jìn)行分類并生成動(dòng)作指令，再由運(yùn)動(dòng)控制模塊23強(qiáng)指令傳送給動(dòng)作執(zhí)行部件，執(zhí)行除草或避讓動(dòng)作。

雖然本發(fā)明已以較佳的實(shí)施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做各種改動(dòng)和修飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。