專利名稱：高效除草機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種高效除草機器人，尤其是一種能夠同時清除農作物行內和行間雜
草的智能除草機器人，屬于農業機械應用技術領域。
背景技術：
除草機器人，顧名思義，其作用是在農作物的苗期，自動地清除農田雜草。適用于 按行種植的作物，例如玉米、棉花和大豆等。在這樣的農田里，根據空間分布特征，雜草可以 分為"行間雜草"和"行內雜草"。所謂"行間雜草"就是指生長在兩個作物行之間的雜草； 而"行內雜草"則是指生長在一個作物行內的雜草，也就是與作物同在一行的雜草。
目前，農田化學除草主要采用噴霧方法。可以用噴霧機施藥，也可以用航空施藥。 普通噴霧方法的優點是效率高，缺點是除草劑浪費嚴重，并容易污染環境。
隨著公眾環保意識的增強，國內外開始研究精確除草方法。處于研究階段的有智 能噴霧機、除草機器人等。智能噴霧機先識別地面雜草，然后再向雜草噴灑除草劑。也就是 說，智能噴霧機的"智能"體現在，它可以有選擇地噴霧；而普通噴霧機則沒有選擇性，只能 將整個農田均勻地噴灑一遍農藥。所以，智能噴霧機在一定程度上節約了除草劑，減少了環 境污染。但是，噴霧方法(無論是普通噴霧機還是智能噴霧機)的共同缺點是容易產生"霧 滴飄移"現象，而且不可避免地會將除草劑噴灑到土壤表面，進而導致污染。智能噴霧機與 除草機器人都是智能除草機械，但是，前者必須由人駕駛，后者則能夠自動行走。
采用除草機器人清除雜草，目前有幾種方法化學除草和機械除草等。所謂化學除 草就是施用除草劑；所謂機械除草就是采用機械工具"鏟除"雜草。目前，一般采用噴霧方 法施用除草劑。本申請人前期提出采用切割與涂抹相結合的施藥方法(先切割雜草，然后 在雜草的切口上涂抹除草劑，參見申請號為200520072695. 0、名稱為《切割與涂抹相結合的 除草裝置》的中國專利)。與噴霧方法相比，涂抹施藥沒有霧滴飄移現象。與單純的涂抹方 法(將除草劑涂抹在雜草莖葉上)相比，切割與涂抹相結合的施藥方法則進一步提高了除 草劑的藥效，極大地降低了除草劑用量，保護了環境。 目前，國內外對農田精確除草方法的研究局限于要么只針對行間雜草，要么只針 對行內雜草。 精確除草(無論是化學除草還是機械除草)的前提是識別雜草，也就是將雜草從 背景中識別出來。 一般采用機器視覺和數字圖像處理方法識別(檢測)雜草。識別過程中 可以利用的特征包括色彩特征、空間分布特征、多光譜特征、形狀特征等。 一般可以利用色 彩特征將雜草從土壤背景中分離出來，也就是說，可以利用色彩特征識別行間雜草。因為在 兩個作物行之間，只有雜草是綠色的。 在作物行的行內，雜草和作物都是綠色，所以，難以僅僅依靠色彩特征加以區別。
也就是說，行內雜草的識別難度很大。在作物行內，關鍵是要將雜草和作物區別開來，識別 出雜草和識別出作物是等價的。將雜草和作物區別開來的方法有多種，包括空間分布特征、
多光譜特征、形狀特征等。但是，到目前為止，沒有一個方法能徹底解決問題。因為每一種
3方法都有其局限性。而且，計算機進行雜草識別或作物識別都需要耗費機時，復雜的識別算 法將耗費更多的機時，從而影響精確除草的實時性，使得智能噴霧機或除草機器人只能以 緩慢的速度行駛，工作效率不高，無法推廣應用。 在前面眾多的精確除草概念中，如果是化學除草，就是先識別雜草，然后將噴頭對 準雜草目標施藥。如果是機械除草，就是先識別雜草，然后將除草的機械工具伸過去鏟除雜 草。但是從前面的分析中可以看出，識別雜草很不容易，因此至今在行內雜草的清除一直是 未解決好的難題。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對以上現有技術存在的缺點，提出一種能夠同時 對作物行內和行間雜草進行清除的高效除草機器人。 為了解決以上技術問題，本發明的技術方案為一種高效除草機器人，含有安置在 具有定向驅動機構小車上的自動導航和雜草識別攝像裝置以及控制系統；所述自動導航和 雜草識別攝像裝置的輸出端接控制系統的圖像信號輸入端；所述控制系統的行進控制輸出 端接所述定向驅動機構的受控端，除草控制輸出端接除草裝置的受控端；所述除草裝置包 括安置在小車下的行間切割涂抹除草機構，還包括行內除草機構；所述行內除草機構主要 由左、右水平氣缸，左、右垂直氣缸和左、右末端執行器構成；所述左、右水平氣缸的缸體分 別安置在小車底部，左、右水平氣缸的水平活塞桿分別與左、右垂直氣缸安裝架固連；所述 左、右垂直氣缸安裝架的上端安置在小車上的水平軌道內，構成移動副；所述左、右垂直氣 缸的缸體分別安置在左、右垂直氣缸安裝架上，左、右垂直氣缸的垂直活塞桿的下端分別與 底部裝有電動圓盤鋸的左、右末端執行器連接。 本發明的高效除草機器人對于行間雜草，采用持續運轉的切割涂抹除草機構在小
車行進過程中施藥滅除；對于行內雜草，由于左、右末端執行器可以在受控于控制系統的
水平與垂直氣缸驅動下分別作上下及水平移動，因此機器人小車移動到接近作物植株而被
雜草識別攝像裝置發現后，控制系統將通過左、右水平與垂直氣缸分別使兩末端執行器左、
右移動分開，以瞬態間距避讓作物植株，在繞過植株后，兩末端執行器由分開位置恢復到靠
近位置，即由瞬態間距恢復為穩態間距，且向下運動，借助底部的電動圓盤鋸將行內雜草除
去，之后向上運動復位。由此循環往復，即可完成對作物行內和行間雜草進行清除。 由此可見，采用本發明的以上技術方案后，可以同時實現對行內和行間雜草的清
除，并且工作速度快，除草效率高，從而徹底解決了行內雜草的清除難題。與噴霧機除草相
比，本發明無需巨大的水箱，大大減輕了機器人負載，并且不會因霧滴飄移而污染環境。
下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
圖1為本發明實施例一的工作狀態立體結構示意圖。 圖2為本發明實施例一中行內除草機構結構示意圖。 圖3為本發明實施例一中末端執行器結構示意圖。 圖4為本發明實施例一中行間切割涂抹機構立體結構示意圖。
具體實施方式
實施例一 本實施例的高效除草機器人如圖l所示，包括垂直氣缸2、雜草識別攝像頭3、自動 導航攝像頭4、除草劑涂抹輥5、雜草切割輥6、水平氣缸7、末端執行器8等。圖中l表示作 物1、9表示雜草。其基本構成為除草機器人的行進依靠四輪小車，前輪驅動，后輪隨動，并 采用經典的麥弗遜懸架(詳見《汽車構造_底盤工程》，清華大學出版社2008. 3出版，普通 高等教育"十一五"國家級規劃教材P185 P186，或《汽車構造(下冊)(第四版)》，人民 交通出版社2002. 2出版，P250 P251)。機器人的動力由蓄電池提供，車載嵌入式控制系 統用于識別雜草、自動導航以及機器人運動控制等(參見《農業機械學報》2005年10月刊， 第36巻第10期，第91頁起；《農業機械學報》2008年3月刊，第39巻第3期，第106頁起； 《農業工程學報》2009年4月刊，第25巻第4期，第108頁起；以及《南京林業大學碩士論文 集》P34 P37，P42 P50 "除草機器人設計與控制")。在導航系統的控制下，除草機器人 沿著農作物的行前進，末端執行器8采用機械的方法鏟除行內雜草，涂抹除草劑的滾子5和 切割雜草的滾子6則對行內雜草進行化學除草(切割并涂抹除草劑)。各組成部分的相互 關系為具有定向驅動機構的四輪小車上安置自動導航攝像頭4和雜草識別攝像頭3以及 控制系統(圖中未示)。自動導航和雜草識別攝像頭的輸出端接控制系統的圖像信號輸入 端，控制系統的行進控制輸出端接定向驅動機構的受控端，除草控制輸出端接除草裝置的 受控端，這些與記載在上述文獻(尤其是"除草機器人設計與控制")的現有技術類同，不展 開表述。除草裝置包括安置在小車下的行間切割涂抹除草機構——由除草劑涂抹輥5和雜 草切割輥6組成，還包括行內除草機構。 行內除草機構的具體結構如圖2所示，主要由左、右水平氣缸7，左、右垂直氣缸2 和左、右末端執行器8構成。左、右水平氣缸7的缸體分別固定安置在小車底部的掛架11 上，左、右水平氣缸7的水平活塞桿分別與左、右垂直氣缸安裝架13固連。左、右垂直氣缸 安裝架13的上端安置在小車上的矩形截面水平軌道2內，構成移動副。左、右垂直氣缸2 的缸體分別固定安置在左、右垂直氣缸安裝架13上，左、右垂直氣缸2的垂直活塞桿的下端 分別與底部裝有電動圓盤鋸的左、右末端執行器8連接。 末端執行器8的具體結構如圖3所示，由圓鋸盤8-l、外殼8-2、滑動套8_3、軸承 8-4、電機8-5、空心軸8-6、復位彈簧8-7等構成。空心軸8_6由上、下軸承4支承在滑動套 8-3中，上端與電機8-5的輸出軸連軸，下端安裝圓鋸盤8-1，滑動套8-3與固定在垂直氣缸 安裝架13上的外殼8-2構成垂向移動副。滑動套8-3的下端與外殼8-2之間裝有復位彈 簧8-7。軸承8-4的內圈與空心軸8-6緊配，軸承8-4的外圈與滑動套8_3緊配。圓鋸盤 8-l、滑動套8-3、軸承8-4、電機8-5、空心軸8_6構成一體。電機8_5通過空心軸8_6驅動 圓鋸盤8-l轉動。圓鋸盤8-l的上、下運動是這樣實現的垂直氣缸活塞桿壓迫滑動套8-3 的上端，使得滑動套8-3在外殼8-2的內孔中向下滑動，同時壓縮滑動套8-3下端的復位 彈簧8-7 ;當垂直氣缸停止工作時，復位彈簧8-7驅動滑動套8-3向上復位。當雜草識別攝 像頭3、將圖像信息輸入到控制系統后，通過圖像處理判斷輸出控制信號，使垂直氣缸推動 末端執行器向下運動，借助圓鋸盤鏟除雜草。如果沒有識別到雜草，末端執行器就不向下運 動，而與地面保持一定距離。當末端執行器接近作物植株時，水平氣缸驅使兩末端執行器沿 水平導軌移動，分離開來，避讓植株，越過植株后，末端執行器之間的間距又恢復為較小的間距。 行間切割涂抹除草機構的具體結構如圖4所示，主要由分別與驅動電機5'、6'連 軸的平行除草劑涂抹輥5和雜草切割輥6組成。雜草切割輥6外圓表面具有刀刃(或"毛 剌")，高速旋轉時切割雜草莖葉；除草劑涂抹輥5外圓表面包裹"海綿"(用于吸存除草劑)， 旋轉時往切割后的雜草莖葉上涂抹除草劑。在垂直方向上，雜草切割輥6的軸線高于除草 劑涂抹輥5的軸線，而且兩輥與地面距離恒定，大約4-6厘米(可以觸及雜草，但是不觸及 地面)，長度與作物的行間距適配，所以在水平前進時，可以對所有的行間雜草先切割后施 藥。如果地面沒有雜草，兩個滾子就不會觸及雜草，也就不會施藥，沒有除草劑消耗。如果 地面有雜草，就會"超低空"切割雜草并涂抹除草劑。這樣，對于行間雜草，無需圖像處理就 實現了精確施藥，簡捷高效。 鑒于雜草種類繁多，而特定作物數量有限(如玉米、大豆、棉花等)，本實施例采用 與眾不同的思路。對于行內雜草，不直接識別雜草，而是改為識別作物。在雜草和作物同時 存在的作物行內，識別出作物就可以為后續的精確除草提供依據。行內雜草，本實施例借助 末端執行器，以機械方法除去。兩末端執行器初始間距較小(稱為穩態間距)，在兩個作物 植株之間，保持穩態間距。當隨著機器人小車水平移動到接近作物植株時，兩末端執行器分 別受控左、右分開，間距擴大，以避讓作物植株(稱為瞬態間距)。繞過植株后，間距又恢復 為穩態間距，再次接近植株時又變成瞬態間距，如此反復，就可以避讓植株；而末端執行器 向下運動時可以"鏟除"雜草，向上運動時則復位。從而妥善地解決了行內除草的難題，并 實現了精確去除。 對于行間雜草，本實施例不作圖像處理，以持續運轉的切割涂抹除草機構在小車 行進過程中切割施藥，精確滅除。采用切割與涂抹相結合的施藥方法在沒有雜草的地方不 施藥，因此十分經濟。由于不需要圖像處理，所以成本大為降低，除草速度顯著提高。
理論和實踐可以證明，在本實施例的機器人前進過程中，行內雜草與行間雜草分 別被機械和化學方法同時精確清除，整機工作效率高、節省農藥、有利于環境保護。
歸納起來，本實施例具有以下突出的創新之處 (1)現有技術的相關研究成果知識集中于某個別問題，而未能將各專業綜合起來， 形成一個完整的系統，尤其是行內與行間同時除草。
(2)其他現有研究思路均著眼于挖空心思地嘗試不同的昂貴傳感器、設計不同的
算法去識別行間雜草；而本實施例將這些工作都免了，對于行間除草，不需要圖像處理，結
果不僅減少了工作量，而且顯著降低了機器人的成本開支。
(3)對于行內除草，采用了具有獨特運動機理的末端執行器。
權利要求
一種高效除草機器人，含有安置在具有定向驅動機構小車上的自動導航和雜草識別攝像裝置以及控制系統；所述自動導航和雜草識別攝像裝置的輸出端接控制系統的圖像信號輸入端；所述控制系統的行進控制輸出端接所述定向驅動機構的受控端，除草控制輸出端接除草裝置的受控端；所述除草裝置包括安置在小車下的行間切割涂抹除草機構，其特征在于還包括行內除草機構；所述行內除草機構主要由左、右水平氣缸，左、右垂直氣缸和左、右末端執行器構成；所述左、右水平氣缸的缸體分別在安置小車底部，左、右水平氣缸的水平活塞桿分別與左、右垂直氣缸安裝架固連；所述左、右垂直氣缸安裝架的上端安置在小車上的水平軌道內，構成移動副；所述左、右垂直氣缸的缸體分別安置在左、右垂直氣缸安裝架上，左、右垂直氣缸的垂直活塞桿的下端分別與底部裝有電動圓盤鋸的左、右末端執行器連接。
2. 根據權利要求1所述的高效除草機器人，其特征在于所述末端執行器主要由圓鋸 盤、外殼、滑動套、電機、空心軸構成；所述空心軸由軸承支承在滑動套中，上端與電機的輸 出軸連軸，下端安裝圓鋸盤；所述滑動套與固定在垂直氣缸安裝架上的外殼構成垂向移動 副。
3. 根據權利要求2所述的高效除草機器人，其特征在于所述滑動套的下端與外殼之 間裝有復位彈簧。
4. 根據權利要求3所述的高效除草機器人，其特征在于所述軸承的內圈與空心軸緊 配，外圈與滑動套緊配。
5. 根據權利要求1或4所述的高效除草機器人，其特征在于所述行間切割涂抹除草 機構主要由分別與驅動電機連軸的平行除草劑涂抹輥和雜草切割輥組成，所述雜草切割輥 外圓表面具有刀刃，所述除草劑涂抹輥外圓表面包裹海綿。
6. 根據權利要求5所述的高效除草機器人，其特征在于所述。雜草切割輥的軸線高 于除草劑涂抹輥的軸線，兩輥長度與作物的行間距適配。
全文摘要
本發明涉及一種高效除草機器人，屬于農業機械應用技術領域。該機器人含有自動導航和雜草識別攝像裝置以及控制系統；除草裝置包括安置在小車下的行間切割涂抹除草機構，還包括行內除草機構；行內除草機構的左、右水平氣缸的缸體分別安置小車底部，左、右水平氣缸的水平活塞桿分別與左、右垂直氣缸安裝架固連；左、右垂直氣缸安裝架的上端安置在小車上的水平軌道內，構成移動副；左、右垂直氣缸的缸體分別安置在左、右垂直氣缸安裝架上，左、右垂直氣缸的垂直活塞桿的下端分別與底部裝有電動圓盤鋸的左、右末端執行器連接。本發明可以同時實現對行內和行間雜草的清除，并且工作速度快，除草效率高，從而徹底解決了行內雜草的清除難題。
文檔編號A01M21/02GK101707992SQ20091023378
公開日2010年5月19日 申請日期2009年10月15日 優先權日2009年10月15日
發明者孫曼麗, 陳勇 申請人:南京林業大學