專利名稱：一種智能化株行間機械除草機的制作方法
技術領域：
本發明涉及農業機械領域，特別涉及ー種智能化株行間機械除草機。
背景技術：
目前農業生產中對于雜草的控制，大都采用化學藥劑，但化學藥劑的殘留毒性會給作物和土壌造成一定的環境污染，所以近年來，機械除草方式開始受到越來越多的重視。對于株間區域的雜草控制有ー些報道，如指形除草裝置(Leinonen et al.，2004)、刷狀除草裝置(Kouwenhoven, 1997),但這些除草裝置都難以有效控制株間區域的雜草。奧斯納布呂克大學(OsnabrueckUnivesity)與Amazone Werke聯合開發了八爪擺線鋤株間除草裝置，但其對圍繞作物周圍18mm寬的區域內的雜草無法控制，如果稍有調整不當就會對作物造成損傷，并且受土壤影響較大，不能避免較大土塊損傷作物(Dedousis, 2007)。英國開發了缺ロ圓盤鋤(Tillett et al.，2008)、丹麥開發了轉齒除草裝置(Gri印entrog，2006)、旋轉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)，但都需要安裝在具有導航功能的牽引平臺上或智能機器人上才能實現機械除草功能，而且價格較昂貴。目前，對于不依賴于農業機器人、可由駕駛員操縱的拖拉機牽引的智能化株行間機械除草機械的研究還甚少，更無成熟的株行間除草機械。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中存在的缺點，提供ー種操作簡單、成本低、適用于由駕駛員操縱的農用拖拉機牽引的智能化株行間機械除草機。本發明的目的通過下述技術方案實現ー種智能化株行間機械除草機，包括機架、作物識別機器視覺系統、橫移補償控制系統、深度調節系統和株行間除草裝置；所述機架2的一端固定有三點懸掛機構I,除草機通過所述三點懸掛機構I與農用拖拉機的三點懸掛機構相連接，由農用拖拉機過牽引除草機前行；機架2的左右兩邊分別設有左車輪5和右車輪17 ；所述作物識別機器視覺系統包括攝像機和圖像處理器3，圖像處理器從攝像機上獲取作物圖像，經圖像處理后將作物信息提供給橫移補償控制系統和株行間除草裝置，攝像機和圖像處理器3置于固定在機架2上的支架4上；所述橫移補償控制系統包括橫移補償平行機構6、液壓油缸18和控制器，橫移補償平行機構6安裝于機架2的另一端，液壓油缸18與橫移補償平行機構6的相鄰兩邊相連接，控制器用于控制液壓油缸18的伸長量或縮短量；所述深度調節系統包括深度調節機構7、深度調節手柄8、仿形地輪15和距離傳感器16，深度調節機構7與橫移補償機構6相連接，深度調節手柄8的螺桿通過深度調節機構7上的螺紋孔，末端與仿形地輪15的支架相連接，旋轉深度調節手柄8可以調節深度調節機構7的后端與地面的距離；距離傳感器16安裝于仿形地輪15的滾動軸上；
所述株行間除草裝置包括株行間除草機構12和除草爪齒14，株行間除草機構支架13和液壓馬達安裝座9固定于深度調節機構7的后端，株行間除草機構支架13上安裝有株行間除草機構12，安裝在液壓馬達安裝座9上的液壓馬達10通過萬向節11與株行間除草機構12相連接，除草爪齒14安裝在株行間除草機構12上。所述株行間除草機構12包括主軸24、編碼盤19和軌道圓盤29，主軸24上套有右同步帶輪23，編碼盤19的旋轉軸上套有左同步帶輪21，右同步帶輪23的轉動通過同步帶22準確傳動至左同步帶輪21，編碼盤19的外殼安裝于固定在頂端固定架27的編碼盤安裝座20上，編碼盤19用于測量主軸的旋轉轉速和旋轉角度；軌道圓盤29與頂端固定架27通過螺絲緊固于一體，均不隨主軸24旋轉；主軸24上套有安裝于軸承臺座內的主軸下軸承28和主軸上軸承26，主軸下軸承28位于軌道圓盤29的下端，主軸上軸承26位于頂端固定架27的上端，主軸24上固定有主軸緊固螺母25，使得主軸24僅能旋轉而不能上下移動。所述株行間除草機構12包括爪齒控制塊30和底圓盤33，底圓盤33通過底圓盤鍵34和底圓盤緊固螺絲35固定于主軸24的底部；位于底圓盤33上方的控制塊滑動座32通過控制塊滑動座鍵36安裝于主軸24上，爪齒控制塊30置于控制塊滑動座32上，控制塊滑動座鍵36確保控制塊滑動座32隨主軸24、底圓盤33和除草爪齒14同步旋轉；除草爪齒14的中部通過銷38與底圓盤33連接，除草爪齒14的頂端為長槽形孔，通過銷38與爪齒控制塊30連接形成關節。每根除草爪齒14可繞各自的銷38轉動，除草爪齒14通過銷38和底圓盤33、爪齒控制塊30 —起隨主軸24旋轉。所述爪齒控制塊30與控制塊滑動座32采用梯形槽配合。每個爪齒控制塊30可獨自在控制塊滑動座32的徑向方向上進行往復直線運動當爪齒控制塊30向控制塊滑動座32中心方向運動時，可以拉動除草爪齒14的頂端向內運動，除草爪齒14中部繞銷38轉動使除早爪齒14的尖ゑ而向外運動；相反，當爪齒控制塊30向控制塊滑動座32中心方向的反方向運動時，除草爪齒14的尖端向內運動。所述爪齒控制塊30上裝有一個沿軌滾動軸承37，沿軌滾動軸承37與軌道圓盤29相契合，沿軌滾動軸承37隨著主軸24的轉動沿著軌道圓盤29的軌道內壁滾動。所述軌道圓盤29上有兩條軌道；一條為圓形軌道A ;另一條軌道B位于軌道圓盤29的右半部分，是由一段圓弧軌道和兩段直線軌道組成的軌道，其中圓弧軌道的半徑與圓形軌道A的半徑一致，但圓心位置從圓形軌道A圓心平移了一定距離，再通過兩段直線軌道與圓形軌道A相切；在圓形軌道A和軌道B的分離處安裝有切換軌道器39 ;在圓形軌道A和軌道B的合并處安裝有合軌器41 ;軌道切換控制座40安裝于切換軌道器39上，是控制切換軌道器39位置切換的驅動カ作用點。沿軌滾動軸承37在軌道內沿軌道內壁順時鐘滾動，當沿軌滾動軸承37在圓形軌道A內運行吋，除草爪齒14的尖端在地面的運動軌跡為余擺線，可實現株行間除草，因此稱軌道A為除草軌道；當沿軌滾動軸承37在軌道B內運行吋，除草爪齒14的尖端不能進入株間區域，可以保護作物苗不受除草爪齒14的傷害，因此可以將軌道B稱為避苗軌道。除草爪齒14是否進入株間區域由沿軌滾動軸承37運行的軌道決定，而沿軌滾動軸承37的運 行軌道由切換軌道器39決定。切換軌道器39上有一段與圓形軌道A半徑相同的弧形軌道，當在軌道切換控制座40上施加作用力控制切換軌道器39撥動至圓弧軌道與圓形軌道A結合吋，形成ー個平滑的圓形軌道，此時沿軌滾動軸承37在主軸24旋轉驅動下沿圓形軌道內壁滾動，除草爪齒14的除草區域為株間和行間。當切換軌道器39撥動至圓弧軌道與軌道B即避苗軌道連接吋，圓形軌道A的左半部分與避苗軌道連通，此時沿軌滾動軸承37在主軸24旋轉驅動下沿左半部分圓形軌道壁和右半部分避苗軌道滾動，除草爪齒14尖端不進入株間區域，避開作物苗。沿軌滾動軸承37從圓形軌道的右半部分或避苗軌道運動到圓形軌道A和避苗軌道合并處附近時，合軌器41由沿軌滾動軸承37自動撥動形成平滑軌道使沿軌滾動軸承37平穩進入圓形軌道A的左半部分；當從圓形軌道的右半部分進入左半部分時，合軌器41撥至下方，合并處形成一段平滑的圓形軌道；當從避苗軌道進入圓形軌道左半部分時，合軌器41撥至上方，合并處形成一段直線軌道，其兩端分別與圓形軌道和避苗軌道相切。 所述株行間除草機構12還包括外殼31，外殼31的頂端固定于頂端固定架27上，株行間除草機構12的轉動部件均被罩于外殼31內。所述智能化株行間機械除草機的實現方法是作物識別機器視覺系統通過攝像機獲取照片，經圖像處理后識別出作物，提取出作物行信息、每顆作物位置信息；橫移補償控制系統根據作物行信息和除草機與作物行相對位置關系，控制液壓油缸18調節株行間除草裝置跟隨作物行，減少拖拉機航向變化的影響；株行間除草裝置根據作物位置、除草機位置、前進速度、除草爪齒14旋轉速度，控制每根除草爪齒14是進入株間區域還是避讓作物；深度調節系統用于控制除草爪齒14的入土深度，仿形地輪15用于控制除草爪齒14的入土深度一致。本發明與現有技術相比具有如下優點和效果(I)本發明通過作物識別機器視覺系統獲得作物行和每株作物位置信息，采用單根可控制的除草爪齒進行株間除草和作物避讓，橫移補償控制系統保證株行間除草裝置跟隨作物行，通過深度調節系統控制除草深度，可以適應不同的環境，達到機械除草的要求。(2)本發明對牽引拖拉機跟蹤作物行精度的要求低，可以減少株行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性。
圖I為智能化株行間機械除草機的主視2為智能化株行間機械除草機的俯視3為株行間除草裝置的主視4為軌道圓盤上的軌道示意5為切換軌道器的俯視6為切換軌道器的側視7為合軌器的示意8為爪齒控制塊在控制塊滑動座上的分布9為爪齒控制塊與控制塊滑動座配合的剖面示意10為智能化株行間機械除草機的田間作業示意中，I.三點懸掛機構、2.機架、3.攝像機和圖像處理器、4.支架、5.左車輪、6.橫移補償機構、7.深度調節機構、8.深度調節手柄、9.液壓馬達安裝座、10.液壓馬達、
11.萬向節、12.株行間除草機構、13.株行間除草機構支架、14.除草爪齒、15.仿形地輪、16.距離傳感器、17.右車輪、18.液壓油缸、19.編碼盤、20編碼盤安裝座、21.左同步帶輪、22.同步帶、23.右同步帶輪、24.主軸、25.主軸緊固螺母、26.主軸上軸承、27.頂端固定架、28.主軸下軸承、29.軌道圓盤、30.爪齒控制塊、31.外殼、32.控制塊滑動座、33.底圓盤、34.底圓盤鍵 、35.底圓盤緊固螺絲、36.控制塊滑動座鍵、37.沿軌滾動軸承、38.銷、39.切換軌道器、40.軌道切換控制座、41.合軌器。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明做進ー步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。實施例I如圖I至圖10所示，本實施例是ー種智能化株行間機械除草機，包括機架、作物識別機器視覺系統、橫移補償控制系統、深度調節系統和株行間除草裝置。所述機架2的一端固定有三點懸掛機構I,除草機通過所述三點懸掛機構I與農用拖拉機的三點懸掛機構相連接，由農用拖拉機過牽引除草機前行。機架2的左右兩邊分別設有左車輪5和右車輪17。所述作物識別機器視覺系統包括攝像機和圖像處理器3，圖像處理器從攝像機上獲取作物圖像，經圖像處理后將作物信息提供給橫移補償控制系統和株行間除草裝置，攝像機和圖像處理器3置于固定在機架2上的支架4上，支架4與地面有一定高度。作物識別機器視覺系統可以實時獲取和處理照片，提供作物位置信息。所述橫移補償控制系統包括橫移補償平行機構6、液壓油缸18和控制器。橫移補償平行機構6為平行四邊行結構，安裝于機架2的另一端。液壓油缸18與橫移補償平行機構6的相鄰兩邊相連接。控制器用于控制液壓油缸18的伸長量或縮短量，控制器根據當前機架與作物行的相對位置(橫向偏差)調節液壓油缸18的伸長量或縮短量使平行四邊行機構向右或左移動，從而補償拖拉機航向變化帶來的橫向偏差，保證后端的深度調節機構和株行間除草裝置沿作物前行。所述深度調節系統包括深度調節機構7、深度調節手柄8、仿形地輪15和距離傳感器16。深度調節機構7為平行四邊行結構，與橫移補償機構6相連接。深度調節手柄8的螺桿通過深度調節機構7上的螺紋孔，末端與仿形地輪15的支架相連接，旋轉深度調節手柄8可以調節深度調節機構7的后端與地面的距離；距離傳感器16安裝于仿形地輪15的滾動軸上；所述株行間除草裝置包括株行間除草機構12、8個除草爪齒14、主軸24、編碼盤19、軌道圓盤29、爪齒控制塊30、底圓盤33和外殼31。株行間除草機構支架13和液壓馬達安裝座9固定于深度調節機構7的后端，株行間除草機構支架13上安裝有株行間除草機構12，安裝在液壓馬達安裝座9上的液壓馬達10通過萬向節11與株行間除草機構12相連接，除草爪齒14安裝在株行間除草機構12上，液壓馬達10的旋轉動カ通過萬向節11傳遞至株行間除草機構12的主軸24實現除草爪齒14的轉動。主軸24上套有右同步帶輪23，編碼盤19的旋轉軸上套有左同步帶輪21，右同步帶輪23的轉動通過同步帶22準確傳動至左同步帶輪21，編碼盤19的外殼安裝于固定在頂端固定架27的編碼盤安裝座20上，編碼盤19用于測量主軸的旋轉轉速和旋轉角度。軌道圓盤29與頂端固定架27通過螺絲緊固于一體,均不隨主軸24旋轉。主軸24上套有安裝于軸承臺座內的主軸下軸承28和主軸上軸承26，主軸下軸承28位于軌道圓盤29的下端，主軸上軸承26位于頂端固定架27的上端，主軸24上固定有主軸緊固螺母25，使得主軸24僅能旋轉而不能上下移動。底圓盤33通過底圓盤鍵34和底圓盤緊固螺絲35固定于主軸24的底部。位于底圓盤33上方的控制塊滑動座32通過控制塊滑動座鍵36安裝于主軸24上，爪齒控制塊30置于控制塊滑動座32上，控制塊滑動座鍵36確保控制塊滑動座32隨主軸24、底圓盤33和除草爪齒14同步旋轉。8根除草爪齒14的中部通過銷38與底圓盤33連接，除草爪齒14的頂端為長槽形孔，均通過銷38與爪齒控制塊30連接形成8個關節。每根除草爪齒14可繞各自的銷38轉動，除草爪齒14通過銷38和底圓盤33、爪齒控制塊30 —起隨主軸24旋轉；外殼31的頂端固定于頂端固定架27上，株行間除草機構12的轉動部件均被罩于外殼31內。
每個爪齒控制塊30與控制塊滑動座32采用梯形槽配合。每個爪齒控制塊30可獨自在控制塊滑動座32的徑向方向上進行往復直線運動當爪齒控制塊30向控制塊滑動座32中心方向運動時，可以拉動除草爪齒14的頂端向內運動，除草爪齒14中部繞銷38轉動使除早爪齒14的尖ゑ而向外運動；相反，當爪齒控制塊30向控制塊滑動座32中心方向的反方向運動吋，除草爪齒14的尖端向內運動。所述爪齒控制塊30上裝有一個沿軌滾動軸承37，沿軌滾動軸承37與軌道圓盤29相契合，沿軌滾動軸承37隨著主軸24的轉動沿著軌道圓盤29的軌道內壁滾動。所述軌道圓盤29上有兩條軌道；一條為圓形軌道A ;另一條軌道B位于軌道圓盤29的右半部分，是由一段圓弧軌道和兩段直線軌道組成的軌道，其中圓弧軌道的半徑與圓形軌道A的半徑一致，但圓心位置從圓形軌道A圓心平移了一定距離，再通過兩段直線軌道與圓形軌道A相切；在圓形軌道A和軌道B的分離處安裝有切換軌道器39 ;在圓形軌道A和軌道B的合并處安裝有合軌器41 ;軌道切換控制座40安裝于切換軌道器39上，它是控制切換軌道器39位置切換的驅動カ作用點。沿軌滾動軸承37在軌道內沿軌道內壁順時鐘滾動，當沿軌滾動軸承37在圓形軌道A內運行吋，除草爪齒14的尖端在地面的運動軌跡為余擺線，可實現株行間除草，因此稱軌道A為除草軌道；當沿軌滾動軸承37在軌道B內運行吋，除草爪齒14的尖端不能進入株間區域，可以保護作物苗不受除草爪齒14的傷害，因此可以將軌道B稱為避苗軌道。除草爪齒14是否進入株間區域由沿軌滾動軸承37運行的軌道決定，而沿軌滾動軸承37的運行軌道由切換軌道器39決定。切換軌道器39上有一段與圓形軌道A半徑相同的弧形軌道，當在軌道切換控制座40上施加作用力控制切換軌道器39撥動至圓弧軌道與圓形軌道A結合時，形成ー個平滑的圓形軌道，此時沿軌滾動軸承37在主軸24旋轉驅動下沿圓形軌道內壁滾動，除草爪齒14的除草區域為株間和行間。當切換軌道器39撥動至圓弧軌道與軌道B即避苗軌道連接吋，圓形軌道A的左半部分與避苗軌道連通，此時沿軌滾動軸承37在主軸24旋轉驅動下沿左半部分圓形軌道壁和右半部分避苗軌道滾動，除草爪齒14尖端不進入株間區域，避開作物苗。沿軌滾動軸承37從圓形軌道的右半部分或避苗軌道運動到圓形軌道A和避苗軌道合并處附近時，合軌器41由沿軌滾動軸承37自動撥動形成平滑軌道使沿軌滾動軸承37平穩進入圓形軌道A的左半部分；當從圓形軌道的右半部分進入左半部分時，合軌器41撥至下方，合并處形成一段平滑的圓形軌道；當從避苗軌道進入圓形軌道左半部分時，合軌器41撥至上方，合并處形成一段直線軌道，其兩端分別與圓形軌道和避苗軌道相切。
權利要求
1.一種智能化株行間機械除草機，其特征在于包括機架、作物識別機器視覺系統、橫移補償控制系統、深度調節系統和株行間除草裝置； 所述機架的一端固定有三點懸掛機構，除草機通過所述三點懸掛機構與農用拖拉機的三點懸掛機構相連接，由農用拖拉機來牽引除草機前行；機架的左右兩邊分別設有左車輪和右車輪； 所述作物識別機器視覺系統包括攝像機和圖像處理器，圖像處理器從攝像機上獲取作物圖像，經圖像處理后將作物信息提供給橫移補償控制系統和株行間除草裝置，攝像機和圖像處理器置于固定在機架上的支架上； 所述橫移補償控制系統包括橫移補償平行機構、液壓油缸和控制器，橫移補償平行機構安裝于機架的另一端，液壓油缸與橫移補償平行機構的相鄰兩邊相連接；控制器與液壓油缸相連接，用于控制液壓油缸的伸長量或縮短量； 所述深度調節系統包括深度調節機構、深度調節手柄、仿形地輪和距離傳感器，深度調節機構與橫移補償機構相連接；深度調節手柄的螺桿穿過深度調節機構上的螺紋孔，其末端與仿形地輪的支架相連接，深度調節手柄用于調節深度調節機構的后端與地面的距離；距離傳感器安裝于仿形地輪的滾動軸上； 所述株行間除草裝置包括株行間除草機構和除草爪齒，株行間除草機構支架和液壓馬達安裝座固定于深度調節機構的后端，株行間除草機構支架上安裝有株行間除草機構，安裝在液壓馬達安裝座上的液壓馬達通過萬向節與株行間除草機構相連接，除草爪齒安裝于株行間除草機構上。
2.根據權利要求I所述的智能化株行間機械除草機，其特征在于所述株行間除草機構包括主軸、編碼盤和軌道圓盤，主軸上套有右同步帶輪，編碼盤的旋轉軸上套有左同步帶輪，右同步帶輪與左同步帶輪之間通過同步帶連接以實現同步轉動，編碼盤的外殼安裝于固定在頂端固定架的編碼盤安裝座上，編碼盤用于測量主軸的旋轉轉速和旋轉角度；軌道圓盤與頂端固定架通過螺絲緊固于一體，均不隨主軸旋轉；主軸上套有安裝于軸承臺座內的主軸下軸承和主軸上軸承,主軸下軸承位于軌道圓盤的下端,主軸上軸承位于頂端固定架的上端，主軸上固定有主軸緊固螺母，使得主軸僅能旋轉而不能上下移動。
3.根據權利要求I或2所述的智能化株行間機械除草機，其特征在于所述株行間除草機構包括爪齒控制塊和底圓盤，底圓盤通過底圓盤鍵和底圓盤緊固螺絲固定于主軸的底部；位于底圓盤上方的控制塊滑動座通過控制塊滑動座鍵安裝于主軸上，爪齒控制塊置于控制塊滑動座上，控制塊滑動座鍵用于確保控制塊滑動座隨主軸、底圓盤和除草爪齒同步旋轉；除草爪齒的中部通過銷與底圓盤連接，除草爪齒的頂端為長槽形孔，通過銷與爪齒控制塊連接形成關節。
4.根據權利要求3所述的智能化株行間機械除草機，其特征在于所述爪齒控制塊與控制塊滑動座采用梯形槽配合，每個爪齒控制塊可獨自在控制塊滑動座的徑向方向上進行往復直線運動。
5.根據權利要求4所述的智能化株行間機械除草機，其特征在于所述爪齒控制塊上裝有一個沿軌滾動軸承，沿軌滾動軸承與軌道圓盤相契合，沿軌滾動軸承隨著主軸的轉動沿著軌道圓盤的軌道內壁滾動。
6.根據權利要求5所述的智能化株行間機械除草機，其特征在于所述軌道圓盤上有兩條軌道；一條為圓形軌道A;另一條軌道B位于軌道圓盤的右半部分，是由一段圓弧軌道和兩段直線軌道組成的軌道，其中圓弧軌道的半徑與圓形軌道A的半徑一致，但圓心位置從圓形軌道A圓心平移了一定距離，再通過兩段直線軌道與圓形軌道A相切；在圓形軌道A和軌道B的分離處安裝有切換軌道器；在圓形軌道A和軌道B的合并處安裝有合軌器；軌道切換控制座安裝于切換軌道器上，用于控制切換軌道器的位置切換。
7.根據權利要求2所述的智能化株行 間機械除草機，其特征在于所述株行間除草機構包括外殼，外殼的頂端固定于頂端固定架上，株行間除草機構的轉動部件均被罩于外殼內。
全文摘要
本發明公開一種智能化株行間機械除草機，包括機架、作物識別機器視覺系統、橫移補償控制系統、深度調節系統和株行間除草裝置。該智能化株行間機械除草機通過機架上的三點懸掛機構與農用拖拉機的三點懸掛機構連接，由拖拉機牽引前行；作物識別機器視覺系統用于提取作物行信息、每顆作物位置信息；橫移補償控制系統可以調節株行間除草裝置跟隨作物行；深度調節系統用于控制除草爪齒的入土深度，仿形地輪用于控制除草爪齒的入土深度一致；株行間除草裝置用于控制每根除草爪齒是進入株間區域還是避讓作物。本發明對牽引拖拉機跟蹤作物行精度的要求低，可以減少株行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性。
文檔編號A01B39/18GK102612874SQ20121006011
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月8日 優先權日2012年3月8日
發明者嚴乙桉, 張智剛, 張龍, 曾山, 羅錫文, 胡煉, 臧英, 陳雄飛 申請人:華南農業大學