专利名称：高效除草机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高效除草机器人，尤其是一种能够同时清除农作物行内和行间杂
草的智能除草机器人，属于农业机械应用技术领域。
背景技术：
除草机器人，顾名思义，其作用是在农作物的苗期，自动地清除农田杂草。适用于 按行种植的作物，例如玉米、棉花和大豆等。在这样的农田里，根据空间分布特征，杂草可以 分为"行间杂草"和"行内杂草"。所谓"行间杂草"就是指生长在两个作物行之间的杂草； 而"行内杂草"则是指生长在一个作物行内的杂草，也就是与作物同在一行的杂草。
目前，农田化学除草主要采用喷雾方法。可以用喷雾机施药，也可以用航空施药。 普通喷雾方法的优点是效率高，缺点是除草剂浪费严重，并容易污染环境。
随着公众环保意识的增强，国内外开始研究精确除草方法。处于研究阶段的有智 能喷雾机、除草机器人等。智能喷雾机先识别地面杂草，然后再向杂草喷洒除草剂。也就是 说，智能喷雾机的"智能"体现在，它可以有选择地喷雾；而普通喷雾机则没有选择性，只能 将整个农田均匀地喷洒一遍农药。所以，智能喷雾机在一定程度上节约了除草剂，减少了环 境污染。但是，喷雾方法(无论是普通喷雾机还是智能喷雾机)的共同缺点是容易产生"雾 滴飘移"现象，而且不可避免地会将除草剂喷洒到土壤表面，进而导致污染。智能喷雾机与 除草机器人都是智能除草机械，但是，前者必须由人驾驶，后者则能够自动行走。
采用除草机器人清除杂草，目前有几种方法化学除草和机械除草等。所谓化学除 草就是施用除草剂；所谓机械除草就是采用机械工具"铲除"杂草。目前，一般采用喷雾方 法施用除草剂。本申请人前期提出采用切割与涂抹相结合的施药方法(先切割杂草，然后 在杂草的切口上涂抹除草剂，参见申请号为200520072695. 0、名称为《切割与涂抹相结合的 除草装置》的中国专利)。与喷雾方法相比，涂抹施药没有雾滴飘移现象。与单纯的涂抹方 法(将除草剂涂抹在杂草茎叶上)相比，切割与涂抹相结合的施药方法则进一步提高了除 草剂的药效，极大地降低了除草剂用量，保护了环境。 目前，国内外对农田精确除草方法的研究局限于要么只针对行间杂草，要么只针 对行内杂草。 精确除草(无论是化学除草还是机械除草)的前提是识别杂草，也就是将杂草从 背景中识别出来。 一般采用机器视觉和数字图像处理方法识别(检测)杂草。识别过程中 可以利用的特征包括色彩特征、空间分布特征、多光谱特征、形状特征等。 一般可以利用色 彩特征将杂草从土壤背景中分离出来，也就是说，可以利用色彩特征识别行间杂草。因为在 两个作物行之间，只有杂草是绿色的。 在作物行的行内，杂草和作物都是绿色，所以，难以仅仅依靠色彩特征加以区别。
也就是说，行内杂草的识别难度很大。在作物行内，关键是要将杂草和作物区别开来，识别 出杂草和识别出作物是等价的。将杂草和作物区别开来的方法有多种，包括空间分布特征、
多光谱特征、形状特征等。但是，到目前为止，没有一个方法能彻底解决问题。因为每一种
3方法都有其局限性。而且，计算机进行杂草识别或作物识别都需要耗费机时，复杂的识别算 法将耗费更多的机时，从而影响精确除草的实时性，使得智能喷雾机或除草机器人只能以 缓慢的速度行驶，工作效率不高，无法推广应用。 在前面众多的精确除草概念中，如果是化学除草，就是先识别杂草，然后将喷头对 准杂草目标施药。如果是机械除草，就是先识别杂草，然后将除草的机械工具伸过去铲除杂 草。但是从前面的分析中可以看出，识别杂草很不容易，因此至今在行内杂草的清除一直是 未解决好的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以上现有技术存在的缺点，提出一种能够同时 对作物行内和行间杂草进行清除的高效除草机器人。 为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为一种高效除草机器人，含有安置在 具有定向驱动机构小车上的自动导航和杂草识别摄像装置以及控制系统；所述自动导航和 杂草识别摄像装置的输出端接控制系统的图像信号输入端；所述控制系统的行进控制输出 端接所述定向驱动机构的受控端，除草控制输出端接除草装置的受控端；所述除草装置包 括安置在小车下的行间切割涂抹除草机构，还包括行内除草机构；所述行内除草机构主要 由左、右水平气缸，左、右垂直气缸和左、右末端执行器构成；所述左、右水平气缸的缸体分 别安置在小车底部，左、右水平气缸的水平活塞杆分别与左、右垂直气缸安装架固连；所述 左、右垂直气缸安装架的上端安置在小车上的水平轨道内，构成移动副；所述左、右垂直气 缸的缸体分别安置在左、右垂直气缸安装架上，左、右垂直气缸的垂直活塞杆的下端分别与 底部装有电动圆盘锯的左、右末端执行器连接。 本发明的高效除草机器人对于行间杂草，采用持续运转的切割涂抹除草机构在小
车行进过程中施药灭除；对于行内杂草，由于左、右末端执行器可以在受控于控制系统的
水平与垂直气缸驱动下分别作上下及水平移动，因此机器人小车移动到接近作物植株而被
杂草识别摄像装置发现后，控制系统将通过左、右水平与垂直气缸分别使两末端执行器左、
右移动分开，以瞬态间距避让作物植株，在绕过植株后，两末端执行器由分开位置恢复到靠
近位置，即由瞬态间距恢复为稳态间距，且向下运动，借助底部的电动圆盘锯将行内杂草除
去，之后向上运动复位。由此循环往复，即可完成对作物行内和行间杂草进行清除。 由此可见，采用本发明的以上技术方案后，可以同时实现对行内和行间杂草的清
除，并且工作速度快，除草效率高，从而彻底解决了行内杂草的清除难题。与喷雾机除草相
比，本发明无需巨大的水箱，大大减轻了机器人负载，并且不会因雾滴飘移而污染环境。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例一的工作状态立体结构示意图。 图2为本发明实施例一中行内除草机构结构示意图。 图3为本发明实施例一中末端执行器结构示意图。 图4为本发明实施例一中行间切割涂抹机构立体结构示意图。
具体实施方式
实施例一 本实施例的高效除草机器人如图l所示，包括垂直气缸2、杂草识别摄像头3、自动 导航摄像头4、除草剂涂抹辊5、杂草切割辊6、水平气缸7、末端执行器8等。图中l表示作 物1、9表示杂草。其基本构成为除草机器人的行进依靠四轮小车，前轮驱动，后轮随动，并 采用经典的麦弗逊悬架(详见《汽车构造_底盘工程》，清华大学出版社2008. 3出版，普通 高等教育"十一五"国家级规划教材P185 P186，或《汽车构造(下册)(第四版)》，人民 交通出版社2002. 2出版，P250 P251)。机器人的动力由蓄电池提供，车载嵌入式控制系 统用于识别杂草、自动导航以及机器人运动控制等(参见《农业机械学报》2005年10月刊， 第36巻第10期，第91页起；《农业机械学报》2008年3月刊，第39巻第3期，第106页起； 《农业工程学报》2009年4月刊，第25巻第4期，第108页起；以及《南京林业大学硕士论文 集》P34 P37，P42 P50 "除草机器人设计与控制")。在导航系统的控制下，除草机器人 沿着农作物的行前进，末端执行器8采用机械的方法铲除行内杂草，涂抹除草剂的滚子5和 切割杂草的滚子6则对行内杂草进行化学除草(切割并涂抹除草剂)。各组成部分的相互 关系为具有定向驱动机构的四轮小车上安置自动导航摄像头4和杂草识别摄像头3以及 控制系统(图中未示)。自动导航和杂草识别摄像头的输出端接控制系统的图像信号输入 端，控制系统的行进控制输出端接定向驱动机构的受控端，除草控制输出端接除草装置的 受控端，这些与记载在上述文献(尤其是"除草机器人设计与控制")的现有技术类同，不展 开表述。除草装置包括安置在小车下的行间切割涂抹除草机构——由除草剂涂抹辊5和杂 草切割辊6组成，还包括行内除草机构。 行内除草机构的具体结构如图2所示，主要由左、右水平气缸7，左、右垂直气缸2 和左、右末端执行器8构成。左、右水平气缸7的缸体分别固定安置在小车底部的挂架11 上，左、右水平气缸7的水平活塞杆分别与左、右垂直气缸安装架13固连。左、右垂直气缸 安装架13的上端安置在小车上的矩形截面水平轨道2内，构成移动副。左、右垂直气缸2 的缸体分别固定安置在左、右垂直气缸安装架13上，左、右垂直气缸2的垂直活塞杆的下端 分别与底部装有电动圆盘锯的左、右末端执行器8连接。 末端执行器8的具体结构如图3所示，由圆锯盘8-l、外壳8-2、滑动套8_3、轴承 8-4、电机8-5、空心轴8-6、复位弹簧8-7等构成。空心轴8_6由上、下轴承4支承在滑动套 8-3中，上端与电机8-5的输出轴连轴，下端安装圆锯盘8-1，滑动套8-3与固定在垂直气缸 安装架13上的外壳8-2构成垂向移动副。滑动套8-3的下端与外壳8-2之间装有复位弹 簧8-7。轴承8-4的内圈与空心轴8-6紧配，轴承8-4的外圈与滑动套8_3紧配。圆锯盘 8-l、滑动套8-3、轴承8-4、电机8-5、空心轴8_6构成一体。电机8_5通过空心轴8_6驱动 圆锯盘8-l转动。圆锯盘8-l的上、下运动是这样实现的垂直气缸活塞杆压迫滑动套8-3 的上端，使得滑动套8-3在外壳8-2的内孔中向下滑动，同时压縮滑动套8-3下端的复位 弹簧8-7 ;当垂直气缸停止工作时，复位弹簧8-7驱动滑动套8-3向上复位。当杂草识别摄 像头3、将图像信息输入到控制系统后，通过图像处理判断输出控制信号，使垂直气缸推动 末端执行器向下运动，借助圆锯盘铲除杂草。如果没有识别到杂草，末端执行器就不向下运 动，而与地面保持一定距离。当末端执行器接近作物植株时，水平气缸驱使两末端执行器沿 水平导轨移动，分离开来，避让植株，越过植株后，末端执行器之间的间距又恢复为较小的间距。 行间切割涂抹除草机构的具体结构如图4所示，主要由分别与驱动电机5'、6'连 轴的平行除草剂涂抹辊5和杂草切割辊6组成。杂草切割辊6外圆表面具有刀刃(或"毛 剌")，高速旋转时切割杂草茎叶；除草剂涂抹辊5外圆表面包裹"海绵"(用于吸存除草剂)， 旋转时往切割后的杂草茎叶上涂抹除草剂。在垂直方向上，杂草切割辊6的轴线高于除草 剂涂抹辊5的轴线，而且两辊与地面距离恒定，大约4-6厘米(可以触及杂草，但是不触及 地面)，长度与作物的行间距适配，所以在水平前进时，可以对所有的行间杂草先切割后施 药。如果地面没有杂草，两个滚子就不会触及杂草，也就不会施药，没有除草剂消耗。如果 地面有杂草，就会"超低空"切割杂草并涂抹除草剂。这样，对于行间杂草，无需图像处理就 实现了精确施药，简捷高效。 鉴于杂草种类繁多，而特定作物数量有限(如玉米、大豆、棉花等)，本实施例采用 与众不同的思路。对于行内杂草，不直接识别杂草，而是改为识别作物。在杂草和作物同时 存在的作物行内，识别出作物就可以为后续的精确除草提供依据。行内杂草，本实施例借助 末端执行器，以机械方法除去。两末端执行器初始间距较小(称为稳态间距)，在两个作物 植株之间，保持稳态间距。当随着机器人小车水平移动到接近作物植株时，两末端执行器分 别受控左、右分开，间距扩大，以避让作物植株(称为瞬态间距)。绕过植株后，间距又恢复 为稳态间距，再次接近植株时又变成瞬态间距，如此反复，就可以避让植株；而末端执行器 向下运动时可以"铲除"杂草，向上运动时则复位。从而妥善地解决了行内除草的难题，并 实现了精确去除。 对于行间杂草，本实施例不作图像处理，以持续运转的切割涂抹除草机构在小车 行进过程中切割施药，精确灭除。采用切割与涂抹相结合的施药方法在没有杂草的地方不 施药，因此十分经济。由于不需要图像处理，所以成本大为降低，除草速度显著提高。
理论和实践可以证明，在本实施例的机器人前进过程中，行内杂草与行间杂草分 别被机械和化学方法同时精确清除，整机工作效率高、节省农药、有利于环境保护。
归纳起来，本实施例具有以下突出的创新之处 (1)现有技术的相关研究成果知识集中于某个别问题，而未能将各专业综合起来， 形成一个完整的系统，尤其是行内与行间同时除草。
(2)其他现有研究思路均着眼于挖空心思地尝试不同的昂贵传感器、设计不同的
算法去识别行间杂草；而本实施例将这些工作都免了，对于行间除草，不需要图像处理，结
果不仅减少了工作量，而且显著降低了机器人的成本开支。
(3)对于行内除草，采用了具有独特运动机理的末端执行器。
权利要求
一种高效除草机器人，含有安置在具有定向驱动机构小车上的自动导航和杂草识别摄像装置以及控制系统；所述自动导航和杂草识别摄像装置的输出端接控制系统的图像信号输入端；所述控制系统的行进控制输出端接所述定向驱动机构的受控端，除草控制输出端接除草装置的受控端；所述除草装置包括安置在小车下的行间切割涂抹除草机构，其特征在于还包括行内除草机构；所述行内除草机构主要由左、右水平气缸，左、右垂直气缸和左、右末端执行器构成；所述左、右水平气缸的缸体分别在安置小车底部，左、右水平气缸的水平活塞杆分别与左、右垂直气缸安装架固连；所述左、右垂直气缸安装架的上端安置在小车上的水平轨道内，构成移动副；所述左、右垂直气缸的缸体分别安置在左、右垂直气缸安装架上，左、右垂直气缸的垂直活塞杆的下端分别与底部装有电动圆盘锯的左、右末端执行器连接。
2. 根据权利要求1所述的高效除草机器人，其特征在于所述末端执行器主要由圆锯 盘、外壳、滑动套、电机、空心轴构成；所述空心轴由轴承支承在滑动套中，上端与电机的输 出轴连轴，下端安装圆锯盘；所述滑动套与固定在垂直气缸安装架上的外壳构成垂向移动 副。
3. 根据权利要求2所述的高效除草机器人，其特征在于所述滑动套的下端与外壳之 间装有复位弹簧。
4. 根据权利要求3所述的高效除草机器人，其特征在于所述轴承的内圈与空心轴紧 配，外圈与滑动套紧配。
5. 根据权利要求1或4所述的高效除草机器人，其特征在于所述行间切割涂抹除草 机构主要由分别与驱动电机连轴的平行除草剂涂抹辊和杂草切割辊组成，所述杂草切割辊 外圆表面具有刀刃，所述除草剂涂抹辊外圆表面包裹海绵。
6. 根据权利要求5所述的高效除草机器人，其特征在于所述。杂草切割辊的轴线高 于除草剂涂抹辊的轴线，两辊长度与作物的行间距适配。
全文摘要
本发明涉及一种高效除草机器人，属于农业机械应用技术领域。该机器人含有自动导航和杂草识别摄像装置以及控制系统；除草装置包括安置在小车下的行间切割涂抹除草机构，还包括行内除草机构；行内除草机构的左、右水平气缸的缸体分别安置小车底部，左、右水平气缸的水平活塞杆分别与左、右垂直气缸安装架固连；左、右垂直气缸安装架的上端安置在小车上的水平轨道内，构成移动副；左、右垂直气缸的缸体分别安置在左、右垂直气缸安装架上，左、右垂直气缸的垂直活塞杆的下端分别与底部装有电动圆盘锯的左、右末端执行器连接。本发明可以同时实现对行内和行间杂草的清除，并且工作速度快，除草效率高，从而彻底解决了行内杂草的清除难题。
文档编号A01M21/02GK101707992SQ20091023378
公开日2010年5月19日 申请日期2009年10月15日 优先权日2009年10月15日
发明者孙曼丽, 陈勇 申请人:南京林业大学