专利名称：一种株间机械除草爪齿避苗控制方法
技术领域：
本发明属于机械除草技术领域，具体涉及一种株间机械除草爪齿避苗控制方法。
背景技术：
智能化的株间机械除草技术能选择性地对株间杂草进行机械移除，利用除草爪齿余摆运动原理实现株间区域除草技术的相关报道有奥斯纳布吕克大学与Amazone Werke联合开发的摆线锄机械除草装置(Griepentrog, HW, Norremark M, Nielsen J. Autonomous intra-row rotor weeding based onGPS[C]//2006 CIGR World Congress Agricultural Engineering for a Better World, Bonn, Germany, 2006)、中国发明专利申请一种除草机器人的六爪执行机构(发明专利申请号200810019830. 3)、张朋举等(张朋举，张纹，陈树人，等.八爪式株间机械除草装置虚拟设计与运动仿真[J].农业机械学报，2010，41(4) 56-59)设计的八爪式苗间除草装置和张春龙等(张春龙，黄小龙，耿长兴，等.智能锄草机器人系统设计与仿真[J].农业机械学报，2011，42(7) =196-199)设计的三指手爪锄草机械手。为了避免除草爪齿损伤目标作物，除草爪齿任一根爪齿的旋转半径应能改变，株间除草时半径较大，避让目标作物时半径较小。通常情况是除草爪齿绕主轴旋转靠目标作物行的半周旋转半径是可以改变的，除草爪齿的旋转半径的切换由半径改变起点处的控制机构实现的。控制机构的特点是除草爪齿任一根爪齿的旋转半径通过切换机构决策为大半径或小半径，一次旋转周内除草爪齿的旋转半径不能再改变，即不可控制从大半径切换至小半径或从小半径切换至大半径。因此，准确的控制每根除草爪齿的旋转半径切换是保证株间区域除草面积和避免除草爪齿损伤目标作物的关键。基于GPS的摆线锄机械除草装置的控制系统(NorremarkM, Griepentrog HW, Nielsen J，et al. The development and assessment of the accuracy of an autonomous GPS-based system for intra-row mechanical weed control in row crops [J]. Biosystems Engineering，2008，101 (4) :396-410)的除草爪齿避苗控制是根据装置上的某一参考点与目标作物的距离来控制改变除草爪齿半径的锁齿释放或锁定，释放距离和锁定距离由机械结构、速比等参数确定。陈树人等(陈树人，张朋举，周恩权.基于LabVIWE 的八爪式株间除草装置控制及实验研究[C].2010国际农业工程大会论文集.2010，11 298-303)对八爪除草装置的控制策略是当目标作物的I坐标与电磁铁的实时纵坐标位置b 满足-5cm < y-b < 7cm(-5cm为离去距离，7cm为接近距离)时电磁铁通电，使电磁铁吸合控制铲齿保持避让目标作物的状态，达到避让目标作物的目的。然而以上方法的控制规则的参数都需通过实验确定，且易受前进速度的影响。因此，精确可靠的株间除草爪齿避苗控制方法对保证株间机械除草的除草效果和减少伤苗率相当重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种精确可靠、保证株间机械除草效果和减少伤苗率株间机械除草爪齿避苗控制方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于包括下述步骤一、根据除草爪齿的前进速度、实际角速度、运行时间、爪齿初始圆心角、相邻爪齿间圆心角、爪齿旋转半径，以及除草爪齿旋转中心与目标作物行中心的距离的函数关系，确定除草爪齿的运动轨迹；二、根据除草爪齿的实际旋转线速度与前进速度之比，计算出速比；三、转速控制器根据速比、除草爪齿的前进速度、爪齿旋转半径的函数关系，计算出与前进速度匹配的目标角速率，转速控制器将目标角速率输入到PID控制器；四、PID控制器向驱动器输出控制信号，驱动器根据控制信号调节电机转速；电机驱动除草爪齿的旋转，控制除草爪齿主轴角速率；转速传感器测量除草爪齿主轴角速率并反馈至PID控制器输入端，转速传感器与转速控制器、PID控制器、驱动器、电机形成控制闭环，控制除草爪齿的转速；五、根据除草爪齿的爪齿旋转半径、前进速度和实际角速度，以及前进速度和实际角速度的误差预测除草爪齿的运动轨迹；六、避苗控制器根据预测的除草爪齿运动轨迹和目标作物信息判断是否需要避让目标作物；七、若满足避苗条件，避苗控制器向执行机构发出信号控制除草爪齿的爪齿旋转半径减小；若未满足避苗条件，除草爪齿的爪齿旋转半径保持旋转半径进入株间区域除草。本发明的株间机械除草爪齿避苗控制方法的流程如下一、根据除草爪齿的前进速度、实际角速度、运行时间、爪齿初始圆心角、相邻爪齿间圆心角、爪齿旋转半径，以及除草爪齿旋转中心与目标作物行中心的距离的函数关系，建立除草爪齿余摆运动轨迹方程，依据运动轨迹方程可预测出每根除草爪齿的运动轨迹除草爪齿的前进速度、实际角速度、运行时间、爪齿初始圆心角、相邻爪齿间圆心角、爪齿旋转半径，以及除草爪齿旋转中心与目标作物行中心的距离的函数关系目标作物行中心线定义为X轴，以目标作物行中心线为X轴建立坐标系XOY，i为除草爪齿序号(0，1，2，. . .)，Vm为前进速度，ω。为实际角速度，t为运行时间，初始运行时间定义为0，β为相邻爪齿间圆心角，Y为爪齿初始圆心角，艮为爪齿旋转半径，H为除草爪齿旋转中心至X轴的距离，函数关系为
\x1=vm-t + Rr-co^(0o-t-i-P + Y)\ (1)二、根据除草爪齿的实际旋转线速度与前进速度之比，计算出速比，确定方程相关参数速比是指除草爪齿旋转线速度和前进速度之比，λ为速比，如式(2)表示λ = ω · Rr/vm(2)为达到株间覆盖率，除草爪齿的实际旋转线速度与前进速度之比的确定方法为环扣的最宽距离为株距的O. 5倍法、仿真分析法或直接计算法，总之都是建立目标旋转角速率与前进速度的关系。三、转速控制器根据速比、除草爪齿的前进速度、爪齿旋转半径的函数关系，计算出与前进速度匹配的目标角速率ω
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速比、除草爪齿的前进速度、爪齿旋转半径的函数关系如式(3)表示λ为速比，Vm为除草爪齿的前进速度,艮为爪齿旋转半径，ω为目标角速率,是保证株间区域除草覆盖率和准确预测除草爪齿运动轨迹的重要参数，函数关系为ω = λ · vm/Rr(3)H决定了爪齿运动轨迹的环扣进入株间区域的程度，X轴至环扣顶点的距离D为D = Rr-H(4)转速控制器将目标角速率ω输入到PID控制器。四、根据式(3)计算得到的目标角速率ω，PID控制器向驱动器输出PWM控制信号，驱动器根据PWM控制信号调节电机转速，电机驱动除草爪齿的旋转，控制除草爪齿主轴角速率，同时转速传感器测量除草爪齿主轴角速率并反馈至PID控制器输入端，转速传感器与转速控制器、PID控制器、驱动器、电机形成控制闭环，从而获得准确、稳定的除草爪齿转速。电机驱动为无刷电机驱动。五、根据除草爪齿的爪齿旋转半径、前进速度和目标角速率，以及前进速度和目标角速率的误差预测除草爪齿的运动轨迹预测除草爪齿的运动轨迹包括预测时间的确定、运动轨迹环扣顶点坐标值预测和预测轨迹环扣最宽处两端点的X轴坐标值X1和Xp 除草爪齿顺时针旋转一周有两次y = H，X值较大的一次定义为第一次，用0 = O表示，另一次定义为第二次，用P = Z表示；除草爪齿以株间除草半径旋转其运动轨迹形成余
摆线环扣，从m _ n处旋转j圆周，也即炉=I时为爪齿运动轨迹余摆线环扣顶点，除草爪齿 Ψ —4I
运动轨迹环扣最宽处在X轴上投影线段最长，两端点的X轴坐标分别定义为X1和χρ，且X1
<Xp,除草爪齿运动轨迹环扣顶点的X轴坐标定义为Xb，①预测时间的确定
除草爪齿从0 = ο至P = y环扣顶点所需时间tpM,如下式所示 =；(5)②运动轨迹环扣顶点坐标值预测除草爪齿余摆运动轨迹的环扣顶点可由爪齿在炉=O时的坐标(X(l，ytl)，时间tp,e和余摆运动方程⑴计算得到，环扣顶点坐标值(xb，yb)计算式如下
W 1V tPre + K · COS (ωο · tpre) 示
; (6) yb=y0 -K^Mc0O-tPre)
③轨迹环扣最宽处两端点的X轴坐标值X1和Xp预测
由环扣顶点X轴坐标值和环扣最宽距离计算出X1和Xp，分别如式(7)和式(8)所
R ~ --~ arcsin —l· λ — I--+
^(7)
R
:H—~| arcsin —l· ~— I — I + εp
' λ 2) (8)
式中％和S1表示由前进速度Vm和除草爪齿的目标角速率ω的误差而引入的运动轨迹预测误差。六、避苗控制器根据预测的除草爪齿运动轨迹和目标作物信息判断是否需要避让目标作物目标作物信息包括目标作物中心的坐标(Xi，Yi)和用于描述目标作物大小的信息——目标作物中心到最外沿的距离IV目标作物信息通过计算机视觉处理软件获得。在以下三种情况下判断除草爪齿将会损伤目标作物第一种情况是除草爪齿预测轨迹绕过目标作物，即目标作物位于环扣内部；第二种情况是除草爪齿预测轨迹在进入株间区域时碰撞到目标作物；第三种情况是除草爪齿在旋出株间区域时碰撞到目标作物，数学描述如下式
权利要求
1.一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于包括下述步骤一、根据除草爪齿的前进速度、实际角速度、运行时间、爪齿初始圆心角、相邻爪齿间圆心角、爪齿旋转半径，以及除草爪齿旋转中心与目标作物行中心的距离的函数关系，确定除草爪齿的运动轨迹；二、根据除草爪齿的旋转线速度与前进速度之比，计算出速比；三、转速控制器根据速比、除草爪齿的前进速度、爪齿旋转半径的函数关系，计算出与前进速度匹配的目标角速率，转速控制器将目标角速率输入到PID控制器；四、PID控制器向驱动器输出控制信号，驱动器根据控制信号调节电机转速；电机驱动除草爪齿的旋转，控制除草爪齿主轴旋转角速率；转速传感器测量除草爪齿主轴旋转角速率并反馈至PID控制器输入端，转速传感器与转速控制器、PID控制器、驱动器、电机形成控制闭环，控制除草爪齿的转速；五、根据除草爪齿的爪齿旋转半径、前进速度和目标角速率，以及前进速度和目标角速率的误差预测除草爪齿的运动轨迹；六、避苗控制器根据预测的除草爪齿运动轨迹和目标作物信息判断是否需要避让目标作物；七、若满足避苗条件，避苗控制器向执行机构发出信号控制除草爪齿的爪齿旋转半径减小；若未满足避苗条件，除草爪齿的爪齿旋转半径保持原旋转半径进入株间区域除草。
2.根据权利要求I所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于所述步骤一中，除草爪齿的前进速度、实际角速度、运行时间、爪齿初始圆心角、相邻爪齿间圆心角、爪齿旋转半径，以及除草爪齿旋转中心与目标作物行中心的距离的函数关系目标作物行中心线定义为X轴，以目标作物行中心线为X轴建立坐标系XOY，i为除草爪齿序号(0，1，2，...)，Vm为前进速度，ω。为实际角速度，t为运行时间，初始运行时间定义为0，β为相邻爪齿间圆心角，Y为爪齿初始圆心角，&为爪齿旋转半径，H为除草爪齿旋转中心至X轴的距离，函数关系为\Xr=Vm-t + Rr-^{(0o-t-i· β + Υ)。I 兄=H-Rr-^m(mo-t-i· β + γ)
3.根据权利要求2所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于所述步骤三中，速比、除草爪齿的前进速度、爪齿旋转半径的函数关系λ为速比，Vm为除草爪齿的前进速度，R1 为爪齿旋转半径，ω为目标角速率,函数关系为ω = λ · vm/Rr0
4.根据权利要求3所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于所述步骤五中，预测除草爪齿的运动轨迹包括预测时间的确定、运动轨迹环扣顶点坐标值预测和预测轨迹环扣最宽处两端点的X轴坐标值X1和Xp 除草爪齿顺时针旋转一周有两次I = H，较大的一次定义为第一次，用^ = O表示，另一次定义为第二次，用P = Z表示；除草爪齿以株间除草半径旋转其运动轨迹形成余摆线环扣，从m _ n处旋转I圆周，也即炉=I时为爪齿运动轨迹余摆线环扣顶点，除草爪齿运动轨迹 Ψ —4I环扣最宽处在X轴上投影线段最长，两端点的X轴坐标分别定义为X1和Xp，且X1 < Xpj除草爪齿运动轨迹环扣顶点的X轴坐标定义为Xb，①预测时间的确定除草爪齿从P = O至
5.根据权利要求4所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于所述步骤六中，目标作物信息包括目标作物中心的坐标(Xi，Yi)和用于描述目标作物大小的信息一目标作物中心到最外沿的距离A，在以下三种情况下判断除草爪齿将会损伤目标作物第一种情况是除草爪齿预测轨迹绕过目标作物，即目标作物位于环扣内部；第二种情况是除草爪齿预测轨迹在进入株间区域时碰撞到目标作物；第三种情况是除草爪齿在旋出株间区域时碰撞到目标作物，数学描述如下式
6.根据权利要求5所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于所述步骤七中，执行机构为电磁铁驱动除草齿控制机构。
7.根据权利要求I所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于所述步骤二中，除草爪齿的旋转线速度与前进速度之比的确定方法可采用环扣的最宽距离为株距的O. 5倍法、仿真分析法或直接计算法。
8.根据权利要求I所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于所述步骤四中，PID控制器向驱动器输出PWM控制信号，驱动器根据PWM控制信号调节电机转速。
9.根据权利要求I所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于所述步骤四中，电机驱动为无刷电机驱动。
10.根据权利要求I所述的一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于所述步骤六中，目标作物信息通过计算机视觉处理软件获得。
全文摘要
本发明公开了一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，包括确定除草爪齿运动轨迹方程和相关参数，采用与前进速度匹配的目标角速率PID控制器获得稳定和准确的除草爪齿转速，由爪齿运动轨迹方程、前进速度和实际角速率，前进速度误差和实际角速率误差得到除草爪齿预测运动轨迹，分析了除草爪齿预测运动轨迹和目标作物位置关系存在的三种除草爪齿碰撞目标作物的判断条件，根据判断结果可输出除草爪齿控制决策。本发明充分利用了余摆线运动株间除草原理，可提供精确可靠的株间除草爪齿旋转速度和避苗控制信号，适应于运用余摆线理论、具有避让目标作物功能的株间除草装置或系统，有利于提高株间机械除草的除草效果，降低伤苗率。
文档编号A01B39/18GK102598903SQ20121003836
公开日2012年7月25日 申请日期2012年2月21日 优先权日2012年2月21日
发明者周志艳, 张智刚, 汪沛, 罗锡文, 胡炼, 臧英, 赵祚喜 申请人:华南农业大学