专利名称：一种基于多光谱视觉的高效除草机器人的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种基于多光谱视觉的高效除草机器人，尤其是一种能够利用多光谱图像来识别田间杂草并进行快速除草的机器人，属于农业机械应用领域。
背景技术：
农田杂草是农业生产的大敌，它会影响农作物的生长发育，降低农作物产量和品质，对农作物的危害不容忽视。我国每年均要花费大量的人力、物力和财力进行杂草清理作业。因此，研究一种高效的除草机器人对提高农业生产效率和粮食等作物产量均具有重要的现实意义。目前主要的除草方法有:人工除草、机械除草和化学除草。其中人工除草效率低下已被逐渐淘汰；机械除草主要是利用机械工具切割或铲除杂草；化学除草是利用除草剂来杀灭杂草，虽然效率高，但多由于采用大面积喷洒，既造成土壤、空气及农产品自身的严重污染，且农药浪费严重。随着公众环保意识的不断增强及精准农业发展的需要，国内外已经开始研究精确除草的方法，依据杂草和作物分布情况，只对杂草进行定点变量喷洒农药，其它无草区域则不喷洒农药。这种方法在一定程度上节约了除草剂，减少了环境污染，但仍不可避免地会产生“雾滴飘移”，而且不可避免的会将化学药剂喷洒到土壤上引起污染。如何高效地清除杂草而又尽可能减轻环境污染，仍需进行研发和创新。除此之外，精确除草的前提是杂草的识别，也就是将杂草从背景(作物和土壤)中识别出来。目前国内的研究大多采用基于见光范围内的机器视觉和数字图像处理的方法来进行杂草的识别，存在算法复杂、实时性不强等问题。且主要是利用颜色、纹理、空间分布和形状等特征进行识别。然而在实际的田地环境中，由于绿色叶子对光的反射受诸多因素的影响，导致在可见光所提取的叶片特征不能很好表现作物和杂草差别。另外，在众多采用切割除草的装置中，刀具极易在切割杂草时沾染植物的组织液或水等化合物而锈蚀，从而致使刀具寿命过短，增加使用成本，不利于推广使用。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种基于多光谱视觉的高效除草机器人，其针对以上现有除草方法和技术存在的不足和缺点，充分利用植物可见光范围及近红外波段的数字图像来精确、自动识别田间杂草，并根据识别结果，采用切割和药物涂抹结合的方式来除草，同时利用除锈装置来延长刀盘使用周期。本实用新型的技术方案是:一种基于多光谱视觉的高效机器人，包括移动小车，设置在移动小车上彼此连接的横向移动装置、除草切割装置以及主控系统，其特殊之处在于:所述移动小车包括视觉导航系统、车体、车架、车轮、电源、车轮电机、车轮电机驱动器、车轮电机编码器；所述视觉导航系统设置于车体的车头位置，车体下方设有电源，车轮由车架支承，并由一个车轮电机带动；所述横向移动装置包括横移电机、滑动导轨、滑块、上连接片、下连接片、行程开关、横移电机驱动器、横移电机编码器；所述横移电机设置于车体上，横移电机与滑块相连；上连接片与下连接片通过螺栓连接，通过调节螺栓与上连接片及下连接片的相对位置，可以调整刀盘距离地面的高度；所述车体上设置行程开关，对上连接片横向移动的极限位置进行安全限位；所述横移电机编码器设置于横移电机的轴上，检测横移电机的转动位置信息并输入主控系统，实现横移电机的伺服运动控制；所述除草切割装置包括多光谱感知系统、固定盒、旋转电机、刀盘；所述多光谱感知系统设置在车体的车头下方，利用多光谱图像信息进行杂草的识别与定位；所述旋转电机外设置固定盒；固定盒起到固定旋转电机的作用，所述旋转电机的轴末端套接刀盘。上述除草切割装置还包括海绵，所述海绵粘贴在刀盘的底部。上述基于多光谱视觉的高效机器人，其特殊之处在于:还包括除锈装置，所述除锈装置包括贮液箱、调节阀、软管、固定环和节流板；所述贮液箱通过软管与刀盘连接；所述调节阀设置在软管上，固定环固设于软管末端，所述节流板设置于海绵外侧，所述贮液箱内设有除锈剂。上述主控系统包括工控机、多轴运动控制卡和输入/输出接口板。上述刀盘与地面成45 60°倾角为佳。上述车轮为3个、四个或多个。上述软管一般为塑料软管。本实用新型的视觉导航系统探测前方信息来引导小车沿作物行方向行进，同时多光谱感知系统对杂草进行识别和定位，由控制系统根据杂草的位置信息控制移动小车在沿作物行前进的同时，通过横向移动装置控制除草切割装置；所述除草切割装置包括刀盘、粘贴在刀盘底部的海绵，按照一定的倾斜角度放置，可以在清除行内外杂草的同时涂抹药物实现高效清除杂草，同时利用除锈装置完成刀盘的养护；所述除锈装置可以通过调节流向刀盘的除锈剂的流量，从而实现对刀盘的维护以提高使用寿命。本实用新型的有益效果是，能够快速有效的识别田间杂草，实时性强，适合田间实际作业。以简单的切割结构结合药物涂抹的方式同时完成行内外的杂草清理工作，不仅减轻了移动小车的负载，还能彻底清除杂草，除草效率高，有效解决了行内杂草的清理难题；除锈装置有效地提高切割刀具的工作效率，延长了使用年限，提升了除草机器人的综合性倉泛。
图1为基于多光谱视觉的高效除草机器人主视示意图；图2为基于多光谱视觉的高效除草机器人左视示意图；图3为基于多光谱视觉的高效除草机器人控制方案示意图；图4a为切割装置示意图的主视图；图4b为切割装置示意图的底部示意图；图5为基于多光谱视觉的高效除草机器人田间作业示意图。附图标号说明:[0028]1.主控系统，2.视觉导航系统，3.车体，4.车架，5.车轮，6.行程开关，7.多光谱感知系统，8.滑块，9.上连接片，10.固定盒，11.旋转电机，12.节流板13.刀盘，14.海绵，15.固定环，16.下连接片，17.滑动导轨，18.软管，19.调节阀，20.贮液箱，21.电源，22.车轮电机，23.车轮电机驱动器，24.车轮电机编码器，25.横移电机，26.横移电机驱动器,27.横移电机编码器。
具体实施方式
参见图1 图3，本实用新型包括移动小车、横向移动装置、除草切割装置、除锈装置和主控系统I组成。其中主控系统I有工控机、多轴运动控制卡和输入/输出接口板组成。其中移动小车包括视觉导航系统2、车体3、车架4、车轮5、电源21、车轮电机22、车轮电机驱动器23、车轮电机编码器24。视觉导航系统2设置于车体3的车头位置，探测前方信息以引导移动小车沿作物的行方向前进；车体3下方装有电源21，为除草机器人提供动力；四个车轮5有车架4支承，并分别由一个车轮电机22带动；车轮电机编码器24设置于车轮电机22的轴上，监测车轮电机22的转动位置信息并输入主控系统1，实现车轮电机的伺服驱动控制。横向移动装置包括横移电机25、滑动导轨17、滑块8上连接片9、下连接片16、行程开关6、横移电机驱动器26、横移电机编码器27。横移电机25设置于车体3上,横移电机25与滑块8相连；上连接片9与下连接片16通过螺栓连接，通过调节螺栓与上连接片9及下连接片16的相对位置，可以调整刀盘13距离地面的高度；车体上设置行程开关6，对上连接片9横向移动的极限位置进行安全限位；横移电机编码器27设置于横移电机25的轴上，检测横移电机25的转动位置信息并输入主控系统1，实现横移电机25的伺服运动控制
O参见图4a，除草切割装置包括多光谱感知系统7、固定盒10、旋转电机11、刀盘13和海绵14。多光谱感知系统7设置在车体3的车头下方，利用多光谱图像信息进行杂草的识别与定位；固定盒10起到固定旋转电机11的作用，在旋转电机11的轴末端套接刀盘13 ；参见图4b，海绵14粘贴在刀盘13的底部，在除草作业时，预先向海绵14里注射除草药物，以便切割后对杂草进行药物涂抹。除锈装置包括贮液箱20、调节阀19、软管18、固定环15和节流板12。贮液箱20中的除锈剂通过软管18流向刀盘13，同时节流板12保证刀盘13在切割杂草时除锈剂流向海绵14而不发生外溢；通过调节阀19可以控制除锈剂的流量；固定环15用来固定软管18末端使其在除草切割装置移动时与刀盘13的相对位置不变，从而实现对刀盘13的养护，提高其工作寿命和效率。参见图1 图5，本实用新型工作过程中，视觉导航系统2探测小车前方信息以引导自主小车沿作物的行方向前进，同时多光谱感知系统7对杂草进行识别和定位，主控系统I根据杂草的位置信息控制移动小车沿作物行的方向前进，同时通过横向移动控制装置控制除草切割装置在垂直作物行方向的横向移动，随后旋转电机11驱动刀盘13将杂草割断，并通过海绵14将除草药物涂抹到被切割过的杂草表面。由于刀盘13与地面成45 60°倾角，可以有效避免行内除草时切割到其他作物；同时海绵14的药物涂抹不仅有效地抑制了杂草生长而且极大的降低了环境污染；另外除锈装置有效地去除了刀盘13锈垢，提高了除草机器人的工作性能。对于不同栽种模式和不同作物生长期，可以通过螺栓调节上连接片9与下连接片16的相对位置，完成除草切割装置距离地面高度的调整，从而适应不同栽种模式下的除草要求。
权利要求1.一种基于多光谱视觉的高效除草机器人，包括移动小车，设置在移动小车上彼此连接的横向移动装置、除草切割装置以及主控系统(I)，其特征在于: 所述移动小车包括视觉导航系统(2)、车体(3)、车架(4)、车轮(5)、电源(21)、车轮电机(22)、车轮电机驱动器(23)、车轮电机编码器(24);所述视觉导航系统(2)设置于车体(3 )的车头位置，车体(3 )下方设有电源(21)，车轮(5 )由车架(4 )支承，并由一个车轮电机(22)带动； 所述横向移动装置包括横移电机(25)、滑动导轨(17)、滑块(8)、上连接片(9)、下连接片(16)、行程开关(6)、横移电机驱动器(26)、横移电机编码器(27);所述横移电机(25)设置于车体(3)上，横移电机(25)与滑块(8)相连；上连接片(9)与下连接片(16)通过螺栓连接；所述车体(3)上设置行程开关(6)，对上连接片(9)横向移动的极限位置进行安全限位；所述横移电机编码器(27)设置于横移电机(25)的轴上； 所述除草切割装置包括多光谱感知系统(7)、固定盒(10)、旋转电机(11)、刀盘(13)；所述多光谱感知系统(7)设置在车体(3)的车头下方；所述旋转电机(11)外设置固定盒(10);所述旋转电机(11)的轴末端套接刀盘(13)。
2.根据权利要求1所述基于多光谱视觉的高效除草机器人，其特征在于:所述除草切割装置还包括海绵(14)，所述海绵(14)粘贴在刀盘(13)的底部。
3.根据权利要求1或2所述基于多光谱视觉的高效除草机器人，其特征在于:还包括除锈装置，所述除锈装置包括贮液箱(20)、调节阀(19)、软管(18)、固定环(15)和节流板(12);所述贮液箱(20)通过软管(18)与刀盘(13)连接；所述调节阀(19)设置在软管(18)上，固定环(15)固设于软管(18)末端，所述节流板(12)设置于海绵(14)外侧，所述贮液箱(20)内设有除锈剂。
4.根据权利要求3所述基于多光谱视觉的高效除草机器人，其特征在于:所述主控系统(I)包括工控机、多轴运动控制卡和输入/输出接口板。
5.根据权利要求4所述基于多光谱视觉的高效除草机器人，其特征在于:所述刀盘(13)与地面成45 60°倾角。
6.根据权利要求5所述基于多光谱视觉的高效除草机器人，其特征在于:所述车轮(5)为3个、四个或多个。
7.根据权利要求6所述基于多光谱视觉的高效除草机器人，其特征在于:所述软管(18)为塑料软管。
专利摘要一种基于多光谱视觉的高效除草机器人，包括移动小车，设置在移动小车上彼此连接的横向移动装置、除草切割装置以及主控系统，本实用新型能够快速有效的识别田间杂草，实时性强，适合田间实际作业；以简单的切割结构结合药物涂抹的方式同时完成行内外的杂草清理工作，不仅减轻了移动小车的负载，还能彻底清除杂草，除草效率高，有效解决了行内杂草的清理难题；除锈装置有效地提高切割刀具的工作效率，延长了使用年限，提升了除草机器人的综合性能。
文档编号A01M21/02GK202907683SQ2012202856
公开日2013年5月1日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者何东健, 乔永亮, 唐晶磊, 赵川源, 高瞻, 杨阔, 杜书增 申请人:西北农林科技大学