一种水田平衡起降无人机及定点除草回收作业方法与流程

1.本发明涉及除草无人机及除草方法，具体涉及一种水田平衡起降无人机及定点除草回收作业方法。


背景技术：

2.如今农业自动化机械化水平逐步提升，农用无人机正作为一种新型的现代化航空施药工具进入大众视野。在除草方面，现有除草方式主要包括两种：人工除草和无人机喷雾施药；其中，无人机施药除草主要通过无人机装载喷雾施药装置对一大片区域无差别的进行除草剂施药，但采用该方式除草存在一定局限性：第一，即使使用优质的飞防除草剂，在其浓度相对普通除草剂浓度为15倍的高浓度作业情况下，小剂量的挥发漂移也可能对作物产生无法挽回的药害；第二，由于除草剂本身的化学特性，无人机喷雾施药对抗性和恶性杂草种群毫无办法；第三，无人机喷雾施药除草只能对一大片区域无差别的进行除草剂施药，实际情况杂草在水田间分布呈散点式，对整个区域无差别施药无疑是种资源浪费行为。
3.由此可知，现有技术中的无人机施药除草虽然能够达到除草的目的，但是存在浪费人力资源、作业效率低以及药害副作用大的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种水田平衡起降无人机，该无人机针对田间杂草的散点式分布的特点，采用点对点式除草作业，有效节省了人力资源，提高作业效率以及降低药害副作用。
5.本发明的另一个目的在于提供一种定点除草回收作业方法，
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.一种水田平衡起降无人机，包括无人机本体、自适应脚架装置、除草装置以及杂草存放装置；
8.所述无人机本体上设有用于对水田间杂草进行识别的视觉传感器；
9.所述自适应脚架装置包括多个连接在无人机本体上的脚架；
10.所述除草装置包括除草爪和用于驱动除草爪进行移动的除草移动机构，所述除草移动机构连接在无人机本体的底部；所述除草爪包括多个爪齿和用于驱动爪齿相互靠拢或远离的开合驱动机构；
11.所述杂草存放装置包括杂草收纳斗和用于驱动杂草收纳斗在装载状态与非装载状态之间切换的存放驱动机构。
12.本发明的一个优选方案，其中，所述脚架包括固定架和活动架，所述固定架的一端通过安装架固定连接在无人机本体上，另一端通过关节旋转电机与活动架转动连接；
13.所述活动架远离固定架的一端连接有支撑座。
14.优选地，所述自适应脚架装置还包括压力传感器，所述压力传感器设置在支撑座的底部。通过上述结构，在降落时，搭载在无人机本体上的处理器获取脚架上的压力传感器
的数据和无人机本体中的无人机陀螺仪传感器的数据，根据降落时水田泥面对脚架的作用力和停稳后计算的姿态角调整脚架角度，以保持无人机在水田间的平衡。
15.本发明的一个优选方案，其中，所述除草移动机构包括横向驱动机构、竖向驱动机构以及顶部旋转机构，所述竖向驱动机构设置在横向驱动机构上。
16.优选地，所述横向驱动机构包括横向导向架、横向驱动电机和横向传动组件，所述横向导向架固定连接在安装架上的下方；所述安装架固定连接在无人机本体上；
17.所述横向传动组件包括同步带和同步轮，所述同步带通过横向移动架与除草爪连接。通过上述结果，在横向驱动电机的驱动下，除草爪可以进行横向移动，移动至杂草的上方。
18.本发明的一个优选方案，其中，所述爪齿的内侧设有多个用于在抓取前破坏杂草结构以提高抓取成功率的直背齿型锯齿。
19.本发明的一个优选方案，其中，所述开合驱动机构包括开合驱动气缸和多个传动杆，所述开合驱动气缸竖向设置；多个传动杆的一端沿着圆周方向铰接在开合驱动气缸的伸缩杆上，另一端分别与多个爪齿铰接。
20.本发明的一个优选方案，其中，所述存放驱动机构包括转动臂和转动驱动电机，所述转动臂的一端通过转动驱动电机与安装架转动连接，另一端与杂草收纳斗连接；所述安装架固定连接在无人机本体上；
21.在非作业状态下，所述转动臂平行于地面，所述杂草收纳斗的开口为水平朝向；在作业状态下，所述转动臂垂直于地面，所述杂草收纳斗的开口朝上。
22.本发明的一个优选方案，其中，所述杂草收纳斗上设有旋转开合电机，所述杂草收纳斗的外形为夹包形；所述杂草收纳斗的底部设有压力传感器。
23.一种定点除草回收作业方法，包括以下步骤：
24.(1)通过视觉传感器在规定航线对水田间杂草进行识别，无人机根据导航定位模块在识别到的杂草上方悬停；
25.(2)无人机降落，自适应脚架装置根据水田泥面的实际情况调整自身姿态，无人机在水田间停稳；
26.(3)存放驱动机构驱动杂草收纳斗由非装载状态切换至装载状态，做好装载杂草的准备；
27.(4)将视觉传感器识到的杂草具体位置信息发送至除草装置的除草移动机构，除草移动机构根据视觉传感器发出的杂草坐标，驱动除草爪移动至杂草正上方，对杂草进行清除作业；
28.(5)除草爪从水田中将杂草拔除后，除草移动机构驱动除草爪将杂草投放至杂草收纳斗中，由杂草收纳斗对杂草进行暂存；
29.(6)无人机起飞并往下一目标点飞行，同时自适应脚架装置回到初始状态；
30.(7)所有目标点的杂草的去除作业完成后，无人机返航。
31.本发明的一个优选方案，在步骤(2)中，无人机在水田间停稳的步骤为：
32.无人机降落过程中，根据脚架上的压力传感器检测泥土对无人机脚架作用力大小，实时调整关节旋转电机的角度，控制脚架在垂直方向的高度，使得无人机平稳降落；
33.通过搭载在无人机本体上的处理控制器读取陀螺仪传感器数据，并解算无人机的
姿态角中的俯仰角与横滚角；当无人机俯仰角与横滚角均为0度时，无人机停稳。
34.优选地，压力传感器将检测到的数据传送至搭载在无人机本体上的处理控制器中，由处理控制器进行控制；
35.当检测到的压力值未达到设定阈值时，表明该脚架下方泥土质地柔软，此时无人机脚架继续下陷，无需控制关节旋转电机进行转动；
36.当检测到的压力值达到设定阈值时，处理控制器控制关节旋转电机进行工作，增大该脚架的活动架与固定架之间的角度，减小该脚架的垂直高度。
37.进一步，设活动架与固定架的相对角度为120
°
，那么活动架与垂直方向的夹角为30
°
；设关节旋转电机的角速度为ω、活动架的长度为a、无人机降落速度为v、时间为t；
38.那么，活动架的初始垂直高度为：a
×
cos30
°
；
39.无人机下降高度为：δs0＝vt；
40.无人机脚架垂直高度变化差为：
41.δs1＝a
×
[cos30
°‑
cos(30
°
+ωt)]；
[0042]
建立方程；δs0＝δs1；
[0043]
得到关节旋转电机的角速度为：
[0044][0045]
当无人机停止降落后，四脚压力值相等，此时停止调节所有脚架上的关节旋转电机。
[0046]
优选地，调节无人机姿态包括以下步骤：
[0047]
比较无人机姿态角中的俯仰角与横滚角的大小；
[0048]
当横滚角大于俯仰角时，控制横滚角方向和俯仰角方向均处于最低位的脚架的关节旋转电机，减小该脚架的固定架和活动架之间的角度；同时控制横滚角方向和俯仰角方向均处于最高位的脚架的关节旋转电机，增加该脚架的固定架和活动架之间的角度，此时最低位脚架垂直高度增加同时最高位脚架垂直高度减小，直至俯仰角为0度平衡状态；随后控制横滚角方向处于低位的两只脚架减小该脚架的固定架和活动架之间的角度，同时控制横滚角方向处于高位的两只脚架的关节旋转电机增加该脚架的固定架和活动架之间的角度，直至横滚角为0度平衡状态；
[0049]
当横滚角小于俯仰角时，控制横滚角方向和俯仰角方向均处于最低位脚架的关节旋转电机，减小该脚架的固定架和活动架之间的角度，同时控制横滚角方向和俯仰角方向均处于最高位脚架的关节旋转电机，增加该脚架的固定架和活动架之间的角度，此时最低位脚架垂直高度增加同时最高位脚架垂直高度减小直至横滚角为0度平衡状态；随后控制俯仰角方向处于低位的两只脚架减小该脚架的固定架和活动架之间的角度，同时控制俯仰角方向处于高位的两只脚架的关节旋转电机增加该脚架的固定架和活动架之间的角度，直至俯仰角为0度平衡状态。
[0050]
本发明的一个优选方案，在步骤(4)中，除草装置的除草步骤为：
[0051]
采用极坐标系的定位方式，使得以转轴为直径的圆范围内任一点都可成为其捕捉的对象；
[0052]
通过搭载在无人机本体上的处理控制器将杂草的定位信息发送至除草移动机构
中，再通过顶部旋转机构控制旋转横向杆旋转到坐标角度，随后横向驱动电机通过同步带及带轮驱动除草爪进行在直线移动，使得除草爪移动至杂草的正上方；
[0053]
竖向驱动机构往下驱动除草爪靠近杂草，此时除草爪的初始状态为闭合状态；除草爪底部的锥形结构插入杂草的泥土中，开合驱动机构驱动除草爪进行多次张开、闭合的往复运动；通过除草爪的往复运动，加上除草爪的锥形锯齿结构的作用，破坏杂草区域泥土的结构。
[0054]
竖向驱动机构往上驱动除草爪升起，开合驱动机构驱动除草爪张开；竖向驱动机构再往下驱动除草爪靠近杂草，并挤压杂草，直至设置在除草爪上的压力传感器检测到的压力大于设定阈值的压力；开合驱动机构除草爪闭合；
[0055]
除草爪闭合夹紧杂草后，横向驱动机构驱动除草爪在横向导向架上进行反复的横向移动，使得杂草根部在泥土中的附着程度减小，尽量摔掉泥土；竖向驱动机构往上驱动闭合状态的除草爪升起，将杂草连根拔除，除草爪回到初始位置。
[0056]
本发明的一个优选方案，在步骤(5)中，杂草存放装置的存放杂草的步骤为：
[0057]
除草爪闭合将杂草抓稳并回到初始位置；
[0058]
通过转动驱动电机驱动转动臂垂直于地面，使得杂草收纳斗位于除草爪的正下方；
[0059]
旋转开合电机打开杂草收纳斗，除草爪由闭合状态转为张开状态，杂草在重力作用下落入杂草收纳斗中；
[0060]
杂草收纳斗中的压力传感器检测到压力作用后，向转动驱动电机发送关闭杂草收纳斗的信号，由转动驱动电机关闭杂草收纳斗，杂草暂存在杂草收纳斗中。
[0061]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0062]
1、本发明根据杂草的具体位置，使无人机识别杂草后在其上方降落停稳抓除，到达精准除草作业的目的。
[0063]
2、本发明的无人机可代替人工下田除草，具有节省人力降低劳动强度，效率高且便捷的优点。
[0064]
3、本发明的无人机完善了无差别施药的不足，达到了针对抗性和恶性杂草种群根除的效果。
[0065]
4、本发明通过杂草保存装置对抓除的杂草进行收集，随后进行下一点的除草作业，省去返航放置杂草的时间，达到高效率作业的效果。
[0066]
5、本发明将杂草连根拔起并对带根杂草进行收集，而非直接将抓除的杂草置于水田中以此防止杂草再生长，从而达到彻底清除杂草的效果。
附图说明
[0067]
图1
‑
2为本发明中的水田平衡起降无人机的两种工作状态下的立体结构示意图。
[0068]
图3为本发明中的水田平衡起降无人机的侧视图。
[0069]
图4为本发明中的除草装置的侧视图。
[0070]
图5为本发明中的除草装置的立体结构示意图。
具体实施方式
[0071]
为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
[0072]
参见图1
‑
5，本实施例中的水田平衡起降无人机，包括无人机本体1、自适应脚架装置、除草装置以及杂草存放装置；所述无人机本体1上设有用于对水田间杂草进行识别的视觉传感器；所述自适应脚架装置包括四个连接在无人机本体1上的脚架。所述除草装置包括除草爪2和用于驱动除草爪2进行移动的除草移动机构，所述除草移动机构连接在无人机本体1的底部；所述除草爪2包括多个爪齿3和用于驱动爪齿3相互靠拢或远离的开合驱动机构，所述爪齿3的内侧设有多个用于在抓取前破坏杂草结构以提高抓取成功率的直背型锯齿。所述杂草存放装置包括杂草收纳斗4和用于驱动杂草收纳斗4在装载状态与非装载状态之间切换的存放驱动机构。
[0073]
参见图1
‑
3，所述脚架包括固定架5和活动架6，所述固定架5的一端通过安装架7固定连接在无人机本体1上，另一端通过关节旋转电机8与活动架6转动连接；所述活动架6远离固定架5的一端连接有支撑座9。
[0074]
进一步，所述自适应脚架装置还包括压力传感器(图中未显示)，所述压力传感器设置在支撑座9的底部。通过上述结构，在降落时，搭载在无人机本体1上的处理器获取脚架上的压力传感器的数据和无人机本体1中的无人机陀螺仪传感器的数据，根据降落时水田泥面对脚架的作用力和停稳后计算的姿态角调整脚架角度，以保持无人机在水田间的平衡。
[0075]
参见图1
‑
5，所述除草移动机构包括横向驱动机构、竖向驱动机构以及顶部旋转机构，所述竖向驱动机构设置在横向驱动机构上。进一步，本实施例中的竖向驱动机构可采用现有技术中能够实现竖向升降的机构，例如电机和连杆结构等；本实施例中的顶部旋转机构可采用旋转电机结构等。
[0076]
进一步，所述横向驱动机构包括横向导向架11、横向驱动电机和横向传动组件，所述横向导向架11固定连接在安装架7上的下方；所述安装架7固定连接在无人机本体1上；具体地，所述横向导向架11包括四个碳纤管，该碳纤管的两端通过直板固定呈长方体结构，提供横向移动的轨道。
[0077]
进一步，所述横向传动组件包括同步带和同步轮(图中未显示，可参考现有技术)，所述同步带通过横向移动架12与除草爪2连接。通过上述结果，在横向驱动电机的驱动下，除草爪2可以进行横向移动，移动至杂草的上方。
[0078]
参见图4
‑
5，所述开合驱动机构包括开合驱动气缸13和多个传动杆14，所述开合驱动气缸13竖向设置；多个传动杆14的一端沿着圆周方向铰接在开合驱动气缸13的伸缩杆上，另一端分别与多个爪齿3铰接。
[0079]
参见图1
‑
3，所述存放驱动机构包括转动臂15和转动驱动电机16，所述转动臂15的一端通过转动驱动电机16与安装架7转动连接，另一端与杂草收纳斗4连接；所述安装架7固定连接在无人机本体1上；在非作业状态下，所述转动臂15平行于地面，所述杂草收纳斗4的开口为水平朝向；在作业状态下，所述转动臂15垂直于地面，所述杂草收纳斗4的开口朝上。
[0080]
进一步，所述杂草收纳斗4上设有旋转开合电机(图中未显示)，所述杂草收纳斗4的外形为夹包形；所述杂草收纳斗4的底部设有压力传感器。
[0081]
参见图1
‑
5，本实施例中的定点除草回收作业方法，包括以下步骤：
[0082]
(1)通过视觉传感器在规定航线对水田间杂草进行识别，无人机根据导航定位模块在识别到的杂草上方悬停；
[0083]
(2)无人机降落，自适应脚架装置根据水田泥面的实际情况调整自身姿态，无人机在水田间停稳，停稳的步骤为：
[0084]
a、无人机降落过程中，根据脚架上的压力传感器检测泥土对无人机脚架作用力大小，实时调整关节旋转电机8的角度，控制脚架在垂直方向的高度，使得无人机平稳降落。
[0085]
b、通过搭载在无人机本体1上的处理控制器读取陀螺仪传感器数据，并解算无人机的姿态角中的俯仰角与横滚角；当无人机俯仰角与横滚角均为0度时，无人机停稳。
[0086]
进一步，在步骤a中，压力传感器将检测到的数据传送至搭载在无人机本体1上的处理控制器中，由处理控制器进行控制。
[0087]
当检测到的压力值未达到设定阈值时，表明该脚架下方泥土质地柔软，此时无人机脚架继续下陷，无需控制关节旋转电机8进行转动。
[0088]
当检测到的压力值达到设定阈值时，处理控制器控制关节旋转电机8进行工作，增大该脚架的活动架6与固定架5之间的角度，减小该脚架的垂直高度。
[0089]
进一步，设活动架6与固定架5的相对角度为120
°
，那么活动架6与垂直方向的夹角为30
°
；设关节旋转电机8的角速度为ω、活动架6的长度为a、无人机降落速度为v、时间为t。
[0090]
那么，活动架6的初始垂直高度为：a
×
cos30
°
。
[0091]
无人机下降高度为：δs0＝vt。
[0092]
无人机脚架垂直高度变化差为：
[0093]
δs1＝a
×
[cos30
°‑
cos(30
°
+ωt)]。
[0094]
建立方程；δs0＝δs1。
[0095]
得到关节旋转电机8的角速度为：
[0096][0097]
当无人机停止降落后，四脚压力值相等，此时停止调节所有脚架上的关节旋转电机8。
[0098]
进一步，在步骤b中，调节无人机姿态包括以下步骤：
[0099]
比较无人机姿态角中的俯仰角与横滚角的大小。
[0100]
当横滚角大于俯仰角时，控制横滚角方向和俯仰角方向均处于最低位的脚架的关节旋转电机8，减小该脚架的固定架3和活动架6之间的角度；同时控制横滚角方向和俯仰角方向均处于最高位的脚架的关节旋转电机8，增加该脚架的固定架3和活动架6之间的角度，此时最低位脚架垂直高度增加同时最高位脚架垂直高度减小，直至俯仰角为0度平衡状态；随后控制横滚角方向处于低位的两只脚架减小该脚架的固定架3和活动架6之间的角度，同时控制横滚角方向处于高位的两只脚架的关节旋转电机8增加该脚架的固定架3和活动架6之间的角度，直至横滚角为0度平衡状态。
[0101]
当横滚角小于俯仰角时，控制横滚角方向和俯仰角方向均处于最低位脚架的关节旋转电机8，减小该脚架的固定架3和活动架6之间的角度，同时控制横滚角方向和俯仰角方向均处于最高位脚架的关节旋转电机8，增加该脚架的固定架3和活动架6之间的角度，此时
最低位脚架垂直高度增加同时最高位脚架垂直高度减小直至横滚角为0度平衡状态；随后控制俯仰角方向处于低位的两只脚架减小该脚架的固定架3和活动架6之间的角度，同时控制俯仰角方向处于高位的两只脚架的关节旋转电机8增加该脚架的固定架3和活动架6之间的角度，直至俯仰角为0度平衡状态。
[0102]
(3)存放驱动机构驱动杂草收纳斗4由非装载状态切换至装载状态，做好装载杂草的准备；
[0103]
(4)将视觉传感器识到的杂草具体位置信息发送至除草装置的除草移动机构，除草移动机构根据视觉传感器发出的杂草坐标，驱动除草爪2移动至杂草正上方，对杂草进行清除作业。进一步，除草装置的除草步骤为：
[0104]
采用极坐标系的定位方式，使得以转轴为直径的圆范围内任一点都可成为其捕捉的对象。
[0105]
通过搭载在无人机本体1上的处理控制器将杂草的定位信息发送至除草移动机构中，再通过顶部旋转机构控制旋转横向杆旋转到坐标角度，随后横向驱动电机通过同步带及带轮驱动除草爪2进行在直线移动，使得除草爪2移动至杂草的正上方。
[0106]
竖向驱动机构往下驱动除草爪2靠近杂草，此时除草爪2的初始状态为闭合状态；除草爪2底部的锥形结构插入杂草的泥土中，开合驱动机构驱动除草爪2进行多次张开、闭合的往复运动；通过除草爪2的往复运动，加上除草爪2的锥形锯齿结构的作用，破坏杂草区域泥土的结构。
[0107]
竖向驱动机构往上驱动除草爪2升起，开合驱动机构驱动除草爪2张开；竖向驱动机构再往下驱动除草爪2靠近杂草，并挤压杂草，直至设置在除草爪2上的压力传感器检测到的压力大于设定阈值的压力；开合驱动机构除草爪2闭合。
[0108]
除草爪2闭合夹紧杂草后，横向驱动机构驱动除草爪2在横向导向架11上进行反复的横向移动，使得杂草根部在泥土中的附着程度减小，尽量摔掉泥土；竖向驱动机构往上驱动闭合状态的除草爪2升起，将杂草连根拔除，除草爪2回到初始位置。
[0109]
(5)除草爪2从水田中将杂草拔除后，除草移动机构驱动除草爪2将杂草投放至杂草收纳斗4中，由杂草收纳斗4对杂草进行暂存；进一步，杂草存放装置的存放杂草的步骤为：
[0110]
除草爪2闭合将杂草抓稳并回到初始位置。
[0111]
通过转动驱动电机16驱动转动臂15垂直于地面，使得杂草收纳斗4位于除草爪2的正下方。
[0112]
旋转开合电机打开杂草收纳斗4，除草爪2由闭合状态转为张开状态，杂草在重力作用下落入杂草收纳斗4中。
[0113]
杂草收纳斗4中的压力传感器检测到压力作用后，向转动驱动电机16发送关闭杂草收纳斗4的信号，由转动驱动电机16关闭杂草收纳斗4，杂草暂存在杂草收纳斗4中。
[0114]
(6)无人机起飞并往下一目标点飞行，同时自适应脚架装置回到初始状态。
[0115]
(7)所有目标点的杂草的去除作业完成后，无人机返航。
[0116]
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。