CN109005693B - 一种基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能锄草装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业装备技术领域，涉及一种基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能锄草装置，固接在水平设置的且与前进方向垂直的横梁上，该锄草装置包括双目视觉伺服控制***、株间除草末端执行器和平行四杆仿形单元；所述双目视觉伺服控制***包括固定在所述横梁的前端面上的用于采集大田间苗草信息的双目相机、带有图像处理功能的单片机和伺服控制器。所述平行四杆仿形单元包括平行四杆机构、地轮杆和地轮；所述平行四杆机构包括上拉杆、下拉杆、前安装板、后安装板、挂杆和挂钩。所述株间除草末端执行器包括顶板、底板、液压缸、锄刀杆和锄刀。本发明结构紧凑、锄草效率高、准确率高、可移植性强、适用性广，可以适用于多种大田工况。

Description

一种基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能锄草装置

技术领域

本发明属于农业装备技术领域，涉及一种基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能锄草装置。

背景技术

消灭田间杂草是田间管理作业的一项重要内容。目前在我国，除草的方法有很多种，常用的除草方法有人工除草、化学除草和机械除草。人工除草存在劳动强度大、耗时费力、作业效率低等缺点。化学除草效率高，但是若使用不当，不仅达不到预期的防治效果，反而会伤害甚至毁灭农作物，且其药剂的残留毒性又会造成一定的环境污染，不利于农业可持续发展。机械除草比人工除草先进，消耗劳动力少，在摒弃化学除草的同时可大幅度提高工作效率，而且对农作物的伤害小。机械除草是一种绿色的除草方式，不仅能够控制草害，而且通过除草部件与土壤的作用能够促进农作物根系对肥料养分的吸收。目前国内主流的机械除草多采用旋转液压马达带动末端执行机构进行摆动或者旋转作业，采用单摄像头机器视觉获取苗草位置信息，结构功能比较单一，且控制方式较为复杂，要求对行精度高。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能锄草装置，采用液压缸驱动末端执行器进行开合摆动除草作业，采用双目相机获取苗草位置信息，降低算法难度、提高锄草效率。

衡量株间除草装置除草质量的主要性能指标和试验方法有以下几点：杂草除净率、伤苗率、最大工作幅宽、最大工作速度。结合株间除草机实际作业效果，总结影响除草质量的主要因素为：株间除草装置参数，如：末端执行机构运动方式、尺寸、驱动方式；除草***参数，如：工作幅宽、工作速度；环境参数，如：土壤湿度、板结程度、无草、少草、多草工况、环境光。

根据上述株间除草机除草质量影响因素，总结为实现大田株间除草作业效率高，伤苗率低为目标，株间除草装置应该具备以下功能和特点：锄刀开合应该和拖拉机行进速度、对行位置精度相匹配；双目相机获取苗草位置信息之后，将位置信息传给单片机，单片机结合当前车速以及苗草位置信息控制锄刀开合避苗；当除草单元出现对行偏差时，双目相机要实时进行矫正位置，使得除草单元再次对准苗中心。

综上所述，株间除草装置要根据测速轮采集拖拉机实时行进速度、对行偏差做出相关调整以匹配合适的锄刀开合避苗时间，最终实现提高除草效率的同时又降低伤苗率。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供一种基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能锄草装置，固接在水平设置的且与前进方向垂直的横梁4上，该锄草装置包括双目视觉伺服控制***、株间除草末端执行器和平行四杆仿形单元。

所述双目视觉伺服控制***包括固定在所述横梁4的前端面上的双目相机3、单片机2和伺服控制器1。

所述平行四杆仿形单元包括平行四杆机构5、地轮杆12和地轮13。

所述平行四杆机构5包括上拉杆、下拉杆、前安装板20、后安装板19、挂杆16和挂钩17。

一对上拉杆和一对下拉杆平行地铰接在前安装板20与后安装板19之间；所述前安装板20的前端面与横梁4的后端面固接，前安装板20的后端面的上部与挂钩17的一端铰接，挂钩17的另一端钩挂在设置在两个下拉杆中部之间的挂杆16上。所述地轮13通过地轮杆12连接在后安装板19的后端面上；

所述株间除草末端执行器包括顶板7、底板8、液压缸10、锄刀杆14和锄刀15。

所述顶板7和底板8水平布置且通过支撑柱11间隔一定距离相互固接，顶板7和底板8的前端分别通过一对锄刀安装限位块6固接在固接板23的上部和下部，固接板23与后安装板19固接。

一对相互平行的锄刀杆14竖直地转动连接在锄刀安装限位块6上，两个锄刀杆14的底端均垂直固接一锄刀15；两个并列设置的液压缸10的缸体后端铰接在顶板7与底板8之间，两个液压缸10的缸杆分别通过连杆18与锄刀杆14铰接。

所述单片机2与双目相机3连接，所述伺服控制器1分别与单片机2和液压缸10连接。

所述顶板7和底板8的后端对称设有液压缸安装调整槽22，所述有液压缸安装调整槽22沿顶板7和底板8的轴向设置；两个液压缸10的缸体后端分别与一个液压缸尾部安装块9铰接，所述液压缸尾部安装块9通过液压缸安装调整槽22位置能够前后调整地安装在顶板7与底板8之间。

所述锄刀杆14垂直于地面，锄刀15保持恒定的入土深度。

在横梁4上并列安装多组所述基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能除草装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明智能除草装置通过安装在拖拉机上的测速轮实时采集拖拉机行进速度以及通过双目相机实时获取苗草位置信息，采用伺服控制器，根据速度以及实时的苗草位置信息控制锄刀开合进行除草及避苗。采用双目相机获取苗草信息，相较于传统单目相机，多了景深效果，双目相机识别苗草位置信息主要是利用中耕时期苗草高度差别大的客观因素设置高度阈值获取苗草信息，准确率高。

2、该发明所涉及的液压缸驱动的摆动型末端执行机构采用液压缸提供驱动力，相较于液压马达提供驱动力有以下几个优点：1)控制算法较为简单；2)对行精度要求低；3)机构简单，累积误差小，宽容度大。相对于气缸提供驱动力，有以下优点：驱动力大，不会存在驱动力不足，锄刀在土壤中卡住的问题。采用液压缸直接连接连杆带动锄刀摆动，中间传动副少，累积误差少。

3、本发明结构紧凑、可移植性强、适用性广，可以适用于多种大田工况。液压缸安装调整槽可以前后调节以匹配不同行程的液压缸实现锄刀不同角度开合，可以适用于不同作物大田除草作业。

附图说明

图1为本发明基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能锄草装置的第一示意图；

图2为本发明基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能锄草装置的第二示意图；

图3为本发明锄草装置的锄草状态正视示意图；

图4为本发明锄草装置的避苗状态正视示意图；

图5为本发明锄草装置的锄草状态和避苗状态俯视示意图；

图6为本发明液压缸10的工作原理示意图。

其中的附图标记为：

1伺服控制器 2单片机

3双目相机 4横梁

5平行四杆机构 6锄刀安装限位块

7顶板 8底板

9液压缸尾部安装块 10液压缸

11支撑柱 12地轮杆

13地轮 14锄刀杆

15锄刀 16挂杆

17挂钩 18连杆

19后安装板 20前安装板

21“U”形安装螺栓 22液压缸安装调整槽

23固接板

图5中v为锄草装置前进方向

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1和图2所示，本发明的基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能锄草装置，固接在水平设置的且与前进方向垂直的横梁4上，该锄草装置包括双目视觉伺服控制***、株间除草末端执行器和平行四杆仿形单元。

所述双目视觉伺服控制***包括固定在所述横梁4的前端面上的用于采集大田间苗草信息的双目相机3、带有图像处理功能的单片机2和伺服控制器1。

所述平行四杆仿形单元包括平行四杆机构5、地轮杆12和地轮13。

所述平行四杆机构5包括上拉杆、下拉杆、前安装板20、后安装板19、挂杆16和挂钩17。

一对上拉杆和一对下拉杆平行地铰接在前安装板20与后安装板19之间；所述前安装板20的前端面通过“U”形安装螺栓21与横梁4的后端面固接，前安装板20的后端面的上部与挂钩17的一端铰接，挂钩17的另一端钩挂在设置在两个下拉杆中部之间的挂杆16上。所述地轮13通过地轮杆12连接在后安装板19的后端面上。

所述株间除草末端执行器包括顶板7、底板8、液压缸10、锄刀杆14和锄刀15。

所述顶板7和底板8水平布置且通过支撑柱11间隔一定距离相互固接，顶板7和底板8的前端分别通过一对锄刀安装限位块6固接在固接板23的上部和下部，固接板23通过螺栓与后安装板19固定，顶板7和底板8的后端对称设有液压缸安装调整槽22，用于调整安装不同行程的液压缸，以适用于不同作物大田除草作业，实现锄刀不同角度开合。

一对相互平行的锄刀杆14竖直地转动连接在锄刀安装限位块6上，两个锄刀杆14的底端均垂直固接一锄刀15；两个并列设置的液压缸10的缸体后端铰接在顶板7与底板8之间，两个液压缸10的缸杆分别通过连杆18与锄刀杆14铰接。在地轮13和平行四杆机构5的作用下，锄刀杆14能够一直垂直于地面，且锄刀15可以一直保持较恒定的入土深度。

优选地，所述顶板7和底板8的后端对称设有液压缸安装调整槽22，所述有液压缸安装调整槽22沿顶板7和底板8的轴向设置；两个液压缸10的缸体后端分别与一个液压缸尾部安装块9铰接，所述液压缸尾部安装块9通过液压缸安装调整槽22位置能够前后调整地安装在顶板7与底板8之间。

如图6所示，液压缸10的缸杆通过连杆18与锄刀杆14配合传递驱动力进行锄刀15的摆动开合作业，当两个液压缸10的缸杆为伸长状态时，两个锄刀15相互靠拢闭合并形成一条直线，此时锄刀15的刀刃朝向前进方向，锄草装置处于锄草状态；当两个液压缸10的缸杆为收缩状态时，两个锄刀15相互远离并形成一开口，此时锄草装置处于避苗状态。

所述单片机2与双目相机3连接，双目相机3实时采集大田间苗草信息，并将苗草信息传送给单片机2进行实时分析处理；所述伺服控制器1分别与单片机2和液压缸10连接，通过接收单片机2的信号驱动和控制液压缸10，液压缸10进而驱动锄刀杆14带动锄刀15进行摆动开合作业。

可以根据用户实际需求，选择在横梁4上并列安装多组本发明基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能除草装置，横梁4由拖拉机或者其他农用动力牵引平台牵引并始终保持与前进方向垂直，由安装数量的不同可以组成多种型号的除草机。

本发明的工作过程如下：

本发明基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能锄草装置由拖拉机等动力牵引平台牵引在垄间沿着作物行方向前进，平行四杆仿形单元依据工作时的大田实际地形上下起伏，保证锄刀杆14可以一直垂直于地面，且锄刀15可以一直保持较恒定的入土深度。如图3至图5所示，在行进作业过程中，双目相机3实时采集大田间苗草信息，并将苗草信息传送给单片机2进行实时分析处理，获得当前作物苗位置坐标，计算作物苗离锄刀15的距离信息，并将距离信息传递给伺服控制器1，伺服控制器1根据牵引平台实时车速以及锄刀15与当前作物苗的距离，计算锄刀15的摆动时机，进而控制液压缸10的缸杆的伸长和收缩，避免除草时伤苗，提升除草效率。

Claims (4)

1.一种基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能锄草装置，固接在水平设置的且与前进方向垂直的横梁(4)上，其特征在于：该锄草装置包括双目视觉伺服控制***、株间除草末端执行器和平行四杆仿形单元；

所述双目视觉伺服控制***包括固定在所述横梁(4)的前端面上的双目相机(3)、单片机(2)和伺服控制器(1)；

所述平行四杆仿形单元包括平行四杆机构(5)、地轮杆(12)和地轮(13)；

所述平行四杆机构(5)包括上拉杆、下拉杆、前安装板(20)、后安装板(19)、挂杆(16)和挂钩(17)；

一对上拉杆和一对下拉杆平行地铰接在前安装板(20)与后安装板(19)之间；所述前安装板(20)的前端面与横梁(4)的后端面固接，前安装板(20)的后端面的上部与挂钩(17)的一端铰接，挂钩(17)的另一端钩挂在设置在两个下拉杆中部之间的挂杆(16)上；所述地轮(13)通过地轮杆(12)连接在后安装板(19)的后端面上；

所述株间除草末端执行器包括顶板(7)、底板(8)、液压缸(10)、锄刀杆(14)和锄刀(15)；

所述顶板(7)和底板(8)水平布置且通过支撑柱(11)间隔一定距离相互固接，顶板(7)和底板(8)的前端分别通过一对锄刀安装限位块(6)固接在固接板(23)的上部和下部，固接板(23)与后安装板(19)固接；

一对相互平行的锄刀杆(14)竖直地转动连接在锄刀安装限位块(6)上，两个锄刀杆(14)的底端均垂直固接一锄刀(15)；两个并列设置的液压缸(10)的缸体后端铰接在顶板(7)与底板(8)之间，两个液压缸(10)的缸杆分别通过连杆(18)与锄刀杆(14)铰接；

所述单片机(2)与双目相机(3)连接，所述伺服控制器(1)分别与单片机(2)和液压缸(10)连接；

双目相机(3)实时采集大田间苗草信息，并将苗草信息传送给单片机(2)进行实时分析处理，获得当前作物苗位置坐标，计算作物苗离锄刀(15)的距离信息，并将距离信息传递给伺服控制器(1)，伺服控制器(1)根据牵引平台实时车速以及锄刀(15)与当前作物苗的距离，计算锄刀(15)的摆动时机，进而控制液压缸(10)的缸杆的伸长和收缩。

2.根据权利要求1所述的基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能锄草装置，其特征在于：所述顶板(7)和底板(8)的后端对称设有液压缸安装调整槽(22)，所述液压缸安装调整槽(22)沿顶板(7)和底板(8)的轴向设置；两个液压缸(10)的缸体后端分别与一个液压缸尾部安装块(9)铰接，所述液压缸尾部安装块(9)通过液压缸安装调整槽(22)位置能够前后调整地安装在顶板(7)与底板(8)之间。

3.根据权利要求1所述的基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能锄草装置，其特征在于：所述锄刀杆(14)垂直于地面，锄刀(15)保持恒定的入土深度。

4.根据权利要求1所述的基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能锄草装置，其特征在于：在横梁(4)上并列安装多组所述基于双目视觉获取苗草信息的开合式智能除草装置。

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