CN114779692A - 一种直线滑台式除草机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直线滑台式除草机器人及其控制方法，涉及智能农机技术领域，包括：智能控制器、直线滑台、传动轴旋转机构、装置搭载平台、太阳能储能供能***、传动轴升降控制机构、传动轴、执行器搭载平台、除草执行器、编码电机、麦克纳姆轮、平台升降支架、摄像头组；解决了现有大部分的除草机机器人仅仅能拔除杂草，在自由度、效率、株间除草等方面受限的技术问题。

Description

一种直线滑台式除草机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及智能农机技术领域，具体为一种直线滑台式除草机器人及其控制方法。

背景技术

农业作为人类历史上最为重要的一部分一直受到人们的重视，随着现代科学技术的高速发展，已经有大量的机械设备开始运用于日常农业生产中的各个环节，极大地节省了时间及劳动成本，而现代农机也开始逐渐向智能化、精细化和绿色化方向发展。

杂草对农作物生长有着很大的影响，它生命力顽强、繁殖容易、生长速度快，和农作物争夺养分、争夺生存空间，并传播病虫害，影响农作物的生长发育，如果防治不及时就会降低农作物产量、品质，给农业生产带来很大损失，对农民的经济回报产生消极影响。

常见的除草方式有：①人工除草，可以准确识别杂草且准确除去，但是大量人工与时间投入并无法满足现代社会的需求；②生物除草，效果稳定持久，不会产生污染，但是适用环境严格，条件苛刻，难以大规模推广；③化学除草，如常用的除草剂百草枯、高效及时，但非常容易导致有毒物质扩散，污染环境，损害人类健康。

机械除草是继化学药剂除草后的一种广泛被人们接受的除草方法，具有重要的研究意义和广泛的应用前景。目前，我国正大力推广智慧农业，随着现代科学技术和人工智能的不断发展，现有大部分的除草机机器人仅仅能拔除杂草，在自由度、效率、株间除草等方面受限。

本文所提出的一种直线滑台式除草机器人可以高效、多自由度、绿色环保进行株间除草。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种直线滑台式除草机器人，解决了上述背景技术中提出现有大部分的除草机机器人仅仅能拔除杂草，在自由度、效率、株间除草等方面受限的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种直线滑台式除草机器人，包括：智能控制器1、直线滑台2、传动轴旋转机构3、装置搭载平台4、太阳能储能供能***5、传动轴升降控制机构6、传动轴7、执行器搭载平台8、除草执行器9、编码电机10、麦克纳姆轮11、平台升降支架12、摄像头组13；

所述智能控制器1安装在所述搭载平台4前方；

所述装置搭载平台4的四角底部分别安装有四根平台升降支架12；

所述每根平台升降支架12底部安装有一个麦克纳姆轮11，每个麦克纳姆轮由一个编码电机10驱动控制；

所述摄像头组13安装在所述智能控制器1下方以及所述装置搭载平台4侧面，与所述智能控制器1连接采集实时数据；

所述太阳能储能供能***5安装在所述搭载平台4上方；

所述直线滑台2安装于所述搭载平台4下方；

所述传动轴旋转机构3安装于直线滑台2的工作位上；

所述传动轴7安装于所述传动轴旋转机构3下方；

所述传动轴升降控制机构6安装于传动轴中端，控制传动轴7升降运动；

所述执行器搭载平台8安装在传动轴下方；

所述除草执行器9安装在所述执行器搭载平台8下方。

优选地，所述直线滑台2，包括：工作位2.1、主轴旋转电机2.2、丝杆2.3；所述工作位2.1安装在丝杆2.3上；所述主轴旋转电机2.2接收智能控制器1得控制命令，控制工作位2.1移动至相应位置。

优选地，所述传动轴7，包括：主传动轴7.1、限位器7.2、副传动轴7.3。

优选地，所述传动轴升降控制机构6由滚珠丝杠副、限位器7.2以及液压式电器制动器组成，控制由限位器7.2固定姿态的副传动轴7.3升降，同时副传动轴连接于执行器搭载平台8，进而调节执行器搭载平台8的高度。

优选地，所述除草执行器9，包括：刀头转向电机9.1、除草执行装置9.2、刀具9.3、执行器摄像头9.4；

刀头转向电机9.1控制刀具9.3旋转运动，并调节刀面法向；

所述除草执行装置9.2固定安装刀具9.3；

所述执行器摄像头9.4与所述智能控制器1连接，控制刀头转向电机转动。

优选地，所述装置搭载平台4下方还安装有包含多个LED灯珠的光源组；LED灯珠所述均匀分布在装置搭载平台。

本发明还提供一种直线滑台式太阳能除草机器人控制方法，基于如权前任一所述的除草机器人，所述方法包括：

基于深度神经网络识别技术构建杂草识别***；

在除草机器人操作***中开启实时定位和地图构建；

获取除草机器人的除草执行部件当前的位置、距离、环境信息数据；

在除草机器人操作***中绘制栅格地图，并利用SLAM算法和RGB-D的深度摄像头的视觉里程计进行环境感知，融合生成三维点云地图；

基于RTK-GNSS技术在路径构成回路时对所述三维点云地图进行矫正，计算所述机器人路径；

计算除草机器人当前位置并匹配三维点云地图中的坐标，根据给定的目标点位置，控制智能除草机器人运动至目标位置；

除草机器人在行走过程中，所述摄像头组采集实时数据并传输到智能控制器，智能控制器捕捉到与所述杂草识别***特征相符的杂草时，确定杂草所在位置，并将所述杂草所在位置数据回传至智能控制器；

智能控制器发布控制指令给所述直线滑台、传动轴旋转机构、传动轴升降机构与除草执行器，将所述除草执行器移动到除草工作需要的工作位置，并执行除草操作，同时中控台控制所述编码电机停止转动以使得麦克纳姆轮停止转动，机器人静止，至除草动作完成；

当一处的除草动作完成时，所述直线滑台、传动轴旋转机构、传动轴升降机构与除草执行器回到初始位置，除草机器人继续行进，继续采集下一处杂草数据。

优选地，所述基于深度神经网络识别技术构建杂草识别***，包括：

获取初始检测图像数据集，实时拍摄杂草图片或从网上获取不同种类、不同颜色、不同大小的各式杂草图片，每张图像均包含杂草目标，背景可各不相同；

对所述初始检测图像数据集进行数据预处理得到目标检测的训练图像，对所需识别的杂草进行标记，创建不同杂草类别用作最终图像对比识别；

对所述初始检测图像数据集中的图像进行随机旋转，随机剪裁，水平翻转，垂直翻转，变形缩放，颜色变换，并将图像进行重新组合，以得到目标组合图像；

基于所述训练图像对预设的神经网络模型进行训练，所述神经网络训练提取到训练图像的多个特征图，得到对应的目标检测模型。

有益效果

本发明提供了一种直线滑台式除草机器人及其控制方法。具备以下有益效果：

通过其上所搭载的直线滑台、传动轴旋转机构、传动轴升降机构与除草执行器的组合实多自由度精准的株间除草工作，使用方便，效率高。

附图说明

图1为本发明提供的一种直线滑台式除草机器人结构立体图；

图2为本发明提供的一种直线滑台式除草机器人仰视结构主视图；

图3为本发明提供的一种直线滑台式除草机器人俯视结构主视图；

图4为本发明提供的一种直线滑台式除草机器人的直线滑台的立体结构示意图；

图5为本发明提供的一种直线滑台式除草机器人的除草执行器的立体结构示意图；

图6为本发明提供的一种直线滑台式除草机器人控制方法流程图；

图中：智能控制器1、直线滑台2、传动轴旋转机构3、装置搭载平台4、太阳能储能供能***5、传动轴升降控制机构6、传动轴7、执行器搭载平台8、除草执行器9、编码电机10、麦克纳姆轮11、平台升降支架12、摄像头组13、工作位2.1、主轴旋转电机2.2、丝杆2.3、主传动轴7.1、限位器7.2、副传动轴7.3、刀头转向电机9.1、除草执行装置9.2、刀具9.3、执行器摄像头9.4。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-5所示，一种直线滑台式除草机器人，包括：智能控制器1、直线滑台2、传动轴旋转机构3、装置搭载平台4、太阳能储能供能***5、传动轴升降控制机构6、传动轴7、执行器搭载平台8、除草执行器9、编码电机10、麦克纳姆轮11、平台升降支架12、摄像头组13；

所述智能控制器1安装在所述搭载平台4前方；

所述装置搭载平台4的四角底部分别安装有四根平台升降支架12；

所述每根平台升降支架12底部安装有一个麦克纳姆轮11，每个麦克纳姆轮由一个编码电机10驱动控制；

除草机器人实现全方位运动灵活机动，采用麦克纳姆轮通过转向电机、编码电机驱动控制，协调各轮在转向时的速度和转角使除草机器人适合于农用环境；

所述摄像头组13安装在所述智能控制器1下方以及所述装置搭载平台4侧面，与所述智能控制器1连接采集实时数据；

所述太阳能储能供能***5安装在所述搭载平台4上方；

所述太阳能储能供能***5包括：太阳能板、光源转换器、传感器、升压稳压电路和透镜耦合***；所述太阳能板收集的电能经控制器向所述蓄电池充电；所述蓄电池的电能通过逆变器向除草机器人的各个部件提供电源。

利用太阳能驱动行进，不再受有线电源和蓄电池电量不足的限制；

所述直线滑台2安装于所述搭载平台4下方；

所述传动轴旋转机构3安装于直线滑台2的工作位上；

所述传动轴7安装于所述传动轴旋转机构3下方；

所述传动轴升降控制机构6安装于传动轴中端，控制传动轴7升降运动；

所述执行器搭载平台8安装在传动轴下方；

所述除草执行器9安装在所述执行器搭载平台8下方。

优选地，所述直线滑台2，包括：工作位2.1、主轴旋转电机2.2、丝杆2.3；所述工作位2.1安装在丝杆2.3上；所述主轴旋转电机2.2接收智能控制器1得控制命令，控制工作位2.1移动至相应位置。

优选地，所述传动轴7，包括：主传动轴7.1、限位器7.2、副传动轴7.3。

优选地，所述传动轴升降控制机构6由滚珠丝杠副、限位器7.2以及液压式电器制动器组成，控制由限位器7.2固定姿态的副传动轴7.3升降，同时副传动轴连接于执行器搭载平台8，进而调节执行器搭载平台8的高度；结合智能控制模块1控制车体的前后运动，使除草执行器9在三维空间内多自由度运动。

优选地，所述除草执行器9，包括：刀头转向电机9.1、除草执行装置9.2、刀具9.3、执行器摄像头9.4；

刀头转向电机9.1控制刀具9.3旋转运动，并调节刀面法向；

所述除草执行装置9.2固定安装刀具9.3；

所述执行器摄像头9.4与所述智能控制器1通讯，控制刀头转向电机转动。

优选地，所述装置搭载平台4下方还安装有包含多个LED灯珠的光源组；LED灯珠所述均匀分布在装置搭载平台。

当工作时处于晚上或光照强度较弱时，智能控制器1根据光敏传感器传回的数据后发布控制指令给固定在装置搭载平台4下的光源组，控制LED灯亮起的数量，为装置提供补充光源。

所述智能控制器1脱机执行杂草识别及清除算法，所述智能控制器1分上位机和下位机两部分控制，下位机接收来自传感器和摄像头回传的数据，随后通过CANbus协议将数据发送给上位机，上位机接收到数据后通过其上提前设定的算法，计算并判断装置的状态，再通过CANbus协议发送到下位机，供下位机来控制除草执行器进行除草。

工作原理：直线滑台除草机器人行于工作区域时，智能控制器通过摄像头组识别杂草，并向智能控制器发送杂草位置姿态信息与农作物位置姿态信息；智能控制模块发送指令，通过主轴旋转机构调整传动轴方向及角度；传动轴角度及方向调整完成后，升降控制机构调整执行器竖直方向位置；执行器摄像头判断是否处于合适距离位置并发送信息到智能控制模块，智能控制模块控制车体前后运动至合适位置；执行器运动到合适位置后，执行器姿态与角度调节机构调节机械除草执行器，使刀面法向，智能控制模块发送指令夹紧刀头，执行除草动作将杂草去除。

如图6所示，本发明实施例还提供一种直线滑台式太阳能除草机器人控制方法，基于如权前任一所述的除草机器人，所述方法包括：

S1基于深度神经网络识别技术构建杂草识别***；

S2在除草机器人操作***中开启实时定位和地图构建；

S3获取除草机器人的除草执行部件当前的位置、距离、环境信息数据；

S4在除草机器人操作***中绘制栅格地图，并利用SLAM算法和RGB-D的深度摄像头的视觉里程计进行环境感知，融合生成三维点云地图；

S5基于RTK-GNSS技术在路径构成回路时对所述三维点云地图进行矫正，计算所述机器人路径；

S6计算除草机器人当前位置并匹配三维点云地图中的坐标，根据给定的目标点位置，控制智能除草机器人运动至目标位置；

S7除草机器人在行走过程中，所述摄像头组采集实时数据并传输到智能控制器，智能控制器捕捉到与所述杂草识别***特征相符的杂草时，确定杂草所在位置，并将所述杂草所在位置数据回传至智能控制器；

S8智能控制器发布控制指令给所述直线滑台、传动轴旋转机构、传动轴升降机构与除草执行器，将所述除草执行器移动到除草工作需要的工作位置，并执行除草操作，同时中控台控制所述编码电机停止转动以使得麦克纳姆轮停止转动，机器人静止，至除草动作完成；

S9当一处的除草动作完成时，所述直线滑台、传动轴旋转机构、传动轴升降机构与除草执行器回到初始位置，除草机器人继续行进，继续采集下一处杂草数据。

优选地，所述基于深度神经网络识别技术构建杂草识别***，包括：

获取初始检测图像数据集，实时拍摄杂草图片或从网上获取不同种类、不同颜色、不同大小的各式杂草图片，每张图像均包含杂草目标，背景可各不相同；

对所述初始检测图像数据集进行数据预处理得到目标检测的训练图像，对所需识别的杂草进行标记，创建不同杂草类别用作最终图像对比识别；

对所述初始检测图像数据集中的图像进行随机旋转，随机剪裁，水平翻转，垂直翻转，变形缩放，颜色变换，并将图像进行重新组合，以得到目标组合图像；

基于所述训练图像对预设的神经网络模型进行训练，所述神经网络训练提取到训练图像的多个特征图，得到对应的目标检测模型。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种直线滑台式除草机器人，其特征在于，包括：智能控制器(1)、直线滑台(2)、传动轴旋转机构(3)、装置搭载平台(4)、太阳能储能供能***(5)、传动轴升降控制机构(6)、传动轴(7)、执行器搭载平台(8)、除草执行器(9)、编码电机(10)、麦克纳姆轮(11)、平台升降支架(12)、摄像头组(13)；

所述智能控制器(1)安装在所述搭载平台(4)前方；

所述装置搭载平台(4)的四角底部分别安装有四根平台升降支架(12)；

所述每根平台升降支架(12)底部安装有一个麦克纳姆轮(11)，每个麦克纳姆轮由一个编码电机(10)驱动控制；

所述摄像头组(13)安装在所述智能控制器(1)下方以及所述装置搭载平台(4)侧面；

所述太阳能储能供能***(5)安装在所述搭载平台(4)上方；

所述直线滑台(2)安装于所述搭载平台(4)下方；

所述传动轴旋转机构(3)安装于直线滑台(2)的工作位上；

所述传动轴(7)安装于所述传动轴旋转机构(3)下方；

所述传动轴升降控制机构(6)安装于传动轴中端，控制传动轴(7)升降运动；

所述执行器搭载平台(8)安装在传动轴下方；

所述除草执行器(9)安装在所述执行器搭载平台(8)下方。

2.根据权利要求1所述的一种直线滑台式除草机器人，其特征在于：所述直线滑台(2)，包括：工作位(2.1)、主轴旋转电机(2.2)、丝杆(2.3)；

所述工作位(2.1)安装在丝杆(2.3)上；

所述主轴旋转电机(2.2)接收智能控制器(1)得控制命令，控制工作位(2.1)移动至相应位置。

3.根据权利要求2所述的一种直线滑台式除草机器人，其特征在于：所述传动轴(7)，包括：主传动轴(7.1)、限位器(7.2)、副传动轴(7.3)。

4.根据权利要求3所述的一种直线滑台式除草机器人，其特征在于：所述传动轴升降控制机构(6)由滚珠丝杠副、限位器(7.2)以及液压式电器制动器组成，控制由限位器(7.2)固定姿态的副传动轴(7.3)升降，同时副传动轴连接于执行器搭载平台(8)，进而调节执行器搭载平台(8)的高度。

5.根据权利要求4所述的一种直线滑台式除草机器人，其特征在于：所述除草执行器(9)，包括：刀头转向电机(9.1)、除草执行装置(9.2)、刀具(9.3)、执行器摄像头(9.4)；

刀头转向电机(9.1)控制刀具(9.3)旋转运动，并调节刀面法向；

所述除草执行装置(9.2)固定安装刀具(9.3)；

所述执行器摄像头(9.4)与所述智能控制器(1)通讯，控制刀头转向电机转动。

6.根据权利要求1所述的一种直线滑台式除草机器人，其特征在于：所述装置搭载平台(4)下方还安装有包含多个LED灯珠的光源组；LED灯珠所述均匀分布在装置搭载平台。

7.一种直线滑台式太阳能除草机器人控制方法，基于如权利要求1-6任一所述的除草机器人，其特征在于，所述方法包括：

基于深度神经网络识别技术构建杂草识别***；

在除草机器人操作***中开启实时定位和地图构建；

获取除草机器人的除草执行部件当前的位置、距离、环境信息数据；

在除草机器人操作***中绘制栅格地图，并利用SLAM算法和RGB-D的深度摄像头的视觉里程计进行环境感知，融合生成三维点云地图；

基于RTK-GNSS技术在路径构成回路时对所述三维点云地图进行矫正，计算所述机器人路径；

计算除草机器人当前位置并匹配三维点云地图中的坐标，根据给定的目标点位置，控制智能除草机器人运动至目标位置；

除草机器人在行走过程中，所述摄像头组采集实时数据并传输到智能控制器，智能控制器捕捉到与所述杂草识别***特征相符的杂草时，确定杂草所在位置，并将所述杂草所在位置数据回传至智能控制器；

智能控制器发布控制指令给所述直线滑台、传动轴旋转机构、传动轴升降机构与除草执行器，将所述除草执行器移动到除草工作需要的工作位置，并执行除草操作，同时中控台控制所述编码电机停止转动以使得麦克纳姆轮停止转动，机器人静止，至除草动作完成；

当一处的除草动作完成时，所述直线滑台、传动轴旋转机构、传动轴升降机构与除草执行器回到初始位置，除草机器人继续行进，继续采集下一处杂草数据。

8.根据权利要求7所述的一种直线滑台式太阳能除草机器人控制方法，其特征在于，所述基于深度神经网络识别技术构建杂草识别***，包括：

获取初始检测图像数据集，实时拍摄杂草图片或从网上获取不同种类、不同颜色、不同大小的各式杂草图片，每张图像均包含杂草目标，背景可各不相同；

对所述初始检测图像数据集进行数据预处理得到目标检测的训练图像，对所需识别的杂草进行标记，创建不同杂草类别用作最终图像对比识别；

对所述初始检测图像数据集中的图像进行随机旋转，随机剪裁，水平翻转，垂直翻转，变形缩放，颜色变换，并将图像进行重新组合，以得到目标组合图像；

基于所述训练图像对预设的神经网络模型进行训练，所述神经网络训练提取到训练图像的多个特征图，得到对应的目标检测模型。

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