本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)機械技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種水田自動除草機器人及其控制方法。

背景技術(shù)：

水田除草具有促進水稻生長和節(jié)省肥料的效果，可以充分利用光能，其經(jīng)濟與社會效益均非常可觀?，F(xiàn)有的水田除草裝置需要工作人員的扶持跟隨，且只能清除行間的雜草，株間的雜草不能被清除，工作效率低且除草效果較差。因此，設(shè)計一種能夠同時清理水田行間雜草和株間雜草的自動除草裝置十分重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠同時清理水田行間雜草和株間雜草的自動除草機器人及其控制方法。

本發(fā)明自動除草機器人，包括行進機構(gòu)、行間除草機構(gòu)、株間除草機構(gòu)、機架、攝像頭和紅外傳感器組。所述機架的前端呈圓弧狀；機架的底部包括一體成型的前底板、第一連接板、中底板、第二連接板和后底板。所述的前底板與中底板通過第一連接板連接；所述的中底板與后底板通過第二連接板連接；前底板與后底板封閉且均低于中底板；后底板為平板。所述的攝像頭固定在機架前端，攝像頭中心軸線的高度為300～400mm。

所述的行進機構(gòu)包括第一步進電機、電機座、第一齒輪、第二齒輪、第一軸套、輪軸和行進輪。所述的電機座和兩個第一軸套均固定在機架上。兩個第一步進電機均固定在電機座上；兩個第一步進電機的輸出軸上均固定有第一齒輪。兩根輪軸與兩個第一軸套分別構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。兩根輪軸同軸設(shè)置，相對端與兩個第二齒輪分別固定，相背端與兩個行進輪分別固定。行進輪外圈沿周向均布有n塊行進板，3≤n≤8。兩個第一齒輪與兩個第二齒輪分別嚙合。

所述的行間除草機構(gòu)包括第一直流電機、齒輪箱、第三齒輪、第四齒輪、第五齒輪、第六齒輪、第七齒輪、第八齒輪、第九齒輪、第一傳動軸、第二傳動軸、第三傳動軸、第二軸套、行間除草軸和行間除草爪。所述的齒輪箱和兩個第二軸套均固定在機架上。第一直流電機固定在齒輪箱上。兩根行間除草軸與兩個第二軸套分別構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；兩根行間除草軸的上端均固定有第九齒輪，下端均固定有行間除草爪。所述的第一傳動軸、第二傳動軸和第三傳動軸均與齒輪箱構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。所述的第四齒輪及第五齒輪均固定在第一傳動軸上。所述的第六齒輪及第七齒輪均固定在第二傳動軸上；所述的第八齒輪固定在第三傳動軸上。所述第一直流電機的輸出軸上固定有第三齒輪。第三齒輪與第四齒輪嚙合；第五齒輪與第六齒輪嚙合；第八齒輪及一個第九齒輪均與第七齒輪嚙合；另一個第九齒輪與第八齒輪嚙合。

所述的株間除草機構(gòu)包括第二直流電機、第十齒輪、第十一齒輪、第四傳動軸、第一帶輪、支承盒、擺動中心軸、第二步進電機、第十二齒輪、第十三齒輪、支座、擺動臂、第二帶輪、擺動盒、傳動帶、株間除草軸和株間除草爪。所述的第二步進電機和支座均固定在機架上。第二步進電機的輸出軸上固定有第十二齒輪；所述的擺動中心軸與支座構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；所述的第十三齒輪及支承盒均與擺動中心軸固定。第十二齒輪與第十三齒輪嚙合。所述的第二直流電機固定在支承盒上；第二直流電機的輸出軸上固定有第十齒輪；第四傳動軸與支承盒構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；第四傳動軸上固定有第十一齒輪及第一帶輪；第十齒輪與第十一齒輪嚙合；所述的擺動臂的一端與支承盒固定，另一端與擺動盒固定；株間除草軸與擺動盒構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；株間除草軸的上端固定有第二帶輪，下端固定有株間除草爪。傳動帶套在第一帶輪與第二帶輪上。

所述的紅外傳感器組由第一紅外傳感器、第二紅外傳感器、第三紅外傳感器和第四紅外傳感器組成。所述的第一紅外傳感器固定在機架的左側(cè)；所述的第二紅外傳感器固定在機架的右側(cè)。所述的第三紅外傳感器及第四紅外傳感器均固定在擺動盒上。第一紅外傳感器、第二紅外傳感器、第三紅外傳感器和第四紅外傳感器中心軸線的高度均為x毫米，100≤x≤300，紅外光發(fā)射方向均與機架的直線行進方向垂直。第一紅外傳感器與第三紅外傳感器位于同側(cè)，中心軸線的距離為y毫米，200≤y≤400；第二紅外傳感器與第四紅外傳感器位于同側(cè)，中心軸線的距離為y毫米。第一紅外傳感器與第二紅外傳感器發(fā)射的紅外光在同一直線上。

所述的行間除草爪與株間除草爪外形相同，均包括一體成型的固定環(huán)和沿固定環(huán)周向均布的六根彎桿，彎桿自由端向下彎曲。

所述第七齒輪和第八齒輪的齒數(shù)相等。

所述的傳動帶為同步帶，第一帶輪及第二帶輪均為同步帶輪。

所述的第一紅外傳感器、第二紅外傳感器、第三紅外傳感器和第四紅外傳感器的型號均為e18-d80nk。

所述行進輪外圈上的行進板為平板，且寬度比行進輪外圈寬度大20mm。

該自動除草機器人的控制方法如下：

兩個第一步進電機帶動兩個行進輪轉(zhuǎn)動，通過攝像頭拍攝的圖像控制兩個第一步進電機的轉(zhuǎn)速差，調(diào)整行進方向，使行進輪保持在行間行走。同時，第一直流電機帶動兩個行間除草爪轉(zhuǎn)動；兩個行間除草爪的轉(zhuǎn)向相反。行進過程中，機架的后底板將被行間除草爪翻起的淤泥壓平。

第二直流電機帶動株間除草爪轉(zhuǎn)動。根據(jù)紅外傳感器組的檢測結(jié)果，第二步進電機帶動株間除草爪向左側(cè)或向右側(cè)擺動至兩株水稻之間；株間除草爪在碰到水稻前，擺回兩行水稻之間。

該自動除草機器人調(diào)整行進方向的控制方法具體如下：

步驟一、攝像頭每秒拍攝一次前方照片，得到采樣圖像。選取當(dāng)前秒數(shù)k對應(yīng)的采樣圖像中的所有綠色像素群，組成綠色像素群組，綠色像素群組中位于最左側(cè)的綠色像素群為第一綠色像素群，綠色像素群組中位于最右側(cè)的綠色像素群為第二綠色像素群。在第一綠色像素群和第二綠色像素群上各取m個采樣點，5≤m≤20。將所有采樣點的橫坐標(biāo)分別記錄下來，第一綠色像素群的采樣點橫坐標(biāo)組成第一橫坐標(biāo)組；第二綠色像素群的采樣點橫坐標(biāo)組成第二橫坐標(biāo)組。計算當(dāng)前秒數(shù)k對應(yīng)的采樣圖像中心和第一綠色像素群與第二綠色像素群的對稱中心的偏差值e(k)，計算方式如下：

其中，x1i為第一橫坐標(biāo)組的第i個采樣點橫坐標(biāo)；x2i為第二橫坐標(biāo)組的第i個采樣點橫坐標(biāo)；u為當(dāng)前秒數(shù)k對應(yīng)采樣圖像中心的橫坐標(biāo)。

步驟二、根據(jù)偏差值e(k)計算電機控制增量u(k)，計算方式如下：

其中，e(0)＝0，kp為比例常數(shù)；ki為積分項比例系數(shù)乘積；kd為微分項比例系數(shù)乘積。

步驟三、通過pwm波控制兩個第一步進電機的轉(zhuǎn)速；其中一個第一步進電機為恒速電機，另一個第一步進電機為變速電機。恒速電機pwm波的脈沖寬度恒定。變速電機pwm波的脈沖寬度的變化量受電機控制增量u(k)控制。計算方式如下：

pwm1k-pwm1k-1＝a*u(k)

其中，pwm1k為得到當(dāng)前秒數(shù)k對應(yīng)采樣圖像后變速電機pwm波的脈沖寬度；pwm1k-1為得到秒數(shù)k-1對應(yīng)采樣圖像后變速電機pwm波的脈沖寬度；a為轉(zhuǎn)向系數(shù)。

恒速電機和變速電機轉(zhuǎn)速不同，從而實現(xiàn)對行進方向的調(diào)整。

該自動除草機器人除前進方向左側(cè)株間雜草的控制方法具體如下：

第三紅外傳感器檢測到有物體進入檢測范圍，第二步進電機正轉(zhuǎn)，帶動株間除草爪向左擺動至兩株水稻之間清除雜草。第一紅外傳感器檢測到有物體進入檢測范圍，第二步進電機反轉(zhuǎn)，株間除草爪擺回兩行水稻之間。

該自動除草機器人除前進方向右側(cè)株間雜草的控制方法具體如下：

第四紅外傳感器檢測到有物體進入檢測范圍，第二步進電機反轉(zhuǎn)，帶動株間除草爪向右擺動至兩株水稻之間清除雜草。第二紅外傳感器檢測到有物體進入檢測范圍，第二步進電機正轉(zhuǎn)，株間除草爪擺回兩行水稻之間。

本發(fā)明具有的有益效果是：

1、本發(fā)明機架前端呈圓弧狀，能夠防止機架內(nèi)部堆積淤泥。

2、本發(fā)明機架后端底部為平面，能夠?qū)⒈环鸬挠倌鄩浩健?/p>

3、本發(fā)明的兩個行進輪由兩個步進電機分別控制；通過差速，可實現(xiàn)小半徑轉(zhuǎn)彎，靈活方便。

4、本發(fā)明的行間除草機構(gòu)的兩個除草爪的旋向相反。能夠抵消除草爪旋轉(zhuǎn)所帶來的扭矩，提高了機構(gòu)行進的穩(wěn)定性。

5、本發(fā)明的株間除草機構(gòu)能夠定角度左右擺動，確保清除株間雜草時不會傷害到水稻。

6、本發(fā)明行進輪外圈上的行進板呈鴨子腳蹼的形狀，克服了普通車輪難以在水田中穩(wěn)定前進的缺陷。

7、本發(fā)明浸在水田中的底部封閉且行進輪外圈上的行進板為寬板，能夠有效利用浮力避免行進輪陷入淤泥。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)立體圖；

圖2是本發(fā)明中行進機構(gòu)的立體圖；

圖3是本發(fā)明中行間除草機構(gòu)的立體圖；

圖4是本發(fā)明中株間除草機構(gòu)的立體圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1、2、3和4所示，自動除草機器人，包括行進機構(gòu)、行間除草機構(gòu)、株間除草機構(gòu)、機架40、攝像頭41和紅外傳感器組。機架40的前端呈圓弧狀。機架40的底部包括一體成型的前底板、第一連接板、中底板、第二連接板和后底板。前底板與中底板通過第一連接板連接；中底板與后底板通過第二連接板連接；前底板與后底板封閉且均低于中底板；后底板為平板。攝像頭41固定在機架40前端，攝像頭41中心軸線的高度為340mm。

如圖1和2所示，行進機構(gòu)包括第一步進電機1、電機座2、第一齒輪3、第二齒輪4、第一軸套5、輪軸6和行進輪7。電機座2和兩個第一軸套5均固定在機架40上。兩個第一步進電機1均固定在電機座2上；兩個第一步進電機1的輸出軸上均固定有第一齒輪3。兩根輪軸6與兩個第一軸套5分別構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。兩根輪軸6同軸設(shè)置，相對端與兩個第二齒輪4分別固定，相背端與兩個行進輪7分別固定。行進輪7外圈沿周向均布有五塊行進板；行進板為平板，且寬度比行進輪7外圈寬度大20mm。兩個第一齒輪3與兩個第二齒輪4分別嚙合。

如圖1和3所示，行間除草機構(gòu)包括第一直流電機8、齒輪箱9、第三齒輪10、第四齒輪11、第五齒輪12、第六齒輪13、第七齒輪14、第八齒輪15、第九齒輪16、第一傳動軸17、第二傳動軸18、第三傳動軸19、第二軸套20、行間除草軸21和行間除草爪22。齒輪箱9和兩個第二軸套20均固定在機架40上。第一直流電機8固定在齒輪箱9上。兩根行間除草軸21與兩個第二軸套20分別構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；兩根行間除草軸21的上端均固定有第九齒輪16，下端均固定有行間除草爪22。第一傳動軸17、第二傳動軸18和第三傳動軸19均與齒輪箱構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。第四齒輪11及第五齒輪12均固定在第一傳動軸17上。第六齒輪13及第七齒輪14均固定在第二傳動軸18上；第八齒輪15固定在第三傳動軸19上。第一直流電機8的輸出軸上固定有第三齒輪10。第三齒輪10與第四齒輪11嚙合；第五齒輪12與第六齒輪13嚙合；第八齒輪15及一個第九齒輪16均與第七齒輪14嚙合；另一個第九齒輪16與第八齒輪15嚙合；第七齒輪14和第八齒輪15的齒數(shù)相等。

如圖1和4所示，株間除草機構(gòu)包括第二直流電機23、第十齒輪24、第十一齒輪25、第四傳動軸26、第一帶輪27、支承盒28、擺動中心軸29、第二步進電機30、第十二齒輪31、第十三齒輪32、支座33、擺動臂34、第二帶輪35、擺動盒36、傳動帶37、株間除草軸38和株間除草爪39。第二步進電機30和支座33均固定在機架40上。第二步進電機30的輸出軸上固定有第十二齒輪31；擺動中心軸29與支座33構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；第十三齒輪32及支承盒28均與擺動中心軸29固定。第十二齒輪31與第十三齒輪32嚙合。第二直流電機23固定在支承盒28上；第二直流電機23的輸出軸上固定有第十齒輪24；第四傳動軸26與支承盒28構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；第四傳動軸26上固定有第十一齒輪25及第一帶輪27；第十齒輪24與第十一齒輪25嚙合；擺動臂34的一端與支承盒28固定，另一端與擺動盒36固定；株間除草軸38與擺動盒36構(gòu)成轉(zhuǎn)動副；株間除草軸38的上端固定有第二帶輪35，下端固定有株間除草爪39。傳動帶37套在第一帶輪27與第二帶輪35上。

紅外傳感器組由第一紅外傳感器、第二紅外傳感器、第三紅外傳感器和第四紅外傳感器組成。第一紅外傳感器、第二紅外傳感器、第三紅外傳感器和第四紅外傳感器的型號均為e18-d80nk。第一紅外傳感器固定在機架40的左側(cè)；第二紅外傳感器固定在機架40的右側(cè)。第三紅外傳感器及第四紅外傳感器均固定在擺動盒36上。第一紅外傳感器、第二紅外傳感器、第三紅外傳感器和第四紅外傳感器中心軸線的高度均為150mm，紅外光發(fā)射方向均與機架40的直線行進方向垂直。第一紅外傳感器與第三紅外傳感器位于同側(cè)，中心軸線的距離為250mm；第二紅外傳感器與第四紅外傳感器位于同側(cè)，中心軸線的距離為250mm。第一紅外傳感器與第二紅外傳感器發(fā)射的紅外光在同一直線上。

行間除草爪22與株間除草爪39外形相同，均包括一體成型的固定環(huán)和沿固定環(huán)周向均布的六根彎桿，彎桿自由端向下彎曲。

工作狀態(tài)下，行進輪7、后底板、行間除草爪22及株間除草爪39均與水田中淤泥接觸。

該自動除草機器人的控制方法如下：

兩個第一步進電機1帶動兩個行進輪7轉(zhuǎn)動，通過攝像頭41拍攝的圖像控制兩個第一步進電機1的轉(zhuǎn)速差，調(diào)整行進方向，使行進輪7保持在行間行走。同時，第一直流電機8帶動兩個行間除草爪22轉(zhuǎn)動；兩個行間除草爪22的轉(zhuǎn)向相反，清除兩行水稻之間的雜草。行進過程中，機架40的后底板將被行間除草爪22翻起的淤泥壓平。

第二直流電機23帶動株間除草爪39轉(zhuǎn)動。根據(jù)紅外傳感器組的檢測結(jié)果，第二步進電機30帶動株間除草爪39向左側(cè)或向右側(cè)擺動至兩株水稻之間清除雜草；株間除草爪39在碰到水稻前，擺回兩行水稻之間，從而避免傷害水稻。

該自動除草機器人調(diào)整行進方向的控制方法具體如下：

步驟一、攝像頭每秒拍攝一次前方照片，得到采樣圖像。一株水稻苗對應(yīng)一個綠色像素群，選取當(dāng)前秒數(shù)k對應(yīng)的采樣圖像中的所有綠色像素群，組成綠色像素群組，綠色像素群組中位于最左側(cè)的綠色像素群為第一綠色像素群，綠色像素群組中位于最右側(cè)的綠色像素群為第二綠色像素群。在第一綠色像素群和第二綠色像素群上各取十個采樣點。將所有采樣點的橫坐標(biāo)分別記錄下來，第一綠色像素群的采樣點橫坐標(biāo)組成第一橫坐標(biāo)組；第二綠色像素群的采樣點橫坐標(biāo)組成第二橫坐標(biāo)組。計算當(dāng)前秒數(shù)k對應(yīng)的采樣圖像中心和第一綠色像素群與第二綠色像素群的對稱中心的偏差值e(k)，計算方式如下：

其中，x1i為第一橫坐標(biāo)組的第i個采樣點橫坐標(biāo)；x2i為第二橫坐標(biāo)組的第i個采樣點橫坐標(biāo)；u為當(dāng)前秒數(shù)k對應(yīng)采樣圖像中心的橫坐標(biāo)。

步驟二、根據(jù)偏差值e(k)計算電機控制增量u(k)，計算方式如下：

其中，e(0)＝0，kp為比例常數(shù)，1＜kp＜100；ki為積分項比例系數(shù)乘積，用于消除穩(wěn)態(tài)誤差，0.1＜ki＜1；kd為微分項比例系數(shù)乘積，用于減小震蕩，0.1＜kd＜1。

步驟三、通過pwm波控制兩個第一步進電機的轉(zhuǎn)速；其中一個第一步進電機為恒速電機，另一個第一步進電機為變速電機。恒速電機pwm波的脈沖寬度恒定。變速電機pwm波的脈沖寬度的變化量受電機控制增量u(k)控制。計算方式如下：

pwm1k-pwm1k-1＝a*u(k)

其中，pwm1k為得到當(dāng)前秒數(shù)k對應(yīng)采樣圖像后變速電機pwm波的脈沖寬度；pwm1k-1為得到秒數(shù)k-1對應(yīng)采樣圖像后變速電機pwm波的脈沖寬度；a為轉(zhuǎn)向系數(shù)，0＜a＜100。

恒速電機和變速電機轉(zhuǎn)速不同，從而實現(xiàn)對行進方向的調(diào)整。

該自動除草機器人除前進方向左側(cè)株間雜草的控制方法具體如下：

第三紅外傳感器檢測到有物體進入檢測范圍，第二步進電機23正轉(zhuǎn)，帶動株間除草爪39向左擺動至兩株水稻之間清除雜草。第一紅外傳感器檢測到有物體進入檢測范圍，第二步進電機23反轉(zhuǎn)，株間除草爪39擺回兩行水稻之間。

該自動除草機器人除前進方向右側(cè)株間雜草的控制方法具體如下：

第四紅外傳感器檢測到有物體進入檢測范圍，第二步進電機23反轉(zhuǎn)，帶動株間除草爪39向右擺動至兩株水稻之間清除雜草。第二紅外傳感器檢測到有物體進入檢測范圍，第二步進電機23正轉(zhuǎn)，株間除草爪39擺回兩行水稻之間。