一种智能化农作物全方位除草装置及方法

摘要

本发明公开一种智能化农作物全方位除草装置及方法，包括机架、视觉与智能电控系统、深度与高度调节装置、行间除草装置、株间除草装置、智能喷药装置。位于机架上的三点悬挂机构与行走机械连接；视觉与智能电控系统用于采集植株与株间除草铲及喷头的相对位置信息，控制株间除草装置及智能喷药装置的工作状态；深度与高度调节装置用于调节行间除草铲和株间除草铲的入土深度及机架底盘高度；行间除草装置和株间除草装置用于植株行间及株间杂草的清除；智能喷药装置用于对株间除草铲不能除掉的植株根部的杂草进行清除。本发明保护了植株不受株间除草铲的损伤，并解决了植株根部杂草阻碍农作物生长的问题，实现了农作物行间及株间杂草的全方位清除。

权利要求

1.一种智能化农作物全方位除草装置，其特征在于：包括机架（2）、视觉与智能电控系统、深度与高度调节装置、行间除草装置、株间除草装置、智能喷药装置；位于机架（2）上的三点悬挂机构（1）与行走机械连接，由行走机械牵引前行；视觉与智能电控系统用于采集植株与株间除草铲(11)及喷头(25)的相对位置信息，控制株间除草装置及智能喷药装置的工作状态；深度与高度调节装置用于调节行间除草铲（15）和株间除草铲(11)的入土深度及机架（2）底盘高度；行间除草装置和株间除草装置用于植株的行间及株间杂草的清除；智能喷药装置用于对株间除草铲（11）不能除掉的植株根部的杂草进行清除；

所述的行间除草装置安装在机架（2）的横向中间位置、行走车轮(18)的正后方，行间除草铲（15）采用三角铲，可拆卸，可根据不同的行距更换合适宽度的三角铲，由可调节定位器（16）固定；行走车轮（18）的中心安装有速度传感器（19），行走车轮（18）由可调节定位器（20）固定；多个全方位除草装置单元并排使用同时进行多行除草作业时，每个单元独立工作；所述株间除草装置由一对株间除草铲（11）、一对液压油缸（22）、一组电磁阀（24）、位移传感器（23）和智能控制器(4)组成；

所述的智能控制器(4)同时控制多个所述的全方位除草装置单元；株间除草装置安装在株间除草装置外箱（10）内，位于机架(2)后端；一个单元的一对株间除草铲(11)，一对液压油缸（22）和电磁阀(24)沿机架（2）的中心线左右对称布置；液压油缸(22)的一端与液压泵站输出点相连，液压泵站输出点通过一组电磁阀（24）控制一对液压油缸（22）的横向运动状态，液压油缸（22）的另一端通过销与株间除草铲（11）顶端的长槽型孔连接形成关节。

2.根据权利要求1所述的一种智能化农作物全方位除草装置，其特征在于：所述视觉与智能电控系统包括摄像头（13）、图像处理器（14）、智能控制器（4）、电瓶（3）；摄像头（13）垂直安装在喷头（25）与行间除草铲（15）之间、机架（2）的后下方。

3.根据权利要求1所述的一种智能化农作物全方位除草装置，其特征在于：所述株间除草装置中，液压油缸（22）的横向运动机构连接位移传感器（23）的一端，在伺服系统中用作位移反馈元件，位移传感器（23）的另一端与智能控制器（4）相连。

4.根据权利要求1所述的一种智能化农作物全方位除草装置，其特征在于：所述智能喷药装置包括储药罐(6)、高压泵(8)、电磁阀(9)、输药管(7)、喷药杆(12)和喷头(25)；储药罐(6)安装在机架(2)上方储药罐安装座(5)上，通过输药管(7)连接高压泵(8)，喷药杆(12)固定在机架(2)上；喷头(25)向外倾斜，对着植株根部方向。

5.利用权利要求1所述的一种智能化农作物全方位除草装置的除草方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，利用智能控制器（4）预先设定与植株中心距离为S的前后位置为植株受保护区域的前后边界，对围绕作物周围宽为S的区域内的杂草不进行株间除草铲（11）清除，防止伤苗；视觉与智能电控系统根据植株中心位置信息、植株与株间除草铲（11）及喷头（25）的相对位置信息、速度传感器（19）测得的车速信息，计算出株间除草铲（11）到达植株受保护区域前后边界的延时时间T1和T2，以及喷头（25）到达植株中心位置的延时时间T3，并生成株间除草铲（11）的运动轨迹；

步骤二，当株间除草铲(11)到达植株受保护区域的前边界时，株间除草铲(11)闭合，保护植株不受伤害，当株间除草铲(11)随着除草装置前行离开植株中心位置并到达植株受保护区域的后边界时，株间除草铲(11)张开进入株间区域进行除草作业；

步骤三，当喷头(25)到达植株中心位置时，电磁阀(9)打开，喷头(25)对准植株中心位置喷药，当喷头(25)离开植株中心位置时，电磁阀(9)关闭，准备下一棵植株的喷药作业。

说明书

一种智能化农作物全方位除草装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及农作物管理机械，特别涉及一种智能化农作物全方位除草装置，属于农业机械领域。

背景技术

[0002] 杂草的存在是农作物生长过程中遇到的最普遍的问题，尤其是植株根部的杂草，直接和农作物竞争水分、养分和阳光，严重影响农作物的生长。目前田间除草主要靠化学药剂除草，导致广泛使用除草剂，虽然取得了显著成效，但也带来了很多问题，粗犷式的喷洒方式造成了能源的浪费，引起杂草的抗药性和农药残留引起的安全问题等。这就需要一种能够代替大面积施药进行除草的方式。

[0003] 针对除草药剂滥用这种问题，国内外都有相应的除草机器人的研究。南京林业大学提出了一种直接施药方法的除草机器人，主要结构包括主体、机械臂、轮子和摄像头，在喷药机器人进行工作时，首先根据摄像头采集田间图像进行技术确定杂草位置，然后通过控制系统调节机械臂相关参数进行喷药除草，结果表明，运用此种机器人能够合理的进行除草，减少化学药剂的滥用。澳大利亚还提出一种智能化农田施药机器，一旦发现杂草就能根据识别进行决策确定除草剂用量，只向杂草喷洒除草剂，成本只有传统药物除草的10%。虽然有效地降低了除草剂的使用量，但相对于机械除草来说，除草剂的使用还是很多，对于植株行间和离植株根部有一定距离的株间来说，可以用机械除草的方式代替化学除草。

[0004] 机械除草是可持续发展农业中的一项关键技术，开始受到越来越多的重视，就目前技术而言，行间除草技术较为成熟，除草效率能够达到90%以上，国内针对于株间除草的除草机械的研究处于起步阶段。德国奥斯纳布吕克大学与亚马逊联合开发了一种摆线锄(Dedousis，2007)，用于玉米地里的行间与株间除草，八爪除草爪齿呈圆形安装在一个旋转体上组成除草机构，旋转体由液压泵驱动旋转，使除草爪齿做圆周运动，机器前进时除草爪齿做余摆运动，每个除草爪齿均能独立展开和收拢，避免接触农作物，但其对围绕作物周围 18mm 宽的区域内的杂草无法清除，如果稍有调整不当就会对作物造成损伤，并且受土壤影响较大，不能避免较大土块损伤作物。华南农业大学以此为参考，提出了一种基于爪齿余摆运动的智能化株行间除草机（罗锡文等，2012），除草爪齿的运动轨迹为余摆线，余摆线的环扣部分在株间区域内时利用除草爪齿除去株间区域杂草，减小一根或几根除草爪齿的旋转半径可以实现除草爪齿避让作物。随着前进速度的增加伤苗率亦增大，伤苗率在8%以内，进入株间区域的除草爪齿数量与作物栽种的株距有关，株距20cm以内栽种的作物不能保证每个株间区域均有除草爪齿进入株间进行除草，因此有一部分的株间无法进行除草，尤其是植株根部的杂草。为了解决上述问题，本发明意在提供一种可进行全方面除草的装置，株间除草装置采用L型铲，降低对株距的要求，适当增大植株根部区域的保护范围，采用液压伺服系统控制株间除草铲工作，快速响应，精确定位，降低伤苗率；增加智能喷药系统，对株间除草铲不能除掉的植株根部的杂草进行清除，采用智能控制系统精确控制喷药装置对准植株根部位置施药，机械除草与化学除草相结合，有效降低除草剂的使用，达到株行间全方位除草的要求。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种智能化农作物全方位除草装置及方法，以实现对处于不同生长期的农作物行间和株间进行智能精确的物理除草和化学除草相结合，机电液一体化的全方位除草，既保护植株不受株间除草刀具的损伤，又清除植株根部的杂草，达到快速响应，精确定位，提高工作效率，实现农作物行间及株间杂草的全方位清除。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种智能化农作物全方位除草装置，其特征在于：包括机架（2）、视觉与智能电控系统、深度与高度调节装置、行间除草装置、株间除草装置、智能喷药装置；位于机架（2）上的三点悬挂机构（1）与行走机械连接，由行走机械牵引前行；视觉与智能电控系统用于采集植株与株间除草铲(11)及喷头(25)的相对位置信息，控制株间除草装置及智能喷药装置的工作状态；深度与高度调节装置用于调节行间除草铲（15）和株间除草铲(11)的入土深度及机架（2）底盘高度；行间除草装置和株间除草装置用于植株的行间及株间杂草的清除；智能喷药装置用于对株间除草铲（11）不能除掉的植株根部的杂草进行清除。

[0008] 所述视觉与智能电控系统包括摄像头（13）、图像处理器（14）、智能控制器（4）、电瓶（3）；摄像头（13）垂直安装在喷头（25）与行间除草铲（15）之间、机架（2）的后下方，用于拍摄记录植株中心位置、植株与株间除草铲（11）及喷头（25）的相对位置图片；图像处理器（14）用于接收和识别摄像头（13）采集到的图像信息并进行处理，确定出植株中心位置、植株与株间除草铲（11）及喷头（25）的相对位置，生成株间除草铲（11）的运动轨迹；智能控制器（4）根据生成的运动轨迹，精确控制株间除草铲（11）张开进入株间除草区域或闭合避让农作物植株，以及智能喷药装置中的电磁阀（9）打开或关闭；电瓶（3）用于供电。

[0009] 行间除草装置安装在机架（2）的横向中间位置、行走车轮(18)的正后方，行间除草铲（15）采用三角铲，可拆卸，可根据不同的行距更换合适宽度的三角铲，由可调节定位器（16）固定，通过可调节定位器（16）调节行间除草铲（15）与机架（2）的相对高度，控制行间除草铲（15）和株间除草铲（11）的入土深度；行走车轮（18）的中心安装有速度传感器（19），主要检测除草装置的行走速度；行走车轮（18）由可调节定位器（20）固定，通过可调节定位器（20）调节车架底盘的高度，满足不同生长时期的植株的除草要求；多个全方位除草装置单元并排使用同时进行多行除草作业时，每个单元独立工作；所述株间除草装置由一对株间除草铲（11）、一对液压油缸（22）、一组电磁阀（24）、位移传感器（23）和智能控制器(4)组成；

[0010] 智能控制器(4)同时控制多个所述的全方位除草装置单元；株间除草装置安装在株间除草装置外箱（10）内，位于机架(2)后端；一个单元的一对株间除草铲(11)，一对液压油缸（22）和电磁阀(24)沿机架（2）的中心线左右对称布置；液压油缸(22)的一端与液压泵站输出点相连，液压泵站输出点通过一组电磁阀（24）控制一对液压油缸（22）的横向运动状态，液压油缸（22）的另一端通过销与株间除草铲（11）顶端的长槽型孔连接形成关节。

[0011] 所述株间除草装置中，液压油缸（22）的横向运动机构连接位移传感器（23）的一端，在伺服系统中用作位移反馈元件，位移传感器（23）的另一端与智能控制器（4）相连，智能控制器（4）通过控制液压油缸（22）的横向伸出与缩回量，精确控制株间除草铲（11）张开进入株间除草区域或闭合避让农作物植株，液压油缸（22）的横向伸出与缩回量由位移传感器（23）检测。

[0012] 所述智能喷药装置包括储药罐(6)、高压泵(8)、电磁阀(9)、输药管(7)、喷药杆(12)和喷头(25)；储药罐(6)安装在机架(2)上方储药罐安装座(5)上，通过输药管(7)连接高压泵(8)，喷药杆(12)固定在机架(2)上；喷头(25)向外倾斜，对着植株根部方向。

[0013] 一种智能化农作物全方位除草方法，其特征在于包括以下步骤：

[0014] 步骤一，利用智能控制器（4）预先设定与植株中心距离为S的前后位置为植株受保护区域的前后边界，对围绕作物周围宽为S的区域内的杂草不进行株间除草铲（11）清除，防止伤苗；视觉与智能电控系统根据植株中心位置信息、植株与株间除草铲（11）及喷头（25）的相对位置信息、速度传感器（19）测得的车速信息，计算出株间除草铲（11）到达植株受保护区域前后边界的延时时间T1和T2，以及喷头（25）到达植株中心位置的延时时间T3，并生成株间除草铲（11）的运动轨迹；

[0015] 步骤二，当株间除草铲(11)到达植株受保护区域的前边界时，株间除草铲(11)闭合，保护植株不受伤害，当株间除草铲(11)随着除草装置前行离开植株中心位置并到达植株受保护区域的后边界时，株间除草铲(11)张开进入株间区域进行除草作业；

[0016] 步骤三，当喷头(25)到达植株中心位置时，电磁阀(9)打开，喷头(25)对准植株中心位置喷药，当喷头(25)离开植株中心位置时，电磁阀(9)关闭，准备下一棵植株的喷药作业。

[0017] 本发明具有有益效果：

[0018] （1）本发明采用L型铲伸入植株株间区域进行除草，由于L型铲的除草部位为细长型，降低了株间除草装置对植株株距的要求，当株距较小时，也可更换小型的除草铲顺利进入株间除草。

[0019] （2）由于配合智能喷药装置一起进行株间除草，可适当扩大植株根部周围的保护区域不进行除草铲除草，而采用喷药的方式，利用液压伺服系统可快速响应，精确控制，既降低了伤苗率和对行走机械的行走速度范围要求，又能对植株根部的杂草进行清除，除草更彻底。

[0020] （3）行间除草与株间除草分开并同时工作，也可将多个除草单元并在一起，同时进行多行除草，提高了工作效率。

[0021] （4）利用液压伺服系统控制除草装置的运行，摆脱了机械传动的复杂结构，使除草装置的结构更简单。

附图说明

[0022] 图1为本发明智能化农作物全方位除草装置的主视图

[0023] 图2为本发明株间除草装置的控制示意图

[0024] 图3为本发明喷头形状的示意图

[0025] 图4为本发明株间除草铲的运动轨迹图

[0026] 图中：1三点悬挂机构；2机架；3电瓶；4智能控制器；5储药罐安装座；6储药罐；7输药管；8高压泵； 9电磁阀；10株间除草装置外箱；11株间除草铲；12喷药杆；13摄像头； 14图像处理器；15行间除草铲；16可调节定位器；17行间除草机架；18行走车轮；19速度传感器；20可调节定位器；21销；22液压油缸；23位移传感器；24电磁阀；25喷头；26植株；27株间除草铲运动轨迹。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。

[0028] 本发明基于如下一种构思：（1）除草装置采用三点悬挂方式连接在行走机械后面，利用行走装置输出动力提供给高压泵8和液压油缸22进行除草作业；（2）行间除草装置采用三角铲进行行间除草，株间除草装置采用沿机架2的中心线左右对称布置的株间除草铲11进行株间除草，由液压伺服系统快速响应和精确控制；株间除草铲11进行株间除草与智能喷药装置对植株根部位置进行喷药相配合，达到株行间全方位除草的目的；（3）采用高度可调，除草刀具可调，除草装置单元可并排使用的除草机构，以适用更多不同的作业对象，提高工作效率。

[0029] 如图1所示，一种智能化农作物全方位除草装置，包括机架2、视觉与智能电控系统、深度与高度调节装置、行间除草装置、株间除草装置、智能喷药装置。位于机架2上的三点悬挂机构1与行走机械连接，由行走机械牵引前行；视觉与智能电控系统用于采集植株与株间除草铲11及喷头25的相对位置信息，控制株间除草装置及智能喷药装置的工作状态；深度与高度调节装置用于调节行间除草铲15和株间除草铲11的入土深度及机架2底盘高度；行间除草装置和株间除草装置用于植株行间及株间杂草的清除；智能喷药装置用于对株间除草铲11不能除掉的植株根部的杂草进行清除。

[0030] 如图2所示，所述株间除草装置由一对株间除草铲11、一对液压油缸22、一组电磁阀24、位移传感器23和智能控制器4组成；智能控制器4能同时控制多个所述的全方位除草装置单元；株间除草装置安装在株间除草装置外箱10内，在主架后端；一个单元的一对株间除草铲11，一对液压油缸22和电磁阀24沿机架2的中心线左右对称布置；液压油缸22一端与液压泵站输出点相连，液压泵站输出点通过一组电磁阀24控制一对液压油缸22的横向运动状态，液压油缸22另一端通过销21与株间除草铲11顶端的长槽型孔连接形成关节；液压油缸22的横向运动机构的一端连接位移传感器23，在伺服系统中用作位移反馈元件，位移传感器23的另一端与智能控制器4相连；株间除草铲11选用L型铲，铲的底边有切割刃，除草铲进入株间除草区域时，铲入泥土，在松土的同时割断株间杂草的根部，在株间除草铲11进行株间除草作业过程中，对围绕作物周围宽S的区域内的杂草不进行株间除草铲11清除，防止伤苗，在株间除草铲11到达植株受保护区域的前边界时，株间除草铲11闭合，保护植株不受伤害，当株间除草铲11随着除草装置前行离开植株中心位置并到达植株受保护区域的后边界时，株间除草铲11张开进入株间区域进行除草作业；智能控制器4通过控制液压油缸22的横向伸出与缩回量，精确控制株间除草铲11张开进入株间除草区域或闭合避让农作物植株，液压油缸22的横向伸出与缩回量由位移传感器23检测。如图3所示，智能喷药装置的喷头25做成向外倾斜的形状，喷头25对着植株根部方向，当喷头25到达植株中心位置时，电磁阀9打开，喷头25对准植株中心位置喷药，当喷头25离开植株中心位置时，电磁阀9关闭，准备下一颗植株的喷药作业；电磁阀9由智能控制器4操控。

[0031] 如图4所示，一种智能化农作物全方位除草装置株间除草铲11的运动轨迹。在株间除草铲11进行株间除草作业过程中，对围绕作物周围宽S的区域内的杂草不进行株间除草铲11清除，防止伤苗；当株间除草铲11到达植株受保护区域的前边界时，株间除草铲11闭合，保护植株不受伤害，当株间除草铲11随着除草装置前行离开植株中心位置并到达植株受保护区域的后边界时，株间除草铲11张开进入株间区域进行除草作业；视觉与智能电控系统根据植株中心位置信息、植株与株间除草铲11及喷头25的相对位置信息、速度传感器19测得的车速信息，生成株间除草铲11的运动轨迹。

[0032] 本发明以辣椒田为例，其工作过程如下：

[0033] 辣椒田除草工作之前，根据实际情况可将多个除草装置单元并联实现多行同时除草，根据辣椒田实际行距更换合适宽度的三角铲，根据辣椒植株的高度，调节定位器20来固定机架2底盘高度，根据土壤硬度及田间杂草情况调节定位器16确定行间除草铲15和株间除草铲11的合理的入土深度，位于机架2上的三点悬挂机构1连接行走机械，打开智能控制器4电源，启动行走机械, 行走机械输出动力提供给高压泵8和液压油缸22进行除草作业，除草装置由其牵引前行；除草装置工作时，行走车轮18上的速度传感器19检测行车速度并传输给智能控制器4，行间除草铲15进行不间断的行间除草，摄像头13拍摄辣椒植株位置图片、辣椒植株与株间除草铲11及喷头25的相对位置图片，传输给图像处理器14进行处理，智能控制器4根据预先设定的植株受保护区域的边界信息、辣椒植株与株间除草铲11及喷头25的相对位置信息、车速信息，生成株间除草铲11的运动轨迹，株间除草铲11到达植株受保护区域的前边界时，株间除草铲11闭合，保护辣椒植株不受伤害，当株间除草铲11随着除草装置前行离开植株中心位置并到达植株受保护区域的后边界时，株间除草铲11张开进入辣椒株间区域进行除草作业，同时，智能喷药装置工作，当视觉与控制系统检测到喷头25到达辣椒植株中心位置时，电磁阀9打开，喷头25对准辣椒植株根部位置喷药，当喷头25离开辣椒植株中心位置时，电磁阀9关闭，准备下一棵辣椒植株的喷药作业；行间除草装置不间断工作，株间除草装置和智能喷药装置工作过程循环进行直至完成所有除草作业，辣椒田除草工作结束后，株间除草铲11闭合收拢到机架2底盘下面，由三点悬挂机构1提升除草装置，关闭电源。

[0034] 最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照最佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。