一种农用机械除草装置

技术领域

本发明涉及农用机械技术领域，尤其涉及一种农用机械除草装置。

背景技术

农田杂草一直是危害禾苗茁壮成长的重要影响因素，农田杂草丛生不仅和农田作物竞争土壤养分，而且还夺取有限的生长空间和太阳光照，严重影响农田作物的生长，导致水稻田等农作物的减产。人们在农作物生长期间，通常用双手来拔除杂草或采用锄头锄草，在拔草或锄草过程中，一方面容易导致杂草的顶部除去而杂草的根部仍然位于泥土中；另一方面拔草容易被杂草划伤，杂草上粘有很多灰尘细菌，会使伤口造成感染。此外，人工除草存在劳动效率低，劳动成本高，劳动量大的问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种农用机械除草装置，以满足多种农作物的田间除草，提高杂草除草效率。

技术方案：本发明所述的一种农用机械除草装置，包括机架、固定设于机架顶部中央的控制箱以及沿着机架长度方向固定设于机架下侧的横向微调机构；所述控制箱顶部设有至少两组双目摄像机；

所述横向微调机构包括平行设置的两根传动轴以及与传动轴传动连接的往复驱动电机，所述传动轴上等间距固定设有若干个连接座，每一连接座底端连接有升降驱动机构，所述横向微调机构控制升降驱动机构在水平方向摆动；

所述升降驱动机构下端与驱动座一端固定连接，所述驱动座另一端与机架之间压紧连接有减震机构，所述升降驱动机构控制驱动座在纵向的升降；

所述驱动座底端设有纵向安装的伺服电机以及与伺服电机转轴连接的传动万向节，所述传动万向节底端与除草刀具传动连接；所述伺服电机及传动万向节外周设有限位架，所述限位架下端设有套装在传动万向节外的限位环，所述限位环限制除草刀具在水平面内的摆动自由度；

其中，所述控制箱分别与双目摄像机、往复驱动电机、升降驱动机构和伺服电机电性连接并传递控制信号。

优选的，所述横向微调机构包括沿着机架长度方向设置的安装槽，所述传动轴转动设于安装槽内，所述往复驱动电机设于安装槽一端且通过涡轮蜗杆组件与传动轴传动连接。

优选的，所述升降驱动机构包括上下相对设置的固定板和升降板，所述固定板顶端中央设有升降驱动电机，所述升降驱动电机下端连接有传动螺杆，所述升降板上与传动螺杆配合设有螺套，所述升降板通过螺套沿着所述传动螺杆做升降运动；

所述升降板底端四角对应设有驱动杆，所述驱动杆底端与驱动座固定连接。

优选的，所述升降板一端与固定板对应设有位点传感器，所述位点传感器位于升降板底面与连接条一端连接，且连接条另一端与位于升降板上的旋紧把手传动连接；所述传动螺杆中下部传动连接有测距仪。

优选的，所述除草刀具包括安装圆盘、分布在安装圆盘底面圆周向的若干刀具轴座以及刀具轴座下端插接的除草刀刃；所述安装圆盘顶端中央可分离设有驱动轴。

优选的，所述除草刀刃包括刀柄以及刀柄下端向内倾斜形成的第一刃口；所述第一刃口内侧向内倾斜设有第二刃口，且第一刃口与第二刃口之间形成疏松槽。

优选的，所述驱动座宽度方向设有贯通的连接孔，多个所述驱动座通过连接杆贯穿连接孔连接成一体；相邻两个驱动座之间连接杆上固定套装有限位块。

优选的，所述减震机构包括支撑套管、滑动设于支撑套管内的导向柱以及套装于支撑套管和导向柱外的支撑弹簧，所述支撑套管、导向柱外端分别与机架、驱动座固定连接，且支撑弹簧两端分别压紧在机架、驱动座之间。

优选的，所述机架后侧两端分设有限深轮组件，所述限深轮组件包括与机架固定连接的限深轮支架以及设于限深轮支架底端的限深轮；所述机架位于两组限深轮组件之间设有与拖拉机连接的悬挂机架。

优选的，所述控制箱内设有控制系统以及控制系统连接的供电系统和视觉处理系统，所述供电系统包括为除草装置提供电能的电池组件；所述视觉处理系统与双目摄像机通讯连接；

所述视觉处理系统建立的杂草识别模型是基于杂草的颜色特征、形状特征并通过分析对比获知不同的杂草种类；其中，形状特征包括圆形度、细长比和凹凸度：

(1)圆形度 (Form factor)的计算公式为：

式中： area 为杂草目标面积，即目标的像素总数；perimeter为目标周长，即目标的最外轮廓长度；

(2)细长比(Eiongatedness)的计算公式为：

式中：area 为杂草目标面积，即目标的像素总数； thiclcness 为目标最小外接矩的宽；

(3)凹凸度(Convexity)的计算公式为：

式中： convex_perimeter 为目标最小凸多边形的周长；perimeter为目标周长，即目标的最外轮廓长度。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下突出的优点：

1、本发明的农用机械除草装置，通过双目摄像机的实时标定杂草类型及杂草位置，并将影像信息传输给控制系统，控制系统控制横向微调机构的往复驱动电机、升降驱动机构的升降驱动电机以及伺服电机运转，除草刀具在固定行距或株距之间运转时间和停顿间隙，从而实现对农田精确除草，降低误伤概率；

2、本发明采用横向微调机构和升降驱动机构配合，实现对除草刀具在横向运动、升降运动的精确控制，满足除草刀具在横向、竖直大范围运动，提高除草效率；

3、本发明的除草刀具通过带有传感器的伺服电机带动驱动轴旋转驱动安装圆盘的高速旋转，驱动除草刀刃在圆周方向上旋转除草，进一步提高除草效率；此外，采用“Z”字形的除草刀刃在除草过程中起到蓬松土壤的作用。

附图说明

图1为本发明的除草装置第一视角立体结构示意图；

图2为本发明的除草装置第二视角立体结构示意图；

图3为图2中机架背侧部分结构示意图

图4为图1或图2中驱动座及其上下端结构示意图

图5为图4中驱动座下部结构示意图；

图6为图5中除草刀具第一视角结构示意图；

图7为图5中除草刀具第二视角结构示意图；

图8为图1中升降驱动机构第一视角结构示意图；

图9为图1中升降驱动机构第二视角结构示意图；

图10为本发明的视觉处理系统及除草流程结构示意图。

附图标记：

100、除草装置；1、机架；2、控制箱；21、散热风扇；

3、限深轮组件；31、限深轮支架；32、限深轮；

4、双目摄像机；5、悬挂机架；

6、横向微调机构；61、安装槽；62、往复驱动电机；63、传动轴；64、连接座；

7、升降驱动机构；71、升降驱动电机；72、固定板；73、限位导轨；74、升降板；75、支撑凹块；76、驱动杆；77、传动螺杆；78、测距仪；79、位点传感器；710、旋紧把手；711、螺套；712、连接条；

8、减震机构；81、支撑套管；82、导向柱；83、支撑弹簧；

9、驱动座；10、连接孔；

11、伺服电机；12、传动万向节；13、除草刀具；131、驱动轴；132、安装圆盘；133、刀具轴座；134、除草刀刃；1341、刀柄；1342、第一刃口；1343、第二刃口；1344、疏松槽；

14、限位架；141、限位环；

15、连接杆；16、限位块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图1-10，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图10所示，本发明的一种农用机械除草装置，除草装置100包括机架1、固定设于机架1顶部中央的控制箱2以及沿着机架长度方向固定设于机架1下侧的横向微调机构6；控制箱2顶部设有至少两组双目摄像机4，双目摄像机4的数量依据需求设置，控制箱2内设有控制系统和供电系统，供电系统包括为除草装置100提供电能的电池组件(图中未给出)，电池组件可选用现有技术中成熟的电池组；控制箱2两端设有散热风扇21，控制箱2作为除草装置100的电能供应“心脏”，采用具有良好散热效果的控制箱是必要的。控制系统包括视觉处理系统，视觉处理系统与双目摄像机4通讯连接；其中，视觉处理系统采用基于深度学习的CNN模型，建立小样本数据采集的卷积神经网络，也即从双目摄像机4输入视频信号，经过CNN提取特征参数，通过注意力机制SENet的权重百分比的重重标定，然后通过分类器选择，最后采用识别分类的方法，优化基于机器视觉的杂草识别技术，综合分析基于YOLOV4和YOLO V5两种方法构建的杂草识别模型；该视觉处理系统建立的杂草识别模型是基于杂草的颜色特征、形状特征并通过分析对比获知不同的杂草种类；其中，形状特征包括圆形度、细长比和凹凸度：

(1)圆形度(Form factor)的计算公式为：

式中： area 为杂草目标面积，即目标的像素总数；perimeter为目标周长，即目标的最外轮廓长度；

(2)细长比(Eiongatedness)的计算公式为：

式中：area 为杂草目标面积，即目标的像素总数； thiclcness 为目标最小外接矩的宽；

(3)凹凸度(Convexity)的计算公式为：

式中： convex_perimeter 为目标最小凸多边形的周长；perimeter为目标周长，即目标的最外轮廓长度；

以水稻田种植为例，通过特征提取网络对六类伴生杂草(空心莲子草、丁香蓼、鳢肠、野慈姑、稗草和千金子)作为研究对象，视觉处理系统对杂草进行识别，确定植株保护区域和除草区域，控制系统控制除草装置的各个执行机构协同作用实现除草区域内的除草作业。

如图1-2所示，机架1后侧两端分设有限深轮组件3，限深轮组件3包括与机架固定连接的限深轮支架31以及设于限深轮支架底端的限深轮32，限深轮32除了可用于限制除草装置100陷入土壤内的深度；此外，可与限深轮配合设置有计数传感器(图中未给出)，计数传感器可测得限深轮的行走圈数，通过行圈数与限深轮周长即可得到除草装置100的行走路程。机架1位于两组限深轮组件之间设有与拖拉机连接的悬挂机架5，悬挂机架5为连接拖拉机的液压起降三点悬挂机架，其有多个液压泵配合，根据除草作业过程的起始、结束，控制除草装置的整体升起与降落。

如图3所示，横向微调机构6包括沿着机架1长度方向设置的安装槽61，安装槽61内平行设置的两根传动轴63，安装槽61一端设有通过涡轮蜗杆组件与传动轴63传动连接的往复驱动电机62，两组传动轴63端部分别设有蜗杆，往复驱动电机62轴端设有涡轮，控制往复驱动电机62正反转即可通过涡轮蜗杆组件驱动传动轴63在横向的往复摆动；传动轴63上等间距固定设有多个连接座64，每一连接座64底端连接有升降驱动机构7，传动轴63在水平向的摆动带动连接座及其连接的升降驱动机构7在水平方向摆动，升降驱动机构7在横向微调机构6驱动下可在水平横向进行往复摆动，满足除草刀具13在水平面内横向移动，便于除去杂草根部切割。

如图4和图8-9所示，升降驱动机构7下端与驱动座9一端固定连接，驱动座9另一端与机架1之间压紧连接有减震机构8，升降驱动机构7控制驱动座9在纵向的升降。升降驱动机构7包括上下相对设置的固定板72和升降板74，固定板72顶端中央设有升降驱动电机71，升降驱动电机71顶端与连接座64固定连接；升降驱动电机71下端连接有传动螺杆77，升降板74上与传动螺杆77配合设有螺套711，升降驱动电机71驱动传动螺杆77正向或反向旋转，升降板74即可通过螺套711沿着传动螺杆77做升降运动；升降板74底端四角对应设有驱动杆76，驱动杆76底端与驱动座9固定连接，升降板沿着传动螺杆77升降运动即可通过驱动杆76推动驱动座9进行上下移动。升降板74一端与固定板72对应设有位点传感器79，位点传感器79位于升降板底面与连接条712一端连接，且连接条712另一端与位于升降板上的旋紧把手710传动连接，升降板与旋紧把手710、位点传感器79对应设有长孔，以便于通过旋紧把手调节位点传感器与固定板72的相对位置，固定板72一端与位点传感器对应设有槽孔，位点传感器与控制系统通讯连接，当位点传感器随升降板升至固定板72处将到位信号反馈至控制系统，控制系统控制升降驱动电机71停止运转；为进一步防止升降板与固定板之间间距过近，固定板72底部平行设有两组限位导轨73，升降板74上安装有支撑限位导轨73的支撑凹块75，当升降板上升至预设位置时，限位导轨73相应的卡入支撑凹块75内从而形成限位。传动螺杆77中下部传动连接有测距仪78，测距仪78与控制系统通讯连接，测距仪78随着传动螺杆77的转动做升降运动，由于测距仪与升降板的升降运动是一致的，从而可通过测距仪78测得升降板的升降高度。升降驱动机构7可调节除草刀具13下端与泥土的间距，并调节除草刀具13的入土深度。

如图4所示，减震机构8包括支撑套管81、滑动设于支撑套管内的导向柱82以及套装于支撑套管和导向柱外的支撑弹簧83，支撑套管81、导向柱82外端分别与机架1、驱动座9固定连接，支撑弹簧83两端分别压紧在机架1、驱动座9之间；减震机构连接机架1和驱动座9，在升降驱动机构7推动驱动座9在竖向的运动时，减震机构8可降低驱动座9的震动，从而提高驱动座9及其底部除草执行部件的稳定性；此外，减震机构8起到一定自由度的连接件，实现机架1和驱动座9的柔性连接。

如图4-5所示，驱动座9底端设有纵向安装的伺服电机11以及与伺服电机转轴连接的传动万向节12，传动万向节12底端与除草刀具13传动连接；伺服电机11及传动万向节12外周设有限位架14，限位架14下端设有套装在传动万向节12外的限位环，限位环限制除草刀具13在水平面内的摆动自由度；伺服电机11上连接有传感器，可感知伺服电机的旋转周数；伺服电机11与控制系统电性连接，通过控制伺服电机的旋转带动除草刀具13在水平面内高速旋转，实现对杂草根部的剪除；由于田间的地形、平整度存在一定的差异，伺服电机11与除草刀具13通过传动万向节12传动连接，传动万向节12允许除草刀具13在竖直轴向有一定的偏离自由度，限位架14下端的限位环141限制除草刀具13在竖直轴向的摆动范围；除草刀具13在工作时，在伺服电机驱动下形成类似钟摆运动，从而便于对杂草根部的切割。

如图8-9所示，除草刀具13包括安装圆盘132、分布在安装圆盘底面圆周向的若干刀具轴座133以及刀具轴座下端插接的除草刀刃134；安装圆盘132顶端中央可分离设有驱动轴131；具体的，刀具轴座133的数量为三组，相应的除草刀刃的数量也为三组；视觉处理系统在识别杂草类型后，控制系统即可控制伺服电机11间歇性旋转，除草刀具13完成间歇性的除草，避开水稻进行除草作业。除草刀刃134包括刀柄1341以及刀柄下端向内倾斜形成的第一刃口1342；第一刃口1342内侧向内倾斜设有第二刃口1343，且第一刃口1342与第二刃口1343之间形成疏松槽1344；第一刃口1342与第二刃口1343形成“Z”字形结构，第二刃口组成的内圈半径较小，在除草刀具旋转过程及摆动过程中，第二刃口即可实现对杂草根部的切割；第一刃口1342内圈半径大于第二刃口1343内圈半径，在随着安装圆盘132旋转过程中，第一刃口1342及其内侧疏松槽1344可在除草过程中对土壤进行疏松，提高禾苗的根部的含氧量和疏松度。

如图2所示，驱动座9宽度方向设有贯通的连接孔10，多个驱动座9通过连接杆15贯穿连接孔10连接成一体；相邻两个驱动座9之间连接杆15上固定套装有限位块16；该种设置的驱动座及其底部除草执行部件的整体性，从而满足除草刀具在横向和竖向运动的一致性、稳定性和协同性。

本发明的工作原理或工作方法：

工作时，双目摄像机4可将视频信号传递至视觉处理系统，视觉处理系统通过对视频信号进行对比处理实现对杂草进行识别，确定禾苗植株保护区域和除草区域；控制系统控制除草装置的各个执行机构协同作用。除草刀具13中采用“Z”字形的除草刀刃，该形状在除草刀刃在作业过程中，通过横向微调装置6的横向往复移动驱使除草刀刃在水平方向的移动，通过升降驱动机构7可驱动除草刀刃在竖向的移动，通过伺服电机11控制除草刀具13沿着其轴向的间歇旋转运动，可全方位清除水稻周向的杂草，且可从根部除去杂草；同时，除草刀刃134的疏松槽有利于在除草过程中实现对土壤的疏松，细化土壤颗粒，保持土壤的含氧量与疏松度，提高土壤的肥力。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。