一种模块化除草装置

技术领域

本发明涉及农业机械技术领域，尤其涉及一种模块化除草装置。

背景技术

农业是利用动植物的生长发育规律，通过人工培育来获得产品的产业，农业属于第一产业，研究农业的科学是农学，农业的劳动对象是有生命的动植物，获得的产品是动植物本身，农业是提供支撑国民经济建设与发展的基础产业。

杂草跟农作物争夺土壤水分和养分，侵占农田空间，影响农作物生长，若不加以有效控制，将严重影响农作物的产量和品质，杂草与农作物争夺水分、养分、光照和空间，不仅降低了农作物的产量和质量，而且还间接助长了病虫害的滋生和蔓延。

然而，现有的除草装置在使用时，需要工作人员进行操作，智能化程度不高，不适用于大块农田的除草工作，同时现有的除草装置在进行工作时，移动轮会受到地面平整的影响，跟随地面进行上升下降，从而使其除草设备不能与移动轮的最低部始终等高，大大降低了除草设备对地表上杂草的切除效率。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的除草装置在使用时，需要工作人员进行操作，智能化程度不高，不适用于大块农田的除草工作，同时现有的除草装置在进行工作时，移动轮会受到地面平整的影响，跟随地面进行上升下降，从而使其除草设备不能与移动轮的最低部始终等高，大大降低了除草设备对地表上杂草的切除效率的问题，而提出的一种模块化除草装置。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种模块化除草装置，包括固定台，所述固定台的下端固定连接有两个相对称的第一套筒，所述第一套筒内固定连接有伸缩弹簧，所述第一套筒内滑动连接有第一移动柱，所述第一移动柱的上端与伸缩弹簧之间固定连接，所述第一移动柱的下端连接有连接架，所述连接架上通过转动轴转动连接有转轮，两个所述第一套筒之间设有两个相对称的第二套筒，所述第二套筒与固定台固定连接，所述第二套筒内滑动连接有第二移动柱，所述第二移动柱下端连接有除草机构，所述除草机构的除草端与转轮的最低部等高，所述第一移动柱、第二移动柱上端分别固定连接有第一滑杆、第二滑杆，所述第一滑杆、第二滑杆远离第一移动柱、第二移动柱的一端均贯穿于固定台，且通过第一传动机构连接，所述固定台下端固定连接有施药机构，所述第一套筒、第二套筒之间固定连接有供气机构，所述供气机构与施药机构之间通过连接管连接，所述供气机构的动力输入端与转动轴之间通过第二传动机构连接，所述固定台上沿前进方向依次固定连接有第一杂草识别摄像机、自动导航摄像机、GPS接收器、主控器，所述施药机构下端连接有第二杂草识别摄像机，所述自动导航摄像机与GPS接收器连接，所述第一杂草识别摄像机、第二杂草识别摄像机、自动导航摄像机和除草机构分别与主控器连接。

优选的，所述除草机构包括第一电机、转动杆、第二电机、除草板，所述第一电机固定连接在第二移动柱的下端，所述转动杆固定连接在第一电机的输出端，所述转动杆远离第一电机的一端与第二电机固定连接，所述除草板固定连接在第二电机的输出端。

优选的，所述第一电机、第二电机上均套接有第一防护罩，靠近所述第二电机的第一防护罩上固定连接有与除草板相匹配的防护板。

优选的，所述第一传动机构包括两个相啮合的传动齿轮、伸缩杆、转轴，所述传动齿轮套接在转轴上，所述转轴通过固定块与固定台连接，所述转轴的一端贯穿于传动齿轮，且与伸缩杆固定连接，两个所述伸缩杆的伸缩端分别与相匹配的第一滑杆、第二滑杆转动连接。

优选的，所述固定台上靠近传动齿轮的一端固定连接有第三电机，任一个所述转轴远离伸缩杆的一端贯穿于固定块，且与所述第三电机的输出端固定连接，所述第三电机与主控器连接，所述传动机构上套筒有第二防护罩。

优选的，所述施药机构包括储药箱、可调节式喷头，所述储药箱与固定台之间固定连接，所述可调节式喷头与储药箱的出药口密封连接，所述第二杂草识别摄像机固定连接在两个可调节式喷头之间，所述可调节式喷头与主控器连接。

优选的，所述供气机构包括气缸、活塞，所述气缸与固定台之间固定连接，所述活塞滑动连接在气缸内，所述气缸的进出气口内均设有单向阀。

优选的，所述第二传动机构包括圆柱筒、限位杆、主动杆，所述第一套筒靠近气缸的一侧固定连接有第一承载块，所述圆柱筒转动连接在第一承载块上，所述连接架靠近气缸的一侧固定连接有第二承载块，所述主动杆转动连接在第二承载块上，所述限位杆固定连接在圆柱筒内，所述主动杆滑动连接在圆柱筒内，所述主动杆上设有滑槽，所述限位杆通过滑槽与主动杆滑动连接，所述转动轴靠近第二承载块的一端贯穿于连接架，且固定连接有第一锥齿轮，所述主动杆下端固定连接有与第一锥齿轮相匹配的第二锥齿轮，所述圆柱筒上端固定连接有第三锥齿轮，所述第二套筒靠近气缸的一侧转动连接有传动杆，所述传动杆上固定连接有与第三锥齿轮相匹配的第四锥齿轮，所述活塞与传动杆之间通过连接柱连接。

优选的，还包括移动车，所述移动车后端连接有可折叠式作业臂，所述固定台与可折叠式作业臂之间可拆卸连接；所述可折叠式作业臂的长度为10米。

优选地，所述主控器执行如下步骤：

S1，接收第一杂草识别摄像机发送的作业图像；

S2，基于颜色特征从所述作业图像中提取出各绿色连通域，采用景深识别算法提取出各所述各绿色连通域的位置信息和高度信息；

S3，将所述位置信息和高度信息分别投影至二维坐标系中，所述二维坐标系的坐标轴分别为位置和高度；

S4，基于所述投影进行曲线拟合，然后分别计算各投影点与拟合后的曲线的距离；

S5，若所述距离小于阈值，则判定为作物，否则为杂草；

S6，发出控制指令给所述除草机构，以使其将杂草切除；

S7，在所述第一杂草识别摄像机发送的作业图像上将判定为杂草的绿色连通域进行标注，所述标注包括标注名称及标注位置；

S8，接收所述第二杂草识别摄像机发送的作业图像；

S9，基于所述第一杂草识别摄像机发送的作业图像对所述第二杂草识别摄像机发送的作业图像进行配准；

S10，与上述步骤类似的，对配准后的所述作业图像进行识别、标注处理；

S11，将进行了标注的两幅作业图像进行比对，识别出缺失的位置，判定此处杂草已经被切除；

S12，发送控制指令给所述施药机构对切除后的杂草进行喷药。

优选地，步骤S4中所述基于所述投影进行曲线拟合，包括：

S40，读入初始曲线与投影点；

S41，基于每个所述投影点确定初始位置参数T；

S42，计算迭代结果p

S43，比较目标能量，更新修改相应p

S44，计算加速后的结果P

S45，重复步骤S43，直至能量收敛。

与现有技术相比，本发明提供了一种模块化除草装置，具备以下有益效果：

1、该模块化除草装置，在使用时，首先将该装置固定在作业车上，使作业车带动该装置进行移动，其中固定台上连接有第一杂草识别摄像机、自动导航摄像机、GPS接收器、主控器，第一杂草识别摄像机能够识别作业车前进方向上的杂草，自动导航摄像机与GPS接收器连接，自动导航摄像机能根据GPS接收器的信号确定作业车的位置，第一杂草识别摄像机和自动导航摄像机分别与主控器连接，第一杂草识别摄像机和自动导航摄像机分将信号传输至主控器，主控器再根据接受的信号计算出杂草的位置及与作业车的距离，主控器与除草机构连接，在固定台上的除草机构移动至杂草位置后，主控器发出信号使除草机构将杂草切除，然后再通过第二杂草识别摄像机将切除后杂草的位置信号输送给主控器，主控器在控制可调节式喷头对切除后的杂草进行喷药，使其彻底死去，防止切除后的杂草再次复活，有效的提高了该装置的实用性；第一杂草识别摄像机、第二杂草识别摄像机是基于双目视觉获取作物植株和行内杂草的高度信息，借助颜色特征识别地面绿色目标作物与杂草以减少图像立体匹配运算量，再根据作物植株空间分布特征从横向像素直方图拟合曲线中识别出作物植株，进而识别出行内杂草，对于行内杂草由识别杂草改为识别作物，在杂草和作物同时存在的作物行内，作物之外的绿色目标就是杂草，从而有利于提高人力资源的利用率，减少农药用量，保护生态环境，精确识别杂草后根据自动导航摄像机和GPS接收器能精确定位杂草的位置，并通过除草机构对杂草进行精准切除，再在杂草处精确施药，大大减少了农药的使用；当转轮移动时，由于地面平整的影响，转轮在伸缩弹簧的作用下会跟随地面进行上升下降，从而可以使转轮随地面起伏进行高低自适应，通过第一传动机构的设置，可以使除草机构与转轮同时进行上升或下降，使其除草机构的除草端与转轮的最低部始终等高，从而有效的提高了除草机构对地表上杂草的切除效率；

该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现，本发明通过第一传动机构的设置，可以使转轮与除草机构同步进行上升下降，使其除草机构的除草端与转轮的最低部始终等高，从而有效的提高了除草机构对地表上杂草的切除效率，通过除草机构与施药机构的相互配合，可以彻底将杂草进行除去，防止切除后的杂草再次复活，有效的提高了该装置的实用性。

附图说明

图1为本发明提出的一种模块化除草装置的结构示意图；

图2为本发明提出的一种模块化除草装置中第一套筒、第二套筒、第一传动机构、第二传动机构、转轮、除草机构的结构示意图；

图3为本发明提出的一种模块化除草装置图2中A部分的结构示意图；

图4为本发明提出的一种模块化除草装置图2中B部分的结构示意图；

图5为本发明提出的一种模块化除草装置中除草机构的结构示意图；

图6为本发明提出的一种模块化除草装置的俯视图；

图7为本发明提出的一种模块化除草装置中第一杂草识别摄像机、自动导航摄像机、GPS接收器、主控器与固定台的结构示意图；

图8为本发明提出的一种模块化除草装置中移动车、可折叠式作业臂的结构示意图；

图9为本发明提出的一种模块化除草装置中第一套筒、第一移动杆、连接架的立体图；

图10为本发明提出的一种模块化除草装置中主控器执行的控制方法的流程示意图；

图11为本发明提出的一种电子设备的结构示意图。

图中：1、固定台；2、第一套筒；3、第一移动柱；4、连接架；5、转轮；6、第二套筒；7、第二移动柱；8、第一电机；9、转动杆；10、第二电机；11、防护板；12、除草板；13、储药箱；14、可调节式喷头；15、第一滑杆；16、伸缩杆；17、传动齿轮；18、第二滑杆；19、第三电机；20、转轴；21、伸缩弹簧；22、气缸；23、活塞；24、传动杆；25、连接柱；26、第二承载块；27、第一承载块；28、圆柱筒；29、限位杆；30、主动杆；31、转动轴；32、移动车；33、可折叠式作业臂；35、第二杂草识别摄像机；101、第一杂草识别摄像机；102、自动导航摄像机；103、GPS接收器；104、主控器。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

参照图1-9，一种模块化除草装置，包括固定台1，固定台1的下端固定连接有两个相对称的第一套筒2，第一套筒2内固定连接有伸缩弹簧21，第一套筒2内滑动连接有第一移动柱3，第一移动柱3的上端与伸缩弹簧21之间固定连接，第一移动柱3的下端连接有连接架4，连接架4上通过转动轴31转动连接有转轮5，两个第一套筒2之间设有两个相对称的第二套筒6，第二套筒6与固定台1固定连接，第二套筒6内滑动连接有第二移动柱7，第二移动柱7下端连接有除草机构，除草机构的除草端与转轮5的最低部等高，第一移动柱3、第二移动柱7上端分别固定连接有第一滑杆15、第二滑杆18，第一滑杆15、第二滑杆18远离第一移动柱3、第二移动柱7的一端均贯穿于固定台1，且通过第一传动机构连接，固定台1下端固定连接有施药机构，第一套筒2、第二套筒6之间固定连接有供气机构，供气机构与施药机构之间通过连接管连接，供气机构的动力输入端与转动轴31之间通过第二传动机构连接，固定台1上沿前进方向依次固定连接有第一杂草识别摄像机101、自动导航摄像机102、GPS接收器103、主控器104，施药机构下端连接有第二杂草识别摄像机35，自动导航摄像机102与GPS接收器103连接，第一杂草识别摄像机101、第二杂草识别摄像机35、自动导航摄像机102和除草机构分别与主控器104连接。

使用者在使用时，首先将该装置固定在作业车上，使作业车带动该装置进行移动，其中固定台1上连接有第一杂草识别摄像机101、自动导航摄像机102、GPS接收器103、主控器104，第一杂草识别摄像机101能够识别作业车前进方向上的杂草，自动导航摄像机102与GPS接收器103连接，自动导航摄像机102能根据GPS接收器103的信号确定作业车的位置，第一杂草识别摄像机101和自动导航摄像机102分别与主控器104连接，第一杂草识别摄像机101和自动导航摄像机102分将信号传输至主控器104，主控器104再根据接受的信号计算出杂草的位置及与作业车的距离，主控器104与除草机构连接，在固定台1上的除草机构移动至杂草位置后，主控器104发出信号使除草机构将杂草切除，然后再通过第二杂草识别摄像机35将切除后杂草的位置信号输送给主控器104，主控器104在控制可调节式喷头14对切除后的杂草进行喷药，使其彻底死去，防止切除后的杂草再次复活，有效的提高了该装置的实用性；

第一杂草识别摄像机101、第二杂草识别摄像机35是基于双目视觉获取作物植株和行内杂草的高度信息，借助颜色特征识别地面绿色目标作物与杂草以减少图像立体匹配运算量，再根据作物植株空间分布特征从横向像素直方图拟合曲线中识别出作物植株，进而识别出行内杂草，对于行内杂草由识别杂草改为识别作物，在杂草和作物同时存在的作物行内，作物之外的绿色目标就是杂草，从而有利于提高人力资源的利用率，减少农药用量，保护生态环境，精确识别杂草后根据自动导航摄像机102和GPS接收器103能精确定位杂草的位置，并通过除草机构对杂草进行精准切除，再在杂草处精确施药，大大减少了农药的使用；

当转轮5移动时，由于地面平整的影响，转轮5在伸缩弹簧21的作用下会跟随地面进行上升下降，从而可以使转轮5随地面起伏进行高低自适应，通过第一传动机构的设置，可以使除草机构与转轮5同时进行上升或下降，使其除草机构的除草端与转轮5的最低部始终等高，从而有效的提高了除草机构对地表上杂草的切除效率。

实施例2：

参照图1、图2和图5，一种模块化除草装置，与实施例1基本相同，更进一步的是：除草机构包括第一电机8、转动杆9、第二电机10、除草板12，第一电机8固定连接在第二移动柱7的下端，转动杆9固定连接在第一电机8的输出端，转动杆9远离第一电机8的一端与第二电机10固定连接，除草板12固定连接在第二电机10的输出端，当第一杂草识别摄像机101检测到杂草的位置后，此时，通过主控器104控制第一电机8、第二电机10进行转动，从而实现精准的除草，并且不会除掉农作物，有效的提高了该装置的实用性。

实施例3：

参照图5，一种模块化除草装置，与实施例1基本相同，更进一步的是：第一电机8、第二电机10上均套接有第一防护罩，靠近第二电机10的第一防护罩上固定连接有与除草板12相匹配的防护板11，通过第一防护罩的设置，可以对第一电机8、第二电机10起到防尘的作用，通过防护板11的设置，当除草板12进行除草时，草屑不会乱飞。

实施例4：

参照图1、图2、图3和图6，一种模块化除草装置，与实施例1基本相同，更进一步的是：第一传动机构包括两个相啮合的传动齿轮17、伸缩杆16、转轴20，传动齿轮17套接在转轴20上，转轴20通过固定块与固定台1连接，转轴20的一端贯穿于传动齿轮17，且与伸缩杆16固定连接，两个伸缩杆16的伸缩端分别与相匹配的第一滑杆15、第二滑杆18转动连接，当转轮5跟随地面上升下降时，带动第一滑杆15进行上下移动，第一滑杆15在通过伸缩杆16带动其中一个传动齿轮17进行转动，然后任一个传动齿轮17再带动另一个伸缩杆16进行转动，然后再带动第二滑杆18进行上下移动，第二滑杆18再带动第二移动柱7上下移动，从而带动除草机构跟随转轮5同步进行上下移动，从而便于除草机构从地表直接进行除草。

实施例5：

参照图6，一种模块化除草装置，与实施例1基本相同，更进一步的是：固定台1上靠近传动齿轮17的一端固定连接有第三电机19，任一个转轴20远离伸缩杆16的一端贯穿于固定块，且与第三电机19的输出端固定连接，第三电机19与主控器104连接，传动机构上套筒有第二防护罩，通过第三电机19的设置，当除草完毕后，可以使转轮5、除草机构进行上升，方便对其进行运输，通过第二防护罩的设置，可以对第三电机19、第一传动机构起到防护的作用。

实施例6：

参照图1，一种模块化除草装置，与实施例1基本相同，更进一步的是：施药机构包括储药箱13、可调节式喷头14，储药箱13与固定台1之间固定连接，可调节式喷头14与储药箱13的出药口密封连接，第二杂草识别摄像机35固定连接在两个可调节式喷头14之间，可调节式喷头14与主控器104连接，当供气机构对储药箱13进行供气时，此时，储药箱13内的药剂则会在压力的作用下通过可调节式喷头14出，通过第二杂草识别摄像机35对杂草进行精准识别，从而主控器104对可调节式喷头14进行角度调节，使其药剂精准的喷到杂草上，有效的提高了该装置的实用性。

实施例7：

参照图1-3，一种模块化除草装置，与实施例1基本相同，更进一步的是：供气机构包括气缸22、活塞23，气缸22与固定台1之间固定连接，活塞23滑动连接在气缸22内，气缸22的进出气口内均设有单向阀，通过第二传动机构带动活塞23在气缸22内往复移动，从而将气缸22内的气体通过连接管输送到施药机构内，对其进行加压，使其对杂草进行喷药。

实施例8：

参照图1-4，一种模块化除草装置，与实施例1基本相同，更进一步的是：第二传动机构包括圆柱筒28、限位杆29、主动杆30，第一套筒2靠近气缸22的一侧固定连接有第一承载块27，圆柱筒28转动连接在第一承载块27上，连接架4靠近气缸22的一侧固定连接有第二承载块26，主动杆30转动连接在第二承载块26上，限位杆29固定连接在圆柱筒28内，主动杆30滑动连接在圆柱筒28内，主动杆30上设有滑槽，限位杆29通过滑槽与主动杆30滑动连接，转动轴31靠近第二承载块26的一端贯穿于连接架4，且固定连接有第一锥齿轮，主动杆30下端固定连接有与第一锥齿轮相匹配的第二锥齿轮，圆柱筒28上端固定连接有第三锥齿轮，第二套筒6靠近气缸22的一侧转动连接有传动杆24，传动杆24上固定连接有与第三锥齿轮相匹配的第四锥齿轮，活塞23与传动杆24之间通过连接柱25连接，当转轮5进行转动时，可以带动转动轴31进行转动，转动轴31再通过第一锥齿轮带动第二锥齿轮进行转动，第二锥齿轮再带动主动杆30进行转动，主动杆30再通过限位杆29带动圆柱筒28进行转动，圆柱筒28再通过第三锥齿轮带动第四锥齿轮进行转动，第四锥齿轮再带动传动杆24进行转动，传动杆24再通过连接柱25带动活塞23进行上下移动，从而对施药机构进行供气，通过限位杆29的设置，可以使主动杆30稳定的带动圆柱筒28进行转动，提高稳定性。

实施例9：

参照图8，一种模块化除草装置，与实施例1基本相同，更进一步的是：还包括移动车32，移动车32后端连接有可折叠式作业臂33，固定台1与可折叠式作业臂33之间可拆卸连接，通过移动车32、可折叠式作业臂33的设置，方便带动多个固定台1进行除草工作，其中固定台1与可折叠式作业臂33之间可拆卸连接，方便使用者对固定台1与可折叠式作业臂33进行分离。

可选地，可折叠式作业臂33的长度为10米，有效的提高了该装置的除草的效率。

实施例10：

参照图10，本申请实施例还提供了一种模块化除草装置，与实施例1基本相同，更进一步的是：所述主控器104执行如下步骤：

S1，接收第一杂草识别摄像机101发送的作业图像；

S2，基于颜色特征从所述作业图像中提取出各绿色连通域，采用景深识别算法提取出各所述各绿色连通域的位置信息和高度信息；

S3，将所述位置信息和高度信息分别投影至二维坐标系中，所述二维坐标系的坐标轴分别为位置和高度；

S4，基于所述投影进行曲线拟合，然后分别计算各投影点与拟合后的曲线的距离；

S5，若所述距离小于阈值，则判定为作物，否则为杂草；

S6，发出控制指令给所述除草机构，以使其将杂草切除。

其中，对于作物来说，其长势(例如高度)通常是比较统一的，而且作物是规律种植的，所以，其在作业图像中的位置也是规律的。本发明利用作物的上述特点来识别作物，如上所述，当各投影点与拟合出的曲线的距离小于阈值时，说明该绿色连通域的在高度和位置分布上与作物高度相似，反之则可以判定为杂草。

同时，所述算法还包括：

S7，在所述第一杂草识别摄像机101发送的作业图像上将判定为杂草的绿色连通域进行标注，所述标注包括标注名称及标注位置；

S8，接收所述第二杂草识别摄像机35发送的作业图像；

S9，基于所述第一杂草识别摄像机101发送的作业图像对所述第二杂草识别摄像机35发送的作业图像进行配准；

S10，与上述步骤类似的，对配准后的所述作业图像进行识别、标注处理；

S11，将进行了标注的两幅作业图像进行比对，识别出缺失的位置，判定此处杂草已经被切除；

S12，发送控制指令给所述施药机构对切除后的杂草进行喷药。

其中，主控器104在识别出杂草及其位置之后，再将第二杂草识别摄像机35的图像与第一杂草识别摄像机101的经过标注处理后的作业图像进行比对，以此可发现被切除后的杂草及其位置，进而可控制施药机构对该位置进行喷药。

优选地，步骤S4中所述基于所述投影进行曲线拟合，包括：

S40，读入初始曲线与投影点；

S41，基于每个所述投影点确定初始位置参数T；

S42，计算迭代结果p

S43，比较目标能量，更新修改相应p

S44，计算加速后的结果P

S45，重复步骤S43，直至能量收敛。

上述算法可以基于深度学习模型进行实现，例如CNN、YOLO等，可根据实际需要进行选择。

实施例11：

参照图11，本发明实施例还提供了一种电子设备，应用于所述主控器104，所述设备包括：

存储有可执行程序代码的存储器；

与所述存储器耦合的处理器；

所述处理器调用所述存储器中存储的所述可执行程序代码，执行实施例10所述的方法步骤。

实施例6：

本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，应用于所述分析模块，所述存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令被调用时，用于执行实施例10所述的方法步骤。

本发明通过第一传动机构的设置，可以使转轮5与除草机构同步进行上升下降，使其除草机构的除草端与转轮5的最低部始终等高，从而有效的提高了除草机构对地表上杂草的切除效率，通过除草机构与施药机构的相互配合，可以彻底将杂草进行除去，防止切除后的杂草再次复活，有效的提高了该装置的实用性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。