一种用于玉米地除草机器人及其控制系统的制作方法

本发明涉及农业信息化技术领域，具体涉及一种用于玉米地除草机器人及其控制系统。

背景技术：

在农业的发展中，对于从事农业的工作者来说，农田中的杂草是影响农业生产的首要敌人，它们对庄稼危害极大，因为杂草要与庄稼争夺养分、阳光、空气和水。杂草越多，农作物的产量会越小，随之而来的是经济效益会受到很大影响，因此，除杂草成为农业工作者在作业时的重中之重。目前，一般采用化学除草和机械除草两种方式，但大面积喷洒除草剂对环境和人员造成的伤害极大，而机械除草精准化、自动化程度不高，若根部清除不净会造成杂草二次重生，且两种方式智能化水平有待提高，因此绿色除草工具智能除草机器人应运而生。

技术实现要素：

针对现有技术中大面积喷洒除草剂对环境和人员造成的伤害极大、机械除草精准化及自动化程度不高、且根部清除不净会造成杂草二次重生等技术问题，本发明提出一种用于玉米地除草机器人及其控制系统，采用“机械+化学”除草方式，在机械除草完毕后对杂草生长部位精准喷射除草剂，保障彻底清除杂草和杀菌除虫；同时采用“自动+手动”的工作模式互相配合，可应对复杂的作业环境，协调完成除草和运草工作，保证高效、彻底的清理杂草，避免杂草重生，又可重复利用杂草，智能化程度高，实施效果好。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种用于玉米地除草机器人，包括除草机器人本体，所述除草机器人本体包括小车主体、轮动行走装置、机械臂组件和执行组件，且轮动行走装置安装在小车主体的底部，机械臂组件设置在小车主体上，执行组件设置在机械臂组件上；所述小车主体的前部安装有视觉传感器，小车主体的内部分别设有控制装置和化学除草装置，所述轮动行走装置、机械臂组件、执行组件、视觉传感器和化学除草装置均与控制装置相连接。

所述小车主体内设置有视觉传感器模组，视觉传感器模组的输入端连接视觉传感器、输出端连接控制装置。

所述轮动行走装置包括行驶轮和用于驱动行驶轮的轮动电机，行驶轮安装在小车主体的底部，轮动电机安装在行驶轮上并与行驶轮连接，且轮动电机与控制装置相连接。

所述机械臂组件包括旋转云台、基座和机械臂，旋转云台设置在小车主体上，基座设置在旋转云台上，机械臂设置在基座上，执行组件安装在机械臂的末端；所述旋转云台包括旋转电机ⅰ和转盘，基座固定在转盘上，且转盘与旋转电机ⅰ的输出端连接；所述基座上设置有基座舵机，且机械臂与基座舵机连接，所述旋转电机ⅰ和基座舵机均与控制装置相连接。

所述机械臂包括依次连接的肩座、大臂和小臂，且肩座的下部与基座上的基座舵机相连接；所述肩座的上部安装有肩座舵机，肩座舵机连接大臂的下部，大臂的上部安装有肘部舵机，肘部舵机连接小臂的下部，小臂的上部安装有旋转电机ⅱ，旋转电机ⅱ连接执行组件；所述肩座舵机、肘部舵机和旋转电机ⅱ均与控制装置相连接。

所述执行组件包括转台、锯齿圆形刀片、合金抓手和执行电机，转台垂直于小臂设置且与旋转电机ⅱ的输出端连接，锯齿圆形刀片和合金抓手均安装在转台上；所述转台的内部设有空腔，执行电机安装在空腔内，且执行电机分别与合金抓手和控制装置相连接。

所述转台为人字形结构，转台包括三个连接端部，且两个相邻的连接端部之间的夹角为120°；所述锯齿圆形刀片和合金抓手分别安装在转台的其中两个连接端部上。

所述化学除草装置包括用于容纳除草剂的除草剂瓶和针型喷雾头，除草剂瓶设置在小车主体内，针型喷雾头安装在转台的一个连接端部上，且除草剂瓶和针型喷雾头通过管道相连通；所述管道上设置有电磁喷雾控制器，且电磁喷雾控制器与控制装置相连接。

所述控制装置包括主控制板、从控制板ⅰ、从控制板ⅱ和从控制板ⅲ，从控制板ⅰ、从控制板ⅱ和从控制板ⅲ均与主控制板通过串口连接；所述视觉传感器模组与主控制板相连接，旋转电机ⅰ、基座舵机、肩座舵机和肘部舵机均与从控制板ⅰ相连接，旋转电机ⅱ、执行电机和电磁喷雾控制器均与从控制板ⅱ相连接，轮动电机与从控制板ⅲ相连接。

一种用于玉米地除草机器人的控制系统，包括除草机器人本体，还包括控制终端和wifi中继器，除草机器人本体的小车主体上安装有wifi路由器，且视觉传感器模组连接wifi路由器；所述小车主体上的主控制板内置有wifi模块，主控制板依次通过wifi模块、wifi路由器、wifi中继器与控制终端进行无线通讯。

本发明采用“机械+化学”除草方式，在机械除草完毕后对杂草生长部位精准喷射除草剂，保障彻底清除杂草和杀菌除虫；同时采用“自动+手动”的工作模式互相配合，可应对复杂的作业环境，协调完成除草和运草工作，以保证高效、彻底的清理杂草，避免杂草重生，又能够重复利用杂草，智能化程度高，实施效果好；本发明的控制终端与除草机器人本体之间能够远距离传输信号和通讯，无需现场操作遥控，简单方便，节约成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的除草机器人本体的结构示意图；

图2为本发明的执行组件的结构示意图；

图3为本发明的控制系统的原理图。

图中，1为除草机器人本体，11为小车主体，12为轮动行走装置，121为行驶轮，122为轮动电机，13为机械臂组件，131为旋转云台，1311为旋转电机ⅰ，1312为转盘，132为基座，1321为基座舵机，133为机械臂，1331为肩座，1332为大臂，1333为小臂，1334为肩座舵机，1335为肘部舵机，1336为旋转电机ⅱ，14为执行组件，141为转台，142为锯齿圆形刀片，143为合金抓手，144为执行电机，15为视觉传感器，151为视觉传感器模组，16为除草剂瓶，17为针型喷雾头，18为电磁喷雾控制器，19为集草箱，20为压力传感器，2为wifi中继器，3为控制终端，4为wifi路由器。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，如图1所示，本发明提供了一种用于玉米地除草机器人，包括除草机器人本体1，除草机器人本体1在工作时是放置在农田中并负责除草工作。所述除草机器人本体1包括小车主体11、轮动行走装置12、机械臂组件13和执行组件14，且轮动行走装置12安装在小车主体11的底部，用以驱动小车主体11前后左右运动，机械臂组件13设置在小车主体11上，执行组件14设置在机械臂组件13上并用于清除杂草，该机械臂组件13用以实现执行组件14在方向以及位置上的变动，从而能够将农田中不同位置的杂草都清除掉。所述小车主体11的内部分别设有控制装置和化学除草装置，轮动行走装置12、机械臂组件13、执行组件14和化学除草装置均与控制装置相连接，控制装置可控制轮动行走装置12、机械臂组件13、执行组件14和化学除草装置的工作状态。通过设置执行组件和化学除草装置，实现机械除草和化学除草相结合，在机械除草完毕后对杂草生长部位精准喷射除草剂，保障彻底清除杂草和杀菌除虫。

所述小车主体11的前部安装有视觉传感器15，小车主体11内设置有视觉传感器模组151，且视觉传感器模组151的输入端连接视觉传感器15、输出端连接控制装置，视觉传感器15用于采集图像数据并通过视觉传感器模组151传输给控制装置。本实施例中，所述的视觉传感器15采用cmos数字图像传感器作为数字化采集单元，其型号为mt9v022ia7atc，用以获取玉米和杂草的图像信息，视觉传感器模组151采用dsp信号处理芯片，其型号为adsp-bf592kcpz-2，视觉传感器模组能够对视觉传感器所采集到的图像信息进行灰度化、阈值分割以及滤波处理等，以区分出玉米作物和杂草，然后通过串口将信号传输给控制装置，由控制装置进行处理并准确定位杂草位置，然后依次驱动轮动行走装置、机械臂组件和执行组件工作并完成除草过程。

具体地，所述轮动行走装置12包括行驶轮121和用于驱动行驶轮121的轮动电机122，行驶轮121安装在小车主体11的底部，用以带动小车主体11前后左右的移动。所述轮动电机122安装在行驶轮121上并与行驶轮121相连接，且轮动电机122与控制装置相连接，从而实现控制装置可通过控制轮动电机122来进一步驱动行驶轮121转动，达到控制小车主体11行驶的目的，实现小车主体可在农田中穿梭。控制装置实时接收视觉传感器15所采集的图像信息并进行识别，且控制装置具有定位标记功能，当识别出农田中有杂草时，控制装置将驱动小车主体11行驶到杂草所在位置，并控制机械臂组件13和执行组件14工作来清除掉杂草。

所述机械臂组件13包括旋转云台131、基座132和机械臂133，旋转云台131设置在小车主体11上，基座132设置在旋转云台131上，机械臂133设置在基座132上，即旋转云台131可带动基座132朝不同方向旋转，进而实现基座132带动机械臂133旋转，所述执行组件14安装在机械臂133的末端，机械臂133可带动执行组件14转到指定方向上来清除杂草。所述的旋转云台131包括旋转电机ⅰ1311和转盘1312，且转盘1312与旋转电机ⅰ1311的输出端连接，具体为旋转电机ⅰ1311的输出轴上通过轴套连接有第一轴承，并通过第一轴承连接转盘1312，转盘1312可在旋转电机ⅰ1311的驱动下顺时针或逆时针270/360度旋转。该处的第一轴承为金属大轴承，可减小旋转电机ⅰ旋转时造成的摩擦。所述基座132固定在转盘1312上，起到承重和支撑机械臂133的作用，且基座132在旋转电机ⅰ1311的驱动下可随着转盘1312同步转动，进一步带动机械臂133转动。所述基座132上设置有基座舵机1321，且机械臂133与基座舵机1321连接，基座舵机1321用以控制机械臂133的伸缩移动等。所述旋转电机ⅰ1311和基座舵机1321均与控制装置相连接，控制装置可控制旋转电机ⅰ1311和基座舵机1321的启停以及工作状态。

进一步地，所述机械臂133包括依次连接的肩座1331、大臂1332和小臂1333，且肩座1331的下部与基座132上的基座舵机1321相连接，肩座1331的上部安装有肩座舵机1334，肩座舵机1334连接大臂1332的下部，大臂1332的上部安装有肘部舵机1335，肘部舵机1335连接小臂1333的下部，小臂1333的上部安装有旋转电机ⅱ1336，旋转电机ⅱ1336连接执行组件14；所述肩座舵机1334、肘部舵机1335和旋转电机ⅱ1336均与控制装置相连接。此结构设计实现在控制装置的驱动下，基座舵机1321控制肩座1331的伸缩移动，肩座舵机1334控制大臂1332的伸缩移动，肘部舵机1335控制小臂1333的伸缩移动，旋转电机ⅱ1336控制执行组件14发生转动。具体在实施除草时，控制装置控制小车主体行驶到杂草所在位置，然后控制旋转电机ⅰ转动，以使机械臂转到杂草所在的方位，然后启动基座舵机、肩座舵机和肘部舵机分别控制肩座、大臂和小臂移动，从而使执行组件到达杂草所在位置，启动旋转电机ⅱ带动执行组件工作，完成除草工作。

如图2所示，所述执行组件14包括转台141、锯齿圆形刀片142、合金抓手143和执行电机144，其中转台141垂直于小臂1333设置且与旋转电机ⅱ1336的输出端连接，具体为旋转电机ⅱ1336的输出轴上通过轴套连接有第二轴承，并通过第二轴承连接转台141，转台141可在旋转电机ⅱ1336的带动下顺时针或逆时针270/360度旋转，该处的第二轴承为圆形轴承，用以减小旋转电机ⅱ转动时造成的摩擦。所述锯齿圆形刀片142和合金抓手143均安装在转台141上，锯齿圆形刀片142用于割除杂草，合金抓手143用于抓取杂草，且转台141的内部设有空腔，执行电机144安装在空腔内，且执行电机144分别与合金抓手143和控制装置相连接，即控制装置控制执行电机144工作从而驱动合金抓手143抓取杂草。优选地，所述转台141为人字形结构，具体是由两块人字形转盘相对设置，然后加上侧板固定成为一个转台整体，且转台内部中空；转盘的厚度设为4cm，靠近机械臂的转盘通过螺钉与旋转电机ⅱ上的圆形轴承固定在一起，从而实现整个转台可随圆形轴承的旋转而旋转。所述转台141包括三个连接端部，且两个相邻的连接端部之间的夹角为120°。所述锯齿圆形刀片142和合金抓手143分别安装在转台141的其中两个连接端部上，割除杂草时，控制旋转电机ⅱ转动以使锯齿圆形刀片正对杂草位置，然后再次控制旋转电机ⅱ沿顺时针和逆时针方向往复旋转，同时控制机械臂配合，使锯齿圆形刀片不断向除草位置递进，完成松土和切除杂草过程；此时再次控制旋转电机ⅱ转动使合金抓手正对除草位置，然后控制执行电机工作以驱动合金抓手抓取割除掉的杂草。

所述化学除草装置包括用于容纳除草剂的除草剂瓶16和针型喷雾头17，除草剂瓶16设置在小车主体11内，针型喷雾头17安装在转台141的除锯齿圆形刀片142和合金抓手143所在的两个连接端部之外的另一个连接端部上。所述的除草剂瓶16内盛有除草剂，针型喷雾头17用于向杂草喷洒除草剂，除草剂瓶16和针型喷雾头17通过管道相连通。所述管道上设置有电磁喷雾控制器18，且电磁喷雾控制器18与控制装置相连接，即电磁喷雾控制器在控制装置的控制下可实现除草剂瓶内的除草剂依次通过管道和针型喷雾头喷洒出去，通过机械除草和化学除草相结合，在机械除草完毕后对杂草生长部位精准喷射除草剂，保障彻底清除杂草和杀菌除虫，实现高效、彻底的清理杂草，避免杂草重生，同时收集的杂草可重复利用，具有智能化程度高、实施效果好的优点。

所述控制装置包括基于linux操作系统、采用ros集成开发环境开发的主控制板、从控制板ⅰ、从控制板ⅱ和从控制板ⅲ，本实施例中，主控制板采用arm主控板，从控制板ⅰ、从控制板ⅱ和从控制板ⅲ均为stm32从控板，且从控制板ⅰ、从控制板ⅱ和从控制板ⅲ均与主控制板通过串口连接。本实施例中stm32从控板到arm主控板的通信为arm主控板通过串口接收stm32控制板发来的数据，基于ros_serial节点桥梁功能，按数据协议发布msg消息到ros通信网络；arm主控板到stm32从控板的通信为arm主控板从ros网络接收话题消息，通过串口传输到stm32从控板，以控制底层驱动。

所述主控制板用于避障和检测识别杂草以及向从控制板ⅰ、从控制板ⅱ和从控制板ⅲ发送控制指令，且从控制板ⅰ用于控制机械臂组件，从控制板ⅱ用于控制执行组件和化学除草装置，从控制板ⅲ用于控制轮动行走装置。具体为视觉传感器模组151的图像输出接口连接主控制板，并将采集到的图像数据传输给主控制板进行处理，实现主控制板避障和检测识别杂草的功能。所述旋转电机ⅰ1311、基座舵机1321、肩座舵机1334和肘部舵机1335的信号线均与从控制板ⅰ相连接，从控制板ⅰ通过调节脉冲宽度来驱动基座舵机1321、肩座舵机1334和肘部舵机1335，从而调节肩座、大臂、小臂的移动；同时从控制板ⅰ通过输出信号来控制旋转电机ⅰ1311的正反向旋转，以调节机械臂所指的方向。所述旋转电机ⅱ1336、执行电机144和电磁喷雾控制器18的信号线均与从控制板ⅱ相连接，从控制板ⅱ通过输出控制信号来控制整个执行组件的运行以及化学除草剂的喷洒。所述轮动电机122与从控制板ⅲ相连接，当主控制板识别出杂草后，主控制板能够根据像素坐标系到世界坐标系下的转换关系，获取空间位置，并将位置信息通过串口传输给从控制板ⅲ，从控制板ⅲ下发指令并输出pwm波通过电机驱动器驱动轮动电机转动，使小车主体到达指定位置；且轮动电机122连接从控制板ⅲ的芯片编码器，实现从控制板ⅲ能够获取轮动电机的转速值并回传给主控制板。所述小车主体11内设置有供电模块，该供电模块为锂电池和稳压电路板，且与主控制板相连接，用于为整个除草机器人本体1进行供电。

如图3所示，一种用于玉米地除草机器人的控制系统，包括所述的用于玉米地除草机器人的除草机器人本体1，还包括控制终端3和wifi中继器2，wifi中继器2设置在除草机器人本体1和控制终端3之间，且三者之间通过无线wifi传输信息。本实施例采用wifi局域网技术，除草机器人本体1的小车主体11上安装有wifi路由器4，且视觉传感器模组15的网络接口连接wifi路由器4，并通过wifi中继器2实时回传视频至控制终端。所述小车主体11上的主控制板内置有wifi模块，主控制板依次通过wifi模块、wifi路由器4、wifi中继器2与控制终端进行无线通讯，且通过设置大功率的wifi中继器，有效避免信号衰减和卡顿，实现视频和指令信息高效、可靠的传输。

所述控制终端为手机，手机自带wifi功能，打开wifi热点便可通过大功率wifi中继器与除草机器人本体一键连接，方便快捷。该控制终端的功能有两个，一是实时接收视觉传感器实时回传的图像信息，监测除草动态；二是通过wifi模块、wifi路由器、wifi中继器所建立的通信信道向主控制板发送指令，实现除草机器人本体既能够自动进行除草工作，也可通过接收控制终端的指令进行手动除草。通过设置手动除草模式，能够实现在环境复杂、除草机器人本体杂草识别未果的情况下通过手机向主控制板发送控制指令完成除草过程。本发明采用“自动+手动”的工作模式互相配合，可应对复杂的作业环境，协调完成除草和运草工作，可保证高效、彻底的清理杂草，避免杂草重生，智能化程度高，实施效果好。

实施例2，所述小车主体11的后部设有集草箱19，用以放置合金抓手抓取的杂草，实现杂草的二次利用。所述集草箱19的底部安装有压力传感器20，且压力传感器20连接主控制板，压力传感器20用于实时监测所收集的杂草重量并传输给主控制板，且主控制板内预设有重量阈值，当集草箱内的杂草重量超过该重量阈值时，主控制板将超重信号反馈给控制终端以提醒用户及时进行处理。

其他结构与实施例1相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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