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1、(10)申请公布号 CN 102792943 A (43)申请公布日 2012.11.28 CN 102792943 A *CN102792943A* (21)申请号 201210303289.5 (22)申请日 2012.08.22 A01M 21/02(2006.01) (71)申请人 西北农林科技大学 地址 712100 陕西省西安市杨凌示范区西农 路 22 号 (72)发明人 何东健 乔永亮 唐晶磊 胡国田 高瞻 赵川源 杨阔 (54) 发明名称 一种基于多光谱视觉的高效除草机器人 (57) 摘要 一种基于多光谱视觉的高效机器人， 包括移 动小车， 设置在移动小车上彼此连接的横向移动 。
2、装置、 除草切割装置以及主控系统， 本发明能够快 速有效的识别田间杂草， 实时性强， 适合田间实际 作业 ； 以简单的切割结构结合药物涂抹的方式同 时完成行内外的杂草清理工作， 不仅减轻了移动 小车的负载， 还能彻底清除杂草， 除草效率高， 有 效解决了行内杂草的清理难题 ； 除锈装置有效地 提高切割刀具的工作效率， 延长了使用年限， 提升 了除草机器人的综合性能。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种基于多光谱视觉的高效。
3、机器人， 包括移动小车， 设置在移动小车上彼此连接的 横向移动装置、 除草切割装置、 除锈装置以及主控系统 (1)， 其特征在于 ： 所述移动小车包括视觉导航系统 (2)、 车体 (3)、 车架 (4)、 车轮 (5)、 电源 (21)、 车轮电 机 (22)、 车轮电机驱动器 (23)、 车轮电机编码器 (24) ； 所述视觉导航系统 (2) 设置于车体 (3) 的车头位置， 车体 (4) 下方设有电源 (21)， 车轮 (5) 由车架 (4) 支承， 并由一个车轮电 机 (22) 带动 ； 所述横向移动装置包括横移电机(25)、 滑动导轨(17)、 滑块(8)、 上连接片(9)、 下连接 。
4、片(16)、 行程开关(6)、 横移电机驱动器(21)、 横移电机编码器(27) ； 所述横移电机(25)设 置于车体 (4) 上， 横移电机 (25) 与滑块 (8) 相连 ； 上连接片 (9) 与下连接片 (16) 通过螺栓 连接 ； 所述车体 (3) 上设置行程开关 (6)， 对上连接片 (9) 横向移动的极限位置进行安全限 位 ； 所述横移电机编码器 (27) 设置于横移电机 (25) 的轴上 ； 所述除草切割装置包括多光谱感知系统 (7)、 固定盒 (10)、 旋转电机 (11)、 刀盘 (13) ； 所述多光谱感知系统 (7) 设置在车体 (4) 的车头下方 ； 所述旋转电机 (1。
5、1) 外设置固定盒 (10) ； 所述旋转电机 (11) 的轴末端套接刀盘 (13)。 所述除锈装置包括贮液箱 (20)、 调节阀 (19)、 软管 (18)、 固定环 (15) 和节流板 (12) ； 所述贮液箱 (20) 通过软管 (18) 与刀盘 (13) 连接 ； 所述调节阀 (19) 设置在软管 (18) 上， 固定环 (15) 固设于软管 (18) 末端， 所述节流板 (12) 设置于海绵 (14) 外侧， 所述贮液箱 (20) 内设有除锈剂。 2. 根据权利要求 1 所述基于多光谱视觉的高效机器人， 其特征在于 ： 所述除草切割装 置还包括海绵 (14)， 所述海绵 (14) 粘。
6、贴在刀盘 (13) 的底部。 3.根据权利要求1所述基于多光谱视觉的高效机器人， 其特征在于 ： 所述主控系统(1) 包括工控机、 多轴运动控制卡和输入 / 输出接口板。 4. 根据权利要求 1 所述基于多光谱视觉的高效机器人， 其特征在于 ： 所述刀盘 (13) 与 地面成 45 60倾角。 5.根据权利要求1所述基于多光谱视觉的高效机器人， 其特征在于 ： 所述车轮(5)为3 个、 四个或多个。 6. 根据权利要求 1 所述基于多光谱视觉的高效机器人， 其特征在于 ： 所述软管 (18) 为 塑料软管。 权 利 要 求 书 CN 102792943 A 2 1/3 页 3 一种基于多光谱视。
7、觉的高效除草机器人 技术领域 0001 本发明涉及一种基于多光谱视觉的高效除草机器人， 尤其是一种能够利用多光谱 图像来识别田间杂草并进行快速除草的机器人， 属于农业机械应用领域。 背景技术 0002 农田杂草是农业生产的大敌， 它会影响农作物的生长发育， 降低农作物产量和品 质， 对农作物的危害不容忽视。 我国每年均要花费大量的人力、 物力和财力进行杂草清理作 业。因此， 研究一种高效的除草机器人对提高农业生产效率和粮食等作物产量均具有重要 的现实意义。 0003 目前主要的除草方法有 ： 人工除草、 机械除草和化学除草。 其中人工除草效率低下 已被逐渐淘汰 ； 机械除草主要是利用机械工具切。
8、割或铲除杂草 ； 化学除草是利用除草剂来 杀灭杂草， 虽然效率高， 但多由于采用大面积喷洒， 既造成土壤、 空气及农产品自身的严重 污染， 且农药浪费严重。 0004 随着公众环保意识的不断增强及精准农业发展的需要， 国内外已经开始研究精确 除草的方法， 依据杂草和作物分布情况， 只对杂草进行定点变量喷洒农药， 其它无草区域则 不喷洒农药。 这种方法在一定程度上节约了除草剂， 减少了环境污染， 但仍不可避免地会产 生 “雾滴飘移” ， 而且不可避免的会将化学药剂喷洒到土壤上引起污染。如何高效地清除杂 草而又尽可能减轻环境污染， 仍需进行研发和创新。 0005 除此之外， 精确除草的前提是杂草的。
9、识别， 也就是将杂草从背景(作物和土壤)中 识别出来。 目前国内的研究大多采用基于见光范围内的机器视觉和数字图像处理的方法来 进行杂草的识别， 存在算法复杂、 实时性不强等问题。 且主要是利用颜色、 纹理、 空间分布和 形状等特征进行识别。然而在实际的田地环境中， 由于绿色叶子对光的反射受诸多因素的 影响， 导致在可见光所提取的叶片特征不能很好表现作物和杂草差别。 0006 另外， 在众多采用切割除草的装置中， 刀具极易在切割杂草时沾染植物的组织液 或水等化合物而锈蚀， 从而致使刀具寿命过短， 增加使用成本， 不利于推广使用。 发明内容 0007 本发明的目的在于提供一种基于多光谱视觉的高效除。
10、草机器人， 其针对以上现有 除草方法和技术存在的不足和缺点， 充分利用植物可见光范围及近红外波段的数字图像来 精确、 自动识别田间杂草， 并根据识别结果， 采用切割和药物涂抹结合的方式来除草， 同时 利用除锈装置来延长刀盘使用周期。 0008 本发明的技术方案是 ： 0009 一种基于多光谱视觉的高效机器人， 包括移动小车， 设置在移动小车上彼此连接 的横向移动装置、 除草切割装置、 除锈装置以及主控系统， 其特殊之处在于 ： 0010 所述移动小车包括视觉导航系统、 车体、 车架、 车轮、 电源、 车轮电机、 车轮电机驱 动器、 车轮电机编码器 ； 所述视觉导航系统设置于车体的车头位置， 车。
11、体下方设有电源， 车 说 明 书 CN 102792943 A 3 2/3 页 4 轮由车架支承， 并由一个车轮电机带动 ； 0011 所述横向移动装置包括横移电机、 滑动导轨、 滑块、 上连接片、 下连接片、 行程开 关、 横移电机驱动器、 横移电机编码器 ； 所述横移电机设置于车体上， 横移电机与滑块相连 ； 上连接片与下连接片通过螺栓连接， 通过调节螺栓与上连接片及下连接片的相对位置， 可 以调整刀盘距离地面的高度 ； 所述车体上设置行程开关， 对上连接片横向移动的极限位置 进行安全限位 ； 所述横移电机编码器设置于横移电机的轴上， 检测横移电机的转动位置信 息并输入主控系统， 实现横移。
12、电机的伺服运动控制 ； 0012 所述除草切割装置包括多光谱感知系统、 固定盒、 旋转电机、 刀盘 ； 所述多光谱感 知系统设置在车体的车头下方， 利用多光谱图像信息进行杂草的识别与定位 ； 所述旋转电 机外设置固定盒 ； 固定盒起到固定旋转电机的作用， 所述旋转电机的轴末端套接刀盘。 0013 所述除锈装置包括贮液箱、 调节阀、 软管、 固定环和节流板 ； 所述贮液箱通过软管 与刀盘连接 ； 所述调节阀设置在软管上， 固定环固设于软管末端， 所述节流板设置于海绵外 侧， 所述贮液箱内设有除锈剂。 0014 上述除草切割装置还包括海绵， 所述海绵粘贴在刀盘的底部。 0015 上述主控系统包括工。
13、控机、 多轴运动控制卡和输入 / 输出接口板。 0016 上述刀盘与地面成 45 60倾角为佳。 0017 上述软管一般为塑料软管。 0018 本发明的视觉导航系统探测前方信息来引导小车沿作物行方向行进， 同时多光谱 感知系统对杂草进行识别和定位， 由控制系统根据杂草的位置信息控制移动小车在沿作物 行前进的同时， 通过横向移动装置控制除草切割装置 ； 所述除草切割装置包括刀盘、 粘贴在 刀盘底部的海绵， 按照一定的倾斜角度放置， 可以在清除行内外杂草的同时涂抹药物实现 高效清除杂草， 同时利用除锈装置完成刀盘的养护 ； 所述除锈装置可以通过调节流向刀盘 的除锈剂的流量， 从而实现对刀盘的维护以。
14、提高使用寿命。 0019 本发明的有益效果是， 能够快速有效的识别田间杂草， 实时性强， 适合田间实际作 业。以简单的切割结构结合药物涂抹的方式同时完成行内外的杂草清理工作， 不仅减轻了 移动小车的负载， 还能彻底清除杂草， 除草效率高， 有效解决了行内杂草的清理难题 ； 除锈 装置有效地提高切割刀具的工作效率， 延长了使用年限， 提升了除草机器人的综合性能。 附图说明 0020 图 1 为基于多光谱视觉的高效除草机器人主视示意图 ； 0021 图 2 为基于多光谱视觉的高效除草机器人左视示意图 ； 0022 图 3 为基于多光谱视觉的高效除草机器人控制方案示意图 ； 0023 图 4 切割装。
15、置示意图 (a 为主视图， b 为底部示意图 ) ； 0024 图 5 为基于多光谱视觉的高效除草机器人田间作业示意图。 0025 附图标号说明 ： 0026 1. 主控系统， 2. 视觉导航系统， 3. 车体， 4. 车架， 5. 车轮， 6. 行程开关， 7. 多光 谱感知系统， 8. 滑块， 9. 上连接片， 10. 固定盒， 11. 旋转电机， 12. 节流板 13. 刀盘， 14. 海 绵， 15. 固定环， 16. 下连接片， 17. 滑动导轨， 18. 软管， 19. 调节阀， 20. 贮液箱， 21. 电源， 22. 车轮电机， 23. 车轮电机驱动器， 24. 车轮电机编码器。
16、， 25. 横移电机， 26. 横移电机驱动 说 明 书 CN 102792943 A 4 3/3 页 5 器， 27. 横移电机编码器。 具体实施方式 0027 参见图 1 图 3， 本发明包括移动小车、 横向移动装置、 除草切割装置、 除锈装置和 主控系统 (1) 组成。 0028 其中主控系统 (1) 有工控机、 多轴运动控制卡和输入 / 输出接口板组成。 0029 其中移动小车包括视觉导航系统 (2)、 车体 (3)、 车架 (4)、 车轮 (5)、 电源 (21)、 车 轮电机 (22)、 车轮电机驱动器 (23)、 车轮电机编码器 (24)。视觉导航系统 (2) 设置于车体 (3)。
17、 的车头位置， 探测前方信息以引导移动小车沿作物的行方向前进 ； 车体 (4) 下方装有电 源 (21)， 为除草机器人提供动力 ； 四个车轮 (5) 有车架 (4) 支承， 并分别由一个车轮电机 (22) 带动 ； 车轮电机编码器 (24) 设置于车轮电机 (22) 的轴上， 监测车轮电机 (22) 的转动 位置信息并输入主控系统 (1)， 实现车轮电机的伺服驱动控制。 0030 横向移动装置包括横移电机 (25)、 滑动导轨 (17)、 滑块 (8) 上连接片 (9)、 下连接 片 (16)、 行程开关 (6)、 横移电机驱动器 (21)、 横移电机编码器 (27)。横移电机 (25) 设。
18、置 于车体 (4) 上， 横移电机 (25) 与滑块 (8) 相连 ； 上连接片 (9) 与下连接片 (16) 通过螺栓连 接， 通过调节螺栓与上连接片 (9) 及下连接片 (16) 的相对位置， 可以调整刀盘 (13) 距离地 面的高度 ； 车体上设置行程开关 (6)， 对上连接片 (9) 横向移动的极限位置进行安全限位 ； 横移电机编码器 (27) 设置于横移电机 (25) 的轴上， 检测横移电机 (25) 的转动位置信息并 输入主控系统 (1)， 实现横移电机 (25) 的伺服运动控制。 0031 除草切割装置包括多光谱感知系统(7)、 固定盒(10)、 旋转电机(11)、 刀盘(13)。
19、和 海绵 (14)。多光谱感知系统 (7) 设置在车体 (4) 的车头下方， 利用多光谱图像信息进行杂 草的识别与定位 ； 固定盒 (10) 起到固定旋转电机 (11) 的作用， 在旋转电机 (11) 的轴末端 套接刀盘 (13) ； 如图 4 所示， 海绵 (14) 粘贴在刀盘 (13) 的底部， 在除草作业时， 预先向海 绵 (14) 里注射除草药物， 以便切割后对杂草进行药物涂抹。 0032 除锈装置包括贮液箱 (20)、 调节阀 (19)、 软管 (18)、 固定环 (15) 和节流板 (12)。 贮液箱 (20) 中的除锈剂通过软管 (18) 流向刀盘 (13)， 同时节流板 (12。
20、) 保证刀盘 (13) 在 切割杂草时除锈剂流向海绵(14)而不发生外溢 ； 通过调节阀(19)可以控制除锈剂的流量 ； 固定环 (15) 用来固定软管 (18) 末端使其在除草切割装置移动时与刀盘 (13) 的相对位置 不变， 从而实现对刀盘 (13) 的养护， 提高其工作寿命和效率。 0033 参见图 1 图 5， 本实用新型工作过程中， 视觉导航系统 (2) 探测小车前方信息 以引导自主小车沿作物的行方向前进， 同时多光谱感知系统 (7) 对杂草进行识别和定位， 主控系统 (1) 根据杂草的位置信息控制移动小车沿作物行的方向前进， 同时通过横向移动 控制装置控制除草切割装置在垂直作物行方。
21、向的横向移动， 随后旋转电机 (11) 驱动刀盘 (13)将杂草割断， 并通过海绵(14)将除草药物涂抹到被切割过的杂草表面。 由于刀盘(13) 与地面成 45 60倾角， 可以有效避免行内除草时切割到其他作物 ； 同时海绵 (14) 的药 物涂抹不仅有效地抑制了杂草生长而且极大的降低了环境污染 ； 另外除锈装置有效地去除 了刀盘 (13) 锈垢， 提高了除草机器人的工作性能。对于不同栽种模式和不同作物生长期， 可以通过螺栓调节上连接片(9)与下连接片(16)的相对位置， 完成除草切割装置距离地面 高度的调整， 从而适应不同栽种模式下的除草要求。 说 明 书 CN 102792943 A 5 1/3 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102792943 A 6 2/3 页 7 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102792943 A 7 3/3 页 8 图 5 说 明 书 附 图 CN 102792943 A 8 。