【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及农业机器人，尤其是涉及一种罩切式玉米行株间除草机器人及控制方法。
技术介绍
1、长期以来，农业生产受到杂草的严重影响，因为杂草与农作物争夺阳光、水分和养分，导致作物产量和品质下降，给农业经济造成巨大损失。特别是玉米作为全球重要的粮食作物之一，其生长期经常受到杂草的干扰。传统的除草方式需要大量的人力投入，且效率低下，可能导致对农作物的损害。因此，研发玉米除草机器人成为了备受关注的课题。机器人能够在狭窄的玉米田间自动执行除草操作，从而减轻人工劳动强度、提高除草效率，并且减少对农药的依赖，符合可持续农业发展的要求。
2、相比传统人工和化学除草，机械除草更为高效，能够在短时间内完成大面积的除草作业，并且减少对农药的依赖，有利于减少环境污染，符合可持续农业发展的要求。然而，玉米除草机器人的设计面临着诸多挑战。首先，机器人需要在狭小的玉米田间精确执行除草操作，确保对杂草的有效清除的同时减少对玉米植株的伤害，这对机器人的操作性能提出了较高要求。其次，现有的末端执行机构难以同时实现玉米的行间和株间除草，增加了除草机器人的重复作业次数，严重制约了除草效率。因此，合理设计玉米行株间除草机器人的末端执行器至关重要。优化设计的末端执行器能够确保机器人在狭窄的玉米田间进行精准的除草作业，保证对杂草的有效清除同时减少对玉米植株的损伤。这样的优化设计可以有效改善玉米田间的除草作业，提高农业生产效率，降低劳动强度，并且减少对环境的负面影响，从而促进农业机械化水平的提升。
技术实现思路
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2、本专利技术提供了一种罩切式玉米行株间除草机器人及控制方法，包括除草机器人移动底盘、寻位罩苗机械臂、罩切式行株间除草末端执行器和控制系统，除草机器人移动底盘安装于最下方，寻位罩苗机械臂安装在除草机器人移动底盘的上方，罩切式行株间除草末端执行器安装于寻位罩苗机械臂下方，控制系统位于除草机器人移动底盘的一侧。
3、优选的，除草机器人移动底盘包括四个车轮驱动转向机构和底盘支撑架，四个车轮驱动转向机构铰接在底盘支撑架的四个端点位置。
4、优选的，车轮驱动转向机构包括行走轮、车轮连接轴、车轮固定架、行走驱动电机、转向固定轴、轴承定位板、转向固定轴承、转向电机固定板和转向驱动电机；行走驱动电机通过螺栓固接在车轮固定架外侧，车轮固定架和转向固定轴一体成型，行走轮与车轮连接轴固接在一起，并通过车轮连接轴与行走驱动电机的电机轴相连，转向驱动电机通过螺栓固接在转向电机固定板上方，转向电机固定板边侧焊接在底盘支撑架上；轴承定位板焊接在底盘支撑架外侧，两个转向固定轴承对置螺接在轴承定位板上下两侧，转向固定轴自下而上从转向固定轴承和轴承定位板的中心孔位穿过，与转向驱动电机的电机孔通过键相连。
5、优选的，寻位罩苗机械臂包括机械臂支撑架、罩苗纵向平动机构、罩苗横向平动机构、罩苗垂向伸缩机构；罩苗纵向平动机构安装在机械臂支撑架上方，罩苗横向平动机构安装在罩苗纵向平动机构上方，罩苗垂向伸缩机构安装在罩苗横向平动机构下方。
6、优选的，罩苗纵向平动机构包括带轮定位轴承座、同步带轮、带轮固定轴、同步带、轴承座固定块、滑块连接板、滑轨轨道、滑轨滑块、电机传动轴、联轴器、电机固定板、纵向平动电机和纵向平动单体；轴承座固定块固接在机械臂支撑架上方，带轮定位轴承座螺接在轴承座固定块上方；在纵向平动电机的一侧，纵向平动电机与电机固定板通过螺栓连接，电机固定板固接在机械臂支撑架上方，从纵向平动电机向两侧延伸，依次是联轴器、电机传动轴、同步带轮和带轮定位轴承座，纵向平动电机的电机轴经由联轴器与电机传动轴相连，电机传动轴穿过同步带轮后被定位轴承座固定；同步带与两侧的同步带轮形成同步带传动，从上往下的滑块连接板、下端同步带和滑轨滑块固接，滑轨滑块安装在滑轨轨道上，滑轨轨道固接在机械臂支撑架上方，纵向平动单体的两端分别固接在两侧滑块连接板上方。
7、优选的，罩苗垂向伸缩机构包括电动推杆固定板和垂向伸缩电推杆，垂向伸缩电推杆与电动推杆固定板固接，电动推杆固定板通过螺栓连接固定在横向平动单体下方。
8、优选的，控制系统包括摄像头realsensed435i、幼苗定位传感器、红外距离传感器、机械臂电机驱动、树莓派4b、stm32f411、北斗导航定位模块、wifi模块、陀螺仪和速度传感器。
9、优选的，s1、除草开始，在除草机器人移动底盘电驱前进的作用下，除草机器人沿玉米除草作业方向前进；
10、s2、当除草机器人行进前方设有realsensed435i深度摄像头，realsensed435i深度摄像头利用基于sam的杂草幼苗联合识别模型检测到前进方向上有杂草后，除草机器人继续前进，杂草状态置1；然后，位于除草末端执行器顶部的幼苗定位传感器捕捉到其视野内有幼苗后反馈给上位机，除草机器人停止前进；
11、s3、幼苗定位传感器和和红外传感器以及机器人本身的姿态传感器陀螺仪和获取到信息后通过扩展卡尔曼滤波器进行信息处理，stm32f411通过自适应控制策略控制寻位罩苗机械臂分别横向、纵向、垂向移动，通过机械臂的移动使摄像头画面中心为玉米幼苗，以此不断对准玉米幼苗；
12、s4、罩切式行株间除草末端执行器的罩苗防切机构在伸缩开合机构收缩的作用下套住玉米幼苗，实现对玉米幼苗的包围保护作用；
13、s5、在除草驱动机构的驱动下，旋转切割机构的分段式伸缩除草刀能够旋转并切断玉米幼苗旁边的杂草，起到清理行株间杂草的作用；
14、s6、伸缩开合机构张开并与玉米植株分离，完成一次杂草清理作业。
15、因此，本专利技术采用上述的一种罩切式玉米行株间除草机器人及控制方法，除草机器人具备灵巧性，在玉米地中移动而不伤苗，同时进行行株间除草；采用罩切式结构，保护玉米幼苗不受伤害，降低相邻玉米植株被除草刀碰伤的风险，创新采用了扩展卡尔曼滤波和自校正控制器结合的方式来控制机械臂移动。
16、下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
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1.一种罩切式玉米行株间除草机器人，其特征在于，包括除草机器人移动底盘、寻位罩苗机械臂、罩切式行株间除草末端执行器和控制系统，除草机器人移动底盘安装于最下方，寻位罩苗机械臂安装在除草机器人移动底盘的上方，罩切式行株间除草末端执行器安装于寻位罩苗机械臂下方，控制系统位于除草机器人移动底盘的一侧。
2.根据权利要求1所述的一种罩切式玉米行株间除草机器人，其特征在于，除草机器人移动底盘包括四个车轮驱动转向机构和底盘支撑架，四个车轮驱动转向机构铰接在底盘支撑架的四个端点位置。
3.根据权利要求2所述的一种罩切式玉米行株间除草机器人，其特征在于，车轮驱动转向机构包括行走轮、车轮连接轴、车轮固定架、行走驱动电机、转向固定轴、轴承定位板、转向固定轴承、转向电机固定板和转向驱动电机；行走驱动电机通过螺栓固接在车轮固定架外侧，车轮固定架和转向固定轴一体成型，行走轮与车轮连接轴固接在一起，并通过车轮连接轴与行走驱动电机的电机轴相连，转向驱动电机通过螺栓固接在转向电机固定板上方，转向电机固定板边侧焊接在底盘支撑架上；轴承定位板焊接在底盘支撑架外侧，两个转向固定轴承对置螺接在轴承
4.根据权利要求1所述的一种罩切式玉米行株间除草机器人，其特征在于，寻位罩苗机械臂包括机械臂支撑架、罩苗纵向平动机构、罩苗横向平动机构、罩苗垂向伸缩机构；罩苗纵向平动机构安装在机械臂支撑架上方，罩苗横向平动机构安装在罩苗纵向平动机构上方，罩苗垂向伸缩机构安装在罩苗横向平动机构下方。
5.根据权利要求4所述的一种罩切式玉米行株间除草机器人，其特征在于，罩苗纵向平动机构包括带轮定位轴承座、同步带轮、带轮固定轴、同步带、轴承座固定块、滑块连接板、滑轨轨道、滑轨滑块、电机传动轴、联轴器、电机固定板、纵向平动电机和纵向平动单体；轴承座固定块固接在机械臂支撑架上方，带轮定位轴承座螺接在轴承座固定块上方；在纵向平动电机的一侧，纵向平动电机与电机固定板通过螺栓连接，电机固定板固接在机械臂支撑架上方，从纵向平动电机向两侧延伸，依次是联轴器、电机传动轴、同步带轮和带轮定位轴承座，纵向平动电机的电机轴经由联轴器与电机传动轴相连，电机传动轴穿过同步带轮后被定位轴承座固定；同步带与两侧的同步带轮形成同步带传动，从上往下的滑块连接板、下端同步带和滑轨滑块固接，滑轨滑块安装在滑轨轨道上，滑轨轨道固接在机械臂支撑架上方，纵向平动单体的两端分别固接在两侧滑块连接板上方。
6.根据权利要求1所述的一种罩切式玉米行株间除草机器人，其特征在于，罩苗垂向伸缩机构包括电动推杆固定板和垂向伸缩电推杆，垂向伸缩电推杆与电动推杆固定板固接，电动推杆固定板通过螺栓连接固定在横向平动单体下方。
7.根据权利要求1所述的一种罩切式玉米行株间除草机器人，其特征在于，控制系统包括摄像头RealsenseD435i、幼苗定位传感器、红外距离传感器、机械臂电机驱动、树莓派4B、STM32F411、北斗导航定位模块、wifi模块、陀螺仪和速度传感器。
8.如权利要求1-8任一项的所述一种罩切式玉米行株间除草机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种罩切式玉米行株间除草机器人，其特征在于，包括除草机器人移动底盘、寻位罩苗机械臂、罩切式行株间除草末端执行器和控制系统，除草机器人移动底盘安装于最下方，寻位罩苗机械臂安装在除草机器人移动底盘的上方，罩切式行株间除草末端执行器安装于寻位罩苗机械臂下方，控制系统位于除草机器人移动底盘的一侧。
2.根据权利要求1所述的一种罩切式玉米行株间除草机器人，其特征在于，除草机器人移动底盘包括四个车轮驱动转向机构和底盘支撑架，四个车轮驱动转向机构铰接在底盘支撑架的四个端点位置。
3.根据权利要求2所述的一种罩切式玉米行株间除草机器人，其特征在于，车轮驱动转向机构包括行走轮、车轮连接轴、车轮固定架、行走驱动电机、转向固定轴、轴承定位板、转向固定轴承、转向电机固定板和转向驱动电机；行走驱动电机通过螺栓固接在车轮固定架外侧，车轮固定架和转向固定轴一体成型，行走轮与车轮连接轴固接在一起，并通过车轮连接轴与行走驱动电机的电机轴相连，转向驱动电机通过螺栓固接在转向电机固定板上方，转向电机固定板边侧焊接在底盘支撑架上；轴承定位板焊接在底盘支撑架外侧，两个转向固定轴承对置螺接在轴承定位板上下两侧，转向固定轴自下而上从转向固定轴承和轴承定位板的中心孔位穿过，与转向驱动电机的电机孔通过键相连。
4.根据权利要求1所述的一种罩切式玉米行株间除草机器人，其特征在于，寻位罩苗机械臂包括机械臂支撑架、罩苗纵向平动机构、罩苗横向平动机构、罩苗垂向伸缩机构；罩苗纵向平动机构安装在机械臂支撑架上方，罩苗横向平动机构安装在罩苗纵向平动机构上方，罩苗垂向伸缩机构安装在罩苗横向平动...
【专利技术属性】
技术研发人员：李云祥，易维云，杨洁，孙宏喆，孔新昊，吕跃祖，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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