一种具有精准除草功能的太阳能全自动除草机

1.本发明是一种具有精准除草功能的太阳能全自动除草机，属于自动除草机技术领域。


背景技术：

2.我国有悠久的农耕历史，几千年来中国人民用智慧和劳动解决了温饱问题。现阶段，我国的物联网发展迅速，大数据领域涉及广泛，人工智能技术兴起，这将有利于提高我国农机自动化的覆盖程度，为农机向智能化发展提供了技术支持。
3.除草是决定农产品产量和质量的重要环节，杂草生长的最大危害就是争夺本该属于农作物的营养。在粮食产量日益增长、人民对食品质量的要求越来越高的今天，杂草的生长不但影响粮食产量，也影响到了人民对粮食的品质需求，高效、无污染的除草技术对于保证农产品质量和产量有着重要的意义。
4.目前常用以下几种方法除草：1)人工手工除草，这种方法除草效果好，但是效率低，人工成本高；2)人工喷洒化学药剂除草，这种方法除草效率高，但是费药、污染大，成本高；3)除草车除草，除草效率高，但是需要人工辅助，无法达到全自动化作业。
5.为解决上述问题，本发明采用机器视觉处理装置和并联机械臂相结合的方式实现精准除草；采用4g网络控制器与单片机相结合的控制方式实现除草机的全自动控制，减轻工作人员的劳动量；采用了太阳能蓄电池为整套系统供能，不需要外接电源，可以保证长时间连续工作。


技术实现要素：

6.本发明克服现有技术的不足，所解决的技术问题是提供一种具有精准除草功能的太阳能全自动除草机，包括除草装置、行走装置、机器视觉处理装置、供电装置、控制装置。
7.其特征在于所述除草装置由耙盘装置和并联机械臂装置两部分组成；所述耙盘装置用于大面积除草，包括底盘、200mm耙、薄型摆动气缸、耙盘外壳、气泵、耙盘连杆；所述薄型摆动气缸通过螺栓固定安装在耙盘外壳上，由气泵驱动；所述200mm耙和薄型摆动气缸通过键相连接；所述耙盘连杆下端焊接在耙盘外壳上部，上端与底盘连接；所述并联机械臂装置用于精准除草，包括移动平台、伸缩杆、万向传动轴、万向联轴器、连杆、球形铰链、光电传感器、摆臂电机、旋转电机、带轮主动轮、带轮从动轮、摆臂、固定平台、钻头；所述摆臂电机、旋转电机固定安装在固定平台上；所述旋转电机输出轴通过上端的万向联轴器与万向传动轴上端连接；所述万向传动轴下端与伸缩杆通过螺纹连接；所述下端的万向联轴器与移动平台固定连接；所述钻头为螺旋形钻刀，顶部有六个螺栓安装孔，固定安装在移动平台上，旋转电机工作驱动钻头升降运动，钻头旋入土壤后垂直升起可将杂草连根拔除，螺旋形式可以大幅减少土壤对钻头的阻力；所述摆臂电机共有三个，均为步进电机，摆臂电机输出轴与带轮主动轮通过键连接；所述摆臂一端与带轮从动轮键连接，一端通过球形铰链与连杆相连接；所述连杆共有三组，连杆末端与移动平台相连接；所述光电传感器安装在固定平台
上，光电传感器检测到移动平台向上运动到极限位置时，摆臂电机、旋转电机立刻停止运动。
8.其特征在于所述行走装置包括导向前轮、导向前轮支架、动力后轮支撑架、弹簧阻尼减振器、动力后轮轮毂支架、动力后轮、行驶电机；所述导向前轮支架上端与底盘固定连接，下端与导向前轮连接，所述行驶电机通过键与动力后轮连接；为了保证行驶稳定性所述动力后轮支撑架、动力后轮轮毂支架通过销钉120
°
方向安装，所述弹簧阻尼减振器一端与动力后轮支撑架相连接，一端与动力后轮轮毂支架相连接。
9.其特征在于所述机器视觉处理装置包括视觉图像采集相机、视觉控制板；所述视觉图像采集相机安装在底盘的中间位置，视觉图像采集相机对作物区域进行采样并传送至视觉控制板处理；所述视觉控制板安装在太阳能电池板支撑箱内，视觉控制板使用树莓派4b，树莓派4b对接收到的图像信息进行分析，生成一系列控制信号驱动薄型摆动气缸、摆臂电机、旋转电机工作完成除草动作。
10.其特征在于所述供电装置包括太阳能电池板支撑箱、太阳能蓄电池、太阳能电池板；所述太阳能电池板通过太阳能电池板支撑箱平行安装在底盘上方，太阳能电池板在光伏作用下将太阳辐射的热能直接转化为电能，产生的电能储存在太阳能蓄电池内；所述太阳能蓄电池共有八组，安装在太阳能电池板支撑箱底部，为太阳能全自动除草机提供动力；所述太阳能电池板支撑箱与底盘通过螺栓连接。
11.其特征在于所述控制装置包括摆臂电机驱动器、旋转电机驱动器、行驶电机驱动卡、行驶电机驱动器、启动按钮、停止按钮、stm32单片机、4g网络控制器；所述行驶电机驱动卡与行驶电机驱动器相连接；所述行驶电机驱动器采用直流双电机伺服驱动器，驱动行驶电机工作；所述摆臂电机驱动器安装在太阳能电池板支撑箱内；所述旋转电机驱动器安装在固定平台上；所述stm32单片机安装在太阳能电池板支撑箱内；所述启动按钮、停止按钮安装在太阳能电池板支撑箱上，控制太阳能全自动除草机的运动与停止；所述4g网络控制器安装在太阳能电池板支撑箱内，上位通过4g网络实现与手机app通讯，实现太阳能全自动除草机的遥控控制，下位给stm32单片机发送控制指令，控制太阳能全自动除草机的运动状态。
12.考虑到太阳能全自动除草机的充电效果和工作效率，所述太阳能电池板功率为280w，正常阳光下充电电流约为20a；所述八块太阳能蓄电池总容量为256ah。
13.考虑到太阳能全自动除草机行驶过程的稳定性和无人驾驶的安全性，所述行驶电机采用蜗轮蜗杆减速直流电机，降速后，太阳能全自动除草机的行驶速度为3m/s。
14.考虑到工作环境因素，所述视觉图像采集相机选择500万像素以上的工业相机。
15.上述太阳能全自动除草机整体尺寸为1300mm
×
1300mm
×
660mm。
16.本发明与现有技术的相比的有益效果是：本发明采用机器视觉处理装置和并联机械臂相结合的方式实现精准除草；采用4g网络控制器与单片机相结合的控制方式实现除草机的全自动控制，整个喷药过程不需要人工协助，实现了全自动化作业，提高了农业生产效率，减轻工作人员的劳动量；采用了太阳能蓄电池为整套系统供能，不需要外接电源，可以保证长时间连续工作。
附图说明
17.图1是本发明整体的结构图。
18.图2是本发明整体的右视图。
19.图3是本发明除草装置的结构图。
20.图4是本发明整体的正视图。
21.图5是本发明整体的俯视图。
22.图6是本发明的控制系统结构图。
23.其中：1、底盘；2、200mm耙；3、薄型摆动气缸；4、耙盘外壳；5、气泵；6、耙盘连杆；7、移动平台；8、伸缩杆；9、万向传动轴；10、万向联轴器；11、连杆；12、球形铰链；13、光电传感器；14、摆臂电机；15、旋转电机；16、带轮主动轮；17、带轮从动轮；18、摆臂；19、固定平台；20、钻头；21、导向前轮；22、导向前轮支架；23、动力后轮支撑架；24、弹簧阻尼减振器；25、动力后轮轮毂支架；26、动力后轮；27、行驶电机；28、太阳能电池板支撑箱；29、视觉图像采集相机；30、摆臂电机驱动器；31、旋转电机驱动器；32、行驶电机驱动卡；33、行驶电机驱动器；34、太阳能蓄电池；35、启动按钮；36、停止按钮；37、太阳能电池板；38、视觉控制板；39、stm32单片机；40、4g网络控制器。
具体实施方式
24.如图1—图6所示，一种具有精准除草功能的太阳能全自动除草机，包括除草装置、行走装置、机器视觉处理装置、供电装置、控制装置。
25.其特征在于所述除草装置由耙盘装置和并联机械臂装置两部分组成；所述耙盘装置用于大面积除草，包括底盘1、200mm耙2、薄型摆动气缸3、耙盘外壳4、气泵5、耙盘连杆6；所述薄型摆动气缸3通过螺栓固定安装在耙盘外壳4上，由气泵5驱动；所述200mm耙2和薄型摆动气缸3通过键相连接；所述耙盘连杆6下端焊接在耙盘外壳4上部，上端与底盘1连接；所述并联机械臂装置用于精准除草，包括移动平台7、伸缩杆8、万向传动轴9、万向联轴器10、连杆11、球形铰链12、光电传感器13、摆臂电机14、旋转电机15、带轮主动轮16、带轮从动轮17、摆臂18、固定平台19、钻头20；所述摆臂电机14、旋转电机15固定安装在固定平台19上；所述旋转电机15输出轴通过上端的万向联轴器10与万向传动轴9上端连接；所述万向传动轴9下端与伸缩杆8通过螺纹连接；所述下端的万向联轴器10与移动平台7固定连接；所述钻头20为螺旋形钻刀，顶部有六个螺栓安装孔，固定安装在移动平台7上，旋转电机15工作驱动钻头20升降运动，钻头20旋入土壤后垂直升起可将杂草连根拔除，螺旋形式可以大幅减少土壤对钻头20的阻力；所述摆臂电机14共有三个，均为步进电机，摆臂电机14输出轴与带轮主动轮16通过键连接；所述摆臂18一端与带轮从动轮17键连接，一端通过球形铰链12与连杆11相连接；所述连杆11共有三组，连杆11末端与移动平台7相连接；所述光电传感器13安装在固定平台19上，光电传感器13检测到移动平台7向上运动到极限位置时，摆臂电机14、旋转电机15立刻停止运动。
26.其特征在于所述行走装置包括导向前轮21、导向前轮支架22、动力后轮支撑架23、弹簧阻尼减振器24、动力后轮轮毂支架25、动力后轮26、行驶电机27；所述导向前轮支架22上端与底盘1固定连接，下端与导向前轮21连接，所述行驶电机27通过键与动力后轮26连接；为了保证行驶稳定性所述动力后轮支撑架23、动力后轮轮毂支架25通过销钉120
°
方向
安装；所述弹簧阻尼减振器24一端与动力后轮支撑架23相连接，一端与动力后轮轮毂支架25相连接。
27.其特征在于所述机器视觉处理装置包括视觉图像采集相机29、视觉控制板38；所述视觉图像采集相机29安装在底盘1的中间位置，视觉图像采集相机29对作物区域进行采样并传送至视觉控制板38处理；所述视觉控制板38安装在太阳能电池板支撑箱28内，视觉控制板38使用树莓派4b，树莓派4b对接收到的图像信息进行分析，生成一系列控制信号驱动薄型摆动气缸3、摆臂电机14、旋转电机15工作完成除草动作。
28.其特征在于所述供电装置包括太阳能电池板支撑箱28、太阳能蓄电池34、太阳能电池板37；所述太阳能电池板37通过太阳能电池板支撑箱28平行安装在底盘1上方，太阳能电池板37在光伏作用下将太阳辐射的热能直接转化为电能，产生的电能储存在太阳能蓄电池34内；所述太阳能蓄电池34共有八组，安装在太阳能电池板支撑箱28底部，为太阳能全自动除草机提供动力；所述太阳能电池板支撑箱28与底盘1通过螺栓连接。
29.其特征在于所述控制装置包括摆臂电机驱动器30、旋转电机驱动器31、行驶电机驱动卡32、行驶电机驱动器33、启动按钮35、停止按钮36、stm32单片机39；所述行驶电机驱动卡32与行驶电机驱动器33相连接；所述行驶电机驱动器33采用直流双电机伺服驱动器，驱动行驶电机27工作；所述摆臂电机驱动器30安装在太阳能电池板支撑箱28内；所述旋转电机驱动器31安装在固定平台19上；所述stm32单片机39安装在太阳能电池板支撑箱28内；所述启动按钮35、停止按钮36安装在太阳能电池板支撑箱28上，控制太阳能全自动除草机的运动与停止；所述4g网络控制器40安装在太阳能电池板支撑箱28内，上位通过4g网络实现与手机app通讯，实现太阳能全自动除草机的遥控控制，下位给stm32单片机39发送控制指令，控制太阳能全自动除草机的运动状态。
30.考虑到太阳能全自动除草机的充电效果和工作效率，所述太阳能电池板37功率为280w，正常阳光下充电电流约为20a；所述八块太阳能蓄电池34总容量为256ah。
31.考虑到太阳能全自动除草机行驶过程的稳定性和无人驾驶的安全性，所述行驶电机27采用蜗轮蜗杆减速直流电机，降速后，太阳能全自动除草机的行驶速度为3m/s。
32.考虑到工作环境因素，所述视觉图像采集相机29选择500万像素以上的工业相机。
33.上述太阳能全自动除草机整体尺寸为1300mm
×
1300mm
×
660mm。
34.使用本发明时，当太阳能全自动除草机到达指定工作位置时，按下启动按钮35，操作手机app通过4g网络控制器40给并联机械臂装置使能，读取当前坐标，根据作物种植间距来设置并联机械臂装置左右摆动范围，使各项工作准备就绪，手机app发出工作指令，太阳能全自动除草机开始行走；视觉图像采集相机29对杂草进行拍照上传至视觉控制板38中，进行杂草判断，当确认为单株杂草时，视觉控制板38将杂草信息上传至stm32单片机39，stm32单片机39发送指令驱动并联机械臂装置摆动，旋转电机15工作驱动钻头20下降，钻头20旋入土壤后垂直升起将杂草连根拔除；当确认为成片杂草时，启动耙盘装置大面积清除杂草。

技术特征：
1.一种具有精准除草功能的太阳能全自动除草机，其特征在于该全自动除草机包括除草装置、行走装置、机器视觉处理装置、供电装置、控制装置；所述除草装置由耙盘装置和并联机械臂装置两部分组成；所述耙盘装置用于大面积除草，包括底盘(1)、200mm耙(2)、薄型摆动气缸(3)、耙盘外壳(4)、气泵(5)、耙盘连杆(6)；所述薄型摆动气缸(3)通过螺栓固定安装在耙盘外壳(4)上，由气泵(5)驱动；所述200mm耙(2)和薄型摆动气缸(3)通过键相连接；所述耙盘连杆(6)下端焊接在耙盘外壳(4)上部，上端与底盘(1)连接；所述并联机械臂装置用于精准除草，包括移动平台(7)、伸缩杆(8)、万向传动轴(9)、万向联轴器(10)、连杆(11)、球形铰链(12)、光电传感器(13)、摆臂电机(14)、旋转电机(15)、带轮主动轮(16)、带轮从动轮(17)、摆臂(18)、固定平台(19)、钻头(20)；所述摆臂电机(14)、旋转电机(15)固定安装在固定平台(19)上；所述旋转电机(15)输出轴通过上端的万向联轴器(10)与万向传动轴(9)上端连接；所述万向传动轴(9)下端与伸缩杆(8)通过螺纹连接；所述下端的万向联轴器(10)与移动平台(7)固定连接；所述钻头(20)为螺旋形钻刀，顶部有六个螺栓安装孔，固定安装在移动平台(7)上，旋转电机(15)工作驱动钻头(20)升降运动，钻头(20)旋入土壤后垂直升起可将杂草连根拔除，螺旋形式可以大幅减少土壤对钻头(20)的阻力；所述摆臂电机(14)共有三个，均为步进电机，摆臂电机(14)输出轴与带轮主动轮(16)通过键连接；所述摆臂(18)一端与带轮从动轮(17)键连接，一端通过球形铰链(12)与连杆(11)相连接；所述连杆(11)共有三组，连杆(11)末端与移动平台(7)相连接；所述光电传感器(13)安装在固定平台(19)上，光电传感器(13)检测到移动平台(7)向上运动到极限位置时，摆臂电机(14)、旋转电机(15)立刻停止运动；所述行走装置包括导向前轮(21)、导向前轮支架(22)、动力后轮支撑架(23)、弹簧阻尼减振器(24)、动力后轮轮毂支架(25)、动力后轮(26)、行驶电机(27)；所述导向前轮支架(22)上端与底盘(1)固定连接，下端与导向前轮(21)连接，所述行驶电机(27)通过键与动力后轮(26)连接；为了保证行驶稳定性所述动力后轮支撑架(23)、动力后轮轮毂支架(25)通过销钉120
°
方向安装；所述弹簧阻尼减振器装置(24)一端与动力后轮支撑架(23)相连接，一端与动力后轮轮毂支架(25)相连接；所述机器视觉处理装置包括视觉图像采集相机(29)、视觉控制板(38)；所述视觉图像采集相机(29)安装在底盘(1)的中间位置，视觉图像采集相机(29)对作物区域进行采样并传送至视觉控制板(38)处理；所述视觉控制板(38)安装在太阳能电池板支撑箱(28)内，视觉控制板(38)使用树莓派4b，树莓派4b对接收到的图像信息进行分析，生成一系列控制信号驱动薄型摆动气缸(3)、摆臂电机(14)、旋转电机(15)工作完成除草动作；所述供电装置包括太阳能电池板支撑箱(28)、太阳能蓄电池(34)、太阳能电池板(37)；所述太阳能电池板(37)通过太阳能电池板支撑箱(28)平行安装在底盘(1)上方，太阳能电池板(37)在光伏作用下将太阳辐射的热能直接转化为电能，产生的电能储存在太阳能蓄电池(34)内；所述太阳能蓄电池(34)共有八组，安装在太阳能电池板支撑箱(28)底部，为全自动除草机提供动力；所述太阳能电池板支撑箱(28)与底盘(1)通过螺栓连接；所述控制装置包括摆臂电机驱动器(30)、旋转电机驱动器(31)、行驶电机驱动卡(32)、行驶电机驱动器(33)、启动按钮(35)、停止按钮(36)、stm32单片机(39)；所述行驶电机控制板(31)与行驶电机驱动器(33)相连接；所述行驶电机驱动器(33)采用直流双电机伺服驱动器，驱动行驶电机(27)工作；所述摆臂电机驱动器(30)安装在太阳能电池板支撑箱(28)内；
所述旋转电机驱动器(31)安装在固定平台(19)上；所述stm32单片机(39)安装在太阳能电池板支撑箱(28)内；所述启动按钮(35)、停止按钮(36)安装在太阳能电池板支撑箱(28)上，控制全自动除草机的运动与停止；所述4g网络控制器(40)安装在太阳能电池板支撑箱(28)内，上位通过4g网络实现与手机app通讯，实现太阳能全自动除草机的遥控控制，下位给stm32单片机(39)发送控制指令，控制太阳能全自动除草机的运动状态。2.如权利要求1所述的一种具有精准除草功能的太阳能全自动除草机，其特征在于太阳能电池板(36)功率为280w，正常阳光下充电电流约为20a，八块太阳能蓄电池(33)总容量为256ah。3.如权利要求1所述的一种具有精准除草功能的太阳能全自动除草机，其特征在于行驶电机(26)采用蜗轮蜗杆减速直流电机，降速后，全自动除草机的行驶速度为3m/s。4.如权利要求1所述的一种具有精准除草功能的太阳能全自动除草机，其特征在于视觉图像采集相机(28)选择500万像素以上的工业相机。5.如权利要求1所述的一种具有精准除草功能的太阳能全自动除草机，其特征在于太阳能全自动除草机整体尺寸为1300mm
×
1300mm
×
660mm。

技术总结
一种具有精准除草功能的全自动除草机，包括除草装置、行走装置、机器视觉处理装置、供电装置、控制装置；所述除草装置由耙盘装置和并联机械臂装置两部分组成；所述行走装置包括导向前轮、导向前轮支架、动力后轮支撑架、弹簧阻尼减振器、动力后轮轮毂支架、动力后轮、行驶电机；所述机器视觉处理装置包括视觉图像采集相机、视觉控制板；所述供电装置包括太阳能电池板支撑箱、太阳能蓄电池、太阳能电池板；所述控制装置包括摆臂电机驱动器、旋转电机驱动器、行驶电机驱动卡、行驶电机驱动器、启动按钮、停止按钮、STM32单片机；该发明能实现单株杂草和成片杂草的全自动精准除草作业。成片杂草的全自动精准除草作业。成片杂草的全自动精准除草作业。


技术研发人员：李军英 王怀樟 董哲玮 王强 杜昕蔚
受保护的技术使用者：青岛科技大学
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/4