[发明专利]基于机器视觉的锄草机器人系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人技术领域，尤其是涉及一种基于机器视觉技术的、用于稀植类作物的田间锄草机器人系统及方法。

背景技术

农田杂草是农业生态系统中的一个组成部分，据2002年统计，全国农田草害发生面积11.33亿亩。其中，菜田草害中杂草发生密度最大可达3000株/m²以上，一般为500株/m²左右，少者亦达50-100株/m²。稀植蔬菜如花菜、甘蓝、生菜等，由于裸地面积大，杂草发生密度大、危害更为严重。

目前常用的除草方式为化学除草和人工除草。我国化学除草面积已超12亿亩，年耗除草剂10万-12万吨，占农药使用量30％-40％，30％-70％的除草剂会残留在土壤与空气中。长期以来以化学除草为主的方式已造成农田杂草种群更替、除草剂药害频发、杂草抗药性增强、食物中残留积聚及日益严峻的环境污染等问题。其中，我国除草剂药害每年达3000万亩，严重药害面积超过500万亩，当茬及后茬作物严重受害，农民直接收益减少近40％。而农田人工锄草用工年均50亿-60亿个劳动日，相当于1400万-1600万人常年从事锄草工作，占农田总用工量的1/3-1/2，但仍造成作物减产15％-25％，各类作物减产约1.5亿吨，相当于5亿人一年的口粮。

替代化学除草技术的机械锄草技术可大幅提高工作效率，但现有锄草机械装置大部分以行间锄草为主，极少数带有苗间锄草功能的锄草机械装置也因伤苗率高、锄草效率低等原因均未得到广泛应用，仍停留在实验研究阶段。因此，研究自动化精准锄草机械作为精细农业保护性耕作的关键技术之一正在得到世人重新认识，自动化精准锄草机械因其不可替代的优势，在不久的将来必将成为取代除草剂、发展精细耕作的可持续农业生产的重要技术手段。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何实现对田间作物(尤其是针对稀植类作物)的快速、精确锄草作业。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于机器视觉的锄草机器人系统，包括机器人移动平台、田间导航装置、田间苗草识别装置、锄草装置以及机器人控制系统；

所述机器人移动平台用于执行所述机器人系统在田间的行进动作；

所述田间导航装置用于获取所述机器人系统运动所需的导航参数，并将其发送给所述机器人控制系统；

田间苗草识别装置用于对田间苗草图像信息进行采集，根据田间苗草图像信息进行苗体识别，以及计算苗体坐标和苗间距，并将苗体坐标和苗间距数据发送给所述机器人控制系统；

所述锄草装置用于执行锄草动作；

所述机器人控制系统用于按照所接收的导航参数控制所述机器人移动平台执行在田间的行进动作，并根据所述苗体坐标和苗间距数据控制所述锄草装置执行锄草动作。

其中，所述机器人移动平台包括四轮驱动的移动平台本体。

其中，所述田间导航装置包括彩色CCD摄像机视觉系统和车载差分全球定位系统，所述车载差分全球定位系统用于执行相对大范围内机器人系统的路径规划与导航；所述彩色CCD摄像机视觉系统用于执行相对小范围内作物垄行的识别并获取导航参数。

其中，所述锄草装置包括锄具和锄具悬挂机械臂，所述锄具包括直流伺服电机、用于苗间锄草的耙形旋转锄刀及用于行间锄草的固定铲形锄刀，所述直流伺服电机中减速机的输出轴通过联轴器与耙形旋转锄刀的刀柄连接，所述固定铲形锄刀为两个，分别位于所述耙形旋转锄刀的两侧。

其中，所述锄具悬挂机械臂包括锄具抬升机构及地面仿形机构，所述锄具抬升机构为电推缸，其固定部与移动平台本体的车架铰接，伸缩部与所述地面仿形机构铰接；所述地面仿形机构与所述直流伺服电动机连接，用于带动所述锄具沿竖直方向上下浮动。

本发明还提供了一种利用上述的系统进行锄草的方法，包括以下步骤：

所述田间导航装置获取所述机器人系统运动所需的导航参数，并将其发送给所述机器人控制系统；

所述田间苗草识别装置用于对田间苗草图像信息进行采集，根据田间苗草图像信息进行苗体识别，以及计算苗体坐标和苗间距，并将坐标和苗间距数据发送给所述机器人控制系统；

所述机器人控制系统按照所接收到的导航参数控制所述机器人移动平台执行在田间的行进动作，并根据所述坐标和苗间距数据控制所述锄草装置执行锄草动作。