[发明专利]自动除草机器人及其控制方法

权利要求书

1.自动除草机器人，包括行进机构、行间除草机构、株间除草机构、机架、摄像头和红外传感器组；其特征在于：所述机架的前端呈圆弧状；机架的底部包括一体成型的前底板、第一连接板、中底板、第二连接板和后底板；所述的前底板与中底板通过第一连接板连接；所述的中底板与后底板通过第二连接板连接；前底板与后底板封闭且均低于中底板；后底板为平板；所述的摄像头固定在机架前端，摄像头中心轴线的高度为300～400mm；

所述的行进机构包括第一步进电机、电机座、第一齿轮、第二齿轮、第一轴套、轮轴和行进轮；所述的电机座和两个第一轴套均固定在机架上；两个第一步进电机均固定在电机座上；两个第一步进电机的输出轴上均固定有第一齿轮；两根轮轴与两个第一轴套分别构成转动副；两根轮轴同轴设置，相对端与两个第二齿轮分别固定，相背端与两个行进轮分别固定；行进轮外圈沿周向均布有n块行进板，3≤n≤8；两个第一齿轮与两个第二齿轮分别啮合；

所述的行间除草机构包括第一直流电机、齿轮箱、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮、第六齿轮、第七齿轮、第八齿轮、第九齿轮、第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴、第二轴套、行间除草轴和行间除草爪；所述的齿轮箱和两个第二轴套均固定在机架上；第一直流电机固定在齿轮箱上；两根行间除草轴与两个第二轴套分别构成转动副；两根行间除草轴的上端均固定有第九齿轮，下端均固定有行间除草爪；所述的第一传动轴、第二传动轴和第三传动轴均与齿轮箱构成转动副；所述的第四齿轮及第五齿轮均固定在第一传动轴上；所述的第六齿轮及第七齿轮均固定在第二传动轴上；所述的第八齿轮固定在第三传动轴上；所述第一直流电机的输出轴上固定有第三齿轮；第三齿轮与第四齿轮啮合；第五齿轮与第六齿轮啮合；第八齿轮及一个第九齿轮均与第七齿轮啮合；另一个第九齿轮与第八齿轮啮合；

所述的株间除草机构包括第二直流电机、第十齿轮、第十一齿轮、第四传动轴、第一带轮、支承盒、摆动中心轴、第二步进电机、第十二齿轮、第十三齿轮、支座、摆动臂、第二带轮、摆动盒、传动带、株间除草轴和株间除草爪；所述的第二步进电机和支座均固定在机架上；第二步进电机的输出轴上固定有第十二齿轮；所述的摆动中心轴与支座构成转动副；所述的第十三齿轮及支承盒均与摆动中心轴固定；第十二齿轮与第十三齿轮啮合；所述的第二直流电机固定在支承盒上；第二直流电机的输出轴上固定有第十齿轮；第四传动轴与支承盒构成转动副；第四传动轴上固定有第十一齿轮及第一带轮；第十齿轮与第十一齿轮啮合；所述的摆动臂的一端与支承盒固定，另一端与摆动盒固定；株间除草轴与摆动盒构成转动副；株间除草轴的上端固定有第二带轮，下端固定有株间除草爪；传动带套在第一带轮与第二带轮上；

所述的红外传感器组由第一红外传感器、第二红外传感器、第三红外传感器和第四红外传感器组成；所述的第一红外传感器固定在机架的左侧；所述的第二红外传感器固定在机架的右侧；所述的第三红外传感器及第四红外传感器均固定在摆动盒上；第一红外传感器、第二红外传感器、第三红外传感器和第四红外传感器中心轴线的高度均为x毫米，100≤x≤300，红外光发射方向均与机架的直线行进方向垂直；第一红外传感器与第三红外传感器位于同侧，中心轴线的距离为y毫米，第二红外传感器与第四红外传感器位于同侧，中心轴线的距离也为y毫米，200≤y≤400；第一红外传感器与第二红外传感器发射的红外光在同一直线上。

2.根据权利要求1所述的自动除草机器人，其特征在于：所述的行间除草爪与株间除草爪外形相同，均包括一体成型的固定环和沿固定环周向均布的六根弯杆，弯杆自由端向下弯曲。

3.根据权利要求1所述的自动除草机器人，其特征在于：所述第七齿轮和第八齿轮的齿数相等。

4.根据权利要求1所述的自动除草机器人，其特征在于：所述的传动带为同步带，第一带轮及第二带轮均为同步带轮。

5.根据权利要求1所述的自动除草机器人，其特征在于：所述的第一红外传感器、第二红外传感器、第三红外传感器和第四红外传感器的型号均为E18-D80NK。

6.根据权利要求1所述的自动除草机器人，其特征在于：所述行进轮外圈上的行进板为平板，且宽度比行进轮外圈宽度大20mm。

7.如权利要求1～6中任一项所述的自动除草机器人的控制方法，其特征在于：该方法如下：两个第一步进电机带动两个行进轮转动，通过摄像头拍摄的图像控制两个第一步进电机的转速差，调整行进方向，使行进轮保持在行间行走；同时，第一直流电机带动两个行间除草爪转动；两个行间除草爪的转向相反；行进过程中，机架的后底板将被行间除草爪翻起的淤泥压平；

第二直流电机带动株间除草爪转动；根据红外传感器组的检测结果，第二步进电机带动株间除草爪向左侧或向右侧摆动至两株水稻之间；株间除草爪在碰到水稻前，摆回两行水稻之间；

调整行进方向的控制方法具体如下：

步骤一、摄像头每秒拍摄一次前方照片，得到采样图像；选取当前秒数k对应的采样图像中的所有绿色像素群，组成绿色像素群组，绿色像素群组中位于最左侧的绿色像素群为第一绿色像素群，绿色像素群组中位于最右侧的绿色像素群为第二绿色像素群；在第一绿色像素群和第二绿色像素群上各取m个采样点，5≤m≤20；将所有采样点的横坐标分别记录下来，第一绿色像素群的采样点横坐标组成第一横坐标组；第二绿色像素群的采样点横坐标组成第二横坐标组；计算当前秒数k对应的采样图像中心和第一绿色像素群与第二绿色像素群的对称中心的偏差值e(k)，计算方式如下：

e(k)=1mΣi=1i=m12(x1i+x2i)-u]]>

其中，x_1i为第一横坐标组的第i个采样点横坐标；x_2i为第二横坐标组的第i个采样点横坐标；u为当前秒数k对应采样图像中心的横坐标；

步骤二、根据偏差值e(k)计算电机控制增量u(k)，计算方式如下：

u(k)=Kp*e(k)+KiΣj=0ke(j)+Kd[e(k)-e(k-1)]]]>

其中，e(0)＝0，Kp为比例常数；Ki为积分项比例系数乘积；Kd为微分项比例系数乘积；

步骤三、通过PWM波控制两个第一步进电机的转速；其中一个第一步进电机为恒速电机，另一个第一步进电机为变速电机；恒速电机PWM波的脉冲宽度恒定；变速电机PWM波的脉冲宽度的变化量受电机控制增量u(k)控制；计算方式如下：

PWM1_k－PWM1_k-1＝a*u(k)

其中，PWM1_k为得到当前秒数k对应采样图像后变速电机PWM波的脉冲宽度；PWM1_k-1为得到秒数k-1对应采样图像后变速电机PWM波的脉冲宽度；a为转向系数；

恒速电机和变速电机转速不同，从而实现对行进方向的调整；

除前进方向左侧株间杂草的控制方法具体如下：

第三红外传感器检测到有物体进入检测范围，第二步进电机正转，带动株间除草爪向左摆动至两株水稻之间清除杂草；第一红外传感器检测到有物体进入检测范围，第二步进电机反转，株间除草爪摆回两行水稻之间；

除前进方向右侧株间杂草的控制方法具体如下：

第四红外传感器检测到有物体进入检测范围，第二步进电机反转，带动株间除草爪向右摆动至两株水稻之间清除杂草；第二红外传感器检测到有物体进入检测范围，第二步进电机正转，株间除草爪摆回两行水稻之间。