[发明专利]一种株间机械除草爪齿避苗控制方法

说明书

技术领域

本发明属于机械除草技术领域，具体涉及一种株间机械除草爪齿避苗控制方法。

背景技术

智能化的株间机械除草技术能选择性地对株间杂草进行机械移除，利用除草爪齿余摆运动原理实现株间区域除草技术的相关报道有奥斯纳布吕克大学与Amazone Werke联合开发的摆线锄机械除草装置(Griepentrog，HW，M，Nielsen J.Autonomous intra-row rotor weeding based onGPS[C]//2006 CIGR World Congress Agricultural Engineering for a Better World，Bonn，Germany，2006)、中国发明专利申请一种除草机器人的六爪执行机构(发明专利申请号：200810019830.3)、张朋举等(张朋举，张纹，陈树人，等.八爪式株间机械除草装置虚拟设计与运动仿真[J].农业机械学报，2010，41(4)：56-59)设计的八爪式苗间除草装置和张春龙等(张春龙，黄小龙，耿长兴，等.智能锄草机器人系统设计与仿真[J].农业机械学报，2011，42(7)：196-199)设计的三指手爪锄草机械手。为了避免除草爪齿损伤目标作物，除草爪齿任一根爪齿的旋转半径应能改变，株间除草时半径较大，避让目标作物时半径较小。通常情况是除草爪齿绕主轴旋转靠目标作物行的半周旋转半径是可以改变的，除草爪齿的旋转半径的切换由半径改变起点处的控制机构实现的。控制机构的特点是除草爪齿任一根爪齿的旋转半径通过切换机构决策为大半径或小半径，一次旋转周内除草爪齿的旋转半径不能再改变，即不可控制从大半径切换至小半径或从小半径切换至大半径。因此，准确的控制每根除草爪齿的旋转半径切换是保证株间区域除草面积和避免除草爪齿损伤目标作物的关键。

基于GPS的摆线锄机械除草装置的控制系统(M，Griepentrog HW，Nielsen J，et al.The development and assessment of the accuracy of an autonomous GPS-based system for intra-row mechanical weed control in row crops[J].Biosystems Engineering，2008，101(4)：396-410)的除草爪齿避苗控制是根据装置上的某一参考点与目标作物的距离来控制改变除草爪齿半径的锁齿释放或锁定，释放距离和锁定距离由机械结构、速比等参数确定。陈树人等(陈树人，张朋举，周恩权.基于LabVIWE的八爪式株间除草装置控制及实验研究[C].2010国际农业工程大会论文集.2010，11：298-303)对八爪除草装置的控制策略是当目标作物的y坐标与电磁铁的实时纵坐标位置b满足-5cm＜y-b＜7cm(-5cm为离去距离，7cm为接近距离)时电磁铁通电，使电磁铁吸合控制铲齿保持避让目标作物的状态，达到避让目标作物的目的。然而以上方法的控制规则的参数都需通过实验确定，且易受前进速度的影响。因此，精确可靠的株间除草爪齿避苗控制方法对保证株间机械除草的除草效果和减少伤苗率相当重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种精确可靠、保证株间机械除草效果和减少伤苗率株间机械除草爪齿避苗控制方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种株间机械除草爪齿避苗控制方法，其特征在于包括下述步骤：

一、根据除草爪齿的前进速度、实际角速度、运行时间、爪齿初始圆心角、相邻爪齿间圆心角、爪齿旋转半径，以及除草爪齿旋转中心与目标作物行中心的距离的函数关系，确定除草爪齿的运动轨迹；

二、根据除草爪齿的实际旋转线速度与前进速度之比，计算出速比；

三、转速控制器根据速比、除草爪齿的前进速度、爪齿旋转半径的函数关系，计算出与前进速度匹配的目标角速率，转速控制器将目标角速率输入到PID控制器；

四、PID控制器向驱动器输出控制信号，驱动器根据控制信号调节电机转速；电机驱动除草爪齿的旋转，控制除草爪齿主轴角速率；转速传感器测量除草爪齿主轴角速率并反馈至PID控制器输入端，转速传感器与转速控制器、PID控制器、驱动器、电机形成控制闭环，控制除草爪齿的转速；

五、根据除草爪齿的爪齿旋转半径、前进速度和实际角速度，以及前进速度和实际角速度的误差预测除草爪齿的运动轨迹；

六、避苗控制器根据预测的除草爪齿运动轨迹和目标作物信息判断是否需要避让目标作物；