爪齿余摆运动株间机械除草关键技术研究

机械除草是农业可持续发展的一项关键性技术，最大的难点在于利用机械选择性地对株间杂草进行移除。项目针对株间区域内的杂草控制进行研究，采用除草爪齿余摆线运动并通过横摆方式进入株间区域实现株间机械除草，研究开发专门的株间机械除草图像处理系统；优化设计除草爪齿，建立土壤阻力预测模型和土壤破坏模型，研究不同环境下的爪齿余摆线运动最优参数；融合图像定位信息和牵引拖拉机航向信息推算除草爪齿偏移量，设计横摆控制器，实现除草爪齿精确跟踪作物行并快速进出株间区域而不触及作物，减少株间除草机械对智能导航平台或机器人的依赖；研究除草爪齿入土深度检测方法并设计检测传感器，综合考虑拖拉机和除草机构的空间姿态设计深度控制系统，稳定控制除草爪齿入土深度，提高株间机械除草稳定性和降低伤苗率；构建可通过人工驾驶拖拉机牵引的横摆式株间除草实验平台，并在大田中进行试验，为株间机械除草提供理论依据。

株间机械除草技术是一种非化学除草技术，能有效除去株间杂草、减少化学除草剂的使用，适应食品安全和环境保护的需求。课题对作物株间机械除草关键技术进行了深入研究。.①根据行像素累加曲线和曲线的标准偏差扫描线获得作物行区域信息，以作物行区域为处理对象，利用列像素累加曲线、曲线标准偏差和正弦波曲线拟合识别出作物。.②建立了基于机器视觉的株间机械除草系统坐标系，将作物定位坐标转换到车体坐标系中，提出了基于株间除草系统前进速度和航向变化角速率的作物在车体坐标系中动态位置估算算法，为株间机械除草装置避苗和除草自动控制提供了基本条件。.③以余摆运动理论为基础，设计了基于除草爪齿余摆运动的株间除草装置，采用除草轨道和避苗轨道分别实现了除草爪齿爪尖进入株间区域除草和避让作物。研究了装置的除草和避苗工作原理，建立了相应数学模型并分析了除草爪齿余摆运动的参数对除草效果的影响，获得了合理的工作参数。为爪齿余摆株间除草装置精准控制提供了依据。.④根据株间机械除草装置特点给出了装置的简化模型，建立了株间机械除草装置除草爪齿爪尖的运动轨迹方程，分析了除草爪齿作用力变化规律。提出了除草爪齿避苗控制算法，得到了避苗判断条件，并通过Matlab软件进行了仿真分析，为基于余摆运动的株间机械除草装置的除草爪齿避苗控制提供了控制方法。该方法伤苗率小于8%；能够满足株距20cm及以上栽种的作物株间除草要求。.⑤提出了通过横向偏移误差补偿机构和控制系统实时纠正拖拉机在跟踪作物行时由航向偏差导致的株间除草装置中心与作物行中心线的横向偏移误差。研究了横向偏移补偿的原理，利用最小二乘法根据作物坐标拟合出作物行直线，提出了株间除草装置中心与作物行的横向偏移补偿量计算方法。.⑥采用2维激光扫描测距单元进行了除草部件入土深度检测试验研究，通过2维激光扫描测距传感器实现了垄行检测、除草装置倾斜检测等。.⑦试验研究表明：在有轨道限制试验平台直线行驶条件下，运动过程中机器视觉定位精度小于3cm。实现了利用机器视觉定位的避苗控制，除草爪齿能有效避让作物，伤苗率在10%以内。作物行识别最大误差为1.5cm，平均误差0.15cm，横向移动补偿控制跟踪最大误差为1.6cm，平均误差0.081cm。在没有轨道条件下，伤苗率小于30%，最大作物行跟踪误差小于5.3cm，平均误差0.26cm。