本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种水田自动除草机器人及其控制方法。

  水田除草具有促进水稻生长和节省肥料的效果，可以充分的利用光能，其经济与社会效益均非常可观。现有的水田除草装置需要工作人员的扶持跟随，且只能清除行间的杂草，株间的杂草不能被清除，工作效率低且除草效果较差。因此，设计一种能够同时清理水田行间杂草和株间杂草的自动除草装置十分重要。

  本发明的目的是针对现存技术的不足，提供一种能够同时清理水田行间杂草和株间杂草的自动除草机器人及其控制方法。

  本发明自动除草机器人，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。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mm。

  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，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；第二红外传感器与第四红外传感器位于同侧，中心轴线的距离为y毫米。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。

  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。

  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。

  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。

  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：

  其中，x1i为第一横坐标组的第i个采样点横坐标；x2i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。

  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：

  其中，pwm1k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；pwm1k-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。

  第三红外传感器检验测试到有物体进入检验测试范围，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。第一红外传感器检验测试到有物体进入检验测试范围，第二步进电机反转，株间除草爪摆回两行水稻之间。

  第四红外传感器检验测试到有物体进入检验测试范围，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。第二红外传感器检验测试到有物体进入检验测试范围，第二步进电机正转，株间除草爪摆回两行水稻之间。

  3、本发明的两个行进轮由两个步进电机分别控制；通过差速，可实现小半径转弯，灵活方便。

  4、本发明的行间除草机构的两个除草爪的旋向相反。能够抵消除草爪旋转所带来的扭矩，提高了机构行进的稳定性。

  5、本发明的株间除草机构能够定角度左右摆动，确保清除株间杂草时不会伤害到水稻。

  6、本发明行进轮外圈上的行进板呈鸭子脚蹼的形状，克服了普通车轮难以在水田中稳定前进的缺陷。

  7、本发明浸在水田中的底部封闭且行进轮外圈上的行进板为宽板，能够有效利用浮力避免行进轮陷入淤泥。

  如图1、2、3和4所示，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40、摄像头41和红外传感器组。机架40的前端呈圆弧状。机架40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。前底板与中底板通过第一连接板连接；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。摄像头41固定在机架40前端，摄像头41中心轴线所示，行进机构包括第一步进电机1、电机座2、第一齿轮3、第二齿轮4、第一轴套5、轮轴6和行进轮7。电机座2和两个第一轴套5均固定在机架40上。两个第一步进电机1均固定在电机座2上；两个第一步进电机1的输出轴上均固定有第一齿轮3。两根轮轴6与两个第一轴套5分别构成转动副。两根轮轴6同轴设置，相对端与两个第二齿轮4分别固定，相背端与两个行进轮7分别固定。行进轮7外圈沿周向均布有五块行进板；行进板为平板，且宽度比行进轮7外圈宽度大20mm。两个第一齿轮3与两个第二齿轮4分别啮合。

  如图1和3所示，行间除草机构包括第一直流电机8、齿轮箱9、第三齿轮10、第四齿轮11、第五齿轮12、第六齿轮13、第七齿轮14、第八齿轮15、第九齿轮16、第一传动轴17、第二传动轴18、第三传动轴19、第二轴套20、行间除草轴21和行间除草爪22。齿轮箱9和两个第二轴套20均固定在机架40上。第一直流电机8固定在齿轮箱9上。两根行间除草轴21与两个第二轴套20分别构成转动副；两根行间除草轴21的上端均固定有第九齿轮16，下端均固定有行间除草爪22。第一传动轴17、第二传动轴18和第三传动轴19均与齿轮箱构成转动副。第四齿轮11及第五齿轮12均固定在第一传动轴17上。第六齿轮13及第七齿轮14均固定在第二传动轴18上；第八齿轮15固定在第三传动轴19上。第一直流电机8的输出轴上固定有第三齿轮10。第三齿轮10与第四齿轮11啮合；第五齿轮12与第六齿轮13啮合；第八齿轮15及一个第九齿轮16均与第七齿轮14啮合；另一个第九齿轮16与第八齿轮15啮合；第七齿轮14和第八齿轮15的齿数相等。

  如图1和4所示，株间除草机构包括第二直流电机23、第十齿轮24、第十一齿轮25、第四传动轴26、第一带轮27、支承盒28、摆动中心轴29、第二步进电机30、第十二齿轮31、第十三齿轮32、支座33、摆动臂34、第二带轮35、摆动盒36、传动带37、株间除草轴38和株间除草爪39。第二步进电机30和支座33均固定在机架40上。第二步进电机30的输出轴上固定有第十二齿轮31；摆动中心轴29与支座33构成转动副；第十三齿轮32及支承盒28均与摆动中心轴29固定。第十二齿轮31与第十三齿轮32啮合。第二直流电机23固定在支承盒28上；第二直流电机23的输出轴上固定有第十齿轮24；第四传动轴26与支承盒28构成转动副；第四传动轴26上固定有第十一齿轮25及第一带轮27；第十齿轮24与第十一齿轮25啮合；摆动臂34的一端与支承盒28固定，另一端与摆动盒36固定；株间除草轴38与摆动盒36构成转动副；株间除草轴38的上端固定有第二带轮35，下端固定有株间除草爪39。传动带37套在第一带轮27与第二带轮35上。

  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。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。第一红外传感器固定在机架40的左侧；第二红外传感器固定在机架40的右侧。第三红外传感器及第四红外传感器均固定在摆动盒36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mm，红外光发射方向均与机架40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mm；第二红外传感器与第四红外传感器位于同侧，中心轴线mm。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。

  工作状态下，行进轮7、后底板、行间除草爪22及株间除草爪39均与水田中淤泥接触。

  两个第一步进电机1带动两个行进轮7转动，通过摄像头41拍摄的图像控制两个第一步进电机1的转速差，调整行进方向，使行进轮7保持在行间行走。同时，第一直流电机8带动两个行间除草爪22转动；两个行间除草爪22的转向相反，清除两行水稻之间的杂草。行进过程中，机架40的后底板将被行间除草爪22翻起的淤泥压平。

  第二直流电机23带动株间除草爪39转动。根据红外传感器组的检测结果，第二步进电机30带动株间除草爪39向左侧或向右侧摆动至两株水稻之间清除杂草；株间除草爪39在碰到水稻前，摆回两行水稻之间，从而避免伤害水稻。

  步骤一、摄像头每秒拍摄一次前方照片，得到采样图像。一株水稻苗对应一个绿色像素群，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十个采样点。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：

  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：

  其中，pwm1k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；pwm1k-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，0＜a＜100。

  第三红外传感器检验测试到有物体进入检验测试范围，第二步进电机23正转，带动株间除草爪39向左摆动至两株水稻之间清除杂草。第一红外传感器检验测试到有物体进入检验测试范围，第二步进电机23反转，株间除草爪39摆回两行水稻之间。

  第四红外传感器检验测试到有物体进入检验测试范围，第二步进电机23反转，带动株间除草爪39向右摆动至两株水稻之间清除杂草。第二红外传感器检验测试到有物体进入检验测试范围，第二步进电机23正转，株间除草爪39摆回两行水稻之间。