一种水田株间锄草装置
阅读说明：本技术 一种水田株间锄草装置 (Paddy field inter-plant weeding device ) 是由 赖海林 马锃宏 杜小强 俞高红 于 2020-12-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及农业机械工程领域。目的是提供一种主动进入式水田株间锄草装置,该装置能够有效全覆盖株间锄草区域、改善锄草效果、降低锄草伤苗率,具有结构简单、运行平稳、可靠性高的特点。技术方案是：一种水田株间锄草装置,其特征在于：包括机架、固定在机架左右两侧的两个摆杆铰支架、分别铰接在两个摆杆铰支架上并可在竖直平面内摆动的两根摆杆、安装在机架上并施力于两根摆杆以驱动两根摆杆相互靠近或分开的驱动机构、分别固定在两根摆杆下端的两个锄草刀、安装在机架上以实时采集水田图像的相机以及控制锄草刀株间锄草运动的控制器。(The invention relates to the field of agricultural mechanical engineering. The purpose provides an initiative income formula paddy field inter-plant hoe device, and the device can effectively cover the inter-plant hoe region entirely, improve the effect of weeding, reduce the seedling rate of hindering of weeding, has simple structure, operates steadily, characteristics that the reliability is high. The technical scheme is as follows: the utility model provides a paddy field inter-plant weeding device which characterized in that: the weeding machine comprises a rack, two swing rod hinged supports fixed on the left side and the right side of the rack, two swing rods respectively hinged on the two swing rod hinged supports and capable of swinging in a vertical plane, a driving mechanism installed on the rack and applying force to the two swing rods to drive the two swing rods to mutually approach or separate, two weeding knives respectively fixed at the lower ends of the two swing rods, a camera installed on the rack and used for collecting paddy field images in real time and a controller used for controlling weeding movement between weeding knives.)
技术领域
本发明涉及农业机械工程领域，具体是一种水田株间锄草装置。
背景技术
水稻是中国种植面积最大的粮食作物。水稻生产过程中，水田杂草与水稻争夺生长资源，是造成水稻产量与质量下降的主要原因之一。机械锄草作为采用专用机具去除田间杂草的一种环保锄草方式，符合绿色生产生活需要，值得大力推广。
现有的用于锄草的机械根据其锄草作业覆盖区域可分为行间锄草机械和株间锄草机械。目前水田行间锄草机械应用较成熟，而株间锄草机械由于采用被动进入式，存在株间锄草区域覆盖小、锄草效率低下等问题，其实际应用还需完善，尤其是传感器与机械相结合实现的株间锄草机，存在驱动控制复杂的问题，机械运行与计算机模拟容易出现偏差，导致锄草可靠性低、伤苗率高的问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种主动进入式水田株间锄草装置，该装置能够有效全覆盖株间锄草区域、改善锄草效果、降低锄草伤苗率，具有结构简单、运行平稳、可靠性高的特点。
本发明提供的技术方案是：
一种水田株间锄草装置，其特征在于：包括机架、固定在机架左右两侧的两个摆杆铰支架、分别铰接在两个摆杆铰支架上并可在竖直平面内摆动的两根摆杆、安装在机架上并施力于两根摆杆以驱动两根摆杆相互靠近或分开的驱动机构、分别固定在两根摆杆下端的两个锄草刀、安装在机架上以实时采集水田图像的相机以及控制锄草刀株间锄草运动的控制器。
所述摆杆的中部与摆杆铰支架相铰接；所述驱动机构施力于摆杆的上端。
所述驱动机构包括设置在两根摆杆之间且与两根摆杆的内侧抵顶连接的凸轮、安装在机架上并驱动凸轮转动的伺服电机以及分别设置在两个摆杆外侧的两根压缩弹簧；所述压缩弹簧一端固定在摆杆铰支架上，另一端通过弹簧座组件与对应摆杆抵顶连接；所述压缩弹簧始终处于压缩状态，从而对摆杆施加朝向凸轮一侧的弹簧力。
所述弹簧座组件包括固定在压缩弹簧端部的弹簧座、固定在弹簧座上的插销以及可转动地定位在插销上并压紧摆杆外侧的橡胶滚子。
所述锄草刀包括固定在摆杆下端的刀盘以及均布在刀盘上的钢刷。
所述机架的前后侧分别固定有摆杆支撑板；每根摆杆的前后侧均固定有一个牛眼轴承；所述牛眼轴承的滚珠可在同侧摆杆支撑板的平面上进行滚动，以保证摆杆的摆动平面稳定。
所述控制器对相机实时采集输入的水田图像进行图像处理并计算出锄草刀与株苗的距离，从而实时控制调节伺服电机转速。
本发明的有益效果是：
1)通过主动控制使锄草刀进入相邻作物苗之间进行锄草，实现主动进入式锄草作业；另外，在进行锄草作业时，该锄草装置能够精确覆盖株间区域，实现株间锄草区域的完全覆盖和避免伤苗。
2)该锄草装置的凸轮轮廓曲线由作业平台预设的前进速度以及锄草刀的理想轨迹决定，并且在压缩弹簧的作用下，凸轮与摆杆始终压紧，使得锄草装置进行锄草作业时，伺服电机带动凸轮持续转动，进而带动摆杆摆动，可避开作物进行锄草作业，降低锄草伤苗率。
3)由于锄草刀在工作时会受到阻力作用，容易使摆杆前后晃动，因此，在每根摆杆的前后侧对向设置有牛眼轴承，并且牛眼轴承的滚珠与同侧的摆杆支撑板接触，可增加摆杆的稳定性，保证摆杆始终在竖直平面进行摆动，提高装置的使用寿命。
4)相机实时采集水田图像并输入控制器进行图像处理，控制器计算出锄草刀与当前株苗间距，根据间距计算凸轮理想转角，并与凸轮实际转角比较，实时控制调节伺服电机转速即凸轮转速，使锄草刀按照理想轨迹进行移动，且避免损伤作物，从而实现锄草刀株间锄草区域全覆盖和避苗。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图之一(闭合状态)。
图2是本发明的立体结构示意图之二(张开状态)。
图3是本发明所述弹簧座组件的局部结构示意图。
图4是本发明所述锄草刀的立体结构示意图。
图5是本发明所述牛眼轴承的立体结构示意图。
图6是本发明作业时锄草刀的理想轨迹示意图。
附图标号：
1、锄草刀；2、摆杆；3、摆杆铰支架；4、摆杆支撑板；5、弹簧；6、机架；7、弹簧座组件；8、凸轮；9、伺服电机；10、牛眼轴承；11、相机；12、插销；13、弹簧座；14、橡胶滚子；15、钢刷；16、刀盘；17、滚珠；18、锄草保护区。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例进一步说明。
如图1、图2所示的水田株间锄草装置，包括机架6、两个摆杆铰支架3、两根摆杆2、驱动机构、两个锄草刀1、相机11和控制器(图中未显示)。
所述机架搭载在外部作业平台(图中未显示)上，以带动锄草装置整体前进运动；两个摆杆铰支架通过螺钉固定在机架的左右两侧，便于锄草装置进行拆装；本实施例中，机架设置成门型，两个摆杆铰支架朝机架的门型空间内侧弯折。两根摆杆分别铰接在两个摆杆铰支架的弯折端，使摆杆可在竖直平面内进行摆动；本实施例中，摆杆的中部与摆杆铰支架相铰接，并且两个摆杆的摆动平面在同一平面内。
所述机架的前后侧分别固定有摆杆支撑板4；每根摆杆的前后侧均固定有一个牛眼轴承10；所述牛眼轴承的滚珠17可在同侧摆杆支撑板的平面上进行滚动，以避免摆杆在工作过程中前后晃动，保证摆杆的摆动平面稳定。
所述驱动机构安装在机架上并施力于两根摆杆(本实施例中，驱动机构施力于摆杆的上端)，以驱动两根摆杆相互靠近或分开。所述驱动机构包括凸轮8、伺服电机9、两根压缩弹簧5和两个弹簧座组件7。所述凸轮设置在两根摆杆之间，并且凸轮的两侧分别与两根摆杆的内侧抵顶连接；所述伺服电机安装在机架上，以驱动凸轮转动；两根压缩弹簧分别设置在两个摆杆的外侧(即摆杆远离凸轮的一侧)，其中，压缩弹簧一端固定在摆杆铰支架上，另一端通过弹簧座组件与对应的摆杆抵顶连接；所述压缩弹簧始终处于压缩状态，从而对摆杆施加朝向凸轮一侧的弹簧力，使弹簧座组件始终压紧摆杆，保证凸轮与摆杆接触紧密不会分离。
如图3所示，所述弹簧座组件包括弹簧座13、插销12和橡胶滚子14。所述弹簧座一端与压缩弹簧的端部固定连接，另一端插接固定有插销；所述橡胶滚子可转动地定位在插销上，并且在压缩弹簧的作用下始终与摆杆外侧压紧。工作时，凸轮转动，在压缩弹簧的弹簧力作用下，两根摆杆的上端始终与凸轮接触，从而使摆杆随凸轮的转动进行摆动；凸轮轮廓曲线是根据预设作业平台前进速度，然后基于锄草刀的理想轨迹设计的。
两个锄草刀分别固定在两根摆杆的下端；每个锄草刀均包括固定连接摆杆的刀盘16以及均布在刀盘上的钢刷15(见图4)。
所述相机安装在机架上；相机朝向锄草刀方向，以实时采集水田图像。
本发明的锄草装置在进行锄草作业时，锄草装置整体在外部作业平台的带动下前进，同时锄草刀随摆杆进行周期摆动，锄草刀的理想锄草轨迹如图6所示(图6中的箭头方向即为作业平台的前进方向)。这个理想的轨迹可分为前端曲线AB段、中间直线BC段、后端曲线CD段、后端直线DE段，并且每段线分别对应凸轮特定的转角范围，依次设为θ1、θ2、θ3、θ4，且θ1+θ2+θ2+θ4＝2π。设锄草刀的刀盘宽度为B，锄草保护区半径为R，相邻作物之间的株间距为L，则由图6所示的锄草刀位置移动轨迹分析可得，AB、BC、CD、DE段依次对应的锄草刀在前进方向上的移动距离为R、L-2R-B、R、B。根据作业平台前进运动与摆杆摆动运动对应凸轮转动的时间同步性可得：
式(1)中，ν1、ν2、v3、ν4分别为AB、BC、CD、DE段对应的作业平台平均前进速度，ω1、ω2、ω3、ω4分别为AB、BC、CD、DE段对应的凸轮旋转角的平均角速度。
锄草作业过程中，由于作业平台的前进速度会有变化，作物株间距也会因种植精度影响而变化，因此采用相机实时采集水田图像并输入控制器进行图像处理，然后控制器计算出锄草刀与当前株苗间距，根据间距计算凸轮理想转角，并与凸轮实际转角比较，实时控制调节伺服电机转速即凸轮转速，逐步实现如公式(1)所示各阶段的凸轮转角与锄草刀在前进方向移动距离之间的对应关系，使锄草刀沿着理想轨迹移动，最终实现锄草刀株间锄草区域全覆盖和避苗。
锄草装置作业时，伺服电机带动凸轮转动，相机实时采集水田图像并输入控制器进行图像处理，控制器计算出锄草刀于当前株苗间距，根据间距计算凸轮理想转角，并与凸轮实际转角比较，实时控制调节凸轮转速即伺服电机转速，使锄草刀沿着图6所示的锄草作业理想轨迹移动；当锄草刀在相邻两株作物(图6中的P点和Q点分别表示相邻两株作物的位置)中间时，两个锄草刀相互靠近呈闭合状态(见图1)；当锄草刀接近作物时，两个锄草刀沿着锄草保护区的圆形边界逐渐相互远离呈张开状态(见图2)，从而避开作物，最终实现锄草刀株间锄草区域全覆盖和避苗。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
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