一种跨垄式多维可调中药材激光除草机及其作业方法

本申请涉及激光除草，特别是涉及一种跨垄式多维可调中药材激光除草机及其作业方法。

背景技术：

1、目前，中药材种植以丘陵山区为主，受种植地形限制，田间除草以人工为主，管理条件艰苦，不仅劳动强度大、效率低，还会因过度踩踏造成土壤板结、破坏植株生长环境。同时，传统化学除草方式虽然省工，但药害风险高，容易污染土壤和水源，影响中药材的药效成分与生态环境安全。激光除草作为新兴绿色技术，具有精准、高效、无残留的优势，能够在不接触药材植株的情况下定点清除杂草，减少药害和环境污染风险。尤其在丘陵山区地形复杂、机械难以大规模进入的条件下，小型激光除草设备灵活机动，适合小范围、精细化作业，有助于减轻农户劳动力负担，提升除草效率和中药材品质。其应用不仅有利于实现丘陵山区药材生产的绿色化和现代化，还能促进生态保护与产业可持续发展，具有显著的现实必要性与长远价值。

2、然而，现有正在研发的激光除草机器人主要针对大田作业场景，而中药材种植存在品种多、农艺杂等特点，其在适用性方面无法满足中药材种植。因此，根据中药材种植需求，研发一种跨垄式丘陵山地中药材激光除草机器人，同时具备垄间距和整机高度自适应调整技术，以满足不同中药材种植需求，具有很好的现实生产意义。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种跨垄式多维可调中药材激光除草机及其作业方法，可适应丘陵山区起伏地形和不同中药材品种垄宽差异，同时避免离地间隙与跨垄宽度调节相互干涉。

2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

3、第一方面，本申请提供了一种跨垄式多维可调中药材激光除草机，包括：左侧行走部件、右侧行走部件和中部件，所述中部件跨设于所述左侧行走部件与所述右侧行走部件之间；

4、所述左侧行走部件和所述右侧行走部件均设有行走本体、支撑架和竖向调节组件；所述竖向调节组件安装于所述支撑架上，且具有可沿竖直方向往复运动的升降输出端；

5、所述中部件包括主机架、激光作业单元和横向伸缩机构；所述激光作业单元安装于所述主机架上；所述主机架的左端通过左竖向滑移副与所述左侧行走部件的升降输出端连接，所述主机架的右端通过右竖向滑移副与所述右侧行走部件的升降输出端连接；

6、所述横向伸缩机构安装于所述主机架的下方，两端分别与所述左侧行走部件和所述右侧行走部件连接；所述横向伸缩机构在水平方向上伸缩以改变所述左侧行走部件与所述右侧行走部件之间的跨垄间距；

7、所述竖向调节组件对所述主机架左端和右端的升降驱动与所述横向伸缩机构对所述跨垄间距的改变在运动自由度上相互解耦，使离地间隙的调节与跨垄宽度的调节互不干涉。

8、第二方面，本申请提供了一种跨垄式多维可调中药材激光除草机的作业方法，应用于上文所述的跨垄式多维可调中药材激光除草机，包括：

9、获取输入的调整量；所述调整量为田间实际垄宽与设备固有宽度之差；

10、根据所述调整量计算第一伺服电机的所需旋转圈数，并向所述第一伺服电机发送驱动指令以调节跨垄宽度，调节完成后接收输入的确认信号，并存储调节后的实际跨垄宽度；

11、设备进入田间后，获取双目相机采集的前方地形图像，根据所述地形图像生成三维点云，并沿设备前进方向将相机视野划分为若干个断面区域；

12、从所述三维点云中提取各所述断面区域内土壤表面点的高度值并计算平均值作为各所述断面区域的断面高度；

13、计算相邻断面高度之间的差值作为断面高度变化量；

14、获取当前底盘速度，根据当前底盘速度和所述断面高度变化计算下一时刻所需的高度调节量并生成高度调节指令，驱动竖向调节组件动作以实现离地间隙的动态预调节；

15、根据所述实际跨垄宽度w和所述田间实际垄宽w，计算并行作业的垄区数量n，其中n=w/w；

16、将所述双目相机的视野沿垂直于前进方向均匀划分为n个并行作业区并记录各作业区的垄区编号；

17、对各所述作业区分别执行杂草目标检测、三维定位和作业排序，并控制振镜在n个作业区之间依次切换且在每个杂草目标的打击点发射激光以打击杂草；其中，在计算各所述作业区内杂草目标的高度时，以对应位置的断面高度作为地面参考零点，将杂草目标相对于所述断面高度的高度值作为杂草高度参与作业排序。

18、根据本申请提供的具体实施例，本申请具有以下技术效果：

19、本申请提供了一种跨垄式多维可调中药材激光除草机及其作业方法，本申请通过在左右行走部件上分别设置竖向调节组件，使主机架的左右两端可独立升降，能够根据丘陵山区的起伏地形实时调节主机架各侧的高度，保证主机架在不同地形条件下保持合适的离地高度和水平姿态。由此，设备在不平整的丘陵山地上仍能稳定行走和作业，无需人工下地踩踏，避免了对土壤的反复碾压和板结，也避免了人工除草过程中对药材植株根茎和枝叶的意外损伤，有利于保护植株生长环境和土壤生态。本申请通过横向伸缩机构在水平方向上的伸缩，能够根据田间实际垄宽实时调整左侧行走部件与右侧行走部件之间的跨垄间距，适应不同中药材品种因农艺要求不同而产生的垄宽差异（从窄垄到宽垄均可覆盖），从而解决了现有设备垄宽固定、无法适配中药材多品种种植模式的局限性，使同一台设备可在不同中药材种植地块间快速切换作业，具有良好的通用性和场地适应性。本申请通过将竖向调节组件集成于左右行走部件上、将横向伸缩机构集成于主机架下方，并使主机架的左右两端分别通过竖向滑移副与左右行走部件的升降输出端连接，使得竖向调节（离地间隙调整）与横向伸缩（垄宽调整）在运动自由度上相互解耦。操作人员可单独调整离地间隙以适应地形起伏，或单独调整跨垄宽度以适应垄宽变化，任一维度的调整均不会影响另一维度的已调定状态，无需反复交替校准，显著简化了调节操作，提高了田间作业效率。本申请将整机划分为左侧行走部件、右侧行走部件和中部件三大模块，各模块功能明确、接口清晰，可独立装配、拆卸和更换。当某个模块出现故障时，可在田间现场单独拆换该模块，无需整机返厂，降低了维护难度和停机时间，更适合丘陵山区偏远地块的作业保障需求。

1.一种跨垄式多维可调中药材激光除草机，其特征在于，包括：左侧行走部件、右侧行走部件和中部件，所述中部件跨设于所述左侧行走部件与所述右侧行走部件之间；

2.根据权利要求1所述的跨垄式多维可调中药材激光除草机，其特征在于，所述竖向调节组件包括：竖直导轨、侧滑板和第二伺服电机；

3.根据权利要求2所述的跨垄式多维可调中药材激光除草机，其特征在于，所述主机架的左端和右端分别通过l型支架与对应侧的所述侧滑板固定连接，所述l型支架与所述侧滑板之间设有所述左竖向滑移副或所述右竖向滑移副，使所述主机架相对于所述侧滑板仅保留竖向相对自由度。

4.根据权利要求1所述的跨垄式多维可调中药材激光除草机，其特征在于，所述横向伸缩机构包括：菱形铰链组件、丝杠和第一伺服电机；

5.根据权利要求1所述的跨垄式多维可调中药材激光除草机，其特征在于，所述激光作业单元包括：激光发生器、控制单元、电源、振镜和双目相机；

6.一种跨垄式多维可调中药材激光除草机的作业方法，应用于权利要求1-5任一项所述的跨垄式多维可调中药材激光除草机，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的跨垄式多维可调中药材激光除草机的作业方法，其特征在于，设备进入田间后，获取双目相机采集的前方地形图像，根据所述地形图像生成三维点云，具体包括：

8.根据权利要求6所述的跨垄式多维可调中药材激光除草机的作业方法，其特征在于，获取当前底盘速度，根据当前底盘速度和所述断面高度变化计算下一时刻所需的高度调节量并生成高度调节指令，驱动竖向调节组件动作以实现离地间隙的动态预调节，具体包括：

9.根据权利要求6所述的跨垄式多维可调中药材激光除草机的作业方法，其特征在于，所述杂草目标检测和三维定位的方法包括：

10.根据权利要求9所述的跨垄式多维可调中药材激光除草机的作业方法，其特征在于，控制振镜在n个作业区之间依次切换且在每个杂草目标的打击点发射激光以打击杂草，具体包括：