一种智能除草机器人及除草控制方法与流程

本发明属于园林机械与智能农业装备，具体涉及一种智能除草机器人及除草控制方法。

背景技术：

1、除草作业是园林绿化、果园管理、农田维护中的基础环节，除草机器人可替代人工完成大面积除草作业，大幅提升作业效率，降低劳动强度。现有除草设备主要分为手推式小型除草机与大型自动驾驶除草机器人两类，但在实际应用中均存在明显缺陷，无法兼顾复杂地形适应性、作业安全性与智能化水平：

2、传统手推式除草机依靠人力推行与操控，仅适合小面积平整草坪作业，面对果园、坡地等复杂地形时，操作人员劳动强度极大，作业效率低下；且除草高度完全依赖人工手感控制，除草均匀度差，刀片易磕碰地面石块造成崩损，高速旋转的外露刀片易甩出碎石，作业安全性不足。

3、现有大型自动驾驶除草机器人多为轮式或履带式重型结构，仅适合大面积平整农田作业，无法适配果园行间、山地坡地、庭院边角等狭窄复杂地形；且整体体积大、转向半径大，精细化除草能力弱，容易误伤经济作物，无法满足小范围、高精度的除草需求。

4、多数除草设备的除草刀片直接外露，无防护结构，作业中碎石、杂物易被刀片高速甩出，存在安全隐患；同时刀片高度调节机构简陋，无法根据地形实时贴合地面，遇到凸起地形时刀片易撞击地面发生卷刃、断裂，遇到凹陷地形时除草不彻底，作业质量波动大。

5、针对上述技术缺陷，本发明提出一种智能除草机器人及除草控制方法，通过优化整机结构布局、设置带保护盘的除草机构与浮动辅助轮结构，配合智能分级控制方法，解决现有除草设备地形适应性差、刀片损耗快、智能化程度低、作业安全性不足的技术问题。

技术实现思路

1、针对上述背景技术所提出的问题，本发明的目的是：旨在提供一种智能除草机器人及除草控制方法，本方案的控制方法依次包括环境信息采集与路径规划、行走驱动与转向控制、除草参数匹配调节、实时除草作业、分级安全防护步骤。本发明可提升复杂地形适应性与除草均匀度，降低刀片损耗，实现高效、安全的智能化除草作业，适用于果园行间、园林绿化、庭院草坪等多种场景

2、为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种智能除草机器人，包括发动机组件、底盘、除草机构、行走机构与操控组件；

4、所述行走机构包括驱动轮与转向轮，所述驱动轮对称设置于底盘后部的左右两侧，所述转向轮对称设置于底盘前部的左右两侧，所述除草机构设于底盘的中部下方；

5、所述除草机构包括除草刀片、刀片保护盘与转轴，所述发动机组件固定于底盘后部，所述发动机组件分别与行走机构、除草机构传动连接；

6、所述操控组件包括座椅与操纵杆，所述座椅固定于底盘上部的后侧区域，所述操纵杆设于座椅的侧部并与行走机构、除草机构的控制端相连，所述底盘的前部下方、除草机构的前侧设有除草辅助轮，所述发动机组件与除草机构之间通过传动带传动连接。

7、进一步限定，所述驱动轮的直径大于转向轮，两个驱动轮分别通过轮轴支座铰接于底盘后部的左右两侧，所述转向轮为万向转向轮，两个转向轮分别通过转向支架铰接于底盘前部的左右两侧，转向支架的上端与操纵杆的转向控制端联动连接。

8、进一步限定，所述转轴竖直穿设于除草刀片和刀片保护盘的中心处，所述转轴的上端通过带轮与传动带相连；

9、所述除草刀片设有多片，多片除草刀片沿刀片保护盘的周向均匀固定于刀片保护盘的下表面，刀片保护盘的外径大于所有除草刀片的旋转外径。

10、进一步限定，所述传动带沿底盘的纵向布置，传动带的后端套接于发动机组件输出轴；

11、所述除草辅助轮设有五个，对称布置于除草机构的左右两侧和前侧，所述除草辅助轮连接于底盘的下表面，用于支撑除草机构并贴合地面限定除草高度。

12、进一步限定，所述座椅为靠背式座椅，座椅的靠背向上延伸形成背部支撑结构，所述操纵杆设有两根，分别设于座椅的左右两侧。

13、一种智能除草机器人的除草控制方法，包括如下步骤：

14、s1通过设置于底盘前端的感知单元采集作业区域的地形起伏、障碍物位置与杂草分布信息，识别划分杂草密度等级，结合地形与避障要求生成覆盖全部作业区域的全局除草路径；

15、s2根据生成的全局除草路径，通过发动机组件调节驱动轮的输出转速以控制机器人行驶速度，通过转向控制机构调节转向轮的偏转角度以控制机器人行驶方向，使机器人沿规划路径连续行驶；

16、s3根据作业区域的杂草类型与生长高度，通过高度调节支臂调整除草机构的基础离地高度，根据路径上的杂草密度等级，匹配调节除草刀片的旋转转速，使除草强度与杂草工况相适配；

17、s4机器人沿规划路径行驶过程中，转轴带动除草刀片持续旋转切割地面杂草，刀片保护盘随转轴同步转动并遮挡切割产生的飞溅碎石与杂物，除草辅助轮随地面起伏浮动，实时维持除草高度的稳定性；

18、s5作业全程实时采集除草刀片转速、发动机组件负载、前方障碍物距离状态参数，识别判断异常工况等级，对应执行分级安全处理策略。

19、进一步限定，所述s1具体包括如下子步骤：

20、s11通过设于底盘前端的感知单元，采集作业区域的地形坡度、地面凸起凹陷、石块与固定障碍物的位置信息，构建作业区域地形障碍物地图；

21、s12通过感知单元拍摄地面图像，经图像识别算法区分杂草与作物，划分高密度、中密度、低密度三个杂草等级，标记各等级杂草的分布区域；

22、s13基于全覆盖蛇形路径规划算法，结合地形障碍物地图与杂草分布区域，优先覆盖高密度杂草区域，同时预留障碍物安全避让距离，生成最终的全局除草作业路径。

23、进一步限定，所述s2具体包括如下子步骤：

24、s21根据规划路径上对应区域的杂草密度等级，对应输出不同的发动机组件转速指令，调节驱动轮的线速度，杂草密度越高则行驶速度越低；

25、s22当机器人行驶至路径拐点时，根据拐点曲率计算转向轮目标偏转角度，控制转向拉杆带动转向支架偏转，完成转向后自动回正转向轮；

26、s23当感知单元检测到作业坡面坡度大于设定阈值时，自动降低行驶速度并提升发动机组件输出扭矩，增强驱动轮抓地力，防止打滑溜坡。

27、进一步限定，所述s3与s4具体包括以下子步骤：

28、s31作业启动前，根据目标杂草的根茎深度与生长高度，手动或自动调节除草辅助轮的高度调节支臂，设定除草机构的基础离地高度；

29、s32根据路径对应区域的杂草密度等级，匹配设置除草刀片的目标转速，高密度杂草对应高转速，低密度杂草对应低转速，转速与行驶速度联动匹配；

30、s41机器人行驶过程中，发动机组件通过传动带带动转轴与除草刀片持续旋转，对路径范围内的杂草进行连续切割；

31、s42作业过程中除草辅助轮始终贴合地面，随地面凹凸起伏带动除草机构上下浮动，动态维持除草刀片的离地高度稳定。

32、进一步限定，s5包括如下子步骤：

33、s51实时采集除草刀片实时转速、发动机组件工作负载、前方障碍物距离运行参数；

34、s52将异常工况划分为轻度异常与重度异常，发动机组件轻微过载、远处障碍物判定为轻度异常，除草刀片卡滞骤降转速、近距离障碍物判定为重度异常；

35、s53轻度异常时，降低机器人行驶速度并发出声光提示，持续监测状态变化；重度异常时，立即切断除草机构的动力传输，抬升除草机构，同时控制机器人停机并触发报警信号。

36、本发明的有益效果：

37、本发明的整机结构紧凑、转向半径小，可在果园行间、庭院边角等狭窄区域灵活作业；后驱大直径驱动轮抓地力强，配合后置重心布局，可适应山地坡地、颠簸草坪等复杂地形，相比大型除草机器人场景适配性显著提升。

38、此外，除草辅助轮可随地面起伏自适应浮动，使除草刀片保持稳定的离地高度，除草深度均匀一致，避免漏草与刀片磕碰地面；刀片保护盘可阻挡碎石飞溅，既提升作业安全性，又减少杂物对刀片的冲击。

39、通过将行走速度与刀片转速联动匹配，根据杂草密度自适应调节，高密度区域低速高转速保障除草效果，稀疏区域高速低转速降低能耗，综合作业效率提升，单位面积能耗显著降低。此外，针对刀片卡滞、障碍物、发动机过载等不同异常工况，执行分级处理策略，既避免频繁停机影响作业效率，又能在重度异常时快速保护设备，减少故障损失，设备运行可靠性与安全性大幅提升。