CN108901361B - 一种采茶无人机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采茶无人机，属于农业机械采摘技术领域，包括无人机本体和设置在无人机本体底部的剪切装置与集叶装置，剪切装置包括固定在无人机主体底部的筒体、固定在筒体底端的快门式剪切机构以及驱动快门式剪切机构进行剪切动作的第一致动器；集叶装置位于筒体内，其包括固定在无人机主体底部的支架、安装在支架上且用于产生负压的风扇以及设置在风扇下方的采集网；采集网通过循环机构可活动地安装在支架上，在采集网的可活动区域沿活动方向两端设有收集区域。该采茶无人机不仅能适应不同的地形，并且通过快门式剪切机构能将进入切割区域的茶叶有效切割下来，而不出现遗漏现象，保证了茶叶的产量。

Description

一种采茶无人机

技术领域

本发明涉及农业机械采摘技术领域，具体地说，涉及一种采茶无人机。

背景技术

中国是一个农业大国，茶叶种植是其中的一项重要产业。茶叶的采摘，自古以来都是人工双手进行采摘，从一开始的用手指甲掐断到后来采用剪刀剪断来实现茶叶采摘，可想而知，人工采摘茶叶不仅工作量大，效率低，而且不管是用手指甲还是使用剪刀，都容易对采茶工人的手造成一定程度的伤害。

随着机械自动化的发展，采茶工具也向自动化发展。首先出现的是半自动化的采茶机械，一般为背负式和单人或双人的手抬式，其动力系统只供给采摘机构和鲜叶收集机构，而移动靠操作人员步行。这样既影响作业效率又不能保证茶叶质量的稳定性(由于人的疲劳而导致的采摘高度波动，从而引起茶叶质量的不稳定)，同时又使得机器操作人员容易疲劳不能长时间连续作业。

针对这样的问题，结合茶园的地形和种植特征，公告号为CN203194156U的实用新型专利公开了一种跨行自走乘坐式采茶机，其包括采茶机构，用于收集该采茶机构采摘得的茶叶的茶青收集机构、呈“冂”形的机架、连接在该机架底部的橡胶履带式液压底盘、适于沿着机架内侧升降的升降架、以及固定在机架上的座椅；采茶机构和茶青收集机构设于升降架上。采茶机构设于机架的前方，该采茶机构包括：一对呈“^”形分布的、适于实现双斜坡采摘的螺旋滚切式的切割器。其全程作业由驾驶员一人操作，作业稳定性、连续性好，操作简单灵活、省时省力。

虽然该采茶机能节省人工劳动力，但其受地形的影响较大，在坡度较大或凹凸不平的山地上行走不稳定，容易出现翻车，给采茶作业造成损失。公布号为CN106612944A的发明专利文献公开了一种便携式的多旋翼无人机轻修整结构，包括支架，在两个支架之间设置有一个矩形的集叶装置，结业装置的八个角分别与支架固定，在支架的底部还设置有一个采茶机构，采茶机构包括切割机构与风机，风机位于切割机构与矩形集叶装置之间，且切割机构的切割口与矩形集叶装置的袋口相通。

该发明虽然有效解决了地形对采茶造成的困难，但是，该发明的切割机构并不能保证将茶叶割下，只有在刀片足够锋利并且切割动作足够迅速的情况下才能将进入切割机构的部分茶叶切割下，这样降低了茶叶的产量。

发明内容

本发明的目的为提供一种采茶无人机，该采茶无人机不仅能适应不同的地形，并且能将进入切割区域的茶叶有效切割下来，而不出现遗漏现象，保证了茶叶的产量。

为了实现上述目的，本发明提供的采茶无人机包括无人机本体和设置在无人机本体底部的剪切装置与集叶装置，剪切装置包括固定在无人机主体底部的筒体、固定在筒体底端的快门式剪切机构以及驱动快门式剪切机构进行剪切动作的第一致动器；集叶装置位于筒体内，其包括固定在无人机主体底部的支架、安装在支架上且用于产生负压的风扇以及设置在风扇下方的采集网；采集网通过循环机构可活动地安装在支架上，在采集网的可活动区域沿活动方向两端设有收集区域。

上述技术方案中，快门式剪切机构的机械原理和相机快门打开关闭的原理相同，唯一的不同是将普通快门的塑料片更换为具有切割能力的刀片。该快门式剪切机构可以实现茶树顶部茶叶的精确剪切，并将茶叶留在剪切机构内部，通过风扇的负压将茶叶吸附到采集网上，接着在循环机构的作用下送到收集区域，并在重力作用下掉落到收集区域内，实现茶叶的收集，接着准备进行下一步的采集。保证将茶叶进行有效采摘。

具体的方案为筒体内部设有两块隔板，两隔板之间形成采集通道，支架位于采集通道的顶部；两隔板的外侧形成收集区域。

另一个具体的方案为支架包括支杆和固定在支杆底端且用于支撑采集网的底板，底板的中心设有通风通道，风扇设于通风通道的上方。

更具体的方案为循环机构包括安装在底板两侧边上的齿轮、贴合在采集网上的齿条以及驱动采集网绕两齿轮循环转动的第二致动器。

齿条与齿轮啮合，通过第二致动器驱动齿轮转动，从而带动齿条活动，同时，带动采集网绕底板循环转动，当吸附在采集网上的茶叶被带动到收集区域时，在重力的作用下，茶叶掉落到收集区域内进行收集。

更具体的方案为底板上还设有两个顶端重合的支板，循环机构还包括设置在重合端的支撑齿轮。

底板与两支板构成一三棱柱，三棱柱的三条侧边上均安装齿轮，使采集网绕整个三棱柱循环转动。

另一个具体的方案为收集区域内设有将采集网上的茶叶扫落到收集区域的毛刷。

毛刷可以将采集网在循环过程中没有自动掉落的茶叶清扫到收集区域。

另一个具体的方案为快门式剪切机构包括带有斜槽的上层板、具有凹槽的下层板以及设置在上层板和下层板之间的若干刀片，刀片上设有与斜槽和凹槽配合的凸轴；上层板通过连接板固定到无人机主体的底部，下层板与筒体固定，第一致动器驱动筒体转动从而带动下层板转动。

第一致动器驱动筒体转动，从而带动快门式剪切机构的下层板转动，使刀片受到上层孔板斜槽边沿的力并沿下层孔板的凹槽运动，最终实现刀片相互之间的闭合，产生足够的剪切力完成茶叶剪切。

再一个具体的方案为筒体为圆柱形，并通过有机玻璃制成。圆柱形的筒体更适合旋转。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的采茶无人机不仅能适应不同的地形，并且通过快门式剪切机构能将进入切割区域的茶叶有效切割下来，而不出现遗漏现象，保证了茶叶的产量。

附图说明

图1为本发明实施例的采茶无人机的整体机构示意图；

图2为本发明实施例的集叶装置的仰视图；

图3为本发明实施例的剪切装置的仰视图；

图4为本发明实施例的快门式剪切机构的剪切运动过程图，其中，(a)为快门式剪切机构打开状态图，(b)为快门式剪切机构慢慢闭合的状态图，(c)为快门式剪切机构完全闭合的状态图；

图5为本发明实施例的采茶无人机在准备剪切时与目标茶叶的相对位置；

图6为本发明实施例的采茶无人机在进行剪切时与目标茶叶的相对位置；

图7为本发明实施例的采茶无人机在进行茶叶收集时的状态图；

图8为本发明实施例的采茶无人机的左侧收集区域的收集过程图；

图9为本发明实施例的采茶无人机的右侧收集区域的收集过程图；

图10为本发明实施例的支架的三视图，其中，(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为俯视图。

图中各附图标记为：1、无人机主体；2、快门式剪切机构；3、风扇；4、支架；41、支杆；42、底板；43、支板；5、塑料齿轮；6、舵机；7、毛刷；8、齿条；9、采集网；10、收集区域；11、采集通道；12、圆柱形筒体；13、隔板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1至图3，本实施例的采茶无人机包括无人机主体1，无人机主体1的底部设有剪切装置与集叶装置。

剪切装置的整体是一个圆柱形筒体12，圆柱形筒体12的材质是有机玻璃，顶部通过螺钉螺栓与无人机主体1相连、底部连接有快门式剪切机构2，另外剪切装置整个剪切的过程由第一致动器驱动，第一致动器为舵机6。

快门式剪切机构2包括带有斜槽的上层板、具有凹槽的下层板以及设置在上层板和下层板之间的若干刀片，刀片上设有与斜槽和凹槽配合的凸轴。上层板通过连接板固定到无人机主体1的底部，下层板与圆柱形筒体12固定。

快门式剪切机构2的机械原理和相机快门打开关闭的原理相同，唯一的不同是将普通快门的塑料片更换为具有切割能力的铁质刀片。该剪切机构可以实现茶树顶部茶叶的精确剪切，并将茶叶留在剪切机构内部准备进行下一步的采集。通过无人机飞行控制系统控制舵机6驱动圆柱形筒体12转动，从而带动快门式剪切机构2的下层板转动，使刀片受到上层孔板的斜槽边沿的力并沿下层孔板的凹槽运动，最终实现刀片相互之间的闭合，产生足够的剪切力完成茶叶剪切(剪切运动过程可参考图4)。

集叶装置包括支架4、风扇3、塑料齿轮5、毛刷7和采集网9。圆柱形筒体12内部设有两块隔板13，两隔板13之间形成采集通道11，支架4位于采集通道11的顶部；两隔板13的外侧形成收集区域10。

关于集叶装置各组分的功能，风扇3可以产生负压，将切割完成的茶叶吸附到采集网9上；风扇3、塑料齿轮5都由支架4进行固定。支架4与无人机主体1连接，整体的三视图如图10所示，包括支杆41、底板42和两支板43，底板42与两支板43构成一三棱柱，三棱柱的三条侧边上均安装塑料齿轮5，采集网9上设有与塑料齿轮5啮合的齿条8，使采集网9绕整个三棱柱循环转动。将采集网9收集到的茶叶传动到收集区域10，并利用重力使其掉落在收集区域10。毛刷7可以将传动过程中没有自动掉落的茶叶清扫到收集区域10。

齿条8是位于采集网中间的塑料窄带，起到将采集网9与齿轮5啮合的功能。采集网9为轻质绳网，表面具有一定的黏性，能保证茶叶在负压条件下的吸附；收集区域10用于收获掉落以及毛刷7扫落的茶叶，由于收集区域10分布在两侧，考虑到平衡问题，会适当改变传动方向，完成收获，另外在两侧设置重力传感器，保证茶叶的重量不超出无人机所能承受的最大重量；采集通道11通过风扇3产生的负压以及采集网9的黏性，将剪切完成的茶叶吸附到采集网9上完成采集。

本实施例的工作过程如下：

1、采茶无人机对茶园中的茶树进行位置高度信息获取，并对茶树上的嫩芽进行精确的识别，完成嫩芽的位置高度信息获取，将信息传输到终端。开始工作时，终端发送信息给采茶无人机，采茶无人机根据定位信息悬停在茶树顶梢上方3-5cm处，并通过获取的嫩芽位置进行无人机位置调整，使无人机悬停在目标茶叶的上方，如图5所示。

2、控制快门式剪切机构2完全打开，无人机缓慢下降并在一定位置(8-10cm左右)悬停，使顶梢的目标茶叶完全进入剪切装置内部，保证其他不再目标范围内的茶叶不进入剪切装置内部，并使剪切平面与需要剪切的茎平面平行，准备开始剪切，如图6所示。

3、飞行控制系统控制舵机6使整个剪切装置绕中心轴顺时针旋转，带动快门式剪切机构2的下层板顺时针转动，快门逐渐闭合并最终实现茶叶枝条的剪切，并使已经完成剪切的茶叶留在剪切装置内

4、电机控制风扇3转动，剪切后的茶叶通过风扇3产生的负压被吸附到采集网9上，如图7所示。保持风扇3处于打开状态，继续进行茶叶剪切和吸附，同时通过塑料齿轮5带动整个采集网9转动，将吸附在采集网9上的茶叶从采集通道11上方移动到收集区域10，由于收集区域10为无负压区域，因此茶叶会由于重力自动掉落到收集区域10中，而部分没有掉落的茶叶可以通过毛刷7刷落到收集区域10，如图8所示。

5、为了保证整个装置的平衡，使采集网9移动的方向随时间进行改变，设置一定的时间间隔，在奇数时间间隔内采集网9顺时针运动，收集区域10的左侧进行收集，在偶数时间间隔内采集网9逆时针转动，收集区域10的右侧进行收集，如图9所示。

6、重复上述步骤，直至收集区域10两侧的重力传感器感应到茶叶的重量达到无人机所能承受的临界值，完成整个茶叶的剪切收获过程。

Claims (6)

1.一种采茶无人机，包括无人机本体和设置在所述无人机本体底部的剪切装置与集叶装置，其特征在于：

所述剪切装置包括固定在所述无人机主体底部的筒体、固定在所述筒体底端的快门式剪切机构以及驱动所述快门式剪切机构进行剪切动作的第一致动器；

所述集叶装置位于所述筒体内，其包括固定在所述无人机主体底部的支架、安装在支架上且用于产生负压的风扇以及设置在所述风扇下方的采集网；所述采集网通过循环机构可活动地安装在所述支架上，在所述采集网的可活动区域沿活动方向两端设有收集区域；所述的收集区域内设有将采集网上的茶叶扫落到收集区域的毛刷；

所述的筒体内部设有两块隔板，两隔板之间形成采集通道，所述的支架位于采集通道的顶部；两隔板的外侧形成所述的收集区域。

2.根据权利要求1所述的采茶无人机，其特征在于：

所述的支架包括支杆和固定在支杆底端且用于支撑所述采集网的底板，所述底板的中心设有通风通道，所述的风扇设于通风通道的上方。

3.根据权利要求2所述的采茶无人机，其特征在于：

所述的循环机构包括安装在所述底板两侧边上的齿轮、贴合在所述采集网上的齿条以及驱动所述采集网绕两齿轮循环转动的第二致动器。

4.根据权利要求3所述的采茶无人机，其特征在于：

所述的底板上还设有两个顶端重合的支板，所述的循环机构还包括设置在重合端的支撑齿轮。

5.根据权利要求1所述的采茶无人机，其特征在于：

所述的快门式剪切机构包括带有斜槽的上层板、具有凹槽的下层板以及设置在所述上层板和下层板之间的若干刀片，所述刀片上设有与所述斜槽和所述凹槽配合的凸轴；

所述上层板通过连接板固定到所述无人机主体的底部，所述下层板与所述筒体固定，所述第一致动器驱动所述筒体转动从而带动所述下层板转动。

6.根据权利要求1所述的采茶无人机，其特征在于：

所述的筒体为圆柱形，并通过有机玻璃制成。

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