CN109005997A - 基于自主导航的地空协同作业果园修剪机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自主导航的地空协同作业果园修剪机，其主要包括无人机、激光雷达、全液压自走式果园修剪机。首先无人机飞行实时获取果园路径图像，并将获取图像进行解析，利用信息传送技术传送到实时数据传输终端，通过导航路径规划、导航控制系统和执行机构控制全液压自走式果园修剪机进行修剪作业，并采用激光雷达对全液压自走式果园修剪机进行位姿估计和行走路线纠正，完成果树智能修剪作业。

Description

基于自主导航的地空协同作业果园修剪机

技术领域

本发明属于果园修剪机械的技术领域，具体涉及一种基于自主导航的地空协同作业果园修剪机。

背景技术

目前，我国林果产业已成为种植业中位列粮食、蔬菜之后的第三大产业，其栽植总面积和产量均占世界首位。近年来，林果产业的迅猛发展提升了果园机械的市场需求。果园修剪作业是林果生产全过程中的重要环节之一，季节性强，劳动密集，而人工修剪效率低、成本高等问题已成为制约林果产业健康发展的重要因素，亟待研发新的机械化修剪机具。因此，设计一种发展前景好，修剪效率高，智能化程度高，可实现连续性修剪作业的果园修剪机具有十分重要的意义。

发明内容

针对人工修剪效率低、成本高的问题，本发明设计一种基于自主导航的地空协同作业果园修剪机，其主要包括无人机、激光雷达、全液压自走式果园修剪机。首先无人机飞行获取果园实况图像，并将获取图像进行解析，利用信息传送技术传送到实时数据传输终端，通过导航路径规划、导航控制系统和执行机构控制全液压自走式果园修剪机进行修剪作业，并采用激光雷达扫描测距对全液压自走式果园修剪机进行位姿估计和行走路线纠正，完成对果树的修剪作业。

具体来说，本发明涉及一种基于自主导航的地空协同作业果园修剪机，其主要包括无人机、激光雷达、全液压自走式果园修剪机；所述的基于自主导航的地空协同作业果园修剪机，在所述无人机（1）上搭载有工业相机（2）、卫星信号接收装置1（3）和信号收发装置1（4），所述修剪机主要包括数据传送终端1（5）、数据传送终端2（6）、导航控制器1（7）、导航控制器2（8）、高地隙行走底盘（9）、驱动控制单元（10）、液压动力系统总成（11）、信息传输交互界面（12）、激光雷达（13）、修剪机仿形机架总成（16），所述激光雷达（13）搭载有卫星信号接收装置2（14）和信号收发装置2（15），所述激光雷达（13）安装在修剪机上。

其中，所述的无人机（1）首先飞行通过工业相机（2）提取果园路径实时图像，通过图像解析等技术手段将果园信息传输到数据传送终端1（5），通过修剪机导航路径规划选择最佳行走路线，利用导航控制器1（7）、驱动控制单元（10）和液压动力系统总成（11）控制修剪机按最佳行走路线进行修剪作业。

所述的卫星信号接收装置1（3）用于接受卫星信号，实时获得无人机的位置信息、飞行状态和果园位置信息，所述的卫星信号接收装置2（14）用于接受卫星信号，实时获得修剪机的位置信息和修剪状况。

所述的信号收发装置1（4）和信号收发装置2（15）实时通信。

所述的数据传送终端1（5）和数据传送终端2（6）接收经过解析等技术处理的果园实况信息，进行存储并发送给导航控制器1（7）和导航控制器2（8）。

所述的导航控制器1（7）是根据数据传送终端1（5）提取的信息对修剪机最佳行走路径进行规划，通过驱动控制端元（10）和液压动力系统总成（11）控制修剪机按最佳路径进行修剪作业。

所述的修剪机在进行修剪作业时，激光雷达（13）进行扫描测距、树冠识别并定位果树、确定树冠中心，并把各参数进行处理，将处理信息传输到数据传送终端2（6），所述的导航控制器2（8）是根据数据传送终端2（6）提取的信息对修剪机行走路线进行位姿估计和路线纠正。

所述的驱动控制单元（10）是根据导航控制器1（7）和导航控制器2（8）的实时通信控制修剪机完成对果树的修剪作业。

所述的液压动力系统总成（11）为修剪机整个系统提供动力，以保证机具正常运行。

所述的修剪机主要包括高地隙行走底盘（9）、修剪机仿形机架总成（16）和修剪刀具（17）等组成。

所述的高地隙行走底盘（9）可适应不同树龄的果园。

所述的修剪机仿形机架总成（16）可适应不同冠径的果树，可对果树进行圆柱形、长方体形等形状的仿形修剪。

所述的修剪刀具（17）包括圆盘刀、链式刀及锯片等各类刀具。

所述的一种基于自主导航的地空协同作业果园修剪机，提供了一种果园修剪地空协同作业的修剪方法，该方法中包括如下步骤：

步骤一：利用无人机（1）进行果园路径信息实时提取，并将信息实时传送到数据传送终端1（5）进行数据处理；

步骤二：处理后的信息通过导航控制器1（7）进行修剪机最佳路径规划，驱动控制单元（10）和液压动力系统总成（11）共同控制修剪机按最佳规划路径进行修剪作业；

步骤三：激光雷达（13）通过扫描测距对修剪机进行位姿估计和路线纠正，完成果园仿形修剪作业。

本发明具有以下有益效果：1、作业全程为智能化修剪，提高了修剪效率和作业自动化程度。

2、通过无人机提取果园实况图像，利用导航技术实现修剪机完成修剪作业，可大量节省人工，降低人工成本，减少林果生产成本，提高果农的经济效益。

3、高地隙全液压自走式果园修剪机的设计，可适用于不同品种果园，加工成本低，发展前景好。

4、修剪机仿形机架的设计，可保证果园树形一致，利于果园的标准化建园，有利于促进农机与农艺的结合。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明地空协同作业导航系统示意图。

图3是本发明修剪流程示意图。

图4是本发明智能修剪机整体方案示意图。

图中所示：1是无人机，2是工业相机，3是卫星信号接收装置1,4是信号收发装置1,5是数据传送终端1,6是数据传送终端2,7是导航控制器1，8是导航控制器2,9是高地隙行走底盘，10是驱动控制单元，11是液压动力系统总成，12是信息传输交互界面，13是激光雷达，14是卫星信号接收装置2,15是信号收发装置2,16是修剪机仿形机架总成，17是修剪刀具。

具体实施方法

下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅仅起到示范性和解释性，不应对发明的保护范围有任何限制作用。

在根据本发明提供的一种基于自主导航的地空协同作业果园修剪机，如图1所示，其主要包括无人机、激光雷达、全液压自走式果园修剪机，无人机和修剪机共同工作；所述的无人机是市场常用的无人机，能够搭载更多、更重的设备，其承载能力大；所述的全液压自走式果园修剪机为本发明核心设计设备，上面搭载有全液压动力系统、导航系统及驱动控制单元等。

具体地，所述的基于自主导航的地空协同作业果园修剪机，在所述无人机（1）上搭载有工业相机（2）、卫星信号接收装置1（3）和信号收发装置1（4），所述修剪机主要包括数据传送终端1（5）、数据传送终端2（6）、导航控制器1（7）、导航控制器2（8）、高地隙行走底盘（9）、驱动控制单元（10）、液压动力系统总成（11）、信息传输交互界面（12）、激光雷达（13）、修剪机仿形机架总成（16），所述激光雷达（13）搭载有卫星信号接收装置2（14）和信号收发装置2（15），所述激光雷达（13）安装在修剪机上。

其中，所述的无人机（1）首先飞行通过工业相机（2）提取果园路径实时图像，通过图像解析等技术手段将果园信息传输到数据传送终端1（5），通过修剪机导航路径规划选择最佳行走路线，利用导航控制器1（7）、驱动控制单元（10）和液压动力系统总成（11）控制修剪机按最佳行走路线进行修剪作业。

所述的卫星信号接收装置1（3）用于接受卫星信号，实时获得无人机的位置信息、飞行状态和果园位置信息，所述的卫星信号接收装置2（14）用于接受卫星信号，实时获得修剪机的位置信息和修剪状况。

所述的信号收发装置1（4）和信号收发装置2（15）实时通信。

所述的数据传送终端1（5）和数据传送终端2（6）接收经过解析等技术处理的果园实况信息，进行存储并发送给导航控制器1（7）和导航控制器2（8）。

所述的导航控制器1（7）是根据数据传送终端1（5）提取的信息对修剪机最佳行走路径进行规划，通过驱动控制端元（10）和液压动力系统总成（11）控制修剪机按最佳路径进行修剪作业。

优选地，如图2所示，所述的导航控制器1（7）和导航控制器2（8）包括卫星定位OEM板卡、MEMS惯性传感器、无线数传模块、嵌入式微处理器和集成主板。导航控制器是系统核心，通过采集和融合卫星定位板卡的高精度RTK定位数据和惯性传感器数据，实现修剪机精确定位定向和测速；在果园修剪作业路径规划的基础上，实现修剪机自动作业路线跟踪和地头自动转向控制，同时通过激光雷达测距对行走路线进行纠正；实现修剪机转向、油门开度、修剪刀具高度控制、刀具转速控制和修剪量自适应控制等的联动控制决策。

所述的修剪机在进行修剪作业时，激光雷达（13）进行扫描测距、树冠识别并定位果树、确定树冠中心，并把各参数进行处理，将处理信息传输到数据传送终端2（6），所述的导航控制器2（8）是根据数据传送终端2（6）提取的信息对修剪机行走路线进行位姿估计和路线纠正。

所述的驱动控制单元（10）是根据导航控制器1（7）和导航控制器2（8）的实时通信控制修剪机完成对果树的修剪作业。

其中，所述的驱动控制单元（10）以成型工业控制板卡为依托进行开发，电控液压转向轮角的闭环控制；修剪作业速度的闭环控制；修剪刀具高度控制、刀具转速控制和修剪量自适应控制等。

优选地，所述的驱动控制单元（10）监控到所述无人机（1）的位置信息及飞行状态满足以下叙述情况的一种或多种，可认定无人机（1）或修剪机工作异常，可停止修剪作业，检查并排除安全隐患。

所述的异常信息如下：异常信息一：信号收发装置1（4）和信号收发装置2（15）实时通信中断；

异常信息二：信号收发装置1和2（4和15）所接收的任意两个相邻时刻的位置信息在设定的时间段内，任意两个时刻的位置信息中位置点之间的距离小于0.5m，且各速度值的大小均小于0.5m/s；

异常信息三：信号收发装置1和2（4和15）所接收的任意两个相邻时刻的位置信息所包含的速度值的大小纸币大于设定值。

所述的液压动力系统总成（11）为修剪机整个系统提供动力，以保证机具正常运行。

所述的修剪机主要包括高地隙行走底盘（9）、修剪机仿形机架总成（16）和修剪刀具（17）等组成。

所述的高地隙行走底盘（9）可适应不同树龄的果园。

优选地，在前期研究基础上，针对所述的高地隙行走底盘（9）的行走装置，全液压动力执行元件与动力分配等核心技术进行参数优化，确定各关键部件的空间布置形式、运动参数与动力分配及控制系统之间的关系。

所述的修剪机仿形机架总成（16）可适应不同冠径的果树，可对果树进行圆柱形、长方体形等形状的仿形修剪。

优选地，如图3所示，利用虚拟实现技术在仿真环境中，对所述的修剪机仿形机架总成（16）进行虚拟修剪训练，完成仿形机构的调整和定位。在VS2015开发环境下，采用工业标准图形接口OpenGL进行修剪量模型的开发，并完成三维虚拟模型修剪库的建立。通过模糊PID控制技术，实现修剪机构的实时控制。通过PLC控制液压电磁阀，进而控制液压系统工作，实现修剪机构快速精确定位，快速仿形修剪。

所述的修剪刀具（17）包括圆盘刀、链式刀及锯片等各类刀具。

所述的信息传输交互界面（12）可观察修剪状况。

优选地，如图4所示，通过整机技术集成，研发具有作业状态实时监测、自主导航及自动仿形智能化修剪等功能的果园修剪机。

根据本发明提供的一种基于自主导航的地空协同作业果园修剪机，提供了一种果园修剪地空协同作业的修剪方法，该方法中主要包括以下步骤：

步骤一：利用无人机（1）进行果园路径信息实时提取，并将信息实时传送到数据传送终端1（5）进行数据处理；

步骤二：处理后的信息通过导航控制器1（7）进行修剪机最佳路径规划，驱动控制单元（10）和液压动力系统总成（11）共同控制修剪机按最佳规划路径进行修剪作业；

步骤三：激光雷达（13）通过扫描测距对修剪机进行位姿估计和路线纠正，完成果园仿形修剪作业。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均属于本发明的保护范围中。

Claims (6)

1.一种基于自主导航的地空协同作业果园修剪机，其特征在于，主要包括无人机、激光雷达和全液压自走式修剪机（以下简称修剪机）。

2.根据权利要求1所述的基于自主导航的地空协同作业果园修剪机，其特征在于，在所述无人机（1）上搭载有工业相机（2）、卫星信号接收装置1（3）和信号收发装置1（4），所述修剪机主要包括数据传送终端1（5）、数据传送终端2（6）、导航控制器1（7）、导航控制器2（8）、高地隙行走底盘（9）、驱动控制单元（10）、液压动力系统总成（11）、信息传输交互界面（12）、激光雷达（13）、修剪机仿形机架总成（16），所述激光雷达（13）搭载有卫星信号接收装置2（14）和信号收发装置2（15），所述激光雷达（13）安装在修剪机上。

3.根据权利要求2所述的基于自主导航的地空协同作业果园修剪机，其特征在于，所述的无人机（1）首先飞行通过工业相机（2）提取果园路径实时图像，通过图像解析等技术手段将果园信息传输到数据传送终端1（5），通过修剪机导航路径规划选择最佳行走路线，利用导航控制器1（7）、驱动控制单元（10）和液压动力系统总成（11）控制修剪机按最佳行走路线进行修剪作业。

4.根据权利要求2所述的基于自主导航的地空协同作业果园修剪机，其特征在于，所述的修剪机在进行修剪作业时，激光雷达（13）进行扫描测距并将信息传输到数据传送终端2（6），利用导航控制器2（7）、驱动控制单元（10）和液压动力系统总成（11）对修剪机进行位姿估计和行走路线纠正，完成对果树的修剪作业。

5.根据权利要求1所述的基于自主导航的地空协同作业果园修剪机，其特征在于，所述修剪机主要包括高地隙行走底盘（9）、修剪机仿形机架总成（16）和修剪刀具（17）。

6.根据一种基于自主导航的地空协同作业果园修剪机，其特征在于，提供了一种果园修剪地空协同作业的修剪方法，该方法主要包括如下步骤：

步骤一：利用无人机（1）进行果园路径信息实时提取，并将信息实时传送到数据传送终端1（5）进行数据处理；

步骤二：处理后的信息通过导航控制器1（7）进行修剪机最佳路径规划，驱动控制单元（10）和液压动力系统总成（11）共同控制修剪机按最佳规划路径进行修剪作业；

步骤三：激光雷达（13）通过扫描测距对修剪机进行位姿估计和路线纠正，完成果园仿形修剪作业。