CN110301248A - 一种基于无人机的智能修剪系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于无人机的智能修剪系统和方法，包括无人机、智能监测系统、智能修剪系统、动力系统和控制系统。本发明的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；通过无人机提取植株实况图像，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，减少生产成本，提高经济效益；计算机制定修剪路径，可保证树形一致；采用多图像采集装置，保证树冠密度采集信息的精确性与准确性，并提出用二维激光测距扫描装置辅助图像传感器，该系统功能完整、可靠，便于在林间有效实施作业。
Description
技术领域
本发明涉及植保领域，具体涉及一种基于无人机的智能修剪系统和方法。
背景技术
传统的植株修剪大多是通过陆地行走的机器人或者人工进行修剪，主要是针对高度较低的植株进行修剪，并且修剪的精度较低，得不到需要修剪的造型。
在对植株修剪的过程中往往还需要对高度较高的植株进行修剪。目前针对高度较高的植株进行修剪大多数是通过人工升高的方式进行修剪的，而对于从事高空修剪植株的人员要求较高，并且通过人工升高的方式进行修剪植株具有较大的危险性，并且在修剪之前做好一系列的检查才进行修剪，因此通过人工升高的方式进行修剪植株效率极低且成本较高。并且工作人员在高空进行修剪植株的过程中会受到很多的限制，从而导致修剪的精度较低，修剪不出想要的植株造型。
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修剪机具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是对现有技术中树木修剪中存在的问题，提供一种基于无人机的智能修剪系统，该系统功能完整、可靠，便于在林间有效实施作业。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于无人机的智能修剪系统，包括无人机、智能监测系统、智能修剪系统、动力系统和控制系统；
所述智能监测系统包括二维激光测距扫描装置和全方位图像采集装置；所述二维激光测距扫描装置固定安装在无人机下方和两侧方；所述的全方位图像采集装置至少包括一套全局图像传感器和一套局部图像传感器并附带微型全方位相机；
所述智能修剪系统包括连杆和锯齿，在无人机每侧连架杆上分别安装连杆，所述连杆连接锯齿；所述连杆两端为转动头，分别用于连接连架杆和锯齿；所述连杆能够摆动，所述锯齿既通过转动头的转动而改变角度，又可以在转动头末端自身旋转；
所述动力系统包括三个发动机，一个发动机连接连杆，为连杆的摆动提供动力；一个发动机连接转动头，改变锯齿倾斜角度提供动力；另一个发动机连接锯齿，提供锯齿自身转动的动力；无人机上安装有电源；
所述控制系统包括飞行控制模块、修剪控制模块、信号传输模块和中控模块；所述飞行控制模块、修剪控制模块连接中控模块，所述中控模块连接信号传输模块；所述飞行控制模块用于控制无人机的飞行；所述修剪控制模块为动力系统的三个发动机的控制系统；所述信号传输模块提供与地面计算机之间的通信。
进一步的，所述飞行控制模块包括GPS定位模块、姿态控制模块和自主飞行模块；所述飞控模块分为自主导航和手动控制两种模式。
进一步的，所述的锯齿为圆锯，每个圆锯配置一个转动头和一个连杆。
一种基于无人机的智能修剪系统的操作方法，包括以下步骤：
1)无人机飞行：无人机起飞后首先操控其飞至树木正上方，通过二维激光测距扫描装置和全方位图像采集装置找准树木中心点，在飞行控制模块的控制下，使无人机从树木侧边向外向下飞行，使其运动尽可能贴合树冠外形；
2)树冠检测和无人机调整：通过二维激光测距扫描装置获取实时无人机相对地面的高度，并配合微型全方位相机不断记录树木高度与树冠中心轴水平距离之间的关系，将数据输出到电脑；使图像采集装置获得完整树冠轮廓，即植株3D模型；
3)根据所述3D模型与模型库进行对比，根据所述3D模型超出模型库的差值区域规划出植株的修剪路线并生成修剪路线信息；
4)生成修剪路线信息以后，让无人机进行第二次飞行并对要修剪的植株进行修剪；首先使无人机飞到指定位置，调整锯齿之间角度，使其展角贴合树缘进行修剪；
5)无人机返航：在完成所有修剪工作后，无人机按照地面站预先设定的返航路线，返航。
步骤3)中，将植株总高度记为H，将其均分为若干段，计算得到每一段对应的植株的半径r；修剪时使无人机在每一规定高度悬停绕圈修剪，修剪轨迹半径为r+d。
步骤4)中，按照规划路线使无人机在同一水平面进行圆周运动的同时剪切植株，利用激光测距仪实时监控无人机高度，按所分段一层一层进行修剪，直至修好整个树冠。
修剪完成后通过所述扫描无人机每隔一周进行一次扫描以便获取所述植株的3D模型，以获取所述植株的生长信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的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、通过无人机提取植株实况图像，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，减少生产成本，提高经济效益；计算机制定修剪路径，可保证树形一致，有利于标准化建园；
3、将GPS定位和目测结合，可远程精确定位待测树木位置，克服了传统地面修剪方法设备携带和移动不便等问题；
4、采用多图像采集装置，保证树冠密度采集信息的精确性与准确性，并提出用二维激光测距扫描装置辅助图像传感器，克服了图像方法易受图像传感器成像质量和茂密森林中树木相交影响而产生误差的缺点；
5、本过程由计算机控制修剪路线，既可以修剪自然生长状态下的树木，也可以满足人工造型的要求。
附图说明
图1是本发明基于无人机的智能修剪系统的整体结构示意图。
图2是本发明锯齿的修剪机构结构示意图。
图3、4是本发明无人机部分的结构示意图。
图5、6、7、8、9是本发明修剪过程中全方位确定修剪路线的过程图。
图10是本发明智能修剪系统修剪过程中无人机飞行轨迹的示意图。
图中：1-连架杆、2-第一转动头、3-连杆、4-第二转动头、5-锯齿、6-无人机、7-动力系统、8-GPS定位模块和电池、9-信号传输模块、10-控制系统、11-二维激光测距扫描装置和图像采集装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种基于无人机的智能修剪系统，包括无人机6、智能监测系统、智能修剪系统、动力系统7和控制系统10；
所述智能监测系统包括二维激光测距扫描装置和全方位图像采集装置；所述二维激光测距扫描装置固定安装在无人机下方和两侧方；所述的全方位图像采集装置至少包括一套全局图像传感器和一套局部图像传感器并附带微型全方位相机；
所述智能修剪系统从包括连杆3和锯齿5，在无人机每侧连架杆1上分别安装连杆3，所述连杆3两端分别为第一转动头2、第二转动头4，第一转动头2连接连架杆1，第二转动头4连接锯齿5；所述连杆3能够摆动，所述锯齿5既通过转动头的转动而改变角度，又可以在转动头末端自身旋转；
所述动力系统7包括三个发动机，一个发动机连接连杆3，为连杆3的摆动提供动力；一个发动机连接转动头，改变锯齿5倾斜角度提供动力；另一个发动机连接锯齿5，提供锯齿5自身转动的动力；
修剪过程可以可分解为两个运动：无人机按照规定的程序同时向下向外运动，使其和运动尽可能贴合树冠。通过改变锯齿5的夹角来贴合树木外边缘轮廓，使修出的外形更贴近于实际要求；通过锯齿5自身的旋转修剪出超出规划路线的枝杈。无人机的轨迹受控制系统10控制。
无人机上安装有电源。
所述控制系统10包括飞行控制模块、修剪控制模块、信号传输模块9和中控模块；所述飞行控制模块、修剪控制模块连接中控模块，所述中控模块连接信号传输模块9；所述飞行控制模块用于控制无人机的飞行；所述修剪控制模块为动力系统7的三个发动机的控制系统10；所述信号传输模块9提供与地面计算机之间的通信。
所述飞行控制模块包括GPS定位模块、姿态控制模块和自主飞行模块；所述飞控模块分为自主导航和手动控制两种模式。
所述的锯齿5为圆锯，每个圆锯配置一个转动头和一个连杆3。
一种基于无人机的智能修剪系统的操作方法，包括以下步骤：
1)无人机飞行：无人机起飞后首先操控其飞至树木正上方，通过二维激光测距扫描装置和全方位图像采集装置找准树木中心点，在飞行控制模块的控制下，使无人机从树木侧边向外向下飞行，使其运动尽可能贴合树冠外形；
2)树冠检测和无人机调整：通过二维激光测距扫描装置获取实时无人机相对地面的高度，并配合微型全方位相机不断记录树木高度与树冠中心轴水平距离之间的关系，将数据输出到电脑；使图像采集装置获得完整树冠轮廓，即植株3D模型；
3)根据所述3D模型与模型库进行对比，根据所述3D模型超出模型库的差值区域规划出植株的修剪路线并生成修剪路线信息；
4)生成修剪路线信息以后，让无人机进行第二次飞行并对要修剪的植株进行修剪；首先使无人机飞到指定位置，调整锯齿5之间角度，使其展角贴合树缘进行修剪；
5)无人机返航：在完成所有修剪工作后，无人机按照地面站预先设定的返航路线，返航。
步骤3)中，将植株总高度记为H，将其均分为若干段，计算得到每一段对应的植株的半径r；修剪时使无人机在每一规定高度悬停绕圈修剪，修剪轨迹半径为r+d。
步骤4)中，按照规划路线使无人机在同一水平面进行圆周运动的同时剪切植株，利用激光测距仪实时监控无人机高度，按所分段一层一层进行修剪，直至修好整个树冠。
修剪完成后通过所述扫描无人机每隔一周进行一次扫描以便获取所述植株的3D模型，以获取所述植株的生长信息。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于无人机的智能修剪系统，其特征在于：包括无人机、智能监测系统、智能修剪系统、动力系统和控制系统；
所述智能监测系统包括二维激光测距扫描装置和全方位图像采集装置；所述二维激光测距扫描装置固定安装在无人机下方和两侧方；所述的全方位图像采集装置至少包括一套全局图像传感器和一套局部图像传感器并附带微型全方位相机；
所述智能修剪系统包括连杆和锯齿，在无人机每侧连架杆上分别安装连杆，所述连杆连接锯齿；所述连杆两端为转动头，分别用于连接连架杆和锯齿；所述连杆能够摆动，所述锯齿既通过转动头的转动而改变角度，又可以在转动头末端自身旋转；
所述动力系统包括三个发动机，一个发动机连接连杆，为连杆的摆动提供动力；一个发动机连接转动头，改变锯齿倾斜角度提供动力；另一个发动机连接锯齿，提供锯齿自身转动的动力；无人机上安装有电源；
所述控制系统包括飞行控制模块、修剪控制模块、信号传输模块和中控模块；所述飞行控制模块、修剪控制模块连接中控模块，所述中控模块连接信号传输模块；所述飞行控制模块用于控制无人机的飞行；所述修剪控制模块为动力系统的三个发动机的控制系统；所述信号传输模块提供与地面计算机之间的通信。
2.根据权利要求1所述的基于无人机的智能修剪系统，其特征在于：所述飞行控制模块包括GPS定位模块、姿态控制模块和自主飞行模块；所述飞控模块分为自主导航和手动控制两种模式。
3.根据权利要求1所述的基于无人机的智能修剪系统，其特征在于：所述的锯齿为圆锯，每个圆锯配置一个转动头和一个连杆。
4.权利要求1所述的基于无人机的智能修剪系统的操作方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)无人机飞行：无人机起飞后首先操控其飞至树木正上方，通过二维激光测距扫描装置和全方位图像采集装置找准树木中心点，在飞行控制模块的控制下，使无人机从树木侧边向外向下飞行，使其运动尽可能贴合树冠外形；
2)树冠检测和无人机调整：通过二维激光测距扫描装置获取实时无人机相对地面的高度，并配合微型全方位相机不断记录树木高度与树冠中心轴水平距离之间的关系，将数据输出到电脑；使图像采集装置获得完整树冠轮廓，即植株3D模型；
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4)生成修剪路线信息以后，让无人机进行第二次飞行并对要修剪的植株进行修剪；首先使无人机飞到指定位置，调整锯齿之间角度，使其展角贴合树缘进行修剪；
5)无人机返航：在完成所有修剪工作后，无人机按照地面站预先设定的返航路线，返航。
5.根据权利要求1所述的基于无人机的智能修剪系统的操作方法，其特征在于：步骤3)中，将植株总高度记为H，将其均分为若干段，计算得到每一段对应的植株的半径r；修剪时使无人机在每一规定高度悬停绕圈修剪，修剪轨迹半径为r+d。
6.根据权利要求5所述的基于无人机的智能修剪系统的操作方法，其特征在于：步骤4)中，按照规划路线使无人机在同一水平面进行圆周运动的同时剪切植株，利用激光测距仪实时监控无人机高度，按所分段一层一层进行修剪，直至修好整个树冠。
7.根据权利要求1所述的基于无人机的智能修剪系统的操作方法，其特征在于：修剪完成后通过所述扫描无人机每隔一周进行一次扫描以便获取所述植株的3D模型，以获取所述植株的生长信息。
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