CN110326444A - 一种植物顶端削剪装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物顶端削剪装置及方法，包括削剪模块、激光吸收模块、增湿模块和控制系统；所述削剪模块包括第一飞行载体和能够发射对植物顶端进行削剪的高能激光束的高能激光发射单元，所述激光吸收模块包括第二飞行载体和用于对植物顶端削剪后的残余高能激光束进行吸收的激光吸收器；所述增湿模块包括第三飞行载体、储水箱和用于对削剪后的植物顶端进行喷水降温处理的喷淋增湿单元，所述第一飞行载体、第二飞行载体、第三飞行载体、高能激光发射单元、激光吸收器以及喷淋增湿单元接受所述控制系统的控制。本发明不仅可以在降低系统平衡控制要求条件下对植物顶端实施有效削剪，还可以减少运维人员工作量、节省人力物力。

Description

一种植物顶端削剪装置及方法

技术领域

本发明属于植物修剪技术领域，尤其涉及一种植物顶端削剪装置及方法。

背景技术

植物生长过高后，可能会对其上方或附近原有设备、结构物造成影响，为了保障设备或结构物的安全，一般会对这些超高植物进行清理。通常有两种方式：方式一，通过砍伐等方式从根部对植物开展清理；方式二，对超高植物削顶，使其与上方或附近原有设备、结构物保持足够距离，通常采用人工或飞行器携带机械锯等方式削剪。方式一破坏了原有植物，不满足当前保护青山绿水的要求，方式二人工削顶费时费力，飞行器携带机械锯削剪对整个系统平衡控制要求较高。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种植物顶端削剪装置及方法，该方法不仅可以在降低系统平衡控制要求条件下对植物顶端实施有效削剪，还可以减少运维人员工作量、节省人力物力。

为解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案：

一种植物顶端削剪装置，包括削剪模块、激光吸收模块、增湿模块和控制系统；

所述削剪模块包括：

第一飞行载体，其能飞行并悬停；

高能激光发射单元，设置于所述第一飞行载体上，能够发射对植物顶端进行削剪的高能激光束；

所述激光吸收模块包括：

第二飞行载体，其能飞行并悬停；

激光吸收器，设置于所述第二飞行载体上，用于对削剪植物顶端后的残余高能激光束进行吸收；

所述增湿模块包括：

第三飞行载体，其能飞行并悬停；

储水箱，设置在所述第三飞行载体上；

喷淋增湿单元，与所述储水箱连通，用于对削剪后的植物顶端进行喷水降温处理；

所述第一飞行载体、第二飞行载体、第三飞行载体、高能激光发射单元、激光吸收器以及喷淋增湿单元接受所述控制系统的控制。

进一步的，所述第一飞行载体上还安装有用于测量第一飞行载体到待削剪植物距离的激光测距仪和用于对植物进行摄像的高清摄像仪，所述激光测距仪和高清摄像仪将测量数据反馈至所述控制系统。

高清摄像头是为了控制人员能够清晰的看到削剪面树冠的情况，但摄像头无法获知距离，采用激光测距仪是配合摄像头获知树冠与削剪模块具体距离信息，便于准确开展削剪任务。

进一步的，所述激光吸收器包括相连通的水箱和雾化喷淋单元，所述雾化喷淋单元布设在所述第二飞行载体的底部且喷射口朝向，从而向残余高能激光束喷水衰减吸收。

进一步的，所述雾化喷淋单元包括雾化器和若干第一喷头，所述第一喷头通过第一水平支架成排布置在所述第二飞行载体上，所述第一喷头连接雾化器，所述雾化器通过水管与所述水箱的流量控制阀连接。

进一步的，所述第一喷头喷出的雾化水滴直径为10μm-100μm。

进一步的，所述喷淋增湿单元包括若干第二喷头和第二水平支架，所述第二喷头通过所述第二水平支架成排布置在所述第三飞行载体上，所述第二喷头的喷射面朝下，并通过水管与所述储水箱的流量控制阀连接。

进一步的，所述第二喷头喷出的水滴直径为100μm-1mm。

进一步的，所述第一飞行载体为直升机，所述第二飞行载体和第三飞行载体为旋翼式无人机，所述控制系统布置在第一飞行载体中；或者是

所述第一飞行载体、第二飞行载体和第三飞行载体均采用旋翼式无人机，所述控制系统采用地面控制系统。

一种植物顶端削剪方法，采用上述削剪装置，包括如下步骤：

S1：工作人员根据现场情况，确定高能激光发射单元激光发射方向以及削剪模块的水平飞行方向，激光吸收模块以及增湿模块的飞行方向与削剪模块相同；

S2：通过控制系统操控将削剪模块和激光吸收模块分别飞行至待清理植物相对两侧设定高度，将高能激光发射单元的激光发射口对准待清理植物的顶端，将增湿模块飞行至待清理植物顶部设定高度位置处并位于削剪模块飞行方向的后侧；

S3：通过控制系统操控削剪模块、激光吸收模块和增湿模块同步向前移动，高能激光发射单元接受到控制系统的激光启动指令后发射高能激光束轰击树木支杆将其剪断，实现对植物顶端的削剪，穿过顶端后的残余高能激光束射入激光吸收模块并吸收，喷淋增湿单元接受到控制系统的喷淋启动指令后对修剪后的顶端进行喷水降温处理，防止植物切口因温度过高起火，直至完成整个作业点植物顶端的削剪。

进一步的，所述喷淋增湿单元的喷淋范围未覆盖高能激光束，并与其保持设定距离。

进一步的，所述飞行方向与激光发射方向相垂直。

本申请可以对位于高压导线、缆车索道、高跨桥体等物体下方的植物顶部进行削剪，物体与被削剪的植物顶端之间的间距需要满足增湿模块的飞行要求，保证增湿模块能够顺利通过。当用于高压导线上方树木削剪时，增湿模块与高压导线之间空气间距还需要满足对应电压等级输电线路运行规程要求。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：

1)、可以在空间内按需对植物顶端实施有效削剪；

2)、可以在确保植物-物体间距安全的情况下，最大程度降低对植物的破坏，保护了青山，符合当前环保要求；

3)、可以减少运维人员人工砍伐难度、节省人力物力；

4)、可以降低作业人员操控难度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1和图2，一种植物顶端削剪装置，包括削剪模块1、激光吸收模块2、增湿模块3和控制系统，削剪模块1包括第一飞行载体11、高能激光发射单元12、高清摄像仪(图中未示出)和激光测距仪(图中未示出)，激光吸收模块2包括第二飞行载体21和激光吸收器，其中，激光吸收器包括水箱22和雾化喷淋单元23，通过雾化水实现对激光的衰减吸收，当然也可以采用其他现有技术中的具有激发吸收功能的结构，在此不再赘述。

参见图1，本实施例中，增湿模块3包括第三飞行载体31、储水箱32和喷淋增湿单元33，控制系统采用飞行载体地面控制系统。削剪模块1的高清摄像仪、激光测距仪由第一飞行载体11供电，高能激光发射单元12自带电池电源，第一飞行载体11通过数据线与高清摄像仪、激光测距仪、高能激光发射单元12并联连接，控制系统通过与第一飞行载体11通信可对高清摄像仪、激光测距仪、高能激光发射单元12的启停进行控制，高清摄像仪、激光测距仪、高能激光发射单元12的数据通过数据线经第一飞行载体11的通信系统发送至控制系统，高清摄像仪、激光测距仪、高能激光发射单元12固定安装在定制支架上并与第一飞行载体11的吊舱接口连接，高能激光发射单元12功率不低于0.5千瓦。

激光吸收模块2的水箱22由水管与雾化喷淋单元23连接，水箱22、雾化喷淋单元23由第二飞行载体21供电，水箱22、雾化喷淋单元23与第二飞行载体21通过数据线并联连接通信，水箱22、雾化喷淋单元23固定安装在定制支架上并与第二飞行载体21的吊舱接口连接，水箱22容积为A升，雾化喷淋单元23雾化器和各子喷头(第一喷头)固定在水平支架上，子喷头喷射面朝下，子喷头至少呈两排平行布置，排与排间距为D，子喷头均匀等间距布置在每排，相邻子喷头间距为Δd，各子喷头连接雾化器，雾化器通过水管与水箱22的流量控制阀连接，雾化喷淋单元23各子喷头喷出的雾化水滴直径优选为10μm-100μm。

增湿模块3的储水箱32由水管与喷淋增湿单元33连接，储水箱32、喷淋增湿单元33由第三飞行载体31供电，储水箱32、喷淋增湿单元33与第三飞行载体31通过数据线并联连接通信，储水箱32、喷淋增湿单元33固定安装在定制支架上并与第三飞行载体31的吊舱接口连接，储水箱32容积为B升，喷淋增湿单元33各子喷头(第二喷头)固定在水平支架上，子喷头喷射面朝下，子喷头至少呈两排平行布置，排与排间距为S，子喷头均匀等间距布置在每排，相邻子喷头间距为Δs，各子喷头通过水管与储水箱32的流量控制阀连接，各子喷头喷出的水滴直径优选为100μm-1mm。排与排间距的D和S，相邻子喷头间距的Δd和Δs，对于本领技术人员来说，可以根据实际需要进行适应性调整。

控制系统通过与第二飞行载体21、第三飞行载体31通信可对雾化喷淋单元23、喷淋增湿单元33的启停进行控制，并可通过数据通信获知水箱22、储水箱32的水量信息及调节出水量。至于飞行载体地面控制系统、飞行载体、高清摄像仪、激光测距仪、各流量控制阀和高能激光发射单元12组成的无线控制电路均为电控领域常规设计，在此不再赘述。

本发明的工作原理是，削剪模块1的高清摄像仪、激光测距仪、高能激光发射单元12镜头轴线在同一水平面内，按照高清摄像仪、激光测距仪、高能激光发射单元12顺序布置，各单元紧邻固定在定制支架上，高清摄像仪、激光测距仪、高能激光发射单元12及定制支架组合后的重心在定制支架垂直方向与第一飞行载体11吊舱接口连接的连接杆轴线上。激光吸收模块2的水箱22固定安装在雾化喷淋单元23的支架上，水箱22、雾化喷淋单元23及支架的重心在定制支架垂直方向与第二飞行载体21吊舱接口连接的连接杆轴线上。增湿模块3的储水箱32固定安装在喷淋增湿单元33的支架上，储水箱32、喷淋增湿单元33及支架的重心在定制支架垂直方向与第三飞行载体31吊舱接口连接的连接杆轴线上。控制系统可同时实现对削剪模块1、激光吸收模块2、增湿模块3的操控。

取削剪模块1、激光吸收模块2、增湿模块3竖直方向最低点为各模块的位置计算点，以削剪模块1位置为原点，其水平飞行方向(垂直地面的方向)为X轴，削剪模块1的高能激光发射单元12激光发射方向为Y轴，竖直向上方向为Z轴。预先设置削剪模块1、激光吸收模块2、增湿模块3的飞行高差、飞行方向横向间距及纵向间距，预设激光吸收模块2相对于削剪模块1的飞行坐标为(X1、Y1、Z1)、增湿模块3相对于削剪模块1的飞行坐标为(X2、Y2、Z2)。本发明中，X1＝0，Y1、Z1均为正值，其实际取值根据现场情况确定；X2取负值、Y1、Z1均为正值，其实际取值根据现场情况确定。

第一飞行载体11、第二飞行载体21、第三飞行载体31可采用无人机，尤其可以采用具有悬停功能的旋翼式无人机，此时控制系统采用无人机远程控制系统，至于其具体结构，均为现有公知技术，不是本申请改进的重点，在此不再赘述。使用时，将控制系统布置在待清理植物附近。

使用上述植物顶端削剪装置对植物顶端进行削剪的过程如下：

S 1：工作人员根据现场情况，确定高能激光发射单元激光发射方向以及削剪模块的飞行方向，削剪模块采用与地面平行的水平飞行模式进行飞行，激光吸收模块以及增湿模块的飞行方向与削剪模块相同；发射方向应选择无人活动方向，避免对人员造成伤害，发射方向亦不得朝向有可直接照射到的易燃易爆物方向，避免造成火灾或爆炸事故；宜尽量避开动物活动区，减少对动物造成伤害。

S2：通过控制系统操控，发生飞行指令给削剪模块1、激光吸收模块2、增湿模块3，使得削剪模块1、激光吸收模块2、增湿模块3飞行至待清理植物附近，通过控制系统发生指令至高清摄像仪、激光测距仪的控制单元，打开高清摄像仪、激光测距仪，通过控制系统查看削剪模块1已飞临至待清理点，通过控制系统读取激光测距仪测量到的削剪模块1与待削剪植物的间距数据，根据高清摄像仪、激光测距仪信息调整削剪模块1的最佳位置，关闭激光测距仪；此时，削剪模块和激光吸收模块位于待清理植物相对的两侧，高能激光发射单元的激光发射口对准待清理植物的顶端，增湿模块位于清理植物顶部设定高度位置处并位于削剪模块飞行方向的后侧。

S3：控制系统发生激光启动指令至高能激光发射单元发射高能激光束轰击树木支杆将其剪断，实现对植物顶端的削剪，穿过顶端后的残余高能激光束射入激光吸收模块并吸收。

至于高能激光发射单元的激光功率、激光束直径大小以及削剪模块1与待削剪植物的间距，本领域技术人员可以根据具体的削剪需求，进行适应性选择，只需要保证能够顺利将树木枝干轰击削断的目的即可，当然，在满足上述削断目的的前提下，尽量选择较小的激光功率，这样也便于后续激光的吸收。

为防止植物切口因温度过高起火，控制系统通过喷淋启动指令给喷淋增湿单元对修剪后的顶端进行喷水降温处理，通过喷水不仅可以实现降温，而且还可以实现对植物喷洒浇水的目的。

工作人员通过控制系统屏幕查看高清摄像仪实时画面，确认该处植物顶端的削剪完成后，通过控制系统操控削剪模块、激光吸收模块和增湿模块同步向前移动，直至完成整个作业点植物顶端的削剪。

削剪模块1、激光吸收模块2前移，增湿模块3跟随前移，因增湿模块3布置在削剪模块1的后侧，通过操作人员操作控制系统中的控制按键控制打开喷淋增湿单元33可以对已完成的削剪点及时进行喷淋处理，防止植物切口因温度过高起火，喷淋增湿单元33的喷淋范围未覆盖高能激光发射单元12光束，并与其保持一定距离。

在实际作业途中，若激光吸收模块2水量不足或雾化喷淋单元23故障，则控制系统立即关闭高能激光发射单元12并提醒工作人员返航；若增湿模块3水量不足或喷淋增湿单元33故障，则控制系统立即关闭高能激光发射单元12并提醒工作人员返航；若任意模块电量不足则自动返航。

需要解释说明的是，在实际应用中，第一飞行载体11可以采用直升机，第二飞行载体21、第三飞行载体31可以采用无人机，此时控制系统为空中控制系统，使用时，控制系统布置在第一飞行载体11中。使用上述植物顶端削剪装置对植物顶端进行削剪的过程如下：

S 1：工作人员操控第一飞行载体11飞行至作业点附近，根据现场情况，确定削剪模块1的高能激光发射单元12激光发射方向以及削剪模块的水平飞行方向，从舱门放出第二飞行载体21、第三飞行载体31，激光吸收模块以及增湿模块的飞行方向与削剪模块相同；发射方向应选择无人活动方向，避免对人员造成伤害，发射方向亦不得朝向有可直接照射到的易燃易爆物方向，避免造成火灾或爆炸事故；宜尽量避开动物活动区，减少对动物造成伤害。

S2：通过控制系统操控削剪模块1、激光吸收模块2、增湿模块3飞行至待清理植物附近，通过控制系统打开高清摄像仪、激光测距仪，通过控制系统查看削剪模块1已飞临至待清理点，通过控制系统读取激光测距仪测距数据，根据高清摄像仪、激光测距仪信息调整削剪模块1的最佳位置，关闭激光测距仪。此时，削剪模块和激光吸收模块位于待清理植物相对的两侧，高能激光发射单元的激光发射口对准待清理植物的顶端，增湿模块位于清理植物顶部设定高度位置处并位于削剪模块飞行方向的后侧。

S3：通过控制系统操控激光吸收模块2打开雾化喷淋单元23，操控削剪模块1打开高能激光发射单元12发射高能激光，工作人员在控制系统屏幕查看高清摄像仪实时画面，确认当前点完成削剪后，通过控制系统操控削剪模块1、激光吸收模块2、增湿模块3向前移动削剪；打开雾化喷淋单元23喷出水雾的目的是为了使残余激光束快速衰减，避免对光束前方动物、物体或意外出现的人员造成伤害。

削剪模块1、激光吸收模块2前移，增湿模块3跟随前移，在增湿模块3飞行至第一个完成的削剪点前，控制系统自动打开喷淋增湿单元33对完成的削剪点进行喷淋，防止植物切口因温度过高起火，增湿模块3飞过削剪点后自动关闭喷淋增湿单元33，喷淋增湿单元33的喷淋范围未覆盖高能激光发射单元12光束，并与其保持一定距离。

与第一飞行载体采用无人机一样，在作业途中，若激光吸收模块2水量不足或雾化喷淋单元23故障，则控制系统立即关闭高能激光发射单元12并提醒工作人员，激光吸收模块2、增湿模块3自动返航；若增湿模块3水量不足或喷淋增湿单元33故障，则控制系统立即关闭高能激光发射单元12并提醒工作人员，激光吸收模块2、增湿模块3自动返航；若激光吸收模块2、增湿模块3任意模块电量不足则自动返航。工作人员排除问题后继续执行任务。

本发明不仅可以在降低系统平衡控制要求条件下对植物顶端实施有效削剪，还可以减少运维人员工作量、节省人力物力。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种植物顶端削剪装置，其特征在于：包括削剪模块、激光吸收模块、增湿模块和控制系统；

所述削剪模块包括：

第一飞行载体，其能飞行并悬停；

高能激光发射单元，设置于所述第一飞行载体上，能够发射对植物顶端进行削剪的高能激光束；

所述激光吸收模块包括：

第二飞行载体，其能飞行并悬停；

激光吸收器，设置于所述第二飞行载体上，用于对削剪植物顶端后的残余高能激光束进行吸收；

所述增湿模块包括：

第三飞行载体，其能飞行并悬停；

储水箱，设置在所述第三飞行载体上；

喷淋增湿单元，与所述储水箱连通，用于对削剪后的植物顶端进行喷水降温处理；

所述第一飞行载体、第二飞行载体、第三飞行载体、高能激光发射单元、激光吸收器以及喷淋增湿单元接受所述控制系统的控制。

2.根据权利要求1所述的植物顶端削剪装置，其特征在于：所述第一飞行载体上还安装有用于测量第一飞行载体到待削剪植物距离的激光测距仪和用于对植物进行摄像的高清摄像仪，所述激光测距仪和高清摄像仪将测量数据反馈至所述控制系统。

3.根据权利要求1所述的植物顶端削剪装置，其特征在于：所述激光吸收器包括相连通的水箱和雾化喷淋单元，所述雾化喷淋单元布设在所述第二飞行载体的底部且喷射口朝向，从而向残余高能激光束喷水衰减吸收。

4.根据权利要求2所述的植物顶端削剪装置，其特征在于：所述雾化喷淋单元包括雾化器和若干第一喷头，所述第一喷头通过第一水平支架成排布置在所述第二飞行载体上，所述第一喷头连接雾化器，所述雾化器通过水管与所述水箱的流量控制阀连接。

5.根据权利要求4所述的植物顶端削剪装置，其特征在于：所述第一喷头喷出的雾化水滴直径为10μm-100μm。

6.根据权利要求1所述的植物顶端削剪装置，其特征在于：所述喷淋增湿单元包括若干第二喷头和第二水平支架，所述第二喷头通过所述第二水平支架成排布置在所述第三飞行载体上，所述第二喷头的喷射面朝下，并通过水管与所述储水箱的流量控制阀连接。

7.根据权利要求6所述的植物顶端削剪装置，其特征在于：所述第二喷头喷出的水滴直径为100μm-1mm。

8.根据权利要求1所述的植物顶端削剪装置，其特征在于：所述第一飞行载体为直升机，所述第二飞行载体和第三飞行载体为旋翼式无人机，所述控制系统布置在第一飞行载体中；或者是

所述第一飞行载体、第二飞行载体和第三飞行载体均采用旋翼式无人机，所述控制系统采用地面控制系统。

9.一种植物顶端削剪方法，采用权利要求1-8任一项所述的削剪装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1：工作人员根据现场情况，确定高能激光发射单元激光发射方向以及削剪模块的水平飞行方向，激光吸收模块以及增湿模块的飞行方向与削剪模块相同；

S2：通过控制系统操控将削剪模块和激光吸收模块分别飞行至待清理植物相对两侧设定高度，将高能激光发射单元的激光发射口对准待清理植物的顶端，将增湿模块飞行至待清理植物顶部设定高度位置处并位于削剪模块飞行方向的后侧；

S3：通过控制系统操控削剪模块、激光吸收模块和增湿模块同步向前移动，高能激光发射单元接受到控制系统的激光启动指令后发射高能激光束轰击树木支杆将其剪断，实现对植物顶端的削剪，穿过顶端后的残余高能激光束射入激光吸收模块并吸收，喷淋增湿单元接受到控制系统的喷淋启动指令后对修剪后的顶端进行喷水降温处理，防止植物切口因温度过高起火，直至完成整个作业点植物顶端的削剪。

10.根据权利要求9所述的削剪方法，其特征在于：所述水平飞行方向与激光发射方向相垂直。