CN110583241A - 一种飞行式核桃采摘装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞行式核桃采摘装置，包括飞行器、采摘模块、果实收集模块、能源供应模块和控制模块，采摘模块中的采摘头由控制电机、位置传感器、左右夹刀、防撞海绵、刀片和双头反向螺杆构成；飞行器内部安置步进电机、采摘控制系统、可充电锂电池组、锥齿轮副；果实收集模块包括网兜、重量传感器；能源供应模块包括太阳能电池板和可充电锂电池组；控制模块包括采摘控制系统和主控制器。该装置工作时：飞行器带动采摘头飞向核桃树的树干附近，飞行器自带的数码相机进行图像采集，利用图像处理软件进行采摘目标的识别和定位；根据反馈的采摘位置和距离信息，调整采摘头的位姿，然后依次完成果实采摘、夹刀复位、果实收集和运送。

Description

一种飞行式核桃采摘装置

技术领域

本发明专利涉及林果采摘机械领域，具体涉及一种飞行式核桃采摘装置。

背景技术

核桃，又称胡桃，为胡桃一类的植物，与扁桃、腰果、棒子并称为世界著名的“四大干果”。核桃属我国重要的特色果品，果实营养丰富，经济价值高，是部分地区重要的经济来源。适时、合理采摘是保证核桃产量、质量和减少树体损伤的重要措施。由于核桃生长在高大的乔木上，林密树高，采摘难度大、条件恶劣，劳动工作量极大。传统林木果品普遍采用高枝剪等手工采摘机具进行采摘，其缺点主要是采摘作业季节性强、劳动强度大、人工费用高且存在安全隐患，同时还可能因不能及时完成采摘而出现果品质量受损的问题。目前核桃采摘一般采用击打式采摘，其使用条件严苛，一般只能在地面平缓区域进行采摘作业，对于核桃树种植密度大或者地面坡度较大的地方，很难采用击打式对核桃进行采收。

发明内容

本发明的目的是提供一种核桃采摘装置，以解决现有核桃采摘难度大，采摘效率低的问题。工人在地面就可直接对分散在树上的核桃进行采摘，并且结构简单、操作方便、安全性高，不损伤核桃树枝，不影响核桃来年的产量，采摘效率高，人工劳动强度低。

为实现上述目的，本发明所述的核桃采摘装置通过如下技术方案实现：

一种飞行式核桃采摘装置，包括飞行模块、采摘模块、果实收集模块、能源供应模块和控制模块，所述采摘模块上方固定飞行模块，下方固定果实收集模块，所述控制模块以信号通讯的方式对飞行模块、采摘模块、果实收集模块进行控制，所述能源供应模块用于给飞行模块、采摘模块、果实收集模块和控制模块供电。

上述技术方案中，所述飞行模块为飞行器，飞行器内部设有采摘控制系统、步进电机、锥齿轮副，采摘控制系统与主控制器无线连接。

上述技术方案中，所述采摘模块包括采摘头，采摘头的箱体上安装有位置传感器，位置传感器下方的箱体对称布置夹刀A和夹刀B，夹刀A和夹刀B旋合在双头反向螺杆上，双头反向螺杆与控制电机固定连接，其中一个夹刀内侧上设有安装刀片的T型槽，另一个夹刀内侧开有与刀片配合的窄槽。

上述技术方案中，所述采摘头通过连接杆连接在飞行器的机架下方，连接杆与锥齿轮B固定连接，连接杆与轴承过度配合固定在飞行器内，锥齿轮B锥齿轮A构成一对锥齿轮副，步进电机转动时通过锥齿轮副传动，带动连接杆，实现采摘头旋转。

上述技术方案中，夹刀A和夹刀B内侧贴有防撞海绵。

上述技术方案中，所述果实收集模块包括网兜，网兜通过框架固定在采摘头箱体底部，网兜底部装有重量传感器。

上述技术方案中，所述能源供应模块包括太阳能电池板和可充电锂电池组，用于给采摘控制系统、控制电机、步进电机、位置传感器和重量传感器提供电源。

上述技术方案中，所述控制模块包括采摘控制系统和主控制器，采摘控制系统与控制电机、步进电机、位置传感器和重量传感器均可进行信号通讯，主控制器控制面板上设有方位控制按钮“上、下、左、右、前、后”和功能按钮“采摘”、“归位”、“开关”、“急停”、“位姿调整”、“角度调整”。

本发明飞行式核桃采摘装置具有的有益效果是：

1.使用飞行器搭载采摘头完成采摘，高度不限、路径不限、采摘灵活，对采摘环境适应性强；

2.使用飞行器云台相机进行图像采集，借助利用图像处理软件进行图像处理、采摘目标识别、果梗尺寸及方位判断、采摘头位姿调整参数确定，采摘准确度高，漏摘率低；

3.通过左、右两侧夹刀上的刀片与刀槽配合，将果梗剪断，所需采摘力小；另外，左、右侧夹刀上贴有防撞海绵，防止夹刀损坏，延长了采摘头的使用寿命；

4.使用电机带动双头反向螺杆正、反转，分别实现左、右两侧夹刀的快速闭合和张开，进行目标采摘和刀片复位，动作迅速，采摘效率高；

5.设置了网兜用来收集果实，网兜底端装有重量传感器，由飞行器自动运送果实到指定地点，实现了果实采摘、收集、运送一体化，降低人力劳动成本，显著提高采摘作业的效率；

6.采用了太阳能电池板和可重复充电锂电池组两种供电模式，延长整个采摘机的连续作业时间，防止供电不足造成作业中断，并可有效节约能源。

附图说明

图1为本发明飞行式核桃采摘装置的结构示意图；

图2为本发明采摘头采摘工作原理示意图；

图3为本发明右夹刀结构示意图，图3(a)为本发明右夹刀正视图，图3(b)为本发明右夹刀侧视图；

图4为本发明左夹刀结构示意图，图4(a)为本发明左夹刀正视图，图4(b)为本发明左夹刀侧视图；

图5为本发明飞行式核桃采摘装置主要部件连接及布置示意图；

图6为本发明主控制器控制功能按钮布局图；

图7为本发明飞行式核桃采摘装置的电路示意图。

图中：1-飞行器扇叶；2-固定螺丝A；3-太阳能板；4-飞行器；5-采摘头；6-控制电机；7-网兜框架；8-网兜；9-位置传感器；10-双头反向螺杆；11-右夹刀；12-防撞海棉；13-刀片；14-左夹刀；15-步进电机；16-锥齿轮A；17-采摘控制系统；18-锂电池组；19-锥齿轮B；20-连接杆；21-固定螺丝B；22-连接杆；23-固定螺丝C；24-重量传感器；25-主控制器；26-挡板插件。

具体实施方式

为便于理解本发明的结构和功能特征，下面结合附图1、2、3、4、5、6、7对本发明一种飞行式核桃采摘装置的实施方式进行详细说明。

如图1所示，本发明所述的一种飞行式核桃采摘装置由飞行模块、采摘模块、果实收集模块、能源供应模块、控制模块组成，飞行模块通过连接杆固定在采摘模块上方，果实收集模块通过螺栓连接固定在采摘模块下方。

飞行模块为飞行器4，飞行器4选用现有大疆创新(DJI)第4代DJI Phantom 4航拍无人机，由四个飞行器扇叶1带动，将整个采摘装置运送到相应位置进行采摘作业。

如图5所示，采摘模块包括采摘头5、控制电机6、位置传感器9、双头反向螺杆10、右夹刀11、左夹刀14、防撞海绵12和刀片13，采摘头5通过连接杆20和固定螺丝B21连接在飞行器4的机架下方；采摘头5的箱体前方侧面上部正中间位置安装有位置传感器9，位置传感器9下方的箱体对称布置右夹刀11和左夹刀14，如图2所示，右夹刀11和左夹刀14以螺纹连接方式安装在双头反向螺杆10的两边，双头反向螺杆10一端与控制电机6的电机轴销连接，控制电机6通过螺栓固定在箱体上，双头反向螺杆10通过轴承内嵌于箱体中。其中左夹刀14上设有宽为1.5mm的T型槽，T型槽内安装有厚度h₂≤1.5mm的刀片13，左夹刀14前端装有可抽出的挡板插件26，防止刀片13在安装之后滑动且刀片13可以更换(如图4(a)、(b)所示)，T型槽周边贴有防撞海绵12。右夹刀11上设有宽h₁为1.5-2.5mm、深l₁为5mm的窄槽，窄槽周边贴有防撞海绵12，以防右夹刀11和左夹刀14闭合时发生碰撞而损伤刀片(如图3(a)、(b)所示)。当控制电机6带动双头反向螺杆10正/反向旋转时，其双头反向螺杆10两端的旋螺纹分别带动右夹刀11和左夹刀14相向/相背快速移动，实现刀片的闭合和打开，完成采摘和夹刀的复位动作(如图2所示)。

如图5所示，步进电机15、采摘控制系统17、可充电锂电池组18、锥齿轮A16、锥齿轮B19均安置在飞行器4内部。其中，锥齿轮A16和锥齿轮B19构成一对锥齿轮副，且锥齿轮B19与连接杆20销连接，连接杆20与轴承过度配合固定在飞行器4内；锥齿轮A16是步进电机15电机轴轴端的齿形。当步进电机15转动时，通过锥齿轮A16与锥齿轮B19组成的锥齿轮传动、带动连接杆20，从而使得采摘头5整体旋转，实现360°的位姿调整，使右夹刀11和左夹刀14位于需要采摘的目标两侧。

如图1、5所示，果实收集模块包括网兜框架7、网兜8、连接杆22和重量传感器24。网兜框架7通过连接杆22和固定螺丝23连接在采摘头5箱体底部，网兜框架7上固定网兜8，网兜8底部装有重量传感器24。

能源供应模块包括太阳能电池板3和可充电的锂电池组18，太阳能电池板3通过固定螺丝A2安装在飞行器4顶部，锂电池组18设置在飞行器4内部。

如图7所示，太阳能电池板3、锂电池组18均为供电电源，并通过导线向采摘控制系统17、位置传感器9、重量传感器24、步进电机15、控制电机6和飞行模块提供24V的直流电源。同时，位置传感器9、重量传感器24、步进电机15、控制电机6和飞行模块的信号线是通过导线直接连接在采摘控制系统17的信号控制端口上，以便于采摘控制系统17对各个元件进行有效的控制。由图所示，可以看出主控制器25与采摘控制系统17是属于无线连接形式。在手动模式或者紧急情况下，可以通过主控制器25对采摘控制系统17发出指令，采摘控制系统17优先完成主控制器25所发出的指令。

控制模块由可编程的采摘控制系统17和无线遥控的主控制器25构成。在可编程的采摘控制系统17完成采摘任务的过程中，当采摘装置出现故障或工作异常时，按下主控制器的“急停”按钮，紧急制动夹刀控制电机6和步进电机15，使采摘头5暂时停止工作，防止采摘头5损坏，对装置进行异常保护。采摘控制系统17与控制电机6、步进电机15、位置传感器9和重量传感器24均可进行信号通讯。如图6所示，主控制器25的控制面板上设有方位控制按钮“上、下、左、右、前、后”和功能按钮“采摘”、“归位”、“开关”、“急停”、“位姿调整”、“角度调整”；方位控制按钮控制飞行器4的上、下、左、右、前、后运动，将采摘装置运送到特定采摘位置；“开关”按钮用于接通或关闭遥控器的电源，使整个采摘装置处于准备工作或待机状态；“急停”按钮用于当采摘装置出现故障或工作异常时紧急制动控制电机6和步进电机15转动，使采摘头5暂时停止工作，防止采摘头损坏。

主控制器控制模式下该飞行式核桃采摘装置工作过程如下：

手动控制的主控制器模式下，完成核桃采摘的全过程需5个步骤，由主控制器25上的控制按键来完成采摘过程。

步骤(1)，通过主控制器25遥控飞行器4，带动采摘头5飞向核桃树的树干附近悬停，由飞行器4自带的云台相机在树干附近进行图像采集，传送给地面的图像处理软件依次进行图像处理、采摘目标识别、果梗尺寸及方位判断，确定采摘头的位姿调整位移及旋转角度，完成采摘目标的识别和定位。

步骤(2)，通过主控制器25上的“角度调整”按钮，遥控步进电机15旋转一定角度，再通过主控制器25上的“位姿调整”按钮，遥控飞行器4按位置传感器9反馈的位移运动到指定位置，使果梗的采摘位置位于右夹刀11和左夹刀14之间。

步骤(3)，当位置传感器9检测到果梗处于右夹刀11和左夹刀14的采摘范围内时，通过主控制器25上的“采摘”按钮，控制电机6正转，带动双头反向螺杆10旋转，使与其旋合的右夹刀11和左夹刀14相向移动闭合，切断果梗，完成采摘。

步骤(4)，通过主控制器25上“归位”按钮，启动控制电机6反转，带动双头反向螺杆10旋转，使与其旋合的右夹刀11和左夹刀14背向移动复位，果实掉入网兜8，实现果实收集，准备进入下一采摘工作循环。

步骤(5)，当网兜8内的核桃达到一定重量时，可以启动主控制器25上的“急停”按钮功能，使采摘头5暂时停止工作，通过主控制器25控制飞行器4将所采摘的核桃运送到指定位置卸货。

采摘控制系统控制模式下飞行式核桃采摘装置的工作过程如下：

自动控制的采摘控制系统17安置在飞行器4的内部。自动控制系统是根据完成采摘核桃的全过程而编写的程序。当自动控制系统运行时，该程序通过图像处理、采摘目标识别、果梗尺寸及方位判断，继而让核桃处于左、右夹刀之间，控制夹刀的开合，由此完成对核桃的采摘。当该核桃采摘完成后，自动控制系统将准备进入下一采摘工作循环，寻找下一目标果实。

在采摘控制系统自动控制下采摘工作过程中，当采摘装置出现故障或工作异常时，按下主控制器的“急停”按钮，即可对控制电机6和步进电机15紧急制动，使得夹刀停止闭合或打开，使采摘头5暂时停止工作，防止采摘头损坏，对装置进行异常保护。

最后要说明的是：以上实施方式仅用来说明本发明的技术实施方案而非限制。在本发明技术方案基础上进行的非实质性改进或简单替换、不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的范围内。

Claims (8)

1.一种飞行式核桃采摘装置，其特征在于：包括飞行模块、采摘模块、果实收集模块、能源供应模块和控制模块，所述采摘模块上方固定飞行模块，下方固定果实收集模块，所述控制模块以信号通讯的方式对飞行模块、采摘模块、果实收集模块进行控制，所述能源供应模块用于给飞行模块、采摘模块、果实收集模块和控制模块供电。

2.根据权利要求1所述的飞行式核桃采摘装置，其特征在于：所述飞行模块为飞行器(4)，飞行器(4)内部设有采摘控制系统(17)、步进电机(15)、锥齿轮副，采摘控制系统(17)与主控制器(25)无线连接。

3.根据权利要求2所述的飞行式核桃采摘装置，其特征在于：所述采摘模块包括采摘头(5)，采摘头(5)的箱体上安装有位置传感器(9)，位置传感器(9)下方的箱体对称布置夹刀A(11)和夹刀B(14)，夹刀A(11)和夹刀B(14)旋合在双头反向螺杆(10)上，双头反向螺杆(10)与控制电机(6)固定连接，其中一个夹刀内侧上设有安装刀片(13)的T型槽，另一个夹刀内侧开有与刀片(13)配合的窄槽。

4.根据权利要求3所述的飞行式核桃采摘装置，其特征在于：所述采摘头(5)通过连接杆(20)连接在飞行器(4)的机架下方，连接杆(20)与锥齿轮B(19)固定连接，连接杆(20)与轴承过度配合固定在飞行器(4)内，锥齿轮B(19)锥齿轮A(16)构成一对锥齿轮副；步进电机(15)转动时通过锥齿轮副传动，带动连接杆(20)，实现采摘头(5)旋转。

5.根据权利要求3所述的飞行式核桃采摘装置，其特征在于：夹刀A(11)和夹刀B(14)内侧贴有防撞海绵(12)。

6.根据权利要求3所述的飞行式核桃采摘装置，其特征在于：所述果实收集模块包括网兜(8)，网兜(8)通过框架(7)固定在采摘头箱体底部，网兜(8)底部装有重量传感器(24)。

7.根据权利要求1-6任一项权利要求所述的飞行式核桃采摘装置，其特征在于：所述能源供应模块包括太阳能电池板(3)和可充电锂电池组(18)，用于给采摘控制系统(17)、控制电机(6)、步进电机(15)、位置传感器(9)和重量传感器(24)提供电源。

8.根据权利要求1所述的飞行式核桃采摘装置，其特征在于：所述控制模块包括采摘控制系统(17)和主控制器(25)，采摘控制系统(17)与控制电机(6)、步进电机(15)、位置传感器(9)和重量传感器(24)均可进行信号通讯，主控制器(25)控制面板上设有方位控制按钮“上、下、左、右、前、后”和功能按钮“采摘”、“归位”、“开关”、“急停”、“位姿调整”、“角度调整”。