CN113348848A

CN113348848A - 割灌系统和割灌方法

Info

Publication number: CN113348848A
Application number: CN202011600413.5A
Authority: CN
Inventors: 陶山和夫
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2021-09-07
Anticipated expiration: 2040-12-29
Also published as: JP7259784B2; JP2021136919A; US20210274714A1; CN113348848B

Abstract

本发明涉及割灌系统和割灌方法。割灌系统包括：多个支柱；线缆，该线缆由该多个支柱支撑；卷绕装置，该卷绕装置能够操作以卷绕线缆；升降装置，该升降装置连接到线缆，并且当卷绕装置卷绕线缆时，该升降装置能够在空中移动；以及割灌装置，该割灌装置从升降装置悬挂，并且切割植物。

Description

割灌系统和割灌方法

技术领域

本发明涉及一种用于通过使用线缆来切割植物的技术。

背景技术

日本未审专利申请公报第2006-067918号(JP 2006-067918 A)公开了一种割草机，其中，电源安装在刀具外壳的上部中，并且电源的输出轴在切割外壳中基本竖直地突出，同时下刀具刀片安装到输出轴的远端，而上刀具刀片安装到输出轴，位于下刀具刀片的上方。割草机能够操作以在刀具外壳中基本水平地使上刀具刀片和下刀具刀片旋转。

发明内容

在林业工业中，在种植树苗后过去约5年执行林下灌木丛切割操作，使得树苗的生长不会受到会剥夺树苗的光和水分的杂草等的阻碍。在炎热的夏季，一次或多次执行林下灌木丛切割操作，并且这需要工人付出巨大的劳力以在驱动割灌器的同时爬上山坡。

本发明提供了一种用于减少林下灌木丛切割操作所需的劳力的技术。

根据本发明的一个方面的割灌系统包括：多个支柱；线缆，所述线缆由所述多个支柱支撑；卷绕装置，所述卷绕装置能够操作以卷绕所述线缆；升降装置，所述升降装置被连接到所述线缆，并且当所述卷绕装置卷绕所述线缆时，所述升降装置能够在空中移动；以及割灌装置，所述割灌装置从所述升降装置悬挂，并被构造成切割植物。

本发明的另一方面涉及一种割灌方法。所述方法使用割灌系统，所述割灌系统包括：卷绕装置，所述卷绕装置能够操作以卷绕由多个支柱支撑的线缆；升降装置，所述升降装置被连接到所述线缆，并且当所述卷绕装置卷绕所述线缆时，所述升降装置能够在空中移动；以及割灌装置，所述割灌装置从所述升降装置悬挂。所述割灌方法包括以下步骤：获取树苗的位置信息；基于树苗的位置来推导用于切割所述树苗的周围的植物的割灌装置的移动路径；以及基于推导出的移动路径驱动所述卷绕装置和所述升降装置，以移动所述割灌装置并且使割灌装置切割植物。

根据本发明，能够提供一种用于减轻在林下灌木丛切割操作的过程中对工人的负担的技术。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中，相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是用于描述线缆使用系统的视图；

图2是用于描述使用图1的线缆使用系统的林下灌木丛切割操作的视图；

图3是用于描述割灌装置的构造的视图；

图4是用于描述线缆使用系统的功能构造的视图；以及

图5A至图5C是用于描述修改示例的线缆使用系统的视图。

具体实施方式

图1示出了线缆使用系统1。线缆使用系统1包括第一支柱10a、第二支柱10b、第三支柱10c、第四支柱10d(当不彼此区分它们时，它们中的每个都将称为“支柱10”)、第一主线缆12a、第二主线缆12b(当不彼此区分它们时，它们中的每个都将称为“主线缆12”)、第一操作线缆14a、第二操作线缆14b、第三操作线缆14c、第四操作线缆14d、第五操作线缆14e、第六操作线缆14f(当不彼此区分它们时，它们中的每个都将称为“操作线缆14”)、第一移动装置16a、第二移动装置16b(当不彼此区分它们时，它们中的每个都将称为“移动装置16”)、升降装置18、割灌装置20、导轮22、绞盘24和线材26。

线缆使用系统1是所谓的H形线缆使用系统，并且被用于森林中的林业工业。在该实施例中，线缆使用系统1在林业过程的步骤中用于植树和林下灌木丛切割，但也可以用于树木的运输。线缆使用系统1的使用使得能够远程执行林业工业中所需的操作。

四个支柱10竖立在适于安装的位置处，并且这些位置是基于直立树木的布置和树木收集场所的位置而确定出的。例如，取决于线缆使用系统1的尺寸，每个支柱10的尺寸被设定为约5米至10米。

主线缆12和操作线缆14作为线缆固定到支柱10，或者环绕在支柱10的滑轮的周围。第一主线缆12a固定到第一支柱10a和第二支柱10b，并且第二主线缆12b固定到第三支柱10c和第四支柱10d。在空中用作轨道的第一主线缆12a和第二主线缆12b被安装成彼此不相交。每个主线缆12的长度约为300米至1500米。

操作线缆14用作可移动线缆，这些可移动线缆通过移动装置16或绞盘24卷绕。第一操作线缆14a、第二操作线缆14b、第三操作线缆14c和第四操作线缆14d与设置在支柱10上的滑轮接合，并且每个操作线缆14的一端连接到对应的移动装置16，而另一端连接到对应的绞盘24。第一操作线缆14a经由第二支柱10b和第一支柱10a从绞盘24连接到第一移动装置16a。第二操作线缆14b经由第二支柱10b从绞盘24连接到第一移动装置16a。第三操作线缆14c经由第四支柱10d和第三支柱10c从绞盘24连接到第二移动装置16b。第四操作线缆14d经由第四支柱10d从绞盘24连接到第二移动装置16b。第五操作线缆14e和第六操作线缆14f连接到移动装置16和升降装置18。

第一移动装置16a和第二移动装置16b分别由第一主线缆12a和第二主线缆12b支撑，并且能够沿第一主线缆12a和第二主线缆12b移动。第一操作线缆14a、第二操作线缆14b和第五操作线缆14e连接到第一移动装置16a，并且第三操作线缆14c，第四操作线缆14d和第六操作线缆14f连接到第二移动装置16b。第五操作线缆14e将第一移动装置16a与升降装置18连接，并且第六操作线缆14f将第二移动装置16b与升降装置18连接。移动装置16根据无线传输到其上的指令信号，用于卷绕和解绕第五操作线缆14e和第六操作线缆14f。

升降装置18通过用于升降的线材26将割灌装置20悬挂在其远端处。升降装置18通过卷绕线材26来使割灌装置20上下移动。

导轮22改变环绕在导轮22周围的操作线缆14的方向。绞盘24用于分别卷绕操作线缆14，并且具有用于卷绕或解绕相应的操作线缆14的滚筒和驱动源。

将描述线缆使用系统1的操作。绞盘24卷绕第一操作线缆14a和第二操作线缆14b中的一个操作线缆并解绕另一个操作线缆，以便使第一移动装置16a沿着第一主线缆12a移动。而且，绞盘24卷绕第三操作线缆14c和第四操作线缆14d中的一个操作线缆并解绕另一个操作线缆，以便使第二移动装置16b沿着第二主线缆12b移动。结果，升降装置18沿着主线缆12移位。

当移动装置16卷绕第五操作线缆14e和第六操作线缆14f中的一个操作线缆并解绕另一个操作线缆时，升降装置18在第一移动装置16a与第二移动装置16b之间移动。以这种方式，升降装置18在由四个支柱10包围的区域内沿基本水平的方向移动。

因此，绞盘24和移动装置16用作能够卷绕线缆的卷绕装置。卷绕装置卷绕操作线缆14(多个线缆)，使得升降装置18和割灌装置20可以在空中沿基本水平的方向移动。尽管在图1中所示的线缆使用系统1中，卷绕第五操作线缆14e和第六操作线缆14f的移动装置16连接到主线缆12，但本发明不限于这种布置，而第五操作线缆14e和第六操作线缆14f可以延伸到绞盘24的位置，使得移动装置16的卷绕功能可以与绞盘24的卷绕功能集成。因此，卷绕装置可以是集成系统，或者可以由单独的元件组成。

图2示出了使用线缆使用系统1的林下灌木丛切割操作。林下灌木丛切割在夏季在植树后约五年内执行，以便去除会阻碍所种植的树苗28生长的植物29(诸如杂草和竹草)。因此，利用执行林下灌木丛切割，树苗28可以被充足地供应光和水并且能够稳定地生长。

树苗28以约1.5米至3米的间隔种植，并且植物29在树苗28之间生长。割灌装置20通过升降装置18下降到地面附近，并被驱动以切割树苗28周围的植物29。在控制装置的控制下，割灌装置20沿着地面移动，以便避开树苗28，将在后文描述细节。控制装置基于割灌装置20与所关注的树苗28之间的距离D来移动割灌装置20，并且使割灌装置20切割割灌装置20周围的植物29。因此，线缆使用系统1用作执行林下灌木丛切割操作的割灌系统。

利用因此自动执行的林下灌木丛切割操作，与由人进行的工作的情况相比，能够减少劳力。而且，可以避免在林下灌木丛切割期间工人跌倒或者割灌装置反弹到岩石上时发生的事故。而且，可以容易地增加林下灌木丛切割操作的次数，这使得能够在植物29长高之前进行期望次数的切割，使得可以使树苗28的生长稳定。由于植物29在长高之前被切除，所以此可以容易地将树苗28和植物29彼此区分开。

图3示出了割灌装置20的构造。割灌装置20具有刀具30、上部单元32、下部单元34、安装部44和成像单元46。上部单元32具有马达36、轴38和电源40。而且，上部单元32容纳接触限制装置42。

安装部44设置在上部单元32的上端面上，并且用于将割灌装置20安装到线材26。利用安装部44，割灌装置20以可拆卸方式连接到线材26。成像单元46捕获割灌装置20附近的图像，并将所捕获的图像发送到控制装置。

刀具30形成为盘状形状，并且能够旋转。在刀具30的中间形成有孔，轴38可以通过该孔插入。轴38由上部单元32以可旋转方式支撑，并结合到刀具30。当轴38绕其轴线旋转时，刀具30旋转。轴38延伸穿过刀具30，并连接到下部单元34。

马达36使轴38绕其轴线旋转。电源40向马达36、摆动检测器41和接触限制装置42供应电力。虽然在本实施例中马达是刀具30的驱动源，但驱动源不限于马达，而可以是通过使用油驱动的发动机。

下部单元34连接到轴38，使得刀具30被上部单元32和下部单元34夹着且在上部单元32和下部单元34之间。下部单元34可以从轴38拆卸，并且在更换刀具30时拆卸。

摆动检测器41检测割灌装置20的摆动。摆动检测器41可以是二维加速度传感器或三维加速度传感器，或者可以是检测割灌装置20的运动的运动传感器。而且，摆动检测器41可以使用全球定位系统(GPS)检测割灌装置20的位置信息，并且基于割灌装置20的位置信息的改变来检测割灌装置20的摆动，或者可以使用割灌装置20的位置信息与升降装置18的位置信息之间的差异来检测割灌装置20的摆动。

基于摆动检测器41的检测结果来驱动接触限制装置42，以限制割灌装置20与树苗的接触。接触限制装置42基于摆动检测器41的检测结果来操作以使割灌装置20的姿态稳定，并在抑制割灌装置20的摆动的方向上施加反作用力。接触限制装置42可以是具有可倾斜的旋转轴线并且可以旋转以生产陀螺力矩的盘，或者是喷射气体的气体射流装置，或者是它们的组合。

在修改示例中，接触限制装置42可以基于摆动检测器41的检测结果和树苗的位置信息来执行用于限制割灌装置20与树苗的接触的控制。接触限制装置42可以设置在升降装置18侧，并且可以向线材26施加抵抗摆动的反作用力，以便抑制割灌装置20的摆动。而且，接触限制装置42可以是卷绕装置，其将升降装置18从树苗移开，以限制割灌装置20与树苗的接触。

而且，接触限制装置42以可以接触地面的支腿的形式设置在下部单元34上。接触限制装置42可以朝向地面延伸并且从地面收回，并且当割灌装置20的摆动变得等于或大于预定值时，该接触限制装置42可以朝向地面延伸并接触地面以便抑制割灌装置20的摆动。

虽然在该实施例中接触限制装置42被容纳在上部单元32中，但本发明不限于这种布置，而接触限制装置42可以设置在上部单元32的外部。即，接触限制装置42可以与割灌装置20一体地设置，或者可以与割灌装置20分开地设置。

图4示出了线缆使用系统1的功能构造。在图4中，描述为执行各种操作的功能块中的一个功能块的每个元件在硬件方面可以通过电路块、存储器或其它LSI构建，并且在软件方面可以通过加载到存储器中的程序实现。因此，本领域技术人员将理解的是，功能块可以仅经由硬件、仅经由软件或经由硬件和软件的组合以各种形式实现，并且不限于这些形式中的任何形式。

当割灌装置20切割树苗的周围的植物时，控制装置50执行控制。控制装置50无线地连接到升降装置18、割灌装置20、接触限制装置42和卷绕装置52，并且能够控制这些装置中的每一个装置。控制装置50具有位置获取单元54、处理器56、图像获取单元58、保持单元60和驱动控制器62。升降装置18具有位置检测器64、成像单元66和升降单元68。割灌装置20具有切割单元70、成像单元46和摆动检测器41。

升降装置18的位置检测器64使用GPS检测升降装置18的位置信息，并将该位置信息发送到控制装置50。给位置信息加上时间戳。成像单元66捕获升降装置18下方的图像，并将所捕获的割灌装置20及其附近的图像发送到控制装置50。控制装置50可以检测割灌装置20的摆动状况。升降单元68卷绕和解绕线材26，从而使割灌装置20上下移动。

割灌装置20的切割单元70由刀具30、马达36、轴38等组成，并且能够切割植物。

控制装置50的位置获取单元54获取升降装置18的位置信息。除了获取升降装置18的位置信息之外，位置获取单元54还可以获取割灌装置20的位置信息。图像获取单元58从升降装置18和割灌装置20获取所捕获的图像。

保持单元60提前保持树苗的位置信息和地面信息。可以基于在种植树苗的时刻捕获的图像来生成树苗的位置信息和地面信息。例如，成像单元46可以在种植树苗之后捕获支柱10内部的区域的一个图像或多个图像，并且分析所捕获的一个或多个图像，以生成树苗的位置信息和地面信息。地面信息可以是高度信息，或者可以是在地面的竖直方向上测量的水平，并且与位置信息相关联。由于当种植树苗时切割并去除了杂草，因此可以轻松获取地面信息。地面信息可以包括关于障碍物(诸如树桩和岩石)的位置的信息。

保持单元60可以从外部服务器装置获取树苗的位置信息和地面信息。而且，处理器56可以基于割灌装置20的位置信息和包括在割灌装置20的所捕获的图像中的树苗图像来计算树苗的位置信息，并且保持单元60可以保持计算出的树苗的位置信息。

处理器56基于树苗的位置信息来推导用于切割树苗的周围的植物的割灌装置的移动路径。对于移动路径，设定起点和终点，并且将移动路径设定成使得割灌装置与树苗间隔开预定距离或更大，并基于刀具30的直径来设定，使得刀具30穿过除树苗以外的区域的整个面积。移动路径的起点和终点可以被设定成一棵树苗与另一棵树苗之间的中间点。而且，移动路径可以包括关于地面水平的信息。

在割灌装置20的实际移动控制期间，处理器56可以基于成像单元46的所捕获的图像来校正割灌装置20的移动路径。当根据成像单元46的所捕获的图像和割灌装置20的位置信息计算出的树苗的位置信息与由保持单元60保持的树苗的位置信息不同时，处理器56根据计算出的差异量来校正移动路径。因此，可以基于实际捕获的图像来校正基于由保持单元60保持的树苗信息推导出的移动路径。而且，处理器56可以基于成像单元46的所捕获的图像来调节移动路径以便避开障碍物(诸如树桩和岩石)。因此，能够减少刀具30撞上树桩或岩石并且割灌割装置20摆动的可能性。

驱动控制器62基于由处理器56推导出的移动路径来执行控制以驱动卷绕装置52和升降装置18以移动割灌装置20，并驱动割灌装置20切割植物。驱动控制器62在移动路径的起点处开始驱动割灌装置20，并且使升降装置18将割灌装置20下降。然后，驱动控制器62根据地面的水平来控制升降装置18，同时控制卷绕装置52并且使割灌装置20沿着移动路径移动，并且在终点处停止驱动割灌装置20。而且，升降装置18基于地面的水平信息来改变割灌装置20的水平，使得割灌装置20沿着地面移动。因此，割灌装置20可以在避开树苗的同时移动，并切割树苗的周围的植物。

驱动控制器62可以在与树苗相距短距离内的区域和与树苗相距长距离内的区域之间使割灌装置20的控制不同。驱动控制器62为割灌装置20的驱动设定限制，以便不在与树苗相距短距离内的区域中切割树苗，并且在与树苗相距长距离内的区域中不为割灌装置20的驱动设定限制。例如，在树苗以2米的间隔间隔开的情况下，与一个树苗相距短距离内的区域是指与树苗相距50cm以内的范围，而与树苗相距长距离内的区域是指与树苗相距50cm或更大的范围。因此，在由支柱10限定的区域中，设定了禁止割灌装置20的驱动的区域、限制割灌装置20的驱动的短距离区域以及不限制割灌装置20的驱动的长距离区域。

当摆动检测器41在短距离区域中检测到预定阈值或更大的摆动时，割灌装置20的驱动停止。另一方面，在长距离区域中，即使当割灌装置20摆动时，驱动也不会停止。而且，在短距离区域中，可以将割灌装置20的移动速度控制为比在长距离区域中的移动速度慢。因此，驱动控制器62在短距离区域中小心地控制割灌装置20，以便减小割灌装置20切割树苗的可能性。在这方面，每个树苗可以设置有IC标签，并且割灌装置20可以设置有用于检测IC标签的短范围无线通信装置，使得该装置可以在短距离或范围内检测树苗。

图5A至图5C示出了根据修改示例的线缆使用系统1。修改示例的线缆使用系统1与图示实施例的线缆使用系统的不同之处在于，从升降装置18悬挂的致动器不是割灌装置20，而是植树装置80。即，修改示例的线缆使用系统1在远程控制下执行植树操作。

植树装置80具有安装部82、装载部84、种植部86和主体88。安装部82设置在主体88的上端面上，并且用于将植树装置80安装到线材26。利用安装部82，植树装置80以可拆卸方式连接到线材26。

装载部84保持多个容器苗90。由于根的形状被保持为与根球的形状相同，因此当将每个容器苗90插入到形成在地面中的给定形状的孔中时可以种植每个容器苗。种植部86可以从装载部84接收容器苗90，并将容器苗90种植在地面中。种植部86在地面中形成给定形状的孔，将容器苗90插入到该孔中。植树装置80可以与种植部86分开地设置有播种机构。

主体88具有将容器苗90从装载部84转移到种植部86的驱动源、捕获植树装置80附近的图像的摄像机以及测量从植树装置80到地面的距离(即，植树装置80距离地面的高度)的激光传感器。由主体88捕获的图像和与地面相距的距离的检测结果被发送到控制装置50。

控制装置50使植树装置80移动，并执行用于实行植树的控制。控制装置50的处理器56推导出接收容器苗90的位置，并且推导出植树装置80移动到接收容器苗90的位置的移动路径。

在图5A中，驱动控制器62基于推导出的移动路径来驱动卷绕装置52，使得植树装置80移动到容器苗90的种植位置。驱动控制器62在容器苗90的种植位置处驱动升降装置18以使植树装置80下降直到其撞击地面。

图5B示出了种植部86如何种植容器苗90。然后，升降装置18提升植树装置80，并且卷绕装置52将植树装置80移动到下一个种植位置。

图5C示出了升降装置18如何在下一个种植位置处将植树装置80下降到地面以及种植部86如何种植下一个容器苗90。因此，线缆使用系统1的使用使得能够在提前推导出的种植位置处种植容器苗90。

当处理器56分析设置在植树装置80上的摄像机的所捕获的图像，并且检测出在种植位置处的障碍物(诸如岩石或树桩)时，处理器56可以决定避免在种植位置处种植，并决定将植树装置80移动到下一个种植位置。因此，能够减少植树装置80与障碍物碰撞并损坏的可能性。

因此，线缆使用系统1可以通过将从升降装置18悬挂的装置更换成另一装置来实现两个或更多个功能。因此，可以改进线缆使用系统1的便利性，并且可以有效地使用支柱10和线缆。

已经基于实施例描述了本发明。本领域技术人员应当理解的是，本实施例仅是示例性的，该实施例可以具有构成要素和操作过程的各种组合的修改示例，并且这些修改示例也在本发明的范围内。

虽然在所示的实施例中，割灌装置20利用线材26从升降装置18悬挂，但本发明不限于这种布置。例如，割灌装置20可以悬挂有刚性杆构件。该杆构件可以具有齿条，该齿条具有在其侧面上形成的齿部，并且杆构件可以与升降装置18啮合。在这种情况下，升降装置18具有与杆构件啮合的小齿轮，并且通过旋转小齿轮而使割灌装置20升降。因此，割灌装置20悬挂有刚性杆构件，使得可以减小割灌装置20的摆动。

虽然在示出的实施例中线缆使用系统1是H形类型的，但线缆使用系统1不限于这种形状，而支柱10的数目可以是例如三个。而且，虽然示出了H形线缆使用系统1，但线缆使用系统1的形状没有被指定为H形。例如，线缆使用系统1可以是X形系统，该X形系统具有四个支柱和以交叉形状布置的线缆。

Claims

1.一种割灌系统，包括：

多个支柱；

线缆，所述线缆由所述支柱支撑；

卷绕装置，所述卷绕装置能够操作以卷绕所述线缆；

升降装置，所述升降装置被连接到所述线缆，并且当所述卷绕装置卷绕所述线缆时，所述升降装置能够在空中移动；以及

割灌装置，所述割灌装置从所述升降装置悬挂，并且被构造成切割植物。

2.根据权利要求1所述的割灌系统，还包括控制装置，所述控制装置控制所述割灌装置的移动，其中：

所述控制装置具有：保持单元，所述保持单元保持树苗的位置信息；以及驱动控制器，所述驱动控制器被构造成驱动所述卷绕装置和所述升降装置，并且移动所述割灌装置；并且

所述驱动控制器被构造成移动所述割灌装置并且使所述割灌装置切割所述树苗的周围的植物。

3.根据权利要求1或2所述的割灌系统，还包括：

摆动检测器，所述摆动检测器被构造成检测所述割灌装置的摆动；以及

接触限制装置，所述接触限制装置被构造成基于所述摆动检测器的检测结果来限制所述割灌装置与树苗的接触。

4.一种使用割灌系统的割灌方法，所述割灌系统包括：卷绕装置，所述卷绕装置能够操作以卷绕由多个支柱支撑的线缆；升降装置，所述升降装置被连接到所述线缆，并且当所述卷绕装置卷绕所述线缆时，所述升降装置能够在空中移动；以及割灌装置，所述割灌装置从所述升降装置悬挂，所述割灌方法包括：

获取树苗的位置信息；

基于所述树苗的位置来推导用于切割所述树苗的周围的植物的所述割灌装置的移动路径；以及

基于推导出的移动路径来驱动所述卷绕装置和所述升降装置，以移动所述割灌装置并且使所述割灌装置切割所述植物。