CN113424706B - 一种基于杠杆原理的无人机自平衡采摘装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于杠杆原理的无人机自平衡采摘装置及其控制方法，该装置包括电动摘果装置、摄像头固定支架、双目视觉摄像头组件、前杆主体、连接机构、滚珠丝杆滑台、后杆主体、配重盒、剪刀机构、重量传感器和果枝夹紧机构；使用时，先将装置固定在无人机上，通过双目视觉摄像头采集的图像搜寻目标并进行无人机微调位置，然后通过中控控制电动摘果装置执行采摘作业和滚珠丝杆滑台工作，采摘完成后，重量传感器反馈果实的初步检测质量信息给无人机处理器，之后滚珠丝杆滑台基于杠杆原理的计算结果进行调节伸缩长度，以基本平衡无人机采摘前端载荷突变果实突然增加的重量，保证无人机的稳定性。本发明适合在林果园果实采收和修剪摘领域使用。

Description

一种基于杠杆原理的无人机自平衡采摘装置及其控制方法

技术领域

本发明属于智能制造的技术领域，特别涉及一种基于杠杆原理的无人机自平衡采摘装置及其控制方法。

背景技术

无人机在空载的情况下，使其重心置于机身的中轴，从而实现无人机飞行时的平衡。但是，由于无人机应用领域的不同，其搭载的设备重量会有较大的差异。例如，在机头位置搭载数码相机、专业摄像机、药箱、药粉容器等，都会影响到无人机的重心位置，从而影响到无人机飞行时的平衡。为了改善无人机的平衡性，目前通常采用设置“配重”的方法，即当机头搭载某种设备时，通过在机尾加载一定重量的物体，以保证电动无人机的重心位于中轴位置。

虽然“配重”调节方式可以缓解无人机重心失衡的问题，但是却加重了无人机的负载，增加了电动无人机的耗电量，并影响到无人机的续航时间和飞行安全。同时，在无人机作业时，负载的重量会随着作业过程的进行而逐渐变化(增大或减小)，进而不断地改变无人机的重心位置，从而影响到无人机飞行时的平衡。

而目前无人机采果社会应用较少，现有无人机采果大多是采集小型的果实，这种对无人机平衡的要求不是太高，在中大型果实的采摘还是很少使用无人机采摘的。而无人机本身自带的平衡无法应对摘果后前端突然加重的重量。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于杠杆原理的无人机自平衡采摘装置及其控制方法，能够在无人机摘果时有效的平衡无人机前后的重量。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一方面提供了一种基于杠杆原理的无人机自平衡采摘装置，包括前杆主体、后杆主体、所述前杆主体和后杆主体之间设有滚珠丝杆滑台，所述滚珠丝杆滑台一端固定在前杆主体上，另一端连接后杆主体的最前端，滚珠丝杆滑台运动时，带动后杆主体伸缩运动；所述前杆主体的最前端设有电动摘果装置，所述电动摘果装置包括最高层的剪刀机构、中层重量传感器和最底层的果枝夹紧机构，在所述剪刀机构的刀片下面安装重量传感器，所述重量传感器的下方安装果枝夹紧机构；所述前杆主体上设有摄像头固定支架，所述摄像头固定支架上设有双目视觉摄像头组件；所述后杆主体末端设有配重盒，配重盒内设有控制板、电源电池和配重块，所述控制板用于控制珠丝杆滑台的伸缩。

作为优选的技术方案，在所述无人机摘果装置的中心位置设置有连接机构，所述连接机构包括可包裹前杆主体的焊接件，所述焊接件上设有连接杆。

作为优选的技术方案，所述双目摄像头采集图像，确定果实位置，反馈给无人机，无人机通过双目视觉摄像头所采集的图像信息进行飞行定位。

作为优选的技术方案，所述前杆主体包裹后杆主体，在前杆主体和后杆主体之间添加有润滑剂。

作为优选的技术方案，所述后杆主体与滚珠丝杆滑台的滑动块连接。

作为优选的技术方案，所述配重盒采用亚克力材料制得。

本发明另一方面提供了一种基于杠杆原理的无人机摘果装置的控制方法，包括下述步骤：

S1、安装无人机摘果装置后，调节无人机的平衡，通过双目视觉摄像头定位果实位置，无人机通过飞控系统控制无人机飞至指定位置，在到达指定位置后，无人机通过双目视觉摄像头不停的对果实进行扫描，调整无人机的位置，使得果实的母枝在电动摘果装置的剪接范围，在双目视觉摄像机确定电动摘果装置的剪刀剪接果实的枝条后，信号反馈给控制板，控制板开始控制滚珠丝杆滑台滑动，延长后杆主体相应的距离，通过无人机自身的平衡系统调节平衡，在无人机调节平衡后，控制板就控制电动摘果装置执行摘果的信号，剪断果实的枝条；

S2、在控制板通过预先编程达到控制电动摘果装置进行剪合，在电动摘果装置中的剪刀机构剪断果枝时，果枝夹紧机构已经将果实的枝条卡住，在电动摘果装置中的重量传感器测量果实的重量并将数据反馈出去，系统根据测量的数据和杠杆原理“动力×动力臂＝阻力×阻力臂”，计算出后杆需要伸缩的长度，这时控制板会控制滚珠丝杆滑台推动后杆伸缩到达相应的长度，达到前后端的基本平衡，欠缺的平衡需要无人机自身调节；

S3、摘果完成后，电动摘果装置保持夹紧果实枝条的状态，无人机通过程序设定到达指定的放果地点，无人机到达放果地点后，控制板控制电动摘果装置松开剪刀，夹紧的果实枝条在松开后，通过重力的作用脱离电动摘果装置，无人机完成本次摘果作业；无人机再次进行自检，为下一次摘果做好准备。

8、根据权利要求7所述基于杠杆原理的无人机摘果装置的控制方法；其特征在于，在步骤S1中，在调节平衡后，启动无人机，无人机起飞，先进行无人机设备检测，在检测完成后再进行摘果作业。

作为优选的技术方案，在步骤S2中，动力×动力臂＝阻力×阻力臂，用代数式表示为F1·L1＝F2·L2，式中，F1为前杆的重量，L1为支撑节点到前端顶点之间的长度，F2为后杠的重量，L2是支撑节点到后端顶点之间的长度，其中L1、F2是维持不变的，剪果后F1增加，增加L2来达到前后相同，维持平衡。

作为优选的技术方案，通过重量传感器检测的果实重量，检测出增大F1，通过杠杆公式再计算出需要的L2，控制板控制滚珠丝杆滑台电机进行相对应长度的伸长。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明能够在无人机中实现平衡在摘果过程前端突然增大的重量而导致的无人机平衡性降低的情况。

(2)本发明使用的是基于杠杆原理所发明出来的，在前端长度不变，重量增加的情况下，改变后方配重的长度来达到平衡的效果。

(3)本发明提出的使用机杠杆原理的无人机摘果装置的应用的方案，可以为后续无人机提供参考，有利于提高无人机在果园中实现无人机摘果作业提供了基础。

(4)本发明能够在采摘过程中进行果实的重量测量，对果实的重量进行初步的测量和筛选。

(5)本发明具有普适性，可以搭载不同的无人机进行，不需要固定的型号。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例摘果装置的结构示意图；

图2是本发明实施例摘果装置的整体示意图；

图3是本发明实施例摘果装置的前杆的整体示意图；

图4是本发明实施例摘果装置的装置连接机构的整体示意图；

图5是本发明实施例摘果装置的滚珠丝杆滑台的整体示意图；

图6是本发明实施例摘果装置的后杆的整体示意图；

图7是本发明实施例摘果装置的电动摘果装置的详细示意图。

附图标号说明：

1、电动摘果装置；2、摄像头固定支架；3、双目视觉摄像头组件；4、前杆主体；5、连接机构；6、滚珠丝杆滑台；7、后杆主体；8、配重盒；9、剪刀机构；10、重量传感器；11、果枝夹紧机构。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请中，除非另有明确的规定或限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通，也可以是仅为表面接触。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1：

如图1-图3所示，本实施例一种基于杠杆原理的无人机自平衡采摘装置，包括电动摘果装置1、摄像头固定支架2、双目视觉摄像头组件3、前杆主体4、连接机构5、滚珠丝杆滑台6、后杆主体7、配重盒8、剪刀机构9、重量传感器10和果枝夹紧机构11；所述前杆主体4和后杆主体7之间设置滚珠丝杆滑台6，所述滚珠丝杆滑台6一端固定在前杆主体4上，另一端连接后杆主体7的最前端，滚珠丝杆滑台6运动时，带动后杆主体7伸缩运动。

进一步的，如图7所示，所述前杆主体4的最前端设置电动摘果装置1，所述电动摘果装置1包括剪刀机构9、重量传感器10和果枝夹紧机构；可以理解的是，电动摘果装置主体采用常见的电动剪刀，在剪刀的刀片下面禁固一个重量感应装置，在下方就和重量感应装置相连的果枝夹紧装置，剪刀的剪切是通过一个小型电机带动的。

进一步的，在电动摘果装置后，所述双目视觉摄像头组件3通过一个螺旋紧固装置固定在前杆主体1上，螺旋紧固装置是作为双目视觉摄像头的支架，在顶部有专门与双目视觉摄像头相匹配的连接口。所述双目视觉摄像头是采集图像，确定果实位置，反馈给无人机，无人机通过双目视觉摄像头所给予的图像进行精确的定位飞行，为采摘作好铺垫，因为视觉处理需要的要求很高，这需要和无人机的系统进行对接，在处理方面需要妙算平台的加载。

进一步的，所述滚珠丝杆滑台6是通过滑台上带的连接孔与前杆下方设计的连接孔进行螺栓连接，这样可以使滚珠丝杆滑台在前杆中固定不滑动。同时滚珠丝杆滑,6的滑动块的其中朝向后杆主体7方向的面与后杆主体的前端进行焊接连接(后期可以进行连接的更新，卡扣等便携连接都使用)。这样滑动块的移动会带动后杆主体的移动，当前端摘果时，前端重量增大，在后端重量不变的情况下，滑动块移动，增长后杆的长度，这样可以达到杠杆原理中增大力臂的作用，可以使其达到杠杆平衡的作用。

进一步的，如图4所示，所述连接机构5是放在装置的中心附近处，所采用的是包裹式的固定，若固定不稳定，可以在杆裹上一层防滑的薄膜，进行紧固。连接的方式是通过四个设计的螺栓孔进行螺栓连接。上方与无人机连接，需要根据无人机型号进行连接，一般同样采用的是包裹式的固定，这样的紧固可以保证无人机在飞行过程中，下面不会出现滑动(也可根据无人机的不同，使用不同的连接紧固结构)。同时，这种装置连接机构不仅仅可以固定无人机摘果装置，还可以固定其他的装置，可以使无人机进行不同的操作。

可以理解的是，装置连接机构5是通过两片可以包裹前杆主体的焊接件，通过四个螺钉固定住两片焊接件，达到固定前杆主体的目的，而上方根据不同的无人机设置不同的连接结构进行固定连接。

进一步的，如图5、图6所示，所述后杆主体7与滚珠丝杆滑台6的滑动块的连接，因为滚珠丝杆滑台的缘故，后杆主体中下端设计的需要削去一段。令后杆主体可以随着滑动块前后移动。同时在前杆主体、后杆主体中，为了减少摩檫力，也会适当的涂抹润滑脂。

后杆主体7中其他的设备都集中在最末端的配重盒8中，配重盒8采用亚克力材料，轻的同时还较为坚固，配重盒中包含控制板、电源电池和配重块。其中，控制板是其中的核心，果实的测量数据，电动摘果装置的剪接，滚珠丝杆滑台6的滑动距离都是通过控制板处理控制的，在视觉中确定无人机已经飞至剪切位置，给与控制板一个信号，控制板就开始控制滚珠丝杆滑台6延长后杆相应的距离，通过无人机自身的调节平衡能力维持平衡，这是需要将无人机的重心先向后移动一点，防止在剪断果实的瞬间，因为前端的重量突然增加而导致的无人机严重失衡。在完成滑动后，控制板再控制电动摘果装置进行剪接果实，在完成剪果动作时，前端由于果实离开枝条，导致果实的重量全部集中在前端的电动摘果装置上，这就显示了前面令无人机重心向后移的重要性。如果在未调节重心的情况下突然增加大的重量，使无人机的重心突然的前移，无人机的自动调节很难及时的调节平衡，从而导致无人机失衡坠毁，所以需要原本的重心向后移一部分。在完成剪果，果实脱离果枝后，电动摘果装置夹紧果枝，同时重量传感器将果实的重量检测出来，将数据反馈出来，然后根据果实的重量，根据杠杆原理“动力×动力臂＝阻力×阻力臂”(前端的因为果实的重量增加，所以动力增加；前杆长度不变，动力臂没有变化；后杆的配重没有增加，所以阻力没有变化；这时需要计算阻力臂的长度，而使其实现平衡。)来进行计算出后杆需要伸缩的长度，控制板再控制滚珠丝杆滑台滑动来调节后杆的伸缩长度，使得前后两端是保持平衡的。保证无人机的平衡。同时在无人机摘果完成后到达指定位置后，控制板会控制电动摘果装置，松开剪刀，使果实掉落在指定位置。同时进行自检程序，确保下次摘果的顺利进行。

可以理解的是，电源电池也是在配重盒中的，电源电池是给整套摘果装置起到供电的作用，同时还可以起到配重块的作用，因为前杆最前端的摘果装置的重量是不轻的，所以需要无人机平衡的话，需要在后杆末端的配重盒的配上相应的重量。

可以理解的是，配重盒中还有专门放置配重块的地方，防止配重块在配重盒中晃动。配重块的使用是灵活的调控摘果装置。同时可能会出现的前后杆挂载其他设备进行检测。

实施例2:

本发明的还提供了一种基于杠杆原理的无人机自平衡采摘装置的控制方法，包括下述步骤：

(1)安装无人机摘果装置后调节无人机的平衡，在自身设备不能达到平衡的情况下，可以使用相应的配重块放置到配重盒中，使得无人机整体平衡。

在调节平衡后，启动无人机，无人机起飞，先进行无人机设备检测，在检测完成后再进行摘果作业。

通过双目视觉摄像头定位果实位置，无人机通过飞控系统控制无人机飞至指定位置，在到达指定位置后，无人机通过双目视觉摄像头不停的对果实进行扫描，调整无人机的位置，使得果实的母枝在电动摘果装置的剪接范围。在双目视觉摄像机确定电动摘果装置的剪刀可以剪接果实的枝条后，信号反馈给控制板，控制板开始控制滚珠丝杆滑台滑动，延长后杆主体相应的距离，通过无人机自身的平衡系统调节平衡，在无人机调节平衡后，控制板就控制电动摘果装置执行摘果的信号，剪断果实的枝条；

(2)进行摘果装置执行命令，具体方法为：

在控制板通过预先编程达到控制剪刀机构进行剪合，剪刀机构剪断果实的枝条的那一刻，果枝夹紧机构已经将果实的枝条卡住，在剪刀机构中的重量传感器测量果实的重量并将数据反馈出去，系统根据测量的数据和杠杆原理“动力×动力臂＝阻力×阻力臂”(前端的因为果实的重量增加，所以动力增加；前杆长度不变，动力臂没有变化；后杆的配重没有增加，所以阻力没有变化；这时需要计算阻力臂的长度，而使其实现平衡。)计算出后杆需要伸缩的长度，这时控制板会控制滚珠丝杆滑台推动后杆伸缩到达相应的长度，达到前后端的基本平衡，欠缺的平衡需要无人机自身调节。

更进一步的，本无人机摘果装置是应用杠杆原理来达到目的的。即：动力×动力臂＝阻力×阻力臂，用代数式表示为F1·L1＝F2·L2。式中，F1为前杆的重量，L1为支撑节点到前端顶点之间的长度，F2为后杠的重量，L2是支撑节点到后端顶点之间的长度。其中L1、F2是维持不变的，剪果后F1增加，增加L2来达到前后相同，维持平衡。

(3)完成摘果后：

电动摘果装置保持夹紧果实的枝条，无人机通过程序设定飞到指定的放果地点，再确认到达放过地点后，控制板控制电动摘果装置松开剪刀，夹紧的果实枝条在松开后，通过重力的作用脱离电动摘果装置，无人机完成本次摘果任务。之后无人机再次进行自检，为下一次摘果做好准备。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于杠杆原理的无人机摘果装置的控制方法，其特征在于，所述无人机摘果装置包括前杆主体、后杆主体、所述前杆主体和后杆主体之间设有滚珠丝杆滑台，所述滚珠丝杆滑台一端固定在前杆主体上，另一端连接后杆主体的最前端，滚珠丝杆滑台运动时，带动后杆主体伸缩运动；所述前杆主体的最前端设有电动摘果装置，所述电动摘果装置包括最高层的剪刀机构、中层重量传感器和最底层的果枝夹紧机构，在所述剪刀机构的刀片下面安装重量传感器，所述重量传感器的下方安装果枝夹紧机构；所述前杆主体上设有摄像头固定支架，所述摄像头固定支架上设有双目视觉摄像头组件；所述后杆主体末端设有配重盒，配重盒内设有控制板、电源电池和配重块，所述控制板用于控制滚珠丝杆滑台的伸缩，所述控制方法包括下述步骤：

S1、安装无人机摘果装置后，调节无人机的平衡，通过双目视觉摄像头组件定位果实位置，无人机通过飞控系统控制无人机飞至指定位置，在到达指定位置后，无人机通过双目视觉摄像头组件不停的对果实进行扫描，调整无人机的位置，使得果枝在电动摘果装置的剪接范围，在双目视觉摄像头组件确定电动摘果装置的剪刀可以剪接果枝后，信号反馈给控制板，控制板开始控制滚珠丝杆滑台滑动，延长后杆主体相应的距离，通过无人机自身的平衡系统调节平衡，在无人机调节平衡后，控制板就控制电动摘果装置执行摘果的信号，剪断果枝；

S2、控制板通过预先编程达到控制电动摘果装置进行剪合，在电动摘果装置中的剪刀机构剪断果枝时，果枝夹紧机构已经将果枝卡住，在电动摘果装置中的重量传感器测量果实的重量并将数据反馈出去，系统根据测量的数据和杠杆原理“动力×动力臂=阻力×阻力臂”，计算出后杆需要伸缩的长度，这时控制板会控制滚珠丝杆滑台推动后杆伸缩到达相应的长度，达到前后端的基本平衡，欠缺的平衡需要无人机自身调节；

S3、摘果完成后，电动摘果装置保持夹紧果枝的状态，无人机通过程序设定到达指定的放果地点，无人机到达放果地点后，控制板控制电动摘果装置松开剪刀，夹紧的果枝在松开后，通过重力的作用脱离电动摘果装置，无人机完成本次摘果作业；无人机再次进行自检，为下一次摘果做好准备。

2.根据权利要求1所述基于杠杆原理的无人机摘果装置的控制方法；其特征在于，在步骤S1中，在调节平衡后，启动无人机，无人机起飞，先进行无人机设备检测，在检测完成后再进行摘果作业。

3.根据权利要求1所述基于杠杆原理的无人机摘果装置的控制方法，其特征在于，在步骤S2中，动力×动力臂=阻力×阻力臂，用代数式表示为F1•L1=F2•L2，式中，F1为前杆的重量，L1为支撑节点到前端顶点之间的长度，F2为后杆 的重量，L2是支撑节点到后端顶点之间的长度，其中L1、F2是维持不变的，剪果后F1增加，增加L2来达到前后相同，维持平衡。

4.根据权利要求3所述基于杠杆原理的无人机摘果装置的控制方法，其特征在于，通过重量传感器检测的果实重量，检测出增大F1，通过杠杆公式再计算出需要的 L2，控制板控制滚珠丝杆滑台电机进行相对应长度的伸长。

5.根据权利要求1所述基于杠杆原理的无人机摘果装置的控制方法，其特征在于，在所述无人机摘果装置的中心位置设置有连接机构，所述连接机构包括可包裹前杆主体的焊接件，所述焊接件上设有连接杆。

6.根据权利要求1所述基于杠杆原理的无人机摘果装置的控制方法，其特征在于，所述双目摄像头组件采集图像，确定果实位置，反馈给无人机，无人机通过双目视觉摄像头组件所采集的图像信息进行飞行定位。

7.根据权利要求1所述基于杠杆原理的无人机摘果装置的控制方法，其特征在于，所述前杆主体包裹后杆主体，在前杆主体和后杆主体之间添加有润滑剂。

8.根据权利要求1所述基于杠杆原理的无人机摘果装置的控制方法，其特征在于，所述后杆主体与滚珠丝杆滑台的滑动块连接。

9.根据权利要求1所述基于杠杆原理的无人机摘果装置的控制方法，其特征在于，所述配重盒采用亚克力材料制得。

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