CN116114473A - 一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人，包括采摘无人机机身、若干无人机螺旋桨、智能控制主体机箱、电源系统、无人机飞控系统、松果识别定位模块、智能控制模块、树枝切割装置、执行器高度调节装置、摄像头组，若干无人机螺旋桨设置在采摘无人机机身的上方，所述智能控制主体机箱安装在采摘无人机机身底部的支撑架上。通过机器视觉来识别获取松果的位置信息、无人机飞行至合适位置、树枝切割装置到达所需切割的位置，机械爪抓住需要切割的树枝，锯动切断松果所在树枝，接着释放机械爪，松果自然掉落，完成松果采摘，使用方便，可操作性强，能够适应多种作业环境，可以在保护母树的情况下高效率、高精准的切割枝干，采摘松果。

Description

一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人

技术领域

本发明涉及松果采摘技术领域，具体为一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人。

背景技术

松果是一种成簇生长的林木球果，成熟后具有极高的药用价值和营养价值。松果是我国生产的主要干果之一，我国有大面积的松果种植土地，而且产量也已经占到世界松果总产量靠前的位置。

为了节省人力，提高松果采摘效率，自动化松果采摘机器的开发与研究具有非常深远的意义。对于利用机器实现松果的自动采摘这个领域的研究，我们已经取得了一定的进展与成果，但还未能达到对松果的自动识别。此外，从长远考虑，机器在工作的同时对松树的保护环节也应该引起更多的关注。

例如申请专利号为CN202010826732.1的专利文献公开了一种击打式松果采摘机器人，包括主体箱、底座、中控机构、回转机构、俯仰机构和击打机构，回转机构、俯仰机构、调平机构和击打机构均与中控机构电连接，该装置虽然从一定程度上解决了现有技术中由于松果果实生长区域较高，人工采摘不便，以及由于松果果柄木质化程度高，果实分离力大，松树枝条韧性强等恶劣的自然条件而导致松果采摘过程中出现采摘失败的问题。但对松树的拍打不仅会影响采摘下来的松果的质量，而且会破坏松树的长势从而影响来年松果的数量和质量。

此外，我们知道，松果采摘无人机在采摘过程中需要相应的采摘机构进行相应的运动，这样才能保证将松果顺利摘下，但当采摘机构运动的同时难免会产生相应的振动，这样会大大影响装置的采摘效果。为了在一定程度上解决用于无人机松果采摘装置的采摘机构进行相应的运动时候会产生振动而影响对无人机和采摘机构的采摘效果的问题，申请专利号为CN202011074924.8的专利文献公开了一种无人机松果采摘装置，包括升降机构、减震机构、夹果机构、减震机构。所述减震机构包括锥形外壳、减震基体和减震杆。这一装置虽达到了它的目的，对松树的损伤也不是特别大，但由于其结构的限制，只能采摘竖直且头朝上的松果，采摘效率低下，而且该无人机需要人工来控制且执行采摘操作，其操控难度较高，需要专业人员进行，一定程度上影响了其采摘效率，且未解放人力。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人，解决了上述背景技术中提出的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人，包括采摘无人机机身、若干无人机螺旋桨、智能控制主体机箱、电源系统、无人机飞控系统、松果识别定位模块、智能控制模块、树枝切割装置、执行器高度调节装置、摄像头组，若干无人机螺旋桨设置在采摘无人机机身的上方，所述智能控制主体机箱安装在采摘无人机机身底部的支撑架上，所述电源系统、无人机飞控系统、松果识别定位模块、智能控制模块集成在智能控制主体机箱内，所述松果识别定位模块用于分析摄像头组采集的图像，所述无人机飞控系统用于控制无人机螺旋桨，所述执行器高度调节装置设置在智能控制主体机箱的底部，所述执行器高度调节装置用于控制树枝切割装置的高度，所述树枝切割装置用于切割树枝，所述智能控制模块用于控制树枝切割装置、执行器高度调节装置的动作。

优选的，所述采摘无人机机身包括若干螺旋桨支撑杆、无人机壳体和无人机支撑架，若干所述螺旋桨支撑杆安装于无人机壳体四周且绕其中心等角度分布，所述无人机支撑架固定于无人机壳体下侧，所述智能控制主体机箱设置在无人机支撑架上。

优选的，所述执行器高度调节装置包括伺服电机、绳索、绕线杆、滑轮支架和若干滑轮，所述滑轮支架、绕线杆设置在智能主体机箱的底部，若干所述滑轮转动连接于滑轮支架上，所述绳索的一端环绕于绕线杆上，另一端经过并嵌于滑轮中，且连接树枝切割装置，所述伺服电机设置在智能主体机箱的底部且与绕线杆的转轴相连。

优选的，所述树枝切割装置包括载体、机械爪和曲线锯，所述载体设置在绳索的底端，所述机械爪设置在载体的底部，所述载体上位于机械爪的侧部横向设置有运动槽，所述曲线锯滑动适配在运动槽内，所述载体内设置有用于带动曲线锯沿着运动槽往复式移动的移动组件。

优选的，所述无人机螺旋桨包括无刷电机和螺旋桨叶片，所述螺旋桨叶片安装在无刷电机上，所述无刷电机一一安装于若干螺旋桨支撑杆上。

优选的，所述摄像头组包括摄像头一和摄像头二，摄像头一和摄像头二分别固定在智能控制主体机箱侧面和载体侧面。实现对松果更广更精确的识别。

优选的，为了精准识别出松果，所述松果识别定位模块搭载RGB-D传感器及GPS。通过RGB-D传感器和深度学习方法对松果进行快速识别定位，有效避免了绿叶遮挡的影响，通过GPS向飞控系统返回准确信息，便于无人机飞至指定位置。

优选的，为了提高设备的稳定性，所述无人机支撑架由六根支撑杆和两根连杆构成，采摘无人机机身下端相连四根支撑杆，同侧的两个支撑杆之间中部通过一根横杆相连，下端连接一根支撑杆。

优选的，为了方便制造、安装和使用，所述智能控制主体机箱与横杆之间采用卡锁结构相连。

优选的，为了方便制造、安装和使用，下端的支撑杆采用圆柱形。

优选的，为了方便制造、安装和使用，所述支撑杆之间通过十字形插块相连。

优选的，所述摄像头一和摄像头二的外圈上均设置有光源组，所述光源组为环形LED光源及日光灯，提高摄像头在复杂环境下的效果。

一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人的采摘方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，松果识别定位模块通过安装在智能控制主体机箱侧面的摄像头一采集到的松树图案，识别定位其中的松果，并将相应的位置信息发送给无人机飞控系统；

步骤二，无人机飞控系统接收到位置信息后，经过计算，发送动作信号给无人机螺旋桨，使无人机移动到合适位置；

步骤三，无人机到达指定位置后，松果识别定位模块通过安装于智能控制主体机箱侧面以及树枝切割装置侧面的摄像头一和摄像头二采集的图像信息分析得出执行器所需调节的高度，将高度调节信号传输给执行器高度调节装置，驱动电机，使树枝切割装置到达所需切割的位置；

步骤四，树枝切割装置驱动机械爪的电机，使机械爪牢牢抓住需要切割的树枝，启动锯割电机，切断松果所在树枝，接着释放机械爪，松果自然掉落，完成松果采摘。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人。具备以下有益效果：

1、该基于旋翼式无人机的松果采摘机器人，通过机器视觉识别出松果、确定松果的位置信息、控制无人机飞行至指定位置、同时将高度调节信号传输给执行器高度调节装置，驱动伺服电机，使树枝切割装置到达所需切割的位置，树枝切割装置驱动机械爪的电机，使机械爪牢牢抓住需要切割的树枝，启动锯割电机，切断松果所在树枝，接着释放机械爪，松果自然掉落，完成松果采摘，该机器人对松果的识别准确度高，切割速度快，对人工的依赖程度小，便于操作，对母树的破坏程度小。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的侧视结构示意图；

图3为本发明的仰视结构示意图；

图4为本发明的树枝切割装置结构示意图；

图5为本发明的执行器高度调节装置结构示意图。

图中：1采摘无人机机身、2无人机螺旋桨、3智能控制主体机箱、4树枝切割装置、5执行器高度调节装置、6摄像头组、101螺旋桨支撑杆、102无人机壳体、103无人机支撑架、201无刷电机、202螺旋桨叶片、401机械爪、402曲线锯、403运动槽、404连接孔、405关节、501伺服电机、502绳索、503绕线杆、504滑轮、505滑轮支架、601摄像头一、602摄像头二。

具体实施方式

本发明实施例提供一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人，如图1-5所示，包括采摘无人机机身1、若干无人机螺旋桨2、智能控制主体机箱3、型号为BAF1500-540S28HM的电源系统、型号为Pixhawk的无人机飞控系统、型号为NVIDIAJETSONTX2的松果识别定位模块、型号为STM32F407的智能控制模块、树枝切割装置4、执行器高度调节装置5、摄像头组6和光源组，若干无人机螺旋桨2设置在采摘无人机机身1的上方，智能控制主体机箱3安装在采摘无人机机身1底部的支撑架上，电源系统、无人机飞控系统、松果识别定位模块、智能控制模块集成在智能控制主体机箱3内，松果识别定位模块用于分析摄像头组6采集的图像，无人机飞控系统用于控制无人机螺旋桨2，执行器高度调节装置5设置在智能控制主体机箱3的底部，执行器高度调节装置5用于控制树枝切割装置4的高度，树枝切割装置4用于切割树枝，智能控制模块用于控制树枝切割装置4、执行器高度调节装置5的动作。

本发明集合松果识别定位模块、蛇形机械臂执行模块、无人机飞控系统于智能控制主体机箱3，利用无人机搭载该智能控制主体机箱3。通过机器视觉识别出松果、确定松果的位置信息、控制无人机飞行至指定位置、同时将高度调节信号传输给执行器高度调节装置5，驱动伺服电机501，使树枝切割装置4到达所需切割的位置，树枝切割装置4驱动机械爪401的电机，使机械爪401牢牢抓住需要切割的树枝，启动锯割电机，切断松果所在树枝，接着释放机械爪401，松果自然掉落，完成松果采摘，该机器人对松果的识别准确度高，切割速度快，对人工的依赖程度小，便于操作，对母树的破坏程度小。

无人机飞控系统由型号为BW-AH400C的姿态控制系统、型号为司南导航K823E模块的导航系统、型号为步科K10-plus的动力系统组成，并与无人机螺旋桨2和型号为BAF1500-540S28HM的电源系统相连。松果识别定位模块搭载RGB-D传感器及GPS。通过RGB-D传感器和深度学习方法对松果进行快速识别定位，有效避免了绿叶遮挡的影响，通过GPS向飞控系统返回准确信息，便于无人机飞至指定位置。

如图1所示，采摘无人机机身1包括若干螺旋桨支撑杆101、无人机壳体102和无人机支撑架103，若干螺旋桨支撑杆101安装于无人机壳体102四周且绕其中心等角度分布，无人机支撑架103固定于无人机壳体102下侧，智能控制主体机箱3设置在无人机支撑架103上。

如图3所示，无人机螺旋桨2包括无刷电机201和螺旋桨叶片202，螺旋桨叶片202安装在无刷电机201上，无刷电机201一一安装于若干螺旋桨支撑杆101上。

如图5所示，执行器高度调节装置5包括伺服电机501、绳索502、绕线杆503、滑轮支架505和若干滑轮504，滑轮支架505、绕线杆503设置在智能主体机箱3的底部，若干滑轮504转动连接于滑轮支架505上，绳索502的一端环绕于绕线杆503上，另一端经过并嵌于滑轮504中，且连接树枝切割装置4，伺服电机501设置在智能主体机箱3的底部且与绕线杆503的转轴相连。

如图4所示，树枝切割装置4包括载体、机械爪401和曲线锯402，载体设置在绳索502的底端，机械爪401设置在载体的底部，机械爪401由两组若干关节405构成，每个关节405的首部和尾部均设置有转轴和连接孔404，相邻两个关节405的首尾通过转轴铰接在连接孔404内，关节405内设置有用于驱动转轴转动的伺服电机。从而根据执行模块的指令进行夹紧松树树枝的操作。载体上位于机械爪401的侧部横向设置有运动槽403，曲线锯402滑动适配在运动槽403内，载体内设置有用于带动曲线锯402沿着运动槽403往复式移动的移动组件。移动组件可以为丝杠滑轨模组。

摄像头组包括摄像头一601和摄像头二602，摄像头一601和摄像头二602分别固定在智能控制主体机箱3侧面和载体侧面。摄像头一的型号为索尼fcb-ev9500m，摄像头二的型号为TOP1035H。

为了提高摄像头的摄像画面效果，摄像头一601和摄像头二602的外圈上均设置有光源组，光源组为环形LED光源及日光灯，能提高拍摄画面清晰度，实现了更高精度的识别判断。

本实施例装置的具体工作过程如下：

通过配备有机械爪401的树枝切割装置4，在飞控系统的配合控制下，实现其正常工作。

工作时，无刷电机201带动螺旋桨旋转，使无人机接近目标松树林。当无人机在松树林飞行时，摄像头组6开始工作，当发现障碍物时，将图像数据传输到智能控制主体机箱3中的无人机飞控系统，无人机飞控系统控制无刷电机201驱动螺旋桨202实现避障。

摄像头组6将数据传输到松果识别定位模块，松果识别定位模块对数据进行分析，判断是否为杂树。若是杂树，松果识别定位模块将信息转递给智能控制机箱3中的智能控制系统，智能控制系统计算出避障方案将移动信号发送给无人机飞控系统，控制无刷电机201的，使无人机实现自动避障功能。

松果识别定位模块通过安装在智能控制主体机箱3侧面的摄像头一601采集到的松树图案，识别定位其中的松果，并将相应的位置信息发送给无人机飞控系统。无人机飞控系统接收到位置信息后，经过计算，发送动作信号给无人机螺旋桨202，使无人机移动到松果所在树枝的正上方。

无人机到达指定位置后，智能控制模块通过安装于智能控制主体机箱3侧面的摄像头一601以及树枝切割装置侧面的摄像头二602采集的图像信息分析得出执行器所需调节的高度，将高度调节信号传输给执行器高度调节装置5，驱动伺服电机501，使得绕线杆503旋转，释放出悬挂树枝切割装置4的绳索502，使树枝切割装置4下降到所需切割的位置。

树枝切割装置4驱动机械爪401的电机，使机械爪401牢牢抓住需要切割的树枝。启动锯割电机，曲线锯402沿着锯的方向往复做切割动作，同时曲线锯402在移动组件的带动下沿着运动槽403移动，从而完整地切断松果所在树枝，接着释放机械爪，松果自然掉落，完成松果采摘。

当工作时处于晚上或是光照强度较弱时，智能控制系统通过收集摄像头组6发送的图像数据，经分析后发布控制指令给光源组，控制LED灯亮起的数量，为松果识别定位模块提供补充光源。

当指定区域内的所有松果采摘工作都完成后，无人机会自动飞回降落到地面上，进入休眠状态，以减少能耗，最大程度的节省电能。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人，其特征在于：包括采摘无人机机身(1)、若干无人机螺旋桨(2)、智能控制主体机箱(3)、电源系统、无人机飞控系统、松果识别定位模块、智能控制模块、树枝切割装置(4)、执行器高度调节装置(5)、摄像头组(6)，若干无人机螺旋桨(2)设置在采摘无人机机身(1)的上方，所述智能控制主体机箱(3)安装在采摘无人机机身(1)底部的支撑架上，所述电源系统、无人机飞控系统、松果识别定位模块、智能控制模块集成在智能控制主体机箱(3)内，所述松果识别定位模块用于分析摄像头组(6)采集的图像，所述无人机飞控系统用于控制无人机螺旋桨(2)，所述执行器高度调节装置(5)设置在智能控制主体机箱(3)的底部，所述执行器高度调节装置(5)用于控制树枝切割装置(4)的高度，所述树枝切割装置(4)用于切割树枝，所述智能控制模块用于控制树枝切割装置(4)、执行器高度调节装置(5)的动作。

2.根据权利要求1所述的一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人，其特征在于：所述采摘无人机机身(1)包括若干螺旋桨支撑杆(101)、无人机壳体(102)和无人机支撑架(103)，若干所述螺旋桨支撑杆(101)安装于无人机壳体(102)四周且绕其中心等角度分布，所述无人机支撑架(103)固定于无人机壳体(102)下侧，所述智能控制主体机箱(3)设置在无人机支撑架(103)上。

3.根据权利要求2所述的一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人，其特征在于：所述执行器高度调节装置(5)包括伺服电机(501)、绳索(502)、绕线杆(503)、滑轮支架(505)和若干滑轮(504)，所述滑轮支架(505)、绕线杆(503)设置在智能主体机箱(3)的底部，若干所述滑轮(504)转动连接于滑轮支架(505)上，所述绳索(502)的一端环绕于绕线杆(503)上，另一端经过并嵌于滑轮(504)中，且连接树枝切割装置(4)，所述伺服电机(501)设置在智能主体机箱(3)的底部且与绕线杆(503)的转轴相连。

4.根据权利要求3所述的一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人，其特征在于：所述树枝切割装置(4)包括载体、机械爪(401)和曲线锯(402)，所述载体设置在绳索(502)的底端，所述机械爪(401)设置在载体的底部，所述载体上位于机械爪(401)的侧部横向设置有运动槽(403)，所述曲线锯(402)滑动适配在运动槽(403)内，所述载体内设置有用于带动曲线锯(402)沿着运动槽(403)往复式移动的移动组件。

5.根据权利要求2所述的一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人，其特征在于：所述无人机螺旋桨(2)包括无刷电机(201)和螺旋桨叶片(202)，所述螺旋桨叶片(202)安装在无刷电机(201)上，所述无刷电机(201)一一安装于若干螺旋桨支撑杆(101)上。

6.根据权利要求4所述的一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人，其特征在于：所述摄像头组包括摄像头一(601)和摄像头二(602)，摄像头一(601)和摄像头二(602)分别固定在智能控制主体机箱(3)侧面和载体侧面。

7.根据权利要求6所述的一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人，其特征在于：所述摄像头一(601)和摄像头二(602)的外圈上均设置有光源组，所述光源组为环形LED光源及日光灯。

8.一种基于旋翼式无人机的松果采摘机器人的采摘方法，其特征在于，采用权利要求1～7任一项所述的松果采摘无人机，该方法包括以下步骤：

步骤一，松果识别定位模块通过安装在智能控制主体机箱侧面的摄像头一采集到的松树图案，识别定位其中的松果，并将相应的位置信息发送给无人机飞控系统；

步骤二，无人机飞控系统接收到位置信息后，经过计算，发送动作信号给无人机螺旋桨，使无人机移动到合适位置；

步骤三，无人机到达指定位置后，松果识别定位模块通过安装于智能控制主体机箱侧面以及树枝切割装置侧面的摄像头一和摄像头二采集的图像信息分析得出执行器所需调节的高度，将高度调节信号传输给执行器高度调节装置，驱动电机，使树枝切割装置到达所需切割的位置；

步骤四，树枝切割装置驱动机械爪的电机，使机械爪牢牢抓住需要切割的树枝，启动锯割电机，切断松果所在树枝，接着释放机械爪，松果自然掉落，完成松果采摘。

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