CN116126020A - 基于空天协同的茶叶采摘作业系统及作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于空天协同的茶叶采摘作业系统及作业方法，该系统包括进行通信连接的飞行器集群和调度平台；飞行器集群，用于在完成待作业茶园的巡航任务后，将观测得到的第一遥感数据和第二遥感数据发送至调度平台；调度平台，用于基于第一遥感数据和第二遥感数据，确定茶园地物位置分布信息；基于茶园地物位置分布信息，确定采茶作业路径，以供采茶装置按照采茶作业路径执行采茶作业；本发明提供的基于空天协同的茶叶采摘作业系统及作业方法，实现了在采茶装置按照采茶作业路径行进作业的过程中，能够随着垄间形态的变化进行相适配的运动，提高作业路径规划的灵活性，针对不同形态的茶园均能在一定程度上提高采茶效率。

Description

基于空天协同的茶叶采摘作业系统及作业方法

技术领域

本发明涉及智能农业技术领域，尤其涉及一种基于空天协同的茶叶采摘作业系统及作业方法。

背景技术

在整个茶叶的生产环节中，茶叶的采摘是其中的关键一环，由于其具有工作量大、季节性强和采摘期较短的特点，错过采摘期采摘则会影响到茶叶的品质，给茶农造成巨大的经济损失。

国内目前的茶叶采摘方式主要以人工为主，其具有采摘的茶叶完整度高、质量好的优点，但在采摘效率上较低，且人工采摘成本相对较高。而机械采摘相比于人工采摘茶叶，机械具有效率高、成本低的优点，能在一定程度上解决上述问题，目前市面上也有相应的机械采茶设备在采茶机作业路径规划方面灵活性较差，只能沿铺设的轨道前进，难以适应不同形态的茶园。

发明内容

本发明提供一种基于空天协同的茶叶采摘作业系统及作业方法，用以解决现有技术中作业路径规划的灵活性较差的缺陷。

本发明提供一种基于空天协同的茶叶采摘作业系统，包括进行通信连接的飞行器集群和调度平台；

所述飞行器集群，用于在完成待作业茶园的巡航任务后，将观测得到的第一遥感数据和第二遥感数据发送至所述调度平台；

所述调度平台，用于基于所述第一遥感数据和所述第二遥感数据，确定茶园地物位置分布信息；

基于茶园地物位置分布信息，确定采茶作业路径，以供所述采茶装置按照所述采茶作业路径执行采茶作业；

其中，所述第一遥感数据是所述飞行器集群中各飞行器搭载的航摄仪对所述待作业茶园地貌的反射光所感知到的遥感数据；所述第二遥感数据是所述飞行器集群中各飞行器搭载的航摄仪对所述待作业茶园中预先设置的锚点的反射光所感知到的遥感数据；所述茶园地物位置分布信息包括茶树、锚点和垄间在大地坐标系下的绝对位置信息；所述采茶作业路径包含的路径点与各垄间内的茶树位置匹配。

根据本发明提供的一种基于空天协同的茶叶采摘作业系统，所述调度平台包括路径规划终端；

所述路径规划终端，用于基于所述茶园地物位置分布信息中携带的茶树绝对位置信息，确定所述待作业茶园的产量预估值；

基于所述茶园地物位置分布信息中携带的茶树绝对位置信息和垄间绝对位置信息，以及所述产量预估值和所述采茶装置的额定载重，确定所述采茶作业路径，以供所述采茶装置在目标路径点完成采摘的实际载重达到所述额定载重后，将采摘得到的茶叶运送至茶叶存储点，并原路返回至所述目标路径点继续进行采茶作业；

其中，所述目标路径点为所述路径点中的一个或者多个；所述目标路径点的数量，与采茶装置以所述额定载重满载茶叶的状态执行运送的重量值达到所述产量预估值时所对应的运送次数相同。

根据本发明提供的一种基于空天协同的茶叶采摘作业系统，还包括一个或者多个与调度平台通信连接的采茶装置；

所述调度平台，还用于基于所述茶园地物位置分布信息中携带的茶树绝对位置信息和锚点绝对位置信息，确定第一相对位置信息；

所述采茶装置，用于利用所述第一相对位置信息对所述采茶作业路径中各路径点对应的采摘姿态进行校正，并按照校正后的采摘姿态执行采茶作业；

其中，所述第一相对位置信息为待作业茶园中各茶树相对于锚点的相对位置坐标。

根据本发明提供的一种基于空天协同的茶叶采摘作业系统，所述采茶装置包括地面运动平台、控制模块、定位模块、茶叶采摘模块组成；

所述地面运动平台，用于搭载所述控制模块和所述茶叶采摘模块行进；

所述定位模块，用于实时获取所述地面运动平台的绝对位置信息；

所述控制模块，用于在确定所述地面运动平台的绝对位置信息和所述采茶作业路径中的路径点对齐的情况下，控制所述茶叶采摘模块对当前所处路径点对应的茶树进行采茶作业。

根据本发明提供的一种基于空天协同的茶叶采摘作业系统，所述控制模块包括第一控制单元和第二控制单元；

所述第一控制单元，用于利用所述地面运动平台的绝对位置信息对所述采茶作业路径进行路径跟踪；

所述第二控制单元，用于基于地面运动平台的绝对位置信息和所述茶树绝对位置信息，确定第二相对位置信息，以控制所述茶叶采摘模块移动至所述第二相对位置信息；

其中，所述第二相对位置信息为茶叶相对于所述茶叶采摘模块的相对位置坐标。

根据本发明提供的一种基于空天协同的茶叶采摘作业系统，所述第二控制单元包括修正子单元；

所述修正子单元，用于基于所述第二相对位置信息和第三相对位置信息，得到第四相对位置信息；

基于所述第一相对位置信息和所述第四相对位置信息，对所述茶叶采摘模块的采摘姿态进行校正；

其中，所述第三相对位置信息为所述茶叶采摘模块通过与锚点进行通信所采集的所述茶叶采摘模块相对于锚点的相对位置坐标；所述第四相对位置信息为当前所处路径点对应的茶树相对于锚点的相对位置坐标。

根据本发明提供的一种基于空天协同的茶叶采摘作业系统，所述茶叶采摘模块包括采摘机械手、风机和运动构件；

所述运动构件用于控制所述采摘机械手的采摘姿态；

所述风机位于所述运动构件在所述采茶装置上的铰接处，以将采摘到的茶叶沿着所述运动构件的中空管道吸入至所述采茶机中的茶叶存储部件；

所述采摘机械手的底端敞口面积大于茶叶的圆周面积；

其中，所述采茶装置的额定载重是根据所述茶叶存储部件确定的。

本发明还提供一种基于空天协同的茶叶采摘作业系统的作业方法，包括：

飞行器集群在完成待作业茶园的巡航任务后，将观测得到的第一遥感数据和第二遥感数据发送至调度平台；

调度平台基于所述第一遥感数据和所述第二遥感数据，确定茶园地物位置分布信息；

调度平台基于茶园地物位置分布信息，确定采茶作业路径，以供所述采茶装置按照所述采茶作业路径执行采茶作业；

其中，所述第一遥感数据是所述飞行器集群中各飞行器搭载的航摄仪对所述待作业茶园地貌的反射光所感知到的遥感数据；所述第二遥感数据是所述飞行器集群中各飞行器搭载的航摄仪对所述待作业茶园中预先设置的锚点的反射光所感知到的遥感数据；所述茶园地物位置分布信息包括茶树、锚点和垄间在大地坐标系下的绝对位置信息；所述采茶作业路径包含的路径点与各垄间内的茶树位置匹配。

根据本发明提供的一种作业方法，在所述调度平台基于所述第一遥感数据和所述第二遥感数据，确定茶园地物位置分布信息之后，还包括：

所述调度平台基于所述茶园地物位置分布信息中携带的茶树绝对位置信息和锚点绝对位置信息，确定第一相对位置信息；

所述采茶装置利用所述第一相对位置信息对所述采茶作业路径中各路径点对应的采摘姿态进行校正，并按照校正后的采摘姿态执行采茶作业；

其中，所述第一相对位置信息为待作业茶园中各茶树相对于锚点的相对位置坐标。

根据本发明提供的一种作业方法，所述采茶装置利用所述第一相对位置信息对所述采茶作业路径中各路径点对应的采摘姿态进行校正，包括：

采茶装置基于第二相对位置信息和第三相对位置信息，得到第四相对位置信息；

基于所述第一相对位置信息和所述第四相对位置信息，对所述茶叶采摘模块的采摘姿态进行校正；

其中，所述第二相对位置信息为茶叶相对于茶叶采摘模块的相对位置坐标；所述第三相对位置信息为茶叶采摘模块通过与锚点进行通信所采集的所述茶叶采摘模块相对于锚点的相对位置坐标；所述第四相对位置信息为当前所处路径点对应的茶树相对于锚点的相对位置坐标。

本发明提供的基于空天协同的茶叶采摘作业系统及作业方法，基于无人机巡航过程中与茶园内的锚点之间的通信，观测到第一遥感数据和第二遥感数据，并由调度平台据此对茶叶分布区域和垄间分布区域进行探测，得到与各垄间内的茶树位置匹配多个路径点构成的采茶作业路径。实现了在采茶装置按照采茶作业路径行进作业的过程中，能够随着垄间形态的变化进行相适配的运动，提高作业路径规划的灵活性，针对不同形态的茶园均能在一定程度上提高采茶效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明提供的基于空天协同的茶叶采摘作业系统的结构示意图之一；

图2是本发明提供的基于空天协同的茶叶采摘作业系统的结构示意图之二；

图3是本发明提供的作业方法的流程示意图之一；

图4是本发明提供的作业方法的流程示意图之二。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

图1是本发明提供的基于空天协同的茶叶采摘作业系统的结构示意图之一。如图1所示，本发明实施例提供的基于空天协同的茶叶采摘作业系统，包括进行通信连接的飞行器集群110和调度平台120。

所述飞行器集群110，用于在完成待作业茶园的巡航任务后，将观测得到的第一遥感数据和第二遥感数据发送至所述调度平台。

其中，所述第一遥感数据是所述飞行器集群110中各飞行器搭载的航摄仪对所述待作业茶园地貌的反射光所感知到的遥感数据。所述第二遥感数据是所述飞行器集群110中各飞行器搭载的航摄仪对所述待作业茶园中预先设置的锚点的反射光所感知到的遥感数据。

需要说明的是，用户需要预先根据待作业茶园的面积，在茶园内等间隔的设定可视性强的锚点，以通过锚点和飞行器集群110之间进行实时通信，完成飞行器集群110对待作业茶园内的地物的观测任务。

具体地，飞行器集群110由至少一个飞行器所形成的组网构成。飞行器集群110中所有无人机起飞后各自执行对整个待作业茶园的巡航任务，将无人机自身搭载的遥感设备对待作业茶园内的地物进行观测。并在无人机降落后，将各自采集到的第一遥感数据和第二遥感数据发送给远程的调度平台120。

其中，第一遥感数据，是指飞行器起飞后，其搭载的航摄仪对地面中的茶树和垄间分布情况进行监控所采集的遥感数据，并在采集时刻记录各茶树和垄间所对应的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)位置信息。第一遥感数据用于反映飞行器飞行过程中途径的各地理位置的茶树和垄间分布情况。

第二遥感数据，是指飞行器起飞后，其搭载的航摄仪对地面中的锚点进行通信所采集的遥感数据，并在采集时刻记录各锚点所对应的全球定位系统(Global PositioningSystem，GPS)位置信息。第二遥感数据用于反映飞行器飞行过程中途径的各地理位置的锚点分布情况。

本发明实施例对航摄仪的种类和布设位置不做具体限定。

示例性地，航摄仪可以为面阵光学仪器、线阵光学仪器、光谱类仪器或者雷达类仪器。

优选地，航摄仪安装在稳定飞行器上，保证相机镜头垂直向下，通过放弃对影像的姿态校正，以使得基于空天协同的茶叶采摘作业系统仅对由飞行高度变换造成的分辨率不同(地物缩放)、旋转以及平移产生的变形进行处理，以达到在用少量时间实现传感数据的几何校正。

可以理解的是，本发明实施例中的基于空天协同的茶叶采摘作业系统的应用场景，不影响按正常程序开展航空遥感数据生产与信息提取的工作。

所述调度平台120，用于基于所述第一遥感数据和所述第二遥感数据，确定茶园地物位置分布信息。

基于茶园地物位置分布信息，确定采茶作业路径，以供所述采茶装置按照所述采茶作业路径执行采茶作业。

其中，所述茶园地物位置分布信息包括茶树、锚点和垄间在大地坐标系下的绝对位置信息。所述采茶作业路径包含的路径点与各垄间内的茶树位置匹配。

具体地，调度平台120通过无线通信技术接收第一遥感数据和第二遥感数据，先根据第一遥感数据和第二遥感数据对茶树、锚点和垄间在待作业茶园中的分布进行识别，将所生成的各茶树、锚点和垄间在大地坐标系中的绝对位置坐标整合至茶园地物位置分布信息。再结合茶园地物位置分布信息中的茶树绝对位置信息和垄间绝对位置信息，规划出一条与垄间在空间中的延展形态高度契合的采茶作业路径，并将采茶作业路径发送给采茶装置。

其中，无线通信技术包括但不限于WIFI无线蜂窝信号(2G、3G、4G、5G)。

采茶装置接收到采茶作业路径，沿着垄间的延伸方向，依次运动至各路径点时，控制采茶装置的执行机构移动至该路径点所涵盖的一棵或者多棵茶树在大地坐标系下的绝对位置信息，以分别对茶树执行采茶作业。并对采茶作业过程中所收集的茶叶重量实施监控，当其重量达到采茶装置的额定载重后，就将茶叶倾倒至存储点后继续进行采茶作业。

其中，在固定作业距离下，对路径点设置匹配的茶树数量越多，其对应的采茶作业路径中所包含的路径点数量越少。

本发明实施例基于无人机巡航过程中与茶园内的锚点之间的通信，观测到第一遥感数据和第二遥感数据，并由调度平台据此对茶叶分布区域和垄间分布区域进行探测，得到与各垄间内的茶树位置匹配多个路径点构成的采茶作业路径。实现了在采茶装置按照采茶作业路径行进作业的过程中，能够随着垄间形态的变化进行相适配的运动，提高作业路径规划的灵活性，针对不同形态的茶园均能在一定程度上提高采茶效率。

在上述任一实施例的基础上，所述调度平台120包括路径规划终端。

所述路径规划终端，用于基于所述茶园地物位置分布信息中携带的茶树绝对位置信息，确定所述待作业茶园的产量预估值。

基于所述茶园地物位置分布信息中携带的茶树绝对位置信息和垄间绝对位置信息，以及所述产量预估值和所述采茶装置的额定载重，确定所述采茶作业路径，以供所述采茶装置在目标路径点完成采摘的实际载重达到所述额定载重后，将采摘得到的茶叶运送至茶叶存储点，并原路返回至所述目标路径点继续进行采茶作业。

其中，所述目标路径点为所述路径点中的一个或者多个。所述目标路径点的数量，与采茶装置以所述额定载重满载茶叶的状态执行运送的重量值达到所述产量预估值时所对应的运送次数相同。

具体地，调度平台120至少包括一台路径规划终端，该路径规划终端用于执行更精细的路径规划。

路径规划终端先将茶园地物位置分布信息中携带的茶树绝对位置信息，对待作业茶园的生产规模进行识别，得到该茶园在相应的生产规模下的产量预估值。

再利用茶园中的茶树绝对位置信息和垄间绝对位置信息规划路径时，结合产量预估值和采茶装置的额定载重，将采茶装置行进至某一路径点所累计收集的茶叶重量达到额定载重时，移动至茶叶存储点进行验收满载作业情况后，重新回到该路径点继续执行采茶作业的过程融合至规划出的采茶作业路径。

其中，本发明实施例对采茶作业路径中路径点的设置方式不作具体限定。

示例性地，采茶作业路径中的路径点可以均处于垄间沿线上，在根据采茶装置以满载状态运送至茶叶存储点的累计重量达到产量预估值时所对应的运送次数确定目标路径点的数量n后，将采茶作业路径划分成n段行程，对于每一段行程，在采茶装置到达起始路径点时载重为0，而在该点开始依次执行采茶作业后，当在终止路径点完成采茶作业时，其载重刚好处于额定值可接受的公差范围内。则将该段行程的终止路径点标记为目标路径点，在实际作业过程中，摘茶装置的载重在该目标路径点下达到额定值，并记录下当前目标路径点所对应的位置信息，然后到达茶叶存储点完成验收后返回至记录点继续进行采茶作业。

示例性地，采茶作业路径包括处于垄间沿线上作业路线，还包括各目标路径点与茶叶存储点之间的运送路线。在根据采茶装置以满载状态运送至茶叶存储点的累计重量达到产量预估值时所对应的运送次数确定目标路径点的数量n后，将采茶作业路径划分成n段作业行程，并在相邻两段作业行程之间插入一个运送路线。在实际作业过程中，摘茶装置的载重在一段作业行程下目标路径点达到额定值，并记录下当前目标路径点所对应的位置信息，然后该目标路径点到茶叶存储点的运送路线到达茶叶存储点完成验收后，按照该运送路线原路返回至记录点继续进行采茶作业。

本发明实施例基于茶叶在茶园中的分布情况预估茶园产量，结合茶叶和垄间在茶园中的分布位置，以及采茶装置的额定载重进行路径规划。能够将采茶装置达到载重后往返于茶叶存储点进行单次验收的过程考虑到路径规划中，实现了关于采茶作业路径的规划与垄间形态相适配的同时，还能根据不同地块采摘任务量的不同而对作业任务进行整体规划，提升采摘效率。

图2是本发明提供的基于空天协同的茶叶采摘作业系统的结构示意图之二。在上述任一实施例的基础上，如图2所示，本发明实施例提供的基于空天协同的茶叶采摘作业系统，还包括一个或者多个与调度平台220通信连接的采茶装置230。

具体地，调度平台220通过无线通信技术将采茶作业路径发送给采茶装置230，以供采茶装置230按照采茶作业路径执行作业。

其中，无线通信技术包括但不限于WIFI无线蜂窝信号(2G、3G、4G、5G)。

所述调度平台220，还用于基于所述茶园地物位置分布信息中携带的茶树绝对位置信息和锚点绝对位置信息，确定第一相对位置信息。

其中，所述第一相对位置信息为待作业茶园中各茶树相对于锚点的相对位置坐标。

具体地，调度平台220将利用对飞行器集群210传输的传感数据解析得到的茶树绝对位置信息和锚点绝对位置信息进行坐标系转换，将茶树相对于就近锚点的相对位置坐标作为第一相对位置信息下发至采茶装置230。

所述采茶装置230，用于利用所述第一相对位置信息对所述采茶作业路径中各路径点对应的采摘姿态进行校正，并按照校正后的采摘姿态执行采茶作业。

具体地，在采茶装置230行进至采茶作业路径中路径点所指示的茶树与茶园的绝对位置坐标时，利用第一相对位置信息所指示的茶树与锚点的相对位置关系，对茶树中的枝叶与采茶装置230中切割执行机构的位置关系进行修正，并控制切割执行机构依次移动至修正后的位置，以相适配的姿态对该位置下的茶树枝叶进行剪切，直至遍历完所有位置完成对该茶树的采茶作业。

本发明实施例在基于无人机巡航过程中与茶园内的锚点之间的通信进行观测后，由调度平台利用茶叶和垄间在大地坐标系的绝对位置进行路径规划的同时，还将利用茶叶和锚点在大地坐标系的绝对位置解算出第一相对位置信息，以供采茶装置在按照采茶作业路径行进的过程中，利用第一相对位置信息对各路径点对应的采摘姿态进行校正。能够通过调度平台分别与飞行器集群和采茶装置的协作，利用不同坐标系下的绝对坐标及相对坐标对待采摘茶叶的精准识别和定位，实现采茶装置灵活、精准的完成茶叶采摘任务，提高了采茶装置的精准度和智能化程度的同时，还提高茶叶采摘的效率。

在上述任一实施例的基础上，所述采茶装置230包括地面运动平台、控制模块、定位模块、茶叶采摘模块组成。

所述地面运动平台，用于搭载所述控制模块和所述茶叶采摘模块行进。

所述定位模块，用于实时获取所述地面运动平台的绝对位置信息。

所述控制模块，用于在确定所述地面运动平台的绝对位置信息和所述采茶作业路径中的路径点对齐的情况下，控制所述茶叶采摘模块对当前所处路径点对应的茶树进行采茶作业。

具体地，采茶装置230是由地面运动平台搭载着通信连接的控制模块、定位模块和茶叶采摘模块组成的。

其中，地面运动平台主要由运动底盘、安装支架、茶叶存储部件组成。运动底盘为整体的运动部分，也是其他部件的装载平台，其上固定着安装支架。安装支架上搭载着控制模块、定位模块和茶叶采摘模块。

采茶装置230接收到调度平台220下发的采茶作业路径，由控制模块控制地面运动平台开始进地作业。其内置的定位模块也开始工作，定位模块实时获取地面运动平台在大地坐标系下的绝对位置信息，并将该信息传给控制模块。以供控制模块利用接收到的地面运动平台的绝对位置信息输出车辆的运动转角，当到达指定路径点时，以通过地面运动平台执行对应运动转角后的位置坐标和路径点坐标处于同一水平线且之间的距离不超公差上限的对齐状态实现地面运动平台的路径跟踪。

同时，控制模块还利用根据第一相对位置信息修正后的采摘姿态控制茶叶采摘模块靠近茶叶，使茶叶采摘模块精准到达茶叶上方并处于同一垂直线，进而完成采茶作业。

本发明实施例在控制模块接收到调度平台下发信息后，在控制地面运动平台按照采茶作业路径的行进过程中，通过定位模块获取的地面运动平台的绝对位置信息控制地面运动平台靠近指定路径点后，利用第一相对位置信息对茶叶采摘模块的采摘姿态进行修正，使其更精准的到达茶叶上方。实现采茶装置灵活、精准的完成茶叶采摘任务，提高了采茶装置的精准度和智能化程度。

在上述任一实施例的基础上，控制模块包括第一控制单元和第二控制单元。

所述第一控制单元，用于利用所述地面运动平台的绝对位置信息对所述采茶作业路径进行路径跟踪。

所述第二控制单元，用于基于地面运动平台的绝对位置信息和所述茶树绝对位置信息，确定第二相对位置信息，以控制所述茶叶采摘模块移动至所述第二相对位置信息。

其中，所述第二相对位置信息为茶叶相对于所述茶叶采摘模块的相对位置坐标。

具体地，控制模块由分别分管地面运动平台的第一控制单元，以及分管茶叶采摘模块的第二控制单元构成，其中：

第一控制单元与调度平台220通信连接。第一控制单元内置路径跟踪算法，在第一控制单元接收到调度平台220发送来的采茶作业路径，结合定位模块发送的地面运动平台的绝对位置信息，依据内置的路径跟踪控制程序输出地面运动平台的舵角，以使得输出的舵角与路径点所指示的位置信息匹配。

第二控制单元分别与定位模块、调度平台220和第一控制单元通信连接。第二控制单元在通过第一控制单元获知采茶装置处于某一路径点时，利用地面运动平台的绝对位置信息、编码器实时监控到茶叶采摘模块相对于采茶装置的相对位置坐标和调度平台220下发的茶树绝对位置信息，将换算出的该茶树中的各类型茶叶与茶叶采摘模块的相对位置关系作为第二相对位置信息输出，以控制茶叶采摘模块移动至第二相对位置信息靠近茶树上对应位置的茶叶。

本发明实施例在控制模块分别为地面运动平台和茶叶采摘模块设置两个独立的控制单元，以在第一控制单元控制地面运动平台按照采茶作业路径靠近指定路径点的同时，还通过第二控制单元结合地面运动平台的绝对位置信息和所述茶树绝对位置信息，并以生成的茶叶相对于所述茶叶采摘模块的相对位置坐标控制茶叶采摘模块靠近茶叶。能够提高采茶装置执行作业时的精准度和智能化程度。

在上述任一实施例的基础上，所述第二控制单元包括修正子单元。

所述修正子单元，用于基于所述第二相对位置信息和第三相对位置信息，得到第四相对位置信息。

基于所述第一相对位置信息和所述第四相对位置信息，对所述茶叶采摘模块的采摘姿态进行校正。

其中，所述第三相对位置信息为所述茶叶采摘模块通过与锚点进行通信所采集的所述茶叶采摘模块相对于锚点的相对位置坐标；所述第四相对位置信息为当前所处路径点对应的茶树相对于锚点的相对位置坐标。

具体地，第二控制单元通过修正子单元嵌入相应的姿态修正算法，其算法的执行逻辑为：

修正子单元利用第二相对位置信息中所指示的茶叶相对于所述茶叶采摘模块的相对位置坐标，结合实时与锚点通信得到的第二控制单元所指示的茶叶采摘模块相对于锚点的相对位置信息，将换算出的当前所处路径点对应的茶树中的茶叶相对于锚点的相对位置坐标作为第四相对位置信息输出。

紧接着，利用第四相对位置信息所指示的当前所处路径点对应的茶树中的茶叶相对于锚点的相对位置坐标，对第一相对位置信息所指示的茶叶采摘模块相对于锚点的相对位置坐标进行修正，使二者尽量处于同一条垂直线上，并且两个坐标的之间的纵向距离尽量小。

本发明实施例基于茶叶采摘模块与锚点之间的通信，使第二控制单元利用通信传输的第三相对位置信息和第二相对位置信息换算出第四相对位置信息，通过尽量减小第一相对位置信息和第四相对位置信息在竖直方向上的距离差，使茶叶采摘模块到达茶叶的正上方。能够提高采茶装置执行作业时的精准度。

在上述任一实施例的基础上，茶叶采摘模块包括采摘机械手、风机和运动构件。

所述运动构件用于控制所述采摘机械手的采摘姿态。

所述风机位于所述运动构件在所述采茶装置上的铰接处，以将采摘到的茶叶沿着所述运动构件的中空管道吸入至所述采茶机中的茶叶存储部件。

所述采摘机械手的底端敞口面积大于茶叶的圆周面积。

其中，所述采茶装置的额定载重是根据所述茶叶存储部件确定的。

具体地，茶叶采摘模块由采摘机械手、风机和运动构件组成，其中：

运动构件一端连接在采茶装置上，另一端连接采摘机械手。运动构件具有多自由度，可准确到达一定范围内的任一三维坐标点，其内部为中空的管道，用于茶叶的收集。

风机位于运动构件与采茶装置的连接处，在茶茎被切断时启动，将茶叶吸入采茶机上的茶叶存储部件。

采摘机械手为“倒漏斗状”，其末端安装切齿，通过切齿的闭合切断茶茎。“漏斗”底端尺寸大于茶叶的圆周尺寸，这种设计一方面可以提高定位模块的定位容错率，另一方面可将茶叶完整包裹，完成采摘动作后采用吸入式方法将茶叶收集到茶叶存储部件。

本发明实施例基于运动构件将采摘机械手位置固定后，切齿开始闭合，完成茶茎的切断任务。茶茎被切断后，风机开启，将切断的茶叶吸入到茶叶存储部件。能够将一定范围内的茶叶完整包裹在其笼罩范围内，并以吸入式方法降低定位容错率，减少采摘手往返动作的频率，提高茶叶采摘的效率。

图3是本发明提供的作业方法的流程示意图之一。在上述任一实施例的基础上，如图3所示，本发明实施例提供的基于空天协同的茶叶采摘作业系统的作业方法，包括：

步骤301、飞行器集群在完成待作业茶园的巡航任务后，将观测得到的第一遥感数据和第二遥感数据发送至调度平台。

其中，所述第一遥感数据是所述飞行器集群中各飞行器搭载的航摄仪对所述待作业茶园地貌的反射光所感知到的遥感数据。所述第二遥感数据是所述飞行器集群中各飞行器搭载的航摄仪对所述待作业茶园中预先设置的锚点的反射光所感知到的遥感数据。

需要说明的是，在步骤301之前，飞行器集群的处理芯片接收到调度平台的启动指令，使所有无人机起飞后各自执行对整个待作业茶园的巡航任务，将无人机自身搭载的遥感设备对待作业茶园内的地物进行观测。

具体地，在步骤301中，在飞行器集群降落后，将各自采集到的第一遥感数据和第二遥感数据发送给远程的调度平台所依托运行的电子设备。

其中，第一遥感数据用于反映飞行器飞行过程中途径的各地理位置的茶树和垄间分布情况。

第二遥感数据用于反映飞行器飞行过程中途径的各地理位置的锚点分布情况。

步骤302、调度平台基于所述第一遥感数据和所述第二遥感数据，确定茶园地物位置分布信息。

其中，所述茶园地物位置分布信息包括茶树、锚点和垄间在大地坐标系下的绝对位置信息。

具体地，在步骤302中，调度平台所依托运行的电子设备通过无线通信技术接收第一遥感数据和第二遥感数据，先根据第一遥感数据和第二遥感数据对茶树、锚点和垄间在待作业茶园中的分布进行识别，将所生成的各茶树、锚点和垄间在大地坐标系中的绝对位置坐标整合至茶园地物位置分布信息。

步骤303、所述调度平台基于茶园地物位置分布信息，确定采茶作业路径，以供所述采茶装置按照所述采茶作业路径执行采茶作业。

其中，所述采茶作业路径包含的路径点与各垄间内的茶树位置匹配。

具体地，在步骤303中，调度平台所依托运行的电子设备结合茶园地物位置分布信息中的茶树绝对位置信息和垄间绝对位置信息，规划出一条与垄间在空间中的延展形态高度契合的采茶作业路径，并将采茶作业路径发送给采茶装置。

采茶装置接收到采茶作业路径，沿着垄间的延伸方向，依次运动至各路径点时，控制采茶装置的执行机构移动至该路径点所涵盖的一棵或者多棵茶树在大地坐标系下的绝对位置信息，以分别对茶树执行采茶作业。并对采茶作业过程中所收集的茶叶重量实施监控，当其重量达到采茶装置的额定载重后，就将茶叶倾倒至存储点后继续进行采茶作业。

本发明实施例基于无人机巡航过程中与茶园内的锚点之间的通信，观测到第一遥感数据和第二遥感数据，并由调度平台据此对茶叶分布区域和垄间分布区域进行探测，得到与各垄间内的茶树位置匹配多个路径点构成的采茶作业路径。实现了在采茶装置按照采茶作业路径行进作业的过程中，能够随着垄间形态的变化进行相适配的运动，提高作业路径规划的灵活性，针对不同形态的茶园均能在一定程度上提高采茶效率。

在上述任一实施例的基础上，在所述调度平台基于所述第一遥感数据和所述第二遥感数据，确定茶园地物位置分布信息之后，还包括：所述调度平台基于所述茶园地物位置分布信息中携带的茶树绝对位置信息和锚点绝对位置信息，确定第一相对位置信息。

其中，所述第一相对位置信息为待作业茶园中各茶树相对于锚点的相对位置坐标。

具体地，在步骤302之后，调度平台所依托运行的电子设备将利用对飞行器集群的处理芯片传输的传感数据解析得到的茶树绝对位置信息和锚点绝对位置信息进行坐标系转换，将茶树相对于就近锚点的相对位置坐标作为第一相对位置信息下发至采茶装置。

所述采茶装置利用所述第一相对位置信息对所述采茶作业路径中各路径点对应的采摘姿态进行校正，并按照校正后的采摘姿态执行采茶作业。

具体地，在采茶装置230行进至采茶作业路径中路径点所指示的茶树与茶园的绝对位置坐标时，利用第一相对位置信息所指示的茶树与锚点的相对位置关系，对茶树中的枝叶与采茶装置230中切割执行机构的位置关系进行修正，并控制切割执行机构依次移动至修正后的位置，以相适配的姿态对该位置下的茶树枝叶进行剪切，直至遍历完所有位置完成对该茶树的采茶作业。

本发明实施例在基于无人机巡航过程中与茶园内的锚点之间的通信进行观测后，由调度平台利用茶叶和垄间在大地坐标系的绝对位置进行路径规划的同时，还将利用茶叶和锚点在大地坐标系的绝对位置解算出第一相对位置信息，以供采茶装置在按照采茶作业路径行进的过程中，利用第一相对位置信息对各路径点对应的采摘姿态进行校正。能够通过调度平台分别与飞行器集群和采茶装置的协作，利用不同坐标系下的绝对坐标及相对坐标对待采摘茶叶的精准识别和定位，实现采茶装置灵活、精准的完成茶叶采摘任务，提高了采茶装置的精准度和智能化程度的同时，还提高茶叶采摘的效率。

在上述任一实施例的基础上，所述采茶装置利用所述第一相对位置信息对所述采茶作业路径中各路径点对应的采摘姿态进行校正，包括：采茶装置基于第二相对位置信息和第三相对位置信息，得到第四相对位置信息。

其中，所述第二相对位置信息为茶叶相对于茶叶采摘模块的相对位置坐标。所述第三相对位置信息为茶叶采摘模块通过与锚点进行通信所采集的所述茶叶采摘模块相对于锚点的相对位置坐标。所述第四相对位置信息为当前所处路径点对应的茶树相对于锚点的相对位置坐标。

需要说明的是，采茶装置是由地面运动平台搭载着通信连接的控制模块、定位模块和茶叶采摘模块组成的。

故在此之前，需要采茶装置的控制器在获知采茶装置处于某一路径点时，利用地面运动平台的绝对位置信息、内置编码器实时监控到茶叶采摘模块相对于采茶装置的相对位置坐标和调度平台所依托运行的电子设备下发的茶树绝对位置信息，将换算出的该茶树中的各类型茶叶与茶叶采摘模块的相对位置关系作为第二相对位置信息输出，以控制茶叶采摘模块移动至第二相对位置信息，以控制茶叶采摘模块移动至第二相对位置信息靠近茶树上对应位置的茶叶。

具体地，采茶装置的控制器利用第二相对位置信息中所指示的茶叶相对于所述茶叶采摘模块的相对位置坐标，结合实时与锚点通信得到的第二控制单元所指示的茶叶采摘模块相对于锚点的相对位置信息，将换算出的当前所处路径点对应的茶树中的茶叶相对于锚点的相对位置坐标作为第四相对位置信息输出。

基于所述第一相对位置信息和所述第四相对位置信息，对所述茶叶采摘模块的采摘姿态进行校正。

具体地，采茶装置的控制器利用第四相对位置信息所指示的当前所处路径点对应的茶树中的茶叶相对于锚点的相对位置坐标，对第一相对位置信息所指示的茶叶采摘模块相对于锚点的相对位置坐标进行修正，使二者尽量处于同一条垂直线上，并且两个坐标的之间的纵向距离尽量小。

示例性地，图4是本发明提供的作业方法的流程示意图之二。如图4所示，本发明实施例给出一种作业方法的完整实施方式：

飞行器集群探测茶园结束后，将观测得到的第一遥感数据和第二遥感数据传输至调度平台。

调度平台利用第一遥感数据和第二遥感数据识别出茶园中的垄间、待采茶叶分布，生成待采茶叶、锚点、垄间的绝对位置坐标(即茶园地物位置分布信息)，以及待采茶叶相对于锚点的相对位置坐标(即第一相对位置信息)，并将上述两种位置信息发送给采茶装置。

同时，调度平台根据识别出的待采茶叶，预估茶园的茶叶产量，结合待采茶叶的分布情况、垄间位置和采茶装置的额定载重，规划出一条最优的地面装置的采茶作业路径，并将采茶作业路径发送给采茶装置。

采茶装置接收到采茶作业路径后开始进地作业，根据依据接收到的采茶作业路径控制采茶装置行走，当采茶装置到达指定路径点后，若获知采茶装置在该路径点所累计的载重还未达到额定值，及说明未完成一次执行完整的采茶作业，则依据采茶装置当前的绝对位置、采摘机械手与采茶装置之间的相对位置控制采摘机械手靠近茶叶，再利用采摘机械手相对于茶园锚点的位置信息对采摘手位置进行修正，从而更精准的到达茶叶上方，将茶叶包裹起来。

采摘机械手位置固定后，切齿开始闭合，完成茶茎的切断任务。茶茎被切断后，风机开启，将切断的茶叶吸入到茶叶存储部件。然后采茶机开始下一路径点的采摘，重复上述过程。

直至采茶装置在对应的目标路径点处所累计的载重达到额定值后，由采茶装置记录当前的目标路径点，然后将沿着规划的运送路线将茶叶送至茶叶存储点，并按原路返回至目标路径点，继续进行下一路程的采茶作业。

本发明实施例基于采茶装置与锚点之间的通信，以利用通信传输的第三相对位置信息和第二相对位置信息换算出第四相对位置信息，通过尽量减小第一相对位置信息和第四相对位置信息在竖直方向上的距离差，使茶叶采摘模块到达茶叶的正上方。能够提高采茶装置执行作业时的精准度。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于空天协同的茶叶采摘作业系统，其特征在于，包括进行通信连接的飞行器集群和调度平台；

所述飞行器集群，用于在完成待作业茶园的巡航任务后，将观测得到的第一遥感数据和第二遥感数据发送至所述调度平台；

所述调度平台，用于基于所述第一遥感数据和所述第二遥感数据，确定茶园地物位置分布信息；

基于茶园地物位置分布信息，确定采茶作业路径，以供所述采茶装置按照所述采茶作业路径执行采茶作业；

其中，所述第一遥感数据是所述飞行器集群中各飞行器搭载的航摄仪对所述待作业茶园地貌的反射光所感知到的遥感数据；所述第二遥感数据是所述飞行器集群中各飞行器搭载的航摄仪对所述待作业茶园中预先设置的锚点的反射光所感知到的遥感数据；所述茶园地物位置分布信息包括茶树、锚点和垄间在大地坐标系下的绝对位置信息；所述采茶作业路径包含的路径点与各垄间内的茶树位置匹配。

2.根据权利要求1所述的基于空天协同的茶叶采摘作业系统，其特征在于，所述调度平台包括路径规划终端；

所述路径规划终端，用于基于所述茶园地物位置分布信息中携带的茶树绝对位置信息，确定所述待作业茶园的产量预估值；

基于所述茶园地物位置分布信息中携带的茶树绝对位置信息和垄间绝对位置信息，以及所述产量预估值和所述采茶装置的额定载重，确定所述采茶作业路径，以供所述采茶装置在目标路径点完成采摘的实际载重达到所述额定载重后，将采摘得到的茶叶运送至茶叶存储点，并原路返回至所述目标路径点继续进行采茶作业；

其中，所述目标路径点为所述路径点中的一个或者多个；所述目标路径点的数量，与采茶装置以所述额定载重满载茶叶的状态执行运送的重量值达到所述产量预估值时所对应的运送次数相同。

3.根据权利要求1所述的基于空天协同的茶叶采摘作业系统，其特征在于，还包括一个或者多个与调度平台通信连接的采茶装置；

所述调度平台，还用于基于所述茶园地物位置分布信息中携带的茶树绝对位置信息和锚点绝对位置信息，确定第一相对位置信息；

所述采茶装置，用于利用所述第一相对位置信息对所述采茶作业路径中各路径点对应的采摘姿态进行校正，并按照校正后的采摘姿态执行采茶作业；

其中，所述第一相对位置信息为待作业茶园中各茶树相对于锚点的相对位置坐标。

4.根据权利要求3所述的基于空天协同的茶叶采摘作业系统，其特征在于，所述采茶装置包括地面运动平台、控制模块、定位模块、茶叶采摘模块组成；

所述地面运动平台，用于搭载所述控制模块和所述茶叶采摘模块行进；

所述定位模块，用于实时获取所述地面运动平台的绝对位置信息；

所述控制模块，用于在确定所述地面运动平台的绝对位置信息和所述采茶作业路径中的路径点对齐的情况下，控制所述茶叶采摘模块对当前所处路径点对应的茶树进行采茶作业。

5.根据权利要求4所述的基于空天协同的茶叶采摘作业系统，其特征在于，所述控制模块包括第一控制单元和第二控制单元；

所述第一控制单元，用于利用所述地面运动平台的绝对位置信息对所述采茶作业路径进行路径跟踪；

所述第二控制单元，用于基于地面运动平台的绝对位置信息和所述茶树绝对位置信息，确定第二相对位置信息，以控制所述茶叶采摘模块移动至所述第二相对位置信息；

其中，所述第二相对位置信息为茶叶相对于所述茶叶采摘模块的相对位置坐标。

6.根据权利要求5所述的基于空天协同的茶叶采摘作业系统，其特征在于，所述第二控制单元包括修正子单元；

所述修正子单元，用于基于所述第二相对位置信息和第三相对位置信息，得到第四相对位置信息；

基于所述第一相对位置信息和所述第四相对位置信息，对所述茶叶采摘模块的采摘姿态进行校正；

其中，所述第三相对位置信息为所述茶叶采摘模块通过与锚点进行通信所采集的所述茶叶采摘模块相对于锚点的相对位置坐标；所述第四相对位置信息为当前所处路径点对应的茶树相对于锚点的相对位置坐标。

7.根据权利要求4所述的基于空天协同的茶叶采摘作业系统，其特征在于，所述茶叶采摘模块包括采摘机械手、风机和运动构件；

所述运动构件用于控制所述采摘机械手的采摘姿态；

所述风机位于所述运动构件在所述采茶装置上的铰接处，以将采摘到的茶叶沿着所述运动构件的中空管道吸入至所述采茶机中的茶叶存储部件；

所述采摘机械手的底端敞口面积大于茶叶的圆周面积；

其中，所述采茶装置的额定载重是根据所述茶叶存储部件确定的。

8.根据权利要求1至7任一所述的基于空天协同的茶叶采摘作业系统的作业方法，其特征在于，包括：

飞行器集群在完成待作业茶园的巡航任务后，将观测得到的第一遥感数据和第二遥感数据发送至调度平台；

调度平台基于所述第一遥感数据和所述第二遥感数据，确定茶园地物位置分布信息；

调度平台基于茶园地物位置分布信息，确定采茶作业路径，以供所述采茶装置按照所述采茶作业路径执行采茶作业；

其中，所述第一遥感数据是所述飞行器集群中各飞行器搭载的航摄仪对所述待作业茶园地貌的反射光所感知到的遥感数据；所述第二遥感数据是所述飞行器集群中各飞行器搭载的航摄仪对所述待作业茶园中预先设置的锚点的反射光所感知到的遥感数据；所述茶园地物位置分布信息包括茶树、锚点和垄间在大地坐标系下的绝对位置信息；所述采茶作业路径包含的路径点与各垄间内的茶树位置匹配。

9.根据权利要求8所述的作业方法，其特征在于，在所述调度平台基于所述第一遥感数据和所述第二遥感数据，确定茶园地物位置分布信息之后，还包括：

所述调度平台基于所述茶园地物位置分布信息中携带的茶树绝对位置信息和锚点绝对位置信息，确定第一相对位置信息；

所述采茶装置利用所述第一相对位置信息对所述采茶作业路径中各路径点对应的采摘姿态进行校正，并按照校正后的采摘姿态执行采茶作业；

其中，所述第一相对位置信息为待作业茶园中各茶树相对于锚点的相对位置坐标。

10.根据权利要求9所述的作业方法，其特征在于，所述采茶装置利用所述第一相对位置信息对所述采茶作业路径中各路径点对应的采摘姿态进行校正，包括：

采茶装置基于第二相对位置信息和第三相对位置信息，得到第四相对位置信息；

基于所述第一相对位置信息和所述第四相对位置信息，对所述茶叶采摘模块的采摘姿态进行校正；

其中，所述第二相对位置信息为茶叶相对于茶叶采摘模块的相对位置坐标；所述第三相对位置信息为茶叶采摘模块通过与锚点进行通信所采集的所述茶叶采摘模块相对于锚点的相对位置坐标；所述第四相对位置信息为当前所处路径点对应的茶树相对于锚点的相对位置坐标。

Images