一种果园采摘拖拉机的运输控制系统及联动控制方法

摘要

本发明提供了一种果园采摘拖拉机的运输控制系统及联动控制方法，包括拖拉机、拖车组，环境感知模块、信息模块和智能决策模块；所述环境感知模块包括拖拉机超声波雷达和拖拉机深度识别相机；所述智能决策模块根据拖拉机深度识别相机获取的果树的结果位置图像计算出需要采摘的果实的空间坐标；所述智能决策模块根据需要采摘的果实的空间坐标、拖拉机的速度、机械臂与水平面所成夹角θ、拖拉机与果树的距离和拖拉机的位置信息控制拖拉机、升降平台和采摘机械臂联动；所述智能决策模块根据拖车与拖拉机定位信息、拖车的速度、拖车中装载水果的重量和拖车的位置信息控制拖车的移动。本发明可提高果园采摘的效率，减轻果园工作的负担。

说明书

技术领域

本发明涉及农林设备领域或者采摘设备领域，特别涉及一种果园采摘拖拉机的运输控制系统及联动控制方法。

背景技术

近年来，国内智能控制发展十分迅速，在农业机械领域也有广泛的应用，农业机械的智能化逐渐能为广泛的关注点，智能采摘机也逐渐成为研究的热点。随着我国城镇化工业化程度的快速提高，我国农业人口大幅减少，在农业种植时无法投入足够人工进入工作，而且因为农业人口的老龄化逐渐加重，农业种植从业人员大多无法进行大体力劳动。本领域内智能驾驶、视觉识别技术逐渐成熟，技术人员希望有一种自动运输水果的智能农机能够使智能运输水果成为可能，帮助农业从业人口减轻劳动负担，提高劳动效率，降低人工成本，使人力能够在更需要人参与的果实采摘环节发挥作用。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种果园采摘拖拉机的运输控制系统及联动控制方法，提高果园采摘的效率，减轻果园工作的负担。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种果园采摘拖拉机的运输控制系统，包括拖拉机、拖车组，环境感知模块、信息模块和智能决策模块；所述拖拉机上通过升降平台安装采摘机械臂，所述拖拉机通过拖拉机背板连接拖车组，所述拖车组至少包括1个拖车；

所述环境感知模块包括拖拉机超声波雷达和拖拉机深度识别相机；所述拖拉机超声波雷达用于检测拖拉机与果树的距离；所述拖拉机深度识别相机用于采集果树的结果位置图像；

所述信息模块包括拖拉机车速传感器、拖拉机GPS传感器、拖车车速传感器、拖车超声波雷达、拖车GPS传感器、拖车重力传感器、UWB传感器和水平仪传感器；所述拖拉机车速传感器用于测量拖拉机的车速；所述拖拉机GPS传感器用于定位拖拉机的位置信息；所述拖车车速传感器用于测量拖车的速度；所述拖车超声波雷达用于检测拖拉机与拖车的距离；所述UWB传感器安装在拖车与拖拉机背板之间，用于定位拖车和拖拉机；所述拖车GPS传感器用于定位拖车的位置信息；拖车重力传感器用于测量拖车中装载水果的重量；所述水平仪传感器用于测量机械臂与水平面所成夹角θ；

所述智能决策模块获取环境感知模块和信息模块的信息；所述智能决策模块根据拖拉机深度识别相机获取的果树的结果位置图像计算出需要采摘的果实的空间坐标；所述智能决策模块根据需要采摘的果实的空间坐标、拖拉机的速度、机械臂与水平面所成夹角θ、拖拉机与果树的距离和拖拉机的位置信息控制拖拉机、升降平台和采摘机械臂联动；

所述智能决策模块根据拖车与拖拉机定位信息、拖车的速度、拖车中装载水果的重量和拖车的位置信息控制拖车的移动。

进一步，所述环境感知模块还包括拖拉机红外传感器和拖拉机路径识别相机，所述拖拉机红外传感器用于采集拖拉机行驶路径的辐射信息，所述拖拉机路径识别相机用于采集拖拉机行驶路径图像信息，所述智能决策模块获取拖拉机红外传感器和拖拉机路径识别相机的信息用于识别拖拉机行驶路径上是否存在障碍物；所述信息模块还包括拖车红外传感器和拖车路径识别相机，所述拖车红外传感器用于采集拖车行驶路径的辐射信息，所述拖车路径识别相机用于采集拖车行驶路径图像信息，所述智能决策模块获取拖车红外传感器和拖车路径识别相机的信息用于识别拖车行驶路径上是否存在障碍物。

进一步，任一所述拖车箱体内设有平板，所述平板表面包有软质橡胶；所述平板通过四根弹簧安装在箱体底部；位于平板后部弹簧的弹性模量小于位于前部弹簧的弹性模量，且后部弹簧的长度小于前部弹簧长度，所述平板底部安装拖车重力传感器。

进一步，所述采摘机械臂包括机械臂和电动采摘装置，所述机械臂的末端安装有电动采摘装置，所述电动采摘装置外装有圆形套筒，所述圆形套筒与网兜相连，所述网兜的尾部穿过拖拉机的背板与拖车内部连通。

进一步，所述网兜由柔软粗绳制成。

一种果园采摘拖拉机的运输控制系统的联动控制方法，包括如下步骤：

所述智能决策模块根据拖拉机深度识别相机获取的果树的结果位置图像计算出需要采摘的果实的空间坐标；

所述智能决策模块计算出需要采摘的果实与机械臂底座的距离L，所述智能决策模块将需要采摘的果实与机械臂底座的距离L和机械臂臂长S比较，

若L小于S，则所述智能决策模块直接生成机械臂的规划路径，控制机械臂动作；

若L大于S，则所述智能决策模块获取机械臂与水平面所成夹角θ，所述智能决策模块将L*cosθ和机械臂臂长S比较，若L*cosθ小于S，所述智能决策模块控制升降平台升高上升

进一步，所述智能决策模块对拖拉机的行驶距离进行一级PID控制，PID输入为D与拖拉机超声波雷达实际测量距离的差值d1，PID输出为实际距离，直到L*cosθ小于S。

进一步，还包括拖车组控制方法，包括如下步骤：

所述智能决策模块分别控制第一拖车和第二拖车跟随拖拉机的路径移动至果树附近，第三拖车位于仓库中待命；

所述智能决策模块根据UWB传感器使拖车前部与拖拉机背板精确定位，所述智能决策模块控制采摘机械臂将采摘后的果实输送至第一拖车内；第二拖车在第一拖车规划行驶的路径外等待；

当第一拖车内的重量超过设定值，所述智能决策模块控制拖车前部与拖拉机背板断开，所述智能决策模块控制第一拖车自动行驶到仓库；所述智能决策模块控制第二拖车行驶到拖拉机背板后与其连接；

如果第一拖车返回拖拉机附近前，第二拖车已经装满，则所述智能决策模块控制调动在仓库中待命的第三拖车自动行驶到拖拉机附近。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的果园采摘拖拉机的运输控制系统及联动控制方法，在规划设计好的小型果园中，可以使智能采摘拖拉机一直进行采摘，省去了装满运输回仓库的环节。

2.本发明所述的果园采摘拖拉机的运输控制系统及联动控制方法，提出了有效的线性控制算法，应用该控制算法可以精准的对运输系统控制，使其产生的效果达到最优的控制。

3.本发明所述的果园采摘拖拉机的运输控制系统及联动控制方法，提出来机械臂升降台的控制算法，应用该系统可以对采摘机械臂进行有效准确的控制。

4.本发明所述的果园采摘拖拉机的运输控制系统及联动控制方法，对果园可能出现的障碍进行了细化的识别，对一些人等可自主移动的障碍识别后，在安全距离内停车，警示装置工作进行警示，就不需要重新进行路径规划了。

附图说明

图1为本发明所述的果园采摘拖拉机和拖拉机结构图。

图2为本发明所述的果园采摘拖拉机的运输控制系统示意图。

图3为本发明所述的果园采摘拖拉机的运输控制系统控制原理图。

图4为本发明所述的果园采摘拖拉机的运输控制系统的联动控制方法流程图。

图中：

1-拖拉机路径识别相机；2-警示装置；3-拖拉机红外传感器；4-拖拉机超声波雷达；5-拖拉机车速传感器；6-拖拉机GPS传感器；7-电磁铁；8-拖车车速传感器；9-拖车超声波雷达；10-拖车GPS传感器；11-拖车重力传感器；12-拖车红外传感器；13-拖车路径识别相机；14-网兜；15-拖车深度识别相机；16-拖车UWB传感器；17-背板UWB传感器；18-水平仪传感器。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本发明所述的果园采摘拖拉机的运输控制系统，包括拖拉机、拖车组，环境感知模块、信息模块和智能决策模块；所述拖拉机上通过升降平台安装采摘机械臂，所述拖拉机通过拖拉机背板连接拖车组，所述拖车组至少包括1个拖车；

所述环境感知模块包括拖拉机超声波雷达4、拖拉机深度识别相机15、拖拉机红外传感器3和拖拉机路径识别相机1；所述拖拉机超声波雷达4安装在拖拉机下端，用于检测拖拉机与果树的距离；所述拖拉机深度识别相机15安装在采摘机械臂上，用于采集果树的结果位置图像；所述拖拉机红外传感器3安装在拖拉机前部，用于采集拖拉机行驶路径的辐射信息；所述拖拉机路径识别相机1安装在拖拉机顶部，用于采集拖拉机行驶路径图像信息；

所述信息模块包括拖拉机车速传感器5、拖拉机GPS传感器6、拖车车速传感器8、拖车超声波雷达9、拖车GPS传感器10、拖车重力传感器11、UWB传感器、水平仪传感器18、拖车红外传感器12和拖车路径识别相机13；所述拖拉机车速传感器5安装在拖拉机的前轮车轮轴上，用于测量拖拉机的车速；所述拖拉机GPS传感器6安装在拖拉机上，用于定位拖拉机的位置信息；所述拖车车速传感器8安装在拖车前轮车轮轴上，用于测量拖车的速度；所述拖车超声波雷达9安装在拖车前部，用于检测拖拉机与拖车的距离；所述拖车GPS传感器10安装在拖车上，用于定位拖车的位置信息；拖车重力传感器11安装在拖车内，用于测量拖车中装载水果的重量；所述水平仪传感器18安装在机械臂上，用于测量机械臂与水平面所成夹角0；所述拖车红外传感器12安装在拖车底部，用于采集拖车行驶路径的辐射信息，所述拖车路径识别相机13安装在拖车的顶部，用于采集拖车行驶路径图像信息；所述UWB传感器安装在拖车与拖拉机背板之间，用于定位拖车和拖拉机；所述UWB传感器包括背板UWB传感器17和拖车UWB传感器16，背板UWB传感器17安装在背板底部中间，拖车UWB传感器16安装在拖车前端中部，背板UWB传感器17和拖车UWB传感器16的相互作用实现拖车和拖拉机精确定位。拖拉机背板的下端中间安装一个电磁铁7，拖车的车头下端中间安装另一电磁铁7。

任一所述拖车箱体内设有平板，所述平板表面包有软质橡胶；所述平板通过四根弹簧安装在箱体底部；位于平板后部弹簧的弹性模量小于位于前部弹簧的弹性模量，且后部弹簧的长度小于前部弹簧长度，所述平板底部安装拖车重力传感器11。

所述采摘机械臂包括机械臂和电动采摘装置，所述机械臂的末端安装有电动采摘装置，所述电动采摘装置外装有圆形套筒，所述圆形套筒与网兜14相连，所述网兜14的尾部穿过拖拉机的背板与拖车内部连通。所述网兜14由柔软粗绳制成，可以增大水果滚动的摩擦力，减慢下落速度，有效保护水果，网兜的尾部与拖拉机背板的上部中间开孔连接，水果缓慢落入拖车中。

如图3所示，所述智能决策模块获取环境感知模块和信息模块的信息；所述智能决策模块获取拖拉机红外传感器3和拖拉机路径识别相机1的信息用于识别拖拉机行驶路径上是否存在障碍物；所述智能决策模块获取拖车红外传感器12和拖车路径识别相机13的信息用于识别行驶路径上是否存在障碍物。所述智能决策模块根据拖拉机深度识别相机15获取的果树的结果位置图像计算出需要采摘的果实的空间坐标；所述智能决策模块根据需要采摘的果实的空间坐标、拖拉机的速度、机械臂与水平面所成夹角0、拖拉机与果树的距离和拖拉机的位置信息控制拖拉机、升降平台和采摘机械臂联动；所述智能决策模块根据拖车与拖拉机定位信息、拖车的速度、拖车中装载水果的重量和拖车的位置信息控制拖车的移动。

如图4所示，本发明所述的果园采摘拖拉机的运输控制系统的联动控制方法，包括如下步骤：

所述智能决策模块根据拖拉机深度识别相机15获取的果树的结果位置图像计算出需要采摘的果实的空间坐标；

所述智能决策模块计算出需要采摘的果实与机械臂底座的距离L，所述智能决策模块将需要采摘的果实与机械臂底座的距离L和机械臂臂长S比较，

若L小于S，则所述智能决策模块直接生成机械臂的移动路径，控制机械臂动作；

若L大于S，即机械臂采摘不到水果，此时，所述智能决策模块获取机械臂与水平面所成夹角0，所述智能决策模块将L*cos0和机械臂臂长S比较，若L*cos0小于S，即可通过升降平台升高使机械臂可以采摘果实，所述智能决策模块控制升降平台升高上升

由于拖拉机的控制精度有限，所述智能决策模块对拖拉机的行驶距离进行一级PID控制，PID输入为D与拖拉机超声波雷达(4)实际测量距离的差值d1，PID输出为实际距离，直到L*cos0小于S。

如图2所示，拖车有3个分别为第一拖车、第二拖车和第三拖车，拖车组控制方法，包括如下步骤：

1)所述智能决策模块分别控制第一拖车和第二拖车跟随拖拉机的路径移动至果树附近，第三拖车位于仓库中待命；

2)拖拉机到达果树下准备采摘后，第一拖车前部和拖拉机背板中间的UWB传感器进行精确定位，使它们的电磁铁靠近，第一拖车先与拖拉机背板的电磁铁通电连接，所述智能决策模块控制采摘机械臂将采摘后的果实输送至第一拖车内；第二拖车在第一拖车规划行驶的路径外等待；

3)机械臂采摘的水果从套筒经过网兜滚落到第一拖车中，第一拖车的重量传感器会实时监测水果的重量，水果的重量达到拖车预设的载重量时，机械臂停止采摘，同时拖拉机背板与拖车前端的电磁铁断电，它们断开连接，第一拖车开始自动行驶到仓库，第一拖车离开一定安全区域后，第二拖车行驶到拖拉机背板后，进行上述连接，机械臂开始采摘。第一拖车到达仓库指定区域后，打开闸门，倒出水果，继续行驶到智能拖拉机附近，重复上述步骤；

4)当采摘拖拉机距离仓库越来越远时，正在与拖拉机背板连接的拖车装满后，可能上一辆运输拖车还没有返回采摘拖拉机附近，而采摘拖拉机会一直向前，拖车往返时间每次都会比前一次更长，如果第一拖车返回拖拉机附近前，第二拖车已经装满，则所述智能决策模块控制调动在仓库中待命的第三拖车自动行驶到拖拉机附近，防止下一次换车时，运输拖车还没有到智能采摘拖拉机附近，此时第三拖车靠近拖拉机背板与其连接；

5)如果智能采摘拖拉机行驶过远，正在连接的拖车装满后，拖拉机附近没有拖车可以替换，为了便于管理，不再增设拖车，而是选择停止采摘机械臂的采摘行为，直到智能拖拉机又检测到附近存在空闲拖车并完成替换为止；

6)拖车的车速传感器和位置传感器得到拖车的速度、位置，拖车的速度变为0，可能是拖车出现了故障，此时向控制中心发出警报1指令，警示装置响起警报1；拖车的速度不为0，而拖车位置不变，可能是拖车的路径规划出错，拖车被卡住，此时向控制中心发出警报2指令，警示装置响起警报2。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。