一种荔枝仿形振动采摘机及其控制方法

本发明涉及水果采收设备，具体涉及一种荔枝仿形振动采摘机及其控制方法。背景技术：1、荔枝属于我国“南国四大果品”之一，无论是种植面积还是产量，我国荔枝均居全球首位。同时，荔枝也是南方地区重要的经济作物。荔枝也用于大量制作水果副产品，例如糖水罐头、荔枝果脯等，对制作水果副产品的荔枝采摘，果实受到机械损伤的要求并不高。2、目前，荔枝的采收方式主要以人工手动采摘为主，不仅作业劳动强度大、采收效率较低，而且荔枝的成熟期比较集中，保鲜期短，不及时采摘销售容易出现退糖、脱落、腐烂等现象，再者，随着人工费用持续攀升，容易出现增产不增收的现象，不符合果农的利益需求。3、通过自动化机械进行荔枝采收作业成为荔枝产业发展的迫切需求，虽然机械化采收技术易导致果实受到机械损伤，影响到鲜食水果的商品化和销售价格，但对于用于后处理加工的水果副产品，其收获具有广泛的应用前景，对于实现产业的节本增效具有重要意义。4、随着农业机械化的推广，越来越多的机械应用在果园采摘中，但是，市面上的荔枝采收机械智能化程度较低，甚至还需要人工对采收机械进行精准的操作，对操作技术有一定需求，在一定程度上限制了工作效率的提升。而且对采收机械的要求较高，当采收机械运算能力不足时，导致果实采摘的效率较低，采摘精度也不能达到要求，甚至不如人工采摘高效。技术实现思路1、本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种荔枝仿形振动采摘机，该采摘机大大降低了使用者的操作难度，通过精准的姿态调节来提高采摘机的采收精度，提高了采摘机的工作效率，进而提高荔枝的采收效率，自动化以及智能化程度高。2、本发明的另一个目的在于提供一种荔枝仿形振动采摘机的控制方法。3、本发明的目的通过以下技术方案实现：4、一种荔枝仿形振动采摘机，包括用于行走的运载机构、设置在所述运载机构上用于定位与导航的导航机构、用于识别荔枝果树冠层的多模态感知机构、用于采收荔枝果实的采收装置、用于收集荔枝果实的果实收集机构以及用于驱动所述采收装置进行运动的升降平移仿形机构；其中，5、所述升降平移仿形机构包括移动支架、平移机构、升降机构以及仿形机构；其中，所述移动支架水平滑动设置在所述运载机构顶部；所述仿形机构竖向滑动设置在所述移动支架上，用于调节采收装置的采收角度；所述升降机构设置在移动支架上，用于驱动所述仿形机构进行竖向运动以带动采收装置进行竖向运动；所述平移机构用于驱动移动支架进行水平运动以带动采收装置进行水平运动；6、所述采收装置包括设置在所述仿形机构上的采收架、设置在所述采收架上用于对荔枝果树冠层进行拢合的拢合机构以及振动采收执行机构；其中，所述多模态感知机构设置在所述移动支架上，所述果实收集机构设置在振动采收执行机构的下方。7、上述荔枝仿形振动采摘机的工作原理是：8、采摘机通过导航机构移动至指定位置，升降机构、平移机构以及仿形机构驱动采收装置运动，以确保采收装置到达适当的高度、距离和姿态(角度)进行采收操作。多模态感知机构识别荔枝果树冠层，在荔枝果树冠层中得到要采摘的荔枝果实信息；根据荔枝果实信息，仿形机构调整采收装置的角度，使得采收装置处于一个最合适采收的姿态，拢合机构对荔枝果树冠层进行拢合，具体将荔枝果树冠层的树枝进行聚拢，然后振动采收执行机构对树枝进行拍打，树枝发生振动，树枝上的荔枝果实脱落，实现采收，最后荔枝果实掉落至果实收集机构进行收集。9、本发明的一个优选方案，其中，所述振动采收执行机构包括设置在所述采收架上的振动拍打机构以及用于驱动所述振动拍打机构运动的曲柄连杆驱动机构；其中，所述振动拍打机构包括设置在所述采收架两侧的振动拍打组件，所述振动拍打组件包括转动设置在所述采收架上的采收辊以及设置在所述采收辊上的多个拍打棒，所述曲柄连杆驱动机构与两个采收辊连接。上述结构中，采收时，曲柄连杆驱动机构驱动两个采收辊来回旋转，进而实现采收辊上的拍打棒进行来回摆动，对树枝进行拍打，树枝发生振动，树枝上的荔枝果实脱落，实现采收；通过在采收架两侧设置振动拍打组件，即振动拍打组件设有两组，其目的在于，可以提高拍打效果，来回对树枝拍打，树枝上的荔枝果实更加容易脱落。10、优选地，所述曲柄连杆驱动机构包括振动拍打驱动电机、曲柄、第一中间连杆、第一摇杆、第二中间连杆以及第二摇杆；其中，所述振动拍打驱动电机设置在采收架的下端，所述曲柄的一端与所述振动拍打驱动电机的主轴连接，所述第一中间连杆与第二中间连杆的一端与所述曲柄的另一端连接；所述第一摇杆的一端与所述第一中间连杆的另一端连接，所述第一摇杆的另一端与其中一个采收辊连接；所述第二摇杆的一端与所述第二中间连杆的另一端连接，所述第二摇杆的另一端与另一个采收辊连接。上述结构中，采收时，振动拍打驱动电机驱动摇杆转动，带动第一中间连杆、第二中间连杆运动，进而带动第一摇杆第二摇杆来回摆动，进而带动来回转动，实现拍打棒的拍打。11、优选地，所述拢合机构包括两个相对设置在所述采收架上的拢合臂；每个拢合臂包括第一拢合板、第二拢合板、第一拢合驱动电机以及第二拢合驱动电机；所述第一拢合板设置在所述采收架与第二拢合板之间，该第一拢合板的一端与所述采收架转动连接，另一端与所述第二拢合板的端部转动连接；所述第一拢合驱动电机用于驱动第一拢合板在所述采收架上转动，所述第二拢合驱动电机用于驱动所述第二拢合板在第一拢合板上转动。上述拢合臂类似手臂，通过两个拢合臂进行拢合，可以对荔枝果树冠层的树枝进行聚拢，进而便于振动采收执行机构进行拍打，可以提高采摘效率；具体地，两个拢合臂同步向内或者向外运动，拢合时，第一拢合驱动电机驱动第一拢合板向内转动，第二拢合板也跟着向内转动，第二拢合驱动电机驱动第二拢合板向内转动，使的拢合臂进一步向内拢合，将荔枝果树冠层的树枝进行聚拢后，第一拢合驱动电机与第二拢合驱动电机停止驱动；张开时，第一拢合驱动电机驱动第一拢合板向外转动，第二拢合板也跟着向外转动，第二拢合驱动电机驱动第二拢合板向外转动，使的拢合臂进一步向外张开，将荔枝果树冠层的树枝进行松开。12、优选地，所述荔枝仿形振动采摘机还包括设置在所述运载机构上的控制柜，所述导航机构包括第一激光雷达以及gps；所述第一激光雷达安装在控制柜上，用于提供高精度的环境感知信息；所述gps设置在控制柜的两端，用于提供运载机构的位置与速度信息。通过获取高精度的环境感知信息以及运载机构的位置与速度信息；将这些数据融合在一起后，为自动驾驶系统提供全面、准确的环境感知和定位导航信息；控制柜可以通过环境感知和定位导航信息控制运载机构移动，同时也可以控制采收装置进行采收动作。13、优选地，所述多模态感知机构包括设置在移动支架两侧的云台支撑架、设置在其中一个云台支撑架端部的相机以及设置在另一个云台支撑架端部的第二激光雷达。上述结构中，通过第二激光雷达与相机的标定后，得到荔枝果树冠层的三维点云信息以及荔枝果实的位置信息，采收装置移动到需要采收的荔枝果实的位置后，控制柜通过处理三维点云信息得到需采收的荔枝果实附近的冠层三维信息，做一个最佳采收角度的计算与判断，把采收角度转换成电信号控制仿形机构调节采收装置的仿形角度。14、优选地，所述仿形机构包括竖向滑动设置在所述移动支架上的仿形支撑板以及设置在所述仿形支撑板与采收架之间的电动推杆；所述仿形支撑板与采收架转动连接，所述电动推杆的一端与所述仿形支撑板铰接，所述电动推杆的另一端与所述采收架铰接，所述仿形支撑板与所述升降机构连接。上述结构中，仿形机构通过电动推杆实现采收装置的倾角变化(0°～120°)，通过电动推杆的伸缩，推动采收架摆动，使得仿形支撑板与采收架之间角度发生变化，进而改变整个采收装置的角度；电动推杆在初始状态时，采收架与地面呈90°，即与仿形支撑板处于相互平行的状态；当电动推杆伸出时，采收架由90°～0°变化，当电动推杆缩进时，采收架由90°～120°变化。15、优选地，所述荔枝仿形振动采摘机还包括设置在所述移动支架上的吹风机构；所述吹风机构包括安装在移动支架上的风机固定架以及并排设置在所述风机固定架上的多个吹风机。在采收过程中，拍打时，不止荔枝果实掉落，还有荔枝叶子掉落，吹风机构可以在采收过程中，将荔枝叶子以及小枝条等吹走，避免了荔枝叶子、小枝条等掉入果实收集机构中。16、优选地，所述平移机构包括设置在所述运载机构顶部的滑轨、平移驱动电机以及平移丝杆螺母副；所述移动支架滑动设置在所述滑轨上，所述平移丝杆螺母副的丝杆螺母与所述移动支架连接，所述平移驱动电机与所述平移丝杆螺母副的丝杆连接；所述升降机构包括升降驱动电机以及升降丝杆螺母副；所述升降驱动电机安装在移动支架的上端，所述升降丝杆螺母副的丝杆螺母与所述仿形支撑板连接，所述升降丝杆螺母副的丝杆与所述升降驱动电机连接。采收时，通过平移驱动电机驱动平移丝杆螺母副运动，带动移动支架水平移动，进而带动仿形机构以及采收装置一同跟着水平运动；通过升降驱动电机驱动升降丝杆螺母副运动，带动仿形机构以及采收装置一同沿着竖向方向运动，通过升降机构、平移机构与仿形机构的配合，确保采收装置在适当的高度、距离进行采收操作。17、优选地，所述果实收集机构包括设置所述滑轨上的荔枝收获框以及设置在所述采收装置与荔枝收获框之间的导向合围架，所述导向合围架连接在所述移动支架上。上述结构中，导向合围架用于引导荔枝果实掉落至荔枝收获框中，荔枝收获框可以与移动支架同步水平运动，保证了荔枝收获框与导向合围架在水平方向上的位置不变，便于荔枝果实通过导向合围架的引导，掉落至荔枝收获框，导向合围架可以通过螺杆传动元件连接在移动支架上，螺杆传动元件可以带动导向合围架进行竖向方向运动，另外，升降丝杆螺母副可以设置两个丝杆螺母，导向合围架也可以通过与升降丝杆螺母副的其中一个丝杆螺母进行连接，实现导向合围架与采收装置同步升降运动。18、一种荔枝仿形振动采摘机的控制方法，包括以下步骤：19、(1)导航机构定位与导航：20、第一激光雷达获取高精度的环境感知信息，gps获取运载机构的位置和速度信息；通过获取的环境感知信息、位置和速度信息来进行运载机构的定位、地图构建以及路径规划；运载机构根据规划的路径到达指定位置；21、(2)升降机构与平移机构进行升降、平移：22、升降机构调节采收装置高度，平移机构调节采收装置与荔枝果实的距离，确保采收装置在合适的高度与距离下进行采收操作；23、(3)数据集制作：24、通过多模态感知机构的相机采集多张荔枝果树冠层图像；然后用标注工具对采集的荔枝果树冠层图像进行标注，框选出荔枝果树冠层以及在果树冠层中要采摘的荔枝果实；得到荔枝果树冠层以及荔枝果实数据集；25、(4)构建深度学习模型：26、使用yolo v9网络对荔枝果实数据集进行训练，得到识别荔枝果树冠层和荔枝果实的网络模型；27、(5)第二激光雷达和相机的联合标定，得到第二激光雷达和相机数据之间的转换关系，找到同一时刻激光点云数据和荔枝果树冠层图像中对应的像素点；28、(6)第二激光雷达和相机的时间配准：29、采用时间最近邻匹配的方法找到与每一帧第二激光雷达数据时间间隔最小的图像数据进行处理，实现第二激光雷达和相机的时间配准；30、(7)三维重建：31、将相机获取的荔枝果实的彩色图像输入到步骤(4)中已经训练好的网络模型中，得到荔枝果实采摘的位置坐标信息，并根据步骤(5)和(6)标定和配准的结果得到荔枝果实的三维点云；32、(8)面向3d数据的语义分割：33、选用直接处理法，采用point-net网络，将步骤(7)中得到的三维点云转化成规则的3d体素网格或图像集合，point-net网络通过学习进行特征提取，从原始的三维点云数据中提取局部和全局特征，捕捉不同类别之间的语义关系和空间结构；34、然后point-net网络输出每个点或体素的语义类别预测，将其分配到相应的果树冠层和荔枝果实的语义标签中，实现对三维点云数据的语义分割；35、(9)运动轨迹规划：36、将语义分割出来的荔枝果实的三维点云传送给控制柜，控制柜通过分析三维点云中包含的空间三维信息，采用避障算法来规划荔枝仿形振动采摘机的运动轨迹，使其靠近采摘目标；37、(10)采收姿态调整：38、通过获取语义分割的荔枝果实的三维点云来确定荔枝果实聚类轴线方向向量n；将方向向量n传送给仿形机构，从方向向量n的方向进行仿形；39、(11)采收与收集：40、通过控制拢合机构对采摘目标进行合拢包围，振动采收执行机构从方向向量n的方向对采摘目标进行振动采收，采摘到的荔枝果实落入果实收集机构进行收集。41、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：42、1、本发明中的荔枝仿形振动采摘机，采摘机通过导航机构移动至指定位置，升降机构、平移机构以及仿形机构驱动采收装置运动，以确保采收装置到达适当的高度、距离和姿态(角度)进行采收操作，采收时，拢合机构对荔枝果树冠层进行拢合，具体将荔枝果树冠层的树枝进行聚拢，然后振动采收执行机构对树枝进行拍打，树枝发生振动，树枝上的荔枝果实脱落，实现采收，最后荔枝果实掉落至果实收集机构进行收集；大大降低了使用者的操作难度，提高了采摘机的工作效率，进而提高荔枝的采收效率，自动化以及智能化程度高。43、2、本发明中的荔枝仿形振动采摘机，通过多模态感知机构识别荔枝果树冠层，在荔枝果树冠层中得到要采摘的荔枝果实信息，根据荔枝果实信息，仿形机构调整采收装置的角度，使得采收装置处于一个最合适采收的姿态，提高采摘机的采收精度。44、3、本发明中的荔枝仿形振动采摘机的控制方法，运用机器视觉对荔枝果实进行识别检测，通过第二激光雷达和相机的联合标定获取荔枝果树冠层以及荔枝果实的三维点云信息，构建荔枝果树冠层轮廓并得到荔枝果实的空间三维坐标信息，根据荔枝果实的三维坐标调节采收装置的位置，通过控制柜计算，并对下一步采收作业进行判断决策以及执行，驱动仿形机构，调节采收装置与荔枝果树冠层的夹角，实现对荔枝果实的自动仿形采收。