一种核桃振动采收激振装置姿态自调节系统及方法

技术领域

本发明属于林业机械技术领域，服务于核桃林果振动采收，也可应用于林业其它林果的振动采收，具体涉及一种核桃振动采收激振装置姿态自调节系统及方法。

背景技术

随着我国核桃栽培面积的持续增加，核桃采收问题日渐严峻。近年来，随着核桃机械化采收模式的发展，尤其是振动采收的高效性为核桃产业的高质量规模化发展注入新的活力，然而，核桃树体主干形态不一(分为笔直、左右和前后倾斜生长)是核桃树的一大特征，这种特征为核桃振动采收添加了阻力，在实际振动采收过程中，操作人员需要通过肉眼判别核桃树主干的倾斜角度，再调节激振装置夹持主干，此过程消耗了单株核桃树振动采收作业90％的工时，严重影响核桃采收效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，针对核桃产业日益扩大的同时机械化采收效率依然较低的痛点，提供一种核桃振动采收激振装置姿态自调节系统，它能够快速调整激振装置的姿态和位置，使得激振装置夹紧树干的平面与树干轴线基本垂直，提高振动效果，提高落果率。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种核桃振动采收激振装置姿态自调节系统，包括车体和激振装置4，激振装置4用于夹紧树干并产生激振力以振动被夹紧的树干，其特征在于：回转装置6设置在悬臂支撑座6-8上，激振装置4设置在回转装置6上，回转装置6用于带动激振装置4相对于悬臂支撑座6-8在水平面内转动；上下摆动装置9设置车体上，悬臂支撑座6-8设置在上下摆动装置9上，上下摆动装置9用于带动悬臂支撑座6-8、回转装置6及激振装置4在竖直面内上下摆动；通过回转装置6和上下摆动装置9动作，调节激振装置4的摆姿。

上述的核桃振动采收激振装置姿态自调节系统，所述的回转装置6，包括回转液压缸6-1、回转座6-2、方管滑块6-3、吊板6-4、柔性吊索6-5、方管滑轨6-6、圆柱支撑臂6-7、伸缩缸5；

回转液压缸6-1的两端分别悬臂支撑座6-8与回转座6-2铰接；方管滑块6-3与吊板6-4固定为一体；柔性吊索6-5两端分别连接吊板6-4与激振装置4；方管滑块6-3与方管滑轨6-6滑动配合，伸缩缸5两端分别与回转座6-2和方管滑块6-3铰链连接，在伸缩缸5的作用下实现方管滑块6-3相对于方管滑轨6-6往复滑动；方管滑轨6-6与圆柱支撑臂6-7固定连接，回转座6-2固定在方管滑轨6-6端部，圆柱支撑臂6-7与悬臂支撑座6-8转动连接，在回转液压缸6-1的作用下带动回转座6-2、方管滑轨6-6、圆柱支撑臂6-7、伸缩缸5、吊板6-4、激振装置4相对于悬臂支撑座6-8回转。

上述的核桃振动采收激振装置姿态自调节系统，柔性吊索6-5包括螺栓柱6-5-1、橡胶垫块6-5-2、金属柱体6-5-3、吊座6-5-4；螺栓柱6-5-1通过螺母把吊板6-4与金属柱体6-5-3一端相连，螺栓柱6-5-1通过螺母把吊座6-5-4与金属柱体6-5-3另一端相连；金属柱体6-5-3与吊板6-4之间、金属柱体6-5-3与吊座6-5-4之间均设置橡胶垫块6-5-2，吊座6-5-4固定在激振装置4上。

根据权利要求1所述的核桃振动采收激振装置姿态自调节系统，其特征在于：上下摆动装置9包括摆动液压缸9-1，悬臂支撑座6-8底部通过枢轴6-9转动设置在车体上，摆动液压缸的两端分别与车体和固定在枢轴上的偏心座铰接。

上述的核桃振动采收激振装置姿态自调节系统，还包括深度相机2、AI平台7、姿态决策平台8；所述的深度相机2安装于激振装置上用于夹紧树干的夹口后方靠中间位置，用于对核桃树体主干边界进行空间坐标点位识别；深度相机2测得的坐标值通过网络传输给AI平台7，AI平台7对边界坐标的计算得到主干中轴线空间姿态参数将输出值传输给姿态决策平台8；姿态决策平台8控制回转装置6和上下摆动装置9的动作，实现激振装置4摆姿与树体主干姿态一致。

本发明同时提供了一种核桃振动采收激振装置姿态自调节方法，它可以快速调整激振装置的姿态和位置，使得激振装置夹紧树干的平面与树干轴线基本垂直。

该核桃振动采收激振装置姿态自调节方法，采用上述核桃振动采收激振装置姿态自调节系统，回转装置6和上下摆动装置9均是包括液压缸、电磁阀、电磁阀控制器在内的液压装置，

所述的深度相机2对核桃树体主干边界进行空间坐标点位识别，坐标值通过网络传输给AI平台7，通过AI平台7对边界坐标的计算得到主干中轴线斜率；所述的AI平台7集成树体主干姿态深度学习模型，通过深度学习输出主干中轴线空间姿态参数，并将输出值传输给姿态决策平台8；的姿态决策平台8接收到主干中轴线空间姿态参数后向安装在液压站上的电磁阀控制器发出流量和方向控制指令，控制液压缸动作，从而实现激振装置4摆姿与树体主干姿态相一致。

本发明的有益效果为：

随着我国新疆、云南、安徽、江苏、江西等地区核桃栽培面积的持续增加，核桃机械化高效采收作业模式亟需攻克。近年来，随着核桃机械化采收模式的发展，尤其是振动采收的高效性为核桃产业的高质量规模化发展注入新的活力，然而，核桃树体主干生在形态不一，在作业过程中，为使得激振装置摆姿与树体主干形态姿势一致，调整激振装置摆姿占振动作业工时90％，严重影响核桃采收效率。本发明能够快速调整激振装置的姿态和位置，使得激振装置夹紧树干的截面与树干轴线基本垂直，提高振动效果，提高落果率。本发明基于核桃树体主干形态特征的深度学习神经网络，通过机器视觉判别主干边界轮廓点集坐标，联通集成主干姿态深度学习模型的AI平台计算主干边界轮廓点集坐标位差，形成主干中轴线斜率，进而通过姿态决策平台控制激振装置摆姿。本发明通过激振装置设计与激振装置智能化姿态调节，可做到一树一策振动采收，大大提高核桃采收效率。

附图说明

图1是具有核桃振动采收激振装置姿态自调节系统的振动采收装置整体图

图2、图3、图4、图5均是回转装置、上下摆动装置、激振装置等立体图

图6是悬吊机构示意图

图7是激振装置立体图

图8是吊板、柔性吊索、激振装置俯视图(第一夹持头与第二夹持头张开状态)

图9是基于树体主干姿态识别的激振装置姿态调节流程图

图10、图11分别是激振装置等向左、向右回转示意图

图12、图13分别是激振装置等向上、向下翻转示意图

图14是核桃树体主干姿态识别系统框架图

图15是具有核桃振动采收激振装置姿态自调节系统的振动采收装置振动作业示意图

图16、17分别是向左、向右倾斜的激振装置垂直于主干中轴线的示意图。

图中，车体100、深度相机2、AI平台7、姿态决策平台8；

激振装置4，偏心激振机构4-0，第一夹持头4-1，第二夹持头4-2，夹持液压缸4-3、液压马达3；

回转装置6，回转液压缸6-1、回转座6-2、方管滑块6-3、吊板6-4、柔性吊索6-5、螺栓柱6-5-1、橡胶垫块6-5-2、金属柱体6-5-3、吊座6-5-4，方管滑轨6-6、圆柱支撑臂6-7，伸缩缸5；

上下摆动装置9，摆动液压缸9-1、悬臂支撑座6-8、枢轴6-9、偏心座6-10。

具体实施方式

下面根据附图对本发明的具体实施方式作出进一步说明。

如图1所示，一种核桃振动采收激振装置姿态自调节系统，包括车体100、深度相机2、激振装置4、回转装置6、AI平台7、姿态决策平台8、上下摆动装置9。

参见图7-8，激振装置4包括偏心激振机构4-0和抱夹式壳体。所述抱夹式壳体包括夹持液压缸4-3、第一夹持头4-1和第二夹持头4-2，所述第一夹持头4-1和第二夹持头4-2铰接；夹持液压缸4-3的两端耳环分别铰接于第一夹持头和第二夹持头的内腔；夹持液压缸行程与安装位置满足抱夹多规格核桃树主干。夹持液压缸4-3用于实现第一夹持头4-1和第二夹持头4-2的开合动作。偏心激振机构可以是可浇铸型偏心激振机构或者插齿式大激振力双偏心激振机构，设置在第二夹持头4-2上，包括动力装置(采用液压马达3)、主动齿轮、第一激振偏心块组件和第二激振偏心块组件等。所述第二夹持头上设有齿轮箱，所述可浇铸型偏心激振机构中的第一传动轴和第二传动轴的两端分别与齿轮箱通过轴承转动连接，主动齿轮、第一激振偏心块组件和第二激振偏心块组件均位于齿轮箱内。液压马达3设置在第二夹持头4-2的外壳上，通过向主动齿轮向第一激振偏心块组件传递动力，第一激振偏心块组件向第二激振偏心块组件传递动力，使得激振装置对第一夹持头4-1和第二夹持头4-2夹紧树体主干产生激振力。激振装置4属于现有技术，具体结构可以参见CN117242986A(申请号2023113469702)或者CN117204198A(申请号2023113469685)。

所述的深度相机2、AI平台7、姿态决策平台8与液压缸电磁阀通过5G网络依次联接。深度相机2安装于激振装置夹口后方靠中间位置便于对树体主干轮廓进行边界划分，而不影响对主干的夹持。

如图14核桃树体主干姿态识别系统框架图所示，深度相机2对核桃树体主干边界进行空间坐标点位识别，坐标值通过5G网络传输给AI平台7，通过AI平台7对边界坐标的计算得到主干中轴线斜率；AI平台7与姿态决策平台8安装于车体外或驾驶室内，避免振动对其影响；AI平台7集成树体主干姿态深度学习模型，AI平台7输入树体主干边界轮廓坐标点集，通过深度学习输出主干中轴线空间姿态参数，并将输出值传输给姿态决策平台8。

所述的姿态决策平台8接收到主干中轴线空间姿态参数后向安装在液压站上的回转液压缸6-1与摆动液压缸9-1的电磁阀控制器发出流量控制指令，从而实现激振装置4摆姿与树体主干姿态相一致。从树体主干姿态识别到激振装置摆姿调节的流程如图9所示。

如图2-5所示，回转装置6，包括回转液压缸6-1、回转座6-2、方管滑块6-3、吊板6-4、柔性吊索6-5、方管滑轨6-6、圆柱支撑臂6-7。回转液压缸6-1一端通过铰链与回转座6-2连接，另一端与悬臂支撑座6-8铰接。方管滑块6-3与吊板6-4焊接为一体；柔性吊索6-5两端分别连接吊板6-4与激振装置4中的第二夹持头4-2外壳；方管滑块6-3与方管滑轨6-6间隙配合，伸缩缸5两端分别与回转座6-2和方管滑块6-3铰链连接，在伸缩缸5的作用下实现方管滑块6-3、吊板6-4、激振装置4等沿方管滑轨6-6往复滑动。方管滑轨6-6与圆柱支撑臂6-7焊接连接，方管滑轨6-6长度短于圆柱支撑臂6-7，回转座6-2焊接于方管滑轨6-6端部，圆柱支撑臂6-7比方管滑轨6-6长的部分与悬臂支撑座6-8滚动连接，在回转液压缸6-1的作用下实现左右回转功能，如图5所示。

如图6所示，柔性吊索6-5组件包括螺栓柱6-5-1、橡胶垫块6-5-2、金属柱体6-5-3、吊座6-5-4。此结构在静止状态下具有较强的刚度，通过三点支撑激振装置4的第二夹持头4-2外壳，当回转液压缸6-1工作时，可保证激振装置4随吊板6-4等一起相对于悬臂支撑座6-8回转。

如图1-5、图11-13所示，上下摆动装置9包括摆动液压缸9-1、悬臂支撑座6-8、枢轴6-9、偏心座6-10等。悬臂支撑座6-8底部固定枢轴6-9，枢轴6-9转动设置在车体上，偏心座6-10固定在枢轴6-9上。摆动液压缸9-1两端分别通过铰链连接车体100与偏心座6-10，摆动液压缸9-1带动枢轴6-9转动，实现悬臂支撑座6-8、圆柱支撑臂6-7、激振装置4等上下翻转。

一种基于核桃树体主干姿态识别的振动采收装置振动作业实景图如图15所示。车体内部具有液压站，以向夹持液压缸4-3、液压马达3、回转液压缸6-1、摆动液压缸9-1等通过具有电磁阀的液压管路供油。

如图14所示，当振动采收装备双目深度相机识别到主干时，因为是深度相机，所以可以得到主干的三维空间信息。通过MASKRCNN实例分割模型对主干进行图像分割，即可得到主干轮廓线，也就是得到每个点云的像素位置坐标。通过算法可以得到主干中轴线的倾斜参数，包括向左、向右、向前、向后倾斜等姿态，中轴线倾斜参数通过网络传输给激振装置姿态决策系统，此系统可分别控制回转液压缸6-1的电磁阀、摆动液压缸9-1的电磁阀以及伸缩缸5的电磁阀，来调节激振装置的姿态，使得夹紧力方向与激振力方向同主干中轴线垂直，如图16、17所示，垂直于主干中轴线的激振方式是最高效的激振方式。

本发明将视觉技术与核桃树体主干形态特征的深度学习神经网络相结合，可自动判别树体主干形态，进而自动调节激振装置摆姿，做到一树一策振动采收，操作简单，大大提高核桃采收效率。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、方法、变形、改进均落入本发明的保护范围。