一种便于智慧果园作业的自适应支撑平台及其作业方法

技术领域

本发明涉及一种支撑平台，尤其是一种便于智慧果园作业的自适应支撑平台及其作业方法。

背景技术

果树业在我国农业中占据非常重要的地位。随着国内农业产业结构调整与升级的不断推进，智慧果园成为了未来果园种植模式发展的主流方向。为妥善处理当前果农老龄化，以及如何提升作业效率、保证果实品质等方面，国内科研院所、高校等单位针对果园的采摘、喷药、修剪等作业，研制了多种机械化、智能化农机装备，取得了许多显著性的成效。经调研发现，现有果园的农机装备大多都是专用的，通用性差，显然在一定程度上会增大智慧果园的建设成本。因此，针对果园管理和采摘过程中特有的作业特点：路面平整度不好、作业范围大、工作负荷不大当，有必要研制一种便于智慧果园作业的自适应支撑平台及其作业方法，以配套未来智慧果园的种植模式。

发明内容

发明目的：提供一种便于智慧果园作业的自适应支撑平台及其作业方法，针不同的果园作业需求安装不同的作业工具，并高效而精准的完成果园作业。

技术方案：本发明所述的便于智慧果园作业的自适应支撑平台，包括自主行驶小车以及刚柔混驱平台；刚柔混驱平台包括升降平台、伸缩式杆台机构以及角度调节机构；升降平台安装在自主行驶小车上，由自主行驶小车运载升降平台移动；伸缩式杆台机构活动式安装在升降平台的顶部，由升降平台驱动伸缩式杆台机构升降运动；角度调节机构安装在自主行驶小车与伸缩式杆台机构之间，由角度调节机构对伸缩式杆台机构的伸缩端朝向角度进行调节；伸缩式杆台机构的伸缩端用于安装果园作业工具，并对果园作业工具进行伸缩式位置调节。

进一步的，自主行驶小车包括底盘支架、四轮行走机构以及履带式行走机构；四轮行走机构安装在底盘支架上；在底盘支架的下侧面上设置有底板槽；在底盘支架前后两侧均安装有一组行走状态切换机构，履带式行走机构安装在两组行走状态切换机构上，由两组行走状态切换机构驱动履带式行走机构行走；

在底盘支架上安装有用于检测地面障碍物的下部检测传感器；在底板槽内设置有控制器；下部检测传感器与控制器电连接；升降平台、伸缩式杆台机构、角度调节机构、行走状态切换机构、四轮行走机构以及履带式行走机构均由控制器驱动控制。

进一步的，行走状态切换机构包括电动伸缩推杆、转轴以及两个L型支架；转轴的两端分别旋转式贯穿底板槽的左右两槽壁后伸出底盘支架外；在转轴的圆周侧面上设置有一个铰接座；两个L型支架的短臂分别固定在转轴的两个贯穿端上；电动伸缩推杆的一端铰接在底板槽内，另一端铰接在转轴的铰接座上，由电动伸缩推杆通过转轴控制两个L型支架摆动；履带式行走机构安装在L型支架的长臂上；电动伸缩推杆与控制器电连接。

进一步的，履带式行走机构包括电动主动轮、从动轮以及环形履带；电动主动轮以及从动轮分别安装在L型支架长臂的两端上；电动主动轮与从动轮通过环形履带传动连接；

在底板槽内设置有与控制器以及各个电动主动轮电连接的主动轮驱动电路，控制器通过主动轮驱动电路协调驱动各个电动主动轮。

进一步的，刚柔混驱平台包括U形上侧框架、“日”形下侧框架、剪式升降驱动电机、剪式升降架以及驱动丝杆；“日”形下侧框架固定在底盘支架的上侧面上；剪式升降架包括两个剪式支架分支；两个剪式支架分支左右对称式支撑在“日”形下侧框架与U形上侧框架之间，且两个剪式支架分支的前下端通过连杆连接；剪式升降驱动电机安装在“日”形下侧框架上；驱动丝杆的一端对接在剪式升降驱动电机的输出轴上，另一端旋转式安装在“日”形下侧框架上，且驱动丝杆螺纹旋合在连杆的中部，由驱动丝杆通过连杆同步驱动两个剪式支架分支升降；伸缩式杆台机构安装在U形上侧框架上；在U形上侧框架上安装有用于检测空中障碍物的上部检测传感器，且上部检测传感器与控制器电连接；

在底板槽内设置有与控制器以及剪式升降驱动电机电连接的剪式升降驱动电路，控制器通过剪式升降驱动电路驱动剪式升降驱动电机。

进一步的，在“日”形下侧框架的上侧面上纵向设置有两个限位滑槽，下侧的两个滚轮分别与两个限位滑槽相配合。

进一步的，伸缩式杆台机构包括摆动管、滑动杆、伸缩驱动电机以及矩形框架；矩形框架的左右两个侧板分别旋转式安装在U形上侧框架左右两个框架杆上；摆动管摆动式安装在矩形框架上下两个侧板上；滑动杆的一端插装在摆动管上，另一端用于安装果园作业工具；在滑动杆的圆周侧面上沿长度方向设置有从动齿条；伸缩驱动电机安装在摆动管上，在伸缩驱动电机的输出轴上安装有一个与从动齿条相啮合的主动齿轮；

在底板槽内设置有与控制器以及伸缩驱动电机电连接的伸缩驱动电路，控制器通过伸缩驱动电路驱动伸缩驱动电机。

进一步的，在摆动管上沿长度方向设置有一个通槽，且从动齿条与通槽滑动配合。

进一步的，角度调节机构包括四个柔绳驱动分支，每个柔绳驱动分支均包括软绳收放电机、软绳以及改向滑轮；在摆动管的前后两侧均设置有绳扣；软绳收放电机安装在底板槽内；在软绳收放电机的输出轴上安装有卷线轴；四个改向滑轮分别旋转式安装在底板槽槽底的四个顶角处；软绳的一端固定在卷线轴上，另一端贯穿底盘支架后固定在其中一个绳扣上，且软绳的中部按压在其中一个改向滑轮上；

在底板槽内设置有与控制器以及各个软绳收放电机电连接的软绳收放电路，控制器通过软绳收放电路协调控制各个软绳收放电机。

本发明还提供了一种便于智慧果园作业的自适应支撑平台的作业方法，包括如下步骤：

准备步骤：根据智慧果园不同的作业任务，在伸缩式杆台上安装相应的作业工具；

行走机构选择步骤：下部检测传感器实时向控制器反馈检测到的路面信息，并由控制器判断路面是否平整，当控制器判断路面平整时，控制器协调控制四轮行走机构行驶；当控制器判断路面不平整时，控制器协调控制四个履带式行走机构行驶；

避障步骤：当控制器接收下部检测传感器的信息并判断路面有障碍物时，控制器重新规划路线同时协调控制当前的行走机构避开障碍物；

高度调节步骤：根据果园作业的高低空类型，控制器通过刚柔混驱平台将伸缩式杆台调节到适合作业的高度；控制器通过角度调节机构调整伸缩式杆台的俯仰状态，通过伸缩式杆台进行伸缩进一步调整果园作业工具的高度位置；

位置调节步骤：当小范围分布多个作业对象时，控制器协调控制刚柔混驱平台、伸缩式杆台以及角度调节机构，对伸缩式杆台进行小范围高度调整，同时驱动伸缩式杆台伸缩并摆动至各个作业位置；当大范围分布多个作业对象时，控制器协调控制行走机构、刚柔混驱平台、伸缩式杆台以及角度调节机构，对伸缩式杆台进行地面位置调整以及小范围高度调整，同时驱动伸缩式杆台伸缩并摆动至各个作业位置；

本发明与现有技术相比，其有益效果是：利用伸缩式杆台机构安装不同的果园作业工具，并对果园作业工具进行伸缩式位置调节，从而进行高效的果园作业；利用角度调节机构对伸缩式杆台机构伸缩端朝向以及角度任意调节，实现伸缩式杆台机构的高效而精准的作业；利用刚柔混驱平台对伸缩式杆台机构的高度位置进行调节，实现了伸缩式杆台机构不同高度、不同角度的作业；利用自主行驶小车运载升降平台可以在平坦和不平整的路面行走，从而使该多功能自适应支撑平台能适应果园内和各种不同的路面情况。

附图说明

图1为本发明的高空作业状态图；

图2为本发明的仰视图；

图3为本发明的行驶状态图；

图4为本发明的低空作业状态图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：

如图1-4所示，本发明公开的便于智慧果园作业的自适应支撑平台包括：自主行驶小车以及刚柔混驱平台2；刚柔混驱平台2包括升降平台、伸缩式杆台机构以及角度调节机构；升降平台安装在自主行驶小车上，由自主行驶小车运载升降平台移动；伸缩式杆台机构活动式安装在升降平台的顶部，由升降平台驱动伸缩式杆台机构升降运动；角度调节机构安装在自主行驶小车与伸缩式杆台机构之间，由角度调节机构对伸缩式杆台机构的伸缩端朝向角度进行调节；伸缩式杆台机构的伸缩端用于安装果园作业工具，并对果园作业工具进行伸缩式位置调节。

利用伸缩式杆台机构安装不同的果园作业工具，并对果园作业工具进行伸缩式位置调节，从而进行高效的果园作业；利用角度调节机构对伸缩式杆台机构伸缩端朝向以及角度任意调节，实现伸缩式杆台机构的高效而精准的作业；利用刚柔混驱平台2对伸缩式杆台机构的高度位置进行调节，实现了伸缩式杆台机构不同高度、不同角度的作业；利用自主行驶小车运载升降平台可以在平坦和不平整的路面行走，从而使该多功能自适应支撑平台能适应果园内和各种不同的路面情况。

进一步的，自主行驶小车包括底盘支架1、四轮行走机构以及履带式行走机构；四轮行走机构由四个伺服电动轮3构成；四个伺服电动轮3安装在底盘支架1上；在底盘支架1的下侧面上设置有底板槽16；在底盘支架1前后两侧均安装有一组行走状态切换机构，履带式行走机构安装在两组行走状态切换机构上，由两组行走状态切换机构驱动履带式行走机构行走；

在底盘支架1上安装有用于检测地面障碍物的下部检测传感器14；在底板槽16内设置有控制器；下部检测传感器14与控制器电连接；升降平台、伸缩式杆台机构、角度调节机构、行走状态切换机构、四轮行走机构以及履带式行走机构均由控制器驱动控制。

利用行走状态切换机构针对果园内不同的路面情况对行走机构进行状态切换，当路面不平整时放下各个履带式行走机构行驶，四轮行走机构悬空，当路面平整时收起各个履带式行走机构，使四轮行走机构着地行驶，从而使该多功能自适应支撑平台能适应果园内和各种不同的路面情况；利用下部检测传感器14检测路面情况并，便于控制器控制行走状态切换机构对行走机构进行状态切换，同时检测障碍物，使控制器重新规划路线进行避障。

进一步的，行走状态切换机构包括电动伸缩推杆131、转轴133以及两个L型支架135；转轴133的左右两端分别旋转式贯穿底板槽16的左右两槽壁后伸处伸出底盘支架1外，且两根转轴133分别位于底板槽16的前后两侧；在转轴133的圆周侧面上设置有一个铰接座；两个L型支架135的短臂端部分别固定在转轴133的两个贯穿端上；同一侧面上的两个L型支架135呈凹字形；电动伸缩推杆131的一端铰接在底板槽16内，另一端铰接在转轴133的铰接座上，由电动伸缩推杆131通过转轴133控制两个L型支架135摆动；履带式行走机构安装在L型支架135的长臂上；两个电动伸缩推杆131均与控制器电连接。

利用电动伸缩推杆131在控制器的控制下伸缩驱动转轴133旋转，伸缩驱动转轴133带动L型支架135进行上下摆动，从而实现履带式行走机构的放下与收起之间的切换，实现了行走机构的状态切换。

进一步的，履带式行走机构包括电动主动轮136、从动轮137以及环形履带134；电动主动轮136以及从动轮137分别安装在L型支架135长臂的两端上；电动主动轮136与从动轮137通过环形履带134传动连接；在电动主动轮136与从动轮137之间安装有按压在下侧的环形履带134上的支撑轮138，环形履带134的下侧呈直线；在底板槽16内设置有与控制器以及各个电动主动轮136的主动轮驱动电路，控制器通过主动轮驱动电路协调驱动各个电动主动轮136。

利用主动轮136、从动轮137以及环形履带134之间的配合，使履带式行走机构在行驶时有较大的的着地面积，从而减小对地面的压强，增加牵引能力，便于在松软泥泞或不平的地面上行驶；利用支撑轮138按压在下侧的环形履带134上使环形履带134的下侧呈直线，进一步增大了环形履带134的着地面积，增强了行驶的稳定性。

进一步的，刚柔混驱平台2包括U形上侧框架212、“日”形下侧框架211、剪式升降驱动电机213、剪式升降架以及驱动丝杆214；“日”形下侧框架211固定在底盘支架1的上侧面上；剪式升降架包括两个剪式支架分支；两个剪式支架分支左右对称式支撑在“日”形下侧框架211与U形上侧框架212之间；剪式支架分支包括至少一个X形支架，X形支架由两个支架杆216中部铰接构成；当X形支架大于一个时，各个X形支架的上侧两端分别铰接在其上方相邻的X形支架的下侧两端上；剪式支架分支的后上端铰接在U形上侧框架212后侧的顶角处，在剪式支架分支的前上端上设置有按压在U形上侧框架212下侧面上的滚轮219；剪式支架分支的后下端铰接在“日”形下侧框架211后侧的顶角处，在剪式支架分支的前下端上设置有按压在“日”形下侧框架211上侧面上的滚轮219；两个剪式支架最下侧的X形支架的前下端通过连杆210连接；

剪式升降驱动电机213安装在“日”形下侧框架211的中间杆上；驱动丝杆214的一端对接在剪式升降驱动电机213的输出轴上，另一端旋转式安装在“日”形下侧框架211的前侧边杆上，且驱动丝杆214螺纹旋合在连杆210的中部，由驱动丝杆214通过连杆210同步驱动两个剪式支架分支升降；伸缩式杆台机构安装在U形上侧框架212上，U形上侧框架212不阻碍伸缩式杆台机构上下摆动；在U形上侧框架212上安装有用于检测空中障碍物的上部检测传感器15，且上部检测传感器15与控制器电连接；

在底板槽16内设置有与控制器以及剪式升降驱动电机213电连接的剪式升降驱动电路，控制器通过剪式升降驱动电路驱动剪式升降驱动电机213。

利用连杆210便于剪式升降驱动电机213在控制器的控制下同步驱动两个剪式支架分支进行升降，使U形上侧框架212带动伸缩式杆台机构进行平稳的升降，从而实现对伸缩式杆台机构的高度调节；利用各个X形支架之间的连接，在能够带动U形上侧框架212进行升降的同时，便于进行折叠缩减小占用空间，便于收纳；利用各个滚轮219减小X形支架与U形上侧框架212以及“日”形下侧框架211之间的摩擦，使升降更平稳；利用上部检测传感器15实时检测半空中的障碍物信息并反馈给控制器，便于控制器控制行走机构进行避障。

进一步的，在“日”形下侧框架211上侧面前侧的左右边缘上均纵向设置有一个限位滑槽217，下侧的两个滚轮219分别与对应侧的限位滑槽217相配合。利用限位滑槽217限制滚轮219的运动范围，防止剪式支架拉伸过长导致支撑力不足发生倾斜。

进一步的，伸缩式杆台机构包括摆动管221、滑动杆222、伸缩驱动电机228、矩形框架223；

在U形上侧框架212的左右两个框架杆的相对侧面上分别设置有一个耳座224；矩形框架223的左右两个侧板分别旋转式安装在对应侧的耳座224上；摆动管221摆动式安装在矩形框架223的下两个侧板上；滑动杆222的一端插装在摆动管221上，另一端用于安装果园作业工具；在滑动杆222的圆周侧面上沿长度方向设置有从动齿条226；伸缩驱动电机228安装在摆动管221前端的圆周侧面上，在伸缩驱动电机228的输出轴上安装有一个与从动齿条226相啮合的主动齿轮252；在底板槽16内设置有与控制器以及伸缩驱动电机228电连接的伸缩驱动电路，控制器通过伸缩驱动电路驱动伸缩驱动电机228。

利用矩形框架223与摆动管221之间的配合，使摆动管221可以进行上下摆动以及左右摆动，便于在底盘支架1不移动的情况下进行小范围的位置调整；利用主动齿轮252与从动齿条226之间的配合，使滑动杆222在伸缩驱动电机228的驱动下进行伸缩，从而实现对滑动杆222作业范围的调整。

进一步的，在摆动管221上沿长度方向设置有一个通槽227，且从动齿条226与通槽227滑动配合。利用通槽227与通槽227之间的配合，保证了滑动杆222只能沿摆动管221进行伸缩，不能旋转，从而确保主动齿轮252与从动齿条226之间的传动可靠。

进一步的，角度调节机构包括四个柔绳驱动分支，每个柔绳驱动分支均包括软绳收放电机231、软绳232以及改向滑轮233；在摆动管221的前后两侧均设置有绳扣234软绳收放电机231其中两个安装在底板槽16内的前侧，另外两个安装在的后侧；在软绳收放电机231的输出轴上安装有卷线轴；四个改向滑轮233分别空套安装在两个转轴133上，且四个改向滑轮233分别位于底板槽16槽底的四个顶角处；软绳232的一端固定在卷线轴上，另一端贯穿底盘支架1的上侧壁后固定在对应侧的绳扣234上，且软绳232的中部按压在对应的改向滑轮233上；

在底板槽16内设置有与控制器以及各个软绳收放电机231电连接的软绳收放电路，控制器通过软绳收放电路协调控制各个软绳收放电机231。

利用软绳232、改向滑轮233以及卷线轴之间的配合，控制器协调控制四个软绳收放电机231，驱动四根软绳232拉扯摆动管221，从而协调控制摆动管221上下摆动以及左右摆动的角度。

本发明还提供了一种便于智慧果园作业的自适应支撑平台的作业方法，包括如下步骤：

准备步骤：根据智慧果园不同的作业任务，在滑动杆222上安装相应的作业工具；

行走机构选择步骤：下部检测传感器14实时向控制器反馈检测到的路面信息，并由控制器判断路面是否平整，当控制器判断路面平整时，控制器通过四轮驱动电路协调控制四个伺服电动轮3行驶；当控制器判断路面不平整时，控制器同步控制两根电动伸缩推杆131驱动两根转轴133旋转，四个L型支架135摆动下放使四个履带式行走机构同步按压在地面上，同时四个伺服电动轮3悬空，控制器通过主动轮驱动电路协调控制四个电动主动轮136旋转，电动主动轮136通过环形履带134带动从动轮137行驶；

避障步骤：上部检测传感器15实时检测并向控制器反馈半空中的障碍物信息，当控制器接收上部检测传感器15以及下部检测传感器14的信息并判断行驶方向有障碍物时，控制器重新规划路线同时协调控制当前的行走机构避开障碍物；

高度调节步骤：根据果园作业的高低空类型，控制器通过剪式升降驱动电路驱动剪式升降驱动电机213旋转，驱动丝杆214旋转驱动连杆210前后移动，两个剪式支架分支同步升降使U形上侧框架212带动伸缩式杆台机构升降至适合作业的高度；控制器通过软绳收放电路协调驱动四个软绳收放电机231旋转，使四根根软绳232对应伸长或缩短，从而调解摆动管221的俯仰状态；同时通过控制器伸缩驱动电路驱动伸缩驱动电机228旋转，主动齿轮252与从动齿条226啮合传动带动滑动杆222进行伸缩，进一步调节果园作业工具的高度位置；

位置调节步骤：当小范围分布多个作业对象时，控制器通过剪式升降驱动电路驱动剪式升降驱动电机213旋转，从而对伸缩式杆台进行小范围高度调整，控制器通过软绳收放电路协调驱动四个软绳收放电机231旋转，对摆动管221的倾斜方向及角度进行调整，控制器通过伸缩驱动电路驱动伸缩驱动电机228旋转，主动齿轮252与从动齿条226啮合传动带动滑动杆222进行伸缩，使作业工具能够在底盘支架1不移动的情况下到达各个作业位置；当大范围分布多个作业对象时，控制器控制当前行走机构行驶至各个作业对象下方后，控制器通过剪式升降驱动电路驱动剪式升降驱动电机213旋转，从而对伸缩式杆台进行小范围高度调整，控制器通过软绳收放电路协调驱动四个软绳收放电机231旋转，对摆动管221的倾斜方向及角度进行调整，控制器通过伸缩驱动电路驱动伸缩驱动电机228旋转，主动齿轮252与从动齿条226啮合传动带动滑动杆222进行伸缩，使作业工具到达各个作业位置。

本发明提供的便于智慧果园作业的自适应支撑平台中，控制器采用现有的ARM处理器模块，用于实现协调控制；上部检测传感器15以及下部检测传感器14均采用现有的超声波传感器，用于采集地面平整度信息以及障碍物信息；剪式升降驱动电机213、伸缩驱动电机228以及软绳收放电机231均采用现有的步进电机；剪式升降驱动电路、伸缩驱动电路以及软绳收放电路均采用对应的步进电机驱动电路；电动伸缩推杆131采用现有的电动伸缩推杆，用于驱动转轴133旋转切换行走机构。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。