本發(fā)明涉及農(nóng)林養(yǎng)護(hù)自動化設(shè)備，特別涉及一種樹木養(yǎng)護(hù)機(jī)器人及其作業(yè)方法。
背景技術(shù)：
1、果園、林區(qū)等場景中的樹木養(yǎng)護(hù)作業(yè)（如冬季涂白、病蟲害防治噴藥）是保障林木健康生長的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)作業(yè)方式主要依賴人工操作或半機(jī)械化設(shè)備，作業(yè)人員手持噴涂工具進(jìn)行樹干涂白或噴霧施藥。此類方法存在勞動強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、操作人員長期接觸化學(xué)藥劑導(dǎo)致健康風(fēng)險高等突出問題，且在陡坡、密林等復(fù)雜地形下存在較大安全隱患。
2、為提升作業(yè)效率，近年來出現(xiàn)了部分農(nóng)業(yè)噴涂機(jī)器人設(shè)備，其多采用預(yù)編程路徑規(guī)劃或基于gps的導(dǎo)航定位方式，沿預(yù)設(shè)路線行駛并完成噴涂作業(yè)。然而上述這種噴涂機(jī)器人無法自主感知復(fù)雜林果環(huán)境，難以適配果樹密度不均、地形起伏、障礙物多變的場景；同時缺乏樹干三維智能識別與精準(zhǔn)定位能力，易出現(xiàn)噴涂偏移、漏噴、重復(fù)噴涂和涂料浪費的問題。
3、因此，亟需開發(fā)一種具備環(huán)境自主感知、樹干智能識別與精準(zhǔn)定位能力的樹木養(yǎng)護(hù)作業(yè)機(jī)器人。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提出一種樹木養(yǎng)護(hù)機(jī)器人，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，該樹木養(yǎng)護(hù)機(jī)器人能夠在復(fù)雜果園林區(qū)場景下，實現(xiàn)樹木養(yǎng)護(hù)作業(yè)的智能化、精準(zhǔn)化與高效化，并減少涂料浪費。
2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種樹木養(yǎng)護(hù)機(jī)器人，包括用于實現(xiàn)機(jī)器人移動的移動平臺，所述移動平臺上設(shè)有涂料箱，還包括：
3、多傳感器感知系統(tǒng)包括三維激光雷達(dá)、深度相機(jī)、北斗rtk模塊、九軸imu及超聲波傳感器，用于機(jī)器人的環(huán)境感知與自身定位；
4、噴涂執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括設(shè)置在移動平臺上的位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、與位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相連接的機(jī)械臂、與涂料箱相連接的泵體以及多個呈扇形分布在機(jī)械臂上的噴頭，各所述噴頭均與泵體的出液口相連通；
5、控制器接收三維激光雷達(dá)、深度相機(jī)、北斗rtk模塊、九軸imu及超聲波傳感器的采集信息，基于所述采集信息通過slam技術(shù)構(gòu)建環(huán)境地圖，識別樹干位置與直徑，并根據(jù)所述環(huán)境地圖規(guī)劃作業(yè)路徑，控制移動平臺逐一運動至每棵樹前，通過機(jī)械臂帶動噴頭根據(jù)樹干直徑調(diào)整噴頭的姿態(tài)以及距樹干的距離，執(zhí)行噴涂作業(yè)。
6、在本發(fā)明至少一實施例中，所述泵體為變頻隔膜泵，所述控制器還用于根據(jù)所述深度相機(jī)的采集信息得到所噴涂樹干的樹皮粗糙度，并依據(jù)所述樹干直徑以及樹皮粗糙度調(diào)節(jié)泵體流量與移動平臺的移動速度。
7、在本發(fā)明至少一實施例中，所述控制器包括：多傳感器融合slam模塊和樹干識別與語義建模模塊，所述多傳感器融合slam模塊用于根據(jù)深度相機(jī)、北斗rtk模塊、九軸imu及超聲波傳感器的采集信息，通過cartographer或gmapping算法構(gòu)建二維柵格地圖；所述樹干識別與語義建模模塊用于根據(jù)所述三維激光雷達(dá)的采集信息，采用ransac圓柱擬合算法從點云數(shù)據(jù)中提取樹干在所述二維柵格地圖中的空間位置與直徑信息。
8、在本發(fā)明至少一實施例中，所述控制器采用波前算法或牛耕式算法規(guī)劃作業(yè)路徑，以生成全局經(jīng)過每棵樹的路徑，并基于dwa或teb算法實現(xiàn)局部路徑調(diào)整與實時障礙規(guī)避。
9、在本發(fā)明至少一實施例中，所述位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括縱向設(shè)置在移動平臺上的升降件和設(shè)置在升降件活動部上的水平移動件，所述機(jī)械臂包括與水平移動件活動部相連接的第一弧形板、與第一弧形板滑動連接的兩個第二弧形板以及兩個驅(qū)動件，多個所述噴頭分別布設(shè)在第一弧形板和兩個第二弧形板的內(nèi)側(cè)，所述驅(qū)動件用于驅(qū)動第二弧形板在第一弧形板上滑動，以將樹干包裹在第一弧形板和兩個第二弧形板之間，所述升降件、水平移動件和驅(qū)動件均與控制器信號連接。
10、在本發(fā)明至少一實施例中，還包括自動補(bǔ)給系統(tǒng)并配置有補(bǔ)給基站，所述移動平臺上設(shè)有電池，所述自動補(bǔ)給系統(tǒng)包括：充電接口、加料/排料閥門和資源監(jiān)測模塊，所述充電接口與電池電連接；所述加料/排料閥門設(shè)置在涂料箱上，用于涂料的自動補(bǔ)充與更換；所述資源監(jiān)測模塊包括與電池連接的電量檢測單元以及設(shè)置在涂料箱內(nèi)的液位傳感器；所述電量檢測單元與液位傳感器與控制器信號連接，所述控制器用于根據(jù)接收到的電量信息和液位信息，并當(dāng)電量信息和液位信息低于閾值時，返回基站。
11、在本發(fā)明至少一實施例中，所述補(bǔ)給基站包括電源和加排料機(jī)構(gòu)，所述電源和加排料機(jī)構(gòu)上均設(shè)有apriltag標(biāo)簽，所述深度相機(jī)用于識別apriltag標(biāo)簽，并將識別信息發(fā)送給控制器，所述控制器用于根據(jù)識別信息控制充電接口和加料/排料閥門分別與電源和加排料機(jī)構(gòu)的對接定位。
12、本發(fā)明還提出一種樹木養(yǎng)護(hù)機(jī)器人作業(yè)方法，包括以下步驟：
13、機(jī)器人進(jìn)入作業(yè)林區(qū)后，通過三維激光雷達(dá)、深度相機(jī)、北斗rtk模塊、九軸imu及超聲波傳感器進(jìn)行信息采集，并將采集信息發(fā)送給控制器；
14、控制器根據(jù)接收到的所述采集信息，通過slam技術(shù)構(gòu)建環(huán)境地圖，識別樹干位置與直徑，并根據(jù)所述環(huán)境地圖規(guī)劃作業(yè)路徑；
15、隨后控制器根據(jù)所述作業(yè)路徑控制移動平臺逐一運動至每棵樹前，后通過機(jī)械臂帶動噴頭根據(jù)樹干直徑調(diào)整噴頭的姿態(tài)以及距樹干的距離，完成調(diào)整后啟動泵體以執(zhí)行噴涂作業(yè)。
16、當(dāng)電量或涂料低于閾值時，機(jī)器人自主規(guī)劃路徑返回基站，通過視覺伺服識別實現(xiàn)充電接口與加料閥門的精準(zhǔn)對接，完成資源補(bǔ)充后返回中斷點繼續(xù)作業(yè)。
17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
18、本發(fā)明提出的一種樹木養(yǎng)護(hù)機(jī)器人采用設(shè)有涂料箱的移動平臺、包含三維激光雷達(dá)、深度相機(jī)、北斗rtk模塊、九軸imu及超聲波傳感器的多傳感器感知系統(tǒng)、帶位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、泵體與噴頭的噴涂執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制器，在使用時通過slam技術(shù)構(gòu)建環(huán)境地圖，識別樹干位置與直徑，并根據(jù)環(huán)境地圖規(guī)劃作業(yè)路徑，控制移動平臺逐一運動至每棵樹前，通過機(jī)械臂帶動噴頭根據(jù)樹干直徑調(diào)整噴頭的姿態(tài)以及距樹干的距離，執(zhí)行噴涂作業(yè)；與現(xiàn)有技術(shù)相比，有效解決了現(xiàn)有樹木養(yǎng)護(hù)設(shè)備依賴預(yù)設(shè)路徑或gps導(dǎo)航、無法自主感知復(fù)雜林果環(huán)境、缺乏樹干智能識別與精準(zhǔn)定位能力導(dǎo)致的作業(yè)偏差、漏噴、涂料浪費等技術(shù)問題，能夠自主構(gòu)建環(huán)境地圖、精準(zhǔn)識別樹干位置與直徑、智能規(guī)劃作業(yè)路徑，自適應(yīng)調(diào)節(jié)噴頭姿態(tài)與作業(yè)距離，實現(xiàn)復(fù)雜林果環(huán)境下樹木養(yǎng)護(hù)作業(yè)的自動化、智能化與連續(xù)化，提升作業(yè)精準(zhǔn)度與效率，減少涂料浪費。
1.一種樹木養(yǎng)護(hù)機(jī)器人，包括用于實現(xiàn)機(jī)器人移動的移動平臺，所述移動平臺上設(shè)有涂料箱，其特征在于，還包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的樹木養(yǎng)護(hù)機(jī)器人，其特征在于，所述控制器包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種樹木養(yǎng)護(hù)機(jī)器人，其特征在于，所述泵體為變頻隔膜泵，所述控制器還用于根據(jù)所述深度相機(jī)的采集信息得到所噴涂樹干的樹皮粗糙度，并依據(jù)所述樹干直徑以及樹皮粗糙度調(diào)節(jié)泵體流量和移動平臺速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種樹木養(yǎng)護(hù)機(jī)器人，其特征在于，所述控制器采用波前算法或牛耕式算法規(guī)劃作業(yè)路徑，以生成全局經(jīng)過每棵樹的路徑，并基于dwa或teb算法實現(xiàn)局部路徑調(diào)整與實時障礙規(guī)避。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種樹木養(yǎng)護(hù)機(jī)器人，其特征在于，所述位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括縱向設(shè)置在移動平臺上的升降件和設(shè)置在升降件活動部上的水平移動件，所述機(jī)械臂包括與水平移動件活動部相連接的第一弧形板、與第一弧形板滑動連接的兩個第二弧形板以及兩個驅(qū)動件，多個所述噴頭分別布設(shè)在第一弧形板和兩個第二弧形板的內(nèi)側(cè)，所述驅(qū)動件用于驅(qū)動第二弧形板在第一弧形板上滑動，以將樹干包裹在第一弧形板和兩個第二弧形板之間，所述升降件、水平移動件和驅(qū)動件均與控制器信號連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種樹木養(yǎng)護(hù)機(jī)器人，其特征在于，還包括自動補(bǔ)給系統(tǒng)并配置有補(bǔ)給基站，所述移動平臺上設(shè)有電池，所述自動補(bǔ)給系統(tǒng)包括：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種樹木養(yǎng)護(hù)機(jī)器人，其特征在于，所述補(bǔ)給基站包括電源和加排料機(jī)構(gòu)，所述電源和加排料機(jī)構(gòu)上均設(shè)有apriltag標(biāo)簽，所述深度相機(jī)用于識別apriltag標(biāo)簽，并將識別信息發(fā)送給控制器，所述控制器用于根據(jù)識別信息控制充電接口和加料/排料閥門分別與電源和加排料機(jī)構(gòu)的對接定位。
8.一種樹木養(yǎng)護(hù)機(jī)器人作業(yè)方法，基于權(quán)利要求1所述的一種樹木養(yǎng)護(hù)機(jī)器人，其特征在于，包括以下步驟：