一种基于视觉感知与融合定位的三角履带自走式棕榈果收获机器人

本发明涉及农业机械，具体涉及一种基于视觉感知与融合定位的三角履带自走式棕榈果收获机器人。

背景技术：

1、油棕作为重要的热带经济作物，其果实收获作业是油棕生产过程中劳动强度大、作业频率高且对时效性要求较强的关键环节。我国南方及东南亚地区油棕种植面积较大，油棕树生长高度通常可达5～15 m，果实主要分布于树冠中上部位置，采摘空间受树体高度和冠层结构限制明显。目前，油棕果实的采摘作业仍以人工方式为主，通常依赖人工攀爬或借助简易工具完成果实采摘。该方式不仅劳动强度大、作业效率低，而且在高空作业以及果实下落过程中存在较大的安全隐患，难以满足规模化种植条件下对高效率与高安全性的作业需求。随着劳动力成本不断上升，传统人工采摘方式已逐渐成为制约油棕产业发展的重要因素。

2、近年来，随着智能农业技术的发展，机器视觉与自主导航技术逐渐应用于果园作业装备中，但在油棕果实采摘领域相关技术应用仍处于探索阶段。现有部分果园作业装备虽然引入视觉检测技术用于目标识别，但多数仅实现简单图像采集或二维目标判断，缺乏对果实空间位置信息的稳定获取能力，在树冠遮挡复杂、光照变化明显的油棕果园环境中识别稳定性仍然不足。同时，现有设备在作业过程中多依赖预设路线或人工遥控方式进行移动控制，缺乏基于环境感知的自主定位与建图能力，难以适应油棕种植区域空间复杂、作业路径变化频繁的作业环境，导致作业效率与作业安全性受到限制。

3、针对上述问题，现有技术中具有多种油棕果实采摘机械或辅助采摘装置，例如采用固定高度作业平台、简单机械臂与末端执行结构或手持式采摘工具等方式，以降低人工劳动强度。然而，上述装置多存在结构适应性差的问题，其作业高度调节范围有限，难以适应油棕树高度差异大、地形起伏明显的果园环境；同时，部分设备缺乏稳定的支撑结构，在坡地或不平整地面作业时稳定性不足，影响采摘安全性和作业连续性。

4、同时，现有油棕采摘设备多依赖人工目测判断果实成熟度，采摘精度受操作人员经验影响较大，容易出现误摘未成熟果实或漏摘成熟果实的情况，不仅降低果实品质，也增加了不必要的重复作业成本。现有技术中将视觉检测技术与油棕果实采摘过程深度融合的应用仍较少，尚缺乏能够对成熟果实进行有效识别并引导采摘作业的成套机械化解决方案。在果实采摘后的收集与转运环节中，部分现有装置仍需人工辅助完成果实转移或卸料操作，作业流程衔接不顺畅，影响整体作业效率。尤其在高空采摘条件下，果实收集高度与转运高度不匹配的问题较为突出，增加了作业复杂度。

5、因此，亟需一种结构紧凑、作业高度调节范围大、稳定性好，并能够结合视觉检测与环境感知技术实现成熟果实精准采摘，同时具备自主定位与导航能力，兼顾果实高效收集与转运的油棕果实收获机械，以提高油棕果实采摘作业的机械化、智能化水平，降低劳动强度和安全风险，满足油棕规模化、集约化生产的实际需求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在不足，本发明的目的是提供一种基于视觉感知与融合定位的三角履带自走式棕榈果收获机器人，以解决对油棕树果实采摘时，现有采摘机械作业高度调节范围有限，依赖人工辅助采摘安全风险高，机械化程度低且作业不连续，对于果实成熟判别衡量标准模糊不一致，果实收集转运高度不匹配等问题，实现对高大油棕树果实成熟度准确判别和高度方向大范围精准采摘，提高油棕果实收集与转运效率，完善油棕果实采摘工作机械化自动化程度。

2、为解决上述问题，本发明专利提供的技术方案是：

3、一种基于视觉感知与融合定位的三角履带自走式棕榈果收获机器人，包括：行走系统、集果系统、采摘系统和控制系统；

4、所述行走系统包括行走装置、支撑装置，所述行走装置用于实现整机移动，所述支撑装置用于在采摘作业时支撑地面以保证整机稳定性；

5、所述集果系统安装于行走系统上，包括升降装置、倾倒装置和信息采集装置，所述升降装置用于调节集果系统整体高度，所述倾倒装置用于实现果实转运，所述信息采集装置用于果园定位及图像信息采集巡检；

6、所述采摘系统安装于行走系统上，包括旋转装置、伸缩采集装置和末端收获装置，所述旋转装置用于实现采摘系统的回转，所述伸缩采集装置用于调节采摘高度和作业距离，所述末端收获装置用于识别并采摘成熟果实并完成安置收集。

7、所述控制系统作为中枢电控单元，集成布置在机器人内部，分别与行走装置、集果系统以及采摘系统电性连接，用于统一接收信号，集中下发控制指令，闭环联动调控整机行走驻车、作业支撑调平、果箱升降卸料、机械臂姿态微调及末端采摘协同作业全流程动作。

8、进一步地，所述行走装置包括主车体、副车体、主副车体回转伸缩油缸、三角履带、液压马达以及格栅门；所述主车体、副车体通过在车架上焊接钢板外壳形成箱体结构，主车体箱体结构封闭，内部安置动力系统，液压系统与电控系统等；所述主副车体回转伸缩油缸设置于主车体与副车体之间，用于实现车体长度调节及姿态适应；所述液压马达设置于主车体与副车体两侧；所述三角履带通过液压马达分别与主车体和副车体连接；所述格栅门通过合页与主车体连接并可开启或关闭，以便于对内部机械进行检视和维护；所述主副车体回转伸缩油缸设置于主车体与副车体之间进行连接，可进行转动与伸缩，用于实现车体长度调节及姿态适应；所述液压马达设置于主车体与副车体两侧，所述三角履带通过液压马达分别与主车体和副车体连接。

9、进一步地，所述支撑装置包括支撑脚架、支撑脚架转轴、支撑脚架转动油缸、支撑脚架伸缩油缸及支撑脚架末端；所述支撑脚架转轴通过轴承及轴承座分别连接于主车体和副车体两侧，可在外界驱动下实现支撑脚架水平角度范围转动；所述支撑脚架一端与支撑脚架转轴连接，另一端与支撑脚架末端连接；所述支撑脚架转动油缸用于驱动支撑脚架转轴转动，从而使支撑脚架展开或收回；所述支撑脚架伸缩油缸设置于支撑脚架不同级段之间，用于调节支撑脚架的水平长度；所述支撑脚架末端设置于支撑脚架端部，通过液压油缸伸缩以增加支撑装置在垂直方向上的支撑长度。

10、进一步地，所述升降装置为剪式升降平台，包括承载平台、剪式连杆、抬升液压油缸、液压缸铰接座、导向槽、滑动滚轮和底座；所述承载平台通过滑动滚轮与导向槽配合连接于剪式连杆末端；所述剪式连杆设置于承载平台与底座之间；所述抬升液压油缸通过液压缸铰接座与剪式连杆连接，用于驱动承载平台上下移动；所述底座焊接固定于主车体顶部，并通过滑动滚轮与导向槽与剪式连杆末端连接，承载平台、剪式连杆与底座整体形成剪式升降平台的三层结构，通过滑动滚轮和导向槽限定自由度以使剪式升降平台运动限制于垂直方向，所述抬升液压油缸通过液压缸铰接座与剪式连杆连接，用于驱动承载平台上下移动。

11、进一步地，所述倾倒装置包括轴承座、倾倒液压油缸、集果箱、集果箱挡板和固定端口；所述集果箱前端通过轴承座与承载平台连接，后端通过铰接与倾倒液压油缸连接；所述倾倒液压油缸通过轴承座与承载平台连接，并通过驱动集果箱后端抬升以实现果实倾倒；所述集果箱挡板通过合页与集果箱连接并固定；所述固定端口通过焊接方式固定于集果箱上。

12、进一步地，所述信息采集装置包括导航接收器、多级伸缩油缸、摄像头支架和巡检摄像头；所述巡检摄像头分别安装于摄像头支架上并朝向不同方向，可持续采集环境图像数据，同时利用惯性测量单元采集整机姿态与运动状态信息，通过视觉与惯性信息融合实现实时位姿估计，并构建果园环境地图；所述导航接收器固定于集果箱上端，全局定位信息进行融合修正，提高地图全局一致性与定位精度；所述摄像头支架固定于多级伸缩油缸顶端，通过多级伸缩油缸抬升；所述多级伸缩油缸下端通过螺栓固定于承载平台上。

13、进一步地，所述旋转装置包括收获机械臂旋转底座，所述收获机械臂旋转底座固定于副车体内，用于实现采摘系统的回转运动。

14、进一步地，所述伸缩采集装置包括下层多级伸缩机械臂、管路防护铰接架、机械臂角度调节油缸、上层多级伸缩机械臂、多级伸缩采集硬管、同步支架、采集管漏斗口和采集软管；所述下层多级伸缩机械臂通过螺栓固定于收获机械臂旋转底座上侧法兰面；所述下层多级伸缩机械臂通过螺栓固定于收获机械臂旋转底座上侧法兰面，下层多级伸缩机械臂拥有三个级段，每个级段都可在内部液压油缸带动下进行伸缩，从而在高度方向可以实现大范围覆盖；所述管路防护铰接架通过螺栓分别与下层多级伸缩机械臂和上层多级伸缩机械臂连接，用于对采集软管进行定位和保护；所述机械臂角度调节油缸两端分别与下层多级伸缩机械臂和上层多级伸缩机械臂连接，用于调节上层多级伸缩机械臂的角度并提供高度支撑；所述上层多级伸缩机械臂通过液压缸伸缩以实现末端收获装置的作业距离调节；

15、所述多级伸缩采集硬管通过同步支架与上层多级伸缩机械臂连接，通过上层多级伸缩机械臂内液压油缸伸缩带动在对应级段实现同步伸缩，保证采集时管路连续性；所述采集管漏斗口连接于多级伸缩采集硬管一端，位置靠近末端收获装置的收获铲，采集的果实通过收获铲倾倒可沿着采集管漏斗口进入；所述采集软管一端通过角度弯管与多级伸缩采集硬管连接，另一端与固定端口连接，形成自采摘端到收集端的完整运输路线，使采摘后的果实可以经采集管路输送至集果箱内。

16、进一步地，所述末端收获装置包括收获铲、收获摄像头、收获铲伸缩导轨、收获铲伸缩液压油缸、收获铲定向板、收获铲径向旋转油缸、收获铲圆弧回转导轨和收获铲俯仰调节铰接，所述收获铲通过收获铲伸缩导轨和收获铲伸缩液压油缸与收获铲定向板固定连接，通过收获铲伸缩导轨对收获铲的路径进行限制，收获铲伸缩液压油缸伸缩，为收获铲提供工作动力，在其驱动下完成成熟果实的铲取；所述收获摄像头位于收获铲底面外部两侧，设有视觉系统，负责对油棕果实进行视觉检测并识别成熟果实。所述收获铲定向板作为作为收获铲与姿态调整系统的中间结构以及收获铲的姿态基准，负责整合其轴向伸缩运动与空间多角度运动；所述收获铲径向旋转油缸连接收获铲定向板和收获铲圆弧回转导轨，在铲入角度需求时可实现径向转动；所述收获铲圆弧回转导轨直接与收获铲俯仰调节铰接连接，用于控制收获铲定向板在收获铲圆弧回转导轨平面内进行位置调节，负责在不调整其他大型结构前提下绕树工作；所述收获铲俯仰调节铰接连接在上层多级伸缩机械臂顶端，用于控制收获铲定向板在垂直面内的俯仰角度调节，通过上述三个结构实现收获铲的多角度位置调整。

17、与其他现有技术相比，本发明具有以下优点：

18、1.通过在自走式履带行走系统上设置稳定可靠的升降装置，并与多级伸缩采摘系统相结合，使采摘系统能够在竖直方向上实现大范围、连续的高度调节，采摘作业高度可根据油棕树果实分布位置进行匹配调整。相较于现有作业高度固定或调节范围有限的采摘机械，本发明有效拓展了采摘系统在高度方向上的作业适应范围，能够满足高度约5～15 m油棕树果实的采摘需求，同时减少人工辅助工作，消除高空人工参与带来的安全风险，避免因作业高度受限而导致的高处果实难以采摘或作业效率低下的问题。

19、2.通过将升降结构、伸缩机械臂与基于视觉检测的采摘系统进行协同设计，使末端收获装置能够在合适位置对成熟油棕果实进行准确识别与采摘。所述视觉检测结合深度信息获取与基于深度学习的成熟度判别方法，并通过多帧目标跟踪与信息融合提高复杂树冠遮挡环境下识别稳定性，从而减少对人工经验判断的依赖，降低误摘和漏摘现象，提高成熟果实判别的一致性与采摘精度。同时，采摘后的果实可经采集管路直接输送至可升降的集果箱内，并通过倾倒装置完成转运，有效解决现有技术中果实收集与转运高度不匹配、作业衔接不顺畅的问题。

20、3.本发明结合视觉与惯性信息融合的定位建图技术，实现机器人在复杂油棕果园环境中的自主定位与路径规划，并通过与卫星导航定位信息进行融合，提高整体作业过程中的定位精度与运动稳定性，使设备在地形起伏与树体遮挡环境下仍能够保持连续、高效的自主作业能力，从而进一步提升油棕果实采摘与收集作业的效率、连续性及收获机械的智能化与自动化水平。