一种大白菜定向跟随自动装箱装置及方法

本发明属于智能农机，尤其涉及一种大白菜定向跟随自动装箱装置及方法。

背景技术：

1、我国大白菜产业规模巨大，但目前国内大部分白菜产区仍采用人工收获的方式。大白菜人工收获为劳动密集型环节，其中包括切根、去老叶、搬运、码放。为解决白菜人工收获的问题，现研发的部分大白菜收获样机已可以实现大白菜的稳定收获，但并未配置高效、快速的采后处理和有序装箱环节，机械收获后无序收集，或者仍依靠人工有序堆积码放。

2、现有的大白菜收获样机中，部分机型虽配备了一级输送带和简单的去叶装置，但缺乏在去叶过程中同步调整大白菜姿态的功能，经去叶后的大白菜姿态各异、朝向不一，直接落入收集箱后相互交错，难以形成整齐的码放层，进一步增加了人工二次整理的难度。

3、因大白菜体积大、圆柱形的形态特点，无序的装箱收集会出现挤压损伤、箱体利用率不高的问题，甚至出现需人工二次整理的情况。此外，现有收获样机在装箱过程中，收获机持续前进，而收集箱固定于收获机后方或侧方，无法在收获机行进过程中实现动态跟随装箱，导致大白菜落点分散、堆积杂乱；当收集箱装满后，必须停机进行人工换箱，严重影响了收获作业的连续性和整体效率。这与机械化收获的减轻人工负担，提高生产效率的设计理念不匹配。高效的采后处理和有序装箱技术对提升大白菜机械化收获全程化、提升机收大白菜品相和价值具有重大意义。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种大白菜定向跟随自动装箱装置及方法，旨在实现大白菜收获后的去叶姿态调整、行进间动态跟随装箱以及不停机换箱续接，以提高装箱效率和品质。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种大白菜定向跟随自动装箱装置，包括牵引底盘、一级输送带、去叶转向机构、二级伸缩输送带、跟随装箱小车、图像获取装置和控制器；

4、所述控制器包括主控制器和副控制器，主控制器和副控制器通过无线连接实现信息收发；

5、所述一级输送带安装于牵引底盘上，位于大白菜收获部出料口后侧，用于承接并向后输送经收获后掉落的大白菜；

6、所述去叶转向机构安装于牵引底盘上，位于一级输送带和二级伸缩输送带之间，用于对一级输送带输送来的大白菜进行外叶去除和姿态调整；

7、所述二级伸缩输送带安装于牵引底盘上，位于牵引底盘左侧，与一级输送带垂直布置，二级伸缩输送带出料端可横向伸缩，用于将经去叶和姿态调整后的大白菜输送至跟随装箱小车顶部的收集箱内；

8、所述图像获取装置安装于牵引底盘上，图像获取装置视场覆盖二级伸缩输送带的出料端和跟随装箱小车的收集箱，用于采集白菜装箱状态和跟随装箱小车相对牵引底盘的位姿图像；

9、所述一级输送带、去叶转向机构、二级伸缩输送带和图像获取装置均与主控制器连接；所述跟随装箱小车与副控制器连接，由副控制器控制行走；

10、所述牵引底盘由拖拉机牵引行走，大白菜经机械收获后依次经一级输送带输送、去叶转向机构去叶和姿态调整后，通过二级伸缩输送带落入跟随装箱小车顶部的收集箱内；所述主控制器通过图像获取装置获取装箱状态和跟随装箱小车位姿信息，并向副控制器发送控制指令，通过二级伸缩输送带的横向伸缩移动与跟随装箱小车的纵向行走配合，实现大白菜在收集箱内的逐层有序堆放。

11、上述方案中，所述牵引底盘包括牵引底盘主车架、行走轮和三点悬挂连接板；

12、所述牵引底盘主车架用于承载大白菜收获部、一级输送带、二级伸缩输送带和图像获取装置；

13、所述行走轮包括轮胎、轮胎轴安装座、轮胎安装轴和轮胎防护板，轮胎轴安装座安装在牵引底盘主车架上，轮胎安装轴穿过轮胎并与两侧的轮胎轴安装座固定连接，轮胎防护板安装在轮胎上方；

14、所述三点悬挂连接板固定安装于牵引底盘主车架上，用于与拖拉机尾部的三点悬挂装置连接，以实现牵引底盘与拖拉机的挂接。

15、上述方案中，所述一级输送带包括输送带、一级输送带驱动轮、输送带从动轮、一级输送带驱动电机、主动轮张紧机构和输送带安装机架；

16、所述主动轮张紧机构包括主动轮电机安装板和张紧螺丝安装板，所述主动轮电机安装板固定安装于一级输送带驱动轮的轮轴处，所述一级输送带驱动电机固定安装于主动轮电机安装板上，所述张紧螺丝安装板固定安装于输送带安装机架上，且张紧螺丝安装板与主动轮电机安装板相对设置，张紧螺丝安装板上的张紧螺丝抵接于主动轮电机安装板，通过旋拧张紧螺丝调节一级输送带驱动轮与输送带从动轮的间距，实现输送带的张紧调节；

17、所述一级输送带驱动电机与一级输送带驱动轮轴连接，用于直接驱动一级输送带驱动轮转动；所述输送带安装机架上设有输送带固定板，用于固定输送带，所述输送带从动轮通过从动轮安装轴承座安装在输送带安装机架上。

18、上述方案中，所述去叶转向机构包括去叶转向机构主机架、去叶辊筒、橡胶包覆、角度调节底座、去叶转向机构安装座和去叶辊电机；

19、所述去叶辊筒为长圆柱形，橡胶包覆包覆在去叶辊筒外层；去叶辊筒两端分别与安装在轴承座安装板上的轴承座和去叶辊电机连接，去叶辊电机通过去叶辊电机安装板安装在去叶转向机构主机架上，去叶辊电机带动去叶辊筒旋转；

20、所述角度调节底座通过去叶转向机构安装座安装于牵引底盘主车架上；所述去叶转向机构主机架下部设有第一圆管，所述角度调节底座上设有与第一圆管间隙配合的第二圆管，第一圆管插入第二圆管内，使去叶转向机构主机架可绕第一圆管的轴线相对角度调节底座转动，从而调节去叶辊筒相对水平面的倾斜角度；角度调节底座的侧面设有三个焊接螺母，三个焊接螺母沿第二圆管的轴线方向间隔布置并分别旋合有锁紧螺栓，旋紧锁紧螺栓使其末端抵接于第一圆管的外壁，实现对去叶转向机构主机架转动自由度的径向锁定；角度调节底座的下部设有轴向限位螺丝，所述轴向限位螺丝从角度调节底座的下端旋入并抵接于第一圆管的末端端面，用于限制第一圆管沿其轴向相对第二圆管的窜动位移。

21、上述方案中，所述二级伸缩输送带包括伸缩输送带固定部、伸缩输送带伸出部、第一二级伸缩输送带驱动电机、第二二级伸缩输送带驱动电机和传动链；

22、所述伸缩输送带固定部的左右两侧分别固定焊接有角度调节安装板，各角度调节安装板分别通过铰接轴与对应的角度调节垫块铰接，角度调节垫块固定安装于牵引底盘主车架上，通过增减角度调节垫块的数量或厚度来调节伸缩输送带固定部相对水平面的倾斜角度；

23、所述伸缩输送带固定部的两侧设有沿其长度方向延伸的直线导轨，所述伸缩输送带伸出部的两侧设有与所述直线导轨滑动配合的滑块，伸缩输送带伸出部通过所述滑块与直线导轨的配合可滑动地安装于伸缩输送带固定部上，使伸缩输送带伸出部可沿伸缩输送带固定部的长度方向伸出或缩回；

24、所述第一二级伸缩输送带驱动电机安装于伸缩输送带固定部下方，第一二级伸缩输送带驱动电机的输出端通过传动链连接至伸缩输送带主动轮，用于驱动输送带循环转动；

25、所述第二二级伸缩输送带驱动电机安装于伸缩输送带固定部上，第二二级伸缩输送带驱动电机的输出端通过丝杆螺母机构或齿轮齿条机构连接至伸缩输送带伸出部，用于驱动伸缩输送带伸出部沿伸缩输送带固定部的长度方向作伸出或缩回运动。

26、上述方案中，所述图像获取装置包括相机安装杆、加强支撑杆、相机安装座和工业相机；

27、所述相机安装杆固定于牵引底盘主车架，相机安装杆上设有加强支撑杆用于加固，相机安装座固定于相机安装杆前端，工业相机安装在相机安装座上；所述工业相机与主控制器连接，用于采集跟随装箱小车的白菜装箱状态和小车相对位姿图像，并传输至主控制器的图像处理模块进行处理，以获取收集箱内白菜的码放状态信息以及跟随装箱小车相对牵引底盘的位姿信息。

28、上述方案中，所述主控制器安装于牵引底盘主车架上，集成有车速测量模块、车距测量模块、伸缩控制模块、图像处理模块和各电机控制模块；

29、所述车速测量模块用于通过卫星定位实现牵引底盘的车速v1测量；

30、所述车距测量模块用于通过uwb技术实现跟随装箱小车与主控制器的相对角度和距离测量；

31、所述图像处理模块用于对工业相机获取的图像进行处理，一方面通过图像识别得到小车中白菜的装箱状态，另一方面通过图像识别和相机标定参数换算得到跟随装箱小车相对牵引底盘的横向距离、纵向偏移和角度的位姿信息，为主控制器控制跟随装箱小车的跟随行走提供决策依据；

32、所述电机控制模块用于控制一级输送带、二级伸缩输送带、去叶辊筒的驱动电机启停及转速。

33、上述方案中，所述跟随装箱小车包括履带行走底盘、白菜收集箱固定框架、底盘承载机架和白菜收集箱；

34、所述副控制器安装于履带行走底盘前端；所述白菜收集箱固定框架通过螺丝安装于底盘承载机架上部，底盘承载机架安装在履带行走底盘上，白菜收集箱放置于白菜收集箱固定框架内；所述白菜收集箱固定框架的长度为l、宽度为w、高度为h，白菜收集箱的长度为ls、宽度为ws、高度为hs，且满足ls≤l、ws≤w；待收获大白菜的高度为hc、直径为d，白菜收集箱可容纳的最大白菜个数n按以下公式计算：

35、n=

36、其中为向下取整符号。

37、上述方案中，以跟随装箱小车上白菜收集箱前端长度中心点在地面的投影点为o1，在平行于地面的投影面上建立坐标系x1o1y1，其中y1轴与牵引底盘作业方向平行，x1轴垂直于作业方向；以牵引底盘主车架上二级伸缩输送带的固定安装基准点在地面的投影为o2，建立坐标系x2o2y2，x、y轴与x1o1y1坐标轴方向一致，该点为跟随初始位置；二级伸缩输送带的实时出料口末端在地面的投影点为o3；跟随装箱小车在定向跟随状态下，保持o1o2在x轴方向投影的横向距离为常数l2，o1在装箱过程中的轨迹点为a1,a2,a3,...,ar，其中r=，初始位置时a1与o1点重合。

38、一种根据所述的大白菜定向跟随自动装箱装置的控制方法，包括以下步骤：

39、步骤s1：拖拉机牵引牵引底盘行走，牵引底盘主车架上承载的大白菜收获部同步作业，将待收获大白菜从地面拔取、切根后输送至预设平台高度，并掉落至一级输送带的输送带带面上；

40、步骤s2：一级输送带的输送带带动大白菜向去叶转向机构方向运动，同时去叶转向机构的去叶辊筒保持与输送带转向相反的方向高速转动，在去叶辊筒的撞击力和输送带的拉扯力作用下，大白菜的外叶被去除并排出车体外；经去叶后的大白菜在斜置的去叶辊筒作用下调整姿态，保持统一姿态和间距输送至二级伸缩输送带上；

41、步骤s3：二级伸缩输送带移动至初始位置，即伸缩输送带伸出部的伸出量为l2，图像获取装置的工业相机实时采集白菜装箱状态，确认第一颗白菜落入收集箱预设位置后，二级伸缩输送带保持速度v3伸出δl=d，重复该动作次，完成第一列白菜码放；随后进入第二列白菜码放，跟随装箱小车以速度v2向前行驶δl=hc，二级伸缩输送带的伸缩输送带伸出部收缩固定距离δl=d，重复该动作次，完成第二列白菜码放；第三列再伸出，第四列再收缩，如此交替，形成s形装箱路径；跟随装箱小车每完成一列码放后沿作业方向前进hc，直至前进次后完成第一层大白菜码放；重复上述层码放过程次，完成整箱白菜收集；

42、其中，白菜落框的时间间隔t、跟随装箱小车的车速v2、二级伸缩输送带的伸缩速度v3分别按以下公式计算：

43、

44、其中k为当前装箱层数，为重力加速度；

45、

46、其中r为当前已完成的码放行数；当r为奇数时，；当r为偶数时，；v3为正值时表示二级伸缩输送带伸出，v3为负值时表示收缩；

47、v2为正值时表示跟随装箱小车相对牵引底盘向前加速，v2为负值时表示相对向前减速；牵引底盘的作业速度v1应满足>，以确保v2为正值；若计算所得v2≤0，则主控制器发出降速报警，自动降低牵引底盘车速v1至安全值后再恢复作业；

48、主控制器还根据工业相机识别得到的二级伸缩输送带出料口末端o3与目标落点之间的水平距离l3，按以下公式对二级伸缩输送带的输送带线速度v4进行水平落箱偏移补偿控制：

49、

50、其中，= 1表示伸缩输送带伸出部的伸缩方向与输送带送料方向相同，=-1表示伸缩方向与输送带送料方向相反；

51、步骤s4：主控制器通过图像处理模块确认白菜装箱完毕后，发出满箱提示信号，并进入换箱暂停控制状态；主控制器首先控制二级伸缩输送带停止伸缩和输送，使其停止向跟随装箱小车顶部的白菜收集箱继续落料，同时控制跟随装箱小车停止前进并保持当前位置；一级输送带和去叶辊筒继续运行预设时间t秒，所述t为正数，将已进入收获输送通道的大白菜继续完成去叶和姿态调整，并暂存于一级输送带、去叶转向机构与二级伸缩输送带前端之间形成的缓存区内，随后主控制器控制白菜收获部、一级输送带和去叶辊筒停止工作；人工更换空的白菜收集箱后，按下复位/续接按钮，主控制器先控制二级伸缩输送带的伸缩输送带伸出部回到初始伸出位置l2，并通过图像获取装置确认空箱位置满足装箱要求；确认无误后，主控制器依次恢复跟随装箱小车、二级伸缩输送带、一级输送带、去叶辊筒及白菜收获部的联动控制，使装置继续进行下一箱大白菜的有序装箱作业。

52、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

53、1.本发明通过在一级输送带与二级伸缩输送带之间设置去叶转向机构，利用斜置的高速

54、反向旋转去叶辊筒，在去除大白菜外叶的同时对其姿态进行统一调整，使去叶后的大白菜以一致姿态进入装箱环节，避免了因姿态各异导致的码放困难。

55、2.本发明通过设置独立行走的跟随装箱小车，配合由主控制器和副控制器构成的控制器，两者通过无线连接实现信息收发，使跟随装箱小车能够在收获机持续行进过程中动态跟随并完成装箱作业，无需停车装箱，保障了收获作业的连续性。

56、3.本发明通过二级伸缩输送带的横向伸缩移动与跟随装箱小车的纵向步进行走协同配合，按照预设的s形装箱路径，使大白菜在收集箱内按列逐层紧密排列，有效避免了大白菜之间的挤压损伤，提高了箱体空间利用率，无需人工二次整理。

57、4.本发明通过在一级输送带、去叶转向机构与二级伸缩输送带前端之间形成缓存区，在收集箱装满后，主控制器控制二级伸缩输送带停止落料，而一级输送带和去叶辊筒继续运行预设时间t秒，将已进入输送通道的大白菜暂存于缓存区内，待更换空箱后按下复位/续接按钮即可恢复作业，实现了不停机换箱，有助于保持收获作业的连续性。

58、5.本发明通过工业相机实时采集白菜装箱状态和跟随装箱小车相对牵引底盘的位姿图像，经主控制器的图像处理模块处理后，由车速测量模块获取牵引底盘的车速v1，由车距测量模块通过uwb技术获取跟随装箱小车与主控制器的相对角度和距离，结合落框时间间隔、小车车速和伸缩带速度的计算公式，使二级伸缩输送带的伸缩速度与跟随装箱小车的行进速度精确匹配，有利于使大白菜准确落入预设空位。

59、6.本发明通过设置水平落箱偏移补偿算法，由工业相机识别出料口末端o3与目标落点之间的水平距离l3，按公式对输送带线速度v4进行补偿控制，消除了大白菜脱离输送带时水平分速度对落点位置的影响，使大白菜在高速作业条件下仍能稳定落入目标位置，进一步提高了装箱精度和可靠性。

60、7.本发明将一级输送带与二级伸缩输送带垂直布置，二级伸缩输送带设置于牵引底盘左侧，去叶转向机构斜置于二者之间，整体布局紧凑合理。通过设置独立的两个二级伸缩输送带驱动电机，分别驱动输送带循环转动和伸缩部伸出缩回，传动路径清晰，控制独立可靠。