竹林无人机采伐运输方法及系统与流程

1.本发明涉及一种竹林采伐运输方法及系统，具体地说，涉及一种利用无人机采伐运输丘陵山区竹林的方法及系统。本发明属于林业、竹业技术领域。


背景技术：

2.竹类植物生长快速、种类繁多、资源丰富，竹材强度高、韧性好、硬度大、可塑性佳是加工制造板材、家具、建筑结构材料、纸等产品的优良原料。然而，由于我国竹林主要种植在地形复杂、山高沟深的山区丘陵地带，林区道路、供电等基础设施落后，再加上种植面积不集中，造成竹林的采伐、集材运输困难，主要以人工作业为主，作业过程中存在安全隐患，导致劳动强度高、工作效率低下，大量成熟的竹材无法运输下山，大量的优质资源浪费。


技术实现要素：

3.针对丘陵山区的实际情况和竹林资源的特点，本发明的主要目的是提供了一种利用无人机采伐运输竹林的方法。该方法操控灵活，特别适宜地广人稀、丘陵山区等地理环境，不仅可降低采伐人员的劳动强度，提高竹材采伐效率，而且，可提高山地和困难立地条件下采伐工作的安全性。
4.本发明的另一目的是提供一种竹林无人机采伐运输系统，该系统充分利用无人机的优点，组建竹林采伐系统，操控性强，特别适宜地广人稀、丘陵山区等地理环境，不仅可降低采伐人员的劳动强度，提高竹材采伐效率，而且，可提高山地和困难立地条件下采伐工作的安全性。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种竹林无人机采伐运输方法，即在无人机上加装gps定位装置、摄像头、吊装装置、缆绳、捆扎装置和锁紧装置；组建包括机场控制终端、无人机和采伐现场移动控制终端在内的通信网络；
6.通过所述机场控制终端和采伐现场移动控制终端协同控制所述无人机，采伐竹子、捆扎和锁紧竹子，并将采伐的竹子从山高沟深的采伐现场运输到指定地点；
7.在所述无人机飞行过程中，所述机场控制终端根据所述无人机上摄像头拍摄的画面，调整所述无人机的飞行姿态，保持所述无人机的平衡；根据所述无人机上的锁紧装置上安装的扭矩传感器，实时监控吊装的竹子的捆绑松紧度，进而控制所述捆扎装置进一步捆扎竹子
8.所述采伐现场移动控制终端通过所述吊装装置控制所述缆绳的收放，根据所述吊装装置上的拉力传感器信号判断所述无人机的实时载重。
9.本发明还公开了一种无人机采伐运输系统，它包括机场控制终端、n架无人机和采伐现场移动控制终端；所述机场控制终端、无人机和采伐现场移动控制终端组成一无线通信网络；所述机场控制终端遥控所述无人机，控制其从停机坪到林场上空之间的飞起；所述采伐现场移动控制终端控制所述无人机在林场上空的飞行及竹子的采伐、捆扎、锁紧、吊装作业；
在内的通信网络；在机场控制终端a和采伐现场移动控制终端c中内置电子地图，并输入本次欲采伐每棵竹子的具体位置坐标和采伐路线；通过机场控制终端a和采伐现场移动控制终端c协同控制无人机b，采伐竹子，并将采伐的竹子从山高沟深的采伐现场吊装、运输到指定地点，具体方法是：
28.s1、在无人机上加装gps定位装置、摄像头、缆绳、吊装装置、捆扎装置和锁紧装置。
29.在无人机上加装gps定位装置的目的是准确地掌握和控制该架无人机的准确位置，以便控制该无人机。
30.在无人机上加装摄像头的目的是了解该无人机的飞行姿态、周围环境。
31.在无人机上加装吊装装置、捆扎装置和锁紧装置的目的是捆扎需要采伐、运输的竹子，将竹子吊起、运输至林区外。
32.s2、组建包括机场控制终端a、无人机b和采伐现场移动控制终端c在内的通信网络，在机场控制终端a和采伐现场移动控制终端c中内置电子地图，并输入本次欲采伐每棵竹子的具体位置坐标和采伐路线。
33.构成本发明的机场控制终端a和采伐现场移动控制终端c是在现有的无人机遥控器中增加gps定位芯片和无线通讯模块，使其不仅具有遥控无人机的功能，且具有gps定位和无线通信功能。
34.在本发明较佳实施例中，机场控制终端a和采伐现场移动控制终端c中内置有lora通讯模块。lora通讯模块具有传输距离远，可达8km，灵敏度高、工作功耗低、组网节点多等特点，并且无需用户建立数据中心，不用关心协议，即可实现设备之间的数据通信。针对山区基站信号弱、地形复杂的特点，本发明利用lora通讯模块更便于实现控制终端之间、控制终端与无人机之间的通讯。
35.s3、起飞无人机，由机场控制终端a和采伐现场移动控制终端c按照采伐路线协同控制无人机的飞行路线。
36.在无人机起飞后，先由机场控制终端a按照预置的飞行路线遥控无人机的飞行，直到无人机飞至采伐现场上空，改由采伐现场移动控制终端c控制无人机；在无人机飞离采伐现场后，再由机场控制终端a控制无人机至机场停机坪13这段距离的飞行。
37.在无人机飞行的过程中，机场控制终端a实时观察无人机上的摄像头拍摄的无人机姿态及周围环境的视频，调整无人机的飞行姿态。
38.s4、在采伐现场，采伐现场移动控制终端c遥控无人机采伐竹子，捆扎、吊起的竹子。
39.在采伐现场，采伐现场人员距离无人机最近，可听到、看到无人机，故由现场工作人员手持采伐现场移动控制终端c遥控无人机释放缆绳，采伐、捆扎、吊装竹子。
40.s4.1采伐竹子
41.无人机按照预置的采伐路线，飞至欲采伐竹林上空后，机场控制端a将控制权转交给采伐现场移动控制终端c，控制终端c遥控无人机通过吊装装置释放缆绳以及悬挂在缆绳下面的捆绑装置和锁紧装置。
42.将构成捆绑装置的钳体卡在竹子下端较粗竹节位置处，现场工人用伐竹剪剪断竹子，竹子向一侧倾倒，遥控无人机将缆绳升起；随着缆绳的上升，在重力的作用下，竹子顶部逐渐贴近地面，工作人员借机打枝。
43.s4.2捆绑竹子
44.待采伐一定数量的竹子后，将竹子打捆，遥控无人机进一步释放缆绳，通过捆绑装置和锁紧装置将的竹子捆绑在无人机上。
45.s4.3吊起竹子
46.采伐现场移动控制终端c遥控无人机，提升缆绳，将竹子吊起，将控制权移交给机场控制终端a，运输竹子。
47.s5、当无人机吊起的竹子后，将控制权转交给机场控制终端a遥控无人机，将采伐的竹子运输至指定地点。
48.在无人机吊运竹子时，机场控制终端a实时观察无人机摄像头拍摄的无人机飞行姿态、周围环境、无人机飞行高度等情况，调整无人机的姿态及飞行速度，保证无人机的安全。同时，在无人机飞行过程中，根据无人机锁紧装置上安装的扭矩传感器，实时监控吊装的竹子的捆绑松紧度，进而控制捆扎装置和锁紧装置进一步捆紧竹子，保证安全。
49.为提高采伐及运输效率，机场控制终端a和采伐现场移动控制终端c协同控制n架无人机交替作业。当一架无人机完成竹子的捆绑、吊运返程作业时，另一架无人机紧跟采伐路线到达作业面上空，完成采伐、捆绑、吊运作业。
50.在运输竹材的过程中，当单根竹材重量较大或竹材成捆运输时，物体重量超过了无人机的最大承载能力时，可协调两架或两架以上无人机协同吊运。由于首次捆扎部位位于竹材下端，在提升过程中竹子会逐渐倾倒贴近地面，在此过程中，采伐人员可再选择2-3个点位捆绑竹子。在第一架无人机升高后，遥控第二架无人机下降到第2点位捆绑竹子，第二架无人机捆绑竹子之后，慢慢升起。在缆绳与卡钳之间设置拉力传感器，采集绳子所受的拉力并传至控制端，控制端根据缆绳拉力值判断无人机的吊运状态和调整稳定性。当在两个摄像头和拉力传感器值中判断竹材处于稳定状态时，无人机返航。
51.机场控制终端a作为主控制端，主要负责机群的调度、无人机在停机坪13与作业林场之间的飞行和运输过程的控制；采伐现场移动控制终端c作为辅助控制端，主要负责操控无人机在林场的作业，避免因为山高林密产生的各自盲区，两个控制终端协同控制无人机。同时，两个控制终端之间保持通信，反馈无人机的状态，两个控制终端还可以将各自的作业状态上传，共享作业数据和定位位置，互相感知对方的操作进程，两个控制终端还可以互相发布指令指导操作。
52.特别是，在构建多架无人机协同作业分布式体系结构时，采伐现场移动控制终端c将需求发布到通信网络上，机场控制终端a根据各无人机当前任务情况，协调控制各架无人机，无人机予以响应。
53.因工作人员工作效率的问题，在无人机运输竹材过程中，会出现无人机悬停等待时间比预定时间提前或延迟的情况，由工作人员及时发布至通讯网络，无人机予以响应，下一架无人机适当提前或延后起飞。
54.在无人机吊装竹材过程中，若无人机飞行高度不足，竹材下方受到枝条缠绕等阻碍，会导致竹材与无人机脱离，若此时下方地面有工作人员，会出现生产事故，因此，本发明在作业林区附近旋转一开阔地带，作为临时存放点14，无人机先将采伐的竹子运输至该点14，再从该点运往装卸点，防止意外的发生。
55.为实现无人机采伐运输竹林，如图1、图2所示，本发明公开了一种无人机采伐运输
系统，它包括机场控制终端a、n架无人机b和采伐现场移动控制终端c；机场控制终端a、无人机b和采伐现场移动控制终端c组成一无线通信网络；机场控制终端a遥控无人机，控制其从停机坪到林场上空之间的飞起；采伐现场移动控制终端c控制无人机在林场上空的飞行及竹林的采伐、捆扎、锁紧、吊装作业。
56.机场控制终端a和采伐现场移动控制终端c内安装有gps定位芯片和无线通讯模块，内置有电子地图，并输入有本次欲采伐每棵竹子的具体位置坐标和采伐路线。
57.如图3所示，本发明在无人机1的下方中间位置处通过法兰盘连接固定有一安装盘2，在安装盘2的左侧/右侧安装有摄像头3，在安装盘的右侧/左侧安装有gps定位模块和通讯模块4；在安装盘的正下方通过法兰5安装固定有吊装装置6，吊装装置的下方通过缆绳7 悬挂捆扎装置8，在捆扎装置8上安装固定有锁紧装置9。
58.吊装装置6为一绞盘机构，缆绳7的一端盘绕在绞盘机构上，另一端悬挂捆扎装置8。如图4a、图4b所示，绞盘机构包括缆绳圆盘61、线轴62和电动机63，电动机63通过法兰5固定在安装盘2上，电动机63的输出轴与线轴62相连，驱动线轴62转动；线轴62穿过缆绳圆盘61的轴心，与缆绳圆盘61同轴。缆绳圆盘61内放置有缆绳圈，缆绳7缠绕在缆绳圈内，其端部悬挂固定捆扎装置。
59.在本发明较佳实施例中，缆绳圆盘61为三层圆盘，每层缆绳圆盘内放置有一缆绳圈，每个缆绳圈内缠绕有一根缆绳7，三层缆绳圆盘共用一个线轴62，三根缆绳同步下放或提升。
60.如图所示，每层缆绳圆盘61均有一导绳口611，每个导绳口连通每层的缆绳圈，每层缆绳圈内缠绕一根缆绳，缆绳7从该导绳口穿出。三个导绳口均布在均布在缆绳圆盘上，三根缆绳等间距地悬挂捆扎装置，以保持捆扎装置的平衡。
61.如图5a-图5d所示，捆扎装置8包括定卡钳81、动卡钳82和捆绳83。
62.定卡钳81和动卡钳82的结构相同，均是由多节钳体通过中空的转轴84铰接形成多关节铰接结构钳体，定卡钳81的末端和动卡钳82通过中空的销轴85上下错位铰接。
63.在定卡钳81的前端固定有锁紧装置9，在定卡钳81和动卡钳82的底边上间隔地设有若干个穿绳环86。捆绳83穿过所有穿绳环86，其一端缠固在锁紧装置9上。操控锁紧装置 9，使捆绳83收紧，捆绳83一方面用于捆绑竹子，另一方面带动动卡钳82相对定卡钳81 转动，靠拢定卡钳81形成环状，动卡钳82和定卡钳81合力再次捆绑竹子。
64.悬挂捆扎装置8的缆绳7从中空的转轴84和/或中空的销轴85中穿过，吊起捆扎装置 8。
65.如图6所示，锁紧装置9包括棘轮91、棘轮转轴92、外部手柄93和伺服电机94。棘轮转轴92穿过棘轮91的轴心，棘轮转轴92固定在定卡钳81的前端部，伺服电机94的输出轴与棘轮转轴92相连。外部手柄93与棘轮转轴92螺纹连接。
66.捆绳83缠固在棘轮转轴92上。遥控启动伺服电机94，通过棘轮转轴92带动棘轮91 旋转，收紧捆绳83捆绑竹子12。在收紧捆绳83时，捆绳83带动动卡钳82绕销轴85转动，靠拢定卡钳81，动卡钳82和定卡钳81合力再次捆绑竹子12。
67.为感测无人机吊装竹子后的状态，本发明在吊装缆绳7与捆扎装置8之间安装有拉力传感器10，在锁紧装置棘轮转轴92上安装有扭矩传感器11。拉力传感器10和扭矩传感器11 的信号输出端通过通讯模块将检测的数据以无线传输方式传输给采伐现场移动控制终
端c 和机场控制终端a。
68.在无人机飞行过程中，所述机场控制终端a根据无人机上摄像头拍摄的画面，调整无人机的飞行姿态，保持无人机的平衡；根据无人机锁紧装置上安装的扭矩传感器，实时监控竹子的捆绑松紧度。
69.在采伐、捆绑过程中，采伐现场移动控制终端c通过扭矩传感器11和拉力传感器10控制缆绳7的收放、捆绳83捆绑竹子的状态，包括捆扎的松紧度、捆扎的稳定性、竹子是否捆扎在卡钳内等。捆扎过程中可以电子和手动同时操作。当出现捆绳松弛时，可以通过控制伺服电机的动作自动扎紧。
70.在本发明较佳实施例中，所述无人机为大载重工业用无人机。
71.本发明的优点：
72.1、可实现竹林机器采伐、捆绑、运输，不仅降低了采伐人员的劳动强度，提高竹材采伐效率，而且，可提高山地和困难立地条件下采伐工作的安全性。
73.2、通过无人机控制器控制点对点运动，实现恶劣天气下作业，特别适合林地地势高耸，地形复杂，易出现大雾天气的环境。
74.因为无人机的飞行轨迹已由工作人员在无人机控制器提前设定，无人机按照轨迹点到点运动，即使遇到大雾等恶劣天气，无人机仍可继续作业。
75.最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。