CN116636386A - 一种香蕉自适应采收机及采收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种香蕉自适应采收机及采收方法，包括作业载体及分别与设置于作业载体上的柔性自适应托接装置、智能托接控制系统、路径识别自动导航系统、智能香蕉识别定位系统和电力驱动系统；所述智能托接控制系统分别与升降机构、托接驱动机构、路径识别自动导航系统、智能香蕉识别定位系统和电力驱动系统连接；所述电力驱动系统分别与升降机构、托接驱动机构、路径识别自动导航系统、智能香蕉识别定位系统和作业载体连接。本发明能够在采收过程中实现对香蕉果穗底部的自适应柔性包裹托接，能够降低对香蕉果穗的机械损伤，降低劳动强度，提高采收运送效率。

Description

一种香蕉自适应采收机及采收方法

技术领域

本发明涉及机械化、智能化香蕉采收装置的技术领域，尤其是指一种香蕉自适应采收机及采收方法。

背景技术

香蕉属高热量水果，其含有丰富的维生素、淀粉、蛋白质等营养物质，具有广泛的市场及较高的经济效益。我国作为世界上香蕉生产大国之一，香蕉的采收作业环节仍处于人工阶段，人工采收香蕉通常需要2人及以上，1人负责托举保护香蕉果串并进行转运，1人负责切割香蕉果柄。人工托举香蕉需要耗费巨大的人力，劳动强度高、工作效率低，这些因素间接影响了香蕉的储存及保鲜时间，在一定程度上降低了香蕉的经济效益。随着科技的进步，香蕉采收装置也朝着机械化、智能化的方向发展。但由于香蕉果穗重量较大，在香蕉机械化采收过程中机械手难以承受此载荷，易导致采收机械发生侧翻等一系列问题。与此同时，我国的香蕉种植园有不少分布于山地丘陵，而山地果园的香蕉运输大多采用的是索道运输，但在蕉树到索道之间的运输几乎全是依靠人工挑蕉，劳动强度高、工作效率低，缺乏可靠的机械装备。

为解决上述问题，亟需设计一种能够采托协同的香蕉自适应采收机完成采收工作，能够节省大量人力物力，减少对蕉穗的机械损伤，提高采收效率，同时能够代替人工运输，提高运送效率和经济效益，这是很有必要的。

发明内容

本发明的第一个目的在于克服现有技术的不足，提供一种香蕉自适应采收机，能够克服香蕉果梳生长的不对称问题，在采收过程中实现对香蕉果穗底部的自适应柔性包裹托接，能够与采摘机械手协同合作，减少采摘机械手的承重负荷，降低对香蕉果穗的机械损伤。另外，也可以代替人工完成香蕉果穗的智能化托举工作，与切割香蕉果柄的蕉农协同工作，实现蕉园的半自动化采收，降低劳动强度，提高采收运送效率。

本发明的第二个目的在于提供一种香蕉采托协同的采收方法。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种香蕉自适应采收机，包括作业载体、柔性自适应托接装置、智能托接控制系统、路径识别自动导航系统、智能香蕉识别定位系统和电力驱动系统；所述柔性自适应托接装置、智能托接控制系统、路径识别自动导航系统、智能香蕉识别定位系统和电力驱动系统分别设置于作业载体上；所述柔性自适应托接装置包括升降机构、托接驱动机构和柔性自适应包裹机构，所述升降机构设置于作业载体上，所述柔性自适应包裹机构设置于升降机构上，所述托接驱动机构与柔性自适应包裹机构相连接，并设置于柔性自适应包裹机构上，所述柔性自适应包裹机构能够对不同生长位置、不同形状、不同高度差的香蕉蕉穗进行自适应柔性包裹托接；所述智能托接控制系统分别与升降机构、托接驱动机构、路径识别自动导航系统、智能香蕉识别定位系统和电力驱动系统连接；所述电力驱动系统分别与升降机构、托接驱动机构、路径识别自动导航系统、智能香蕉识别定位系统和作业载体连接。

进一步，所述智能托接控制系统包括上位机、可编程逻辑控制器、模数转换模块、数模转换模块、通讯模块和继电器组，所述可编程逻辑控制器分别与升降机构、托接驱动机构、柔性自适应包裹机构的激光测距仪、模数转换模块、数模转换模块、通讯模块和继电器组连接，所述通讯模块与上位机连接，所述模数转换模块分别与路径识别自动导航系统的路径识别处理器和智能香蕉识别定位系统的香蕉识别定位处理器连接，所述数模转换模块和继电器组分别与电力驱动系统连接。

进一步，所述路径识别自动导航系统包括摄像头和路径识别处理器，所述摄像头与路径识别处理器连接，摄像头为水平视角，摄像头的视野包括作业载体前方的蕉园范围，所述路径识别处理器与智能托接控制系统连接；所述摄像头用于拍摄作业载体前方蕉园道路图像，并安装于作业载体的防护支架的前端；所述路径识别处理器用于获取多张作业载体前方蕉园道路图像，对每张作业载体前方蕉园道路图像进行去噪和标准化处理，利用训练好的深度卷积神经网络提取处理后的作业载体前方蕉园道路图像的道路特征图，根据蕉园道路特征图，生成路径规划图，从而获得最优路径的导航数据，将导航数据转换为模拟量传输至智能托接控制系统。

进一步，所述智能香蕉识别定位系统包括深度相机、水平旋转机构、竖直旋转机构、可调支撑杆和香蕉识别定位处理器，所述深度相机安装于水平旋转机构上，所述水平旋转机构用于带动深度相机在水平面内旋转，所述水平旋转机构安装于竖直旋转机构上，二者整体安装在可调支撑杆顶部，所述竖直旋转机构用于带动水平旋转机构和深度相机在竖直平面内旋转，所述可调支撑杆固定于作业载体上，并位于作业载体顶部的侧后方，所述深度相机与香蕉识别定位处理器连接，所述香蕉识别定位处理器与智能托接控制系统连接；所述深度相机为水平视角，用于拍摄香蕉蕉穗和果轴的图像，通过水平旋转机构和竖直旋转机构能够使深度相机的拍摄视野覆盖整个香蕉采收托接作业范围；所述香蕉识别定位处理器用于获取多张香蕉蕉穗和果轴图像，对每张香蕉蕉穗和果轴图像进行去噪和标准化处理，利用轻量化检测网络YOLO-Banana检测模型提取处理后的香蕉蕉穗、果轴特征图，根据香蕉蕉穗特征图的深度信息，获得待采收香蕉蕉穗的位置，将位置数据转换为模拟量传输至智能托接控制系统；根据香蕉果轴特征图信息，获取蕉穗果轴中心的位置信息，同时预估香蕉蕉穗重量信息，并将处理信息传输至智能托接控制系统。

进一步，所述电力驱动系统包括动力源和电动控制元件，所述电动控制元件分别与升降机构、托接驱动机构和动力源连接，所述动力源与作业载体连接。

进一步，所述作业载体顶部设置有控制柜，所述智能托接控制系统安装于控制柜中，所述智能香蕉识别定位系统的可调支撑杆通过缓震平台与控制柜连接，所述智能香蕉识别定位系统的香蕉识别定位处理器设置在缓震平台内。

进一步，所述升降机构包括底座主体、工作平台、剪叉式升降组件和升降电动推杆，所述底座主体安装于作业载体顶部的中心位置处，所述剪叉式升降组件有两个，对称设于底座主体上，所述工作平台安装于两个剪叉式升降组件的顶部，所述升降电动推杆的一端与底座主体连接，其另一端与工作平台连接，所述升降电动推杆与智能托接控制系统连接，由智能托接控制系统控制升降电动推杆伸缩进而实现柔性自适应包裹机构的高度调整。

进一步，所述柔性自适应包裹机构包括托接底座、柔性中空气囊、激光测距仪和梯形柔性手指组件，所述托接底座包括圆形安装盘以及设于圆形安装盘四周的四个支腿，四个支腿支撑于升降机构的工作平台上，所述圆形安装盘的中心处设有供柔性中空气囊安装的固定环，所述柔性中空气囊安装在固定环中，所述柔性中空气囊及圆形安装盘的中心处形成有一同心圆形通孔，用于容纳香蕉蕉穗底部的果轴，所述激光测距仪安装于圆形安装盘下方的托接驱动机构上，并与智能托接控制系统连接，所述梯形柔性手指组件有多个，沿圆形安装盘的周向均布于圆形安装盘上，且多个梯形柔性手指组件呈花瓣状均布在柔性中空气囊的四周，每个梯形柔性手指组件包括固定板、梯形柔性手指和导柱，所述固定板的一端通过两个耳板与固定环的顶部边缘铰接，其另一端向圆形安装盘的外侧倾斜延伸，所述固定板能够绕铰接轴转动，且固定板的底面沿径向设有一滑槽，所述导柱的顶端与滑槽活动连接，其底端穿过圆形安装盘与下方的托接驱动机构的驱动圆盘连接，所述梯形柔性手指安装于固定板上，所述柔性中空气囊内部设置气压，托接作业时，蕉穗最底部的蕉梳首先接触柔性中空气囊，并使其发生变形，促使柔性中空气囊顶部未接触香蕉的部分向上膨胀变形，自适应补偿香蕉存在的高度差，实现对香蕉底部的托接包裹，柔性中空气囊侧面部分沿径向向外变形，与梯形柔性手指接触，进一步促进梯形柔性手指对香蕉蕉穗的侧向包裹。

进一步，所述托接驱动机构包括驱动圆盘、多个导向柱和电动推杆，所述驱动圆盘设置于柔性自适应包裹机构的圆形安装盘的下方，其顶部中心处形成有同心圆形沉孔，用于安装柔性自适应包裹机构的激光测距仪，多个导向柱沿驱动圆盘的周向均布于驱动圆盘上，每个导向柱的底端与驱动圆盘的顶部连接，其顶端向上延伸并穿过圆形安装盘后设置有限位帽，所述电动推杆与驱动圆盘的底部连接，由电动推杆驱动驱动圆盘上移和下降，所述电动推杆与智能托接控制系统连接，由智能托接控制系统控制电动推杆动力大小。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种香蕉采托协同的采收方法，基于上述所述的香蕉自适应采收机实现，该方法包括：

在蕉园中，智能香蕉识别定位系统识别待采摘的香蕉蕉穗，获取香蕉蕉穗的位置信息，并将信息传递给智能托接控制系统；

智能托接控制系统接收到智能香蕉识别定位系统传递的信息，处理后传递给路径识别自动导航系统；

路径识别自动导航系统获取作业载体前方蕉园道路信息，结合智能托接控制系统传递的香蕉蕉穗位置信息，进行路径规划和智能导航工作；

在作业载体到达香蕉蕉穗预设位置后，智能香蕉识别定位系统再次识别待采摘的香蕉蕉穗，获取蕉穗果轴中心的位置信息，同时预估香蕉蕉穗重量信息，并将所有信息传递给智能托接控制系统；

智能托接控制系统接收到智能香蕉识别定位系统传递的信息后，将蕉穗果轴中心的位置信息处理后传递给路径识别自动导航系统，并将蕉穗果轴中心的位置信息处理后转换为升降机构的升降电动推杆的控制量，同时将预估的香蕉蕉穗重量信息处理后转换为托接驱动机构的电动推杆的控制量；

路径识别自动导航系统根据智能托接控制系统传递的蕉穗果轴中心位置信息对作业载体进行精确调整，使柔性自适应托接装置位于香蕉果轴正下方，当柔性自适应托接装置到达相应位置后反馈至智能托接控制系统；

智能托接控制系统在收到路径识别自动导航系统反馈信息后，分别向升降机构和托接驱动机构发出指令；

升降机构在接收到指令后动作，首先升降机构上移，使柔性自适应包裹机构的柔性中空气囊与香蕉蕉穗底部接触，柔性中空气囊受压发生自适应变形，实现高度差补偿，完成蕉穗底部托接包裹工作，进而通过柔性自适应包裹机构的激光测距仪反馈至智能托接控制系统；

托接驱动机构在接收到指令后动作，使其驱动圆盘上移，带动柔性自适应包裹机构的导柱运动，从而使柔性自适应包裹机构的梯形柔性手指向蕉穗果轴中心转动包裹，完成蕉穗侧向的包裹工作，进而通过柔性自适应包裹机构的激光测距仪反馈至智能托接控制系统；

接着采用配套的采摘切割工具切断蕉穗上部果轴；

最后香蕉自适应采收机将采下的蕉穗从田间蕉树下运送至索道运输区域，多台香蕉自适应采收机连续循环工作，完成采托协同的香蕉采收作业。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明通过柔性自适应托接装置实现了香蕉蕉穗的自适应柔性包裹托接，对香蕉的形状、高度差等特异性参数具有良好的自适应性，能够较好的配合切割机械手或割蕉工完成采收过程，避免了现有技术中采摘机械手承受重负荷的情况，解决了香蕉采收机械的倾覆问题，节省了人工成本，减轻了劳动强度，降低了对香蕉造成的机械损伤。

2、本发明的智能香蕉识别定位系统通过轻量化检测网络YOLO-Banana检测模型提取出香蕉蕉穗、果轴特征图，能够精准识别待采摘的香蕉蕉穗，获得香蕉蕉穗的位置信息，并将信息通过智能托接控制系统传递给路径识别自动导航系统，为香蕉自适应采收机的路径规划和导航提供视觉支持；当香蕉自适应采收机到达指定位置后，智能香蕉识别定位系统可以精准识别香蕉蕉穗的果轴，获得果轴中心位置坐标信息，并将信息通过智能托接控制系统传递给路径识别自动导航系统，对柔性自适应托接装置的位置进行精确调节；同时预估香蕉蕉穗的重量，通过智能托接控制系统将重量信息转换成托接驱动机构的控制量，可以提高柔性自适应托接的精度，减小香蕉机械损伤，提高香蕉自适应采收机的工作可靠性。

3、本发明的路径识别自动导航系统通过智能识别蕉园道路信息，结合智能托接控制系统传递的香蕉蕉穗位置信息，可以精准高效的进行路径提取、规划和智能导航工作，能够提高蕉园采收和运送效率，节省人工成本，降低劳动强度。

附图说明

图1为本发明的自适应采收机的立体结构示意图。

图2为本发明的自适应采收机工作状态的侧视图。

图3为本发明的自适应采收机工作状态的后视图。

图4为本发明的升降机构的结构示意图。

图5为本发明的托接驱动机构与柔性自适应包裹机构的结构示意图。

图6为本发明的托接驱动机构与柔性自适应包裹机构的剖视图。

图7为图1中A处的局部放大图。

图8为图1中B处的局部放大图。

图9为图2中C处的局部放大图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1至图3所示，本实施例提供了一种香蕉自适应采收机，包括作业载体1、柔性自适应托接装置、智能托接控制系统、路径识别自动导航系统、智能香蕉识别定位系统和电力驱动系统；所述柔性自适应托接装置、智能托接控制系统、路径识别自动导航系统、智能香蕉识别定位系统和电力驱动系统分别设置于作业载体1上，作业载体1为履带式移动底盘，能够承载上述部件，作业载体1的顶部边缘处设有防护支架7，主要用于安全防护，防止蕉叶等其它物体影响安装于作业载体1顶部的升降机构2的正常工作，同时增强整机稳定性；所述柔性自适应托接装置包括升降机构2、托接驱动机构3和柔性自适应包裹机构4，所述升降机构2设置于作业载体1顶部的中心位置处，所述柔性自适应包裹机构4设置于升降机构2上，所述托接驱动机构3与柔性自适应包裹机构4相连接，并设置于柔性自适应包裹机构4上，所述柔性自适应包裹机构4能够对不同生长位置、不同形状、不同高度差的香蕉蕉穗9进行自适应柔性包裹托接；所述智能香蕉识别定位系统设置在作业载体1顶部的右后方位置，所述智能托接控制系统的主要部件可以安装在作业载体1顶部的控制柜8中，控制柜8设置在作业载体1顶部的后方位置，控制柜8的两侧与防护支架7连接；所述智能托接控制系统分别与升降机构2、托接驱动机构3、路径识别自动导航系统、智能香蕉识别定位系统和电力驱动系统连接；所述电力驱动系统分别与升降机构2、托接驱动机构3、路径识别自动导航系统、智能香蕉识别定位系统和作业载体1连接。

如图4所示，升降机构2包括底座主体201、工作平台202、剪叉式升降组件203和升降电动推杆204，所述底座主体201安装于作业载体1工作平面的中心位置处，所述剪叉式升降组件203有两个，对称设于底座主体201上，所述工作平台202安装于两个剪叉式升降组件203的顶部，所述升降电动推杆204的一端与底座主体201连接，其另一端与工作平台202连接，所述升降电动推杆204与智能托接控制系统连接，由智能托接控制系统控制升降电动推杆204伸缩进而实现柔性自适应包裹机构4的高度调整。

如图5、图6、图9所示，柔性自适应包裹机构4包括托接底座、柔性中空气囊404、激光测距仪(图中未示出)和梯形柔性手指组件，所述托接底座包括圆形安装盘401以及设于圆形安装盘401四周的四个支腿402，四个支腿402支撑于升降机构2的工作平台202上，所述圆形安装盘401的中心处设有供柔性中空气囊404安装的固定环403，所述柔性中空气囊404安装在固定环403中，所述柔性中空气囊404及圆形安装盘401的中心处形成有一同心圆形通孔，用于容纳香蕉蕉穗9底部的果轴，所述激光测距仪安装于圆形安装盘401下方的托接驱动机构3上，并与智能托接控制系统连接，所述梯形柔性手指组件有多个，沿圆形安装盘401的周向均布于圆形安装盘401上，且多个梯形柔性手指组件呈花瓣状均布在柔性中空气囊404的四周，每个梯形柔性手指组件包括固定板405、梯形柔性手指406和导柱407，所述固定板405的一端通过两个耳板408与固定环403的顶部边缘铰接，其另一端向圆形安装盘401的外侧倾斜延伸，所述固定板405能够绕铰接轴转动，且固定板405的底面沿径向设有一滑槽409，所述导柱407的顶端与滑槽活动连接，其底端穿过圆形安装盘401与下方的托接驱动机构3的驱动圆盘301连接，所述梯形柔性手指406安装于固定板405上。

柔性中空气囊404内部设置合适气压，托接作业时，蕉穗最底部的蕉梳首先接触柔性中空气囊404，并使其发生变形，促使柔性中空气囊404顶部未接触香蕉的部分向上膨胀变形，自适应补偿香蕉存在的高度差，实现对香蕉底部的托接包裹，同时柔性中空气囊404侧面部分沿径向向外变形，与梯形柔性手指406接触，进一步促进梯形柔性手指406对香蕉蕉穗9的侧向包裹。

如图5、图6所示，托接驱动机构3包括驱动圆盘301、多个导向柱302和电动推杆303，所述驱动圆盘301设置于柔性自适应包裹机构4的圆形安装盘401的下方，其顶部中心处形成有同心圆形沉孔，用于安装柔性自适应包裹机构4的激光测距仪，多个导向柱302沿驱动圆盘301的周向均布于驱动圆盘301上，每个导向柱302的底端与驱动圆盘301的顶部连接，其顶端向上延伸并穿过圆形安装盘401后设置有限位帽，所述电动推杆303与驱动圆盘301的底部连接，由电动推杆303驱动驱动圆盘301上移和下降，并能够带动导柱407和固定板405运动，从而使梯形柔性手指406绕耳板408的耳孔中心转动，实现对香蕉蕉穗9的侧向柔性包裹，所述电动推杆303与智能托接控制系统连接，由智能托接控制系统控制电动推杆303动力大小，实现对香蕉蕉穗9的精准托接。

本实施例中智能托接控制系统包括上位机、可编程逻辑控制器(ProgrammableLogic Controller，简称PLC)、模数转换模块、数模转换模块、通讯模块和继电器组，所述可编程逻辑控制器分别与升降机构、托接驱动机构、柔性自适应包裹机构的激光测距仪、模数转换模块、数模转换模块、通讯模块和继电器组连接，所述通讯模块与上位机连接，可编程逻辑控制器为智能托接控制系统的控制核心，其能将信息传递至上位机上，上位机也能够通过键入指令控制可编程逻辑控制器，所述模数转换模块分别与路径识别自动导航系统的路径识别处理器和智能香蕉识别定位系统的香蕉识别定位处理器连接，所述数模转换模块和继电器组分别与电力驱动系统连接。

进一步地，上位机可以是工控触摸屏，也可以是遥控器；上位机为工控触摸屏时，通讯模块为串口通讯模块；上位机为遥控器时，通讯模块为无线接收器，上位机能够实时刷新显示，实现人机交互系列功能。

如图7所示，路径识别自动导航系统包括摄像头5和路径识别处理器，所述摄像头5可以通过安装板701安装于作业载体1的防护支架7的前端，摄像头与路径识别处理器连接，所述路径识别处理器与智能托接控制系统连接。

摄像头为彩色摄像头，垂直于地面设置，为水平视角，其拍摄视野包括作业载体前方的蕉园范围，能够采集完整图像信息，主要用于拍摄作业载体前方蕉园道路图像。

进一步地，路径识别处理器可以实现如下过程：

获取多张作业载体前方蕉园道路图像；对每张作业载体前方蕉园道路图像进行去噪和标准化处理，利用训练好的深度卷积神经网络提取处理后的作业载体前方蕉园道路图像的道路特征图；根据蕉园道路特征图，生成路径规划图，从而获得最优路径的导航数据，将导航数据转换为模拟量传输至智能托接控制系统。

如图8所示，智能香蕉识别定位系统包括深度相机601、水平旋转机构602、竖直旋转机构603、可调支撑杆604和香蕉识别定位处理器(图中未示出)，所述深度相机601通过固定安装板605安装于水平旋转机构602上，并垂直于地面设置，为水平视角，用于拍摄香蕉蕉穗和果轴的图像，所述水平旋转机构602用于带动深度相机601在水平面内绕水平旋转机构602中心360°旋转，所述水平旋转机构602安装于竖直旋转机构603上，二者整体安装在可调支撑杆604顶部，所述竖直旋转机构603用于带动水平旋转机构602和深度相机601在竖直平面内绕竖直旋转机构603中心360°旋转，通过水平旋转机构602和竖直旋转机构603能够使深度相机601的拍摄视野覆盖整个香蕉采收托接作业范围；所述可调支撑杆604固定于作业载体1上，并位于作业载体1工作平面的侧后方，所述深度相机601与香蕉识别定位处理器连接，所述香蕉识别定位处理器与智能托接控制系统连接。

进一步地，香蕉识别定位处理器可以实现如下过程：

获取多张香蕉蕉穗和果轴图像；对每张香蕉蕉穗和果轴图像进行去噪和标准化处理，利用轻量化检测网络YOLO-Banana检测模型提取处理后的香蕉蕉穗、果轴特征图；根据香蕉蕉穗特征图的深度信息，获得待采收香蕉蕉穗的位置，将位置数据转换为模拟量传输至智能托接控制系统，智能托接控制系统处理决策后优化导航路径；根据香蕉果轴特征图信息，获取蕉穗果轴中心的位置信息，同时预估香蕉蕉穗重量信息，并将处理信息传输至智能托接控制系统，以实现柔性自适应托接装置的精准定位和托接驱动机构的智能控制。

进一步地，为了减轻柔性自适应采收机对智能香蕉识别定位系统的震动、噪声影响，本实施例的可调支撑杆通过缓震平台安装在作业载体上，也可根据实际位置需要通过缓震平台固定在作业载体1顶部的控制柜8上，香蕉识别定位处理器设置在缓震平台内，缓震平台能够保证香蕉识别定位处理器正常工作。

本实施例的电力驱动系统包括动力源和电动控制元件，所述电动控制元件分别与升降机构、托接驱动机构和动力源连接，所述动力源与作业载体连接，并设置在作业载体内部。

本实施例的香蕉自适应采收机的自适应性体现在：智能香蕉识别定位系统能够将采集到的蕉穗、果轴位置和蕉穗重量信息转换成模拟量，通过通讯模块传递给可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器能够根据信息通过程序比对预先写好的自适应模型、算法，下达特定指令，完成对作业载体、升降机构、托接驱动机构的控制，达到对香蕉蕉穗不同生长位置、高度的自适应；针对蕉园复杂多变的道路环境，路径识别自动导航系统可以对香蕉自适应采收机进行精准自适应控制，完成路径识别和导航工作；柔性自适应托接装置可以自适应香蕉蕉穗的不同形状、尺寸以及上下蕉梳之间存在的不同高度差，实现对香蕉蕉穗的自适应柔性托接包裹。

本实施例所提供的香蕉自适应采收机能够代替人工完成香蕉果穗的智能化托举工作，不仅适用于人机协同作业，完成香蕉蕉穗的半自动化采收工作，也可以承担蕉树到索道运输区之间的运送工作；通过在作业载体上搭载采摘切割工具，从而实现蕉园的全自动化托接采收工作。

实施例2：

本实施例提供了一种香蕉采托协同的采收方法，基于上述香蕉自适应采收机实现，该方法包括：

在蕉园中，智能香蕉识别定位系统识别待采摘的香蕉蕉穗，获取香蕉蕉穗的位置信息，并将信息传递给智能托接控制系统；

智能托接控制系统接收到智能香蕉识别定位系统传递的信息，处理后传递给路径识别自动导航系统；

路径识别自动导航系统获取作业载体前方蕉园道路信息，结合智能托接控制系统传递的香蕉蕉穗位置信息，进行路径规划和智能导航工作；

在作业载体到达香蕉蕉穗预设位置后，智能香蕉识别定位系统再次识别待采摘的香蕉蕉穗，获取蕉穗果轴中心的位置信息，同时预估香蕉蕉穗重量信息，并将所有信息传递给智能托接控制系统；

智能托接控制系统接收到智能香蕉识别定位系统传递的信息后，将蕉穗果轴中心的位置信息处理后传递给路径识别自动导航系统，并将蕉穗果轴中心的位置信息处理后转换为升降机构的升降电动推杆的控制量，同时将预估的香蕉蕉穗重量信息处理后转换为托接驱动机构的电动推杆的控制量；

路径识别自动导航系统根据智能托接控制系统传递的蕉穗果轴中心位置信息对作业载体进行精确调整，使柔性自适应托接装置位于香蕉果轴正下方，当柔性自适应托接装置到达相应位置后反馈至智能托接控制系统；

智能托接控制系统在收到路径识别自动导航系统反馈信息后，分别向升降机构和托接驱动机构发出指令；

升降机构在接收到指令后动作，首先升降机构上移，使柔性自适应包裹机构的柔性中空气囊与香蕉蕉穗底部接触，柔性中空气囊受压发生自适应变形，实现高度差补偿，完成蕉穗底部托接包裹工作，进而通过柔性自适应包裹机构的激光测距仪反馈至智能托接控制系统；

托接驱动机构在接收到指令后动作，使其驱动圆盘上移，带动柔性自适应包裹机构的导柱运动，从而使柔性自适应包裹机构的梯形柔性手指向蕉穗果轴中心转动包裹，完成蕉穗侧向的包裹工作，进而通过柔性自适应包裹机构的激光测距仪反馈至智能托接控制系统；

接着蕉农使用采摘切割工具(如割蕉刀)切断蕉穗上部果轴；或在柔性自适应采收机前部搭载配套的采摘切割工具(如切割机械手)切断蕉穗上部果轴；

当一台香蕉自适应采收机完成上述工作后，香蕉自适应采收机向前离开当前作业区域并将采下的蕉穗从田间蕉树下运送至蕉园边缘的索道运输区域，另一台香蕉自适应采收机紧接着由后面前进至下一作业区域，多台香蕉自适应采收机不间断循环重复上述步骤，完成采托协同的香蕉采收作业。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种香蕉自适应采收机，其特征在于：包括作业载体、柔性自适应托接装置、智能托接控制系统、路径识别自动导航系统、智能香蕉识别定位系统和电力驱动系统；所述柔性自适应托接装置、智能托接控制系统、路径识别自动导航系统、智能香蕉识别定位系统和电力驱动系统分别设置于作业载体上；所述柔性自适应托接装置包括升降机构、托接驱动机构和柔性自适应包裹机构，所述升降机构设置于作业载体上，所述柔性自适应包裹机构设置于升降机构上，所述托接驱动机构与柔性自适应包裹机构相连接，并设置于柔性自适应包裹机构上，所述柔性自适应包裹机构能够对不同生长位置、不同形状、不同高度差的香蕉蕉穗进行自适应柔性包裹托接；所述智能托接控制系统分别与升降机构、托接驱动机构、路径识别自动导航系统、智能香蕉识别定位系统和电力驱动系统连接；所述电力驱动系统分别与升降机构、托接驱动机构、路径识别自动导航系统、智能香蕉识别定位系统和作业载体连接。

2.根据权利要求1所述的香蕉自适应采收机，其特征在于：所述智能托接控制系统包括上位机、可编程逻辑控制器、模数转换模块、数模转换模块、通讯模块和继电器组，所述可编程逻辑控制器分别与升降机构、托接驱动机构、柔性自适应包裹机构的激光测距仪、模数转换模块、数模转换模块、通讯模块和继电器组连接，所述通讯模块与上位机连接，所述模数转换模块分别与路径识别自动导航系统的路径识别处理器和智能香蕉识别定位系统的香蕉识别定位处理器连接，所述数模转换模块和继电器组分别与电力驱动系统连接。

3.根据权利要求1所述的香蕉自适应采收机，其特征在于：所述路径识别自动导航系统包括摄像头和路径识别处理器，所述摄像头与路径识别处理器连接，摄像头为水平视角，摄像头的视野包括作业载体前方的蕉园范围，所述路径识别处理器与智能托接控制系统连接；所述摄像头用于拍摄作业载体前方蕉园道路图像，并安装于作业载体的防护支架的前端；所述路径识别处理器用于获取多张作业载体前方蕉园道路图像，对每张作业载体前方蕉园道路图像进行去噪和标准化处理，利用训练好的深度卷积神经网络提取处理后的作业载体前方蕉园道路图像的道路特征图，根据蕉园道路特征图，生成路径规划图，从而获得最优路径的导航数据，将导航数据转换为模拟量传输至智能托接控制系统。

4.根据权利要求1所述的香蕉自适应采收机，其特征在于：所述智能香蕉识别定位系统包括深度相机、水平旋转机构、竖直旋转机构、可调支撑杆和香蕉识别定位处理器，所述深度相机安装于水平旋转机构上，所述水平旋转机构用于带动深度相机在水平面内旋转，所述水平旋转机构安装于竖直旋转机构上，二者整体安装在可调支撑杆顶部，所述竖直旋转机构用于带动水平旋转机构和深度相机在竖直平面内旋转，所述可调支撑杆固定于作业载体上，并位于作业载体顶部的侧后方，所述深度相机与香蕉识别定位处理器连接，所述香蕉识别定位处理器与智能托接控制系统连接；所述深度相机为水平视角，用于拍摄香蕉蕉穗和果轴的图像，通过水平旋转机构和竖直旋转机构能够使深度相机的拍摄视野覆盖整个香蕉采收托接作业范围；所述香蕉识别定位处理器用于获取多张香蕉蕉穗和果轴图像，对每张香蕉蕉穗和果轴图像进行去噪和标准化处理，利用轻量化检测网络YOLO-Banana检测模型提取处理后的香蕉蕉穗、果轴特征图，根据香蕉蕉穗特征图的深度信息，获得待采收香蕉蕉穗的位置，将位置数据转换为模拟量传输至智能托接控制系统；根据香蕉果轴特征图信息，获取蕉穗果轴中心的位置信息，同时预估香蕉蕉穗重量信息，并将处理信息传输至智能托接控制系统。

5.根据权利要求1所述的香蕉自适应采收机，其特征在于：所述电力驱动系统包括动力源和电动控制元件，所述电动控制元件分别与升降机构、托接驱动机构和动力源连接，所述动力源与作业载体连接。

6.根据权利要求1所述的香蕉自适应采收机，其特征在于：所述作业载体顶部设置有控制柜，所述智能托接控制系统安装于控制柜中，所述智能香蕉识别定位系统的可调支撑杆通过缓震平台与控制柜连接，所述智能香蕉识别定位系统的香蕉识别定位处理器设置在缓震平台内。

7.根据权利要求1所述的香蕉自适应采收机，其特征在于：所述升降机构包括底座主体、工作平台、剪叉式升降组件和升降电动推杆，所述底座主体安装于作业载体顶部的中心位置处，所述剪叉式升降组件有两个，对称设于底座主体上，所述工作平台安装于两个剪叉式升降组件的顶部，所述升降电动推杆的一端与底座主体连接，其另一端与工作平台连接，所述升降电动推杆与智能托接控制系统连接，由智能托接控制系统控制升降电动推杆伸缩进而实现柔性自适应包裹机构的高度调整。

8.根据权利要求1所述的香蕉自适应采收机，其特征在于：所述柔性自适应包裹机构包括托接底座、柔性中空气囊、激光测距仪和梯形柔性手指组件，所述托接底座包括圆形安装盘以及设于圆形安装盘四周的四个支腿，四个支腿支撑于升降机构的工作平台上，所述圆形安装盘的中心处设有供柔性中空气囊安装的固定环，所述柔性中空气囊安装在固定环中，所述柔性中空气囊及圆形安装盘的中心处形成有一同心圆形通孔，用于容纳香蕉蕉穗底部的果轴，所述激光测距仪安装于圆形安装盘下方的托接驱动机构上，并与智能托接控制系统连接，所述梯形柔性手指组件有多个，沿圆形安装盘的周向均布于圆形安装盘上，且多个梯形柔性手指组件呈花瓣状均布在柔性中空气囊的四周，每个梯形柔性手指组件包括固定板、梯形柔性手指和导柱，所述固定板的一端通过两个耳板与固定环的顶部边缘铰接，其另一端向圆形安装盘的外侧倾斜延伸，所述固定板能够绕铰接轴转动，且固定板的底面沿径向设有一滑槽，所述导柱的顶端与滑槽活动连接，其底端穿过圆形安装盘与下方的托接驱动机构的驱动圆盘连接，所述梯形柔性手指安装于固定板上，所述柔性中空气囊内部设置气压，托接作业时，蕉穗最底部的蕉梳首先接触柔性中空气囊，并使其发生变形，促使柔性中空气囊顶部未接触香蕉的部分向上膨胀变形，自适应补偿香蕉存在的高度差，实现对香蕉底部的托接包裹，柔性中空气囊侧面部分沿径向向外变形，与梯形柔性手指接触，进一步促进梯形柔性手指对香蕉蕉穗的侧向包裹。

9.根据权利要求1所述的香蕉自适应采收机，其特征在于：所述托接驱动机构包括驱动圆盘、多个导向柱和电动推杆，所述驱动圆盘设置于柔性自适应包裹机构的圆形安装盘的下方，其顶部中心处形成有同心圆形沉孔，用于安装柔性自适应包裹机构的激光测距仪，多个导向柱沿驱动圆盘的周向均布于驱动圆盘上，每个导向柱的底端与驱动圆盘的顶部连接，其顶端向上延伸并穿过圆形安装盘后设置有限位帽，所述电动推杆与驱动圆盘的底部连接，由电动推杆驱动驱动圆盘上移和下降，所述电动推杆与智能托接控制系统连接，由智能托接控制系统控制电动推杆动力大小。

10.一种香蕉采托协同的采收方法，其特征在于，基于权利要求1～9任一项所述的香蕉自适应采收机实现，该方法包括：

在蕉园中，智能香蕉识别定位系统识别待采摘的香蕉蕉穗，获取香蕉蕉穗的位置信息，并将信息传递给智能托接控制系统；

智能托接控制系统接收到智能香蕉识别定位系统传递的信息，处理后传递给路径识别自动导航系统；

路径识别自动导航系统获取作业载体前方蕉园道路信息，结合智能托接控制系统传递的香蕉蕉穗位置信息，进行路径规划和智能导航工作；

在作业载体到达香蕉蕉穗预设位置后，智能香蕉识别定位系统再次识别待采摘的香蕉蕉穗，获取蕉穗果轴中心的位置信息，同时预估香蕉蕉穗重量信息，并将所有信息传递给智能托接控制系统；

智能托接控制系统接收到智能香蕉识别定位系统传递的信息后，将蕉穗果轴中心的位置信息处理后传递给路径识别自动导航系统，并将蕉穗果轴中心的位置信息处理后转换为升降机构的升降电动推杆的控制量，同时将预估的香蕉蕉穗重量信息处理后转换为托接驱动机构的电动推杆的控制量；

路径识别自动导航系统根据智能托接控制系统传递的蕉穗果轴中心位置信息对作业载体进行精确调整，使柔性自适应托接装置位于香蕉果轴正下方，当柔性自适应托接装置到达相应位置后反馈至智能托接控制系统；

智能托接控制系统在收到路径识别自动导航系统反馈信息后，分别向升降机构和托接驱动机构发出指令；

升降机构在接收到指令后动作，首先升降机构上移，使柔性自适应包裹机构的柔性中空气囊与香蕉蕉穗底部接触，柔性中空气囊受压发生自适应变形，实现高度差补偿，完成蕉穗底部托接包裹工作，进而通过柔性自适应包裹机构的激光测距仪反馈至智能托接控制系统；

托接驱动机构在接收到指令后动作，使其驱动圆盘上移，带动柔性自适应包裹机构的导柱运动，从而使柔性自适应包裹机构的梯形柔性手指向蕉穗果轴中心转动包裹，完成蕉穗侧向的包裹工作，进而通过柔性自适应包裹机构的激光测距仪反馈至智能托接控制系统；

接着采用配套的采摘切割工具切断蕉穗上部果轴；

最后香蕉自适应采收机将采下的蕉穗从田间蕉树下运送至索道运输区域，多台香蕉自适应采收机连续循环工作，完成采托协同的香蕉采收作业。