本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械，具體涉及圖像識(shí)別、導(dǎo)航定位與智能控制技術(shù)，尤其涉及一種跨壟自走式西蘭花選擇性采收機(jī)器人及其作業(yè)方法。

背景技術(shù)：

1、西蘭花作為一種經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的蔬菜作物，其種植面積逐年擴(kuò)大，市場需求不斷增長。傳統(tǒng)的西蘭花采收方式主要依賴人工操作，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下，而且采收過程中存在人為判斷不準(zhǔn)確、損傷果實(shí)等問題，難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高效率、高質(zhì)量的生產(chǎn)要求。

2、近年來，隨著人工智能、自動(dòng)控制、圖像識(shí)別和導(dǎo)航定位等技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成熟，基于機(jī)器視覺和智能控制的蔬菜采收機(jī)器人成為研究熱點(diǎn)。已有的西蘭花采收機(jī)器人多以固定行走軌跡或單壟作業(yè)為主，無法適應(yīng)復(fù)雜田間環(huán)境中的跨壟作業(yè)需求，同時(shí)對(duì)西蘭花成熟度的識(shí)別與選擇性采收能力也較為有限，存在作業(yè)范圍小、識(shí)別準(zhǔn)確率低等問題。

3、西蘭花的生長環(huán)境復(fù)雜，植株分布密集，且其采收具有明顯的選擇性特征，即需根據(jù)花球的大小與成熟度進(jìn)行判斷，只采收達(dá)到商品標(biāo)準(zhǔn)的花球，這對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的識(shí)別、判斷和操作能力提出了更高的要求。此外，西蘭花田間常采用多壟種植方式，為提高采收效率，機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)具備跨壟作業(yè)能力，同時(shí)還需具備精準(zhǔn)的定位導(dǎo)航與路徑規(guī)劃功能，以確保在不同壟間自主導(dǎo)航并完成高效采收作業(yè)。

4、因此，亟需開發(fā)一種能夠在復(fù)雜田間環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航、精準(zhǔn)識(shí)別與選擇性采收，且具備跨壟作業(yè)能力的自走式西蘭花采收機(jī)器人，以提高采收效率，降低勞動(dòng)成本，推動(dòng)西蘭花采收作業(yè)的智能化和自動(dòng)化進(jìn)程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服已有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種跨壟自走式西蘭花選擇性采收機(jī)器人及其作業(yè)方法。本發(fā)明的西蘭花選擇性采收機(jī)器人通過視覺識(shí)別和自主導(dǎo)航等，可以做到完全脫離人工，自行選擇性采收合適大小的西蘭花花球，全程無需人力操作，省時(shí)省力，安全智能。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

3、一種跨壟自走式西蘭花選擇性采收機(jī)器人，包括采收機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)、采收機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、導(dǎo)航控制系統(tǒng)、采收控制系統(tǒng)和電源配電系統(tǒng)，所述采收機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)上安裝采收機(jī)械臂、導(dǎo)航控制系統(tǒng)、采收控制系統(tǒng)和電源配電系統(tǒng)，所述采收機(jī)械臂上安裝末端執(zhí)行器，所述導(dǎo)航控制系統(tǒng)與所述采收機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的受控端連接，所述采收控制系統(tǒng)與所述末端執(zhí)行器的受控端連接，所述電源配電系統(tǒng)與所述采收機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)、采收控制系統(tǒng)連接。

4、進(jìn)一步，所述采收機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)為四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、四輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，包括車架本體、四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)、四個(gè)轉(zhuǎn)向無刷電機(jī)、彈簧減振器、工控機(jī)、jetson?agx?orin嵌入式計(jì)算平臺(tái)、車載控制器、路由器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電池組、防水控制箱、收納筐、開關(guān)按鈕和兩個(gè)急停旋鈕；

5、所述車架本體為一體式焊接結(jié)構(gòu)，采用輕質(zhì)高強(qiáng)度鋼材制成，具備良好的結(jié)構(gòu)剛性與載荷能力，車架尺寸根據(jù)西蘭花田壟距設(shè)計(jì)，使平臺(tái)可跨兩壟作業(yè)；

6、所述四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)分別安裝于四個(gè)車輪位置，具備獨(dú)立驅(qū)動(dòng)能力，可根據(jù)導(dǎo)航指令靈活控制車輪轉(zhuǎn)速與方向，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、原地旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作，四個(gè)轉(zhuǎn)向無刷電機(jī)實(shí)現(xiàn)車輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向，通過電動(dòng)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)結(jié)合路徑跟蹤算法，支持自動(dòng)調(diào)整行駛方向、地頭原地轉(zhuǎn)彎及斜向?qū)π?，提高路徑跟蹤精度?/p>

7、所述彈簧減振器布置于車輪與車架本體之間，用于緩沖農(nóng)田作業(yè)中產(chǎn)生的振動(dòng)與沖擊，確保平臺(tái)在不平整地面行駛時(shí)的穩(wěn)定性，提高圖像識(shí)別的清晰度與定位的準(zhǔn)確性；

8、所述防水控制箱焊接在車架左右兩側(cè)，用于安裝工控機(jī)、jetson?agx?orin嵌入式計(jì)算平臺(tái)、車載控制器、路由器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電池組等核心電控組件，控制箱采用防塵防水結(jié)構(gòu)，適應(yīng)田間高濕高粉塵的惡劣環(huán)境；所述收納筐安裝于車尾底部區(qū)域，用于臨時(shí)存放已采收的西蘭花花球；所述開關(guān)按鈕和兩個(gè)急停旋鈕分別設(shè)置于防水控制箱上方，操作人員在異常情況下可快速觸發(fā)急停裝置，切斷電源，確保整車設(shè)備與人員安全；

9、再進(jìn)一步，所述采收機(jī)械臂為龍門式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括兩組直角坐標(biāo)機(jī)械臂、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、槽型光電開關(guān)、拖鏈、拖鏈支架和連接板等；

10、所述兩組直角坐標(biāo)機(jī)械臂對(duì)稱安裝于采收機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)車架的左右兩側(cè)，具備x、y、z三軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)能力，其中，x軸與y軸均采用高精度螺桿模組結(jié)構(gòu)，z軸為推桿式螺桿滑臺(tái)結(jié)構(gòu)，x軸模組通過螺栓連接方式固定在車架上的螺紋孔處，y軸模組安裝于x軸模組的滑塊上，z軸則通過連接板固定在y軸模組的滑塊上，x、y、z軸分別對(duì)應(yīng)橫向移動(dòng)、縱向伸縮與升降運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在三維空間內(nèi)的精確定位和運(yùn)動(dòng)控制；

11、所述驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別設(shè)置于各運(yùn)動(dòng)軸的動(dòng)力輸出端，選用帶編碼器的伺服電機(jī)，并與運(yùn)動(dòng)控制卡及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電氣連接，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂各自由度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制與速度調(diào)節(jié)；

12、所述槽型光電開關(guān)分別布設(shè)于x、y、z軸的極限位置處，用于實(shí)時(shí)檢測各軸位置狀態(tài)，提供原點(diǎn)復(fù)位信號(hào)及行程終點(diǎn)保護(hù)信號(hào)，有效避免過行程操作；

13、所述拖鏈支架設(shè)置于x軸模組一側(cè)，用于承托拖鏈并維持其在運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性，所述拖鏈放置于拖鏈支架上方，用于電纜的有序收放，避免在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生纏繞或磨損。

14、所述末端執(zhí)行器為套筒式結(jié)構(gòu)，包括圓筒狀殼體(內(nèi)壁直徑20cm)、上板、下板、固定連接法蘭、多刀片切割組件、底板、間隔塊、驅(qū)動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)、接近開關(guān)傳感器、電機(jī)支架、傳感器安裝板、齒條和齒條底托等；

15、所述圓筒狀殼體通過上板與固定連接法蘭連接，并安裝于直角坐標(biāo)機(jī)械臂的z軸末端，用于在采收過程中從西蘭花花球頂部環(huán)抱下壓。殼體材質(zhì)選用輕質(zhì)高強(qiáng)度的鋁合金既確保強(qiáng)度又減輕整機(jī)負(fù)載；

16、所述多刀片切割組件設(shè)置在套筒底部，位于下板與底板之間，通過多個(gè)間隔塊實(shí)現(xiàn)固定與分隔。所述刀片的刀刃沿圓周均勻布置，朝向套筒中心，形成環(huán)形包圍結(jié)構(gòu)。工作時(shí)，當(dāng)機(jī)械臂z軸將末端執(zhí)行器精確下壓至目標(biāo)采收位置，伺服電機(jī)啟動(dòng)，通過驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刀片同步向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)西蘭花花球莖部的環(huán)繞式高效切割，完成莖部斷離操作；

17、所述伺服電機(jī)通過電機(jī)支架固定于殼體外側(cè)壁，其輸出端與設(shè)置在底部的齒條嚙合連接，通過齒輪結(jié)構(gòu)向切割刀片傳遞旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，確保切割過程中動(dòng)力穩(wěn)定、轉(zhuǎn)速可控，滿足不同花球莖部硬度的作業(yè)需求；

18、所述齒條底托通過螺栓方式固定連接于底板上方，用于承載并限位圓弧狀齒條的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)部設(shè)有與圓弧齒條外形相匹配的弧形導(dǎo)向槽結(jié)構(gòu)，用于對(duì)齒條旋轉(zhuǎn)路徑進(jìn)行精確導(dǎo)向與支撐，該結(jié)構(gòu)不僅可有效防止齒條在切割作業(yè)中出現(xiàn)晃動(dòng)或偏移，還能提升刀片同步旋轉(zhuǎn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

19、所述接近開關(guān)傳感器安裝于齒條托底結(jié)構(gòu)上方，通過傳感器安裝板固定，傳感器正對(duì)與之對(duì)應(yīng)的齒條結(jié)構(gòu)，用于檢測伺服電機(jī)的零位信息，確保切割動(dòng)作在初始位置準(zhǔn)確執(zhí)行，從而提升系統(tǒng)控制的可靠性與安全性；

20、更進(jìn)一步，所述導(dǎo)航控制系統(tǒng)包括導(dǎo)航深度相機(jī)、雙rtk實(shí)時(shí)差分定位裝置和邊緣計(jì)算單元等；

21、所述導(dǎo)航深度相機(jī)固定安裝于采收機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)前方中央，鏡頭光軸與水平線成30°夾角，用于采集前方作物行圖像，為路徑識(shí)別與導(dǎo)航線提取提供視覺數(shù)據(jù)支持；

22、所述雙rtk裝置分別固定于采收機(jī)器人左右兩側(cè)防水控制箱頂部，通過差分定位實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)高精度定位，并通過基線向量實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)航向角，用于路徑規(guī)劃與航向控制的輔助校正；

23、所述邊緣計(jì)算單元集成圖像處理算法與路徑跟蹤算法，首先通過圖像分割算法識(shí)別可通行區(qū)域，再采用導(dǎo)航線提取算法生成當(dāng)前作業(yè)行的中心線路徑，結(jié)合雙rtk定位數(shù)據(jù)與純跟蹤控制算法，生成車輪的轉(zhuǎn)向角與目標(biāo)速度控制指令，實(shí)現(xiàn)采收機(jī)器人在作物行間的自主穩(wěn)定行駛。

24、所述采收控制系統(tǒng)包括采收深度相機(jī)、接近開關(guān)傳感器、采收目標(biāo)識(shí)別模塊、機(jī)械臂軌跡規(guī)劃模塊、末端執(zhí)行器控制模塊等；

25、所述采收深度相機(jī)安裝于z軸末端法蘭部位，鏡頭垂直向下，用于對(duì)西蘭花花球進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測識(shí)別，輸出目標(biāo)花球的中心坐標(biāo)與高度信息；

26、所述目標(biāo)識(shí)別模塊基于深度圖與rgb圖融合的方式，結(jié)合yolov8模型對(duì)目標(biāo)花球進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行后處理，剔除重疊、未成熟等不符合采收條件的花球；

27、所述機(jī)械臂軌跡規(guī)劃模塊根據(jù)z軸下壓路徑進(jìn)行三軸協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)花球的精準(zhǔn)包裹與定位。完成切割作業(yè)后，機(jī)械臂可按預(yù)設(shè)路徑將切割下的花球平穩(wěn)移至收納筐上方，并控制z軸緩慢下放，實(shí)現(xiàn)對(duì)花球的精準(zhǔn)投放與有序收集；

28、所述末端執(zhí)行器控制模塊接收軌跡命令后控制伺服電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割，同時(shí)結(jié)合接近開關(guān)傳感器反饋，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制與自動(dòng)歸零；

29、所述電源配電系統(tǒng)采用雙電池配置，分別包括一塊72v鋰電池和一塊48v鋰電池，其中，72v電池作為高壓動(dòng)力電源，用于為采收機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)上的四個(gè)驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)和四個(gè)轉(zhuǎn)向伺服電機(jī)提供行走與轉(zhuǎn)向所需的動(dòng)力，確保整機(jī)具備較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性；48v電池則作為控制與作業(yè)用電源，經(jīng)由電源逆變器進(jìn)行穩(wěn)壓變換后，為機(jī)械臂系統(tǒng)中的各驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、限位傳感器及其他輔助設(shè)備供電，保障采收作業(yè)的穩(wěn)定性與連續(xù)性；

30、一種跨壟自走式西蘭花選擇性采收機(jī)器人的作業(yè)方法，包括以下步驟：

31、s1、啟動(dòng)機(jī)器人，在遙控模式下，操作人員用遙控器將西蘭花采收機(jī)器人移動(dòng)至待采收田塊入口處，在控制終端輸入當(dāng)前作業(yè)田塊的邊界信息、西蘭花種植模式(壟距、排水溝寬度等)以及商品級(jí)西蘭花的成熟度參數(shù)，所述信息通過無線傳輸方式傳輸至采收機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，機(jī)器人控制系統(tǒng)基于所接收的田塊邊界與種植模式信息自動(dòng)生成全局導(dǎo)航路徑，并切換作業(yè)模式為自動(dòng)作業(yè)模式；

32、s2、機(jī)器人進(jìn)入自動(dòng)作業(yè)狀態(tài)后，導(dǎo)航深度相機(jī)實(shí)時(shí)獲取前方壟徑環(huán)境圖像，所采集圖像經(jīng)由邊緣計(jì)算單元處理，提取當(dāng)前壟徑的局部導(dǎo)航線信息，供導(dǎo)航控制系統(tǒng)進(jìn)行路徑跟蹤，引導(dǎo)機(jī)器人沿壟向前移動(dòng)；在移動(dòng)過程中，采收深度相機(jī)同步采集作物圖像，實(shí)時(shí)檢測西蘭花花球的位置與大小，并基于預(yù)設(shè)的成熟度判定模型判斷其是否達(dá)到商品采收標(biāo)準(zhǔn)；

33、s3、當(dāng)采收控制系統(tǒng)基于采收深度相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)識(shí)別到達(dá)到商品標(biāo)準(zhǔn)的西蘭花花球時(shí)，立即向?qū)Ш娇刂葡到y(tǒng)發(fā)送停止行駛指令，機(jī)器人停止移動(dòng)；隨后，采收控制系統(tǒng)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)花球上方，通過切割裝置完成花球的切割作業(yè)，并將采收后的花球放置于收納筐中；采收完成后，采收控制系統(tǒng)再次向?qū)Ш娇刂葡到y(tǒng)發(fā)送繼續(xù)行駛指令，機(jī)器人繼續(xù)沿導(dǎo)航路徑前進(jìn)；

34、s4、采收機(jī)器人重復(fù)s2、s3動(dòng)作，直至完成整塊田間區(qū)域內(nèi)所有符合采收標(biāo)準(zhǔn)的西蘭花的采收任務(wù)，在整個(gè)作業(yè)過程中無需人工干預(yù)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)完全自主導(dǎo)航、自主識(shí)別與選擇性采收作業(yè)，顯著提高采收效率與自動(dòng)化程度；

35、進(jìn)一步的，在所述步驟s2中，提取當(dāng)前壟徑的局部導(dǎo)航線信息過程為：利用改進(jìn)的deeplabv3+語義分割網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)導(dǎo)航深度相機(jī)獲取的圖像進(jìn)行處理，生成壟徑區(qū)域的語義分割圖像；根據(jù)分割結(jié)果采用分區(qū)域外接矩形框的方法提取壟間可通行區(qū)域中的導(dǎo)航點(diǎn)；利用四階三次多項(xiàng)式對(duì)所提取的導(dǎo)航點(diǎn)進(jìn)行擬合，生成連續(xù)光滑的導(dǎo)航路徑曲線；通過空間坐標(biāo)變換，將圖像坐標(biāo)系下的擬合導(dǎo)航線轉(zhuǎn)換至機(jī)器人坐標(biāo)系下，得到用于引導(dǎo)機(jī)器人的當(dāng)前壟徑局部導(dǎo)航線信息。

36、再進(jìn)一步，在所述步驟s2中，導(dǎo)航控制系統(tǒng)進(jìn)行路徑跟蹤包括行間作業(yè)路徑跟蹤與地頭轉(zhuǎn)彎作業(yè)路徑跟蹤，其中，行間作業(yè)路徑跟蹤以預(yù)設(shè)的全局路徑規(guī)劃為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)時(shí)的導(dǎo)航線信息進(jìn)行局部路徑修正，所采用的控制算法為融合模糊控制策略的純路徑跟蹤算法，能夠有效提升在田間復(fù)雜環(huán)境下的路徑跟蹤穩(wěn)定性與響應(yīng)性；地頭轉(zhuǎn)彎作業(yè)路徑跟蹤則以全局路徑為參考依據(jù)，當(dāng)機(jī)器人行駛至壟末地頭區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)觸發(fā)轉(zhuǎn)彎動(dòng)作，轉(zhuǎn)彎結(jié)束后通過導(dǎo)航深度相機(jī)進(jìn)行對(duì)行作業(yè)，確保機(jī)器人精準(zhǔn)進(jìn)入下一作業(yè)行，完成連續(xù)自動(dòng)作業(yè)過程。

37、更進(jìn)一步，在所述步驟s3中，基于采收深度相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)識(shí)別到達(dá)到商品標(biāo)準(zhǔn)的西蘭花花球，具體包括采收控制系統(tǒng)通過采收深度相機(jī)采集田間圖像數(shù)據(jù)，首先利用深度圖與彩色圖的配準(zhǔn)信息提取出視野范圍內(nèi)所有可能的西蘭花花球目標(biāo)區(qū)域；然后將提取到的圖像區(qū)域輸入至已訓(xùn)練完成的目標(biāo)檢測與實(shí)例分割模型中，對(duì)圖像中的西蘭花目標(biāo)進(jìn)行精確分割與輪廓提?。唤Y(jié)合深度信息進(jìn)一步估算花球的三維空間位置與尺寸參數(shù)，包括花球直徑、高度等指標(biāo)，為商品級(jí)西蘭花判斷與機(jī)械臂采摘路徑規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支撐。

38、本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：

39、1、本發(fā)明的機(jī)器人采用跨壟式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)跨兩壟的并行采收作業(yè)，顯著提高田間覆蓋效率，減少路徑規(guī)劃復(fù)雜度，適應(yīng)多種壟耕種植模式，特別適合西蘭花等成行種植作物的大面積田間采收作業(yè)；

40、2、本發(fā)明的導(dǎo)航控制系統(tǒng)融合北斗rtk高精度定位與深度視覺導(dǎo)航信息，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，在全局路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)局部路徑實(shí)時(shí)修正，可有效應(yīng)對(duì)田間光照變化、作物生長不均、地形復(fù)雜等不確定因素，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的魯棒性與精度；

41、3、本發(fā)明通過采收深度相機(jī)結(jié)合圖像識(shí)別模型，能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別西蘭花花球的位置與成熟度，依據(jù)設(shè)定的商品標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)判斷是否采收，具備高度智能化的選擇性采收能力，避免未成熟或過熟西蘭花被誤采，減少人為干預(yù)，提高采收品質(zhì)與商品率；

42、4、本發(fā)明所采用的末端執(zhí)行器為套筒式結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)有多刀片旋轉(zhuǎn)切割機(jī)構(gòu)，切割力更強(qiáng)，有效避免因單刀片受力不足導(dǎo)致的切割不徹底問題。相較于傳統(tǒng)的夾爪式末端執(zhí)行器，套筒式結(jié)構(gòu)能夠自花球頂部進(jìn)行環(huán)抱式下壓切割，在采收過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)花球的有效包裹與穩(wěn)定固定，確保切割動(dòng)作精準(zhǔn)、平穩(wěn)，從而減少因夾爪誤抓、受力不均等因素引起的花球損傷或脫落問題。該結(jié)構(gòu)顯著提升了單次采收的成功率及商品花球的完整度。