农林作业系统及其控制方法与流程

1.本发明涉及在农业和林业中对农林作物和/或农林用地进行各种作业的设备和方法，简言之涉及一种农林作业系统及其控制方法。


背景技术：

2.在农业和林业领域中存在对农林作物和/或农林用地进行各种作业的需求，例如包括但不限于对农林作物的种植作业(如播种、插秧等)、植保作业(如杀虫、除草、浇水灌溉等)和收获作业(如收割、采摘等)，以及对农林用地的各种操作(如平地、耕地、挖洞等)。为此，现有技术中已开发出用于实施上述各种作业的农林作业设备。
3.现有的农林作业设备主要分为两大类：一类是在地面上作业的大型设备如拖拉机、联合收割机等，另一类是在空中作业的飞行器如无人机等。这两类设备目前存在例如以下问题：1、地面作业的大型设备往往使用内燃机提供动力，传动结构复杂，尾气污染环境，设备自身重量大而对土壤和作物碾压严重，一般以平整地面作业为主，较难适应一定坡度的山地和丘陵。2、空中作业的飞行器载重量小，操作复杂，续航能力差，飞行高度高，作业(如喷药)不精准、不均匀，容易受大风天气影响。
4.本发明旨在克服现有技术中存在的上述至少一个缺陷和/或其它问题。


技术实现要素：

5.本发明的第一方面提供了一种农林作业系统，包括：用于执行作业任务的作业设备；和为所述作业设备配设的一个或多个支架，每个支架均配置有绳索收放装置，其中从每个绳索收放装置引出的绳索连接到所述作业设备并且构造成能够在对应支架的支撑下收放以对所述作业设备施加拉力。
6.按照一种示例性构型，所述农林作业系统还包括用于向所述作业设备供给物料、电力和信号中的至少一种的柔性供给管线，所述柔性供给管线伴随着至少一条绳索的至少一部分延伸。
7.按照一种示例性构型，所述绳索收放装置包括用于卷绕或退绕绳索的绕绳机构。
8.按照一种示例性构型，所述绳索收放装置还包括安装在对应支架上的曳引轮，所述曳引轮构造成与在所述绕绳机构和所述作业设备之间延伸的绳索接合以驱动绳索收放。
9.按照一种示例性构型，所述农林作业系统还包括多个硬质套环，所述多个硬质套环通过所述绳索顺次连接以形成沿所述绳索的纵向延伸的空腔，所述柔性供给管线接纳在所述空腔中。
10.按照一种示例性构型，所述农林作业系统还包括与所述绳索的至少一部分并行延伸且连接的柔性套管，所述柔性供给管线接纳在所述柔性套管的内腔中。
11.按照一种示例性构型，所述农林作业系统还包括沿所述绳索的纵向可滑动地装配在所述绳索上的多个管线安装件，每个管线安装件包括弹性地偏置为呈与所述绳索垂直的取向的管线固定器，所述柔性供给管线具有分别固定在所述作业设备和所述支架上的第一
和第二固定点，所述柔性供给管线在所述第一和第二固定点之间的部分呈螺旋状地在多个部位处固定在多个管线固定器中。
12.按照一种示例性构型，所述多个管线安装件中的至少一部分管线安装件构造成在所述绳索上的位置主动可调。
13.按照一种示例性构型，所述农林作业系统还包括支架稳定结构，所述支架稳定结构包括一端连接在地面或固定物上且另一端连接在所述支架上的多根拉绳和/或多根撑杆，各拉绳的拉力可调和/或各撑杆的拉力或推力可调，以根据所述支架的受力而使所述支架稳定。
14.按照一种示例性构型，至少一个支架被构造成高度可调，并且/或者，至少一个支架被构造成可移行的。
15.按照一种示例性构型，所述作业设备具有使得其能在地面或工作面上移行的行走装置。
16.按照一种示例性构型，所述绳索收放装置在对应支架上安装成能够绕该支架的支撑轴线转动或者绕所述绳索收放装置自身的安装轴线转动，以适配对应绳索的方位角。
17.按照一种示例性构型，所述农林作业系统包括多个作业设备，其中至少两个作业设备共用一个或多个支架。
18.按照一种示例性构型，所述农林作业系统还包括将所述绳索连接到所述作业设备的设备连接机构，所述设备连接机构包括与所述绳索直接连接的绳索固连平台，以及连接在所述绳索固连平台和所述作业设备之间以调整所述作业设备相对于所述绳索固连平台的位置和/或姿态的设备调整机构。
19.按照一种示例性构型，所述农林作业系统还包括以下至少一者：安装在所述作业设备和/或支架上的图像获取装置；安装在所述作业设备上以平衡所述作业设备所受的风力和/或对农林作物进行通风和/或便于农药扩散的至少一个风机设备；用于测量所述作业设备的周围环境的三维信息的三维感知设备；用于测量或标定所述作业设备和/或支架的水平旋转角度的电子罗盘；用于测量环境风速的风速传感器。
20.按照一种示例性构型，所述农林作业系统还包括：测量所述作业设备和/或支架的位置的定位装置；测量连接在所述作业设备上的各绳索的拉力的拉力传感器；测量各绳索的方位角和俯仰角的角度传感器；测量所述作业设备的移动速度的速度传感器；测量所述作业设备的加速度的加速度传感器。
21.本发明的第二方面提供了一种如上所述的任一种农林作业系统的控制方法，包括以下步骤：根据所述作业设备的规划航迹以及当前的实测位置、实测速度和实测加速度计算所述作业设备的当前的目标加速度；根据所述作业设备的当前的目标加速度以及所述作业设备上连接的绳索的方位角和俯仰角计算所述绳索的目标拉力；以及控制所述绳索的对应绳索收放装置收放所述绳索以使得所述绳索的拉力达到所述目标拉力。
22.按照一种示例性构型，根据所述作业设备的规划航迹以及当前的实测位置、实测速度和实测加速度计算所述作业设备的当前的目标加速度包括：根据所述规划航迹获取所述作业设备的当前的理论位置、理论速度和理论加速度；根据所述理论位置和所述实测位置用pid算法计算位置矫正值；根据所述位置矫正值和所述理论速度计算所述作业设备的当前的目标速度；根据所述目标速度和所述实测速度用pid算法计算速度矫正值；根据所述
速度矫正值和所述理论加速度计算所述作业设备的当前的中间目标加速度；根据所述中间目标加速度和所述实测加速度用pid算法计算加速度矫正值；以及根据所述加速度矫正值和所述理论加速度计算所述作业设备的当前的目标加速度。
23.按照一种示例性构型，根据所述规划航迹获取所述作业设备的当前的理论位置、理论速度和理论加速度包括利用插值法计算所述作业设备的当前的理论位置、理论速度和理论加速度。
24.按照一种示例性构型，根据所述作业设备的当前的目标加速度以及所述作业设备上连接的绳索的方位角和俯仰角计算所述绳索的目标拉力包括：
25.在所述作业设备上连接有两条绳索的情况下，通过求解下列方程来计算所述两条绳索的目标拉力f1和f2：
[0026][0027]
其中，α和β分别是f1和f2与竖直方向的夹角，a1和a2分别是所述作业设备的当前的目标加速度在竖直方向和水平方向上的分量，g和m分别是所述作业设备的重力和质量；
[0028]
在所述作业设备上连接有三条绳索的情况下，通过求解下列方程来计算所述三条绳索的目标拉力f1、f2和f3：
[0029][0030]
其中，α1、α2、α3分别是f1、f2和f3与竖直方向的夹角，a1和a2分别是所述作业设备的当前的目标加速度在竖直方向和水平方向上的分量，β1、β2、β3分别是f1、f2和f3在水平面内的投影与a2的夹角，g和m分别是所述作业设备的重力和质量；
[0031]
在所述作业设备上连接有n条绳索的情况下，其中n≥4，通过求解下列方程来计算所述n条绳索的目标拉力f1、f2、
…
、fn：
[0032][0033]
其中，α1、α2、
…
、αn分别是f1、f2、
…
、fn与竖直方向的夹角，a1和a2分别是所述作业设备的当前的目标加速度在竖直方向和水平方向上的分量，β1、β2、
…
、βn分别是f1、f2、
…
、fn在水平面内的投影与a2的夹角，g和m分别是所述作业设备的重力和质量。
[0034]
按照一种示例性构型，控制所述绳索的对应绳索收放装置收放所述绳索以使得所述绳索的拉力达到所述目标拉力包括基于pid算法控制所述绳索的收放以使得所述绳索的实测拉力趋近于计算出的所述绳索的目标拉力。
[0035]
本发明的第三方面涉及一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序包括可执行指令，当该可执行指令被处理器执行时，实施如上所述的任一种控制方法。
[0036]
本发明的第四方面涉及一种电子设备，其包括：处理器；和存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令以实施如上所述的任一种控制方法。
[0037]
本发明的上述农林作业系统及其控制方法能够克服现有的农林作业设备的诸多缺陷和问题，在农林作业方面高效，环保，节能，自动化和智能化程度高，适用性广，具有很高的经济效益和社会效益。
附图说明
[0038]
本发明的上述及其他特征和优点将通过下文参照附图提供的详细描述而变得显而易见。应理解的是，下列附图仅仅是示意性的且并非一定按比例绘制，因而不能视为对本技术的限制，其中：
[0039]
图1是根据本发明一个实施例的农林作业系统的总体示意图；
[0040]
图2-4是根据本发明实施例的农林作业系统中的支架及其所配备的绳索收放装置的示意图；
[0041]
图5示出根据本发明实施例的农林作业系统中的支架具有固定高度的多种示例性构型；
[0042]
图6示出根据本发明实施例的农林作业系统中的支架具有可变高度的多种示例性构型；
[0043]
图7-10示出了为根据本发明实施例的农林作业系统中的支架所配设的支架稳定结构的几种示例性构型；
[0044]
图11示出可移行的支架的多种示例性构型；
[0045]
图12示出一种在支架上组合应用移动装置和可调型的支架稳定结构的实施例；
[0046]
图13示出结合了柔性供给管线的一种抗拉不抗压的示例性复合型绳索；
[0047]
图14示出结合了柔性供给管线的一种既抗拉又抗压的示例性复合型绳索；
[0048]
图15示出一种柔性供给管线悬吊在绳索上的配置方式；
[0049]
图16是图15所示的管线安装件的多种示例性的具体构型图；
[0050]
图17示出了各管线安装件在绳索上的一种优选的排布方式；
[0051]
图18-19示出了用于调节各管线安装件的间距的一种示例性结构；
[0052]
图20示出了用于将绳索连接到作业设备上的设备连接机构的一种示例性构型；
[0053]
图21是图20所示的设备连接机构中的第二调整平台的一种示例性构型；
[0054]
图22是配备有行走装置的作业设备在绳索的附加拉力作用下爬坡的说明图；
[0055]
图23-25示出了仅包括一个支架的农林作业系统的实施例；
[0056]
图26-27示出了至少两个作业设备共用一个或多个支架的农林作业系统的实施例；
[0057]
图28-29示出了作业设备的两种不同的示例性航迹；
[0058]
图30是作业设备在悬空地运动时的航迹跟踪控制的一个实施例的流程图；
[0059]
图31是作业设备在悬空地运动时的航迹跟踪控制的一个实施例的说明图；
[0060]
图32是作业设备的一种示例性的规划航迹的说明图；
[0061]
图33是一种示例性的航迹跟踪算法的流程说明图；
[0062]
图34是作业设备上连接有两条绳索以使其悬空运动时计算各绳索的目标拉力的说明图；
[0063]
图35是作业设备上连接有三条绳索以使其悬空运动时计算各绳索的目标拉力的
说明图；
[0064]
图36是用于实施根据本发明一个实施例的农林作业系统的控制方法的电子设备的示意图。
具体实施方式
[0065]
下面参照附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，阐述了许多具体细节以便使所属领域的技术人员更全面地了解和实现本发明。但是，对所属领域的技术人员明显的是，本发明的实现可不具有这些具体细节中的一些。此外，应当理解的是，本发明并不局限于所介绍的特定实施例。相反，可以考虑用下面所述的各项特征和要素的任意组合来实施本发明，而无论它们是否涉及不同的实施例。因此，下面的方面、特征、实施例和优点仅作说明之用，而不应看作是权利要求的要素或限定，除非在权利要求中明确提出。
[0066]
在以下描述中可能使用的关于方位的说明，比如“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等，除非具有明确说明，仅为了方便描述，而无欲对发明技术方案形成任何限定。需要说明的是，在本文中若使用了例如“第一”、“第二”等术语来描述本技术的元件，则这些术语仅用于区分各个元件，而无欲限制这些元件的本质、序列、顺序或数目。在本文中，除非具有明确说明，诸如“一个零部件或装置连接/安装/固定至另一个零部件或装置”或类似表述应理解为这两个零部件或装置既可以彼此直接连接/安装/固定，也可以通过居中零部件或装置件彼此连接/安装/固定。
[0067]
图1示出根据本发明一个实施例的农林作业系统的总体示意图。该系统包括用于执行具体作业任务的作业设备1和为该作业设备配设的多个(图1中例示为三个)支架2。在图示的实施例中，各支架2相对于工作面10例如垂直地或倾斜一定角度地立设在工作面10上。工作面10可以是水平或倾斜的地面或任何其它适当的支承面，或者由多个具有不同倾角或坡度的表面部分构成。支架2的典型形式为图中示意性地示出的立柱，但本领域技术人员容易理解，支架2可采用任何具有一定的高度或延伸长度的支撑装置的形式(后文中详述)。支架2的作用是支撑绳索，在图1中从每个支架2的例如顶端引出有对应的绳索3。每个绳索3从支架2引出后都连接到作业设备1，并且构造成能够在对应支架2的支撑下对作业设备1施加拉力。当拉力足够大时，作业设备1便能在各绳索3的作用下悬吊起来。
[0068]
通过协调控制各绳索3在对应支架2和作业设备1之间的长度，理论上，在沿着各支架2的延伸方向(高度方向)看去时，能将作业设备1移动到以各个支架2为顶点的直线形(两个支架2)或三角形(三个支架2)或多边形(多个支架2)区域中的任意点上，而在横向于各支架2的延伸方向看去时，能将作业设备1移动到从工作面10到最高的一个支架2的绳索引出点之间的高度范围内的任意点。通过控制作业设备1在上述空间内连续移动，就可以实现作业设备1在上述空间内的任意点上进行作业。例如，通过控制各绳索3，可以降低作业设备1的高度，使得作业设备1直接在工作面10上作业(例如在地面上进行各种种植、养护和收获作业)，也可以将作业设备1提升到一定高度进行悬空作业(如可以稳定悬停在农作物的上方进行诸如打农药、除草、喷灌、采摘等作业)。通过利用各绳索3控制作业设备1的升降，还能使作业设备适应各种复杂的地形，例如丘陵、山坡、土坑等。
[0069]
为了能如上所述控制各绳索3的长度，每个对应的支架2均配置有绳索收放装置，绳索3从绳索收放装置引出，并且能在绳索收放装置的作用下收放。图2-4示出了支架2及其
所配备的绳索收放装置的示意图。典型地，绳索收放装置可包括用于卷绕或退绕绳索3的绕绳机构21。该绕绳机构在图示的实施例中可为绞盘或卷筒的形式，其能够例如在电机的驱动下正向或反向旋转，从而卷绕或退绕盘绕在其上的绳索3，以实现绳索的收放。绕绳机构21可如图2和4所示固定在工作面10(如地面)上，也可如图3所示安装在支架2上。绕绳机构21可如图3所示安装在支架2的底部，也可安装在支架2上的其它位置，如顶部或中部。在支架2的例如顶部还可安装有滑轮22，绳索3从绕绳机构21引出后经过滑轮22的引导和支撑再被导向作业设备1(图2-4中未示出)。当然，如果绕绳机构21安装在支架2的顶部，那么也可以省略滑轮22。应指出，由于作业设备1能在各绳索3的控制下在一定的空间范围内任意移动，各绳索3的位于作业设备1和支架2(滑轮22)之间的部分随着作业设备1的移动也会在三维空间内相应地移动，这具体地体现为绳索该部分的方位角和俯仰角发生变化。为了适配绳索3的这种空间移动，滑轮22可配置成能够在绳索3的带动下绕着支架2的支撑轴线(即图2-4所示的立柱形式的支架2的纵长轴线，在图中沿竖直方向延伸)转动或者绕着滑轮自身的安装轴线(在该安装轴线与支架2的支撑轴线不重合的情况下)转动，以使得滑轮22所在的平面与由绳索3的方位角所确定的平面始终共面，这样可避免绳索3在空间中移动时在从滑轮22引出的位置处大幅度的弯折或甚至缠绕到滑轮或支架上。在图示的实施例中，滑轮22可例如通过套筒23套装在支架2上以实现上述转动。
[0070]
在滑轮22可如上所述绕支架2转动或者绕其自身的安装轴线转动的情况下，若绕绳机构21的安装姿态固定不变，那么位于滑轮22和绕绳机构21之间的绳索可能随着滑轮22的转动而缠绕到支架2上。为此，可选地，绕绳机构21也可以如图3所示例如用套筒24套装在支架2上以便能够绕支架2的支撑轴线受控转动，或者绕绳机构21也可以绕其自身的安装轴线受控转动。在支架2较短的情况下，滑轮22的套筒23和绕绳机构21的套筒24可形成为一体，以使得两个套筒能同步转动。或者，绕绳机构21的套筒24可配备有驱动其绕支架2受控转动的电机，以控制套筒24与套筒23同步转动(在这种情况下套筒23可配备有检测其转动位置的传感器，以输出用于控制上述电机的驱动信号)。类似地，在绕绳机构21能绕其自身的安装轴线转动的情况下，同样可配备能驱动其绕自身的安装轴线受控转动的电机。例如通过两个套筒23、24实现的绕绳机构21与滑轮22的同步转动能够避免如上所述绳索3缠绕到支架2上的情况。
[0071]
在图4所示的实施例中，所述绳索收放装置还可包括安装在对应支架2上的曳引轮25。曳引轮构造成与在绕绳机构21和作业设备之间延伸的绳索3接合以驱动绳索3收放。曳引轮的轮缘上开有用于接纳绳索的绳槽，利用绳索与绳槽之间的摩擦力来传递收放绳索的动力。由此，从传递绳索收放动力的角度说，曳引轮25可作为绕绳机构21的替换或附加装置。曳引轮25也可例如通过套筒23可绕支架2转动地安装在支架2上。
[0072]
应指出，图2-4示出的仅仅是绕绳机构21、滑轮22和可选的曳引轮25相对于支架2的示例性的安装方式、位置、姿态和数量，以及绳索3相对于前述各者的示例性的走向和盘绕方式。本领域技术人员能够理解，本发明不限于图2-4所示的构型，凡是能使绳索3从绕绳机构21引出后在支架2的支撑下(例如，经由曳引轮25和/或滑轮22)连接到作业设备1并按需收放的构型都在本发明的范围内。
[0073]
图5-6示出了根据本发明的农林作业系统中的支架2的多种示例性构型。支架2可以具有固定的高度或长度(图5)。例如，图5的(a)、(b)和(c)部分分别示出了实心立柱、空心
立柱和桁架结构形式的高度恒定型支架。这种支架也可以用具有一定高度的树木、建筑物或山崖等来替代，并将支架上的绳索收放装置等设备安装到该树木、建筑物或山崖上。支架2也可以具有可变的高度或长度(图6)以便能够灵活地适配于在不同种类的作业设备和/或不同的作业场合的情况下作业设备的竖直方向活动范围的需求。例如，图6的(a)、(b)和(c)部分分别示出了多段(数量可调)柱体拼接式、液压伸缩式、剪叉折叠式和螺旋伸缩式的高度可变型支架。高度可调节的支架能适应更加复杂的地形，还能适应各种高度不同的农林作物，扩大了根据本发明的农林作业系统的适用范围。
[0074]
在一些实施例中，根据本发明的农林作业系统中的支架2固定地立设在工作面10上。为了稳定平衡支架2所受的外力以防止其被绳索3的拉力、环境中的风力或其它外力所倾倒，可为支架2配设支架稳定结构。图7-10示出了这样的支架稳定结构的多种示例性的构型。图7和8所示的是可调型的支架稳定结构，分别包括一端连接在工作面10上且另一端连接在支架2上的多根拉绳201和/或多根撑杆202，各拉绳201的拉力可调和/或各撑杆202的拉力或推力可调，以便根据支架2的受力而使支架2稳定。在图9中，采用例如由混凝土或金属材料制成的较沉的底座203作为支架稳定结构。在图10中，采用尺寸较大的底架204作为支架稳定结构。
[0075]
除了在工作面上固定不动之外，在另一些实施例中，支架2也可构造成可移行的。图11示出了这样的支架2的几种示例性的构型。为了能够例如在地面上移行，支架2的底端例如装配有移动装置205。图11的(a)、(b)和(c)部分分别示出了移动装置205为轮式装置、履带式装置和多足式移动装置的情形。通过将支架2构造成可移行，能够让支架2改变位置，从而调整作业设备1的作业区域和/或作业面积，并且可以使农林作业系统在不同区域的不同地块上流动作业，提高系统的利用率。
[0076]
图12示出了一种在支架2上组合应用移动装置205和可调型的支架稳定结构的实施例。在支架2的顶端安装有引出绳索3的绳索收放装置，如绕绳机构21。移动装置205例如构造为轮式移动装置。可调型的支架稳定结构包括一端连接在工作面10上且另一端连接在支架2上的多根拉绳201。例如，每根拉绳201都通过对应的拉绳卷绕机构2011连接至支架2。拉绳卷绕机构2011可类似于绕绳机构21，能够通过收放拉绳201来调节拉绳的长度和拉力。另外，拉绳卷绕机构2011可构造成能绕支架2受控地转动，以适配绕绳机构21、拉绳201或绳索3的方位角。可选地，拉绳201可安装在支架2上并且构造成能绕支架2受控地转动，而拉绳卷绕机构2011安装在工作面10上并且构造成能绕安装点受控地转动，以适配绕绳机构21、拉绳201或绳索3的方位角。根据绳索3施加在支架2上的拉力的大小和方向以及作用在支架2上的其它外力(如风力)的大小和方向，可在支架2移行的同时适配地调整各拉绳201对支架2施加的拉力的大小和方向，以实现对支架2的平衡稳定作用。
[0077]
接下来描述在根据本发明的农林作业系统中从支架2的绳索收放装置引出的绳索3。在本发明中，绳索可以是诸如钢丝绳、钢带、尼龙绳、碳纤维绳等的由任何适当材料以任何适当形式制成的能够承受较大拉力的柔性长形部件。绳索可以是单根的上述柔性长形部件，也可以是多根上述柔性长形部件结合或会集在一起的整体。在根据本发明的农林作业系统中，绳索3可配备有用于向作业设备1供给物料(例如，液体、气体、固体颗粒和液体混合体、固体颗粒和气体混合体、固体颗粒和气体及液体的混合体，更具体地可例如为水、可燃气体、杀虫剂、除草剂、肥料等)、电力和信号中的至少一种的柔性供给管线。对于柔性供给
管线而言，用于供给电力的管线更具体地可例如为电力线缆，用于供给信号的管线可以是信号传输线缆，更具体地可例如为电缆或光纤。更具体地，柔性供给管线可伴随着绳索3的至少一部分延伸，由此能随着绳索3一起通至作业设备1，以便向作业设备1供给物料、电力和/或信号。下面结合图13-15说明绳索3和相应的柔性供给管线的几种示例性的构型。
[0078]
在图13所示的实施例中，一根或多根柔性供给管线4被收纳在柔性套管41中，而柔性套管41与绳索3的至少一部分并行延伸，并且可通过例如多根或单根系绳42等适当装置或方式连接在绳索3上。外护套31可将绳索3和带有柔性供给管线4的柔性套管41一起包裹和保护起来，以免它们受到外部损伤，并且从外表上看形成一条更粗的复合型绳索。这种复合型绳索由于其中的绳索3的存在，能够抵抗一定的轴向拉力，但是由于其中的柔性套管41及柔性供给管线4都不抗径向压力，所以这种复合型绳索整体上无法承受过大的径向压力，是一种抗拉不抗压的复合型绳索。有利地，带有柔性供给管线4的柔性套管41可沿绳索3的全长延伸，即在一端可与绳索3同时连接至作业设备1，在另一端可与绳索3一起盘绕在绕绳机构21上。但是，由于上述复合型绳索的抗拉不抗压的特性，其无法在较大的轴向拉力下盘绕到绕绳机构21上，因为这样会使上述复合型绳索中的柔性供给管线41承受较大的径向压力。为此，这种抗拉不抗压的复合型绳索在盘绕在绕绳机构21上的同时，需采用图4所示的装有曳引轮25的支架构型，通过曳引轮与复合型绳索的接合来向其施加大力的拖曳，然后便可仅以较小的轴向拉力盘绕到绕绳机构21上，以免在绕绳机构上因承受过大的径向压力而受损。
[0079]
在图14所示的实施例中，通过一根或多根(图中例示出四根)会集在一起的绳索3顺次连接了多个(图中仅示出两个)硬质套环43，这多个硬质套环43整体上将形成沿绳索3的纵向延伸的空腔，一根或多根柔性供给管线4接纳在所述空腔中。每个硬质套环43可例如由两个对开的半部拼合而成，由此便于从柔性供给管线4的侧向套装到柔性供给管线4上。在硬质套环43的外壁上可形成有槽口431，用于引导绳索3通过并将硬质套环43安装在绳索3上。同样，外护套31可将绳索3和带有柔性供给管线4的各硬质套环43一起包裹和保护起来，从外表上看也形成一条更粗的复合型绳索。这种复合型绳索由于其中的绳索3的存在，能够抵抗一定的轴向拉力，并且由于其中的硬质套环43的存在，整体上也能够承受一定的径向压力，是一种既抗拉又抗压的复合型绳索。因此，这种复合型绳索无需采用图4所示的曳引轮25便能在较大的轴向拉力和径向压力下盘绕到绕绳机构21上。当然，曳引轮25也可作为绕绳机构21的替换或附加装置应用于这种复合型绳索。
[0080]
在图15所示的实施例中，柔性供给管线4具有分别固定在作业设备1和支架2上的第一固定点46和第二固定点47。柔性供给管线4的超出第二固定点47的部分可进一步连接到物料源、电源和/或信号源。在绳索3上沿其纵向可滑动地装配有多个管线安装件45。柔性供给管线4在第一和第二固定点46、47之间的部分呈螺旋状地在多个部位处固定在多个管线安装件45上。图16示出了管线安装件45的多种示例性的具体构型。如所示，管线安装件45可包括可滑动地载持在绳索3上的本体部451和弹性地偏置为呈与绳索3垂直的取向的管线固定器452。本体部451在绳索3上的可滑动载持例如借助于可旋转地设置在其中的滚轮454来实现。图16的(a)、(b)和(c)部分分别示出了在本体部451中在绳索3的下方和/或上方设置有一个、两个和四个滚轮454的构型。管线固定器452可例如由呈弯曲弧形的板条构成，板条的上表面形成有浅槽以接纳和载持柔性供给管线4。柔性供给管线4可例如通过粘接或套
环4521等适当方式固定在板条上的至少一个部位处。板条的弯曲弧形使得柔性供给管线4不易于在固定部位处较大程度地弯折而受损。在本体部451和管线固定器452之间设置有扭转弹簧453，用于使管线固定器452相对于绳索3偏置为垂直取向。因此，当柔性供给管线4收缩时，管线固定器452在扭转弹簧453的作用下转动到相对于绳索3垂直的取向，而当柔性供给管线4拉伸时，会克服扭转弹簧453的扭转力使管线固定器452转动到相对于绳索3平行的取向。
[0081]
如图15所示，在作业设备1和支架2之间，从第一固定点46到第二固定点47的柔性供给管线4的长度是固定不变的，但绳索3的长度因绳索的收放而是可变的。在图15的(a)部分中，位于作业设备1和支架2之间的绳索3的长度较长，各管线安装件45之间的间距相应较大，使得相邻两个管线安装件45会将它们之间的柔性供给管线部段拉长，这种拉长作用会对这两个管线安装件45的管线固定器452施加较大的扭转力，从而克服它们各自的扭转弹簧453的弹力而使管线固定器452从与绳索3垂直的取向朝与绳索3平行的取向扭转。在图15的(b)部分中，位于作业设备1和支架2之间的绳索3的长度较短，各管线安装件45之间的间距相应较小，相邻两个管线安装件45之间的柔性供给管线部段不会对它们施加扭转力或施加的扭转力较小，因此管线固定器452趋于被扭转弹簧453偏置为与绳索3垂直的自然取向。图15-16所示的柔性供给管线安装结构可让绳索3下面悬挂的柔性供给管线形成类似螺旋线状，并且随着作业设备1和支架2之间的绳索3的长度变化，能够自行调整管线固定器452相对于绳索3或本体部451的转角，从而自动调整螺旋状的柔性供给管线4的悬垂量，始终保持柔性供给管线4处于平顺弯曲的状态，避免发生因柔性供给管线4胡乱缠结而堵塞物料的情况。
[0082]
应指出，由于作业设备1的高度要低于支架2上供绳索3引出的部位处(如图15中的支架顶部)的高度，所以在正常情况下，可滑动地载持在绳索3上的各管线安装件45在重力作用下将无法如图15所示的那样大致等间距地布置在绳索3上，而是会连同所固定的柔性供给管线4一起趋于自然地朝作业设备侧聚集，这会增加绳索3上所受的不均匀拉力并且不利于绳索3对作业设备1的控制。为了避免这种情况，需要能够调控至少一部分管线安装件45在绳索3上的位置或彼此之间的间距，以例如使得各管线安装件45不在作业设备侧聚集，而是如图15所示大致等间距地布置在绳索3上，或者更优选地如图17所示地布置成在支架侧聚集，而在作业设备侧具有较大的间距(亦即靠近支架2的各管线安装件45之间的间距小于靠近作业设备1的各管线安装件45之间的间距)。在本发明中，至少一部分管线安装件45在绳索3上的这种位置可调节性称为“主动”可调，是通过对管线安装件45施加期望的主动作用来实现的，以区别于管线安装件45因受到自身重力或其它非期望外力而在绳索3上产生的被动位置调节。
[0083]
图18-19示出了用于主动调节各管线安装件45的间距的一种示例性结构。该结构包括设置在相邻两个管线安装件45中的至少一者上的电机457及由该电机驱动旋转的卷筒458，以及诸如细绳或线丝等的长形部件456。长形部件456的一端卷绕在其中一个管线安装件45的电机457的对应卷筒458上，另一端卷绕在另一个管线安装件45的电机457的对应卷筒458上或直接固定在该另一个管线安装件上。电机457可受控旋转并驱动对应的卷筒458旋转，从而收放卷绕在卷筒458上的长形部件456，这样便能调控相邻的两个管线安装件45之间的间距。通过结合位于作业设备1和支架2之间的绳索3的长度利用上述结构控制多个
相邻的管线安装件45之间的间距，便能将各管线安装件45在绳索3上配置成如图15或17所示的位置分布。
[0084]
接下来描述根据本发明的农林作业系统中的作业设备1。作业设备1可以包括在农林领域中对农林作物和/或农林用地等执行各种作业任务的设备、装置或机构，例如有但不限于物料喷洒设备(如雾化喷头)、机械手、采摘设备、挖洞设备、旋耕机、通风设备、播种设备、施肥设备、地膜覆盖设备、地膜回收设备、插秧设备、平地设备、深松设备、起垄设备、杀虫设备、修剪设备、除草设备、注水灌溉设备、收割机设备、轮式设备、履带式设备、土壤墒情检测设备、土壤采样设备等等。作业设备1中可以包括悬挂设备、动力输出设备(如连接到作业设备上的动力源的动力输出轴)、电力传输设备、动力传输设备(如万向轴、皮带等动力传动装置)等以用于挂载、牵引、驱动作业设备上具体实施农林作业的装置或机构等。作业设备1可直接或间接地连接到绳索3的一端。在一个实施例中，绳索3通过设备连接机构连接到作业设备1。图20示出了这种设备连接结构的一种示例性构型。
[0085]
如图20所示，所述设备连接机构包括与绳索3(图中例示为四条)直接连接的绳索固连平台11，以及连接在绳索固连平台11和作业设备1之间以调整作业设备1相对于绳索固连平台11的位置和/或姿态的设备调整机构。在绳索固连平台11上例如在每根绳索3与其连接的部位处可设置有用于测量绳索3的空间取向的角度传感器111、112和用于测量绳索3的拉力的拉力传感器113。其中，角度传感器111可用于测量绳索3的俯仰角(用于表征绳索3在竖直面内的倾斜程度)，而角度传感器112可用于测量绳索3的方位角(用于表征绳索3在水平面内的取向)。应指出，在本发明中，“角度传感器”泛指用于测量各种角度的任何种类的传感器，而“拉力传感器”泛指用于测量拉力的任何种类的传感器。作为绳索固连平台11上的角度传感器111、112和拉力传感器113的替换或附加传感器，还可在绳索3上靠近作业设备的位置设置其它的角度传感器(例如，用于测量绳索3的俯仰角的倾角传感器和用于测量绳索3的方位角的电子罗盘传感器)和拉力传感器(用于测量绳索3的拉力)。由上述各传感器实时测得的角度和拉力可用于反馈控制作业设备1的运动(下文中详述)。上述设备调整机构可包括第一调整平台12和第二调整平台13。第一调整平台12包括平台本体124和将该平台本体连接到绳索固连平台11的三个关节电机121、122和123。通过这三个关节电机可调整平台本体124相对于绳索固连平台11的三维空间姿态。另外，关节电机121和/或关节电机122可以被替换成能自由转动的铰接结构，从而使作业设备1竖直悬挂在绳索固连平台11下面。在关节电机121与绳索固连平台11之间还可例如设置升降机构(如液压伸缩缸、气压伸缩缸、螺母螺丝伸缩杆)(未示出)，以便调节平台本体124与绳索固连平台11之间的竖直距离。第二调整平台13的一种具体的示例性结构示出在图21中。如图21所示，第二调整平台13包括固定在第一调整平台12的平台本体124的底面上的两根平行的丝杆132，以及套装在丝杆132上的两个滑块134。各丝杆132可由对应的电机133驱动旋转。两个滑块134之间连接有由电机136驱动旋转的另外两根丝杆135，并且固定连接至作业设备1顶面的另一滑块131套装在这两根丝杆135上。由此，当控制各电机133驱动丝杆132旋转时，两个滑块134将沿丝杆132平移，并经由丝杆135带动滑块131沿与丝杆132平行的方向移动；同时，当控制电机136驱动丝杆135旋转时，滑块131将沿着与丝杆135平行的方向移动。因此，通过控制各电机133和136的旋转，能调节滑块131及与之固连的作业设备1在由各丝杆132和135所限定的平面(在图20中即为水平面)内的位置。在绳索3经由绳索固连平台11控制作业设备1在空间中的
大体位置和/或姿态的同时，包括第一和第二调整平台的设备调整机构能够实现作业设备1相对于绳索固连平台11的位置和/或姿态的精细调整。可选地，上述第一调整平台12和第二调整平台13可以改变安装次序，例如将第二调整平台13安装在绳索固连平台11下面，而将第一调整平台12安装在第二调整平台的滑块131下面，将作业设备1安装在第一调整平台12下面。另外需要说明的是，作业设备上的第二调整平台13、拉力传感器113、角度传感器111、角度传感器112、关节电机121、关节电机122、关节电机123等设备可以根据需要进行取舍只使用其中的n种设备(0≤n≤7)，例如可直接将绳索3连接到作业设备1上，从而省略掉作业设备上的第二调整平台13、拉力传感器113、角度传感器111、角度传感器112、关节电机121、关节电机122、关节电机123等设备。另外，设备调整机构还可使用并联式机械手(例如史都华平台、delta机器人等)来实现作业设备1相对于绳索固连平台11的位置和/或姿态的精细调整。
[0086]
在上述的实施例中，支架2的数量被描述为多个(两个及以上)，由此可以利用对应的多条绳索3将作业设备1悬吊起来并在空间中移动到期望位置。然而，也可以为作业设备1配备行走装置(例如轮子或履带等)以使得其能在地面或工作面上移行。此时，作业设备1自身可配置有能驱动其移行的动力源(如发动机、电池和/或由伴随着绳索3的柔性供给管线提供的电力)，而绳索3可不对作业设备1施加主动拉力而是仅跟随作业设备1自身的移行进行收放；或者也可以控制绳索3对作业设备1施加一定的附加拉力，以辅助作业设备1的移行，尤其是在作业设备1例如爬坡的情况下。图22示出了这样的一种情形。其中，两个支架2立设在工作面102上，从支架2引出的两条绳索3连接到沿着坡面101移行的作业设备1，从而可以对作业设备1施加一定拉力，以辅助其爬坡或防止其从坡面上倾翻。
[0087]
另外，在根据本发明的农林作业系统中，对于每个作业设备1也可以仅配设一个支架2。图23-25示出了仅包括一个支架2的农林作业系统的实施例。其中，作业设备1可以利用其行走装置在水平地面102移行(图23)，或者沿坡面101上下坡移动(图24)或沿坡面101水平移行(图25)。在这些情况下，可以控制绳索3不对作业设备1施加主动拉力，或者对作业设备1施加一定的辅助拉力(以例如辅助其移行或防止其在坡面上倾翻)。另外，伴随绳索3延伸的柔性供给管线可以根据需求向作业设备1供给物料、电力和/或信号。
[0088]
在一些实施例中，根据本发明的农林作业系统还可以包括多个作业设备1，其中至少两个作业设备1共用一个或多个支架2。这可以分为图26和27所示的两种示例性情形。在图26中，两个作业设备1共用三个支架2并具有相同的作业区域或范围。当然，这两个作业设备1也可以只共用其中的一个或两个支架2；或者，更多数量的作业设备1可以共用任意数量的支架2。这种实施例可以实现多个作业设备1在同一工作区域内同时进行作业，提高作业效率。在图27中，六个作业设备1共用多个支架2(更具体地，相邻的两个作业设备1共用两个支架2)并具有不同的作业区域或范围，从而可构成一种集群式作业系统，能在减少所需支架2数量的同时扩大作业范围。当然，也可设想其它数量的作业设备1共用一个或多个支架2并具有不同的作业区域或范围的情形。在上述实施例中，通过让多个作业设备1共用至少一个支架2，能减少支架2的数量，还能进一步共享为共用的支架2所配设的供电设施、物料源等等，能大大降低农林作业系统的成本。
[0089]
在根据本发明的农林作业系统中，可在作业设备1和/或支架2上安装或配置供作业设备1作业或为了控制整个系统工作所需的各种附属设备、装置或元器件，包括但不限
于：定位装置(如gps、rtk、激光测距仪、双目视觉定位仪、多目视觉定位仪、超声波测距仪等)，用于测量作业设备1和/或支架2的位置信息；通信设备(无线或有线)，用于系统中各部分之间或系统与外界之间的通信；三维感知设备(如激光雷达、基于图像的三维重建设备、毫米波雷达、结构光三维重建设备、tof设备)，用于测量作业设备周围环境的三维信息以便用于作业设备的路径规划，和/或用于测量农林作物的长势和姿态；电子罗盘，用于测量或标定作业设备和/或支架的水平旋转角度(方位角)；各种传感器，例如用于测量支架和/或作业设备的倾斜角度和各种姿态的倾角传感器，用于测量绳索的俯仰角和/或方位角或其它有关零部件的旋转角度或倾斜角度的角度传感器，用于测量系统中的各种绳索、拉绳、撑杆、柱体上的拉力/推力的力传感器，用于测量环境风速的风速传感器，用于测量系统中的电动设备的温度的温度传感器，用于测量作业设备的移动速度的速度传感器，用于测量作业设备的加速度的加速度传感器，用于测量作业设备或支架的形变的传感器如应变传感器；图像获取装置(如彩色摄像头、多光谱摄像头、红外摄像头)，用于获取系统、农林作物或环境的相关图像或视频；风机设备，用于平衡作业设备所受的风力和/或对农林作物进行通风和/或便于农药扩散；微处理器，用于控制系统中的电子设备并读取有关传感器的数据；神经网络处理器，用于分析图像获取装置采集到的图像信息和三维感知设备采集的数据信息，以及感知作业设备的环境信息、土壤肥力、土壤结构、土壤微生物、农林作物的生长状态和病虫害信息；土壤采样设备，用于采集工作区域内不同位置点上的土壤样本，以进行土壤肥力、土壤结构，土壤微生物的分析；激光发射器，用于发射一定功率的激光用来除草或灭虫；燃气燃烧装置，用来燃烧柔性供给管线中传输的可燃气体进行除草或灭虫；储物箱体，用于储存采摘的果实、化肥、农药等物品；驾驶舱、方向盘、手动操作杆，用于人工驾驶控制作业设备的移动和作业等。
[0090]
下面描述根据本发明的农林作业系统的控制方法。该控制方法的目的在于控制农林作业系统中的作业设备沿着期望或规划的路径(本文中称为航迹或轨迹)以期望的加速度和速度运动以进行相应的农林作业。
[0091]
作业设备的航迹可根据其实际作业场景的三维地形来进行规划，一般可规划成与地面或工作面的距离为预定值的z字形航迹或螺旋形航迹，分别可如图28和29所示。这些航迹能够不重不漏地覆盖作业场景的地形，并且可避开作业场景中的障碍物(如图28中以a、b、c和d示意性地示出的障碍物)。
[0092]
航迹规划完成后，便可控制作业设备沿着规划好的航迹行进(称为航迹跟踪)，并在行进过程中进行相应的农林作业。与航迹跟踪有关的控制按照作业设备在空间中的位置可分为两种情况：1)作业设备在地面或工作面上移行；2)作业设备悬空地运动。
[0093]
在作业设备在地面或工作面上移行的情况下，作业设备始终与地面或工作面接触，从而由地面或工作面支承至少部分的重量并且会受到地面或工作面的摩擦力。在这种情况下可以调整作业设备上所连接的绳索的长度使其保持松弛状态(即保持绳索的拉力小于特定阈值)，并参照现有的车辆自动循迹算法和自动驾驶算法，控制作业设备按照规划好的航迹运动(此时航迹与地面的距离为0)。
[0094]
在作业设备悬空地运动时进行航迹跟踪的情况下，控制方法的流程可如图30所示包括s1、s2和s3三个基本步骤，图31示出了根据该控制方法一个实施例的更详细的控制说明图。
[0095]
在步骤s1中，根据作业设备的规划航迹以及当前的实测位置、实测速度和实测加速度(可分别利用安装在作业设备上的定位装置、速度传感器和加速度传感器来感测)利用航迹跟踪算法(下文详述)求出作业设备在运动过程中当前的目标加速度。
[0096]
图32示意性地示出了作业设备的规划航迹的一个示例，其生成了根据作业需求而期望作业设备依次经过的轨迹上的一些离散的位置点，每个位置点都可包含该点的空间位置信息、到达该点的时间信息、该点的速度信息和加速度信息。例如，图32中的(t0,p0)表示作业设备在t0时刻经过p0点，同理(tn,pn)表示作业设备在tn时刻经过pn点，n为非负整数。在t0时刻作业设备没有启动，因此作业设备在t0时刻的移动速度v0等于0且加速度a0等于0，作业设备在tn(n≥1)时刻的移动速度为vn＝(p
n-p
n-1
)/(t
n-t
n-1
)且加速度为an＝(v
n-v
n-1
)/(t
n-t
n-1
)。
[0097]
图33示出了一种示例性的航迹跟踪算法的流程说明图，其可包括如下步骤：
[0098]
t1.根据规划航迹获取作业设备的当前的理论位置、理论速度和理论加速度。例如，可从实时时钟读取当前时间t
x
，然后根据t
x
从规划航迹中计算出对应的p
x
点，并由此获得当前的(亦即在当前时间t
x
、在p
x
点的)理论位置p
x
、理论速度v
x
和理论加速度a
x
。在一个实施例中，可利用插值法来计算作业设备的当前的理论位置p
x
、理论速度v
x
和理论加速度a
x
。具体而言，假设当前时间t
x
的范围为tm≤t
x
≤t
m+1
(m为非负整数)，则作业设备在t
x
时刻的理论位置为p
x
＝pm+(t
x-tm)
×
(p
m+1-pm)，理论速度为v
x
＝vm+(t
x-tm)
×
(v
m+1-vm)，理论加速度为a
x
＝am+(t
x-tm)
×
(a
m+1-am)，上述tm、t
m+1
、pm、p
m+1
、vm、v
m+1
、am、a
m+1
为规划航迹产生的离散点上的时间信息、位置信息、速度信息和加速度信息。上面以线性插值为例说明了插值法，但本领域技术人员容易理解，也可以利用相邻离散点求平均值、二次方插值、立方插值、数据拟合等方法来实施插值法。另外，插值法只是根据规划航迹获取作业设备的当前的理论位置、理论速度和理论加速度的一个示例，具有计算简便快速的优点。如果规划航迹上存储了足够多且足够密集的离散位置点，理论上也可从规划航迹上按当前时间直接读取相应位置点的理论位置、理论速度和理论加速度。
[0099]
t2.根据在步骤t1中获取的理论位置和当前的实测位置计算位置矫正值。例如，可利用pid算法根据理论位置p
x
和当前的实测位置p
x_1
计算一个位置矫正值p
x
'。
[0100]
t3.根据在步骤t2中计算出的位置矫正值p
x
'和在步骤t1中获取的理论速度v
x
计算作业设备的当前的目标速度v
x
'。例如，计算公式可为v
x
′
＝p
x
′
·
λ
p
+v
x
，其中λ
p
是一个可调节的加权系数。这个步骤的目的是考虑到当前实测的位置与规划航迹中的理论位置存在偏差，所以对速度进行调整以减小该位置偏差。
[0101]
t4.根据在步骤t3中计算出的目标速度和当前的实测速度计算速度矫正值。例如，可利用pid算法根据目标速度v
x
'和当前的实测速度v
x_1
计算一个速度矫正值v
x”。
[0102]
t5.根据在步骤t4中计算出的速度矫正值v
x”和在步骤t1中获取的理论加速度a
x
计算作业设备的当前的中间目标加速度a
x
'。例如，计算公式可为a
x
′
＝v
x
″
·
λv+a
x
，其中λv是一个可调节的加权系数。这个步骤的目的是考虑到当前实测的速度与规划航迹中的理论速度存在偏差，所以对加速度进行调整以减小该速度偏差。
[0103]
t6.根据在步骤t5中计算出的中间目标加速度和当前的实测加速度计算加速度矫正值。例如，可利用pid算法根据中间目标加速度a
x
'和当前的实测加速度a
x_1
计算一个加速度矫正值a
x”。
[0104]
t7.根据在步骤t6中计算出的加速度矫正值a
x”和在步骤t1中获取的理论加速度a
x
计算作业设备的当前的目标加速度a
x”'。例如，计算公式可为a
x
″′
＝a
x
″
·
λa+a
x
，其中λa是一个可调节的加权系数。这个步骤的目的是考虑到当前实测的加速度与规划航迹中的理论加速度存在偏差，所以直接对加速度再做进一步调整以减小该加速度偏差。
[0105]
经过上述步骤t1至t7，便根据作业设备的规划航迹以及当前的实测位置、实测速度和实测加速度计算出了作业设备在运动过程中当前时刻的目标加速度，亦即完成了图30中的步骤s1。应指出，包括了上述步骤t1至t7的航迹跟踪算法仅仅是示例性的，本发明不限于此，而是可采用任何能够根据规划航迹求解运动过程中的目标加速度的航迹跟踪算法(如无人机的航迹跟踪算法)。
[0106]
回到图30，在步骤s2中，根据在步骤s1中求出的作业设备的当前的目标加速度以及作业设备上连接的绳索的方位角和俯仰角(可利用相应的角度传感器测得)计算绳索的目标拉力。这可分成以下几种情况进行说明。
[0107]
(1)作业设备上连接有两条绳索以使其悬空运动
[0108]
由两条绳索悬空的作业设备在这两条绳索形成的竖直平面内移动，亦即作业设备沿着在地面或工作面上投影为一条直线的轨迹移动。参照图34所示，这种情况下可通过求解下列方程来计算两条绳索的目标拉力f1和f2：
[0109][0110]
其中，α和β分别是f1和f2与竖直方向的夹角(可由相应的俯仰角传感器测得/求取)，a1和a2分别是作业设备的在上述步骤s1中求出的当前的目标加速度在竖直方向和水平方向上的分量，g和m分别是作业设备的重力和质量。
[0111]
(2)作业设备上连接有三条绳索以使其悬空运动
[0112]
参照图35所示，在这种情况下可通过求解下列方程来计算三条绳索的目标拉力f1、f2和f3：
[0113][0114]
其中，α1、α2、α3分别是f1、f2和f3与竖直方向的夹角(可由相应的俯仰角传感器测得/求取)，a1和a2分别是作业设备在上述步骤s1中求出的当前的目标加速度在竖直方向和水平方向上的分量，β1、β2、β3分别是f1、f2和f3在水平面内的投影f1’
、f2’
和f3’
与a2的夹角(可由相应的方位角传感器测得/求取)，g和m分别是作业设备的重力和质量。
[0115]
(3)作业设备上连接有n条绳索以使其悬空运动(n≥4)
[0116]
在这种情况下可通过求解下列方程来计算n条绳索的目标拉力f1、f2、
…
、fn：
[0117][0118]
其中，α1、α2、
…
、αn分别是f1、f2、
…
、fn与竖直方向的夹角(可由相应的俯仰角传感器测得/求取)，a1和a2分别是作业设备在上述步骤s1中求出的当前的目标加速度在竖直方向和水平方向上的分量，β1、β2、
…
、βn分别是f1、f2、
…
、fn在水平面内的投影与a2的夹角(可
由相应的方位角传感器测得/求取)，g和m分别是作业设备的重力和质量。
[0119]
上述方程中只有f1、f2、
…
、fn是未知量，由于方程的数量等于3，而未知量的数量》3,所以上述方程有无数的解。
[0120]
鉴于此，可例如结合线性规划的思路，列出约束条件如下：
[0121]
f1≥0,f2≥0,
…
,fn≥0,
[0122]
目标函数如下(其中λ1和λ2为加权系数，λ1和λ2都大于等于零，其数值可以根据系统进行优化，也可以取典型值为1；f
_1
、f
_2
、
…
、f
_n
分别是n条绳索各自的实测拉力值)：
[0123]
y1＝f1+f2+
···
+fn[0124]
y2＝(f
1-f
_1
)2+(f
2-f
_2
)2+
···
+(f
n-f
_n
)2[0125]
y3＝λ1·
y1+λ2·
y2[0126]
然后，求min(y3)时的f1、f2、
…
、fn的解作为上述方程的解。
[0127]
应指出，在上述各种情况下，各绳索的俯仰角和方位角可直接利用相应的角度传感器测得/求取。然而，由于绳索安装平台自身可能具有一定的倾角和方位角，故而为了使计算结果更为精确，可在角度传感器的测量值的基础上再叠加绳索安装平台的倾角和方位角后作为各绳索的俯仰角和方位角。
[0128]
在根据上述步骤s2计算出了作业设备上连接的各条绳索的目标拉力之后，执行图30中的步骤s3：控制各条绳索的绳索收放装置收放对应的绳索以使得绳索的拉力达到在步骤s2中求得的目标拉力。如图31所示，更具体地，步骤s3可包括例如基于pid算法控制相应绳索的收放以使得绳索的实测拉力趋近于其在步骤s2中计算出的目标拉力。
[0129]
通过上述步骤s1至s3，实现了在作业设备悬空地运动时的航迹跟踪，从而能够控制作业设备按照规划航迹运动并进行相应的作业。
[0130]
应指出的是，在作业设备悬空地运动时，除了上面参照图30和31所述的控制方法外，也可以使用现有的柔索驱动并联机器人的控制技术来控制作业设备沿规划航迹的运动。
[0131]
上述的农林作业系统的控制方法可编程为相应的计算机程序由系统中的或远程的处理器来执行。相应地，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序包括可执行指令，该可执行指令被例如处理器执行时可以实现上述任一实施例中的控制方法的步骤。在一些可能的实施方式中，本发明的各个方面还可以实现为一种程序产品的形式，其包括程序代码，当所述程序产品在终端设备上运行时，所述程序代码用于使所述终端设备执行根据本发明的控制方法的各种示例性实施例的步骤。
[0132]
根据本发明实施例的用于实现上述方法的程序产品可以采用便携式紧凑盘只读存储器(cd-rom)并包括程序代码，并可以在终端设备(例如电脑、手机等)上运行。然而，本发明的程序产品不限于此，在本文中，可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
[0133]
所述程序产品可以采用一个或多个可读介质的任意组合。可读介质可以是可读信号介质或者可读存储介质。可读存储介质例如可以为但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑盘只读存储器
(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
[0134]
所述计算机可读存储介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了可读程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。可读存储介质还可以是可读存储介质以外的任何可读介质，该可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。可读存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
[0135]
可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本技术操作的程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、c++等，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算设备上部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网(lan)或广域网(wan)，连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
[0136]
本发明还提供了一种电子设备，该电子设备可以包括处理器，以及用于存储所述处理器的可执行指令的存储器。其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行上述任一实施例中的控制方法的各个步骤。
[0137]
所属技术领域的技术人员能够理解，本发明的各个方面可以实现为系统、方法或程序产品。因此，本发明的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。
[0138]
下面参照图36来描述根据本发明的这种实施方式的电子设备500。图36显示的电子设备500仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
[0139]
如图36所示，电子设备500可以以通用计算设备(如作业设备上搭载的高性能计算机)的形式表现。电子设备500的组件可以包括但不限于：至少一个处理单元或处理器410、至少一个存储单元或存储器420、连接不同系统组件(包括存储器420和处理器410)的总线(未示出)等。
[0140]
其中，存储器420存储有程序代码，所述程序代码可以被处理器410执行，使得处理器410执行根据本发明的人机交互方法的各种示例性实施方式的步骤。例如，处理器410可以执行如图30所示的各个步骤。
[0141]
存储器420可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元(ram)和/或高速缓存存储单元，还可以进一步包括只读存储单元(rom)。存储器420还可以包括具有一组(至少一个)程序模块的程序/实用工具，这样的程序模块包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
[0142]
电子设备500可以与一个或多个外部设备600(如云端服务器、作业设备内外的各种传感器、机载设备等)通信。这种通信可通过电子设备500上所配备的各种通信接口430(如移动网络端口、wifi端口、can端口或以太网端口等)进行。
[0143]
应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备500使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、raid系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
[0144]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员易于理解，这里描述的示例实施方式可以通过软件实现，也可以通过软件结合必要的硬件的方式来实现。因此，根据本发明实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd-rom，u盘，移动硬盘等)中或网络上，包括若干指令以使得一台计算设备(可以是作业设备搭载的计算机、服务器、或者网络设备等)执行根据本发明实施例的控制方法。
[0145]
除了通过编程好的计算机程序或指令来进行农林作业系统的上述控制之外，本发明中的作业设备的移动还可以由人工手动地进行控制。例如，可直接由坐在作业设备的驾驶舱中的操作者通过方向盘、操纵杆、踏板等方式控制作业设备的移动方向、移动速度、移动加速度等，也可以由操作者通过远程设备(如手机、平板等便携移动终端或者电脑)来手动控制作业设备的移动方向、移动速度、移动加速度等。
[0146]
应当指出，上面说明的实施例仅应被视为示例性的，本发明不限于这些实施例。通过考虑本说明书的内容，本领域技术人员可在不偏离本发明的范围或精神的情况下做出多种改变和变型。本发明的真正范围由所附权利要求以及等同方案限定。

技术特征：
1.一种农林作业系统，包括：用于执行作业任务的作业设备；和为所述作业设备配设的一个或多个支架，每个支架均配置有绳索收放装置，其中从每个绳索收放装置引出的绳索连接到所述作业设备并且构造成能够在对应支架的支撑下收放以对所述作业设备施加拉力。2.根据权利要求1所述的农林作业系统，其特征在于，还包括用于向所述作业设备供给物料、电力和信号中的至少一种的柔性供给管线，所述柔性供给管线伴随着至少一条绳索的至少一部分延伸。3.根据权利要求2所述的农林作业系统，其特征在于，所述绳索收放装置包括用于卷绕或退绕绳索的绕绳机构。4.根据权利要求3所述的农林作业系统，其特征在于，所述绳索收放装置还包括安装在对应支架上的曳引轮，所述曳引轮构造成与在所述绕绳机构和所述作业设备之间延伸的绳索接合以驱动绳索收放。5.根据权利要求3或4所述的农林作业系统，其特征在于，还包括多个硬质套环，所述多个硬质套环通过所述绳索顺次连接以形成沿所述绳索的纵向延伸的空腔，所述柔性供给管线接纳在所述空腔中。6.根据权利要求4所述的农林作业系统，其特征在于，还包括与所述绳索的至少一部分并行延伸且连接的柔性套管，所述柔性供给管线接纳在所述柔性套管的内腔中。7.根据权利要求3或4所述的农林作业系统，其特征在于，还包括沿所述绳索的纵向可滑动地装配在所述绳索上的多个管线安装件，每个管线安装件包括弹性地偏置为呈与所述绳索垂直的取向的管线固定器，所述柔性供给管线具有分别固定在所述作业设备和所述支架上的第一和第二固定点，所述柔性供给管线在所述第一和第二固定点之间的部分呈螺旋状地在多个部位处固定在多个管线固定器中。8.根据权利要求7所述的农林作业系统，其特征在于，所述多个管线安装件中的至少一部分管线安装件构造成在所述绳索上的位置主动可调。9.根据权利要求1至8中任一项所述的农林作业系统，其特征在于，还包括支架稳定结构，所述支架稳定结构包括一端连接在地面或固定物上且另一端连接在所述支架上的多根拉绳和/或多根撑杆，各拉绳的拉力可调和/或各撑杆的拉力或推力可调，以根据所述支架的受力而使所述支架稳定。10.根据权利要求1至9中任一项所述的农林作业系统，其特征在于，至少一个支架被构造成高度可调，并且/或者，至少一个支架被构造成可移行的。11.根据权利要求1至10中任一项所述的农林作业系统，其特征在于，所述作业设备具有使得其能在地面或工作面上移行的行走装置。12.根据权利要求1至11中任一项所述的农林作业系统，其特征在于，所述绳索收放装置在对应支架上安装成能够绕该支架的支撑轴线转动或者绕所述绳索收放装置自身的安装轴线转动，以适配对应绳索的方位角。13.根据权利要求1至12中任一项所述的农林作业系统，其特征在于，
包括多个作业设备，其中至少两个作业设备共用一个或多个支架。14.根据权利要求1至13中任一项所述的农林作业系统，其特征在于，还包括将所述绳索连接到所述作业设备的设备连接机构，所述设备连接机构包括与所述绳索直接连接的绳索固连平台，以及连接在所述绳索固连平台和所述作业设备之间以调整所述作业设备相对于所述绳索固连平台的位置和/或姿态的设备调整机构。15.根据权利要求1至14中任一项所述的农林作业系统，其特征在于，还包括以下至少一者：安装在所述作业设备和/或支架上的图像获取装置；安装在所述作业设备上以平衡所述作业设备所受的风力和/或对农林作物进行通风和/或便于农药扩散的至少一个风机设备；用于测量所述作业设备的周围环境的三维信息的三维感知设备；用于测量或标定所述作业设备和/或支架的水平旋转角度的电子罗盘；用于测量环境风速的风速传感器。16.根据权利要求1至15中任一项所述的农林作业系统，其特征在于，还包括：测量所述作业设备和/或支架的位置的定位装置；测量连接在所述作业设备上的各绳索的拉力的拉力传感器；测量各绳索的方位角和俯仰角的角度传感器；测量所述作业设备的移动速度的速度传感器；测量所述作业设备的加速度的加速度传感器。17.根据权利要求1至16中任一项所述的农林作业系统的控制方法，包括以下步骤：根据所述作业设备的规划航迹以及当前的实测位置、实测速度和实测加速度计算所述作业设备的当前的目标加速度；根据所述作业设备的当前的目标加速度以及所述作业设备上连接的绳索的方位角和俯仰角计算所述绳索的目标拉力；以及控制所述绳索的对应绳索收放装置收放所述绳索以使得所述绳索的拉力达到所述目标拉力。18.根据权利要求17所述的控制方法，其特征在于，根据所述作业设备的规划航迹以及当前的实测位置、实测速度和实测加速度计算所述作业设备的当前的目标加速度包括：根据所述规划航迹获取所述作业设备的当前的理论位置、理论速度和理论加速度；根据所述理论位置和所述实测位置用pid算法计算位置矫正值；根据所述位置矫正值和所述理论速度计算所述作业设备的当前的目标速度；根据所述目标速度和所述实测速度用pid算法计算速度矫正值；根据所述速度矫正值和所述理论加速度计算所述作业设备的当前的中间目标加速度；根据所述中间目标加速度和所述实测加速度用pid算法计算加速度矫正值；以及根据所述加速度矫正值和所述理论加速度计算所述作业设备的当前的目标加速度。19.根据权利要求18所述的控制方法，其特征在于，根据所述规划航迹获取所述作业设备的当前的理论位置、理论速度和理论加速度包括利用插值法计算所述作业设备的当前的理论位置、理论速度和理论加速度。20.根据权利要求17至19中任一项所述的控制方法，其特征在于，根据所述作业设备的当前的目标加速度以及所述作业设备上连接的绳索的方位角和俯仰角计算所述绳索的目标拉力包括：在所述作业设备上连接有两条绳索的情况下，通过求解下列方程来计算所述两条绳索
的目标拉力f1和f2：其中，α和β分别是f1和f2与竖直方向的夹角，a1和a2分别是所述作业设备的当前的目标加速度在竖直方向和水平方向上的分量，g和m分别是所述作业设备的重力和质量；在所述作业设备上连接有三条绳索的情况下，通过求解下列方程来计算所述三条绳索的目标拉力f1、f2和f3：其中，α1、α2、α3分别是f1、f2和f3与竖直方向的夹角，a1和a2分别是所述作业设备的当前的目标加速度在竖直方向和水平方向上的分量，β1、β2、β3分别是f1、f2和f3在水平面内的投影与a2的夹角，g和m分别是所述作业设备的重力和质量；在所述作业设备上连接有n条绳索的情况下，其中n≥4，通过求解下列方程来计算所述n条绳索的目标拉力f1、f2、
…
、f
n
：其中，α1、α2、
…
、α
n
分别是f1、f2、
…
、f
n
与竖直方向的夹角，a1和a2分别是所述作业设备的当前的目标加速度在竖直方向和水平方向上的分量，β1、β2、
…
、β
n
分别是f1、f2、
…
、f
n
在水平面内的投影与a2的夹角，g和m分别是所述作业设备的重力和质量。21.根据权利要求17至20中任一项所述的控制方法，其特征在于，控制所述绳索的对应绳索收放装置收放所述绳索以使得所述绳索的拉力达到所述目标拉力包括基于pid算法控制所述绳索的收放以使得所述绳索的实测拉力趋近于计算出的所述绳索的目标拉力。22.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序包括可执行指令，当该可执行指令被处理器执行时，实施根据权利要求17至21中任一项所述的控制方法。23.一种电子设备，其包括：处理器；和存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；其中，所述处理器被配置为执行所述可执行指令以实施根据权利要求17至21中任一项所述的控制方法。

技术总结
本发明涉及一种农林作业系统及其控制方法。所述农林作业系统包括：用于执行作业任务的作业设备；和为所述作业设备配设的一个或多个支架，每个支架均配置有绳索收放装置，其中从每个绳索收放装置引出的绳索连接到所述作业设备并且构造成能够在对应支架的支撑下收放以对所述作业设备施加拉力。放以对所述作业设备施加拉力。放以对所述作业设备施加拉力。


技术研发人员：梁小龙
受保护的技术使用者：权妙扣
技术研发日：2022.10.27
技术公布日：2023/9/22