本发明涉及苗木修剪技术领域，具体是基于三维定位的规则形状苗木自动修剪技术，运用三维定位的方法自动修剪出规则形状的苗木，提高苗木修剪的智能化水平。
背景技术：
在绿化景观工程中，对苗木进行正确的修剪和整形工作是一项很重要的养护管理技术。在园林绿化养护管理中对苗木进行适当、合理的修剪，不仅可以让苗木得到更好的生长，同时也能调节树势、创造和保持合理的树冠结构，形成优美的树姿，从而提高苗木的观赏性能，起到美化环境的作用,由此可以看出苗木的修剪很重要。
目前，苗木修剪装置大部分还是手持式的机械装置，例如中国专利公开号为cn107667700a提出的一种高效苗圃修剪装置，解决了现有设备修剪效率低的问题，但是其自动化程度低，还是需要大量人力操作。中国专利公开号为cn110301246a公布的一种行道树智能修剪设备，能够自动修剪行道树，而且通过放置槽可将修剪下来的树叶收集起来，能够方便人们清理修剪下来的树叶，降低了人工成本，但是在修剪过程中，采用单一弧形修剪结构，只能对行道树进行修剪，对于其他品种苗木则不能使用，而且不能根据苗木实际的形状大小进行修剪。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提出了一种基于三维定位的规则形状苗木自动修剪装置与方法，根据单个苗木实际的形状进行任意规则形状修剪，提高苗木修剪的智能化水平。
本发明所述的基于三维定位的规则形状苗木自动修剪装置采用的技术方案是：最下方是智能小车，智能小车包括小车承载板和电动轮，小车承载板布置在电动轮上方，电动轮通过控制线连接微处理器，微处理器通过wifi模块与上位机关联，小车承载板上表面的后方固定连接机械臂固定件，机械臂固定件的上表面固定连接一号步进电机的壳体，一号步进电机输出轴是垂直向上的一号步进电机丝杆，一号步进电机丝杆上啮合水平布置的滚珠滑台，滚珠滑台的前上方固定连接一号伸缩电机的壳体，一号伸缩电机的输出轴是前后水平的一号伸缩电机推杆，一号伸缩电机推杆的前端固定连接二号伸缩电机的壳体，二号伸缩电机的输出轴是左右水平的二号伸缩电机推杆，二号伸缩电机推杆的最左端固定连接一号舵机的本体，一号舵机的输出轴是水平向左伸出的一号舵机齿轮轴，一号舵机齿轮轴的最左端连接前后水平的二号舵机本体，二号舵机的转轴为水平向后伸出的二号舵机齿轮轴，二号舵机齿轮轴的最后端连接电动马达的本体，电动马达的转轴为垂直向下伸出的电动马达转轴，电动马达转轴的最下端同轴固定套装锯齿；一号舵机本体的上方固定设有二号步进电机，二号步进电机的转轴垂直朝上且固定连接二号摄像机，小车承载板上表面的前方设置一号摄像机，一号摄像机的镜头正对前方路面，一号摄像机和二号摄像机分别经信号线连接微处理器；微处理器通过控制线分别连接一号步进电机、二号步进电机、一号伸缩电机、二号伸缩电机，一号舵机、二号舵机和电动马达。
所述的基于三维定位的规则形状苗木自动修剪装置的自动修剪方法采用的技术方案是包括以下步骤：
步骤1)：微处理器控制电动轮向前行驶，控制一号伸缩电机、二号伸缩电机伸长，根据苗木的平均高度控制一号步进电机旋转，使二号摄像机完整地采集到路边苗木的主视图并传输至微处理器；
步骤2)：微处理器控制一号伸缩电机伸长，当二号摄像机采集的图像表明其位于两株苗木中间时，微处理器控制一号伸缩电机停止伸长且控制二号伸缩电机向左伸长，控制二号步进电机旋转90使二号摄像机镜头正对着苗木侧面以采集苗木侧视图并传输给微处理器，微处理器将苗木主视图和侧视图通过wifi模块发送给上位机；
步骤3)：微处理器控制一号步进电机工作使滚珠滑台向下移动到最底部，控制一号伸缩电机、二号伸缩电机收缩使一号伸缩电机推杆、二号伸缩电机推杆至最短处，以此时锯齿的圆心为原点建立三维坐标系xyz，x轴前后方向水平，y轴左右方向水平，z轴垂直于地面；
步骤4)：上位机根据苗木的主视图和侧视图拟合出各自的中心点，由主视图的中心点和侧视图的中心点映射出苗木中心点；
步骤5)：上位机以所述的苗木中心点为原点建立三维坐标系x1y1z1，建立任意规则形状苗木修剪模型，得到规则形状苗木修剪模型表面点坐标；
步骤6)：上位机将所述的规则形状苗木修剪模型表面点坐标同步到三维坐标系xyz中，将规则形状苗木修剪模型表面点与坐标系原点相连形成一条直线，垂直于该直线且与修剪模型表面点重合的面即为苗木修剪切面，根据苗木修剪切面与地面形成的夹角计算出修剪角度；
步骤7)：上位机将修剪模型表面点坐标和修剪角度发送至微处理器，微处理器控制一号步进电机、一号伸缩电机、二号伸缩电机、一号舵机和二号舵机工作，使锯齿与所述的苗木修剪切面重合，依次修剪。
本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：
1、本发明采用上位机和微处理器相结合的方法，其中在上位机运用三维定位的方法确定苗木的中心位置以及需要修剪的位置坐标，微处理器控制机械臂用扫描式的修剪方法对苗木进行修剪。通过采集到的苗木的主视图与侧视图，拟合出苗木的中心位置，以中心位置建立三维坐标系，根据用户选择的苗木参数，上位机自动生成苗木修剪模型，并自动生成修剪的坐标位置，微处理器控制机械臂上的锯齿根据坐标进行切割，这种方法省去了人工定中心位置，修剪精度高。
2、本发明提出的一种全新扫描式修剪方法，根据相交形成的参考点选取与模型相切的面，然后扫描这些切面并让锯齿与这些面重合，这种扫描式修剪方法不仅能保证全方位无死角的覆盖整个苗木，而且提高了修剪的连续性和精度，打造出精致苗木形状。
3、本发明能够让用户自己选择参数建立苗木三维立体图像，可以根据不同的苗木品种选择不同的修剪形状而不会产生单一效果，不仅能实现根据单个苗木实际的形状进行任意规则形状修剪，而且解决了在实际修剪过程中关于苗木中心定位、需要修剪的位置坐标以及修剪方法等关键问题，用五个自由度的机械臂让锯齿到达待修剪苗木的任意位置和任意角度，高度自动化。
附图说明
图1是本发明所述的基于三维定位的规则形状苗木自动修剪装置的结构示意图；
图2是图1所示装置的规则形状苗木自动修剪方法流程图；
图3是苗木中心三维定位示意图；
图4是苗木主视图中心定位示意图；
图5是球形苗木坐标建立和修剪模型示意图；
图6是矩形苗木坐标建立和修剪模型示意图；
图7是扫描式自动修剪球形苗木示意图。
附图中各部件的序号和名称：1、一号摄像机，2、小车承载板，3、电动轮，4、微处理器，5、机械臂固定件，6、一号步进电机，7、一号步进电机丝杆，8、滚珠滑台，9、滑台导轨，10、一号伸缩电机，11、一号伸缩电机推杆，12、二号伸缩电机，13、二号伸缩电机推杆，14、二号摄像机，15、二号步进电机，16、一号舵机齿轮轴，17、锯齿，18、电动马达，19、二号舵机，20、wifi模块，21、上位机，22、一号舵机，23、二号舵机齿轮轴，24、电动马达转轴，25、苗木主视图，26、枝叶部分的图像，27、枝叶图像平分线，28、主视图坐标轴，29、三维坐标系，30、球形苗木修剪切面一，31、球形苗木修剪切面二，32、球形苗木，33、球形苗木修剪切面三，34、球形切点一，35、球形切点二，36、球形切点三。
具体实施方式
参见图1所示的本发明所述的基于三维定位的规则形状苗木自动修剪装置，以一号摄像机1所在位置为“前”，以机械臂固定件5所在位置为“后”；以二号摄像机14镜头正对的方位为“左”，其相反方向为“右”，以智能小车的电动轮3所在位置为“下”，二号摄像机14所在位置为“上”。
本发明所述的基于三维定位的规则形状苗木自动修剪装置的最下方是智能小车，智能小车的上方设有修剪机械臂。智能小车包括小车承载板2和电动轮3，小车承载板2是方形结构，水平布置在四个电动轮3的上方。电动轮3通过控制线连接微处理器4，微处理器4控制电动轮3工作，带动小车承载板2移动。
修剪机械臂包括机械臂固定件5、一号步进电机6、锯齿17、电动马达18、一号步进电机丝杆7、滚珠滑台8、一号伸缩电机10、一号伸缩电机推杆11、二号伸缩电机12、一号舵机22、二号舵机19等。其中，机械臂固定件5固定连接在小车承载板2上表面的后方，机械臂固定件5的上表面固定连接一号步进电机6的壳体，一号步进电机6垂直布置，其输出轴是垂直向上的一号步进电机丝杆7，一号步进电机丝杆7上啮合了滚珠滑台8，滚珠滑台8水平布置，滚珠滑台8的右侧是上下垂直的滑台导轨9，滑台导轨9下端固定连接于小车承载板2上。滑台导轨9的侧壁上设有凹槽，滚珠滑台8的侧壁上设有导轨，滑台导轨9通过其凹槽与滚珠滑台8上导轨相配合，滚珠滑台8能沿滑台导轨9竖直方向上下滑动。微处理器4安装在小车承载板2，通过控制线连接一号步进电机6，当微处理器4控制一号步进电机6逆时针或顺时针转动时，一号步进电机丝杆7带动滚珠滑台8运动，滚珠滑台8在滑台导轨9的限制下向上或向下移动。
滚珠滑台8的前上方固定连接一号伸缩电机10的壳体，一号伸缩电机10位于一号步进电机丝杆7的前方。一号伸缩电机10前后水平布置，其输出轴是一号伸缩电机推杆11，一号伸缩电机推杆11水平向前伸出。一号伸缩电机推杆11的前端固定连接二号伸缩电机12的壳体，二号伸缩电机12左右水平布置，其输出轴是二号伸缩电机推杆13，二号伸缩电机推杆13水平向左方向伸出。一号伸缩电机推杆11和二号伸缩电机推杆13的中心轴在同一高度，相互垂直并且在同一水平面上相交。二号伸缩电机推杆13的最左端固定连接一号舵机22的本体。微处理器4通过控制线分别连接一号伸缩电机10和二号伸缩电机12，控制一号伸缩电机推杆11伸长或者缩短，从而控制二号伸缩电机12前后水平移动。微处理器4控制二号伸缩电机推杆13伸长或者缩短，从而控制一号舵机22左右水平移动。
一号舵机22的输出轴水平向左伸出，为一号舵机齿轮轴16，一号舵机齿轮轴16的中心轴与二号伸缩电机推杆13的中心轴重合。一号舵机齿轮轴16的最左端连接二号舵机19本体。二号舵机19前后水平布置，二号舵机19的转轴为二号舵机齿轮轴23，二号舵机齿轮轴23水平向后伸出，二号舵机齿轮轴23与一号舵机齿轮轴16在同一高度且中心轴在同一水平面相互垂直相交。二号舵机齿轮轴23的最后端连接电动马达18的本体，电动马达18上下垂直布置。微处理器4通过控制线分别连接一号舵机22、二号舵机19和电动马达18，控制一号舵机22工作时，一号舵机齿轮轴16顺时针或逆时针旋转，带动二号舵机19向前或向后转动。二号舵机19工作时，二号舵机19顺时针或逆时针旋转二号舵机齿轮轴23，从而控制电动马达18本体向左或向右转动。
电动马达18的转轴为电动马达转轴24，电动马达转轴24垂直向下伸出，电动马达转轴24的中心轴与二号舵机齿轮轴23的中心轴相互垂直，且在同一垂直面上相交。电动马达转轴24的最下端同轴固定套装了一个锯齿17。微处理器4控制电动马达18工作时，带动电动马达转轴24快速旋转，从而带动锯齿17快速旋转，锯齿17外圈一周锋利的三角形齿在旋转过程中可以切割苗木。
为了能够采集到苗木的主视图和侧视图，在一号舵机22本体的上方固定安装了二号步进电机15，二号步进电机15的转轴垂直朝上，二号步进电机15的转轴的上方固定安装二号摄像机14，二号摄像机14镜头正对着左侧，左侧路边是苗木。微处理器4通过控制线连接二号步进电机15，控制二号步进电机15顺时针或逆时针旋转，从而控制二号摄像机14向前或向后转动。二号摄像机14通过信号线和控制线连接微处理器4，二号摄像机14采集苗木视图并传输给微处理器4。
小车承载板2上表面的前方设置一号摄像机1，一号摄像机1的镜头正对着前方路面，一号摄像机1用于实时检测路况信息并通过一号摄像机信号线传输给微处理器4，微处理器4对一号摄像机1采集到的图像进行特征提取，若提取到的特征显示有障碍物，则控制电动轮3自动绕行，否则正常行驶。
微处理器4内部微处理器4集成了wifi模块20，通过wifi模块20与上位机21关联，进行信息交互。微处理器4通过wifi模块20将采集到的苗木主视图和侧视图传输给上位机21。
需要说明的是，在未开始修剪苗木之前，为了使二号摄像机14在智能小车行驶过程中实时采集路边苗木图像，微处理器4控制一号伸缩电机10、二号伸缩电机12伸长一号伸缩电机推杆11、二号伸缩电机推杆13，并根据苗木的平均高度控制一号步进电机6旋转一号步进电机丝杆7使滚珠滑台8置于合适的位置，从而使二号摄像机14能够完整地采集到路边苗木的主视图。
再结合图2，所述的基于三维定位的规则形状苗木自动修剪装置进行自动修剪的方法具体如下：
步骤1：微处理器4控制电动轮3向前行驶，一号摄像机1实时采集路况信息并传输给微处理器4，微处理器4对一号摄像机1采集到的图像进行特征提取，若提取到的特征显示有障碍物，则微处理器4控制电动轮3使智能小车绕行，如此使智能小车根据路况自动导航。
步骤2：在智能小车行驶的同时，二号摄像机14实时采集路边苗木的主视图图像，并通过将苗木主视图图像传输至微处理器4，微处理器4实时对主视图图像进行处理，当图像显示是一株完整的苗木时，微处理器4保存苗木主视图图像并控制智能小车下方的电动轮3停止转动，同时一号摄像机1关闭。如果图像显示非完整苗木，则二号摄像机14继续采集路边苗木主视图图像。
步骤3：微处理器4控制二号摄像机14移动，使二号摄像机14采集苗木的侧视图，并通过二号摄像机信号线传输给微处理器4。具体步骤如下：
步骤3.1：保持滚珠滑台8位置不动，微处理器4控制一号伸缩电机10再向前伸长一号伸缩电机推杆11。
步骤3.2：二号摄像机14实时采集路边苗木图像并通过二号摄像机信号线传输给微处理器4，微处理器4实时对图像进行处理。
步骤3.3：当图像处理结果表明二号摄像机14镜头位于两株苗木中间时，微处理器4控制一号伸缩电机10停止伸长一号伸缩电机推杆11，并且控制二号伸缩电机12向左伸长二号伸缩电机推杆13。
步骤3.4：微处理器4控制二号步进电机15逆时针旋转90度，使二号摄像机14镜头旋转90度，正对着苗木侧面(二号摄像机14镜头在苗木前侧)，二号摄像机14实时采集苗木侧视图，并传输给微处理器4，微处理器4实时对图像进行处理。
步骤3.5：当图像显示是一株完整的苗木时，表示微处理器4采集到了苗木的侧视图，微处理器4控制二号伸缩电机12停止工作，二号伸缩电机推杆13停止伸长，保存苗木侧视图图像并通过wifi模块20将苗木主视图和侧视图一起发送给上位机21。
步骤4：微处理器4关闭二号摄像机14，微处理器4控制一号步进电机6顺时针旋转，使滚珠滑台8向下移动到一号步进电机丝杆7最底部，最底部的位置是预先设定好。控制一号伸缩电机10和二号伸缩电机12收缩使一号伸缩电机推杆11、二号伸缩电机推杆13至最短处，此时锯齿17的位置，就是锯齿17在修剪苗木过程中的起始位置。
步骤5：上位机21对苗木视图进行像素提取，根据苗木的主视图和侧视图的像素分布拟合出各自的中心点，由苗木的主视图的中心点、侧视图的中心点映射出苗木中心位置。具体步骤如下：
步骤5.1：以步骤4中锯齿17所在的起始位置建立三维坐标系29。参见图3所示，以锯齿17的圆心为原点o建立三维坐标系29，以过原点o且前后方向水平的直线为x轴，以过原点o且左右方向水平的直线为y轴，以过原点o且垂直于地面的直线为z轴，如此建立三维坐标系29，即三维坐标系xyz。
在三维坐标系29中，x轴和z轴所在平面上的f点为主视图中心点，该点对应x轴坐标为a；在y轴和z轴所在平面上的c点为侧视图中心点，该点对应y轴坐标为b；由于侧视图和主视图中的苗木等高，苗木高度坐标的二分之一对应z轴坐标为c，过苗木主视图中心点f作垂直于苗木主视图的直线，过苗木侧视图中心点c作垂直于苗木侧视图的直线，由于两点的z轴坐标相同都为c，则两直线必然相交于一点b，交点b即为苗木的中心点，其坐标为b(a,b,c)，如此便映射出苗木中心位置。
步骤5.2：参见图4，以苗木主视图为例求苗木视图的中心点坐标，具体如下：
步骤5.2.1：上位机21提取出图4所示的苗木主视图25，根据苗木主视图25的像素点位置区分出枝干部分以及有枝叶的枝叶部分图像26，虚线框内是枝叶部分图像26，虚线框下方是枝干图像。在三维坐标系29的第二象限28，取主视图的n条平行于x轴的直线，分别与枝叶部分图像26的两边轮廓线相交，n大于3。
步骤5.2.2：上位机21得出n条平行线与两边轮廓线交点坐标，从上至下分别为：第一条平行线与两边轮廓线交点坐标(xa1,z1)，(xb1,z1)，第二条平行线与两边轮廓线交点坐标(xa2,z2)，(xb2,z2)……第n条线平行与两边轮廓线交点坐标(xan-1,zn-1),(xbn-1,zn-1),(xan,zn)，(xbn,zn)。
步骤5.2.3：求得n条平行线与两边轮廓线交点的中点坐标分别为
步骤5.2.4：将枝叶图像平分线27上端点d和枝叶图像平分线27下端点e的z轴坐标分别代入枝叶图像平分线27的直线方程，则枝叶图像平分线27的上端点d的坐标为
步骤5.3：同理，根据苗木的侧视图求得苗木侧视图中心点c坐标为(b,c)，b为苗木中心点b的y轴坐标。由于主视图和侧视图中的苗木高度是一样的，
步骤6：用户选择规则苗木修剪形状并输入修剪参数，上位机21以步骤5确定好的苗木中心点b为原点建立新的三维坐标系x1y1z1，x1轴前后方向水平，y1轴左右方向水平，z1轴垂直于地面，自动建立任意规则形状苗木修剪模型，并输出规则形状苗木修剪模型表面点坐标。在上位机21建立规则形状苗木修剪模型并求表面点坐标方法如下：
步骤6.1：本发明用球形和矩形两个例子来进行阐述，参见图5的球形苗木修剪模型和图6的矩形苗木修剪模型。用户选择修剪形状为球形时，输入球形苗木半径r，上位机21以苗木中心点b为圆心，以r为半径建立球形苗木修剪模型。用户选择修剪形状为矩形时，再输入矩形苗木的长宽高，上位机21以苗木中心点b为原点自动生成图6的矩形苗木修剪模型。其中，上位机21确定球型苗木修剪模型表面点坐标具体步骤如下：
步骤6.1.1：上位机21以原点b为起点在x1轴、y1轴所在平面取均匀分布的i个向量(i为偶数)，记为向量u1……ui，则这些向量之间的角度为
步骤6.1.2：步骤6.1.1中的每一个向量与z1轴组成新的平面，上位机21在每一个新平面内，以原点为起点再取均匀分布的j个向量(j为偶数)，记为向量v1……vj，则在新的平面内这些向量之间的角度是
步骤6.1.3：球形苗木修剪模型与均匀分布的向量相交形成的点即为苗木修剪模型表面点，参见图5，以苗木修剪模型表面点m点为例，上位机21求向量与球体表面相交的点坐标(x,y,z)。过m点作垂直于x1、y1轴所在平面的垂线，交点记作n点，坐标为n(x1,y1,0)，连接坐标原点b与m点，记为线段bm，同时连接坐标原点b与n点，记为bn。取bm与z1轴的夹角为α，bn与y1轴的夹角为β，然后过m点作垂直于z1轴的垂线，过n点作垂直于x1、y1轴的垂线。
步骤6.1.4：根据向量bm与z轴之间的向量个数p，求得bm与z1轴的夹角
x＝rsinαsinβ，
y＝rsinαcosβ，
z＝rcosα。
步骤6.2：上位机21建立矩形苗木修剪模型并求出表面点坐标的方法如图6所示，根据步骤5得出的苗木中心点b建立三维坐标系x1,y1,z1，根据用户选择矩形苗木修剪模型的长宽高m,l,p，上位机21以原点b为中心自动生成矩形苗木修剪模型。设矩形模型的主视图的四个顶点为p、q、g、h，由于矩形苗木修剪模型的中心点为坐标原点，则根据矩形立体苗木模型的长宽高，得出p点坐标
步骤7：上位机21根据苗木中心点b在图3中的相对位置，将以苗木中心点b为原点建立的三维坐标系x1y1z1中规则形状苗木修剪模型表面点坐标自动同步到图3中的三维坐标系xyz中，实现坐标变换。坐标变换具体步骤如下：根据步骤5求得的苗木中心点在图3中的三维坐标系x,y,z中的坐标为b(a,b,c)，根据步骤6可在三维坐标系x1,y1,z1中求得的苗木修剪模型表面点坐标，假设为t(h,i,j)，则t点在三维坐标系x,y,z中的坐标为t’(a h,b i,c j)p’(a h,b i,c j)。比如苗木中心点在图3中的三维坐标系x,y,z中坐标为b(3,3,3),苗木修剪模型表面点在三维坐标系x1,y1,z1中的坐标为t(2,2,2)，则苗木修剪模型表面点p在三维坐标系x,y,z中坐标为t’(5,5,5)。
步骤8：将修剪模型表面点与坐标系原点相连形成一条直线，垂直于直线并且与修剪模型表面点重合的面，即为苗木修剪的切面，上位机21根据这些切面与地面形成的夹角，计算出修剪角度。
步骤9：上位机21将修剪模型表面点坐标坐标和修剪角度这些参数通过wifi模块20发送至微处理器4，微处理器4接收到上位机21发送的参数信息，微处理器4控制一号步进电机6、一号伸缩电机10、二号伸缩电机12、一号舵机22、二号舵机19工作，使锯齿17分别与所述的切面重合。具体是：微处理器4根据修剪模型表面点坐标解算出一号伸缩电机10和二号伸缩电机12需要伸长的距离和一号步进电机6需要旋转的角度，根据修剪角度解算出一号舵机22和二号舵机19需要旋转的角度使锯齿17能够与图7中各个修剪模型表面点对应的切面重合。
本发明提出一种扫描式修剪方法，以球形苗木为例子介绍，如图7所示，包括球形苗木修剪切面一30，球形苗木修剪切面二31，球形苗木32，球形苗木修剪切面三33，球形切点一34，球形切点二35，球形切点三36。图7中作为示例只画出了三个切面和三个切点，实际上，上位机21根据图5求得的每一个修剪坐标点都会形成对应的切面。修剪坐标点与坐标系原点相连形成一条直线，垂直于直线并且与修剪坐标点重合的面，即为苗木修剪的切面。图7中示例的三个点，球形切点一34为x1轴与球形苗木修剪模型相交的点，球形切点二35为z1轴与球形苗木修剪模型相交的点，球形切点三36为y1轴与球形苗木修剪模型相交的点。球形苗木修剪切面一30、球形苗木修剪切面二31和球形苗木修剪切面三33为球形切点对应的切面。实际修剪过程中，微处理器4通过控制一号伸缩电机10和二号伸缩电机12将锯齿17移动到坐标位置，然后控制一号舵机22和二号舵机19将锯齿17与苗木修剪模型的切面重合，总体流程是按照从左到右、从上到下、从前到后的顺序依次定点修剪。
步骤10：微处理器4用扫描式修剪方法进行苗木修剪，以图7为例，其余规则形状的苗木修剪方法雷同，具体步骤如下：
步骤10.1：由步骤4中的锯齿17的起始位置开始，微处理器4根据苗木修剪模型表面点坐标，即图7中的球形切点一34坐标(e,f,g))，先控制一号伸缩电机10在x轴方向伸长一号伸缩电机推杆11，长度为e，也就是让锯齿17向前方移动长度e。
步骤10.2：微处理器4控制二号伸缩电机12在y轴方向伸长二号伸缩电机推杆13，长度为f，也就是让锯齿17向右方移动长度f。
步骤10.3：微处理器4控制一号步进电机6逆时针旋转一号步进电机丝杆7，使滚珠滑台8在z轴方向向上移动g，从而控制锯齿17向上移动距离为g。
步骤10.4：由于球形切点一34所在切面为球形苗木修剪切面一30，垂直于地面且与二号伸缩电机推杆13轴心所在平面平行，则微处理器4控制二号舵机19不动，一号舵机22逆时针旋转一号舵机齿轮轴16，带动锯齿17所在平面向前旋转90度，从而使锯齿17与球形苗木修剪切面一30重合。
步骤10.5：同样地，根据每个修剪点对应的坐标和切面角度等参数信息，微处理器4按照上述的步骤控制装置进行苗木修剪，并且总体流程是按照从左到右、从上到下、从前到后的顺序依次定点修剪，只到苗木形成规则形状。结束后微处理器4复位整个装置，并控制智能小车继续行走修剪下个苗木。
由于在旋转锯齿17的过程中会产生坐标偏移，则需要微处理器4根据电动马达18和锯齿17的尺寸通过控制伸缩电机进行坐标修正，使锯齿17能够精确到达修剪位置。
1.一种基于三维定位的规则形状苗木自动修剪装置，最下方是包括额小车承载板(2)和电动轮(3)的智能小车，小车承载板(2)布置在电动轮(3)上方，电动轮(3)通过控制线连接微处理器(4)，微处理器(4)通过wifi模块(20)与上位机(21)关联，其特征是：小车承载板(2)上表面的后方固定连接机械臂固定件(5)，机械臂固定件(5)的上表面固定连接一号步进电机(6)的壳体，一号步进电机(6)输出轴是垂直向上的一号步进电机丝杆(7)，一号步进电机丝杆(7)上啮合水平布置的滚珠滑台(8)，滚珠滑台(8)的前上方固定连接一号伸缩电机(10)的壳体，一号伸缩电机(10)的输出轴是前后水平的一号伸缩电机推杆(11)，一号伸缩电机推杆(11)的前端固定连接二号伸缩电机(12)的壳体，二号伸缩电机(12)的输出轴是左右水平的二号伸缩电机推杆(13)，二号伸缩电机推杆(13)的最左端固定连接一号舵机(22)的本体，一号舵机(22)的输出轴是水平向左伸出的一号舵机齿轮轴(16)，一号舵机齿轮轴(16)的最左端连接前后水平的二号舵机(19)本体，二号舵机(19)的转轴为水平向后伸出的二号舵机齿轮轴(23)，二号舵机齿轮轴(23)的最后端连接电动马达(18)的本体，电动马达(18)的转轴为垂直向下伸出的电动马达转轴(24)，电动马达转轴(24)的最下端同轴固定套装锯齿(17)；一号舵机(22)本体的上方固定设有二号步进电机(15)，二号步进电机(15)的转轴垂直朝上且固定连接二号摄像机(14)，小车承载板(2)上表面的前方设置一号摄像机(1)，一号摄像机(1)的镜头正对前方路面，一号摄像机(1)和二号摄像机(14)分别经信号线连接微处理器(4)；微处理器(4)通过控制线分别连接一号步进电机(6)、二号步进电机(15)、一号伸缩电机(10)、二号伸缩电机(12)，一号舵机(22)、二号舵机(19)和电动马达(18)。
2.根据权利要求1所述的基于三维定位的规则形状苗木自动修剪装置，其特征是：一号伸缩电机推杆(11)、二号伸缩电机推杆(13)的中心轴在同一水平面上相互垂直相交，一号舵机齿轮轴(16)的中心轴与二号伸缩电机推杆(13)的中心轴重合，二号舵机齿轮轴(23)与一号舵机齿轮轴(16)的中心轴在同一水平面上相互垂直相交。
3.根据权利要求1所述的基于三维定位的规则形状苗木自动修剪装置，其特征是：滚珠滑台(8)的右侧是上下垂直的滑台导轨(9)，滑台导轨(9)下端固定连接于小车承载板(2)，滑台导轨(9)侧壁上设有凹槽，滚珠滑台(8)侧壁上设有与所述凹槽相配合的导轨。
4.一种如权利要求1所述的基于三维定位的规则形状苗木自动修剪装置的自动修剪方法，其特征是包括以下步骤：
步骤1)：微处理器(4)控制电动轮(3)向前行驶，控制一号伸缩电机(10)、二号伸缩电机(12)伸长，根据苗木的平均高度控制一号步进电机(6)旋转，使二号摄像机(14)完整地采集到路边苗木的主视图并传输至微处理器(4)；
步骤2)：微处理器(4)控制一号伸缩电机(10)伸长，当二号摄像机(14)采集的图像表明其位于两株苗木中间时，微处理器(4)控制一号伸缩电机(10)停止伸长且控制二号伸缩电机(12)向左伸长，控制二号步进电机(15)旋转90使二号摄像机(14)镜头正对着苗木侧面以采集苗木侧视图并传输给微处理器(4)，微处理器(4)将苗木主视图和侧视图通过wifi模块(20)发送给上位机(21)；
步骤3)：微处理器(4)控制一号步进电机6工作使滚珠滑台8向下移动到最底部，控制一号伸缩电机(10)、二号伸缩电机(12)收缩使一号伸缩电机推杆(11)、二号伸缩电机推杆(13)至最短处，以此时锯齿(17)的圆心为原点建立三维坐标系xyz，x轴前后方向水平，y轴左右方向水平，z轴垂直于地面；
步骤4)：上位机(21)根据苗木的主视图和侧视图拟合出各自的中心点，由主视图的中心点和侧视图的中心点映射出苗木中心点b；
步骤5)：上位机21以所述的苗木中心点b为原点建立三维坐标系x1y1z1，建立任意规则形状苗木修剪模型，得到规则形状苗木修剪模型表面点坐标；
步骤6)：上位机(21)将所述的规则形状苗木修剪模型表面点坐标同步到三维坐标系xyz中，将规则形状苗木修剪模型表面点与坐标系原点相连形成一条直线，垂直于该直线且与修剪模型表面点重合的面即为苗木修剪切面，根据苗木修剪切面与地面形成的夹角计算出修剪角度；
步骤7)：上位机(21)将修剪模型表面点坐标和修剪角度发送至微处理器(4)，微处理器(4)控制一号步进电机(6)、一号伸缩电机(10)、二号伸缩电机(12)、一号舵机(22)和二号舵机(19)工作，使锯齿(17)与所述的苗木修剪切面重合，依次修剪。
5.根据权利要求4所述的基于三维定位的规则形状苗木自动修剪装置的自动修剪方法，其特征是：步骤4)中，取主视图的n条平行于x轴的直线分别与枝叶部分图像的两边轮廓线相交，得出n条平行线与两边轮廓线交点坐标，求得n条平行线与两边轮廓线交点的中点坐标，将中点用最小二乘法拟合出枝叶图像平分线，得到枝叶图像平分线的上端点和下端点，求出上端点和下端点这两点的中点坐标就是苗木主视图中心点f坐标；同理，根据苗木侧视图求得苗木侧视图中心点c坐标。
6.根据权利要求4所述的基于三维定位的规则形状苗木自动修剪装置的自动修剪方法，其特征是：步骤7)中，微处理器(4)根据苗木修剪模型表面点坐标(e,f,g)，控制一号伸缩电机(10)在x轴方向伸长一号伸缩电机推杆(11)，长度为e，控制二号伸缩电机(12)在y轴方向伸长二号伸缩电机推杆(13)，长度为f，控制一号步进电机(6)旋转一号步进电机丝杆(7)，使滚珠滑台(8)在z轴方向向上移动g，从而控制锯齿(17)向上移动距离为g。
技术总结