CN101940090B - 带有导航定位处理系统田间机车循行行走的装置 - Google Patents

Abstract

一种田间作业的农机技术领域的带有导航定位处理系统田间机车循行行走的装置。包括上下导向系统、前后导向系统、悬挂系统、探杆、信号处理系统，前后导向系统固定在上下导向系统，悬挂系统上半部分套在前后导向系统上，与前后导向系统位于同一水平面，悬挂系统下端与探杆通过铰链连接，位于前后导向系统下前方，探杆设有两根，位于整体装置的底部，通过铰链与悬挂系统的承载杆下端连接，信号处理系统设置两角度位移传感器，两角度位移传感器分别安装在上下导向系统与悬挂系统连接的两铰链处。本发明成本低廉、过程简单、结构简单，通过一套探杆装置来获取偏航信号，实现田间机车的准确地循行行走，避免了田间机车循行行走中作物的损失。

Description

带有导航定位处理系统田间机车循行行走的装置

技术领域

本发明涉及一种田间作业的农机技术领域的装置，特别涉及的是一种带有导航定位处理系统田间机车循行行走的装置。

背景技术

田间作业时，为了尽量避免农机具行走过程中轧伤作物，要求农机具能沿着作物垄间行走。但由于作物发育中后期枝叶繁茂，使得驾驶人员很难观测到行间空档。因此采用自主导航技术，引导农机具循着作物行行走具有重要意义。较为成熟的导航方式主要有惯性导航、激光导航、磁导航、红外线导航、卫星导航等，这些导航方式能实现较高的定位精度。但这些自动导航技术多应用于工业汽车、自动导引小车、轨道航空等工业领域，对环境条件要求较高。农田作业时，由于田间环境变换剧烈，外界激励较大，上述常规导航方式难以满足要求。卫星导航可以在导航卫星引导下实现大范围的循迹行走，但需要预先获取预定行走的经纬度数值，这在实际生产中往往难以做到。

经对现有技术文献的检索发现，专利申请公开号：CN101660912A，名称：基于全方位视觉传感器的自动导航定位装置，通过定位于四个方向的有色标记和视觉传感器来实现定位导航。但该方法需要利用特征物体来抽取特征值，且定位计算过程复杂、运行时间长，实用性不太好。

检索中还发现，专利申请公开号：CN201392202，名称：农田作业机械行走状态监测装置，该技术自述：包括传感器、光电隔离电路、逻辑门电路、中央处理器、输出显示模块和输入控制模块，通过采用多传感器特定组合方式与逻辑运算，有效判断了机具实际行进状态，包括前进、后退、转向，从而实现了有效行程的精确计算。但是该技术仅仅只有实时监视和计算的功能，没有通过主动获得导航定位信息来指导行走的功能和结构。

发明内容

本发明针对以上技术中的不足，提供一种带有导航定位处理系统田间机车循行行走的装置，本发明成本低廉、过程简单、结构简单，通过一套探杆装置来获取偏航信号，实现田间机车的准确地循行行走，避免了田间机车循行行走中作物的损失。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：上下导向系统、前后导向系统、悬挂系统、探杆、信号处理系统，前后导向系统固定在上下导向系统，悬挂系统上半部分套在前后导向系统上，与前后导向系统位于同一水平面，悬挂系统下端与探杆通过铰链连接，位于前后导向系统下前方，探杆设有两根，位于整体装置的底部，通过铰链与悬挂系统的承载杆下端连接，信号处理系统设置两角度位移传感器，两角度位移传感器分别安装在平行四连杆机构中曲柄与导轨连接架连接的两铰链处；所述悬挂系统由上下两半部分组成：上半部分与前后导向系统位于同一水平面，上半部分包括一平行四连杆机构和一轮滑机构，平行四连杆机构由导轨连接架、两个曲柄、横架组成，轮滑机构由驱动电机、大绳轮、小绳轮和绳索组成；所述悬挂系统通过导轨连接架两端的导轨导板套在前后导向导轨上，导轨导板沿前后导向导轨移动，导轨连接架的横截面为“L”形，其短边上安装两曲柄，曲柄另一端与横架连接，导轨连接架中间3个通孔中安装有4组小绳轮，通过绳索与电机控制的固接在车体上的大绳轮连接，两曲柄上各固定一个探针，探针沿着与曲柄同轴线的带有对中弹簧的对中环滑动，对中环和对中弹簧固定在导轨连接架上，横架的横截面呈“L”型，其中一边与曲柄连接，另一边有一排安装孔；下半部分包括固定块、弹簧和承载杆，车体作业两侧各一组，位于平行四连杆机构下方，固定块固定在横架上，承载杆上端与固定块铰接，下端与探杆通过铰链连接，弹簧一端固定在固定块上，一端与承载杆相连，位于固定块内侧。

所述上下导向系统包括两组上下走向的导向导轨，导轨顶端与车体固接，车体左右两侧各一组导轨，每组导轨间均连接前后导向系统，前后导向导轨可以用螺钉固定在上下导轨不同高度位置。上下导向系统主要用于实现探杆上下移动。上下导向系统通过调整前后导向系统的高度位置可以控制悬挂系统的整体高度，通过控制悬挂系统高度可以调节探杆的上下位置；

所述前后导向系统包括前后导向导轨与导向轮，前后导向导轨与上下导向导轨通过位置可调的螺钉固接在一起，调节作业时探杆的高度。导向轮安装在前后导向导轨两侧的凹槽中，主要用于减小悬挂系统与前后导向系统之间的摩擦阻力。悬挂系统通过固定在车体上的轮滑机构可以沿前后导向导轨移动，调整其前后位置，其高度以小轮滑为基准。前后导向系统主要用于实现探杆前后移动。前后导向系统通过调整悬挂系统的前后位置可以控制探杆的前后伸缩情况，即调整作业探杆的前后位置；

所述探杆连接在悬挂系统承载杆上，位于承载杆下方；探杆有两根，分居作物行两侧，呈内侧凸弧形，主要用于直接反馈偏航角度信息。探杆位于装置底部，通过铰链与悬挂系统的承载杆下端连接，可以相对悬挂系统做小弧度上下摆动；

所述信号处理系统由角度位移传感器、光电隔离电路、D/A转换器、单片机组成，其中，传感器的输出端与光电隔离电路的输入端连接，光电隔离电路的输出端与D/A转换器的输入端连接，D/A转换器的输出端与单片机的输入端连接，两角度位移传感器分别安装在平行四连杆机构中曲柄与导轨连接架连接的两铰链处，主要用于主动采集偏角信息并对其进行分析处理。

本发明上下导向系统为上下走向，顶端与车体固接，主要用于调整探杆的高度位置；前后导向系统可以用螺钉固定在上下导向系统不同高度位置，主要用于调整探杆的前后位置；上下导向系统通过调整前后导向系统的高度位置可以控制悬挂系统的整体高度，通过控制悬挂系统高度可以调节探杆的上下位置；悬挂系统上半部分与前后导向系统位于同一水平面，并通过导轨导板套在前后导向系统上，可以沿前后导向系统移动，下半部分位于前后导向系统下前方，下端与探杆通过铰链连接，悬挂系统主要用于承载探杆并通过机构将偏航角度信息反馈到角度位移传感器；探杆有两根，分居作物行两侧，位于装置底部，通过铰链与悬挂系统的承载杆下端连接，主要用于直接反馈偏航角度信息；信号处理系统中两角度位移传感器分别安装在平行四连杆机构中曲柄与导轨连接架连接的两铰链处。

本发明作业前，根据作物的高度及作物行的宽度人工调整前后导向导轨安装位置和固定块安装位置，调节两根探杆的高度和宽度；开始作业时，单片机发送指令到驱动电机，驱动电机控制大绳轮旋转，缩短绳索长度，绳索通过小绳轮将悬挂系统向前拉动。悬挂系统通过导向轮沿前后导向导轨前移，探杆从车体下方伸出；行进时，车体方向与作物行方向对齐，探杆在对中环和对中弹簧的作用下几乎不产生偏转。当车体发生偏转后，某一侧探杆压向作物，受作物反作用力而相对悬挂系统产生一个偏角，使探杆与作物行对齐(车体与作物行不对齐)。该偏角会反馈到平行四连杆机构中，角度位移传感器测出该偏角并将数据传送至单片机系统，系统将根据该数据发送相应命令使车体偏转一个角度，使车体与作物行对齐行走。此时，探杆在对中装置的作用下回复原位，即车体与作物行重新对齐。如此循环往复，实现车体的靠行行走；作业结束后，单片机再次发送指令到驱动电机，驱动电机控制大绳轮反向旋转，绳索伸长，悬挂系统在重力作用下后移，探杆收回。

本发明装置创新性地使用探杆作为测量元件，并将机械结构与电子系统结合使用，解决了以往单纯靠电子系统采集信息，结构复杂、计算量庞大的问题，同时也实现了主动采集导航定位信息来指导循行行走的目的。所设计发明的上下导向系统和前后导向系统，可使探杆根据当前作业要求实现高度和前后位置的调整。所设计发明的悬挂系统可使探杆根据作物行的宽度要求来调整两探杆宽度，同时还可以将探杆的偏角信息及时反馈到角度位移传感器处。整个装置结构简单，成本低廉，对作业环境要求不高；整个操作过程简单，避免了复杂的计算，响应快；可以根据不同的作业情况(作物行宽度、高度变化)，灵活地调整作业状态；自动化水平较高。

附图说明

附图采用统一编号，

图1是本发明田间循行行走导航装置的机械结构图；

图2是绳轮与导轨连接架的绕线图；

图3是平行四连杆机构中曲柄、传感器与对中装置的安装图；

图4是上下导向导轨和前后导向导轨的整体布局图；

图5是本发明中信号处理系统的电路结构框图；

图中：1探杆、2承载杆、3弹簧、4横架、5导向轮、6前后导向导轨、7导轨导板和导轨连接架、8上下导向导轨、9对中环和对中弹簧、10角度位移传感器、11大绳轮、12小绳轮、13绳索、14电机、15固定块、16曲柄、17探针。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例包括上下导向系统、前后导向系统、悬挂系统、探杆、信号处理系统。上下导向系统包括两组上下导向导轨8，导轨顶端固定在车体上，用于作业前实现探杆1的高度调整。前后导向系统包括两个前后导向导轨6和导向轮5，前后导向导轨6固定在上下导向导轨8中，上下导向导轨8具有一系列位置可调的螺钉连接孔，相邻两组连接孔之间中心距为25mm，实现前后导向导轨6在高度上的不同位置固定。导向轮5安装在前后导向导轨6两侧的凹槽中，用于减小悬挂系统与前后导向系统之间的阻力。前后导向系统用于实现探杆的前后移动。悬挂系统包括承载杆2、弹簧3、横架4、导轨导板和导轨连接架7、对中环和对中弹簧9、角度位移传感器10、大绳轮11、小绳轮12、绳索13、电机14、固定块15、曲柄16。其中，承载杆2上端与固定块15铰接，下端与探杆1连接。弹簧3一端固定在固定块15上，一端与承载杆2相连，位于固定块15内侧，用于确保探杆靠近作物。导轨导板和导轨连接架7、两个曲柄16和横架4组成了一个平行四连杆机构，曲柄长度约为8cm，尽量减小倾覆力矩并反馈偏航角度信息。两个ck系列角度位移传感器10分别安装在平行四连杆机构中曲柄16与导轨导板和导轨连接架7连接的两铰链处，用于主动采集偏航角度信息。导轨导板和导轨连接架7中间三个通孔中安装有四组小绳轮12，通过绳索13与电机14控制的固接在车体上的大绳轮11连接，控制悬挂系统的前后移动，电机采用200w直流电机。横架4的横截面呈“L”型，其中一边有一排安装孔，安装孔长约70mm，相邻两孔间距离约为10mm，尽量实现固定块15的不同任意位置固定，用于作业前实现探杆1不同宽度的调整。探杆1有两根，位于装置底部，分居作物行两侧，呈内侧凸弧形，主要用于直接反馈偏航角度信息。探杆1通过铰链与悬挂系统的承载杆2下端连接，可以相对悬挂系统做小弧度上下摆动。信号处理系统由ck系列角度位移传感器10、光电隔离电路、D/A转换器、单片机组成，其中，角度位移传感器10的输出端与光电隔离电路的输入端连接，光电隔离电路的输出端与D/A转换器的输入端连接，D/A转换器的输出端与单片机的输入端连接，两角度位移传感器10分别安装在平行四连杆机构中曲柄16与导轨连接架7连接的两铰链处，主要用于主动采集偏角信息并对其进行分析处理。

如图2所示，大绳轮11与四组小绳轮12通过绕线形成一个轮滑机构，大绳轮11固定在车体上，其高度位置与小绳轮12基本持平。开始作业时，由信号处理系统发送一个命令到驱动电机14，控制大绳轮11的转动，缩短绳索13长度，绳索13通过小绳轮12将悬挂系统向前拉动。悬挂系统通过导轨导板和导轨连接架7沿前后导向导轨6前移，探杆1从车体下方伸出；作业结束后，由信号处理系统再发送一个命令到驱动电机14，控制大绳轮11反向转动，绳索13伸长，悬挂系统在重力作用下后移，探杆1收回。其调整过程为自动化操作。

如图3所示，角度位移传感器10固定在平行四连杆机构中曲柄16与导轨导板和导轨连接架7连接的两铰链处。两曲柄16上各固定一个探针17，探针17可以沿着与曲柄16同轴线的带有对中弹簧的对中环9滑动。对中环和对中弹簧9固定在导轨导板和导轨连接架7上，其上两根弹簧用于实现探杆位置对中并起阻尼作用。探杆1的偏角通过机构会反应到该铰链处，从而测得偏航角度信号。

本实施例结构简单，通过一套探杆装置来获取偏航信号，实现田间机车的准确地循行行走，避免了田间机车循行行走中作物的损失。如图4所示，前后导向导轨6定在上下导向导轨8上，通过不同位置的螺纹孔实现上下不同位置的固定，作业前调整其位置可以控制作业高度。悬挂系统通过导轨导板和导轨连接架7与前后导向导轨6连接，可以沿导向轮5实现悬挂系统的前后平移。实现平移的动力来自于图2所述的轮滑机构，作业时可以自动控制探杆1的前后位置。

如图5所示，在行进过程中，角度位移传感器10周期性检测偏航角度信息，产生脉冲信号。其脉冲信号通过光电隔离电路处理，再由D/A转换器将模拟信号转为数字信号后输入单片机，单片机将数据进行分析处理之后发送相应指令。

Claims (6)

1.一种带有导航定位处理系统田间机车循行行走的装置，其特征在于，包括上下导向系统、前后导向系统、悬挂系统、探杆、信号处理系统，前后导向系统固定在上下导向系统，悬挂系统上半部分套在前后导向系统上，与前后导向系统位于同一水平面，悬挂系统下端与探杆通过铰链连接，位于前后导向系统下前方，探杆设有两根，位于整体装置的底部，通过铰链与悬挂系统的承载杆下端连接，信号处理系统设置两角度位移传感器，两角度位移传感器分别安装在曲柄与导轨连接架连接的两铰链处；

所述悬挂系统由上下两半部分组成：

上半部分与前后导向系统位于同一水平面，上半部分包括一平行四连杆机构和一轮滑机构，平行四连杆机构由导轨连接架、两个曲柄、横架组成，轮滑机构由驱动电机、大绳轮、小绳轮和绳索组成；所述悬挂系统通过导轨连接架两端的导轨导板套在前后导向导轨上，导轨导板沿前后导向导轨移动，导轨连接架的横截面为“L”形，其短边上安装两曲柄，曲柄另一端与横架连接，导轨连接架中间3个通孔中安装有4组小绳轮，通过绳索与电机控制的固接在车体上的大绳轮连接，两曲柄上各固定一个探针，探针沿着与曲柄同轴线的带有对中弹簧的对中环滑动，对中环和对中弹簧固定在导轨连接架上，横架的横截面呈“L”型，其中一边与曲柄连接，另一边有一排安装孔；

下半部分包括固定块、弹簧和承载杆，车体作业两侧各一组，位于平行四连杆机构下方，固定块固定在横架上，承载杆上端与固定块铰接，下端与探杆通过铰链连接，弹簧一端固定在固定块上，一端与承载杆相连，位于固定块内侧。

2.根据权利要求1所述的带有导航定位处理系统田间机车循行行走的装置，其特征是，所述上下导向系统包括两组上下走向的导向导轨，导轨顶端与车体固接，车体左右两侧各一组导轨，每组导轨间均连接前后导向系统，前后导向导轨固定在上下导轨。

3.根据权利要求1所述的带有导航定位处理系统田间机车循行行走的装置，其特征是，所述前后导向系统包括前后导向导轨与导向轮，前后导向导轨与上下导向导轨固接在一起，导向轮安装在前后导向导轨两侧的凹槽中。

4.根据权利要求1所述的带有导航定位处理系统田间机车循行行走的装置，其特征是，所述探杆有两根，呈内侧凸弧形，探杆位于整体装置底部.

5.根据权利要求1所述的带有导航定位处理系统田间机车循行行走的装置，其特征是，所述的探杆连接在悬挂系统承载杆上，位于承载杆下方。

6.根据权利要求1所述的带有导航定位处理系统田间机车循行行走的装置，其特征是，所述信号处理系统由角度位移传感器、光电隔离电路、D/A转换器、单片机组成，其中，传感器的输出端与光电隔离电路的输入端连接，光电隔离电路的输出端与D/A转换器的输入端连接，D/A转换器的输出端与单片机的输入端连接，两角度位移传感器分别安装在平行四连杆机构中曲柄与导轨连接架连接的两铰链处。

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