CN102696571A

CN102696571A - 四轮驱动导航喷雾机器人系统

Info

Publication number: CN102696571A
Application number: CN2012102048186A
Authority: CN
Inventors: 张宾; 张东波; 薛子云; 贾继兴
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2012-06-20
Filing date: 2012-06-20
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-06-20
Also published as: CN102696571B

Abstract

本发明公开了属于农业自动化技术领域的一种四轮驱动导航喷雾机器人系统。系统主要由电磁传感器组、角度传感器、轮子、底板、喷雾装置和控制器组成。该系统采用四个直流电机分别对前轮和后轮共四个轮子进行相对独立的驱动。喷雾部分采用双侧喷雾机构的喷雾方式，应用喷杆摆动来调整喷头相对于作物的距离，喷雾控制电磁阀和喷雾泵的控制采用控制信号逐级放大的方式来避免后续电路对控制器的影响。能够自动完成喷雾作业，可以降低人工的劳动强度，保护劳动者的健康，降低农药的使用量，保护环境，维护农业生产的可持续发展。

Description

四轮驱动导航喷雾机器人系统

技术领域

本发明属于农业自动化技术领域，特别涉及一种四轮驱动导航喷雾机器人系统。

背景技术

农业生产中化学制剂的应用不仅对人体的危害很大，并且还会造成环境污染，影响土壤的结构，威胁农业生产的可持续发展。目前国际上解决农业化学制剂使用中的负面影响问题的方法有两种：一种是在药剂上进行创新，采用综合防治的方法或者研制新型的防控药剂（如植物学杀虫剂等）；另一种是在施药的手段上进行革新，利用现代化的科学技术装备喷雾器具，如采用智能传感器检测喷雾作业对象，采用精准变量喷雾装置实现精细化喷雾作业，从而在实现功效的基础上最大限度地降低药剂使用量。这两种方法相辅相成，为自动化“精细农业”生产提供了支持。

在施药手段上，自动化的喷雾作业是最好的解决方案，采用喷雾机器人技术进行精准喷雾作业对于减少药液的使用量、减少药液漂移、保护劳动者和消费者的健康、保护环境、实现可持续农业生产等有着重要的作用和意义。本发明提出了一种电磁导航喷雾机器人系统，该发明采用四轮驱动的结构方式设计了喷雾机器人平台载体，采用电磁信号对四轮驱动喷雾机器人进行导航，采用电机驱动喷头运动进行喷雾作业。

发明内容

本发明的目的是提供一种四轮驱动导航喷雾机器人系统，其特征在于，该系统包括：

四轮驱动部分采用四个电机分别对四个轮子进行相对独立的驱动的轮机连接机构，（实现了电机对轮子的直接驱动，并且承重主要由该连接结构承受，）采用了双推力轴承的的电机箱相对于底板的灵活转动部分结构，在后轮电机箱与底板连接处设置四轮高度协调摆轴，以实现四轮对地的附着力的调整；

喷雾部分采用双侧喷雾机构的喷雾方式，应用喷杆摆动来调整喷头相对于作物的距离，喷雾控制电磁阀和喷雾泵的控制采用控制信号逐级放大的方式来避免后续电路对控制器的影响，喷杆摆动采用H型双极性PWM驱动方式进行驱动，并且采用光电接近开关检测摆杆摆动的角度和对摆杆摆动位置的控制。

传感器部分采用组合式电磁传感器布局方式，提高了输出信号的线性，避免了干扰因素的影响；基于四轮驱动结构结合角度传感器和电磁传感器的信息设计了四轮驱动沿诱导线信号轨迹行走的导航算法。

本发明有益效果，该系统应用在植保作业中能够进行自动化施药作业的喷雾机器人系统，本发明主要解决自动化喷雾作业过程中移动载体的结构设计及其自动化导航问题。本发明还可以用于机器人采摘、搬运等作业。能够自动完成喷雾作业，可以降低人工的劳动强度，保护劳动者的健康，降低农药的使用量，保护环境，维护农业生产的可持续发展。

附图说明

图1为四轮驱动电磁导航喷雾机器人系统结构示意图。

图2 为四轮驱动轮机连接部分的结构示意图。

图3为四轮驱动电机箱与底板连接及四轮高度协调结构示意图。

图4喷雾装置结构示意图；其中，a.喷雾喷杆摆动示意图；b为A部放大图。

图5 机器人电磁诱导线跟踪控制框图。

具体实施方式

本发明提供一种四轮驱动导航喷雾机器人系统。下面结合附图和实施例对本发明予以说明。

如图1所示为四轮驱动电磁导航喷雾机器人系统的结构组成，本系统主要由电磁传感器组、角度传感器4、轮子1-2、底板7、喷雾装置（喷雾摆杆11，喷雾电机（9、10）、喷雾附件12及喷雾信号线13）和控制器8组成。该系统采用四个直流电机3分别对前轮1和后轮2共四个轮子进行相对独立的驱动，实现了四轮驱动和差速转向的行走方式。电磁导航部分，电磁传感器分为前轮电磁传感器组5和后轮电磁传感器组6，每组为4个，在轮子前行方向的为前行电磁传感器，在轮子后退方向的为后退电磁传感器，前行和后退分别采用不同的电磁传感器的组合式布置，每个电磁传感器分别与四个轮子的行走方向成一定的夹角布置，实现了传感信号与诱导线的偏移距离的线性输出，提高了抗干扰能力。前行传感器和后退传感器分开，并且无论是前行还是后退，感器始终置于轮子的前方，提高了控制的可靠性和稳定性。

在系统中包括两个角度传感器4，分别置于两个前轮1和两个后轮2之间中心位置，从而能够检测出前轮1或后轮2相对于喷雾机器人底板的偏移角度，在喷雾机器人的行走过程中所测的角度值用来匹配控制后轮（前行时）相对于前轮的速度，还用来作为机器人状态的监控和辅助直线导航信息。

驱动电机选用内带减速装置的直流电机，使得该直流电机能够直接与轮子相连进行驱动。前后轮组能够根据导航控制需要进行独立驱动。

控制器8分别与八个电磁传感器、两个角度传感器和四个电机连接，以及通过喷雾信号线13与喷雾装置连接；控制器8接收行走部分八个电磁传感器和两个角度传感器的传感信息并对其进行转换和处理，将运算处理得到的控制信号传递给四个电机，不断重复这个过程，实现对机器人沿诱导线轨迹行走的实时的动态调整。控制器还接收喷雾部分的四个接近开关的信号，根据这些信号的组合对喷杆的状态及其运动进行检测和控制，控制器还控制两个电磁阀的通断以及喷雾泵的开关。

图2给出了一种轮机连接的结构示例图，电机3通过螺栓与第一零件19相连，第一零件19通过18螺栓固定在电机箱20上，前轮1或后轮2通过螺栓与第二零件16相连，第二零件16通过轴向挡板17、滚动轴承14与第一零件1 9由15螺栓固定相连。电机的扭矩通过键21传递给第二零件16，进而实现电机对4个轮子的驱动。喷雾机器人的压力通过电机箱20传递给第一零件19，第一零件19通过轴承14传递给第二零件16，因第二零件16和轮子固连，实现了轮子对喷雾机器人的支撑；该种示例结构将扭矩传输和重力支撑做了简单的分离，使得电机扭矩输出轴上不再承担重力的支撑，这种结构减少了中间传动部分的连接，能够使电机直接对轮子进行驱动。

图3给出了四轮驱动电机箱与底板连接及四轮高度协调结构示意图。角度传感器4通过双螺母与圆筒零件24固定，圆筒零件24通过螺栓与机器人底板7相连，插头零件22与圆筒零件24通过推力轴承23、套筒25、螺母26连接在一起，插头零件22通过双螺母固定的方式与电机箱20相连；该种示例的连接方式实现了插头零件22与圆筒零件24既相互结合在一起，又可以进行相对的转动；角度传感器用来测量电机箱和喷雾机器人底板之间的相对转动角度的，角度检测输入端与插头零件22相连，这样便可以测出插头零件22与圆筒零件24转动的角度，从而得出电机箱20与机器人底板之间的转动角度。该种结构只需要在前轮或后轮便可，这里选择后轮。摆轴31通过零件30与电机箱相连，并且摆轴31与零件30之间能够相互转动，摆轴31与插头零件22固连在一起。图示示例实现了后轮电机箱20相对于底板的左右轮上下方向的摆动，进而实现了四轮高度的协调。

图4喷雾装置结构示意图；其中，a.喷雾喷杆摆动示意图；b为A部放大图。喷雾装置包括喷雾摆杆11，左直流电机9、右直流电机10、喷雾附件12及喷雾信号线13；喷雾方式采用两侧喷，并且通过喷雾喷杆的摆动来实现喷雾高度的调整。示例中，在左直流电机9和右直流电机10的两侧设置光电接近开关34，在左直流电机9和右直流电机10的转动轴上分别安装喷杆11的固定装置36，扇形板39通过销钉38与电机输出轴相连，在这种结构下，喷杆安装过程中能够调整喷杆的伸出高度；左直流电机9和右直流电机10是用来带动喷雾喷杆11进行摆动的，扇形板39其作用是辅助光电开关来对喷雾喷杆的转动位置和角度进行检测。采用了固态继电器进行控制信号的逐级放大，避免了电磁阀开关过程中对控制器的影响，光电接近开关34用来检测和控制喷杆的摆动位置和摆动角度的，从而将喷杆摆动的角度信息和位置信息传递给控制器8进行决策和判断；控制器8根据控制参量，控制器通过H双极性PWM 驱动器来控制电机的正反转，电机转动带动扇形板39、喷杆11一起旋转，喷杆11的旋转角度可以由扇形板39的形状、安装位置、光电接近开关34的安装位置来进行调整。

图5给出了四轮驱动电磁导航喷雾机器人对诱导线轨迹跟踪的控制示例，喷雾机器人轨迹控制过程中前行和后退分别采用不同的电磁传感器组，这样能够始终保证控制器控制信息运算中采用的传感信息是轮子前面的传感器的输出信息。电磁传感器和角度传感器的输出信息都要经过模数转换再输入到控制器中参与运算，在进行模数转换以后将转换后的结果结合标定的信息进行调整处理，调整过程中对传感信息进行模糊化处理，然后加入PD调节算法，得出控制信息对电机进行控制。

Claims

1.一种四轮驱动导航喷雾机器人系统，其特征在于，该系统包括：

四轮驱动部分采用四个电机分别对四个轮子进行相对独立的驱动的轮机连接机构，实现了电机对轮子的直接驱动，并且承重主要由该连接结构承受；采用了双推力轴承的的电机箱相对于底板的灵活转动部分结构，在后轮电机箱与底板连接处设置四轮高度协调摆轴，以实现四轮对地的附着力的调整；

喷雾部分采用双侧喷雾机构的喷雾方式，应用喷杆摆动来调整喷头相对于作物的距离，喷雾控制电磁阀和喷雾泵的控制采用控制信号逐级放大的方式来避免后续电路对控制器的影响，喷杆摆动采用H型双极性PWM驱动方式进行驱动，并且采用光电接近开关检测摆杆摆动的角度和对摆杆摆动位置的控制；

2.根据权利要求1所述四轮驱动导航喷雾机器人系统，其特征在于，系统主要由电磁传感器组、角度传感器、轮子、底板、喷雾装置和控制器组成；该系统采用四个直流电机（3）分别对前轮（1）和后轮（2）共四个轮子进行相对独立的驱动，实现了四轮驱动和差速转向的行走方式；电磁导航部分，电磁传感器分为前轮电磁传感器组（5）和后轮电磁传感器组（6），每组为4个，在轮子前行方向的为前行电磁传感器，在轮子后退方向的为后退电磁传感器，前行和后退分别采用不同的电磁传感器的组合式布置，每个电磁传感器分别与四个轮子的行走方向成一定的夹角布置，实现了传感信号与诱导线的偏移距离的线性输出，提高了抗干扰能力。

3.根据权利要求1或2所述四轮驱动导航喷雾机器人系统，其特征在于，电机（3）通过螺栓与第一零件（19）相连，第一零件（19）通过（18）螺栓固定在电机箱（20）上，前轮（1）或后轮（2）通过螺栓与第二零件（16）相连，第二零件（16）通过轴向挡板（17）、滚动轴承（14）与第一零件（19）由15螺栓固定相连；电机的扭矩通过键（21）传递给第二零件（16），进而实现电机对4个轮子的驱动；喷雾机器人的压力通过电机箱（20）传递给第一零件（19），第一零件（19）通过轴承（14）传递给第二零件（16），因第二零件（16）和轮子固连，实现了轮子对喷雾机器人的支撑。

4.根据权利要求1或2所述四轮驱动导航喷雾机器人系统，其特征在于，角度传感器（4）通过双螺母与圆筒零件（24）固定，圆筒零件（24）通过螺栓与机器人底板（7）相连，插头零件（22）与圆筒零件（24）通过推力轴承（23）、套筒（25）、螺母（26）连接在一起，插头零件（22）通过双螺母固定的方式与电机箱（20）相连；该种示例的连接方式实现了插头零件（22）与圆筒零件（24）既相互结合在一起，又可以进行相对的转动；角度传感器用来测量电机箱和喷雾机器人底板之间的相对转动角度的，角度检测输入端与插头零件（22）相连，这样便可以测出插头零件（22）与圆筒零件（24）转动的角度，从而得出电机箱（20）与机器人底板之间的转动角度。

5.根据权利要求1或2所述四轮驱动导航喷雾机器人系统，其特征在于，喷雾装置包括喷雾摆杆（11），左直流电机（9）、右直流电机（10）、喷雾附件（12）及喷雾信号线（13）；喷雾方式采用两侧喷，并且通过喷雾喷杆的摆动来实现喷雾高度的调整。示例中，在左直流电机（9）和右直流电机（10）的两侧设置光电接近开关（34），在左直流电机（9）和右直流电机（10）的转动轴上分别安装喷杆（11）的固定装置（36），扇形板（39）通过销钉（38）与电机输出轴相连，在这种结构下，喷杆安装过程中能够调整喷杆的伸出高度；左直流电机（9）和右直流电机（10）是用来带动喷雾喷杆（11）进行摆动的，扇形板（39）其作用是辅助光电开关来对喷雾喷杆的转动位置和角度进行检测。