CN103465797A - 一种四轮独立驱动独立转向电动果园作业车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及研发一种果园用自走式四轮独立驱动独立转向电动果园作业车，包括车架结构，用于支撑其他机械机构，提供一个承载平台；单轮独立驱动独立转向结构，配备直流电机、减速器、直流电机驱动器，用于输出行走所需相应转速、转矩及控制车轮自转方向，并配备步进电机、步进电机驱动器和减速器，用于独立转向；总体转向与总体行走机构，由四个结构完全相同的单轮独立驱动独立转向结构构成；转角信号及转速信号传感器，将信号传输给数据采集卡进行处理，并传输给计算机完成信息反馈；中央控制单元，用于对各轮进行行驶模式的控制；蓄电池，为所有电力机构、驱动机构、控制系统供电。本发明实现了多种行驶模式进行全方位移动，地形适应性强。

Description

一种四轮独立驱动独立转向电动果园作业车
技术领域
本发明涉及一种果园作业车，尤其是涉及一种适应我国果园特点的自走式四轮独立驱动独立转向电动果园作业车。
背景技术
我国是世界第一大水果生产和世界第一大水果消费国，水果种植面积和产量均为世界第一位。2010年果园面积11543.9千公顷，产量12865.2万吨。水果种植业的迅速发展也推动了我国在果园机械方面的不断进步，但总体来说，我国的果园作业机械还处于起步阶段，虽然已有一些多功能果园作业样机，但受到果园地形复杂与样机行驶稳定性差的影响与限制，尚不能满足果园作业需求。故迫切需要开发并利用一种适合我国果园情况的果园作业机械。
我国果树种植多集中在丘陵山地，果园路面平整度差，道路狭窄。因此，作业平台的平稳性以及行驶过程中的通过性好坏如何，将直接影响其作业效率和作业安全，其中行走机构的设计尤为关键。目前，国内外果园机械行走机构的应用主要有轮式和履带式两种类型。
2007年，新疆机械研究院研制了我国第1台多功能果园作业机一LG-1型多功能果园作业机。该机器集采摘、修剪、喷药、运输等功能于一身，采用履带式行走装置。此后，陆续出现的果园作业装置也多采用履带式行走机构。履带式小型底盘虽然稳定性和操作性较好，但通过性差，存在坡地易倾翻等弱点。
相较于果园电动车，电动汽车的发展已经比较成熟，自1881年法国工程师发明了第一辆电动汽车，到如今全方位四轮转向电动汽车，电动汽车相关的转向、导向、驱动、控制都取得了较好的研究和应用成果。由于果园自身环境的特性，作业机械的工作要求，现有的电动汽车技术很难在果园得以实现，所以研究适应果园作业的果园电动车并保持电动汽车的原有优点有重要的意义和价值。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种果园用自走式四轮独立驱动独立转向电动果园作业车，实现通过无线传输技术由操作面板控制的方式搭载作业人员和中转果务进行果园内多种作业。
我国果园应用较广泛的履带式果园车，越障能力有限，只有通过加大带轮直径和履带长度来提高其越障能力。一方面，我国果树种植多集中于丘陵山地路面平整度差，另一方面，果树分布密集果园道路狭窄。且履带式果园车辆车轮转向角度有限，行车转弯半径较大，行驶模式单一，缺乏地形针对性，适应能力差。因而传统果园车辆不能很好地适应果树分布较为密集的果园环境，不便于运输果品，又降低路面通过性以及行驶稳定性。
针对市场上已有的山地果园轮式运输机，这种运输机是以燃油发动机为动力来源，后车桥两端设置后驱车轮，转向以及制动采用机械式连接来操纵。故传动效率低，驱动能量的较少部分最终传递到车轮上，能源利用率不高，环境污染大，同样也存在转弯角度有限，转弯半径大的问题。
(二)技术方案：
为了克服我国现有的果园作业车辆自动化程度低，难以适应果园复杂环境的问题，综合电动车运动控制特性，采用四轮独立驱动独立转向(4WD–4WS)的底盘结构,研制了多功能果园作业车，包括：
果园作业车的总体结构以底盘为基础，设计单轮独立驱动独立转向结构，即单轮可完成独立转向以及自转。以单轮结构作为单元，设计果园车四轮具有相同结构，即四轮均可完成独立转向及自转。在此基础上，将四轮行走机构统一控制，形成总体行走机构；将四轮转向机构统一形成总体转向机构；并由中央控制单元实现对行走机构以及转向机构的总体控制。
本发明特征是：果园车四轮具有相同的结构，对于单轮来说，中央控制单元作为控制核心统一对各轮进行行驶模式的控制；行走机构完成对直流电机开、停，转动方向以及转速的控制，即实现车轮行走；转向机构完成对步进电机开、停，转动方向以及转动步长的控制，即实现车轮转向；反馈装置完成对车轮转向以及转速的信息采集并将信息输出给中央控制单元作为调整依据；供电电源统一为四轮所用电力机构供电。
本发明技术方案是：所述行走机构采用四轮各自配备有直流电机、减速器、直流电机驱动器的结构。直流电机以及减速器配合输出行走所需相应转速以及转矩，提供满足果园作业车行驶的驱动力。转向机构包括步进电机、步进电机驱动器和减速器。
本发明进一步技术方案是：对于单个车轮结构而言，需要采集转角信号以及转速信号，两个传感器将信号传输给数据采集卡进行处理，并传输给计算机完成信息反馈，通过计算机算法，最终实现自动控制。对于转速的测试，由于光电元件的测量精度相对较高，故利用光电增量式旋转编码器对电机的速度进行实时检测；对于转角的测试，可以通过旋转式角度传感器实现信号的采集及反馈。
本发明实现了多种行驶模式进行全方位移动，提高了果园作业车对地形的适应性，为国内轮式结构电动汽车应用于果园机械提供了设计思路，弥补了现有国内果园作业机械驱动模式落后，运动模式单一、环境适应性差等弱势。
(三)有益效果
整机为电能驱动，体现了清洁、环保、高效的设计思想。电机经减速器直接驱动车轮，不经过机械式连接，传动效率高。
转向系统为角位移闭环控制系统，以步进电机配合角度传感器代替传统的伺服电机作为转向电机，大大降低了电动车制造成本，且步进电机更易维护，适合地形复杂的果园环境。
通过控制算法合理地分配以及协调控制各个电动轮的驱动转矩，实现直接力矩控制增强行驶稳定性，改善加速性能以及在复杂路面行驶的稳定性
以四轮转向为结构基础能够实现多种驾驶模式（前轮转向、四轮转向、斜行和蟹行等），，利用转角比-车速控制模型完成四轮转向控制，并建立车辆转弯差速模型，可提高系统稳定性、减少车辆倾翻及侧滑，使果园车的灵活性记作业效率得到显著改善。
并采用现代工业设计理念，为多种功能机具提供了动力接口，最大限度的提高了作业机械的使用率，为果园作业机械化的实现提供了基础。
在原地转向模式下，每个车轮的转动方向和角度可独立控制，可实现最小转弯半径几为零，这使得果园车路面情况复杂，且转向角度狭小的果园中具有较强的适应能力。
每个车轮上均配备有胎压传感器，车身上配备有超声波防撞传感器，对果园车作业过程轮胎压力状态信息进行实时监测，可实现作业过程防倾翻自动预警，进一步提高了果园作业车的安全性能。
附图说明
图1是本发明实施例的总体方案示意图；
图2是本发明实施例的总体结构设计图；
图3是本发明实施例的总体结构示意图；
图4是图3的俯视图；
图5是图3的左视图；
图6是本发明实施例的单轮总体结构设计图；
图7是本发明实施例的单轮组装结构示意图；
图8是本发明实施例的驱动机构设计图；
图9是本发明实施例的转向机构设计图；
图10是本发明实施例的不同行驶模式示意图；
图中，1为电池组，2为车架，3为步进电机座，4为步进电机套，5为步进电机，6为步进电机减速器，7为转轴套筒，8为驱动总成，9为动力轴，10为轮轴，11为轮轴套，12为直流电机减速机（蜗轮蜗杆），13为直流电机套，14为转轴，15为直流电机，16为转轴销子。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
结合图1及图2所示，图1是本发明实施例的总体方案示意图；图2是本发明实施例的总体结构设计图。本实施例提供的一种四轮独立驱动独立转向电动果园作业车，以底盘为基础，设计单轮独立驱动独立转向结构，即单轮可完成独立转向以及自转。以单轮结构作为单元，设计果园车四轮具有相同结构，即四轮均可完成独立转向及自转。在此基础上，将四轮行走机构统一控制，形成总体行走机构；将四轮转向机构统一形成总体转向机构；并由中央控制单元实现对行走机构以及转向机构的总体控制。
如图3、4、5结合图7，图3、4、5均是本发明实施例的总体结构示意图，图7本实施例的单轮组装结构示意图。本实施例提供的一种四轮独立驱动独立转向电动果园作业车，包括：2车架；位于其上的1电池组，电池组作为供电电源将统一为四轮所用电力机构供电；设置于2车架，由3步进电机座，4步进电机套，5步进电机，6步进电机减速器和7转轴套筒组成的转向机构；设置于2车架，由9动力轴，11轮轴,13轮轴套，16直流电机减速器，17直流电机套，18转轴和直流电机组成的行走机构。其中，如图7所示，转向机构14转轴与驱动机构9动力轴垂直。
如图6所示，图6是本发明实施例的单轮总体结构设计图。果园车四轮具有相同结构，对于单轮来说，中央控制单元作为控制核心统一对各轮进行行驶模式，行驶及转向的控制；驱动机构完成对直流电机开、停，转动方向以及转速的控制，即实现车轮行走；转向机构完成对步进电机开、停，转动方向以及转动步长的控制，即实现车轮转向；反馈装置完成对车轮转向以及转速的信息采集并将信号输出给中央控制单元作为微调依据。
如图8所示，图8是本发明实施例的驱动机构设计图。驱动机构工作过程：15直流电机-提供驱动转矩经12直流电机减速器-减速增扭并改变转矩方向与电机转矩呈90°由9动力轴-带动10轮轴-转动从而实现驱动。
如图9所示，图9是本发明实施例的转向机构设计图。转向机构工作过程：果园车行驶时，转向盘的转向输入信号传给中央控制单元，经过运算处理，向控制车轮转向的步进电机驱动器发出转向位移信号，驱动3步进电机旋转，经6步进电机减速器，带动14转轴转动，16转轴销子带动13直流电机套绕7转轴套旋转，从而将转动转矩传递给整个包括轮子的驱动整体。安装于6步进电机减速器上的旋转式角度传感器可检测车轮转向角位移，并反馈至中央控制单元，实现车轮独立转向的角位移闭环控制。
如图10所示，本发明实施例针对果园作业环境特点，结合果园作业车不同作业环节的需要，开发了前轮转向、后轮转向、四轮转向、斜行行驶、蟹行行驶、原地转向六种行车模式，实现不同行车模式的自由切换，有效提高果园作业效率。

Claims (10)

1.一种果园用自走式四轮独立驱动独立转向电动果园作业车，其特征在于，所述作业车包括：
底盘，所述底盘为其他结构设计的基础，提供一个承载平台；
行走机构，将四个相同的单轮独立驱动独立转向机构中的行走机构统一控制，用于作业车的行驶；
转向机构，将四个相同的单轮独立驱动独立转向机构中的转向机构统一控制，用于作业车的转向；
反馈装置，所述反馈装置完成对车轮转向以及转速的信息采集并将信息输出给中央控制单元作为调整依据；
中央控制单元，所述控制单元用于实现对行走机构以及转向机构的总体控制；
供电电源，所述供电电源为作业车上所用电力机构供电。
2.根据权利要求1所述的果园用自走式四轮独立驱动独立转向电动果园作业车，其特征在于，所述单轮独立驱动独立转向机构中的行走机构主要由直流电机、减速器以及直流电机驱动器组成，其中，所述的直流电机以及减速器配合输出行走所需的转速以及转矩，提供满足果园作业车行驶的驱动力。
3.根据权利要求1所述的果园用自走式四轮独立驱动独立转向电动果园作业车，其特征在于，所述单轮独立驱动独立转向机构中的转向机构主要由步进电机、减速器以及步进电机驱动器组成，其中，所述的步进电机以及减速器配合输出转向所需的转速以及转矩，提供满足果园作业车转向的驱动力。
4.根据权利要求1所述的果园用自走式四轮独立驱动独立转向电动果园作业车，其特征在于，所述的反馈装置采集转角信号以及转速信号，两个传感器将信号输出给数据采集卡进行处理，并传输给计算机完成信息反馈，通过计算机算法，最终实现自动控制。
5.根据权利要求4所述的果园用自走式四轮独立驱动独立转向电动果园作业车，其特征在于，所述的转速由测量精度相对较高的光电增量式旋转编码器进行实时检测。
6.根据权利要求4所述的果园用自走式四轮独立驱动独立转向电动果园作业车，其特征在于，所述的转角由旋转式角度传感器进行实时采集及反馈。
7.根据权利要求1所述的果园用自走式四轮独立驱动独立转向电动果园作业车，其特征在于，所述的中央控制单元对作业车的控制至少包括行驶模式、行驶及转向的一种或多种。
8.根据权利要求7所述的果园用自走式四轮独立驱动独立转向电动果园作业车，其特征在于，所述的行驶模式至少包含前轮转向、后轮转向、四轮转向、斜行行驶、蟹行行驶、原地转向等的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的果园用自走式四轮独立驱动独立转向电动果园作业车，其特征在于，任一模式车轮的行驶均是由中央控制单元控制行走机构，由行走机构完成对直流电机开、停以及转速的控制。
10.根据权利要求8所述的果园用自走式四轮独立驱动独立转向电动果园作业车，其特征在于，任一模式车轮的转向均是由中央控制单元控制转向机构，由转向机构完成对步进电机开、停以及转速的控制。
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