CN104360684A - 一种田间自走机械的自动对行装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种田间自走机械的自动对行装置及其控制方法，包括柔性触须传感装置、与触须传感器相连的信号采集模块、与信号采集木块相连的单片机、与单片机相连的舵机、电机、远程通信遥控装置、光栅，柔性触须传感装置前端还包括两个交叉朝向的触须传感器，信号采集装置采集触须传感器将碰触到的作物的阻值信息并传入单片机中，单片机通过接收到的信息控制装置中舵机的转向和电机的速度，最终实现作业车自动对行，自动调速，正前方有障碍物自动后退，且可以远程控制田间智能作业车平台，还可外界各种其它设备。

Description

一种田间自走机械的自动对行装置及控制方法

技术领域

本发明属于一种田间自走机械，具体涉及一种基于触须仿形检测的田间自走及鞋的自动对行装置和对这种装置的控制方法。

背景技术

自2013年4月新疆采用新型无人驾驶自动播种机车实现田间实施精准播种以来，农业智能化备受关注。而目前我国在农业生产方面由于农村劳动力人口锐减，农业机械自动化程度过低，致使种地成为一种难题，许多田地开始荒芜，基于以上原因，以及当前对高杆作物的小型化田间作业的需求，需要研制可用于田间的智能自走机器小车平台。但是当前许多智能小车作业时置身于复杂恶劣的环境中，致使移动和精确定位控制技术变得相当复杂，并且此问题至今未能得到有效解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于触须仿形检测的田间自走机械的自动对行装置，通过将农作物相对于作业车的方位和土壤环境等特殊信息转变为单片机可以接受的数字信号，实现对作业车的自动对行、自动调速、有障碍物的自动后退，并且可以通过WIFI网络使用远程遥控通信装置实现对作业车的人工控制。同时，作业平台可以接多维外设，可以连接进行施肥、撒药、除草、摘心、收割、播种的机械设备，从而实现作业车的无人操控下的高精度、高节能目标。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种田间自走机械的自动对行装置，包括作业车，还包括：

柔性触须传感装置，用于产生与作物接触时感应产生阻值信号；

信号采集模块，其连接柔性触须传感装置的信号输出端，用于采集柔性触须传感装置发送的信号；

单片机，其连接信号采集模块，用于接收信号采集模块转换的数字信号；

舵机、电机、远程通信遥控装置、光栅传感器，其连接在单片机上，用于进行对作业车行进过程中的速度和方位进行调整和控制；

所述远程通信遥控装置通过WIFI网络与作业车通信，所述远程通信遥控装置上具有显示模块、开关按钮、左转按钮、右转按钮，所述远程通信遥控装置上的显示模块显示作业车的速度，开关按钮控制作业车的启动和停止，左转按钮和右转按钮可同时对速度和转向进行调整。

所述柔性触须传感装置包括两个位于作业车前端交叉朝向的触须传感器，所述触须传感器上装有柔性钢丝，所述两个触须传感器感应效果相同。

所述信号采集模块为24位高精度模数转换芯片。

所述自走平台能够外接多维设备，所述自走平台能够外接施肥、撒药、除草、摘心、收割、播种的机械设备。

一种对权利要求1的田间自走机械的自动对行装置的控制方法，包括以下步骤，

ST1：分析几种高杆的作物的叶子、枝条、茎秆的硬度，建立硬度数据库；

ST2：在柔性触须传感装置与叶子、枝条、茎秆接触过程中触须传感器产生的阻值变化送入信号采集模块，转换为数字信号送入单片机中进行分析；

ST3：通过ST2中单片机分析的结果，建立上述作物与作业车之间不同距离和方位的阻值信号和作业车舵机转舵角度和速度的关系模型；

ST4：根据ST3建立的关系模型，单片机对所连接的舵机转向和电机速度进行实时控制；

ST5:利用光栅传感器实时监测车行速度，反馈给单片机，以精确控制车行速度。

在ST1中采用定量分析法对农作物的叶子、枝条、茎秆的硬度进行分析，在ST3中采用定量分析法建立作物与作业车之间不同距离和方位的阻值信号和作业车舵机转舵角度和的速度调控关系模型，所述的定量分析方法包括最小二乘法、正态分布法、多元线性回归法。

所述的ST2步骤包含以下步骤，

8-1：排除传感器因长期使用的不够灵敏问题，通过调整信号采集模块所反馈的两个触须传感器阻值所转化成的数字所划分的区间；

8-2：排除两个传感器感应相同时阻值不完全相同的问题，步骤D中第一个分析对象信号采集模块所反馈的是两个触须传感器阻值所转化成的数字，所以两个数字对应的区间范围设定的不同即可。

所述步骤ST5中对速度的监控和调节可通过以下两种方式单独或者结合实现：

（1）：使用光栅传感器监测作业车的速度数据，将速度数据反馈给单片机，如果此时的速度与ST3中设定的标准速度有偏差，在偏差允许的范围内通过负反馈调节使作业车的速度满足标准速度。

（2）：通过远程通信遥控装置进行监控，使用WIFI网络通过远程通信遥控装置监测作业车的速度，如果作业车作业过程中发生意外，通过远程通信遥控装置发出信号强制作业车断电，或者再启动，并且可以通过左转按钮和右转按钮对小车进行加速、减速、左转、右转调节。

所述偏差允许的范围是指可通过电机的PWM调节使作业车在此范围内达到标准速度；

所述的负反馈调节是指根据作业车的不同速度调节电机的PWM脉宽比，使作业车的速度达到标准速度。

      采用以上技术方案，本发明可以达到以下有益效果：

通过将作物相对作业车的方位转化为触须传感装置中触须传感器的阻值进而经过信号采集模块传递给单片机，实现快速准确的调节作业车走向和速度；通过光栅传感器实时监测作业车速度，传递到单片机和远程遥控通信装置，两种解决方案，其一是利用单片机进行负反馈调节，其二利用远程遥控通信装置进行远距离人工调节；最终实现作业车自动对行，自动调速，正前方有障碍物自动后退，且可以远程控制田间智能作业车平台；可以利用作业车搭载其他机械设备，可以进行施肥、撒药、除草、摘心、收割、播种等，智能田间行走作业车可以实现无人操控下的高精度、高节能，同时减小了作业车的重量，避免把土壤压紧，影响农作物根部生长。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种田间自走机械的自动对行装置，包括作业车，在作业车前端装有柔性触须传感装置，柔性触须传感装置包括两个位于作业车前端交叉朝向的触须传感器，触须传感器上装有柔性钢丝，所述两个触须传感器感应效果相同；柔性触须传感器的信号输出端连接信号采集模块，信号采集模块连接单片机，单片机上连接有舵机、电机、远程通信遥控装置、光栅传感器，远程通信遥控装置通过WIFI网络与作业车通信，远程通信遥控装置上具有显示模块、开关按钮、左转按钮、右转按钮，可以显示作业车的速度，并可以通过开关按钮、左转按钮、右转按钮实现对作业车的启、停、左转、右转的远程操控，加速减速控制；信号采集模块为24位高精度模数转换芯片，连接触须传感器可以使装置更加优化，更具有可视化，更加精确快速，信号采集模块将触须传感装置传递过来的信号转换为数字信号传送给单片机，作业车可搭载多维设备，即能够外接施肥、撒药、除草、摘心、收割、播种等机械设备，实现对农作物的施肥、撒药、除草、摘心、收割、播种等操作。

作业车在田间工作过程中，首先通过触须传感器前端的柔性钢丝排开非障碍物，减小误差，通过将作物相对作业车的方位转化为柔性触须传感装置中触须传感器的阻值，进而经过信号采集模块转换为数字信号传递给单片机，通过单片机实现快速准确的调节小车走向和速度；通过光栅传感器实时监测作业车速度，传递到单片机和远程遥控通信装置，通过两种方案操控作则车的速度和方向，其一是利用单片机进行负反馈调节，其二利用远程通信遥控装置进行远距离调节，最终实现小车自动对行，自动调速，正前方障碍物自动后退，和远程控制的田间智能作业车平台。

具体来说，在使用本发明的田间自走机械的自动对行装置进行田间作业时，需要经过以下步骤：

1：建立硬度数据库，即使用最小二乘法、正态分析法、多元线性回归法等定量分析法对高杆作物的叶子、枝条、茎秆的硬度进行分析，建立硬度数据库；

2：在柔性触须传感装置与叶子、枝条、茎秆接触过程中产生的阻值变化送入信号采集模块。利用柔性触须传感装置中的两个触须传感器与作物接触过程中阻值的变化对作物与车的距离和方位进行精准快速分析，并将触须传感器阻值的变化信息传递给信号处理模块，信号处理模块是24位高精度数模转换模块，它将阻值变化的信号转换为数字信号以后，输入到单片机中； 

3：根据单片机误差排除结果，通过定量分析的方法建立不同距离和方位的阻值信号与作业车舵机转舵角度、电机速度调控的关系模型，如表1和表2所示的，即：

3-1：分析作业车在田间作业时的最佳速度和碰到作物时应有的速度，即不同情况下的标准速度；

3-2：根据田间作物的分布分析正常行进中舵机的方向和碰到作物时应有的转向；

3-3：对上述的2、3-1、3-2中的阻值大小、标准速度、舵机的方向和碰到作物时应有的转向划分合适的区间，然后将三个分析对象相互契合，建立关系模型，标准速度和转向采用哪个区间由信号采集模块输出给单片机的数字所在的区间决定，如表1和表2所示的为本发明的一些实施例中的两个触须传感器，即：传感器1和传感器2的阻值大小的区间划分和对应区间内的舵机的转向和电机的速度的关系模型；

表1：触须传感装置与舵机转向的关系模型

表2：触须传感装置与电机速度的关系模型

4：通过3中建立的关系模型，对舵机的转向和电机的速度进行实时控制，具体控制方法见5和6。 

5：用光栅传感器对小车行进的速度进行监控，并将相应的结果反馈给单片机，如果此时的速度与3中设定的标准速度有偏差，偏差由田间土地不平或泥泞，或车轮上缠绕叶子枝条泥土等杂物等情况造成，在偏差允许范围内通过负反馈调节使作业车的速度满足标准速度；其中

（1）偏差允许的范围是指可通过电机的PWM调节小车子调节达到标准速度，不能满足则小车停止；

（2）负反馈调节指当速度过快时减小电机的PWM脉宽比，速度过慢时增大电机的PWM脉宽比，直到达到标准速度；

6：可以通过无线遥控通信装置对小车前进或倒退进行实时监控，如若过程中有突发意外，控制开关按钮强制小车断电，以及再启动，或者通过遥控装置对小车进行加减速调节和通过左转按钮和右转按钮进行作业车左转和右转的人工调节；其所述的I步骤中所述的远程遥控装置WIFI与单片机互相通信。硬件部分：其上有显示模块，显示小车的实时速度；有一个按钮，控制作业车启停；有两个旋钮，可同时对速度和转向进行微调，设置速度旋钮左旋加速，右旋减速，设置转向旋钮左旋左转，右旋右转；

7：在步骤2中，同时需要进行以下两个步骤：

7-1：排除传感器因长期使用的不够灵敏问题，通过适当的调整信号采集模块所反馈的两个触须传感器阻值转化的数字所划分的区间来排除；

7-2：排除两个传感器感应相同方位相同硬度的作物时阻值不完全相同的问题，因为信号采集模块所反馈的是两个触须传感器阻值所转化成的数字，所以将两个数字对应的区间范围设定的不同即可；

在应用中将实际检测到的作业车的方位信息进行分析，利用单片机与事先设定的关系模型进行比较，按照使用者需要的小车速度和走向进行调节和负反馈处理，极大地节省了人力和体力，实现高准度无损作物自走控制。同时可以利用遥控远程通信遥控装置进行人工监控，使作业车的可控性更强。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种田间自走机械的自动对行装置，包括作业车，其特征在于：包括，

柔性触须传感装置，用于产生与作物接触时感应产生阻值信号；

信号采集模块，其连接柔性触须传感装置的信号输出端，用于采集柔性触须传感装置发送的信号；

单片机，其连接信号采集模块，用于接收信号采集模块转换的数字信号；

舵机、电机、远程通信遥控装置、光栅传感器，其连接在单片机上，用于进行对作业车行进过程中的速度和方位进行调整和控制。

2.根据权利要求1所述的一种田间自走机械的自动对行装置，其特征在于：所述远程通信遥控装置通过WIFI网络与作业车通信，所述远程通信遥控装置上具有显示模块、开关按钮、左转按钮、右转按钮，所述远程通信遥控装置上的显示模块显示作业车的速度，开关按钮控制作业车的启动和停止，左转按钮和右转按钮可同时对速度和转向进行调整。

3. 根据权利要求1所述的一种田间自走机械的自动对行装置，其特征在于：所述柔性触须传感装置包括两个位于作业车前端交叉朝向的触须传感器，所述触须传感器上装有柔性钢丝，所述两个触须传感器感应效果相同。

4. 根据权利要求1所述的一种田间自走机械的自动对行装置，其特征在于：所述信号采集模块为24位高精度模数转换芯片。

5. 根据权利要求1所述的一种田间自走机械的自动对行装置，其特征在于：所述自走平台能够外接多维设备，所述自走平台能够外接施肥、撒药、除草、摘心、收割、播种的机械设备。

6. 一种对权利要求1的田间自走机械的自动对行装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

ST1：分析几种高杆作物的叶子、枝条、茎秆的硬度，建立硬度数据库；

ST2：在柔性触须传感装置与叶子、枝条、茎秆接触过程中触须传感器产生的阻值变化送入信号采集模块，转换为数字信号送入单片机中进行分析；

ST3：通过ST2中单片机分析的结果，建立上述作物与作业车之间不同距离和方位的阻值信号和作业车舵机转舵角度和速度的关系模型；

ST4：根据ST3建立的关系模型，单片机对所连接的舵机转向和电机速度进行实时控制；

ST5:利用光栅传感器实时监测车行速度，反馈给单片机，以精确控制车行速度。

7. 根据权利要求6所述的一种应用于田间自走机械的自动对行装置的控制方法，其特征在于：在ST1中采用定量分析法对农作物的叶子、枝条、茎秆的硬度进行分析，在ST3中采用定量分析法建立作物与作业车之间不同距离和方位的阻值信号和作业车舵机转舵角度和的速度调控关系模型，所述的定量分析方法包括最小二乘法、正态分布法、多元线性回归法。

8. 根据权利要求6所述的田间自走机械的自动对行装置的控制方法，其特征在于：所述的ST2步骤包含以下步骤，

8-1：排除传感器因长期使用的不够灵敏问题，通过调整信号采集模块所反馈的两个触须传感器阻值所转化成的数字所划分的区间；

8-2：排除两个传感器感应相同时阻值不完全相同的问题，步骤D中第一个分析对象信号采集模块所反馈的是两个触须传感器阻值所转化成的数字，所以两个数字对应的区间范围设定的不同即可。

9. 根据权利要求6所述的田间自走机械的自动对行装置的控制方法，其特征在于：所述步骤ST5中对速度的监控和调节可通过以下两种方式单独或者结合实现：

（1）：使用光栅传感器监测作业车的速度数据，将速度数据反馈给单片机，如果此时的速度与ST3中设定的标准速度有偏差，在偏差允许的范围内通过负反馈调节使作业车的速度满足标准速度；

（2）：通过远程通信遥控装置进行监控，使用WIFI网络通过远程通信遥控装置监测作业车的速度，如果作业车作业过程中发生意外，通过远程通信遥控装置发出信号强制作业车断电，或者再启动，并且可以通过左转按钮和右转按钮对小车进行加速、减速、左转、右转调节。

10. 根据权利要求9所述的田间自走机械的自动对行装置的控制方法，其特征在于：

所述偏差允许的范围是指可通过电机的PWM调节使作业车在此范围内达到标准速度；

所述的负反馈调节是指根据作业车的不同速度调节电机的PWM脉宽比，使作业车的速度达到标准速度。