CN104834315B - 小型晒谷场收谷机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小型晒谷场收谷机器人，包括电路部分和机械部分。机械部分由谷子集中装置、谷子吸入装置、卸料装置和行走底盘组成。电路部分由GSM模块、电子罗盘、测速单元、超声波定位系统和控制系统组成；GSM模块、电子罗盘、测速传感器、超声波定位系统连接的输入端控制系统，控制系统的输出端连接谷子集中装置、谷子吸入装置、卸料装置和行走底盘。本发明采用的原理简单可靠，维护简单，可以为广大农民朋友提供一种价格较为便宜的小型晒谷场收谷机器人，并实现其自动化，减轻劳动强度，提高粮食生产的效率。

Description

小型晒谷场收谷机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及农业自动化机械领域，具体涉及一种小型晒谷场收谷机器人及其控制方法。

背景技术

目前，我国南方丘陵山地的水稻主要以小农户种植为主，水稻收割后必须经过晒干等工序才能将其储存，现有的烘干机体型大、价格高，不适合小农户使用，因此水稻收割回来后农户将其运至晒谷场晾晒，但是晾晒时间为农忙时期，当人不在时可能下雨而导致谷物淋湿，因此急需能够进行远程控制并能够全程自动作业的小型晒谷场收谷机器人。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种小型晒谷场收谷机器人及其控制方法，其能够在无人工控制情况下进行晒谷场收谷作业。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种小型晒谷场收谷机器人，包括电路部分和机械部分，其中：

上述电路部分由GSM模块、电子罗盘、测速单元、超声波定位系统和控制系统组成；GSM模块、电子罗盘、测速传感器、超声波定位系统连接的输入端控制系统，控制系统的输出端连接谷子集中装置、谷子吸入装置、卸料装置和行走底盘；

上述机械部分由谷子集中装置、谷子吸入装置、卸料装置和行走底盘组成；

行走底盘由底盘架、以及安装在底盘架下的万向被动轮、2个主动轮、2个减速电机和2个联轴器组成；万向被动轮和2个主动轮在底盘架下排布成三角形，2个主动轮各由1个减速电机通过1联轴器驱动；机器人行走时为2个主动轮在前而万向轮做跟随运动；2个减速电机均与控制系统相连；

谷子集中装置安装在底盘架的上方，由扫谷头和扫谷头升降单元组成；扫谷头包括谷盒、扫谷直流电机和4个圆桶刷；4个圆桶刷水平安装在谷盒的前部入口处，且4个圆桶刷的轴线排列成一四边形；4个圆桶刷与扫谷直流电机相连，扫谷直流电机与控制系统相连，扫谷直流电机驱动4个圆桶刷朝着所形成的四边形的中心方向转动；扫谷头升降单元包括步进电机和螺杆，螺杆的下端连接扫谷头的谷盒，螺杆的上端连接步进电机的输出端，步进电机与控制系统相连，驱动螺杆带动扫谷头升降运动；

谷子吸入装置安装在底盘架的上方，由密封的收集桶、吸入直流风机、过滤网和软管组成；谷盒的后部出口经软管连接收集桶的前部入口；吸入直流风机设置在收集桶的外部，且吸入直流风机的入风口与收集桶的内腔相通；吸入直流风机与控制系统相连；过滤网覆盖在吸入直流风机的入风口处；

卸料装置安装在底盘架的上方，由卸料步进电机、牵引绳和密封盖组成；密封盖的固定端枢接在收集桶的后部出口的边缘处，且密封盖将收集桶的出口完全覆盖；牵引绳的一端连接在密封盖的活动段，另一端连接在步进电机上；步进电机与控制系统相连，步进电机的旋转带动牵引绳的收紧和放松，从而完成密封盖开启和闭合的过程。

上述方案中，超声波定位系统由设置在机器人上的发射站和设置在晒谷场周边的多个导航站组成；

发射站包括发射端单片机、以及与发射端单片机相连的超声波发射单元和发射端无线收发通讯电路；超声波发射单元由脉冲变压器、超声波发射头和发射圆球构成，脉冲变压器的输入端与发射端单片机相连，脉冲变压器的输出端连接超声波发射头，发射圆球位于超声波发射头的正上方，超声波发射头的出射方向垂直向上；发射端单片机和接收端单片机连接控制系统；

每个导航站均包括接收端单片机、以与接收端单片机相连的串口通信电路、超声波接收电路和接收端无线收发通讯电路；接收端无线收发通讯电路与发射端无线收发通讯电路无线连接；超声波接收电路与超声波发射电路连接；各导航站之间通过串口通信电路有线连接。

上述方案中，测速单元包括测速单片机和2个测速传感器，这2个测速传感器安装在行走底盘的2个主动轮处；2个测速传感器的输出端连接测速单片机，测试单片机与控制系统相连。

上述方案中，扫谷头升降单元还进一步包括2个光杆，这2个光杆分设在螺杆的两边，且光杆与螺杆平行，光杆贯穿过扫谷头，且扫谷头顺着光杆做升降运动。

基于上述小型晒谷场收谷机器人的控制方法，包括如下步骤：

步骤1、机器人在启动之前被人为放置到晒谷子场内，并等着GAM启动信号的到来；

步骤2、当接收到GSM模块启动命令时，控制系统通过超声波定位系统进行定位，并获得机器人目前所处的位置；

步骤3、定位成功后，控制系统通过电子罗盘测出目前即机器人的朝向，并计算该朝向与初始收集点之间的角度；

步骤4、控制系统先根据步骤3所得的结果，通过行走底盘调整自身的朝向角度，让机器人朝向初始收集点；再根据步骤2所得的结果，通过行走底盘控制自身的行走距离，让机器人行走到晒谷场的初始收集点处；

步骤5、当机器人到达晒谷场的初始收集点上时，控制系统控制谷子集中装置的扫谷头升降单元，放下扫谷头，同时启动谷子集中装置的扫谷头和谷子吸入装置的吸入直流风机；

步骤6、控制系统发出控制信号去驱动行走底盘，让机器人按照预定的轨迹在晒谷子场内行走，并将整个晒谷子内谷子收集到谷子吸入装置内；

步骤7、当谷子吸入装置到达容限时或整个晒谷场内谷子收集完后，需要将谷子卸到卸谷点处；此时，控制系统通过超声波定位系统获得机器人目前所处的位置，并通过电子罗盘获得机器人目前朝向与卸谷点之间的角度，并使机器人行走到晒谷场的卸谷点处；

步骤8、当机器人到达卸谷点处时，控制系统开启卸料装置，将谷子吸入装置内的谷子卸下；

步骤9、当谷子吸入装置内的谷子全部被卸下时，控制系统关闭卸料装置。

与现有技术相比，本发明采用的原理简单可靠，维护简单，可以为广大农民朋友提供一种价格较为便宜的小型晒谷场收谷机器人，并实现其自动化，减轻劳动强度，提高粮食生产的效率。

附图说明

图1为一种小型晒谷场收谷机器人的机械部分图。

图2为一种小型晒谷场收谷机器人的电路部分图。

图3为一种小型晒谷场收谷机器人的控制流程图。

图中标号：1、谷子集中装置；2、谷子吸入装置；3、卸料装置；4、行走底盘。

具体实施方式

一种小型晒谷场收谷机器人，包括机械部分和电路部分两个部分，其中：

机械部分，如图1所示：由谷子集中装置1、谷子吸入装置2、卸料装置3和行走底盘4几个部分组成。

行走底盘4由底盘架、以及安装在底盘架下的万向被动轮、2个主动轮、2个减速电机和2个联轴器组成。万向被动轮和2个主动轮在底盘架下排布成三角形，2个主动轮各由1个减速电机通过1联轴器驱动。机器人行走时为2个主动轮在前而万向轮做跟随运动。控制系统通过控制2个主动轮的转速实现机器人的行走姿态，即当两边减速电机的速度一样时，机器人实现等速直行；当两边减速电机的速度不一样时，机器人实现差速转弯。

谷子集中装置1安装在底盘架的上方，由扫谷头和扫谷头升降单元组成，其可以将机器人行走路径上的谷子集中起来到一个位置，这样有利于谷子吸入装置2用较小的功率将机器人行走路径上的谷子吸干净。扫谷头包括谷盒、扫谷直流电机和4个圆桶刷。4个圆桶刷水平安装在谷盒的前部入口处，且4个圆桶刷的轴线排列成一四边形。4个圆桶刷与扫谷直流电机相连，扫谷直流电机与控制系统相连，扫谷直流电机驱动4个圆桶刷朝着所形成的四边形的中心方向转动，将谷子扫到扫谷头内部，此时谷子会被集中至谷盒中部，以使得谷子容易被负压吸入装置吸入。扫谷头升降单元包括步进电机和螺杆，螺杆的下端连接扫谷头的谷盒，螺杆的上端连接步进电机的输出端，步进电机与控制系统相连，驱动螺杆带动扫谷头升降运动。为了防止扫谷头的摆动，所述扫谷头升降单元还进一步包括2个光杆，这2个光杆分设在螺杆的两边，且光杆与螺杆平行，光杆贯穿过扫谷头，且扫谷头顺着光杆做升降运动。由于扫谷头还可以升降，这样子当机器人不收谷子时运动摩擦力就会减小。

谷子吸入装置2安装在底盘架的上方，由密封的收集桶、吸入直流风机、过滤网和软管组成，其的原理来自吸尘器的原理，可以把扫谷头集中在一起的谷子吸到收集桶内。谷盒的后部出口经软管连接收集桶的前部入口。吸入直流风机设置在收集桶的外部，且吸入直流风机的入风口与收集桶的内腔相通。吸入直流风机与控制系统相连；吸入直流风机在工作时会使收集桶产生巨大的负压，使谷子集中装置1内的谷子通过软管进入收集桶中。在吸入直流风机的入风口处覆盖过滤网，以避免谷子进入到吸入直流风机内，造成吸入直流风机的损坏。

卸料装置3安装在底盘架的上方，由卸料步进电机、牵引绳和密封盖组成。密封盖的固定端枢接在收集桶的后部出口的边缘处，且密封盖将收集桶的出口完全覆盖。牵引绳的一端连接在密封盖的活动段，另一端连接在步进电机上。控制系统通过步进电机的旋转带动牵引绳的收紧和放松，从而完成密封盖开启和闭合的过程。泄谷时，密封盖开启；收谷时，密封盖闭合。而为了配合卸料装置3让收集桶里面谷子自己卸下，收集桶的底部为倾斜面，即收集桶后部出口低于前部入口，这样当打开卸料装置3时，谷子就可以因为自己重力就流出桶外面去。

电路部分，如图2所示：由GSM模块、电子罗盘、测速单元、超声波定位系统和控制系统组成。GSM模块、电子罗盘、测速传感器、超声波定位系统连接的输入端控制系统，控制系统的输出端连接谷子集中装置1、谷子吸入装置2、卸料装置3和行走底盘4。

GSM模块可以接收手机短信，当主人不在家的时候下雨了，GSM模块将接收到的主人收谷短信后传至控制系统，控制系统立即控制机器人启动去收谷子。

超声波定位系统由设置在机器人上的发射站和设置在晒谷场周边的多个导航站组成。发射站包括发射端单片机、以及与发射端单片机相连的超声波发射单元和发射端无线收发通讯电路。发射端单片机和接收端单片机连接控制系统。由于超声波发射无法覆盖360度，因此为了能够实现超声波发射信号向四周360度发射，本发明的超声波发射单元由脉冲变压器、超声波发射头和发射圆球构成。脉冲变压器的输入端与发射端单片机相连，脉冲变压器的输出端连接超声波发射头。其中发射圆球位于超声波发射头的正上方，超声波发射头的出射方向垂直向上，发射圆球可以向四面反射超声波，使超声波定向变成全向发射。在本发明优选实施例中，通过发射端单片机产生40khz的8个脉冲使通过脉冲变压器升压使超声波发射头发射超声波，脉冲变压器采用变比1:10，加大超声波发射的功率。每个导航站均包括接收端单片机、以及与接收端单片机相连的串口通信电路、超声波接收电路和接收端无线收发通讯电路。超声波接收电路无线连接超声波发射电路，用于检测超声波信号。接收端无线收发通讯电路无线连接发射端无线收发通讯电路。各导航站之间通过串口通信电路有线连接。导航站的个数根据晒谷场的场地大小进行设定，至少需要设定在晒谷场的对角处。针对长方形的晒谷场，可以采用6个导航站，其中4个导航站分布安装在长方形晒谷场的4个对角处，另外2个超声波传感器安装在长方形晒谷场的长边的中点处。当小型晒谷场收谷机器人要进行定位时通过发射端无线收发通讯电路发出信号让导航站做好准备，当各个导航应答就绪后超声波发射单元发射超声波，由于超声波发射单元发射的超声波到达各导航站即各超声波接收电路的距离不同，因此到达时间不同，而各个导航站通过串口通讯电路使各个导航站的接收端单片机的时钟一致，然后将超声波到达至少3个导航站的两个时间差和导航站本身的坐标求出小型晒谷场收谷机器人的坐标，通过接收端无线收发通讯电路经发射端无线收发通讯电路发回给小型晒谷场收谷机器人。

测速单元包括测速单片机和2个测速传感器，这2个测速传感器安装在行走底盘4的2个主动轮处；2个测速传感器的输出端连接测速单片机，测试单片机与控制系统相连。测速传感器采用便宜的霍尔传感器，与之配合的是，主动轮内侧装一定数量的小磁铁，当霍尔传感器接近磁铁时电平会变高，不接进的时候变低，这样就会有电平的变化，根据m/t法即可获得主动轮的速度。测速单元将速度反愦到控制系统，控制系统通过比较2个主动轮的速度判断其行走方向，并根据设定通过PID调节使两个主动轮按要求速度转动，控制机器人直线行走或转弯，以实现机器人的行走轨迹控制。

电子罗盘将检测到的机器人当前所面对的方向和偏转角度的角度传回控制系统，控制系统将其用来给机器人在已经设定好的地图上确定自己的运行方向。

基于上述小型晒谷场收谷机器人的控制方法，如图3所示，包括如下步骤：

步骤1、机器人在启动之前被人为放置到晒谷子场内，并等着(GSM)启动信号的到来；

步骤2、当接收到GSM模块启动命令时，控制系统通过超声波定位系统进行定位，并获得机器人目前所处的位置；

步骤3、定位成功后，控制系统通过电子罗盘测出目前即机器人的朝向，并计算该朝向与初始收集点之间的角度；

步骤4、控制系统先根据步骤3所得的结果，通过行走底盘4调整自身的朝向角度，让机器人朝向初始收集点；再根据步骤2所得的结果，通过行走底盘4控制自身的行走距离，让机器人行走到晒谷场的初始收集点处；

步骤5、当机器人到达晒谷场的初始收集点上时，控制系统控制谷子集中装置1的扫谷头升降单元，放下扫谷头，同时启动谷子集中装置1的扫谷头和谷子吸入装置2的吸入直流风机；

步骤6、控制系统发出控制信号去驱动行走底盘4，让机器人按照预定的轨迹在晒谷子场内行走，并将整个晒谷子内谷子收集到谷子吸入装置2内；

步骤7、当谷子吸入装置2到达容限时或整个晒谷场内谷子收集完后，需要将谷子卸到卸谷点处；此时，控制系统通过超声波定位系统获得机器人目前所处的位置，并通过电子罗盘获得机器人目前朝向与卸谷点之间的角度，并使机器人行走到晒谷场的卸谷点处；

步骤8、当机器人到达卸谷点处时，控制系统开启卸料装置3，将谷子吸入装置2内的谷子卸下；

步骤9、当谷子吸入装置2内的谷子全部被卸下时，控制系统关闭卸料装置3。

Claims (5)

1.一种小型晒谷场收谷机器人，其特征在于：包括电路部分和机械部分，其中：

上述电路部分由GSM模块、电子罗盘、测速单元、超声波定位系统和控制系统组成；GSM模块、电子罗盘、测速单元、超声波定位系统连接控制系统的输入端，控制系统的输出端连接谷子集中装置(1)、谷子吸入装置(2)、卸料装置(3)和行走底盘(4)；

上述机械部分由谷子集中装置(1)、谷子吸入装置(2)、卸料装置(3)和行走底盘(4)组成；

行走底盘(4)由底盘架、以及安装在底盘架下的万向被动轮、2个主动轮、2个减速电机和2个联轴器组成；万向被动轮和2个主动轮在底盘架下排布成三角形，2个主动轮各由1个减速电机通过1联轴器驱动；机器人行走时为2个主动轮在前而万向轮做跟随运动；2个减速电机均与控制系统相连；

谷子集中装置(1)安装在底盘架的上方，由扫谷头和扫谷头升降单元组成；扫谷头包括谷盒、扫谷直流电机和4个圆桶刷；4个圆桶刷水平安装在谷盒的前部入口处，且4个圆桶刷的轴线排列成一四边形；4个圆桶刷与扫谷直流电机相连，扫谷直流电机与控制系统相连，扫谷直流电机驱动4个圆桶刷朝着所形成的四边形的中心方向转动；扫谷头升降单元包括步进电机和螺杆，螺杆的下端连接扫谷头的谷盒，螺杆的上端连接步进电机的输出端，步进电机与控制系统相连，驱动螺杆带动扫谷头升降运动；

谷子吸入装置(2)安装在底盘架的上方，由密封的收集桶、吸入直流风机、过滤网和软管组成；谷盒的后部出口经软管连接收集桶的前部入口；吸入直流风机设置在收集桶的外部，且吸入直流风机的入风口与收集桶的内腔相通；吸入直流风机与控制系统相连；过滤网覆盖在吸入直流风机的入风口处；

卸料装置(3)安装在底盘架的上方，由卸料步进电机、牵引绳和密封盖组成；密封盖的固定端枢接在收集桶的后部出口的边缘处，且密封盖将收集桶的出口完全覆盖；牵引绳的一端连接在密封盖的活动段，另一端连接在步进电机上；步进电机与控制系统相连，步进电机的旋转带动牵引绳的收紧和放松，从而完成密封盖开启和闭合的过程。

2.根据权利要求1所述的一种小型晒谷场收谷机器人，其特征在于：超声波定位系统由设置在机器人上的发射站和设置在晒谷场周边的多个导航站组成；

发射站包括发射端单片机、以及与发射端单片机相连的超声波发射单元和发射端无线收发通讯电路；超声波发射单元由脉冲变压器、超声波发射头和发射圆球构成，脉冲变压器的输入端与发射端单片机相连，脉冲变压器的输出端连接超声波发射头，发射圆球位于超声波发射头的正上方，超声波发射头的出射方向垂直向上；发射端单片机和接收端单片机连接控制系统；

每个导航站均包括接收端单片机、以与接收端单片机相连的串口通信电路、超声波接收电路和接收端无线收发通讯电路；接收端无线收发通讯电路与发射端无线收发通讯电路无线连接；超声波接收电路与超声波发射电路连接；各导航站之间通过串口通信电路有线连接。

3.根据权利要求1所述的一种小型晒谷场收谷机器人，其特征在于：测速单元包括测速单片机和2个测速传感器，这2个测速传感器安装在行走底盘(4)的2个主动轮处；2个测速传感器的输出端连接测速单片机，测试单片机与控制系统相连。

4.根据权利要求1所述的一种小型晒谷场收谷机器人，其特征在于：扫谷头升降单元还进一步包括2个光杆，这2个光杆分设在螺杆的两边，且光杆与螺杆平行，光杆贯穿过扫谷头，且扫谷头顺着光杆做升降运动。

5.基于权利要求1至4中任意一项所述的小型晒谷场收谷机器人的控制方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1、机器人在启动之前被人为放置到晒谷子场内，并等着GAM启动信号的到来；

步骤2、当接收到GSM模块启动命令时，控制系统通过超声波定位系统进行定位，并获得机器人目前所处的位置；

步骤3、定位成功后，控制系统通过电子罗盘测出目前即机器人的朝向，并计算该朝向与初始收集点之间的角度；

步骤4、控制系统先根据步骤3所得的结果，通过行走底盘(4)调整自身的朝向角度，让机器人朝向初始收集点；再根据步骤2所得的结果，通过行走底盘(4)控制自身的行走距离，让机器人行走到晒谷场的初始收集点处；

步骤5、当机器人到达晒谷场的初始收集点上时，控制系统控制谷子集中装置(1)的扫谷头升降单元，放下扫谷头，同时启动谷子集中装置(1)的扫谷头和谷子吸入装置(2)的吸入直流风机；

步骤6、控制系统发出控制信号去驱动行走底盘(4)，让机器人按照预定的轨迹在晒谷子场内行走，并将整个晒谷子内谷子收集到谷子吸入装置(2)内；

步骤7、当谷子吸入装置(2)到达容限时或整个晒谷场内谷子收集完后，需要将谷子卸到卸谷点处；此时，控制系统通过超声波定位系统获得机器人目前所处的位置，并通过电子罗盘获得机器人目前朝向与卸谷点之间的角度，并使机器人行走到晒谷场的卸谷点处；

步骤8、当机器人到达卸谷点处时，控制系统开启卸料装置(3)，将谷子吸入装置(2)内的谷子卸下；

步骤9、当谷子吸入装置(2)内的谷子全部被卸下时，控制系统关闭卸料装置(3)。