CN105128979A - 全液压轮式田间信息采集平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全液压轮式田间信息采集平台。该平台包括车体结构、液压装置以及田间信息采集与控制系统。车体采用镰刀型自平衡机构搭载高臂支撑行走轮，通过汽油机直连液压泵产生液压能实现四轮驱动与转向控制，并预留直插式液压能接口。构建的车载电脑与数据采集卡系统，配合角度传感器、光电传感器、视觉传感器、卫星定位接收机、电子罗盘、电液伺服阀等实现对田间田块信息、作物信息以及本身状态信息进行采集、分析与后续的自行走控制。本发明结构紧凑，高地隙使用田间通过性好，行走平稳性高，搭载能力强，为开展视觉导航、卫星定位导航、土壤交互作用关键部件试验、播种施肥关键部件试验以及田间信息采集提供了基础平台。
Description
技术领域
本发明涉及农业机器人领域，具体的是指一种全液压轮式田间信息采集平台。
背景技术
当前“精确农业”技术被国际农业科技界认为是21世纪实现农业可持续发展的先导性技术之一，并且对“精确农业”技术的研究与应用在发达国家受到了普遍的重视，而具有相当智能的农业机器人是精确农业体系中的有效装备之一，得到了高度的重视和发展。农业机器人的出现和应用，也逐步在改变传统的农业劳动方式，促进了现代农业的发展。
目前国内外许多国家都开展了对农业机器人的研究与开发，作为农业生产领域中新一代的生产工具，农业机器人可以提高农业的生产率、作业精度，减少劳动的投入量，从而减轻操作人员的劳动强度，降低农业生产的成本。当前农业机器人设计理念多针对特定环境下实现某种功能，功能单一，使用效率低，同时也间接增加了成本；加上结构，传动方式等存在着通过性不高，操作不方便，传动扭矩不高，无法实现无级调速等特性，难以满足开展各类田间试验的要求。
针对以上存在问题，本发明提出一种全液压轮式田间信息采集平台。全液压轮式田间信息采集平台三大系统车体系统、液压装置、信息采集与控制系统的构建与优化。研制出一种结构紧凑，操作简单、方便，高地隙使用田间通过性好，行走平稳性高，搭载能力强，可实现无级调速变化等特性的试验平台。该发明为后续提供开展平台自身性能的试验、视觉导航、卫星定位导航、土壤交互作用关键部件试验、播种施肥关键部件试验以及田间信息采集等试验研究提供了基础平台。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种全液压轮式田间信息采集平台，该平台结构紧凑，高地隙使用田间通过性好，行走平稳性高，搭载能力强，为开展视觉导航、卫星定位导航、土壤交互作用关键部件试验、播种施肥关键部件试验以及田间信息采集提供了基础平台。
为实现上述目的，本发明提供的全液压轮式田间信息采集平台，其特征在于：它由车体结构、液压装置、信息采集与控制系统组成；
所述车体结构包括车架、车体面板、镰刀型自平衡机构、高臂支撑车轮安装座、与车体面板的前下部相连接油箱；所述车体面板焊接在车架正上面，所述液压装置和信息采集与控制系统固定于车架的后部；
所述车架的尾部下端设有镰刀型自平衡机构，镰刀型自平衡机构通过轴与车架连接，所述镰刀型自平衡机构由两块平行布置的镰刀形主板、两端分别与两块镰刀形主板连接的套筒、第一加强筋、两块方钢焊接而成；所述两块方钢分别与镰刀形主板的两端连接；
所述高臂支撑车轮安装座为由L形折弯板、第二加强筋、与L形折弯板一个平面垂直连接的过渡焊板、与过渡焊板垂直连接的焊板，以及与L形折弯板另一个平面连接的拉钩组件构成的焊接组件；所述高臂支撑车轮安装座包括两个高臂支撑后车轮安装座和两个高臂支撑前车轮安装座；所述两个高臂支撑后车轮安装座分别两块方钢连接，所述两个高臂支撑前车轮安装座通过螺栓与车架的头部下端连接。
作为优选方案，所述液压装置包括液压站、液压驱动装置、液压转向装置和直插式预留液压能接口；
所述液压站包括安装在车架尾部的汽油发动机、液压泵、油箱、安装在车架侧面上的阀组；所述阀组由阀块、溢流阀、阀组压力表、比例换向阀、液控单向阀和双向溢流阀依次连接组成；
还包括联轴器；所述汽油发动机与液压泵通过联轴器相连；所述油箱通过硬管与液压泵相连形成进油路；所述液压泵与阀组中一阀块油口通过硬管连接，阀组中另一阀块油口通过软管与油箱连接形成回油路；
所述液压驱动装置包括四个分别安装在高臂支撑车轮安装座上的液压马达、液控单向阀、比例换向阀和四个车轮；所述每个车轮分别与每个液压马达的轴固定连接；
所述阀组出油口设有三通，阀组的一端口通过软管分别与两个后轮的液压马达相连，两个后轮的液压马达通过软管串联连接，两个后轮的液压马达再与阀组连接；阀组的另一端口通过软管与两个前轮的液压马达连接，所述比例换向阀与信息采集与控制系统连接；
所述液压转向装置包括转向柱、步进电机和安装在车架的中下部且串联式连接的两个转向液压缸；
还包括固接在车架横梁上的十字滑块联轴器，所述转向柱与步进电机通过十字滑块联轴器连接；所述步进电机、液压驱动装置的驱动器和信息采集与控制系统依次连接；两个转向液压缸的塞腔通过软管连接，两个转向液压缸的杆腔均通过软管与转向柱连接；
所述阀组压力表接口处设有直插式预留液压能接口。
进一步地，所述信息采集与控制系统包括过程通道模块、液压控制系统、信号调理模块、数据采集卡、车载电脑、卫星定位接收机和电源；
所述过程通道模块、信号调理模块、数据采集卡和车载电脑依次连接；所述信号调理模块经排线依次与数据采集卡和车载电脑连接，构建直接测控系统；所述信号调理模块通过串口与车载电脑连接，构建二级测控系统；所述信号调理模块还经排线分别与通道模块和液压控制系统连接；
所述卫星定位接收机通过串口与车载电脑连接；所述信号调理模块、数据采集卡和车载电脑均与电源连接。
进一步地，所述油箱为由六块面板焊接构成的立方体，油箱上设有空气过滤器和液位液温计。
本发明型具体优点如下：
其一，本发明全液压轮式田间信息采集平台，采用液压装置，四轮驱动，可以实现较大驱动扭矩，平台可载重500kg，可以实现0m/s～～5m/s无级调速；
其二，本发明全液压轮式田间信息采集平台，采用液压转向，转向液压缸串联连接，保证转向的一致性；
其三，本发明全液压轮式田间信息采集平台，预留直插式液压能接口，为后续各项试验提供稳定可靠的液压能；
其四，本发明全液压轮式田间信息采集平台，镰刀型自平衡机构搭载的车轮在保证地面仿形的同时，确保车体的平稳性；
其五，本发明高臂支撑行走轮，提高车身高度，高地隙使用田间通过性好，避障性能，结构简单，安装方便，操作可靠；
其六，本发明全液压轮式田间信息采集平台，构建的车载电脑与数据采集卡系统，配合角度传感器、光电传感器、视觉传感器、卫星定位接收机、电子罗盘、电液伺服阀等实现对田间田块信息、作物信息以及本身状态信息进行采集、分析与后续的自行走控制。
附图说明
图1是本发明全液压轮式田间信息采集平台结构示意图。
图2是本发明全液压轮式田间信息采集平台车架结构示意图。
图3是本发明镰刀型自平衡机构结构示意图。
图4是本发明高臂支撑车轮安装座结构示意图。
图5是本发明全液压轮式田间信息采集平台液压油路示意图。
图6是本发明全液压轮式田间信息采集平台硬件系统示意图。
图中：1、车架，2、阀组，3、信息采集与控制系统，4、蓄电池，5、汽油发动机，6、液压泵，7、车轮，8、液压马达，9、步进电机，10、转向柱，11、转向液压缸，12、摄像头安装组件，13、车体面板，14、镰刀型自平衡机构，15.1、高臂支撑后车轮安装座，15.2、高臂支撑前车轮安装座，16、油箱，17、镰刀型主焊板，18、套筒，19、第一加强筋，20、方钢，21、L形折弯板，22、第二加强筋，23、过渡焊板，24、焊板，25、拉钩组件，26、空气过滤器，27、联轴器，28、精密过滤器；29、溢流阀，30、直插式预留液压能接口，31、压力表，32、比例换向阀，33、液控单向阀，34、双向溢流阀，35、高压球阀，36、十字滑块联轴器，37、液位液温计，过程通道模块100，液压控制系统200，信号调理模块300，数据采集卡400，车载电脑500，卫星定位接收机600，电源700。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图所示本发明的车体结构包括车架1、车体面板13、镰刀型自平衡机构14、高臂支撑车轮安装座15、油箱16。
车体面板13是焊接在车架1正上面，面板正面开多个定位孔，并焊接多个防滑块，起到实验仪器的安装和固定等作用；
镰刀型自平衡机构14是由两块镰刀型的主板17、套筒18、加强筋19、方钢20构件焊接而成。镰刀型自平衡机构17安装在车架1尾部，通过轴与车架连接，而镰刀型自平衡机构的方钢20处与高臂支撑车轮安装座15拼焊在一起，机构在地面状况复杂的农田里行走时，遇到高低不平田埂、坑沟时，镰刀型自平衡机构搭载的车轮在保证地面仿形的同时，确保车体的平稳性；
高臂支撑车轮安装座15是一组焊接拼件，它是由L形折弯板21加强筋22、过渡焊板23和焊板24焊接构成。高臂支撑后车轮安装座15.1与镰刀型自平衡机构14拼焊在一起，高臂支撑前车轮安装座15.2通过螺栓与车架1相连，在田间行走时，车体最小离地间隙是538mm，纵向通过半径为576mm，横向通过半径为675mm，车体具备良好通过性、避障性能；
油箱16由六块面板焊接构成的立方体，油箱配有空气过滤器26、液位液温计37等辅助元件。用螺栓与车体面板13的前下部相连接，安装在车体面板前下部起到结构的紧凑和车体质量分布均匀的作用。
液压装置包括液压站、液压驱动装置、液压转向装置和直插式预留液压能接口；液压站包括汽油发动机5、液压泵6、油箱16、溢流阀29等。汽油发动机5安装在车架1的尾部的安装架上，汽油发动机5与液压泵6通过联轴器27相连。所述油箱16通过硬管与液压泵6相连，构成进油路；液压泵6与阀组2中阀块油口通过硬管相连，另一油口用软管与油箱16连接，构成回油路。
液压驱动装置包括液压马达8、液控单向阀33、比例换向阀32、和车轮7等。阀组2由阀块、溢流阀29、比例换向阀32、液控单向阀33、双向溢流阀34依次连接，并安装在车架侧面阀块安装侧板上；所述液压马达8安装在高臂支撑车轮安装座15上，将车轮7固定在液压马达的轴上，用挡圈在端部卡死；阀组出油口安装三通，端口通过软管与后轮液压马达相连，两后轮液压马达通过软管串联连接，液压马达8再与阀组2连接；另一端口通过软管与前轮液压马达相连，连接方式与后液压马达连接一致，所述比例换向阀32与信息采集与控制系统3连接。
液压转向装置包括转向柱10、步进电机9、转向液压缸11。转向柱10与步进电机9通过十字滑块联轴器36连接，步进电机9、驱动器和信息采集与控制系统3连接。采集平台采用的是双液压缸液压转向装置，转向液压缸11安装在车架的中下部，两转向液压缸采用串联式连接，两液压缸的塞腔通过软管连接，一缸杆腔由软管与转向柱10连接，另一缸杆腔由软管与转向柱10连接；直插式预留液压能接口30，其位于阀组压力表31接口处。
信息采集与控制系统包括过程通道模块100、液压控制系统200、信号调理模块300、数据采集卡400、车载电脑500、卫星定位接收机600。
过程通道模块100、液压控制系统200、信号调理模块300、数据采集卡400和车载电脑500放置在面板上依次连接；过程通道模块100、信号调理模块300、数据采集卡400和车载电脑500依次连接；信号调理模块300经排线连接到数据采集卡400，再连接到车载电脑500，构建直接测控系统；信号调理模块300通过下位机，构建直接测控系统；信号调理模块300通过串口与车载电脑500连接，构建二级测控系统。车载电脑500、信号调理模块300、液压控制系统200依次连接。
手动启动汽油发动机5，汽油发动机5转动通过联轴器连接带动液压泵6工作，液压泵6工作将油箱16中的油泵出，泵出的油一部分由一条支路连接阀组2到达液压马达8，当信息采集与控制系统3给定比例换向阀32以模拟量输出(AO)信号，此时液压马达8带动驱动轮7转动，平台行走。阀组2中包括有比例换向阀32、液控单向阀33、双向溢流阀34，通过控制模块调节比例换向阀32电流值可以调节平台的行走速度；当平台停车时，液控单向阀33闭锁马达油路中的油液，使液压马达8不会因惯性、负载自重下滑，起闭锁作用；双向溢流阀34起到过载保护的作用。油箱16通过另一条油路连接转向柱10到达液压转向缸11，其中转向液压缸11是串联连接，两液压缸的塞腔相连，一缸杆腔连接转向柱10，另一缸杆腔连接油箱16，协调左右轮转向的一致性。转向的工作原理是蓄电池4给步进电机9提供电，当信息采集与控制系统3给定驱动器以脉冲量输出(PO)信号时，步进电机9带动转向柱10工作，接通方向和调节流量，可以调节液压缸11的伸缩，然后带动高臂支撑车轮安装座15进行转动，平台进行转向。
全液压轮式田间信息采集平台功能实现实例：
可开展卫星定位导航以及视觉导航关键技术研究。进行卫星定位导航关键技术研究时，它是由采集平台、车载电脑500、卫星定位接收机600、数据采集卡400、信号调理模块300、过程通道模块100及一系列软硬件组成。以车载电脑500为载体，卫星定位接收机600接受卫星信号后解算发出当前地理位置，将卫星定位接收机600绕田块一周采集农田地理数据，用串口接收农田定位信息并用信号调理模块系统300处理。构建系统的过程通道模块100，对安装在采集平台转向轮轴上的角度传感器实时采集转向轮转角状态，经信号预处理系统300处理后输送到车载电脑500。车载电脑500以及卫星定位接收机600，实时采集分析、处理得到采集平台定位参数(航向偏差、航位偏差)，根据试验过程得到的导航控制算法实现，得到控制量，驱动动力源实现方向的纠偏，达到卫星自动导航的目的。若将其中的卫星接收机600替换为工业相机113，通过对应的导航路径识别算法，可实现视觉导航的目的。采集平台在田间试验行走过程中，平台会遇到高低不平田埂、土坑，镰刀型自平衡机构14搭载的驱动轮在保证地面仿形的同时确保车体平稳性和试验效果稳定性。
可开展农机关键部件性能试验研究。充分利用该平台提供液压能如直插式预留液压能接口30，信息采集功能如角度传感器111、光电传感器112和视觉传感器113等传感器作用，以及田间行走的优越性如镰刀型自平衡机构14、高臂支撑车轮安装座15等结构优势，对农机关键部件如精量排种器、施肥器开展田间性能试验，可实时获得精量排种器的合格指数、漏播指数以及重播指数，还可以实现亩播量、播种效率等指标的实时统计，加速精量排种器结构优化，尽早投入实际生产提供有力保证。
可开展田间信息采集，为后期导航规划、精准作业提供信息支撑。充分利用该平台的全液压驱动以及田间通过性好等特点，利用车载卫星接收机系统以及视觉传感器，实现田块信息如边界信息、面积、形状、厢距、开沟、土壤质地等以及作物信息如植株尺寸、密度、均匀性、长势的快速获取并储存，供后期分析、决策提供最原始有效的数据。
可开展田间采摘作业。充分利用该平台以及液压能预留接口，装载相应的采摘机械手，设计对应的采摘目标识别、定位与控制程序，实现智能采收作业。
本发明的车体采用镰刀型自平衡机构搭载高臂支撑行走轮，通过汽油机直连液压泵产生液压能实现四轮驱动与转向控制，并预留直插式液压能接口。构建的车载电脑与数据采集卡系统，配合角度传感器、光电传感器、视觉传感器、卫星定位接收机、电子罗盘、电液伺服阀等实现对田间田块信息(边界信息、面积、形状、厢距、开沟、土壤质地等)、作物信息(植株尺寸、密度、均匀性、长势等)以及本身状态信息进行采集、分析与后续的自行走控制。的车体面板是焊接在车架正上面，面板正面开多个定位孔，并焊接多个防滑块，起到实验仪器的安装和固定等作用，如充电电平、车载控制系统、油管、传感器。
镰刀型自平衡机构的方钢处与车轮座拼焊在一起，机构在地面状况复杂的农田里行走时，遇到高低不平田埂、坑沟时，镰刀型自平衡机构搭载的车轮在保证地面仿形的同时，确保车体的平稳性。高臂支撑前车轮安装座通过螺栓与车架相连，在田间行走时，车体最小离地间隙是538mm，纵向通过半径为576mm，横向通过半径为675mm，车体具备良好的通过性，减少对作物弯折影响；
油箱由六块面板焊接构成的立方体，容积为30升，油箱配有空气过滤器、液位液温计等辅助元件。用螺栓与车体面板的前下部相连接，安装在车体面板前下部起到结构的紧凑和车体质量分布均匀的作用。
Claims (4)
1.一种全液压轮式田间信息采集平台，其特征在于：它由车体结构、液压装置、信息采集与控制系统(3)组成；
所述车体结构包括车架(1)、车体面板(13)、镰刀型自平衡机构(14)、高臂支撑车轮安装座(15)、与车体面板(13)的前下部相连接油箱(16)；所述车体面板(13)焊接在车架(1)正上面，所述液压装置和信息采集与控制系统固定于车架(1)的后部；
所述车架(1)的尾部下端设有镰刀型自平衡机构(14)，镰刀型自平衡机构(14)通过轴与车架(1)连接，所述镰刀型自平衡机构(14)由两块平行布置的镰刀形主板(17)、两端分别与两块镰刀形主板连接的套筒(18)、第一加强筋(19)、两块方钢(20)焊接而成；所述两块方钢(20)分别与镰刀形主板(17)的两端连接；
所述高臂支撑车轮安装座(15)为由L形折弯板(21)、第二加强筋(22)、与L形折弯板(21)一个平面垂直连接的过渡焊板(23)、与过渡焊板(23)垂直连接的焊板(24)，以及与L形折弯板(21)另一个平面连接的拉钩组件(25)构成的焊接组件；所述高臂支撑车轮安装座(15)包括两个高臂支撑后车轮安装座(15.1)和两个高臂支撑前车轮安装座(15.2)；所述两个高臂支撑后车轮安装座(15.1)分别两块方钢(20)连接，所述两个高臂支撑前车轮安装座(15.2)通过螺栓与车架(1)的头部下端连接。
2.根据权利要求1所述全液压轮式田间信息采集平台，其特征在于：所述液压装置包括液压站、液压驱动装置、液压转向装置和直插式预留液压能接口；
所述液压站包括安装在车架(1)尾部的汽油发动机(5)、液压泵(6)、油箱(16)、安装在车架(1)侧面上的阀组(2)；所述阀组(2)由阀块、溢流阀(29)、阀组压力表(31)、比例换向阀(32)、液控单向阀(33)和双向溢流阀(34)依次连接组成；
还包括联轴器(27)；所述汽油发动机(5)与液压泵(6)通过联轴器(27)相连；所述油箱(16)通过硬管与液压泵(6)相连形成进油路；所述液压泵(6)与阀组(2)中一阀块油口通过硬管连接，阀组(2)中另一阀块油口通过软管与油箱(16)连接形成回油路；
所述液压驱动装置包括四个分别安装在高臂支撑车轮安装座(15)上的液压马达(8)、液控单向阀(33)、比例换向阀(32)和四个车轮(7)；所述每个车轮(7)分别与每个液压马达(8)的轴固定连接；
所述阀组(2)出油口设有三通，阀组(2)的一端口通过软管分别与两个后轮的液压马达(8)相连，两个后轮的液压马达(8)通过软管串联连接，两个后轮的液压马达(8)再与阀组(2)连接；阀组(2)的另一端口通过软管与两个前轮的液压马达(8)连接，所述比例换向阀(32)与信息采集与控制系统(3)连接；
所述液压转向装置包括转向柱(10)、步进电机(9)和安装在车架(1)的中下部且串联式连接的两个转向液压缸(11)；
还包括固接在车架(1)横梁上的十字滑块联轴器(36)，所述转向柱(10)与步进电机(9)通过十字滑块联轴器(36)连接；所述步进电机(9)、液压驱动装置的驱动器和信息采集与控制系统(3)依次连接；两个转向液压缸(11)的塞腔通过软管连接，两个转向液压缸(11)的杆腔均通过软管与转向柱(10)连接；
所述阀组压力表(31)接口处设有直插式预留液压能接口(30)。
3.根据权利要求1或2所述的全液压轮式田间信息采集平台，其特征在于：所述信息采集与控制系统(3)包括过程通道模块(100)、液压控制系统(200)、信号调理模块(300)、数据采集卡(400)、车载电脑(500)、卫星定位接收机(600)和电源(700)；
所述过程通道模块(100)、信号调理模块(300)、数据采集卡(400)和车载电脑(500)依次连接；所述信号调理模块(300)经排线依次与数据采集卡(400)和车载电脑(500)连接，构建直接测控系统；所述信号调理模块(300)通过串口与车载电脑(500)连接，构建二级测控系统；所述信号调理模块(300)还经排线分别与通道模块(100)和液压控制系统(200)连接；
所述卫星定位接收机(600)通过串口与车载电脑(500)连接；所述信号调理模块(300)、数据采集卡(400)和车载电脑(500)均与电源(700)连接。
4.根据权利要求1或2所述全液压轮式田间信息采集平台，其特征在于：所述油箱(16)为由六块面板焊接构成的立方体，油箱(16)上设有空气过滤器(26)和液位液温计(37)。
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