CN105467892B - 一种基于温室内凹槽单轨自动化作业车及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于温室内凹槽单轨自动化作业车及其控制方法；包括导向轨道、底盘、搭载平台、运动机构、反馈控制系统和蓄电池。所述的底盘用于固定和支撑搭载平台、运动机构、反馈控制系统和蓄电池；所述的搭载平台用于搭载机具和运输物料；所述的运动机构一方面用于驱动和控制作业车在轨道内的运动和停止，另一方面用于在轨道转弯处控制驱动轮的转动；所述的反馈控制系统用于定位作业车所在位置、控制作业车避障与报警、控制作业车自主运动到指定位置。本发明前后驱动轮独立控制，便于控制作业车在温室主过道和畦间过道内往复运动，工作过程中通过接近开关和绝对值编码器共同收集信号传送至单片机进行处理，并通过电子地图显示位置坐标，实现作业车的精确定位控制，自动化程度高、运输效率高。

Description

一种基于温室内凹槽单轨自动化作业车及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于温室内凹槽单轨自动化作业车及其控制方法，属于设施农业机械领域。

技术背景

日光温室是我国现代化农业的重要组成部分，温室农业机械化和精准化是温室未来发展的必然趋势。日光温室需要短期内进行播种、收获、灌溉、喷药等多种作业，同时还经常需要运输物料、工具等。目前我国温室作业机械设施自动化水平较落后，存在配套水平和智能化程度低、标准化工作不完善等缺陷。

由于受现阶段设施农业发展特点的限制，温室内作业车技术一直未得到很好的创新。现有温室作业车多是功能单一且操作需人工干预，生产效率低。目前温室作业车的驱动一般有两种方式：一是人为控制，人力驱动作业车车轮在地面上运动；另一方式是搭建温室轨道，让温室作业车在轨道上运动。但两种驱动方式均存在一定不足，人为控制需人工操作，增加劳动强度和人工成本；搭建温室双轨道或电磁引导装置存在作业车转弯半径大、生产成本高和温室土地利用率低等突出问题。

因此，迫切需要发明一种结构轻便、适应性高、智能化程度高、工作效率高的多功能温室作业车，实现搭载作业机具自动高效的完成作业，稳定快速运输物料和机具，精确控制作业车运行，对提高温室作业车通用性，减少劳动强度，降低生产成本，提高生产效率具有重大的经济和社会意义。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷，解决温室作业车智能化程度低、功能单一、占用耕地面积大的问题而发明的一种基于温室内凹槽单轨自动化作业车及其控制方法，具有搭载农用机具完成作业，自主运送物料和工具，多目标位置设定，精确定位控制运动和自主回程等多种复合功能。

本发明采用的技术方案：

一种基于温室内凹槽单轨多功能自动化作业车，包括导向轨道、底盘、搭载平台、运动机构、反馈控制系统和蓄电池。所述的导向轨道用于承载作业车运动，规划作业车运行轨迹；所述的底盘用于固定和支撑搭载平台、运动机构、反馈控制系统和蓄电池；所述的搭载平台用于搭载设施农用机具和运输物料；所述的运动机构一方面用于驱动和控制作业车在凹槽轨道内运动和停止，另一方面用于作业车在凹槽轨道转弯处控制驱动轮的转动；所述的反馈控制系统用于定位作业车所在位置并反馈到电子地图、控制作业车自动避障并报警、控制运动机构中各电机的工作状态以及控制作业车自主运动到指定工作位置。

所述的导向轨道为带有凹槽的型钢，导向轨道包括直线型轨道和圆弧型轨道，导向轨道铺放在温室内的主过道和畦间过道上，并保持导向轨道上沿与温室地面水平，同时导向轨道上设有金属锚片。所述的运动机构包括驱动装置、从动装置、直流电机、电机固定架和固定螺钉。所述的驱动装置由轮毂电机驱动轮、车轮罩、清扫铲、连接架、锁紧螺母、减震弹簧、导轮和导轮固定架组成；所述的轮毂电机驱动轮为两个并分别安装在底盘前后端中间位置下方的车轮罩内；所述的车轮罩固定安装在轮毂电机驱动轮和连接架之间，车轮罩下方固定有导轮固定架；所述的导轮为两排并分别安装在导轮固定架上；所述的锁紧螺母固定安装在连接架两侧，用于将轮毂电机驱动轮和车轮罩锁紧到连接架内；所述的连接架为两个并分别固定连接在底盘前后两端的直流电机上，连接架两侧安装有减震弹簧；所述的清扫铲固定在车轮罩前端，其作用是清除凹槽轨道内的杂物；所述的从动装置由从动轮、车轮固定架、连接螺栓、连接螺母、固定轴和固定螺母组成；所述的车轮固定架是万向轮旋转架，车轮固定架为两个并分别通过连接螺栓和连接螺母固定在作业车底盘中间的左右两侧；所述的从动轮通过固定轴固定安装在车轮固定架内；所述的固定螺母安装在固定轴的两侧，用于固定从动轮和车轮固定架；所述的电机固定架为两个并通过固定螺钉分别固定在底盘前后两端的中间位置；所述的直流电机固定安装在电机固定架上。

所述的反馈控制系统包括单片机、控制箱、直流电机控制器、接近开关、绝对值编码器、超声波传感器、Wi-Fi模块和平板电脑。所述的控制箱固定安装在底盘内部，用于放置单片机、Wi-Fi模块和直流电机控制器；无线路由器固定在温室后墙上；所述的直流电机控制器接收单片机PWM信号控制直流电机的启动、停止和正反转；所述的接近开关为四个并分别安装在作业车底盘前端和后端的左右两侧，其中左侧前后两个接近开关分别与轮毂电机驱动轮中轴线所在平面对齐，右侧两个接近开关分别安装在前后两个轮毂电机驱动轮的前面和后面，接近开关串接到单片机上，用于检测凹槽轨道两侧的金属信号；所述的绝对值编码器安装在轮毂电机驱动轮一侧，绝对值编码器串接到单片机上，用于确定轮毂电机驱动轮的转动角度，进而计算作业车的当前位置；所述的超声波传感器安装在作业车搭载平台前沿两侧，超声波传感器串接到单片机的模拟量信号输入接口，检测作业车前方是否有障碍信号；所述的Wi-Fi模块串接到单片机，与无线路由器进行通讯，实现与平板电脑的信号收发功能。

本发明还提供了一种基于温室内凹槽单轨多功能自动化作业车的控制方法，包括如下步骤：

1)作业车启动：当Wi-Fi模块接受到平板电脑发来的作业指令时，单片机处理Wi-Fi信号并分析规划运行路径，由单片机控制作业车的直流电机工作，使作业车开始运动；在作业车在轨运动过程中，通过单片机控制直流电机转速调节作业车行进速度。

2)作业车轨道内直线运动：作业车接收到目标位置坐标后，按规划好的运动轨迹在凹槽轨道内运动，在作业车沿主过道和畦间过道的凹槽轨道行进过程中，单片机控制左侧接近开关检测经过的金属信号和绝对值编码器所记录的作业车行走距离以确定作业车运动位置，直至运动到目标位置。

3)作业车轨道内弯道转向：在主过道和畦间过道的直线凹槽轨道交接处设有四分之一圆弧的弯道凹槽轨道，作业车沿凹槽轨道运动时，当右前侧接近开关检测到金属信号时，单片机控制直流电机带动前轮毂电机驱动轮转向，再通过延时程序控制后轮毂电机驱动轮转向，实现作业车整体转向；当右前侧接近开关再次检测到金属信号时，单片机控制直流电机反向转动，带动作业车整体转回到另一方向的直线运动。

4)作业车工作位置转换运动：通过在平板电脑上设定多个目标位置，作业车可连续完成转移工作位置的工作，在畦间过道的直线凹槽轨道完成前一个工作后，单片机控制作业车的轮毂电机反转，作业车反向运动至右后侧接近开关检测到金属信号，单片机控制直流电机完成作业车弯道转向，作业车整体回到主过道的凹槽轨道；单片机再次控制作业车重复步骤2)和步骤3)运动至下一个目标位置。

5)作业车返程：在作业车完成所有工作后，单片机接收到作业车反馈的所在位置X-Y坐标，单片机自主规划回程轨迹，并控制轮毂电机和直流电机运动，控制作业车返回到原点，完成所有工作。

本发明的有益效果：

1)本发明采用前后轮驱动的底盘，结构紧凑，作业车的工作环境为单凹槽轨道，减小温室非种植面积，提高土地利用率。

2)本发明前后驱动轮独立控制，便于控制作业车在温室主过道和畦间过道内往复运动，简化了温室内凹槽轨道的铺设。

3)本发明在工作过程中通过两侧接近开关和绝对值编码器共同收集信号传送到单片机进行处理，并通过电子地图显示位置坐标，实现作业车在温室内的精确定位控制。

4)本发明可搭载设施农用机具和自动运输物料，采用多种反馈控制，自动化程度高、运输效率高、节省劳动力。

附图说明

图1为本发明一种基于温室内凹槽单轨自动化作业车的结构示意图；

图2为多功能自动化作业车的主视图；

图3为多功能自动化作业车的左视图；

图4为多功能自动化作业车驱动装置的主视图；

图5为多功能自动化作业车驱动装置的左视图；

图中：1、搭载平台2、底盘3、接近开关4、轮毂电机驱动轮5、从动轮6、蓄电池7、直流电机8、超声波传感器9、Wi-Fi模块10、控制箱11、单片机12、车轮固定架13、连接螺栓14、固定轴15、车轮罩16、绝对值编码器17、固定螺母18、电机固定架19、连接架20、减震弹簧21、锁紧螺母22、导轮23、导轮固定架24、清扫铲

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利进行进一步的说明。本发明所述的一种基于温室内凹槽单轨自动化作业车，如图1、2、3、4、5所示。一种基于温室内凹槽单轨自动化作业车，包括导向轨道、底盘2、搭载平台、运动机构、反馈控制系统和蓄电池6。所述的导向轨道为带有凹槽的型钢，包括直线型轨道和圆弧型轨道，导向轨道铺放在温室内的主过道和畦间过道上，并保持导向轨道上沿与温室地面水平，并且导向轨道上设有金属锚片。所述的运动机构包括驱动装置、从动装置、直流电机7、电机固定架18和固定螺钉。所述的驱动装置由轮毂电机驱动轮4、车轮罩15、清扫铲24、连接架19、锁紧螺母21、减震弹簧20、导轮22和导轮固定架23组成；所述的轮毂电机驱动轮4两个分别安装在底盘前后端中间位置下方的车轮罩15内；所述的车轮罩15固定安装在轮毂电机驱动轮4和连接架19之间，车轮罩15下方固定有导轮固定架23；所述的导轮22两排分别安装在导轮固定架23上；所述的锁紧螺母21固定安装在连接架19两侧，将轮毂电机驱动轮4和车轮罩15锁紧到连接架19内；所述的连接架19两个分别固定连接到底盘2前后两端的直流电机7上，连接架19两侧安装有减震弹簧20；所述的清扫铲24固定在车轮罩15前端，其作用是清除凹槽轨道内的杂物；所述的从动装置由从动轮5、车轮固定架12、连接螺栓13、连接螺母、固定轴14和固定螺母17组成；所述的车轮固定架12是万向轮旋转架，两车轮固定架12分别通过连接螺栓13和连接螺母固定在作业车底盘2中间的左右两侧；所述的从动轮5固定安装在车轮固定架12内；所述的固定轴14安装在从动轮5和车轮固定架12之间；所述的固定螺母安装在固定轴14的两侧，固定从动轮5和车轮固定架12；所述的电机固定架18两个通过固定螺钉分别固定到底盘2前后两端的中间位置；所述的直流电机7固定安装到电机固定架18上。

所述的反馈控制系统包括单片机11、控制箱10、直流电机控制器、接近开关3、绝对值编码器16、超声波传感器8、Wi-Fi模块9和平板电脑。所述的控制箱10固定安装在底盘2内部，用于放置单片机11、Wi-Fi模块9和直流电机控制器；所述的无线路由器固定在温室后墙上；所述的直流电机控制器接收单片机11PWM信号控制直流电机7的启动、停止和正反转；所述的四个接近开关3分别安装在作业车底盘2前端和后端的左右两侧，其中左侧前后两个接近开关3分别与轮毂电机驱动轮4中轴线所在平面对齐，右侧两个接近开关3分别安装在前后两个轮毂电机驱动轮4之前与之后，接近开关3串接到单片机11上，用于检测凹槽轨道两侧的金属信号；所述的绝对值编码器16安装在轮毂电机驱动轮4一侧，绝对值编码器16串接到单片机11上，用于确定轮毂电机驱动轮4的转动角度，进而计算作业车的当前位置；所述的超声波传感器8安装在作业车搭载平台1前沿两侧，超声波传感器8串接到单片机11的模拟量信号输入接口，检测作业车前方是否有障碍信号；所述的Wi-Fi模块9串接到单片机11，与无线路由器进行通讯，实现与平板电脑的信号收发功能。

本发明一种基于温室内凹槽单轨多功能自动化作业车的控制方法，包括如下步骤：

1)作业车启动：当Wi-Fi模块9接受到平板电脑发来的作业指令时，单片机11处理Wi-Fi信号并分析规划运行路径，由单片机11控制作业车的直流电机7工作，使作业车开始运动；在作业车在轨运动过程中，通过单片机11控制直流电机7转速调节作业车行进速度。

2)作业车轨道内直线运动：作业车接收到目标位置坐标后，按规划好的运动轨迹在凹槽轨道内运动，在作业车沿主过道和畦间过道的凹槽轨道行进过程中，单片机11控制左侧接近开关3检测经过的金属信号和绝对值编码器16所记录的作业车行走距离以确定作业车运动位置，直至运动到目标位置。

3)作业车轨道内弯道转向：在主过道和畦间过道的直线凹槽轨道交接处设有四分之一圆弧的弯道凹槽轨道，作业车沿凹槽轨道运动时，当右前侧接近开关3检测到金属信号时，单片机11控制直流电机7带动前轮毂电机驱动轮4转向，再通过延时程序控制后轮毂电机驱动轮4转向，实现作业车整体转向；当右前侧接近开关3再次检测到金属信号时，单片机11控制轮毂电机反向转动，带动作业车整体转回到另一方向的直线运动。

4)作业车工作位置转换运动：通过在平板电脑上设定多个目标位置，作业车可连续完成转移工作位置的工作，在畦间过道的直线凹槽轨道完成前一个工作后，单片机11控制作业车的轮毂电机反转，作业车反向运动至右后侧接近开关3检测到金属信号，单片机11控制直流电机7完成作业车弯道转向，作业车整体回到主过道的凹槽轨道；单片机11再次控制作业车重复步骤2)和步骤3)运动至下一个目标位置。

5)作业车返程：在作业车完成所有工作后，单片机11接收到作业车反馈的所在位置坐标，单片机11自主规划回程轨迹，并控制轮毂电机和直流电机7运动，控制作业车返回到原点，完成所有工作。

Claims (2)

1.一种基于温室内凹槽单轨自动化作业车，其特征在于包括导向轨道、底盘、搭载平台、运动机构、反馈控制系统和蓄电池；所述的导向轨道用于承载作业车运动，规划作业车运行轨迹；所述的底盘用于固定和支撑搭载平台、运动机构、反馈控制系统和蓄电池；所述的搭载平台用于搭载设施农用机具和运输物料；所述的运动机构一方面用于驱动和控制作业车在凹槽轨道内运动和停止，另一方面用于作业车在凹槽轨道转弯处控制驱动轮的转动；所述的反馈控制系统用于定位作业车所在位置并反馈到电子地图、控制作业车自动避障并报警、控制运动机构中各电机的工作状态以及控制作业车自主运动到指定工作位置；

所述的导向轨道为带有凹槽的型钢，导向轨道包括直线型轨道和圆弧型轨道，导向轨道铺放在温室内的主过道和畦间过道上，导向轨道上沿与温室地面水平，导向轨道上设有金属锚片；所述的运动机构包括驱动装置、从动装置、直流电机、电机固定架和固定螺钉；所述的驱动装置由轮毂电机驱动轮、车轮罩、清扫铲、连接架、锁紧螺母、减震弹簧、导轮和导轮固定架组成；所述的轮毂电机驱动轮为两个并分别安装在底盘前后端中间位置下方的车轮罩内；所述的车轮罩固定安装在轮毂电机驱动轮和连接架之间，车轮罩下方固定有导轮固定架；所述的导轮分成两排安装在导轮固定架上；所述的锁紧螺母固定安装在连接架两侧，将轮毂电机驱动轮和车轮罩锁紧到连接架内；所述的连接架为两个并分别固定连接在底盘前后两端的直流电机上，连接架两侧安装有减震弹簧；所述的清扫铲固定在车轮罩前端，用于清除凹槽轨道内的杂物；所述的从动装置由从动轮、车轮固定架、连接螺栓、连接螺母、固定轴和固定螺母组成；所述的车轮固定架是万向轮旋转架，两个车轮固定架分别通过连接螺栓和连接螺母固定在作业车底盘中间的左右两侧；所述的从动轮通过固定轴固定安装在车轮固定架内；所述的固定螺母安装在固定轴的两侧，用于固定从动轮和车轮固定架；所述的电机固定架为两个并通过固定螺钉分别固定在底盘前后两端的中间位置；所述的直流电机固定安装在电机固定架上；

所述的反馈控制系统包括单片机、控制箱、直流电机控制器、接近开关、绝对值编码器、超声波传感器、Wi-Fi模块和平板电脑；所述的控制箱固定安装在底盘内部，用于放置单片机、Wi-Fi模块和直流电机控制器；无线路由器固定在温室后墙上；所述的直流电机控制器接收单片机PWM信号控制直流电机的启动、停止和正反转；所述的接近开关为四个并分别安装在作业车底盘前端和后端的左右两侧，其中左侧前后两个接近开关分别与轮毂电机驱动轮中轴线所在平面对齐，右侧两个接近开关分别安装在前后两个轮毂电机驱动轮的前面和后面，接近开关串接到单片机上，用于检测凹槽轨道两侧的金属信号；所述的绝对值编码器安装在轮毂电机驱动轮一侧，绝对值编码器串接到单片机上，用于确定轮毂电机驱动轮的转动角度，进而计算作业车的当前位置；所述的超声波传感器安装在作业车搭载平台前沿两侧，超声波传感器串接到单片机的模拟量信号输入接口，检测作业车前方是否有障碍信号；所述的Wi-Fi模块串接到单片机，与无线路由器进行通讯，实现与平板电脑的信号收发功能。

2.如权利要求1所述的一种基于温室内凹槽单轨自动化作业车的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)作业车启动：当Wi-Fi模块接受到平板电脑发来的作业指令时，单片机处理Wi-Fi信号并分析规划运行路径，由单片机控制作业车的直流电机工作，使作业车开始运动；在作业车在轨运动过程中，通过单片机控制直流电机转速调节作业车行进速度；

2)作业车轨道内直线运动：作业车接收到目标位置坐标后，按规划好的运动轨迹在凹槽轨道内运动，在作业车沿主过道和畦间过道的凹槽轨道行进过程中，单片机控制左侧接近开关检测经过的金属信号和绝对值编码器所记录的作业车行走距离以确定作业车运动位置，直至运动到目标位置；

3)作业车轨道内弯道转向：在主过道和畦间过道的直线凹槽轨道交接处设有四分之一圆弧的弯道凹槽轨道，作业车沿凹槽轨道运动时，当右前侧接近开关检测到金属信号时，单片机控制直流电机带动前轮毂电机驱动轮转向，再通过延时程序控制后轮毂电机驱动轮转向，实现作业车整体转向；当右前侧接近开关再次检测到金属信号时，单片机控制直流电机反向转动，带动作业车整体转回到另一方向的直线运动；

4)作业车工作位置转换运动：通过在平板电脑上设定多个目标位置，作业车可连续完成转移工作位置的工作，在畦间过道的直线凹槽轨道完成前一个工作后，单片机控制作业车的轮毂电机反转，作业车反向运动至右后侧接近开关检测到金属信号，单片机控制直流电机完成作业车弯道转向，作业车整体回到主过道的凹槽轨道；单片机再次控制作业车重复步骤2)和步骤3)运动至下一个目标位置；

5)作业车返程：在作业车完成所有工作后，单片机接收到作业车反馈的所在位置X-Y坐标，单片机自主规划回程轨迹，并控制轮毂电机和直流电机运动，控制作业车返回到原点，完成所有工作。