CN106922238B - 一种智能农机自动对行装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于现代农业装备技术领域，特别涉及一种智能自动对行装置，该装置包括横梁(2)、相机安装盒(1)、对行机构(3)、机具挂接机构(4)、控制箱(5)和控制系统，对行机构(3)包括定子(6)和动子(7)；定子(6)包括上导轨(61)、中导轨(62)、下导轨(63)、端板(64)、液压缸安装板(65)和挡板(66)，动子(7)包括主板(73)、上板(71)、中板(72)和下板(74)，上板(71)的上端面布置上复合轴承，中板(72)的前端面布置中复合轴承，下板(73)的上端面布置下复合轴承，上复合轴承设置在上导轨(61)的导轨槽内，中复合轴承设置在中导轨(62)的导轨槽内，下复合轴承设置在下导轨(63)的导轨槽内。

Description

一种智能农机自动对行装置

技术领域

本发明属于现代农业装备技术领域，特别涉及一种智能自动对行装置。

背景技术

随着智能农业装备的快速发展，对田间作业效率的要求越来越高。而准确、快速对行是实现田间高效作业的主要手段，该技术手段间接影响着作业质量及农作物的生长和产量。但是由于各种原因，如果仅仅依靠机械操作人员的主观判断和操纵方向，一方面对操作人员的经验要求很高，另一方面，在工作过程中不可避免地会出现对不准作物行的情况，不但严重制约了作业效率，而且容易造成农业生产的损失。因此将自动对行技术应用在作业农机具上具有极其重要的意义。

在现有的具备自动对行功能的机械中，仅能实现机械本身的对行功能，不具备通用性。因此有必要发明一种可挂接多种农机具的自动对行装置，有效提高田间对行作业的快速性和可靠性。

虽然国内外有相关学者对自动对行系统进行研究试验，带有自动对行系统的农机还没有太多成功的机型。究其原因，主要是因为国内外相关机具结构复杂、难于控制，而且均采用导向轮等被动对行方法，受作业环境影响大、可靠性低。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于机器视觉伺服控制系统的可挂接多种作业农机具的智能农机自动对行装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种智能农机自动对行装置，包括横梁2，该装置还包括相机安装盒1、对行机构3、机具挂接机构4、控制箱5和控制系统，其中，

机具挂接机构4固接在横梁2的后端；

相机安装盒1转动连接在相机杆的上端，相机杆的下端固接在横梁2上；

控制箱5布置在横梁2上；

对行机构3包括定子6和动子7；

定子6包括上导轨61、中导轨62、下导轨63、端板64、液压缸安装板65和挡板66，其中，上导轨61水平布置，两个端板64的上端与上导轨61的两端垂直固接，上导轨61的导轨槽朝下；中导轨62固接在两个端板64上，位于上导轨61下方，中导轨62的导轨槽朝后，两个液压缸安装板65的上端垂直固接在中导轨62上，布置在两个端板64之间；下导轨63的两端固接在两个液压缸安装板65的下端，下导轨63的导轨槽朝下，两个挡板66垂直固接在中导轨62的中部，挡板66的下端固接在下导轨63上；

动子7包括主板73、上板71、中板72和下板74，其中主板73竖直布置，上板71的后端与主板73的顶端垂直固接，上板71的前端与中板72的顶端垂直固接，中板72与主板73平行，下板74的后端与主板73的底端垂直固接，上板71的上端面布置上复合轴承，中板72的前端面布置中复合轴承，下板73的上端面布置下复合轴承，其中，上复合轴承位于中复合轴承后侧，下复合轴承位于中复合轴承前侧，液压杆推板75设置在主板73的中心线，其下端与底板74垂直固接，在主板73上位于液压杆推板75的两侧相对设置一对限位板76；

上复合轴承设置在上导轨61的导轨槽内，中复合轴承设置在中导轨62的导轨槽内，下复合轴承设置在下导轨63的导轨槽内，动子7通过主板73固接在横梁2的前端；

右液压缸101的固定端固接在定子6的右侧端板64内侧，右液压缸101的移动端固接在动子7的液压缸推板75的右侧；左液压缸102的固定端固接在定子6的左侧端板64内侧，左液压缸102的移动端固接在动子7的液压缸推板75的左侧；

定子6的挡板66与动子7的限位板76相配合，用于对动子7进行限位；

电子尺13的固定端，即数据输出端，固接在定子6的一侧的液压缸安装板65的内侧上，电子尺13的移动端固接在动子7的另一侧的限位板76上。

所述机具挂接机构4包括安装板15、连接板16、机具挂接板17和挂接机构液压缸14；

安装板15上水平设置安装板上层安装轴151和安装板下层安装轴152，机具挂接板17上水平设置挂接板上层安装轴171和挂接板下层安装轴172；连接板16设置在安装板15和机具挂接板17之间，其包括上层连接板161和下层连接板162，其中，上层连接板161的两端分别与安装板上层安装轴151和挂接板上层安装轴171转动连接，形成转动副；下层连接板162的两端分别与安装板下层安装轴152和挂接板下层安装轴172转动连接，形成转动副；

挂接机构液压缸14布置在安装板15和机具挂接板17之间，挂接机构液压缸14的一端与安装板上层安装轴151转动连接，挂接机构液压缸14的另一端与挂接板下层安装轴172转动连接；

其中，挂接机构液压缸14、上层连接板161和机具挂接板17构成三点固定结构；挂接机构液压缸14、下层连接板162和安装板15也构成三点固定结构。

挂接机构液压缸14的固定端与安装板上层安装轴151转动连接，挂接机构液压缸14的伸出端与挂接板下层安装轴172转动连接。

所述控制系统，包括机器视觉伺服控制系统和对行液压控制系统；

机器视觉伺服控制系统包括相机和机器视觉伺服控制单元，相机放置于相机安装盒1上，相机镜头朝向挂接机具方向，相机和机器视觉伺服控制单元电路连接；

对行液压控制系统包括液压缸控制器和单片机，其中，液压缸控制器和单片机放置于控制箱5内，其中，单片机与机器视觉伺服控制单元电路连接，单片机与液压缸控制器电路连接，液压缸控制器与右液压缸101和左液压缸102电路连接，电子尺13与单片机电路连接。

本发明的有益效果在于：

(1)智能农机自动对行装置与拖拉机形成一体机，拖拉机采用后置式液压悬挂结构，具有减少拖拉机前方遮挡物，视觉视野宽阔、末端执行器操作空间大、寻行可靠性高等特点。

(2)利用机器视觉伺服控制系统进行导航，实时性好，受作业环境影响小。

(3)智能农机自动对行装置能够实时补偿作物行间偏距，同时拖拉机驾驶员又能根据机器视觉伺服控制单元的显示装置上显示的机具左右偏离的位置手动补偿拖拉机整体偏距。

(4)智能农机自动对行装置能够为各种作业机具提供自动对行的作用，如挂接行间锄草铲形成中耕锄草机，挂接喷杆或开沟铲形成精准施药、施肥机，具有通用性。

(5)智能农机自动对行装置采用液压为动力源，具有实时性好、对行灵敏度高、工作可靠，能够在恶劣的环境下正常工作。

附图说明

图1为本发明的智能农机自动对行装置结构示意图；

图2为本发明的对行机构的结构示意图；

图3为本发明的对行机构的装配图；

图4为本发明的对行机构的装配俯视图；

图5为本发明的定子的结构示意图；

图6为本发明的动子的结构示意图；

图7为本发明的机具挂接机构的结构示意图。

附图标记：

1相机安装盒 2横梁 3对行机构

4机具挂接机构 5控制箱 6定子

7动子 101右液压缸 102左液压缸

13电子尺 14挂接机构液压缸 15安装板

151安装板上层安装轴 152安装板下层安装轴 16连接板

161上层连接板 162下层连接板 17机具挂接板

171挂接板上层安装轴 172挂接板下层安装轴 61上导轨

62中导轨 63下导轨 64端板

65液压缸安装板 66挡板 71上板

72中板 73主板 74下板

75液压杆推板 76限位板

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。

如图1所示，一种智能农机自动对行装置，包括相机安装盒1、横梁2、对行机构3、机具挂接机构4、控制箱5和控制系统。其中，机具挂接机构4固接在横梁2的后端；相机安装盒1转动连接在相机杆的上端，使得相机安装盒1的安装角度可调节，相机杆的下端固接在横梁2上；控制箱5布置在横梁2上。

如图2、图5和图6所示，对行机构3包括定子6和动子7。

定子6包括上导轨61、中导轨62、下导轨63、端板64、液压缸安装板65和挡板66。其中，上导轨61水平布置，两个端板64的上端与上导轨61的两端垂直固接。上导轨61的导轨槽朝下。中导轨62固接在两个端板64上，位于上导轨61下方。中导轨62的导轨槽朝后，两个液压缸安装板65的上端垂直固接在中导轨62上，布置在两个端板64之间。下导轨63的两端固接在两个液压缸安装板65的下端，下导轨63的导轨槽朝下。两个挡板66垂直固接在中导轨62的中部，挡板66的下端固接在下导轨63上，挡板66的上端延伸作为三点悬挂上点。端板64和液压缸安装板65的下端作为三点悬挂的下两点。

动子7包括主板73、上板71、中板72和下板74，其中主板73竖直布置，上板71的后端与主板73的顶端垂直固接，上板71的前端与中板72的顶端垂直固接，中板72与主板73平行，下板74的后端与主板73的底端垂直固接。上板71的上端面布置一对上复合轴承，中板72的前端面布置一对中复合轴承，下板73的上端面布置一对下复合轴承，其中，上复合轴承位于中复合轴承后侧，下复合轴承位于中复合轴承前侧。液压杆推板75设置在主板73的中心线，其下端与底板74垂直固接。在主板73上位于液压杆推板75的两侧相对设置一对限位板76，限位板76的位置可根据作物行距进行设定。

上复合轴承设置在上导轨61的导轨槽内，中复合轴承设置在中导轨62的导轨槽内，下复合轴承设置在下导轨63的导轨槽内。动子7通过主板73固接在横梁2的前端。

如图3、图4所示，右液压缸101的固定端固接在定子6的右侧端板64内侧，右液压缸101的移动端固接在动子7的液压缸推板75的右侧；左液压缸102的固定端固接在定子6的左侧端板64内侧，左液压缸102的移动端固接在动子7的液压缸推板75的左侧。

定子6的挡板66与动子7的限位板76相配合，用于对动子7进行限位，其限位行程可根据作物行距对限位板76的位置进行设定。

如图4所示，电子尺13的固定端，即数据输出端，固接在定子6的一侧的液压缸安装板65的内侧上，电子尺13的移动端固接在动子7的另一侧的限位板76上，用于采集动子7相对于定子6的实时位置信息。

如图7所示，机具挂接机构4，包括安装板15、连接板16、机具挂接板17和挂接机构液压缸14。

安装板15上水平设置安装板上层安装轴151和安装板下层安装轴152，机具挂接板17上水平设置挂接板上层安装轴171和挂接板下层安装轴172。连接板16设置在安装板15和机具挂接板17之间，其包括上层连接板161和下层连接板162，其中，上层连接板161的两端分别与安装板上层安装轴151和挂接板上层安装轴171转动连接，形成转动副；下层连接板162的两端分别与安装板下层安装轴152和挂接板下层安装轴172转动连接，形成转动副。

安装板15固接在横梁2的后端。

挂接机构液压缸14布置在安装板15和机具挂接板17之间，挂接机构液压缸14的一端与安装板上层安装轴151转动连接，挂接机构液压缸14的另一端与挂接板下层安装轴172转动连接。

优选地，挂接机构液压缸14的固定端与安装板上层安装轴151转动连接，挂接机构液压缸14的伸出端与挂接板下层安装轴172转动连接。

其中，挂接机构液压缸14、上层连接板161和机具挂接板17构成三点固定结构；同理，挂接机构液压缸14、下层连接板162和安装板15也构成三点固定结构。如此结构，既能够保证机具挂接机构4的稳定性和可靠性，也能通过挂接机构液压缸14的伸缩改变该机具挂接机构4挂接的机具的水平高度。

当作业机具连接完成后，通过挂接机构液压缸14的伸缩可以调整作业机具的水平高度，以保证作业机具正常挂接和足够的工作空间。

本发明动力牵引装置可为普通农用拖拉机或其他农用动力牵引平台，由动力牵引平台的后置三点悬挂装置搭载，即机具后置。

本发明利用拖拉机自身的液压输出为自动对行装置提供动力源，以车载电源为整个控制系统供电。

控制系统，包括机器视觉伺服控制系统和对行液压控制系统。

机器视觉伺服控制系统包括相机和机器视觉伺服控制单元，其作用是相机采集田间图像，由机器视觉伺服控制单元进行数据处理，得出作物行偏距信息。其中，相机放置于相机安装盒1上，相机镜头朝向挂接机具方向。相机和机器视觉伺服控制单元电路连接。

对行液压控制系统包括液压缸控制器和单片机，其中，液压缸控制器和单片机放置于控制箱5内。其中，单片机与机器视觉伺服控制单元电路连接，单片机与液压缸控制器电路连接，液压缸控制器与右液压缸101和左液压缸102电路连接，电子尺13与单片机电路连接。

对行液压控制系统是利用单片机从机器视觉伺服控制单元接收偏距信息，通过液压缸控制器向右液压缸101和左液压缸102的液压电磁阀发出指令，如图像采集到作物行右偏距，则单片机通过液压缸控制器控制左液压缸102的液压电磁阀通电，即左液压缸102的移动端伸出，推动动子7向右侧移动，同时电子尺13会实时采集位移信息，并通过单片机传送给机器视觉伺服控制单元，机器视觉伺服控制单元判断当位移值与偏距值相等时，左液压缸102的液压电磁阀断电，对行机构3停止运动。同理，如图像采集到作物行左偏距，则单片机通过液压缸控制器控制右液压缸101的液压电磁阀通电，即右液压缸101的移动端伸出，推动动子7向左侧移动，同时电子尺13会实时采集位移信息，并通过单片机传送给机器视觉伺服控制单元，机器视觉伺服控制单元当位移值与偏距值相等时，右液压缸101的液压电磁阀断电，对行机构3停止运动。使自动对行装置挂接的作业机具实时对准苗行或对准行间区域，进而使其在有效工作区域快速跟随苗行作业。

该智能农机自动对行装置在实际应用时，可依据田间种植情况及用户需求，挂接不同的机具单元形成不同功能的作业机。如将行间锄刀单元挂接到该装置形成中耕锄草机，将喷头挂接到该装置形成施药、施肥机。

工作过程：

智能农机自动对行装置在田间由拖拉机牵引工作，第一阶段是对行机构3在行间进行小范围的对行，防止智能农机自动对行装置挂接的作业机具在作物行间对农作物造成损伤；第二阶段是指导拖拉机驾驶员进行拖拉机导向，防止对行装置所挂接的机具跨行作业。

第一阶段：

智能农机自动对行装置启动前首先需要调节拖拉机三点悬挂装置，使自动对行装置保持水平。

电子尺13初始化，启动后由机器视觉伺服控制单元处理相机实时采集的作物行信息获得相机与作物行偏距，机器视觉伺服控制单元与单片机进行串口通讯，单片机利用偏距信息控制左液压缸102和右液压缸101的液压电磁阀的通断，继而控制左、右液压缸移动端的伸缩，使动子7相对于定子6产生横向位移，从而实现对行运动。在对行机构3将机具进行位置调整后，需要进入第二阶段，对拖拉机的行驶方向进行进一步调整。

第二阶段：

机器视觉伺服控制单元接收电子尺13的左、右移动的信息，显示在机器视觉伺服控制单元的显示装置上，驾驶员可根据显示装置上显示电子尺的偏移状态，对拖拉机进行方向的调整。

Claims (4)

1.一种智能农机自动对行装置，包括横梁(2)，其特征在于：

该装置还包括相机安装盒(1)、对行机构(3)、机具挂接机构(4)、控制箱(5)和控制系统，其中，

机具挂接机构(4)固接在横梁(2)的后端；

相机安装盒(1)转动连接在相机杆的上端，相机杆的下端固接在横梁(2)上；

控制箱(5)布置在横梁(2)上；

对行机构(3)包括定子(6)和动子(7)；

定子(6)包括上导轨(61)、中导轨(62)、下导轨(63)、端板(64)、液压缸安装板(65)和挡板(66)，其中，上导轨(61)水平布置，两个端板(64)的上端与上导轨(61)的两端垂直固接，上导轨(61)的导轨槽朝下；中导轨(62)固接在两个端板(64)上，位于上导轨(61)下方，中导轨(62)的导轨槽朝后，两个液压缸安装板(65)的上端垂直固接在中导轨(62)上，布置在两个端板(64)之间；下导轨(63)的两端固接在两个液压缸安装板(65)的下端，下导轨(63)的导轨槽朝下，两个挡板(66)垂直固接在中导轨(62)的中部，挡板(66)的下端固接在下导轨(63)上；

动子(7)包括主板(73)、上板(71)、中板(72)和下板(74)，其中主板(73)竖直布置，上板(71)的后端与主板(73)的顶端垂直固接，上板(71)的前端与中板(72)的顶端垂直固接，中板(72)与主板(73)平行，下板(74)的后端与主板(73)的底端垂直固接，上板(71)的上端面布置上复合轴承，中板(72)的前端面布置中复合轴承，下板(73)的上端面布置下复合轴承，其中，上复合轴承位于中复合轴承后侧，下复合轴承位于中复合轴承前侧，液压杆推板(75)设置在主板(73)的中心线，其下端与底板(74)垂直固接，在主板(73)上位于液压杆推板(75)的两侧相对设置一对限位板(76)；

上复合轴承设置在上导轨(61)的导轨槽内，中复合轴承设置在中导轨(62)的导轨槽内，下复合轴承设置在下导轨(63)的导轨槽内，动子(7)通过主板(73)固接在横梁(2)的前端；

右液压缸(101)的固定端固接在定子(6)的右侧端板(64)内侧，右液压缸(101)的移动端固接在动子(7)的液压缸推板(75)的右侧；左液压缸(102)的固定端固接在定子(6)的左侧端板(64)内侧，左液压缸(102)的移动端固接在动子(7)的液压缸推板(75)的左侧；

定子(6)的挡板(66)与动子(7)的限位板(76)相配合，用于对动子(7)进行限位；

电子尺(13)的固定端，即数据输出端，固接在定子(6)的一侧的液压缸安装板(65)的内侧上，电子尺(13)的移动端固接在动子(7)的另一侧的限位板(76)上。

2.根据权利要求1所述的智能农机自动对行装置，其特征在于：

所述机具挂接机构(4)包括安装板(15)、连接板(16)、机具挂接板(17)和挂接机构液压缸(14)；

安装板(15)上水平设置安装板上层安装轴(151)和安装板下层安装轴(152)，机具挂接板(17)上水平设置挂接板上层安装轴(171)和挂接板下层安装轴(172)；连接板(16)设置在安装板(15)和机具挂接板(17)之间，其包括上层连接板(161)和下层连接板(162)，其中，上层连接板(161)的两端分别与安装板上层安装轴(151)和挂接板上层安装轴(171)转动连接，形成转动副；下层连接板(162)的两端分别与安装板下层安装轴(152)和挂接板下层安装轴(172)转动连接，形成转动副；

挂接机构液压缸(14)布置在安装板(15)和机具挂接板(17)之间，挂接机构液压缸(14)的一端与安装板上层安装轴(151)转动连接，挂接机构液压缸(14)的另一端与挂接板下层安装轴(172)转动连接；

其中，挂接机构液压缸(14)、上层连接板(161)和机具挂接板(17)构成三点固定结构；挂接机构液压缸(14)、下层连接板(162)和安装板(15)也构成三点固定结构。

3.根据权利要求2所述的智能农机自动对行装置，其特征在于：

挂接机构液压缸(14)的固定端与安装板上层安装轴(151)转动连接，挂接机构液压缸(14)的伸出端与挂接板下层安装轴(172)转动连接。

4.根据权利要求1或2所述的智能农机自动对行装置，其特征在于：

所述控制系统，包括机器视觉伺服控制系统和对行液压控制系统；

机器视觉伺服控制系统包括相机和机器视觉伺服控制单元，相机放置于相机安装盒(1)上，相机镜头朝向挂接机具方向，相机和机器视觉伺服控制单元电路连接；

对行液压控制系统包括液压缸控制器和单片机，其中，液压缸控制器和单片机放置于控制箱(5)内，其中，单片机与机器视觉伺服控制单元电路连接，单片机与液压缸控制器电路连接，液压缸控制器与右液压缸(101)和左液压缸(102)电路连接，电子尺(13)与单片机电路连接。