CN107251785B - 弓棚智能插架覆膜一体机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弓棚智能插架覆膜一体机，包括智能覆膜装置、自主走直装置，以及智能控制装置，所述自主走直装置包括车体，以及两个前车轮和两个后车轮，所述车体的一端安装所述的智能覆膜装置，另一端安装有智能插架装置；两个后车轮均连接有固定在车体上的驱动电机，并分别安装有编码器，驱动电机和编码器分别与智能控制装置连接，所述智能控制装置还连接有安装在车体上的电子指南系统。本发明将智能覆膜装置和智能插架装置安装在同一个车体上，实现了插架和覆膜的一体化，车体移动时，智能控制装置通过编码器、电子指南系统对车体的移动进行控制，实现了车体走直、插架间距控制，自动化程度高，大幅降低了工人劳动强度。

Description

弓棚智能插架覆膜一体机及其控制方法

技术领域

本发明涉及农业智能装备技术领域，尤其涉及一种弓棚智能插架覆膜一体机的设计与控制。

背景技术

现代农业生产中，弓棚在蔬菜栽培、育苗等方面的应用越来越广泛。利用竹木、钢材等材料作为棚架，并覆盖塑料薄膜，搭成拱形棚，能够提早或延迟蔬菜供应，特别是北方地区能在早春和晚秋淡季供应鲜嫩蔬菜，从而提高蔬菜供应量和新鲜度，同时有利于减少病虫害，防御自然灾害，增加经济效益。

弓棚建造成本较低，土地利用率高，可以保证较好的经济效益，是保护土地的蔬菜栽培的重要类型，发展潜力巨大。目前国内弓棚插架覆膜机还处于萌芽阶段，还没有很成熟的产品应用于农业生产。弓棚技术仍是人工建造，用米尺量具量出固定距离后进行两侧打孔，然后将弯好的竹坯插孔掩埋，这样不仅种植误差大，使整体抗风效果变差，而且浪费大量劳动力，劳动效率低下。种植完成后，利用人工覆膜，包括固定裙膜、顶膜等，覆膜效果差。

发明内容

本发明针对目前弓棚插架覆膜人工作业劳动强度大、效率低、工作繁琐，弓棚插架距离不均匀、需手动进杆、压杆、插杆等问题，发明了一种弓棚智能插架覆膜一体机及其控制方法，可实现弓棚插架覆膜机自主走直、全自动插架覆膜作业，提高插架、覆膜效率和准确度，确保了弓棚的结构强度。

为达到上述要求，本发明采用以下技术方案，提供一种弓棚智能插架覆膜一体机，包括智能覆膜装置、自主走直装置，以及控制所述自主走直装置的智能控制装置，所述自主走直装置包括车体，以及设置在所述车体上的两个前车轮和两个后车轮，所述车体的一端安装所述的智能覆膜装置，另一端安装有智能插架装置；

所述的两个后车轮均连接有固定在车体上的驱动电机，且两个后车轮上均安装有编码器，所述驱动电机和编码器分别与所述智能控制装置连接，所述智能控制装置还连接有安装在车体上的电子指南系统。

本方案将智能覆膜装置和智能插架装置安装在同一个车体上，由车体带动实现位置移动，实现了智能插架和覆膜的一体化，车体移动时，智能控制装置通过编码器、电子指南系统对车体的移动进行控制，实现了车体走直、插架间距控制，自动化程度高，大幅降低了工人劳动强度。

作为优选，所述智能控制装置包括固定在所述车体上且与所述驱动电机、编码器、电子指南系统连接的STM32单片机模块，以及通过wifi串口模块与所述STM32单片机模块通信的智能通讯设备。

本优选方案将智能控制系统中的智能通讯设备作为人机交互平台，wifi通信STM32单片机，可以预设插架距离、运动航向、运行速度、大田长度等参数，同时显示当前行走的距离、插架数量，便于及时了解插架情况；此外，STM32可以采用PID闭环算法控制行走电机转速调节小车行进速度，通过编码器和电子指南系统得到当前瞬时速度和实时角度，计算出单位时间内弓棚机沿设定航向行进的直线路程，从而方便对插架间距的控制，减少了插架和种植误差，提高了弓棚的整体强度。

作为优选，所述智能插架装置包括自动进杆装置和安装于所述自动进杆装置一侧的自动压插杆装置，所述自动进杆装置包括与所述车体固接的棚杆架、位于所述棚杆架下方的棚杆座，以及可将所述棚杆座推至所述自动压插杆装置下方且安装在棚杆架上的推送装置，所述棚杆架的侧架上穿设有两个上下布置的挡块，两个所述挡块之间的距离与棚杆的外径适配，两个挡块分别连接有带动其进出棚杆架的驱动装置，所述驱动装置安装在棚杆架上。

本优选方案中，通过两个挡块交替伸入和伸出棚杆架，实现棚杆架内棚杆的逐一顺次落下，通过推送装置来回推动棚杆座，实现棚杆的逐个进杆，整个进杆过程自动化程度高，在棚杆架内可预存多根棚杆，提高了进杆效率，从而保证了整个插架过程的效率。

作为优化，还包括沿棚架杆内的棚杆长度方向布置的至少两根处于拉伸状态的弹簧，所述弹簧的下端与棚杆架固接，弹簧的上端均与压在棚杆上的压板固接。弹簧往下的拉力通过压板传递给棚杆，使棚杆在往下掉落时更加顺畅，保证了进杆的可靠性。

作为优化，所述自动压插杆装置包括弯折装置和滑接在所述棚架杆上的压杆装置，所述弯折装置包括沿棚杆座上棚杆的长度方向布置的两个滚轮，所述棚杆架上固定有分别带动所述两个滚轮转动的旋转电机，滚轮的旋转平面竖直且与棚杆座上的棚杆平行，两个滚轮上相远离的一侧分别固定有弯折手臂；所述压杆装置包括位于所述两个滚轮中间上方且与棚杆架竖直滑接的压杆，以及安装在棚杆架上且带动所述压杆上下移动的下压装置。

本优化方案中，滚轮转动时，带动弯折手臂转动，从而对棚杆两端进行施压，棚杆的弯曲程度通过旋转电机转过的角度进行调节，弯曲后的棚杆由下压装置压入土壤，不仅实现了棚杆弯曲程度的可调，而且保证了棚杆弯曲的一致性，同时大大降低了劳动强度。

作为优选，所述压杆为向上凸起的弧形杆，压杆底面中间位置固定有开口朝下且开口尺寸与棚杆适配的主固定槽，所述主固定槽两侧对称固定有开口朝下且开口尺寸与棚杆适配的侧固定槽。

本优选方案将压杆设为弧形杆，对棚杆的包裹性更强，增加了与棚杆的接触面积，避免下压时棚杆出现偏移，在棚杆上设置固定槽，进一步防止棚杆在下压过程中偏出压杆，保证插架的可靠性。

弓棚智能插架覆膜一体机的控制方法，包括如下步骤：

（1）将智能通讯设备通过wifi与STM32单片机模块连接，并选择自动控制模式或手动控制模式；

（2）通过选择的控制模式启动驱动电机，STM32单片机模块采集编码器的距离脉冲信息、电子指南系统的航向信号，并与预设值比较后，通过双电机差速控制，从而实现控制车体自主走直；

（3）车体行走距离与设定的插架间距一致时，驱动电机停止转动，自动进杆装置启动，完成进杆过程；

（4）自动压插杆装置启动，弯折装置将进杆到位的棚杆两端向下弯折，压杆装置将弯折的棚杆压入土壤，压杆装置和弯折装置复位；

（5）驱动电机重新启动，重复步骤（3）和（4），直至压插的棚杆数量达到预设值。

（6）STM32单片机模块控制驱动电机反转，并启动智能覆膜装置，直至所有棚杆被全部覆膜。

本控制方法简单，易操作，通过设置航向、插架数量、弓棚插架间距、行驶速度等参数后，即可实现自动插架覆膜，大大节省了劳动力。

作为优选，所述步骤（3）中的进杆过程具体为，下方的挡块初始位置为伸至棚杆架内，棚杆落至下方的挡块上，然后上方的挡块伸至棚杆架内，下方的挡块移动出棚杆架，其支撑的棚杆掉落至棚杆座上，推送装置将棚杆座推至自动压插杆装置下方，同时，下方的挡块伸至棚杆架内，上方的挡块移动出棚杆架，下一根棚杆落至下方挡块上，重复以上动作，实现棚杆顺次下落和进杆。此种进杆过程顺序性强，进杆可靠，充分保证了插架过程的效率。

本发明的有益效果为：

（1）可以实现设备的自主走直，通过双电机差速控制，可高精度实现弓棚插架覆膜机的直线前进插杆、直线后退覆膜等功能；

（2）可实现自动插架和覆膜的一体化作业，在无人操作的情况下，能够实现进杆、压杆、插杆、覆膜工序，大大节省了人力、物力；

（3）采用人机交互系统，便于工作人员设定工作模式、航向、插架数量、弓棚插架间距、行驶速度等，为防止突发状况，可强行控制机器停止等功能。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中智能插架装置结构示意图；

图3为本发明中自动进杆装置结构示意图；

图4为本发明中驱动装置和推送装置结构示意图；

图5为本发明自动进杆原理图；

图6为本发明弯折装置结构示意图；

图7为本发明进杆完成状态示意图；

图8为本发明棚杆弯折状态示意图；

图9为本发明棚杆被下压状态示意图；

图10为本发明控制原理图；

图11为瞬时位移示意图；

图12为自主导航控制示意图；

图中所示：

1、车体，2、前车轮，3、后车轮，4、智能覆膜装置，5、智能控制装置，6、自动进杆装置，6.1、棚杆架，6.2、棚杆座，6.3、推送装置，6.4、挡块，6.5、驱动装置，6.6、弹簧，7、自动压插杆装置，7.1、弯折手臂，7.2、压杆，7.3、下压装置，7.4、主固定槽，7.5、侧固定槽，8、驱动电机， 9、棚杆，10、滚轮。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

如图1所示一种弓棚智能插架覆膜一体机，包括智能覆膜装置4、自主走直装置，以及控制所述自主走直装置的智能控制装置5。自主走直装置包括车体1，以及设置在车体上的两个前车轮2和两个后车轮3，所述车体1的一端安装所述的智能覆膜装置4，另一端安装有智能插架装置。

车体1上的两个后车轮3均连接有固定在车体上的驱动电机8，两后车轮3通过各自连接的驱动电机驱动旋转，实现车体的前进和后退。两个后车轮上均安装有编码器，用于检测车体移动距离，为实现等距插架提供数据。驱动电机8和编码器分别与所述智能控制装置5连接，所述智能控制装置5还连接有安装在车体上的电子指南系统，电子指南系统用于检测车体的航向信号。

智能控制装置5包括固定在所述车体1上且与所述驱动电机8、编码器、电子指南系统连接的STM32单片机模块，以及通过wifi串口模块与所述STM32单片机模块通信的智能通讯设备，STM32单片机模块接收智能通讯设备的信号、航向信号以及距离脉冲信号，并进行运算分析，闭环反馈调节后输出信号，通过控制两个驱动电机的差速行驶，实现自主走直、全自动等距插架、覆膜等智能化作业。

将智能通讯设备作为人机交互平台，在智能通讯设备上设计安装APP软件，软件界面包含工作模式、wifi开关、强制停止开关，启动安装在智能通讯设备上的软件，点击控制界面上的“打开wifi”按钮，成功与弓棚插架覆膜机的智能控制装置上的wifi连接之后，点击“手动控制”按钮，系统进入手动控制模式，用户可以通过手机来控制前进、后退、左转、右转和停止；点击“自动模式”按钮，进入工作参数设定，其中工作参数包括：航向、大田长度、弓棚插架间距、行驶速度等，设定完成后不需要用户控制，实现等距离插架覆膜作业。

其中智能通讯设备可以为智能手机，或者具有wifi通信功能平板电脑设备。

智能插架装置包括自动进杆装置6和安装于自动进杆装置6一侧的自动压插杆装置7，自动进杆装置6用于棚杆进给，自动压插杆装置7则是将进给到位的棚杆压入土中，完成插架操作。

自动进杆装置6包括与车体1固接的棚杆架6.1、位于棚杆架6.1下方的棚杆座6.2，以及可将棚杆座6.2推至所述自动压插杆装置7下方的推送装置6.3，推送装置6.3安装在棚杆架上，此处推送装置可以为气缸，也可以为齿轮齿条机构。

棚杆架6.1的侧架上穿设有两个上下布置的挡块6.4，两个所述挡块6.4之间的距离与棚杆9的外径适配，两个挡块6.4分别连接有带动其进出棚杆架的驱动装置6.5，驱动装置6.5安装在棚杆架6.1上，此处的驱动装置可以为气缸，也可以为由电机驱动的齿轮齿条机构。

本实施例还包括沿棚架杆6.1内的棚杆长度方向布置的两根处于拉伸状态的弹簧6.6，弹簧6.6的下端与棚杆架6.1固接，弹簧6.6的上端均与压在棚杆上压板固接，弹簧往下的拉力通过压板传递给棚杆，使棚杆9在往下掉落时更加顺畅，保证了进杆的可靠性。

自动压插杆装置7包括弯折装置和滑接在所述棚架杆上的压杆装置，所述弯折装置包括沿棚杆座上棚杆的长度方向布置的两个滚轮10，棚杆架上固定有分别带动两个滚轮10转动的旋转电机，滚轮10的旋转平面竖直且与棚杆座上的棚杆平行，两个滚轮上相远离的一侧分别固定有弯折手臂7.1，旋转电机带动滚轮10转动时，带动弯折手臂7.1对棚杆的两端施加弯折力。

压杆装置包括位于所述两个滚轮10中间上方且与棚杆架6.1竖直滑接的压杆7.2，以及安装在棚杆架上且带动所述压杆上下移动的下压装置7.3。其中压杆7.2为向上凸起的弧形杆，压杆7.2底面中间位置固定有开口朝下且开口尺寸与棚杆适配的主固定槽7.4，主固定槽7.4两侧对称固定有开口朝下且开口尺寸与棚杆适配的侧固定槽7.5。下压装置7.3可以是液压缸、气缸、电机驱动的齿轮齿条机构中的任意一种，本实施例采用液压缸作为下压装置，动力足，并且利于控制。

下面是以智能手机作为智能通讯设备的弓棚智能插架覆膜一体机的控制方法，具体如下：

（1）工作人员在打开智能通讯设备的APP，选择wifi开关打开状态，智能手机与STM32单片机模块通过wifi串口模块通信，若选择手动模式，则通过方向键控制；若选择自动模式，则智能控制装置中STM32单片机模块智能控制弓棚插架覆膜机作业。

（2）通过选择的控制模式启动驱动电机，STM32单片机模块采集编码器的距离脉冲信息、电子指南系统的航向信号，根据手机的航向、行驶速度设置，控制自主走直装置的驱动电机，驱动后轮差速前进。

自主走直装置具体的控制如下：通过两后车轮上的编码器测得脉冲数值转换为当前的瞬时速度为，得出弓棚覆膜机的速度，通过电子指南针测出当前的实时角度θ₀。假设当前单位时间内弓棚机走过的位移相对于上一次单位时间内Y轴的偏移量为Δy，过的角度偏差为Δθ，则两次单位时间内弓棚机沿设定角度行进的直线路程为：Δx=Δy*tanθ。通过与期望的位置和角度对比做差，得出相对路程偏差和角度偏差，将这两组数据输入到控制器中，经PID调节，得出两后车轮各自的速度值，进而达到控制弓棚覆膜机直线行走的效果。

（3）车体行走时，STM32单片机模块采集两个后车轮上编码器的距离脉冲信息，以及电子指南系统的航向信号，计算出单位时间内车体沿设定航向行进的直线路程，车体行走距离与设定的插架间距一致时，STM32单片机模块控制驱动电机停止转动，并启动自动进杆装置开始进杆，进杆过程具体为：

下方的挡块初始位置为伸至棚杆架内，棚杆落至下方的挡块上，进杆时，驱动装置动作，将上方的挡块伸至棚杆架内，将下方的挡块移动出棚杆架，下方挡块支撑的棚杆掉落至棚杆座上，推送装置将棚杆座推至自动压插杆装置下方，同时，驱动装置将下方的挡块伸至棚杆架内，将上方的挡块移动出棚杆架，下一根棚杆落至下方挡块上，重复以上动作，实现棚杆顺次下落和进杆。

（4）当棚杆座将棚杆送至指定位置后，推送装置将棚杆座拉回至棚杆架下方，此时自动压插杆装置中的旋转电机启动，带动滚轮转动，从而带动弯折手臂对进杆到位的棚杆两端向下弯折，弯折角度通过控制旋转电机转过的角度实现，然后液压缸向下伸出，将弯折的棚杆压入土壤，压入后，液压缸收回，旋转电机反转相同的角度，将弯折手臂恢复原位。

（5）STM32单片机模块重新启动驱动电机，重复步骤（3）和（4），直至压插的棚杆数量达到预设值。

（6）STM32单片机模块控制驱动电机反转，并启动智能覆膜装置，直至所有棚杆被全部覆膜，覆膜作业期间编码器和电子指南系统依旧采集实时速度与角度，在车体偏移航向时及时修正。由于智能覆膜装置属于现有技术，其具体工作过程在此不再赘述。

当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本发明未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本发明的技术方案并非是对本发明的限制，参照优选的实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本发明的宗旨，也应属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (4)

1.一种弓棚智能插架覆膜一体机，包括智能覆膜装置（4），其特征在于：还包括自主走直装置，以及控制所述自主走直装置的智能控制装置（5），所述自主走直装置包括车体（1），以及设置在所述车体上的两个前车轮（2）和两个后车轮（3），所述车体（1）的一端安装所述的智能覆膜装置（4），另一端安装有智能插架装置；

所述的两个后车轮（3）均连接有固定在车体上的驱动电机（8），且两个后车轮上均安装有编码器，所述驱动电机（8）和编码器分别与所述智能控制装置（5）连接，所述智能控制装置（5）还连接有安装在车体上的电子指南系统；

所述智能插架装置包括自动进杆装置（6）和安装于所述自动进杆装置（6）一侧的自动压插杆装置（7），所述自动进杆装置（6）包括与所述车体（1）固接的棚杆架（6.1）、位于所述棚杆架（6.1）下方的棚杆座（6.2），以及可将所述棚杆座（6.2）推至所述自动压插杆装置（7）下方且安装在棚杆架上的推送装置（6.3），所述棚杆架（6.1）的侧架上穿设有两个上下布置的挡块（6.4），两个所述挡块（6.4）之间的距离与棚杆的外径适配，两个挡块（6.4）分别连接有带动其进出棚杆架的驱动装置（6.5），所述驱动装置（6.5）安装在棚杆架（6.1）上；

所述自动压插杆装置（7）包括弯折装置和滑接在所述棚杆架 上的压杆装置，所述弯折装置包括沿棚杆座上棚杆的长度方向布置的两个滚轮（10），所述棚杆架上固定有分别带动所述两个滚轮转动的旋转电机，滚轮的旋转平面竖直且与棚杆座上的棚杆平行，两个滚轮上相远离的一侧分别固定有弯折手臂（7.1）；

所述压杆装置包括位于所述两个滚轮中间上方且与棚杆架竖直滑接的压杆（7.2），以及安装在棚杆架上且带动所述压杆上下移动的下压装置（7.3）；所述压杆（7.2）为向上凸起的弧形杆，压杆（7.2）底面中间位置固定有开口朝下且开口尺寸与棚杆适配的主固定槽（7.4），所述主固定槽（7.4）两侧对称固定有开口朝下且开口尺寸与棚杆适配的侧固定槽（7.5）；

所述智能控制装置（5）包括固定在所述车体（1）上且与所述驱动电机（8）、编码器、电子指南系统连接的STM32单片机模块，以及通过wifi串口模块与所述STM32单片机模块通信的智能通讯设备。

2.根据权利要求1所述的弓棚智能插架覆膜一体机，其特征在于：还包括沿棚杆架（6.1）内的棚杆长度方向布置的至少两根处于拉伸状态的弹簧（6.6），所述弹簧（6.6）的下端与棚杆架（6.1）固接，弹簧（6.6）的上端均与压在棚杆上压板固接。

3.弓棚智能插架覆膜一体机的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将智能通讯设备通过wifi与STM32单片机模块连接，并选择自动控制模式或手动控制模式；

（2）通过选择的控制模式启动驱动电机，STM32单片机模块采集编码器的距离脉冲信息、电子指南系统的航向信号，并与预设值比较后，控制车体自主走直；

（3）车体行走距离与设定的插架间距一致时，驱动电机停止转动，自动进杆装置启动，完成进杆过程；

（4）自动压插杆装置启动，弯折装置将进杆到位的棚杆两端向下弯折，压杆装置将弯折的棚杆压入土壤，压杆装置和弯折装置复位；

（5）驱动电机重新启动，重复步骤（3）和（4），直至压插的棚杆数量达到预设值；

（6）STM32单片机模块控制驱动电机反转，并启动智能覆膜装置，直至所有棚杆被全部覆膜。

4.根据权利要求3所述的弓棚智能插架覆膜一体机的控制方法，其特征在于：所述步骤（3）中的进杆过程具体为，下方的挡块初始位置为伸至棚杆架内，棚杆落至下方的挡块上，然后上方的挡块伸至棚杆架内，下方的挡块移动出棚杆架，其支撑的棚杆掉落至棚杆座上，推送装置将棚杆座推至自动压插杆装置下方，同时，下方的挡块伸至棚杆架内，上方的挡块移动出棚杆架，下一根棚杆落至下方挡块上，重复以上动作，实现棚杆顺次下落和进杆。

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