CN108181901A - 一种无人驾驶的田间作业机械、作业装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人驾驶的田间作业机械、作业装置及控制方法。所述田间作业机械包括行走装置、作业装置、控制装置以及空间定位装置;其特征在于,所述行走装置的支撑轮同轴设置,并通过桥接装置相连,所述支撑轮包括对称设置于桥接装置两端的第一驱动轮以及第二驱动轮,第一驱动轮连接有第一驱动电机,第二驱动轮连接有第二驱动电机,所述第一驱动电机的输入端连接控制装置的第一输出端,所述第二驱动电机的输入端连接控制装置的第二输出端;所述作业装置固定于桥接装置上,其重心位于第一驱动轮以及第二驱动轮的中心轴的下方。
Description
技术领域
本发明属于农业机械自动化技术领域,更具体地,涉及一种无人驾驶的田间作业机械、作业装置及控制方法。
背景技术
现有的农业机械包括行走装置和作业装置,从而具备在田间行走和作业的功能。为了保持行走平衡和转向,行走装置包括3个或4个轮子,一部分为导向轮,一部分或全部轮子为驱动轮。上述农业机械具有行走稳定,负荷量大的特点,但其自重不易减轻,转弯半径较大,行走灵活性较差,从而不适用于某些田间轻便作业,例如播种、小苗移栽等。
专利文献CN2016101395271公开了一种利用平衡车原理的电动植保车,采用电池驱动,两轮行走,具有自动平衡、转弯灵活的优点,但是该发明将作业装置喷洒架等设置在车架顶部,重心较高,车轮较小,不适合田间行走条件;同时需要设置配重药箱和缓冲药箱以保证车身重心的平衡。其次,由于该电动植保车不具有空间定位功能,其控制装置仅能起到驱动或维持平衡的作用,无法根据当前的位置进行行程规划。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种两轮驱动式田间作业机械,其目的在于简化行走装置的结构,以满足田间轻便作业的需要。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种无人驾驶的田间作业机械,包括行走装置、作业装置、控制装置以及空间定位装置;所述行走装置的支撑轮同轴设置,并通过桥接装置相连,所述支撑轮包括对称设置于桥接装置两端的第一驱动轮以及第二驱动轮,第一驱动轮连接有第一驱动电机,第二驱动轮连接有第二驱动电机,所述第一驱动电机的输入端连接控制装置的第一输出端,所述第二驱动电机的输入端连接控制装置的第二输出端;所述作业装置固定于桥接装置上,其重心位于第一驱动轮以及第二驱动轮的中心轴的下方;
所述第一驱动电机用于获得第一扭矩,所述第二驱动电机用于获得第二扭矩;所述第一驱动轮用于根据第一扭矩转动,所述第二驱动轮用于根据第二扭矩转动,从而控制所述田间作业机械的运动方向以及速度,所述作业装置用于进行田间作业;
所述空间定位装置用于获取田间作业机械的空间位置,所述控制装置用于获得第一控制信号以及第二控制信号,所述作业装置用于根据第二控制信号进行田间作业。
优选地,所述支撑轮的直径大于50cm。
作为进一步优选地,所述支撑轮的直径大于80cm。
优选地,所述控制装置包括依次连接的边界获取模块,路线规划模块以及驱动模块;
所述边界获取模块用于根据空间位置,获得农田边界,所述路线规划模块用于根据农田边界,获得田间作业机械的行走路线,所述驱动模块用于根据田间作业机械的行走路线以及空间位置,获得第一控制信号。
作为进一步优选地,所述控制装置还包括作业控制模块;所述作业控制模块用于根据农田边界以及空间位置,获得第二控制信号。
优选地,所述田间作业机械还包括制动装置,所述控制装置的第三输出端连接制动装置的输入端,所述制动装置的第一控制端连接第一驱动轮,第二控制端连接第二驱动轮;所述控制装置还用于获得制动信号,所述制动装置用于根据制动信号与第一驱动轮以及第二驱动轮紧密接触,使第一驱动轮以及第二驱动轮停止转动。
优选地,所述田间作业机械还包括姿态感知装置,所述姿态感知装置的输出端连接控制装置的输入端,所述姿态感知装置用于获取运动参数,所述运动参数为田间作业机械的速度、行进方向或者倾斜角。
优选地,所述田间作业机械还包括信号收发装置,所述信号收发装置的交互端连接控制装置的交互端,所述信号收发装置用于从外部获取控制信号。
优选地,所述控制装置的第四输出端连接作业装置的输入端;所述控制装置还用于获得作业信号,所述作业装置用于根据作业信号进行田间作业。
优选地,所述作业装置为排种器、插标牌器、插秧器或投料器;所述排种器用于装置种子并在作业期间播种,所述插标牌器用于装置标牌并在作业期间投射标牌,所述插秧器用于装置秧苗并在作业期间定植秧苗,所述投料器用于装置肥料或农药并进行投放。
优选地,所述田间作业机械还包括设置于田间作业机械前端的障碍感应装置;所述障碍感知装置用于获取田间作业机械的障碍信号。
作为进一步优选地,所述障碍感应装置包括探测波发射器以及探测波接收器。
按照本发明的另一方面,提供了一种用于上述田间作业机械的作业装置,所述作业装置的顶端具有悬挂构件,用于将作业装置固定于两轮式平衡车。
按照本发明的另一方面,还提供了一种上述田间作业机械的控制方法。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,具有下列有益效果:
1、由于将田间作业机械的重心设置于第一驱动轮以及第二驱动轮的中心轴的下方,使得该田间作业机械更加平衡,重心更加稳定,从而在适用于田间作业的同时,不需要设置配重药箱和缓冲药箱以保证车身重心的平衡,简化了车身结构,节约了能源,田间作业机械能装载更多的货物;
2、田间作业机械在前进过程中,作业装置的重心留置于中心轴的后部下方,能形成驱动田间作业机械前进的转矩,使其保持行走;
3、采用第一驱动轮以及第二驱动轮驱动,从而减小了转弯半径,提高了行走灵活性,更适用于田间轻便作业;
4、本发明由于包括空间定位装置,能够获取田间作业机械的空间位置,使得田间作业机械能够进行行程规划,进一步减少了人力资源的消耗,并节省了时间;
5、田间作业机械前端设置有障碍感应装置,能够检测障碍物,降低了田间作业机械的作业风险。
附图说明
图1为本发明田间作业机械正面结构示意图;
图2为本发明田间作业机械正面结构示意图;
图3为本发明田间作业机械行走原理示意图;
图4为本发明第一实施例结构示意图;
图5为本发明第二实施例结构示意图;
在所有附图中,相同的附图标记用来表示相同的元件或结构,其中:111-外周行走部;112-内部连接部;11-驱动轮;12-桥接装置;13-控制装置;15-驱动电机;1-行走装置;2-作业装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、图2所示,本发明的无人驾驶的田间作业机械包括行走装置1、作业装置2、控制装置13以及空间定位装置;所述行走装置1用于带动作业装置2在田间运动;所述作业装置2为排种器、插标牌器、划线器、插秧器或投料器,用于进行田间作业;当所述作业装置2为排种器时,其用于装置种子并在作业期间播种,当所述作业装置2为插标牌器时,其用于装置标牌并在作业期间投射标牌,当所述作业装置2为划线器时,其用于在田间画出格线,当所述作业装置2为插秧器时,其用于装置秧苗并在作业期间定植秧苗,所述投料器用于装置肥料或农药并进行投放。
所述行走装置1的支撑轮同轴设置,并通过桥接装置相连,所述支撑轮包括对称设置于桥接装置两端的第一驱动轮11以及第二驱动轮11,第一驱动轮11连接有第一驱动电机15,第二驱动轮11连接有第二驱动电机15,所述作业装置2顶端具有悬挂构件,以将作业装置2固定于桥接装置12上,所述支撑轮的直径大于50cm,并优选为大于80cm,以保证所述田间作业机械的重心位于第一驱动轮11以及第二驱动轮11的中心轴的下方,且田间作业机械更加平衡,重心更加稳定;所述空间定位装置的输出端连接控制装置13的第一输入端,所述控制装置13的第一输出端连接第一驱动电机15的输入端,第二输出端连接第二驱动电机15的输入端;
所述第一驱动电机15用于获得第一扭矩,所述第二驱动电机15用于获得第二扭矩;所述第一驱动轮11用于根据第一扭矩转动,所述第二驱动轮11用于根据第二扭矩转动;由于第一驱动轮11以及第二驱动轮11各自独立地旋转,从而不仅可以控制所述田间作业机械的速度,还可以根据不同的扭矩,使得田间作业机械往不同运动方向前进,从而既能起到驱动作用,又能起到转向作用;所述空间定位装置通常使用一个GPS终端,用于获取田间作业机械的空间位置,所述控制装置13用于根据所述空间位置以及设置的作业间隔规划田间作业机械的行走路径,并获得第一控制信号以及第二控制信号;其中第一控制信号为驱动信号,当对第一驱动电机15和第二驱动电机15发出的驱动信号相同时,第一驱动电机15以及第二驱动电机15产生的扭矩也相同,而当两者不同时,例如当仅对第一驱动电机15发出驱动信号时,则第一驱动轮11转动,第二驱动轮11不动,该田间作业机械向第二驱动轮11的一侧转向;同时,作业装置2根据第二控制信号设定的作业强度和频率进行作业。
由于第一驱动轮11和第二驱动轮11在周向上均由外周行走部111和内部连接部112组成,外周行走部用于接触地面,内部连接部用于与桥接装置12相连,驱动电机15的控制端设置于外周行走部111和内部连接部112之间,促进外周行走部111的内壁与内部连接部112的外壁的相对运动;在田间作业机械行进时,由于惯性,作业装置2的重心会到达驱动轮11的中心轴的前部,由于作业装置2受到重力f,该重力可分解为朝向桥接装置12的反向作用力f1以及垂直于f1的切向力f2,该切向力f2又可分解为垂直方向的作用力f21以及水平方向的作用力f22,f22在水平方向产生一个与其相反的反作用力,从而驱动田间作业机械行走,如图3所示。
在第一驱动轮11以及第二驱动轮11之间,还可以设置多个辅助支撑轮,这些辅助支撑轮可随着行走装置1而随动,也可用其余的驱动电机15进行驱动;设置多个辅助支撑轮,有助于提高该田间作业机械的作业范围和减小对地面的压强。
其中,所述控制装置13包括依次连接的边界获取模块,路线规划模块以及驱动模块;
所述边界获取模块用于根据空间位置,获得农田边界,所述路线规划模块用于根据农田边界,获得田间作业机械的行走路线,所述驱动模块用于根据田间作业机械的行走路线以及空间位置,获得驱动信号。
控制装置13还包括作业控制模块,所述作业控制模块用于根据农田边界以及空间位置,获得第二控制信号。
所述田间作业机械还可以包括制动装置、姿态感知装置、信号收发装置或障碍感知装置,上述装置均可与控制装置13连接;其中,制动装置的第一控制端连接第一驱动轮11,第二控制端连接第二驱动轮11,以根据制动信号与第一驱动轮11以及第二驱动轮11紧密接触,使第一驱动轮11以及第二驱动轮11停止转动。
而姿态感知装置可以获取田间作业机械的运动参数,例如田间作业机械的速度、行进方向或者倾斜角中的一项或多项,而当其超出一定阈值时,控制装置13判定其为异常动作。障碍感应装置通常设置于田间作业机械前端;用于获取位于田间作业机械前方或下方的障碍信号;障碍感应装置包括探测波发射器以及探测波接收器,探测波发射器的发射方向与障碍物的方向相同,而探测波接收器的接收方向与探测波发射器的发射方向相反,探测波可为超声波或红外线;当探测波发射器的发射方向是向前时,通常探测的障碍物是凸起物,例如不小心遗落于田间的物体等,而当探测波发射器的发射方向是向下时,通常探测的障碍物是凹陷物,例如凹坑,而探测波接收器获得探测波的接收信号,控制装置13根据该接收信号是否异常获知前方是否有障碍物,并发出障碍物信号。
而信号收发装置既可通过稻田基准站与外部网络连接,也可与人为远程操纵的控制端连接;(1)可以从外部网络获取电子地图,以便边界获取模块获得农田的边界;(2)可以从外部网络获得天气情况,并使控制系统在天气情况不佳(如即将暴雨)时发出天气警报信号,从而提高耕种的安全性;(3)可获取稻田基准站的信号,以便控制装置13对空间定位装置的定位结果进行校正;(4)可从控制端获取控制信号,使田间作业机械能在外部的遥控下行走和作业;(5)可以从远程控制端接收关于作业密度或强度的信号,而控制装置13可根据作业密度进行行走路线的规划;(6)可以将异常动作信号、空间位置、障碍物信号发送至远程控制端,远程控制端的操作员可根据上述信号的异常情况,进行一定的人为干预,以减少意外风险发生;(7)可以将作业装置的作业位置发送至外部网络或控制端,这样当下一次作业时,无需标记就可在指定地点作业;例如,当作业装置为播种器时,将播种地点通过稻田基准站发送至云端,这样当使用相应的投料器作为作业装置时,可以直接在与播种地点对应的指定地点投料,而无需做标记,尤其当需要做农田作物的药物实验时,记录该作业位置将造成极大的便利。
其中,作业信号、驱动信号和制动信号的产生也可直接与障碍信号、运动参数以及控制信号相关联,避免了人为操作;例如,控制装置13获取到的运动参数异常(如倾斜角超出位于15°~20°的某一阈值时),发出制动信号,并在一定时间后重新启动;或通过障碍信号获取到前方有障碍物时,改变第一驱动信号和第二驱动信号,使行走装置1转向而绕开障碍物;或者根据外部控制信号的命令,改变第一驱动信号和第二驱动信号,从而改变行走装置1的方向、速度,或改变作业信号,而改变作业装置2的作业频率或强度。
如图4所示的第一实施例的田间作业机械需与稻田基准站配合使用,该稻田基准站设置于在待作业农田10km以内的任意位置;该稻田基准站包括基准接收器,校正处理器,校正发射器;本实施例的田间作业机械包括GPS终端、信号收发装置、导航处理器、控制装置13、作业装置、加速度传感器、陀螺仪传感器、驱动电机15、第一驱动轮以及第二驱动轮;
其中,GPS终端与全球卫星定位系统进行通讯,以获取该田间作业机械的坐标,信号收发装置与稻田基准站进行通信,以获得校正信号,同时获取外部网络的数据,并通过外部网络,跟远程控制端进行通信;导航处理器根据校正信号对坐标进行校正,以获得精确的空间位置;
加速度传感器和陀螺仪传感器分别可获取该田间作业机械的加速度和倾斜角;作业装置可为插标牌器、插秧器或投料器。控制装置13根据外部网络的数据、空间位置,以及加速度和倾斜角,对驱动电机15发出控制信号,驱动电机15进一步对第一驱动轮和第二驱动轮进行控制。
该田间作业机械的控制方法具体包括以下步骤:
(1)规划行进路线
导航处理器获得所述田间作业机械的空间位置,信号收发装置获取空间位置所在区域的电子地图,控制装置13根据该空间位置、电子地图上农田的形貌以及设定的作业间隔,规划出田间作业机械的行进路线;其中,作业间隔既可以事先设定于控制装置13中,也可信号收发装置根据远程控制端发出的控制信号进行人为的设定;
(2)行进路线的修正
信号收发装置将设定的规划的行进路线发送至远程控制端,若无问题,远程控制端发出确认信号,进入下一步;若需要修正(例如地图上有未标出的障碍物),则由远程控制端将对行进路线进行修正,再反馈给信号收发装置,进行下一步;
(3)田间作业机械开始作业
根据修正后的行进路线,田间作业机械根据行进速度v前进,并根据作业频率ξ进行作业,作业的间隔为v/ξ;其中,在直线行进处,控制装置13发出的第一驱动信号和第二驱动信号相同,而在需要转弯的地方,则只发出第一驱动信号或第二驱动信号,使田间作业机械转向;如是直至田间作业机械的作业范围覆盖所有行进路线。
(4)在加速度传感器和陀螺仪传感器获取的加速度和倾斜角超过控制装置13中设定的阈值时,信号收发装置会发出异常警报信号;远程控制端则根据该异常警报信号进行调整
(5)实际的每个作业地点都会记录并储存于控制装置13,或通过信号收发装置发送至云端或远程客户端进行储存,以便下次作业使用。
其中,在第二实施例中,导航处理器也可由空间定位装置代替,控制装置可分为行走控制装置和作业控制装置两个部分,驱动电机分为第一驱动电机和第二驱动电机同,分别控制第一驱动轮和第二驱动轮。作业控制装置还能控制播种器,如图5所示。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种无人驾驶的田间作业机械,包括行走装置(1)、作业装置(2)、控制装置(13)以及空间定位装置;其特征在于,所述行走装置(1)的支撑轮同轴设置,并通过桥接装置(12)相连,所述支撑轮包括对称设置于桥接装置(12)两端的第一驱动轮(11)以及第二驱动轮(11),第一驱动轮(11)连接有第一驱动电机(15),第二驱动轮(11)连接有第二驱动电机(15),所述第一驱动电机(15)的输入端连接控制装置(13)的第一输出端,所述第二驱动电机(15)的输入端连接控制装置(13)的第二输出端,所述控制装置(13)的输入端连接空间定位装置;所述作业装置(2)固定于桥接装置(12)上,其重心位于第一驱动轮(11)以及第二驱动轮(11)的中心轴的下方;
所述空间定位装置用于获取田间作业机械的空间位置,所述控制装置(13)用于获得第一控制信号以及第二控制信号,所述作业装置(2)用于根据第二控制信号进行田间作业。
2.如权利要求1所述的田间作业机械,其特征在于,所述控制装置(13)包括依次连接的边界获取模块,路线规划模块以及驱动模块;
所述边界获取模块用于根据空间位置,获得农田边界,所述路线规划模块用于根据农田边界,获得田间作业机械的行走路线,所述驱动模块用于根据田间作业机械的行走路线以及空间位置,获得第一控制信号。
3.如权利要求1所述的田间作业机械,其特征在于,还包括信号收发装置,所述信号收发装置的交互端连接控制装置(13)的交互端;所述信号收发装置用于获取外部控制信号,或将田间作业机械的状态信号发送至外部。
4.如权利要求1所述的田间作业机械,其特征在于,还包括姿态感知装置,所述姿态感知装置的输出端连接控制装置(13)的输入端。
5.如权利要求1所述的田间作业机械,其特征在于,还包括制动装置,所述控制装置(13)的第三输出端连接制动装置的输入端,所述制动装置的第一控制端连接第一驱动轮(11),第二控制端连接第二驱动轮(11)。
6.如权利要求1所述的田间作业机械,其特征在于,还包括设置于田间作业机械前端的障碍感应装置。
7.如权利要求6所述的田间作业机械,其特征在于,所述障碍感应装置包括探测波发射器以及探测波接收器。
8.如权利要求1所述的田间作业机械,其特征在于,所述控制装置(13)的第四输出端连接作业装置(2),所述作业装置(2)为排种器、插标牌器、插秧器或投料器。
9.一种用于如权利要求1-8中任意一项所述田间作业机械的作业装置(2),其特征在于,所述作业装置(2)的顶端具有悬挂构件,用于将作业装置(2)固定于桥接装置(12)上。
10.一种如权利要求1-8中任意一项所述田间作业机械的控制方法。
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