CN108706047B - 一种基于利用太阳能的无动力除草小车 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种除草小车，特别涉及一种基于利用太阳能的无动力除草小车，包含通用底盘模块、除草模块和云台发电模块，除草模块固定在通用底盘模块前方，云台发电模块固定在通用底盘模块上方，通用底盘模块和云台发电模块均安装了太阳能板。与现有技术相比，本发明具有更稳定和更高效率的底盘驱动机构，同时能够追踪太阳位置使云台上的太阳能板的发电能力基本保持在最大状态，车体的固定式太阳能发电和云台的两轴太阳能追踪发电基本满足全车的用电需要，实现除草车的长时间续航作业。本发明适用于小区域不平整草地，是低功耗、高效率驱动、模块化和适合自动化的轮式无动力除草小车。

Description

一种基于利用太阳能的无动力除草小车
技术领域
本发明涉及一种除草小车，特别涉及一种基于利用太阳能的无动力除草小车。
背景技术
随着智能化技术的推广和人们生活水平的提高，越来越多适用于公共或私人中小型草地的中小型智能除草车得以商业化。此外，除草车作为一种长期在户外执行简单任务和简单轨迹运动的机器，非常合适于自动化和智能化改造，也具有加装太阳能和风能等清洁能源发电装置的巨大价值。
目前，国内外已经有几款加装了太阳能发电系统的小型智能除草车。在这几款机器人的驱动机构中，普遍采用了双驱动轮搭配数个万向轮的驱动机构，这种机构虽然结构简单、灵活度高、效率较高，但是这种驱动机构用在不平整的草地时，驱动轮消耗在转向上的无用功就会大大增加，从而使驱动效率因此降低；在这几款机器人的新能源发电系统中，普遍采用将太阳能板固结在车体表面，特别是水平固结在车体上方的方案。由于现阶段太阳能板的发电效率不高以及太阳照射不充分，这种方案的实际发电量相对于除草车自身的耗电量较小，节能效果不明显，所以这些除草车的工作能量来源主要来自于蓄电池。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于利用太阳能的无动力除草小车，以改善现有智能除草车驱动机构在不平整草地行走消耗过大，驱动效率不高以及现有除草车的太阳能发电系统发电效率不高，车体结构太大等问题。
为了实现上述的目的，采用如下的技术方案：一种基于利用太阳能的无动力除草小车，主要由通用底盘模块、除草模块和云台发电模块组成。
通用底盘模块包含底盘支架、驱动轮总成、转向轮总成，通用底盘电控总成，太阳能发电外壳；驱动轮和转动轮与底盘支架构成独立悬挂机构，驱动轮总成包含驱动电机、花键万向节传动轴，驱动电机通过花键万向节传动轴与车轮连接实现驱动轮主动旋转，转向轮总成包括转向电机、花键万向节传动轴和转向器，转向电机通过与花键万向节传动轴和转向器的传动连接实现转向轮正负90°主动转向和从动旋转；太阳能发电外壳由多片太阳能板组成，覆盖在底盘支架的上面和四周，通用底盘电控总成设置在底盘支架上，与驱动电机、转向电机连接，控制整体运转。
除草模块包含草基架总成和除草装置总成，除草基架总成由除草基架支架、摆动自锁电机和除草模块电控总成构成；除草装置总成由除草滚刀、除草动力电机、同步轮二、同步带和除草装置支架构成；除草基架支架与底盘支架的前侧连接，除草模块电控总成设置在除草基架支架上，控制除草模块运转，摆动自锁电机主体固结在除草基架支架上，摆动自锁电机的输出端与除草装置支架固结连接，除草装置支架上面设置有除草动力电机、除草滚刀，电机通过同步带，同步轮传动，带动除草滚刀滚动。
云台发电模块包括水平旋转机构，俯仰机构和折展机构。
水平旋转机构包括云台底架、下转盘总成、上转盘总成和圆锥滚子轴承，下转盘总成包括下转盘、第一齿轮和导电滑环，第一齿轮和导电滑环固结在下转盘上，上转盘总成包括水平旋转电机、第二齿轮、上转盘和导电滑环同轴固定架，水平旋转电机和导电滑环同轴固定架都固结在上转盘上，第二齿轮固定在水平旋转电机的输出轴上，云台底架与下转盘总成固结，下转盘总成与圆锥滚子轴承的内孔过盈配合，上转盘总成与圆锥滚子轴承的外圆过盈配合，第一齿轮和第二齿轮啮合，构成行星齿轮传动机构，导电滑环同轴固定架的长轴一端与导电滑环内孔的滑环过盈配合；
俯仰机构包括俯仰固定支架、俯仰电机、云台模块电控总成、云台蜗杆一、云台蜗轮一和云台同步轮一；云台模块电控总成和俯仰电机固定在俯仰固定支架上，云台蜗杆一固定在俯仰步进电机输出轴上，云台蜗杆一和云台蜗轮一啮合传动，蜗轮一和两个同步轮一通过蜗轮轴固结，俯仰机构与折展机构通过同步轮同步带啮合传动控制折展机构的俯仰姿态；
折展机构包括折展基架总成、一级折展总成、二级折展总成、三级折展总成，折展基架总成包括折展基架总成支架、折展步进电机，折展基架总成支架分别与两块俯仰固定支架连接形成转动副，折展步进电机固定在折展基架总成支架上，折展步进电机输出轴的两端是通过蜗轮蜗杆传动和同步带同步轮传动连接到一级折展总成，折展基架总成支架、一级折展总成、二级折展总成和三级折展总成通过转动副依次铰接连接，一级折展总成、二级折展总成和三级折展总成构成Z型折展机构，通过两级行星同步轮传动机构，实现一个电机控制整个折展机构的折叠和展开状态，其中，第一级行星同步轮传动的传动比为1：2，第二级行星同步轮传动的传动比为1：1，两级行星同步轮传动能够使一、二、三级折展总成在折展方向同步达到平直姿态，实现单一驱动的折展功能；各级折展总成上均可设置太阳能板，根据实际需要进行配置。
进一步地，所述的云台发电模块包括电控部分，电控部分包括主控制器、步进电机驱动器、稳压电源模块、电流检测传感器和九轴姿态传感器，所述主控制器、步进电机驱动器、稳压电源模块和电流检测传感器均安装在云台控制板上，主控制器控制机械部分和电控部分运行，太阳能板电力输出端和稳压电源模块、电流检测传感器连接，分别用于发电稳压输出和电流检测，稳压电源模块输出端与步进电机驱动器连接，九轴姿态传感器安装在一级折展总成上，用于测量云台的折展部分的折展姿态，提高折展精度。
太阳能板的电力输出先连接到第1个稳压电源模块的输入端将电压稳压到5V，其次第1个稳压电源模块的输出端再连接到电流检测传感器的测量输入端和电源端，电流检测传感器的测量输出端连接到剩余的主控制器电源端、九轴姿态传感器电源端和第2个稳压电源模块的输入端，第2个稳压电源模块将5V电压升压到20V后，其输出端连接到步进电机驱动器的电源端和云台的电力输出端。稳压电源模块用于发电稳压输出，主控制器和步进电机驱动器用于分别控制云台上的水平旋转电机、俯仰步进电机和折展步进电机，电流检测传感器用于测量太阳能板的发电电流得出发电功率，然后反馈给主控制器调节云台姿态来达到最大发电功率，九轴姿态传感器用于测量云台的折展机构的折展姿态(状态)。
工作时，折展步进电机启动，折展机构展开，然后俯仰步进电机启动，控制折展机构的太阳能板法线与水平面夹角为45°，水平旋转电机启动，水平旋转机构旋转一周，根据电流反馈得到水平方向最大发电位置，水平旋转机构转向最大发电位置，接着俯仰步进电机再次启动使太阳能板法线在俯仰范围内移动，根据电流反馈得到俯仰方向最大发电位置，俯仰机构转向最大发电位置。在后续的整车移动过程中，通过九轴姿态传感器反馈调整水平旋转步进电机，俯仰步进电机控制量使云台保持最大发电状态。
进一步地，所述驱动轮总成和转向轮总成的基本架构包含第一轮轴架、第二轮轴架、悬挂拉杆、花键万向节传动轴、车轮、减震器和减震器支架，所述第二轮轴架与底盘支架固定连接，所述第一轮轴架、悬挂拉杆、第二轮轴架构成平行四边形四连杆的独立悬挂机构，所述减震器一端与第一轮轴架连接，另一端通过减震器支架与底盘支架连接。第一轮轴架、减震器及减震器支架构成悬挂装置。减震器支架和第二轮轴架通过垂直方向上的通孔进行螺栓紧固，且两者分别位于底盘支架的上下端，螺栓紧固后减震器支架、底盘支架和第二轮轴架自上而下地夹紧。花键万向节传动轴在独立悬挂机构下的轴向驱动力矩传动，两个电机通过花键万向节传动轴与车轮连接实现传动。
所述驱动轮总成的第一轮轴架内有轴承，所述驱动轮的花键万向节传动轴的输入端与驱动电机的输出轴连接，花键万向节传动轴的输出端与车轮轴通过第一轮轴架内的轴承连接；
所述转向器设置在转向轮总成的第一轮轴架内，转向器包含转向杯和齿轮系，所述转向轮的花键万向节传动轴的输入端与转向电机的输出轴连接，花键万向节传动轴的输出端与转向器的输入轴连接，通过转向器内的齿轮系，将输入的垂直面的上转向转矩转化为转向杯输出的水平面上的转向转矩，转向杯与车轮轴连接。
进一步地，所述齿轮系包括一级传动轴、二级传动轴，一级传动轴包括锥齿轮、第一传动轴和轴承，二级传动轴包括直齿轮、锥齿轮、第二传动轴和轴承，转向杯包含转向杯、转向杯车轮轴和轴承；转向轮内的花键万向节传动轴与第一级传动轴通过轴承连接，一级传动轴的锥齿轮与二级传动轴的锥齿轮啮合，二级传动轴的锥齿轮和直齿轮同轴传动，一级传动轴通过锥齿轮与二级传动轴连接，二级传动轴与转向杯通过直齿轮连接。
驱动轮总成和转向轮总成的输入运动形式均为旋转运动。驱动轮总成通过车轮可实现主动旋转控制，转向轮总成中车轮可实现正负90°主动转向控制，从动旋转。整个组合能实现车体四个车轮绕驱动轮轴线水平投影上任一点作切线滚动运动。
进一步地，折展基架中蜗轮轴机构包含蜗轮二、蜗杆二、折展涡轮轴，同步轮三、同步轮五，折展步进电机的两端输出轴与蜗杆二连接，两端的蜗杆二旋转方向相反，蜗杆二与蜗轮二啮合，蜗轮二和同步轮三共同固结在折展涡轮轴上，折展涡轮轴通过轴承固定在折展基架总成支架上。
一级折展总成包括一级折展总成支架、一级折展总成输入轴、同步轮四和同步轮七，同步轮四固结在一级折展总成输入轴上，一级折展总成输入轴固结在一级折展总成支架上，一级折展总成输入轴与折展基架总成支架通过转动副连接，同步轮七固结在一级折展总成支架上。
二级折展总成包括二级折展总成支架、二级折展总成输入轴、同步轮六和同步轮八，同步轮六固结在二级折展总成输入轴上，二级折展总成输入轴固结在二级折展总成支架上，二级折展总成输入轴与一级折展总成支架通过转动副连接，同步轮八通过转动副与二级折展总成支架连接，用于同步带4的导向。
三级折展总成包括三级折展总成支架、三级折展总成输入轴和同步轮九，同步轮九固结在三级折展总成输入轴上，三级折展总成输入轴固结在三级折展总成支架上，三级折展总成输入轴与二级折展总成支架通过转动副连接。
所述的折展机构中包含的三组同步轮：同步轮三、同步四，同步轮五、同步轮六和同步轮七、同步轮八、同步轮九，每一组同步轮各自通过同步带传动。第一组同步轮三、同步轮四用于折展机构的动力传动输入，控制一级折展总成的输入轴从而控制一级折展总成的姿态，其中同步轮三为输入端，同步轮四为输出端。第二组同步轮五、同步轮六用于控制二级折展总成相对于一级折展总成的姿态，其中同步轮五为输入端，同步轮六为输出端。第三组同步轮七、同步轮八、同步轮九用于控制三级折展总成相对于二级折展总成的姿态，其中同步轮七为输入端，同步轮九为输出端，同步轮八为同步带导向轮。
折展机构的折展级数实际上也可根据需要增加或减少，增加级数只需在最后一级折展总成与二级折展总成增加二级折展总成类似组成的机构即可。
进一步地，所述除草模块还包含十轴姿态传感器，所述十轴姿态传感器设置在除草装置支架上。
进一步地，所述底盘支架连接有两个快拆支架，除草模块和云台发电模块通过两个快拆支架实现连接和拆除，除草模块的快拆支架采用交错铝型材支架，云台发电模块的快拆支架采用铝型材支架配合带螺纹盲孔支架。
进一步地，所述太阳能板安装在二级折展总成和三级折展总成上。为了降低对车体上固定太阳能板发电的干扰，一级折展总成的设计只有支撑架和必要的同步轮、同步带，不在其上安装太阳能板。
与现有技术相比，本发明具有更稳定和更高效率的驱动方式，能够追踪太阳位置使云台上的太阳能板的发电能力基本保持在最大状态，车体的固定式太阳能发电和云台的两轴太阳能追踪发电基本满足全车的用电需要，实现除草车的长时间续航公主。本发明适用于小区域不平整草地，是低功耗、高效率驱动、模块化和适合自动化的轮式无动力除草小车。
附图说明
图1为全车的普通视角机构图；
图2为通用底盘模块的普通视角机构图；
图3为通用底盘模块的普通视角内部机构图；
图4为驱动轮总成的整体机构图；
图5为部分零件半剖后的驱动轮总成的内部机构图；
图6为转向轮总成的整体机构图；
图7为部分零件半剖后的转向轮总成的内部机构图；
图8为图7局部放大视图；
图9为除草模块的普通视角机构图；
图10为除草模块的普通视角内部机构图；
图11为云台发电模块折展状态的普通视角机构图；
图12为云台发电模块展开状态的普通视角机构图；
图13为云台发电模块水平旋转部分的普通视角机构图；
图14为云台发电模块水平旋转部分的普通视角内部机构图；
图15为云台发电模块折展部分折叠状态的普通视角机构图；
图16为俯仰部分的俯视机构图；
图17为折展部分的普通视角机构图；
图18为去除全部太阳能板总成与单边同步带的折展机构的普通视角机构图；
图19为去除全部太阳能板总成与单边同步带的折展机构的正视机构图；
图20为去除全部太阳能板总成的折展机构的普通视角机构图。
附图标记说明
图2和图3中：(1)驱动轮总成；(2)转向轮总成；(3)底盘支架总成；(4)太阳能发电外壳总成；(5)通用底盘模块电控总成；
图3和图4中，(101)第一轮轴架、(102)悬挂拉杆、(103)花键万向节传动轴、(104)第二轮轴架、(105)车轮、(106)减震器、(107)减震器支架、(108)联轴器、(109)驱动轮传动轴、(110)轴承；
图6-8中：(201)第一轮轴架、(202)悬挂拉杆、(203)花键万向节传动轴、(204)第二轮轴架、(205)车轮、(206)减震器、(207)减震器支架、(208)联轴器、(209)转向杯车轮轴、(210)转向杯、(211)二级传动轴、(212)一级传动轴、(213)轴承、(214)直齿轮、(215)锥齿轮；
图9和图10中：(601)除草滚刀、(602)除草同步轮2、(603)十轴姿态传感器、(604)除草同步轮1、(605)除草动力电机、(606)除草基架支架、(607)除草模块电控总成、(608)摆动自锁电机、(609)除草装置支架；
图13和图14中，(701)云台底架、(702)上转盘、(703)水平旋转电机、(704)圆锥滚子轴承、(705)下转盘、(706)导电滑环、(707)第二齿轮、(708)第一齿轮；
图15中：(801)俯仰部分支架、(802)云台同步轮一、(803)俯仰电机、(804)云台蜗轮一、(805)云台蜗杆一、(806)云台模块电控总成；
图16中，(11)主控制器、(12)步进电机驱动器、(13)稳压电源模块、(14)电流检测传感器；
图18和图19中，(901)九轴姿态传感器、(902)折展基架总成支架、(903)折展双出轴步进电机、(904)轴承、(905)同步轮三、(906)一级折展总成输入轴、(907)同步轮四、(908)二级折展总成输入轴、(909)一级折展总成支架、(910)同步轮七、(911)同步轮八、(912)二级折展总成支架、(913)同步轮六、(914)三级折展总成支架、(915)同步轮九、(916)三级折展总成输入轴、(917)同步轮四、(918)蜗杆二、(919)蜗轮二、(920)折展蜗轮轴二、(921)蜗杆三、(922)蜗轮三、(923)折展蜗轮轴二、(924)同步轮二；
图20中，(925)同步带四、(926)同步带三、(927)同步带二、(15)折展基架总成、(16)一级折展总成、(17)二级折展总成、(18)三级折展总成、(19)第二级行星同步轮传动、(20)第一级行星同步轮传动。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
如图1所示，一种基于利用太阳能的无动力除草小车，主要由通用底盘模块、除草模块和云台发电模块组成；
如图2-3所示，通用底盘模块为除草车主体，包含底盘支架3、驱动轮总成1、转向轮总成2，通用底盘电控总成5，太阳能发电外壳4；驱动轮和转动轮与底盘支架3构成独立悬挂机构。
如图4-5所示，所述驱动轮总成包含第一轮轴架101、悬挂拉杆102、花键万向节传动轴103、第二轮轴架104、车轮105、减震器106、减震器支架107、驱动电机。第二轮轴架104与底盘支架3固定连接，第一轮轴架101、悬挂拉杆102、第二轮轴架104构成平行四边形四连杆的独立悬挂机构，减震器106一端与第一轮轴架101连接，另一端通过减震器支架107与底盘支架3连接。减震器支架107和第二轮轴架104通过垂直方向上的通孔进行螺栓紧固，且两者分别位于底盘支架3的上下端，螺栓紧固后减震器支架107、底盘支架3和第二轮轴架104自上而下地夹紧。第一轮轴架101、减震器106及减震器支架107构成悬挂装置。花键万向节传动轴103在独立悬挂机构下的轴向驱动力矩传动，驱动电机通过花键万向节传动轴103与车轮105连接实现传动。驱动轮总成1的第一轮轴架101内有轴承，驱动轮的花键万向节传动轴103的输入端与驱动电机的输出轴连接，花键万向节传动轴103的输出端与驱动轮传动轴109通过第一轮轴架内的轴承连接。驱动转矩从花键万向节传动轴103靠近第二轮轴架104的一端输入，经过花键万向节传动轴103，输出给驱动轮传动轴109，驱动轮传动轴109通过联轴器108与车轮105固结，输入的驱动转矩最终传递到车轮。
如图6-8所示，转向轮总成包含第一轮轴架201、悬挂拉杆202、花键万向节传动轴203、，第二轮轴架204、车轮205、减震器206、减震器支架207和转向器(转向杯210及齿轮系)。转向轮总成的基本构架与驱动轮总成一样，区别在于，转向器设置在转向轮总成的第一轮轴架内，转向器包含转向杯和齿轮系，所述齿轮系包括一级传动轴212、二级传动轴211，一级传动轴包括锥齿轮、第一传动轴和轴承，二级传动轴包括直齿轮214、锥齿轮215、第二传动轴和轴承，转向杯包含转向杯210、转向杯车轮轴209和轴承；转向轮内的花键万向节传动轴203与一级传动轴212通过轴承连接，一级传动轴的锥齿轮与二级传动轴的锥齿轮215啮合，二级传动轴的锥齿轮215和直齿轮214同轴传动，一级传动轴212通过锥齿轮与二级传动轴211连接，二级传动轴211与转向杯210通过直齿轮214连接。转向轮的花键万向节传动轴203的输入端与转向电机的输出轴连接，花键万向节传动轴203的输出端与转向器的输入轴连接，通过转向器内的齿轮系，将输入的垂直面的上转向转矩转化为转向杯输出的水平面上的转向转矩，转向杯210与转向杯车轮轴209连接。转向转矩从花键万向节传动轴203靠近第二轮轴架204的一端输入，经过花键万向节传动轴203，输出给转向器的一级传动轴212，进过齿轮系的啮合传动，花键万向节传动轴输入的竖直面的转矩转化为转向杯210输出的水平面的转矩。转向杯车轮轴209通过联轴器208与车轮205固结，而转向杯车轮轴209可相对于转向杯210旋转，转向轮总成的车轮205可自由旋转。
通用底盘模块的2个驱动轮可分别实现主动旋转，2个转向轮可分别实现正负90°主动转向和从动旋转，该驱动机构只需要协调控制两驱动轮速度比和两转向轮的转向角度，即可实现车体的四个车轮绕驱动轮轴线水平投影上任一点作切线滚动运动。通用底盘电控总成5设置在底盘支架上，控制底盘驱动，太阳能发电外壳4上面分布有多快太阳能板，增加除草小车的发电面积，同时保护车体内部器件。
底盘支架总成3上有两个快拆支架，分别连接除草模块和云台发电模块，可以快速连接和拆除，方便除草模块和云台发电模块的更换和升级。除草模块的快拆支架采用交错铝型材支架，可以保证除草模块的定位与固定。云台发电模块的快拆支架则采用铝型材支架配合带螺纹盲孔支架，可以在保证云台发电模块的定位与固定下，减少对车体上方的占用面积，减少对车体太阳能发电的干扰。
如图9和图10所示，除草模块包含草基架总成和除草装置总成，除草基架总成由除草基架支架606、摆动自锁电机608和除草模块电控总成607构成；除草装置总成由除草滚刀601、除草动力电机605、同步轮二602和604、同步带、十轴姿态传感器603和除草装置支架609构成；除草基架支架606与底盘支架3的前侧连接，除草模块电控总成607设置在除草基架支架606上，控制除草模块运转，摆动自锁电机608固结在除草基架支架上，摆动自锁电机608的摆动端与除草装置支架609连接，除草装置支架609上面设置有除草动力电机605、除草滚刀601，电机605通过同步带，同步轮602和604传动，带动除草滚刀601滚动，十轴姿态传感器603设置在除草装置支架上，控制调整其轴姿态。
如图11-12所示，云台发电模块包括水平旋转机构，俯仰机构和折展机构。
如图13-14所示，水平旋转机构包括云台底架701、下转盘总成、上转盘总成和圆锥滚子轴承704，下转盘总成包括下转盘705、第一齿轮708和导电滑环706，第一齿轮708和导电滑环706固结在下转盘705上，上转盘总成包括水平旋转电机703、第二齿轮707、上转盘702和导电滑环同轴固定架，水平旋转电机703和导电滑环同轴固定架都固结在上转盘702上，第二齿轮707固定在水平旋转电机703的输出轴上，云台底架701与下转盘总成固结，下转盘总成与圆锥滚子轴承704的内孔过盈配合，上转盘总成与圆锥滚子轴承704的外圆过盈配合，第一齿轮708和第二齿轮707啮合，构成行星齿轮传动机构，导电滑环同轴固定架的长轴一端与导电滑环706内孔的滑环过盈配合；
如图15所示，俯仰机构包括俯仰固定支架801、俯仰电机803、云台模块电控总成806、云台蜗杆一805、云台蜗轮一804和云台同步轮一802；云台模块电控总成806和俯仰电机803固定在俯仰固定支架801上，云台蜗杆一805固定在俯仰步进电机输出轴上，云台蜗杆一805和云台蜗轮一804啮合传动，云台蜗轮一804和两个同步轮一802通过蜗轮轴固结，俯仰机构与折展机构通过同步轮同步带啮合传动控制折展机构的俯仰姿态。
如图20所示，折展机构包括折展基架总成15、一级折展总成16、二级折展总成17、三级折展总成18。如图17-20所示，折展基架总成包括折展基架总成支架902、折展双出轴步进电机903，折展基架总成支架902分别与两块俯仰固定支架801连接形成转动副，折展双出轴步进电机903固定在折展基架总成支架902上，折展双出轴步进电机903输出轴的两端是通过蜗轮蜗杆传动和同步带同步轮传动连接到一级折展总成16，折展基架总成支架902、一级折展总成16、二级折展总成17和三级折展总成18通过转动副依次铰接连接，一级折展总成16、二级折展总成17和三级折展总成18构成Z型折展机构，通过两级行星同步轮传动机构，实现一个电机控制整个折展机构的折叠和展开状态，其中，第一级行星同步轮传动的传动比为1：2，第二级行星同步轮传动的传动比为1：1，两级行星同步轮传动能够使一、二、三级折展总成在折展方向同步达到平直姿态，实现单一驱动的折展功能。
折展基架中蜗轮轴机构包含蜗轮二919、蜗杆二918、折展涡轮轴920，同步轮三905、同步轮五917，折展双出轴步进电机903的两端输出轴与蜗杆二918连接，两端的蜗杆二918旋转方向相反，蜗杆二918与蜗轮二919啮合，蜗轮二918和同步轮三905共同固结在折展涡轮轴920上，折展涡轮轴920通过轴承固定在折展基架总成支架902上。
一级折展总成包括一级折展总成支架909、一级折展总成输入轴906、同步轮四907和同步轮七910，同步轮四907固结在一级折展总成输入轴906上，一级折展总成输入轴906固结在一级折展总成支架909上，一级折展总成输入轴906与折展基架总成支架902通过转动副连接，同步轮七910固结在一级折展总成支架909上。
二级折展总成包括二级折展总成支架912、二级折展总成输入轴908、同步轮六913和同步轮八911，同步轮六913固结在二级折展总成输入轴908上，二级折展总成输入轴908固结在二级折展总成支架912上，二级折展总成输入轴908与一级折展总成支架909通过转动副连接，同步轮八911通过转动副与二级折展总成支架912连接，用于同步带四925的导向。
三级折展总成包括三级折展总成支架914、三级折展总成输入轴916和同步轮九915，同步轮九915固结在三级折展总成输入轴916上，三级折展总成输入轴916固结在三级折展总成支架914上，三级折展总成输入轴916与二级折展总成支架912通过转动副连接。
所述的折展机构中包含的三组同步轮：同步轮三905、同步轮四907，同步轮五917、同步轮六913和同步轮七910、同步轮八911、同步轮九915，每一组同步轮各自通过同步带传动。第一组同步轮三905、同步轮四907用于折展机构的动力传动输入，控制一级折展总成的输入轴从而控制一级折展总成的姿态，其中同步轮三905为输入端，同步轮四907为输出端。第二组同步轮五917、同步轮六913用于控制二级折展总成相对于一级折展总成的姿态，其中同步轮五917为输入端，同步轮六913为输出端。第三组同步轮七910、同步轮八911、同步轮九915用于控制三级折展总成相对于二级折展总成的姿态，其中同步轮七910为输入端，同步轮九915为输出端，同步轮八911为同步带导向轮。
折展机构的折展级数实际上也可根据需要增加或减少，增加级数只需在最后一级折展总成与二级折展总成增加二级折展总成类似组成的机构即可。太阳能板安装在二级折展总成和三级折展总成上。为了降低对车体上固定太阳能板发电的干扰，一级折展总成的设计只有支撑架和必要的同步轮、同步带，不在其上安装太阳能板。
如图16所示，云台发电模块还包括电控部分，电控部分包括主控制器11、步进电机驱动器12、稳压电源模块13、电流检测传感器14和九轴姿态传感器901，所述主控制器11、步进电机驱动器12、稳压电源模块13和电流检测传感器14均安装在云台控制板上，主控制器11控制机械部分和电控部分运行，太阳能板电力输出端和稳压电源模块13、电流检测传感器14连接，分别用于发电稳压输出和电流检测，稳压电源模块13输出端与步进电机驱动器12连接，九轴姿态传感器901安装在一级折展总成上，用于测量云台的折展部分的折展姿态，提高折展精度。
太阳能板的电力输出先连接到第1个稳压电源模块的输入端将电压稳压到5V，其次第1个稳压电源模块13的输出端再连接到电流检测传感器14的测量输入端和电源端，电流检测传感器14的测量输出端连接到剩余的主控制器11电源端、九轴姿态传感器901电源端和第2个稳压电源模块13的输入端，第2个稳压电源模块13将5V电压升压到20V后，其输出端连接到步进电机驱动器12的电源端和云台的电力输出端。稳压电源模块13用于发电稳压输出，主控制器11和步进电机驱动器12用于分别控制云台上的水平旋转电机703、俯仰步进电机803和折展双出轴步进电机903，电流检测传感器14用于测量太阳能板的发电电流得出发电功率，然后反馈给主控制器调节云台姿态来达到最大发电功率，九轴姿态传感器901用于测量云台的折展机构的折展姿态(状态)。
工作时，折展双出轴步进电机启动，折展机构展开，然后俯仰步进电机启动，控制折展机构的太阳能板法线与水平面夹角为45°，水平旋转电机启动，水平旋转机构旋转一周，根据电流反馈得到水平方向最大发电位置，水平旋转机构转向最大发电位置，接着俯仰步进电机再次启动使太阳能板法线在俯仰范围内移动，根据电流反馈得到俯仰方向最大发电位置，俯仰机构转向最大发电位置。在后续的整车移动过程中，通过九轴姿态传感器反馈调整水平旋转步进电机，俯仰步进电机控制量使云台保持最大发电状态。

Claims (8)

1.一种基于利用太阳能的无动力除草小车，其特征在于，主要由通用底盘模块、除草模块和云台发电模块组成；
通用底盘模块包含底盘支架(3)、驱动轮总成(1)、转向轮总成(2)、通用底盘电控总成(5)和太阳能发电外壳(4)；驱动轮总成(1)和转向轮总成(2)与底盘支架(3)构成独立悬挂机构，驱动轮总成(1)包含驱动电机、花键万向节传动轴(103)，驱动电机通过花键万向节传动轴(103)与车轮(105)连接实现转主动旋转，转向轮总成(2)包括转向电机、花键万向节传动轴(203)和转向器，转动电机通过与花键万向节传动轴(203)和转向器的传动连接实现正负转向轮90°主动转向和从动旋转；太阳能发电外壳(4)由多片太阳能板组成，覆盖在底盘支架(3)的上面和四周，通用底盘电控总成(5)设置在底盘支架(3)上，与驱动电机、转向电机连接，控制整体运转；
除草模块包含除草基架总成和除草装置总成，除草基架总成由除草基架支架(606)、摆动自锁电机(608)和除草模块电控总成(607)构成；除草装置总成由除草滚刀(601)、除草动力电机(605)、同步轮二(602、604)、同步带和除草装置支架(609)构成；除草基架支架(606)与底盘支架(3)的前侧连接，除草模块电控总成(607)设置在除草基架支架(606)上，控制除草模块运转，摆动自锁电机(608)固结在除草基架支架(606)上，摆动自锁电机(608)的输出端与除草装置支架(609)固结连接，除草装置支架(609)上面设置有除草动力电机(605)、除草滚刀(601)，除草动力电机通过同步带同步轮传动带动除草滚刀(601)滚动；
云台发电模块包括水平旋转机构，俯仰机构和折展机构；
水平旋转机构包括云台底架(701)、下转盘总成、上转盘总成和圆锥滚子轴承(704)，下转盘总成包括下转盘(705)、第一齿轮(708)和导电滑环(706)，第一齿轮(708)和导电滑环(706)固结在下转盘(705)上，上转盘总成包括水平旋转电机(703)、第二齿轮(707)、上转盘(702)和导电滑环同轴固定架，水平旋转电机(703)和导电滑环同轴固定架都固结在上转盘(702)上，第二齿轮(707)固定在水平旋转电机(703)的输出轴上，云台底架(701)与下转盘总成固结，下转盘总成与圆锥滚子轴承(704)的内孔过盈配合，上转盘总成与圆锥滚子轴承(704)的外圆过盈配合，第一齿轮(708)和第二齿轮(707)啮合，构成行星齿轮传动机构，导电滑环同轴固定架的长轴一端与导电滑环(706)内孔的滑环过盈配合；
俯仰机构包括俯仰固定支架(801)、俯仰电机(803)、云台模块电控总成(806)、云台蜗杆一(805)、云台蜗轮一(804)和云台同步轮一(802)；云台模块电控总成(806)和俯仰电机(803)固定在俯仰固定支架上，云台蜗杆一(805)固定在俯仰步进电机输出轴上，云台蜗杆一(805)和云台蜗轮一(804)啮合传动，云台蜗轮一和两个同步轮一(802)通过蜗轮轴固结，俯仰机构与折展机构通过同步轮同步带啮合传动控制折展机构的俯仰姿态；
折展机构包括折展基架总成(15)、一级折展总成(16)、二级折展总成(17)、三级折展总成(18)，折展基架总成包括折展基架总成支架(902)、折展双出轴步进电机(903)，折展基架总成支架(902)分别与两块俯仰固定支架(801)连接形成转动副，折展双出轴步进电机(903)固定在折展基架总成支架(902)上，折展双出轴步进电机(903)输出轴的两端是通过蜗轮蜗杆传动和同步带同步轮传动连接到一级折展总成(16)，折展基架总成支架(902)、一级折展总成(16)、二级折展总成(17)和三级折展总成(18)通过转动副依次铰接连接，一级折展总成(16)、二级折展总成(17)和三级折展总成(18)构成Z型折展机构，通过两级行星同步轮传动机构，实现一个电机控制整个折展机构的折叠和展开状态，其中，第一级行星同步轮传动的传动比为1：2，第二级行星同步轮传动的传动比为1：1，两级行星同步轮传动能够使一、二、三级折展总成在折展方向同步达到平直姿态，实现单一驱动的折展功能；各级折展总成上设置有太阳能板。
2.根据权利要求1所述的基于利用太阳能的无动力除草小车，其特征在于，所述的云台发电模块包括电控部分，电控部分包括主控制器(11)、步进电机驱动器(12)、稳压电源模块(13)、电流检测传感器(14)和九轴姿态传感器(901)，所述主控制器(11)、步进电机驱动器(12)、稳压电源模块(13)和电流检测传感器(14)均安装在云台控制板上，主控制器(11)控制机械部分和电控部分运行，太阳能板电力输出端和稳压电源模块(13)、电流检测传感器(14)连接，分别用于发电稳压输出和电流检测，稳压电源模块(13)输出端与步进电机驱动器(12)连接，九轴姿态传感器(901)安装在一级折展总成上。
3.根据权利要求1所述的基于利用太阳能的无动力除草小车，其特征在于，所述驱动轮总成(1)和转向轮总成(2)的基本架构包含第一轮轴架(101、201)、第二轮轴架(104、204)、悬挂拉杆(102、202)、花键万向节传动轴(103、203)、车轮(105、205)、减震器(106、206)和减震器支架(107、207)，所述第二轮轴架(104、204)与底盘支架(3)固定连接，所述第一轮轴架(101、201)、悬挂拉杆(102、202)、第二轮轴架(104、204)构成平行四边形四连杆的独立悬挂机构，所述减震器(106、206)一端与第一轮轴架(101、201)连接，另一端通过减震器支架(107、207)与底盘支架(3)连接，花键万向节传动轴(103、203)在独立悬挂机构下的轴向驱动力矩传动，两个电机通过花键万向节传动轴(103、203)与车轮(105、205)连接实现传动；
所述驱动轮总成(1)的第一轮轴架(101)内有轴承，所述驱动轮的花键万向节传动轴(103)的输入端与驱动电机的输出轴连接，花键万向节传动轴(103)的输出端与驱动轮传动轴(109)通过第一轮轴架(101)内的轴承连接；
所述转向器设置在转向轮总成(2)的第一轮轴架(101)内，转向器包含转向杯(210)和齿轮系，所述转向轮的花键万向节传动轴(203)的输入端与转向电机的输出轴连接，花键万向节传动轴(203)的输出端与转向器的输入轴连接，通过转向器内的齿轮系，将输入的垂直面的上转向转矩转化为转向杯输出的水平面上的转向转矩，转向杯(210)与转向杯车轮轴(209)连接。
4.根据权利要求3所述的基于利用太阳能的无动力除草小车，其特征在于，所述转向轮总成(2)转向器中齿轮系包括一级传动轴(212)、二级传动轴(211)，一级传动轴(212)包括锥齿轮、第一传动轴和轴承，二级传动轴包括直齿轮(214)、锥齿轮(215)、第二传动轴和轴承，转向杯包含转向杯(210)、转向杯车轮轴(209)和轴承；转向轮内的花键万向节传动轴(203)与一级传动轴(212)通过轴承连接，一级传动轴的锥齿轮与二级传动轴的锥齿轮(215)啮合，二级传动轴的锥齿轮(215)和直齿轮(214)同轴传动，一级传动轴(212)通过锥齿轮与二级传动轴(211)连接，二级传动轴(211)与转向杯(210)通过直齿轮(214)连接。
5.根据权利要求1所述的基于利用太阳能的无动力除草小车，其特征在于，折展基架中蜗轮轴机构包含蜗轮二(919)、蜗杆二(918)、折展涡轮轴(920)，同步轮三(905)、同步轮五(917)，折展双出轴步进电机的两端输出轴与蜗杆二(918)连接，两端的蜗杆二(918)旋转方向相反，蜗杆二(918)与蜗轮二(919)啮合，蜗轮二(919)和同步轮三(905)共同固结在折展涡轮轴(920)上，折展涡轮轴(920)通过轴承固定在折展基架总成支架(902)上；
一级折展总成包括一级折展总成支架(909)、一级折展总成输入轴(906)、同步轮四(907)和同步轮七(910)，同步轮四(907)固结在一级折展总成输入轴(906)上，一级折展总成输入轴(906)固结在一级折展总成支架(909)上，一级折展总成输入轴(906)与折展基架总成支架(902)通过转动副连接，同步轮七(910)固结在一级折展总成支架上；
二级折展总成包括二级折展总成支架(912)、二级折展总成输入轴(908)、同步轮六(913)和同步轮八(911)，同步轮六(913)固结在二级折展总成输入轴(908)上，二级折展总成输入轴(908)固结在二级折展总成支架(912)上，二级折展总成输入轴(908)与一级折展总成支架(909)通过转动副连接，同步轮八(911)通过转动副与二级折展总成支架(912)连接，用于同步带四(925)的导向；
三级折展总成包括三级折展总成支架(914)、三级折展总成输入轴(916)和同步轮九(915)，同步轮九(915)固结在三级折展总成输入轴(916)上，三级折展总成输入轴(916)固结在三级折展总成支架(914)上，三级折展总成输入轴(916)与二级折展总成支架(912)通过转动副连接；
所述的折展机构中包含的三组同步轮：同步轮三、同步轮四，同步轮五、同步轮六和同步轮七、同步轮八、同步轮九，每一组同步轮各自通过同步带传动。
6.根据权利要求1所述的基于利用太阳能的无动力除草小车，其特征在于，所述除草模块还包含十轴姿态传感器(603)，所述十轴姿态传感器(603)设置在除草装置支架(609)上。
7.根据权利要求1所述的基于利用太阳能的无动力除草小车，其特征在于，所述底盘支架连接有两个快拆支架，除草模块和云台发电模块通过两个快拆支架实现连接和拆除，除草模块的快拆支架采用交错铝型材支架，云台发电模块的快拆支架采用铝型材支架配合带螺纹盲孔支架。
8.根据权利要求1所述的基于利用太阳能的无动力除草小车，其特征在于，所述太阳能板安装在二级折展总成和三级折展总成上。
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