CN109466620A - 收割机转向控制系统及其收割机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种收割机转向控制系统及其收割机，所述收割机转向控制系统包括：具有可动桨叶的行传感装置；所述行传感装置产生代表所述桨叶位置参数的传感器信号；测量所述收割机横摆角速度的惯性测量单元；所述惯性测量单元产生代表所述收割机横摆角速度信号；与所述行传感装置及所述惯性测量单元连接的计算单元；所述计算单元根据横摆角速度信号以及传感器信号计算航向偏差、横向偏差以及转向轮角；与所述计算单元连接的转向控制单元；所述转向控制单元根据所述航向偏差、横向偏差以及转向轮角计算方向盘的旋转角度。本发明提供的转向控制系统能够有效降低自动驾驶系统的设备成本。

Description

收割机转向控制系统及其收割机

技术领域

本发明涉及农用机械领域，尤其涉及一种收割机转向控制系统及其收割机。

背景技术

随着机械化农业的发展，用现代高新技术代替传统农业作业已成为我国农业发展的趋势，农业机械自动化在我国已得到推广。为了农业劳动生产效率的不断提高，农用机械向着大型机械化，自动化的方向发展，使得我们在农业作业过程中越来越依赖于机械。因此，人们迫切需要能够最大限度的提高这些机械的工作效率的技术。

农用机械的自动驾驶技术的使用，能保证长时间的精确作业而不受时间的限制，农忙时期可以昼夜作业，避免了因夜间光线不足而无法作业的问题。在减低人工技术需求的同时大大提高了作业质量和效率，减少重复作业，节约时间，减低作业成本，减轻驾驶员的工作负担。

现有的自动驾驶系统，必须利用GPS接收器，惯性测量装置，以及车轮角度传感器获得必要的自动转向参数，例如偏航率，车辆位置和车轮角度。其中，GPS接收器和惯性测量装置价格昂贵，同时，所测量的部分信息(位置，航向，时间等)对于玉米收获自动对行驾驶作业是多余的。此外，车轮角度传感器难以安装，不同车辆需要不同的特制连结件。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明有必要提供一种收割机转向控制系统及其收割机，能够有效降低自动驾驶系统的设备成本。

为达到上述目的，本发明提供一种收割机转向控制系统，包括：

具有与农作物行中的植物相互作用的可动桨叶的行传感装置；所述行传感装置产生代表所述桨叶位置参数的传感器信号；

测量所述收割机横摆角速度的惯性测量单元；所述惯性测量单元产生代表所述收割机横摆角速度信号；

与所述行传感装置及所述惯性测量单元连接的计算单元；所述计算单元根据横摆角速度信号以及传感器信号计算航向偏差、横向偏差以及转向轮角；

与所述计算单元连接的转向控制单元；所述转向控制单元根据所述航向偏差、横向偏差以及转向轮角计算方向盘的旋转角度。

优选的，所述转向控制单元包括：

第一计算模块，所述第一计算模块根据所述横摆角速度信号计算车轮的转向轮角；

第二计算模块，所述第二计算模块根据车轮的转向轮角、横向偏差以及航向偏差计算方向盘的旋转角度。

优选的，所述计算单元与所述转向控制单元位于同一电路板上。

优选的，所述方向盘的下方设有电机箱；所述电机箱内设有带动所述方向盘转动的转向电机；所述转向电机与所述转向控制单元连接，以接收驱动信号。

优选的，所述电路板位于所述电机箱内。

优选的，所述惯性测量单元设置于所述电机箱内。

优选的，还包括：与所述转向控制单元连接的提醒单元；所述提醒单元在所述转向控制单元控制所述方向盘旋转时发出提醒信号。

优选的，所述提醒单元包括蜂鸣器和/或LED灯。

优选的，所述转向控制单元在所述方向盘接收的人工转动力矩大于预定值时切断对方向盘的控制。

优选的，所述计算单元在预定时间内未接收到所述传感器信号时保持收割机的航向不变。

优选的，所述惯性测量单元为三轴陀螺仪。

一种收割机，包括

方向盘；

具有分禾器的收割部分；

如上任一所述的收割机转向控制系统；所述行传感装置设置于所述分禾器上。

本发明中所提供的收割机转向控制系统通过利用行传感装置以及惯性测量单元测量数据计算收割机的转向轮角、航向偏差以及横向偏差，并通过转向控制单元根据所述转向轮角、航向偏差以及横向偏差计算方向盘的旋转角度，从而实现收割机的自动驾驶控制，可见，该转动控制系统并不需要设置GPS接收器，能够显著降低制造成本。

相应的，该转动控制系统通过惯性测量单元获取收割机的横摆角速度信号计算车轮的转向轮角，无需设置车轮角度传感器，不仅能够降低制造成本，而且惯性测量单元的位置易安装，降低安装难度。

另外，本发明的转动控制系统利用行传感装置以及惯性测量单元所获取的横向偏差以及航向偏差均被利用至计算方向盘的旋转角度，并未获取多余的信息参数，在降低成本的基础上，最大效率地利用具备的组件。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种转向控制系统的结构示意图；

图2是图1的行传感装置的位置示意图；

图3是图1的数据传递示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图3，本发明的一个实施方式提供一种收割机转向控制系统100，该转向控制系统100包括：具有与农作物行中的植物相互作用的可动桨叶21的行传感装置2；所述行传感装置2产生代表所述桨叶位置参数的传感器信号；测量所述收割机航向偏差的惯性测量单元5；所述惯性测量单元5产生代表所述收割机横摆角速度信号；与所述行传感装置2及所述惯性测量单元5连接的计算单元6；所述计算单元6根据横摆角速度信号以及传感器信号计算航向偏差、横向偏差以及转向轮角；与所述计算单元6连接的转向控制单元7；所述转向控制单元7根据所述航向偏差、横向偏差以及转向轮角计算方向盘3的旋转角度。

其中，该转向控制系统100可以安装于收割机(优选的为玉米收获机、谷物收割机、或相应形式的联合收割机等)上。该收割机可以具有行走部分(包括车轮4)、收割部分10、操纵部分(包括转向控制系统100)。其中，行走部分可以为接地轮4，当然也可以为接地履带，或者是全履带或者是半履带。收割部分10如图2所示，收割部分10将作物收割并将收割的作物向下游运输。

该收割机的收割部分10的下游可以安装(例如可拆卸地)至进给室。进给室设有传动带，该传动带可以将收割部分10所收割的农作物传动至脱粒部分或收割机相关联的其他上游装置。其中，脱粒部分可以具有脱粒滚筒，脱粒滚筒可以将农作物向上引导穿过入口，从而到达其上的旋转脱粒及分离组件。

其中，该收割机的脱粒滚筒可以轴向布置在收割机中。然而，在一个可替换的实施方式中，该脱粒滚筒可以在相对于收割机的纵向轴线的另一方向布置。例如，脱粒滚筒可以构成为横向布置。脱粒滚筒对农作物的籽粒进行分离脱粒。籽粒及杂余通过脱粒滚筒的凹板上的格栅落到清选部分中。清选部分将籽粒中混合的杂余移走进而将籽粒部分清理出来，并通过传动机构将所清理出来的籽粒运送至储藏室或储藏车斗中。

其中，行传感装置2可以安装于收割机的收割部分10。具体的，如图2所示，收割部分10包括割台框架(未标示)、以及安装于割台框架上的分禾器11。分禾器11可以大致为圆锥形。例如：一个或多个分禾器11可以绕一轴线垂直旋转，以补偿土地或地形的差异或高度波动。在一个实施方式中，分禾器11可以通过模铸、压铸、浇注、或其他方式成形，或者包括塑料、具有填充物或纤维增强物(例如，碳纤维)的塑料、聚合物、具有填充物或纤维增强物(例如，碳纤维)的聚合物、合金或金属材料。

如图2所示，在收割部分10的中心位置处的分禾器11上安装行传感装置2。该行传感装置2可以固定值安装组件，诸如在一个或多个大体水平的板上，行传感装置2包括两个反向、横向延伸、来自同一分禾器11的可移动臂(可动桨叶21)。在其他实施方式中，这两个可动桨叶21可分别安装在相邻的分禾器11上。每个可动桨叶21各自位于分禾器11(左右两侧)的一侧上，并且布置成与行中的一株或多株植物(例如，谷物植物、茎或其他植物)相互作用。

在一个可选的实施方式中，每个可动桨叶21可以具有回弹性，从而在被作物茎秆施力弯折后并经过作物茎秆后复位至初始位置(比如：未与作物发生作用的位置)。每个可动桨叶21可以包括涂覆有弹性体或可弹性变形的材料、有回弹力的材料或柔性材料的刚性件、框架或骨架。在一个具体的实施方式中，每个可动桨叶21可以由弹簧或其他的有回弹力的构件偏压，从而在没有外部力(例如，来自植物、秆或茎)输入的情况下返回到预定静止位置。

行传感装置2具有一个或多个用于检测每个可动桨叶21位置的传感器。传感器检测可动桨叶21的位置(例如，相对于收割部分10、框架、行传感装置2、或分禾器11相关联的参考点的位置)或者对应的可动桨叶21的位置对时间的响应。在具体的结构中，行传感装置2可以安装在分禾器11末端的底部或分禾器11末端的上方。

传感器可以包括电位计、旋转编码器、开关、压电换能器、压阻换能器、磁场传感器(例如，霍尔效应传感器)、磁致伸缩传感器、磁致电阻传感器、数字传感器、模拟传感器、或其他合适的传感器。在一个实施方式中，如果传感器包括电位计或压阻传感器，则电位计或压阻传感器的电阻随着对应的可动桨叶21的位置而变化。在一个实施方式中，传感器包括磁场传感器，该传感器检测安装在可动桨叶21内的已知位置中的两个或更多个磁体的位置。在一个实施方式中，如果传感器包括磁致电阻传感器，则该磁致电阻传感器的电阻随着对应的可动桨叶21中的磁体位置而变化。

惯性测量单元5可以确定(联合)收割机的姿态。在对行传感装置2确定收割机存在横向偏差需要矫正或者确定收割机的航向需要调整时，通过惯性测量单元5获取收割机的横摆角速度(相对于车辆纵轴转动的角速度)，得出转向轮角，以此确定方向盘3的转动角度，获取收割机的期望行驶状态。

具体的，为便于获取以及降低制造成本，所述惯性测量单元5可以为三轴陀螺仪。其中，采用三轴陀螺仪的惯性测量单元5不仅体积小，重量轻，十分便于安装，而且具有较佳的可靠性，利于长期使用。

本实施方式中的转向控制系统100在控制收割机进行自动驾驶时，可以预先通过人工驾驶校准车辆姿态，对齐待收割作物行列，使得转向控制系统100获取行驶基准。具体的，操作人员可以将车辆的航向(行走方向)校准为直线行走状态，该直线行走方向与每行作物的排列方向相平行(相同)。

举例为：在一次直线作业中，该直线作业的起始处可以由人工驾驶，在行驶若干米(短距离)校准收割机的位置，使得收割机为航向与单行植株平行(形成基准航向)，且分禾器11大致位于相邻行植株之间(后续可经过行传感装置2校正横向偏差)，后续即可采用转向控制系统100实现自动驾驶收割。

本实施方式中所提供的收割机转向控制系统100通过利用行传感装置2以及惯性测量单元5测量数据计算收割机的航向偏差以及横向偏差，并通过转向控制单元7根据所述航向偏差以及横向偏差计算方向盘3的旋转角度，从而实现收割机的自动驾驶控制，可见，该转动控制系统并不需要设置GPS接收器，能够显著降低制造成本。

相应的，该转动控制系统通过惯性测量单元5获取收割机的转向轮角，无需设置车轮4角度传感器，不仅能够降低制造成本，而且惯性测量单元5的位置易安装，降低安装难度。

另外，本实施方式的转动控制系统利用行传感装置2以及惯性测量单元5所获取的横向偏差以及航向偏差均被利用至计算方向盘3的旋转角度，并未获取多余的信息参数，在降低成本的基础上，最大效率地利用具备的组件。

在收割作业中，如果收割机没有精确地沿着作物的行驱动收割部分10，致使分禾器11没有精确地落入相邻植株行的中心处，则可动桨叶21可以由于与作物的茎秆的机械相互作用而变形或移动。在一个实施方式中，行传感装置2检测可动桨叶21的位置或位移，并将一个或多个信号或数据传递给计算单元6进行数据处理。该计算单元6同时与转向控制单元7通信，转向控制单元7与转向系统相关联。

在本实施方式中，如图3所示，行传感装置2以及惯性测量单元5可以将输出信号或数据提供给计算单元6，并由计算单元6计算出相应的转向控制数据：航向偏差以及横向偏差。如果行传感装置2和/或惯性测量单元5提供模拟数据数据(模拟信号)，则可以使用可选的模拟数字转换器来将模拟信号转换为数字信号，输入至计算单元6中。其中，模拟数字转换器为可选的元件，具体可以根据实际情况灵活选用。

计算单元6可以根据行传感装置2以及惯性测量单元5所检测的数据信息计算出转向控制数据：航向偏差以及横向偏差，然后，该计算单元6将转向控制数据发送至转向控制单元7，转向控制单元7通过控制方向盘3的转动，以转向一个或多个车轮4，从而使收割机自动沿着竖立在田地里的成行的作物行走。具体的，计算单元6可以包括微处理器、微控制器、逻辑电路、可编程逻辑阵列、可编程控制器、或者其它用于处理数据或输出信号的装置。

在本实施方式中，转向控制单元7可以根据计算单元6提供的转向控制数据计算方向盘3的转动角度。具体的，所述转向控制单元7包括：第一计算模块，所述第一计算模块根据所述转向轮角横摆角速度信号以及航向偏差计算车轮4的转向轮角；第二计算模块，所述第二计算模块根据车轮4的转向轮角、横向偏差以及航向偏差计算方向盘3的旋转角度。

该转向控制单元7可以利用转向控制数据利用PID(proportion、integral、derivative)控制方向盘3的转动角度，实现持续稳定地控制收割机的自动行走，且易于调节控制。同时，该转向控制单元7可以根据转向控制数据实现收割机的超前控制(feedforward control)。比如，该转向控制单元7可以与用于存储查找表、图表、等式或数1据库的数据存储装置相关联，用于估算一个或两个可动桨叶21的相对位置。

进一步地，该转向控制单元7可以估算收割机或收割部分10(割台)相对于大体直线排列的行中的作物、或者具有已知轮廓的一行中的植物、或者一组具有已知轮廓的大体平行的行中的植物的相对位置，并利用所获取的转向控制数据实现超前控制。承接上文描述的，转向控制单元7可以连接一存储器，该存储器可以存储收割机的行走数据、已知轮廓的行信息等。

具体的，转向控制单元7可以为微处理器、微控制器、逻辑电路、可编程逻辑阵列、可编程控制器、或者其他用于处理数据或输出信号的装置。相应的，转向控制单元7与计算单元6可以为同一计算元件，也可以为不同的计算元件。为提升设备的集成性，便于设备的组装，所述计算单元6与所述转向控制单元7位于同一电路板8上。

如图1所示，为便于控制方向盘3的转动角度，所述方向盘3的下方设有电机箱1。所述电机箱1内设有带动所述方向盘3转动的转向电机9。所述转向电机9与所述转向控制单元7连接，以接收驱动信号。所述电路板8位于所述电机箱1内。其中，惯性测量单元5同样位于该电机箱1内。

具体的，该转向电机9可以通过齿轮啮合传动的方式实现方向盘3的转动。其中，转向电机9与方向盘3的转动轴齿轮啮合连接，方向盘3会在控制过程中自动转动，并可以接受人工控制。转向电机9接收到驱动信号进行正转反转，从而驱动方向盘3的正转反转，借此调节收割机的车轮4的转动角度(转角)。

在优选的实施方式中，为方便驾驶人员获知收割机的工作状态，该转向控制系统100还包括：与所述转向控制单元7连接的提醒单元；所述提醒单元在所述转向控制单元7控制所述方向盘3旋转时发出提醒信号。具体的，为降低成本考虑，所述提醒单元包括蜂鸣器和/或LED灯。其中，LED灯可以展示左转及右转信息，且具有较长的使用寿命。在具体的结构中，LED灯可以通过矩阵形式排布成向左指示箭头，大致形状为“←”，以及向右指示箭头，大致形状为“→”。蜂鸣器可以发生声音，提醒操纵人员目前收割机处于调整转向过程中。而在收割机正常行驶，航向偏差及横向偏差小于设定值时该提醒单元可以不进行提醒操作。

在操纵人员期望进行人工控制时，所述转向控制单元7在所述方向盘3接收的人工转动力矩大于预定值时切断对方向盘3的控制。另外，考虑到在一行或相邻两行中出现缺株空缺现象，此时为避免转向控制单元7朝一侧不断转向或者停止行走，甚至误操纵，所述计算单元6在预定时间内未接收到所述传感器信号时所述转向控制单元7保持收割机的航向不变。

本文引用的任何数字值都包括从下限值到上限值之间以一个单位递增的下值和上值的所有值，在任何下值和任何更高值之间存在至少两个单位的间隔即可。举例来说，如果阐述了一个部件的数量或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值是从1到90，优选从20到80，更优选从30到70，则目的是为了说明该说明书中也明确地列举了诸如15到85、22到68、43到51、30到32等值。对于小于1的值，适当地认为一个单位是0.0001、0.001、0.01、0.1。这些仅仅是想要明确表达的示例，可以认为在最低值和最高值之间列举的数值的所有可能组合都是以类似方式在该说明书明确地阐述了的。

除非另有说明，所有范围都包括端点以及端点之间的所有数字。与范围一起使用的“大约”或“近似”适合于该范围的两个端点。因而，“大约20到30”旨在覆盖“大约20到大约30”，至少包括指明的端点。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。

多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照所附权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。出于全面之目的，所有文章和参考包括专利申请和公告的公开都通过参考结合在本文中。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为发明人没有将该主题考虑为所公开的发明主题的一部分。

Claims (12)

1.一种收割机转向控制系统，其特征在于，包括：

具有与农作物行中的植物相互作用的可动桨叶(21)的行传感装置(2)；所述行传感装置(2)产生代表所述桨叶位置参数的传感器信号；

测量所述收割机横摆角速度的惯性测量单元(5)；所述惯性测量单元(5)产生代表所述收割机横摆角速度信号；

与所述行传感装置(2)及所述惯性测量单元(5)连接的计算单元(6)；所述计算单元(6)根据横摆角速度信号以及传感器信号计算航向偏差、横向偏差以及转向轮角；

与所述计算单元(6)连接的转向控制单元(7)；所述转向控制单元(7)根据所述航向偏差、横向偏差以及转向轮角计算方向盘(3)的旋转角度。

2.如权利要求1所述的收割机转向控制系统，其特征在于，所述转向控制单元(7)包括：

第一计算模块，所述第一计算模块根据所述横摆角速度信号计算车轮(4)的转向轮角；

第二计算模块，所述第二计算模块根据车轮(4)的转向轮角、横向偏差以及航向偏差计算方向盘(3)的旋转角度。

3.如权利要求1所述的收割机转向控制系统，其特征在于：所述计算单元(6)与所述转向控制单元(7)位于同一电路板(8)上。

4.如权利要求3所述的收割机转向控制系统，其特征在于：所述方向盘(3)的下方设有电机箱(1)；所述电机箱(1)内设有带动所述方向盘(3)转动的转向电机(9)；所述转向电机(9)与所述转向控制单元(7)连接，以接收驱动信号。

5.如权利要求4所述的收割机转向控制系统，其特征在于：所述电路板(8)位于所述电机箱(1)内。

6.如权利要求5所述的收割机转向控制系统，其特征在于：所述惯性测量单元(5)设置于所述电机箱(1)内。

7.如权利要求1所述的收割机转向控制系统，其特征在于，还包括：与所述转向控制单元(7)连接的提醒单元；所述提醒单元在所述转向控制单元(7)控制所述方向盘(3)旋转时发出提醒信号。

8.如权利要求7所述的收割机转向控制系统，其特征在于：所述提醒单元包括蜂鸣器和/或LED灯。

9.如权利要求1所述的收割机转向控制系统，其特征在于：所述转向控制单元(7)在所述方向盘(3)接收的人工转动力矩大于预定值时切断对方向盘(3)的控制。

10.如权利要求1所述的收割机转向控制系统，其特征在于：所述计算单元(6)在预定时间内未接收到所述传感器信号时保持收割机的航向不变。

11.如权利要求1所述的收割机转向控制系统，其特征在于：所述惯性测量单元(5)为三轴陀螺仪。

12.一种收割机，其特征在于，包括

方向盘(3)；

具有分禾器(11)的收割部分(10)；

如权利要求1-11任一所述的收割机转向控制系统；所述行传感装置(2)设置于所述分禾器(11)上。