CN109984009A - 一种履带自走式多功能果树栽植机器人控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种履带自走式多功能果树栽植机器人控制系统及方法，包括智能控制系统、液压传动控制系统和检测装置。所述的智能控制系统，处理检测装置的反馈作业信号控制机器人进行挖坑、排肥、混肥、回填和浇灌的流程化作业；所述的液压传动控制系统，一方面处理动力源传递的机械能，另一方面接收智能控制系统下达的电信号指令控制执行元件完成栽植作业各阶段任务；所述的检测装置用于检测机器人的行走状态以及栽植作业中各运动部件的行程位置。本发明实现了果树栽植过程中挖坑、排肥、混肥、回填、浇灌的智能化作业模式，操作方法简便，执行效率高。
Description
技术领域
本发明属于农业机械领域，涉及一种履带自走式多功能果树栽植机器人控制系统及方法，实现了果树栽植过程中挖坑、排肥、混肥、回填、浇灌的智能化作业模式。
技术背景
我国林果产业发展势头迅猛，但是果树重茬、换茬等栽培面临的土传病害日益突出，造成巨大经济损失。为此，果树种植前，树穴土须施入菌肥并与其掺混均匀，从而极大地改善土壤质量，有效抑制土传病害发生，提高果树产量。再者，我国果园栽植机械研究起步较晚，特别是果园管理农艺需求发生了新变化，高效、省力的果园栽植装备与技术缺乏，导致该环节用工量多、劳动强度大，作业效率低，由此可见，果园栽植机械化、自动化、智能化重要性日益突显。
目前，果树栽植机器不具备自动化作业的功能，对操作者的依赖程度极大，需要操作者执行复杂的操作步骤，费时费力，其次，果树栽植过程中的作业阶段较多，目前的果树栽植机器未能将这些作业阶段进行整合，作业模式单一，效率较低，严重制约着果树的栽植产业。
因此针对果树栽植过程中自动化、智能化程度低等问题，迫切需要发明一种履带自走式多功能果树栽植机器人控制系统及方法，以实现果树栽植过程中挖坑、排肥、混肥、回填、浇灌等多元化作业的流程化控制及其自动控制，从而节省果树栽植过程中的大量劳动力，提高果树成活率。
发明内容
针对现有果树栽植机器自动化水平低、操作方法冗杂等问题，发明了一种履带自走式多功能果树栽植机器人控制系统及方法，以实现果树栽植过程中挖坑、排肥、混肥、回填、浇灌的智能化作业模式，提高果树成活率，促进林果产业发展。
本发明一种履带自走式多功能果树栽植机器人控制系统及方法所采用的技术方案：包括智能控制系统、液压传动控制系统和检测装置。所述的智能控制系统，处理检测装置的反馈作业信号控制机器人进行挖坑、排肥、混肥、回填和浇灌的流程化作业；所述的液压传动控制系统，一方面处理动力源传递的机械能，另一方面接收智能控制系统下达的电信号指令控制执行元件完成栽植作业各阶段任务；所述的检测装置用于检测机器人的行走状态以及栽植作业中各运动部件的行程位置。
所述的智能控制系统包括，控制器、多路继电器、电源、水泵、排肥电机；所述的控制器包括但不限于单片机、PLC、DSP，作为智能控制系统和液压传动控制系统的控制单元，接收作业指令并发出相应指令；所述的多路继电器具备光耦隔离，对控制器干扰较小，通过执行控制器的信号控制电磁阀、水泵、排肥电机的动作；所述的电源采用直流电源，经稳压模块多级调压后为整个控制系统提供电能；所述的水泵和排肥电机采用直流电进行供电，通过继电器控制其电源的通断来实现作业的启停。
所述的液压传动控制系统，包括液压泵、三位四通电磁换向阀、二位四通电磁换向阀、液压马达、同步液压缸、垂直升降液压缸、液压油箱、溢流阀、过滤器、冷却器、调速阀、双向液压锁；所述的液压泵将动力源提供的机械能转换为液体压力能；所述的三位四通电磁换向阀为两个，控制器通过继电器控制电磁线圈的得电与失电实现阀芯的换向，三位四通电磁换向阀一实现了同步液压缸的伸缩，当两侧电磁阀不通电时，换向阀处于中位机能，P口封闭，油液回油箱，液压缸利用双向液压锁保持活塞锁住不动，当左侧电磁阀得电时，P口与B口相通进油，右侧单向阀打开，控制油口打开左侧单向阀，A口与T口相通实现回油，同步液压缸收缩，当右侧电磁阀得电时，P口与A口相通进油，左侧单向阀打开，控制油口打开右侧单向阀，B口与T口相通实现回油，同步液压缸伸展，三位四通电磁换向阀二同理可述；所述的二位四通电磁换向阀为一个，实现了液压马达的单向转动，当右侧电磁阀不通电时，油液经P口至T口回油箱，当右侧电磁阀通电时，油液经P口至A口实现对液压马达的驱动；所述的液压马达在挖坑、混肥、回填时均为单向转动；所述的同步液压缸为两个液压缸，末端固定于机架，首端固定于平行四边形一边，液压缸的同步伸缩实现了平行四边形的角度变化，同步液压缸的进出油口分别为并联，实现了同步运动；所述的垂直升降液压缸竖直上升下降，挖坑时随深度变大阻力变大，采用点动下降的方式配合液压马达完成挖坑作业；所述的液压油箱为油路提供工作介质，采用46号液压油；所述的溢流阀旁接在液压泵的出口处，起到保护油路的作用；所述的过滤器安装在油箱与液压泵之间，过滤油路中的杂质，保护各液压元件；所述的冷却器安装在回油油路，起到降低液压油温度的作用；所述的调速阀安装在液压马达的入口处，可以对其进行调速；所述的双向液压锁对液压缸活塞起到锁定的作用，阻止了外界载荷的干扰。
所述的检测装置，包括运行状态检测装置、行程检测装置；所述的运行状态检测装置包括但不限于编码器、激光对射传感器、红外光电开关传感器，将其布置于履带行走装置的主动轮处，对机器人的运行状态进行判断，当机器人处于移动状态时，向控制器发送运输状态信号，当机器人处于停止状态时，向控制器发送作业状态信号；所述的行程检测装置向控制器反馈各运动部件的行程信息，包括霍尔角度传感器和微动开关传感器；所述的霍尔角度传感器布置于平行四边形装置的回转轴上，当下筒与地面接触以及下筒上升至最高位置时，回转轴分别处于两个极限角度位置，通过检测角度信息反馈信号给控制器实现对同步液压缸运行状态以及水泵的控制；所述的微动开关传感器有四个，其中三个皆布置于滑轨处，滑块触碰微动开关时会给控制器反馈不同的作业信号，从而实现对液压执行元件的不同组合控制，第四个布置于挡板处，当提起挡板时微动开关被触动使液压马达转动实现卸料，放下挡板时微动开关复位使液压马达及水泵停止转动。
本发明一种履带自走式多功能果树栽植机器人控制系统及方法，包括如下步骤：
1)操作人员通过控制履带行走装置档位使机器人到达作业位置，并对控制系统进行供电。
2)运行状态检测装置对履带行走装置主动轮的运行状态进行判断，检测到履带行走装置处于静止状态，发送作业信号至控制器。
3)三位四通电磁换向阀一右侧电磁阀得电使同步液压缸伸展，霍尔角度传感器检测极限角度位置使同步液压缸停止伸展，下套筒与地面恰好接触。
4)三位四通电磁换向阀二左侧电磁阀得电使垂直升降液压缸持续收缩，滑块触碰至微动开关传感器二，二位四通电磁换向阀右侧电磁阀通电使液压马达、排肥电机启动，同时垂直升降液压缸由持续收缩改为点动收缩，进行挖坑排肥混肥作业。
5)滑块触碰到微动开关传感器三，排肥电机停止转动，三位四通电磁换向阀二电磁阀失电，垂直升降液压缸停止收缩，液压马达持续转动，进行充分混肥作业。
6)三位四通电磁换向阀二右侧电磁阀得电使垂直升降液压缸持续伸展，当滑块触碰到微动开关传感器一时垂直升降液压缸停止伸展，三位四通电磁换向阀一左侧电磁阀得电使同步液压缸收缩，霍尔角度传感器检测极限角度位置使同步液压缸停止收缩，水泵开启。
7)提升挡板触碰到微动开关传感器四，液压马达旋转使肥土回填至坑穴中，放下挡板，微动开关传感器四复位，液压马达和水泵停止作业。
8)操作人员切换档位使机器人开始行进，向前行进至下一个作业地点，期间运行状态检测装置对履带行走装置的运行状态判断为运输状态，各作业元件不发生动作。
9)完成栽植作业后，关闭机器人电源，通过控制履带行走装置档位使机器人回到原始位置。
本发明的有益效果：
1、本发明实现了果树栽植过程中挖坑、排肥、混肥、回填、浇灌的多功能智能化作业模式，使复杂的栽植过程一体化流程化，且人机交互性方便，简便了操作人员的工作，使人工劳动强度降低。
2、本发明结构简单，作业效率高，制造成本低，使机械、液压、电控充分结合，将传统栽植作业过程中所需的机械能向液压能转变，提高了能量利用率。
3、本发明设计的电液控制系统实现了液压缸的同步运行且各个液压执行元件之间可以独立工作，互不干扰。
附图说明
图1为控制系统结构示意图；
图2为液压传动控制系统原理图；
图3为机器人进行栽植作业的控制流程图；
图4为机器人进行栽植作业的工作示意图；
图中：1、液压油箱2、过滤器3、液压泵4、三位四通电磁换向阀一5、双向液压锁6、同步液压缸7、垂直升降液压缸8、液压马达9、调速阀10、二位四通电磁换向阀11、三位四通电磁换向阀二12、溢流阀13、冷却器14、微动开关传感器四15、微动开关传感器一16、微动开关传感器二17、微动开关传感器三18、霍尔角度传感器19、运行状态检测装置
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。本发明提供了一种履带自走式多功能果树栽植机器人控制系统及方法，如图1所示，所述的智能控制系统包括，控制器、多路继电器、电源、水泵、排肥电机；所述的控制器包括但不限于单片机、PLC、DSP，作为智能控制系统和液压传动控制系统的控制单元，接收作业指令并发出相应指令；所述的多路继电器具备光耦隔离，对控制器干扰较小，通过执行控制器的信号控制电磁阀、水泵、排肥电机的动作；所述的电源采用直流电源，经稳压模块多级调压后为整个控制系统提供电能；所述的水泵和排肥电机采用直流电进行供电，通过继电器控制其电源的通断来实现作业的启停。
如图2所示，所述的液压传动控制系统，包括液压泵(3)、三位四通电磁换向阀(4、11)、二位四通电磁换向阀(10)、液压马达(8)、同步液压缸(6)、垂直升降液压缸(7)、液压油箱(1)、溢流阀(12)、过滤器(2)、冷却器(13)、调速阀(9)、双向液压锁(5)；所述的液压泵(3)将动力源提供的机械能转换为液体压力能；所述的三位四通电磁换向阀(4、11)为两个，控制器通过继电器控制电磁线圈的得电与失电实现阀芯的换向，三位四通电磁换向阀一(4)实现了同步液压缸(6)的伸缩，当两侧电磁阀不通电时，换向阀处于中位机能，P口封闭，油液回油箱，同步液压缸(6)利用双向液压锁保持活塞锁住不动，当左侧电磁阀得电时，P口与B口相通进油，右侧单向阀打开，控制油口打开左侧单向阀，A口与T口相通实现回油，同步液压缸(6)收缩，当右侧电磁阀得电时，P口与A口相通进油，左侧单向阀打开，控制油口打开右侧单向阀，B口与T口相通实现回油，同步液压缸(6)伸展，三位四通电磁换向阀二(11)同理可述；所述的二位四通电磁换向阀(10)为一个，实现了液压马达(8)的单向转动，当右侧电磁阀不通电时，油液经P口至T口回油箱，当右侧电磁阀通电时，油液经P口至A口实现对液压马达(8)的驱动；所述的液压马达(8)在挖坑、混肥、回填时均为单向转动；所述的同步液压缸(6)为两个液压缸，末端固定于机架，首端固定于平行四边形一边，液压缸的同步伸缩实现了平行四边形的角度变化，同步液压缸(6)的进出油口分别为并联，实现了同步运动；所述的垂直升降液压缸(7)竖直上升下降，挖坑时随深度变大阻力变大，采用点动下降的方式配合液压马达(8)完成挖坑作业；所述的液压油箱(1)为油路提供工作介质，采用46号液压油；所述的溢流阀(12)旁接在液压泵(3)的出口处，起到保护油路的作用；所述的过滤器(2)安装在油箱与液压泵之间，过滤油路中的杂质，保护各液压元件；所述的冷却器(13)安装在回油油路，起到降低液压油温度的作用；所述的调速阀(9)安装在液压马达的入口处，可以对其进行调速；所述的双向液压锁(5)对液压缸活塞起到锁定的作用，阻止了外界载荷的干扰。
如图1、4所示，所述的检测装置，包括运行状态检测装置(19)、行程检测装置；所述的运行状态检测装置(19)包括但不限于编码器、激光对射传感器、红外光电开关传感器，将其布置于履带行走装置的主动轮处，对机器人的运行状态进行判断，当机器人处于移动状态时，向控制器发送运输状态信号，当机器人处于停止状态时，向控制器发送作业状态信号；所述的行程检测装置向控制器反馈各运动部件的行程信息，包括霍尔角度传感器(18)和微动开关传感器(14、15、16、17)；所述的霍尔角度传感器(18)布置于平行四边形装置的回转轴上，当下筒与地面接触以及下筒上升至最高位置时，回转轴分别处于两个极限角度位置，通过检测角度信息反馈信号给控制器实现对同步液压缸运行状态以及水泵的控制；所述的微动开关传感器有四个，其中三个皆布置于滑轨处，滑块触碰微动开关时会给控制器反馈不同的作业信号，从而实现对液压执行元件的不同组合控制，第四个布置于挡板处，当提起挡板时微动开关被触动使液压马达转动实现卸料，放下挡板时微动开关复位使液压马达及水泵停止转动。
如图2、3、4所示，一种履带自走式多功能果树栽植机器人控制系统的控制方法，包括如下步骤：
1)操作人员通过控制履带行走装置档位使机器人到达作业位置，并对控制系统进行供电。
2)运行状态检测装置(19)对履带行走装置主动轮的运行状态进行判断，检测到履带行走装置处于静止状态，发送作业信号至控制器。
3)三位四通电磁换向阀一(4)右侧电磁阀得电使同步液压缸(6)伸展，霍尔角度传感器(18)检测极限角度位置使同步液压缸(6)停止伸展，下套筒与地面恰好接触。
4)三位四通电磁换向阀二(11)左侧电磁阀得电使垂直升降液压缸(7)持续收缩，滑块触碰至微动开关传感器二(16)，二位四通电磁换向阀(10)右侧电磁阀通电使液压马达(8)、排肥电机启动，同时垂直升降液压缸(7)由持续收缩改为点动收缩，进行挖坑排肥混肥作业。
5)滑块触碰到微动开关传感器三(17)，排肥电机停止转动，三位四通电磁换向阀二(12)电磁阀失电，垂直升降液压缸(7)停止收缩，液压马达(8)持续转动，进行充分混肥作业。
6)三位四通电磁换向阀二(12)右侧电磁阀得电使垂直升降液压缸(7)持续伸展，当滑块触碰到微动开关传感器一(15)时垂直升降液压缸停止伸展，三位四通电磁换向阀一(4)左侧电磁阀得电使同步液压缸(6)收缩，霍尔角度传感器(18)检测极限角度位置使同步液压缸(6)停止收缩，水泵开启。
7)提升挡板触碰到微动开关传感器四(14)，液压马达(8)旋转使肥土回填至坑穴中，放下挡板，微动开关传感器四(14)复位，液压马达(8)和水泵停止作业。
8)操作人员切换档位使机器人开始行进，向前行进至下一个作业地点，期间运行状态检测装置(19)对履带行走装置的运行状态判断为运输状态，各作业元件不发生动作。
9)完成栽植作业后，关闭机器人电源，通过控制履带行走装置档位使机器人回到原始位置。
Claims (2)
1.一种履带自走式多功能果树栽植机器人控制系统，其特征在于：包括智能控制系统、液压传动控制系统和检测装置；
所述的智能控制系统包括，控制器、多路继电器、电源、水泵、排肥电机；所述的控制器包括但不限于单片机、PLC、DSP，作为智能控制系统和液压传动控制系统的控制单元，接收作业指令并发出相应指令；所述的多路继电器具备光耦隔离，对控制器干扰较小，通过执行控制器的信号控制电磁阀、水泵、排肥电机的动作；所述的电源采用直流电源，经稳压模块多级调压后为整个控制系统提供电能；所述的水泵和排肥电机采用直流电进行供电，通过继电器控制其电源的通断来实现作业的启停；
所述的液压传动控制系统，包括液压泵、三位四通电磁换向阀、二位四通电磁换向阀、液压马达、同步液压缸、垂直升降液压缸、液压油箱、溢流阀、过滤器、冷却器、调速阀、双向液压锁；所述的液压泵将动力源提供的机械能转换为液体压力能；所述的三位四通电磁换向阀为两个，控制器通过继电器控制电磁线圈的得电与失电实现阀芯的换向，三位四通电磁换向阀一实现了同步液压缸的伸缩，当两侧电磁阀不通电时，换向阀处于中位机能，P口封闭，油液回油箱，液压缸利用双向液压锁保持活塞锁住不动，当左侧电磁阀得电时，P口与B口相通进油，右侧单向阀打开，控制油口打开左侧单向阀，A口与T口相通实现回油，同步液压缸收缩，当右侧电磁阀得电时，P口与A口相通进油，左侧单向阀打开，控制油口打开右侧单向阀，B口与T口相通实现回油，同步液压缸伸展，三位四通电磁换向阀二同理可述；所述的二位四通电磁换向阀为一个，实现了液压马达的单向转动，当右侧电磁阀不通电时，油液经P口至T口回油箱，当右侧电磁阀通电时，油液经P口至A口实现对液压马达的驱动；所述的液压马达在挖坑、混肥、回填时均为单向转动；所述的同步液压缸为两个液压缸，末端固定于机架，首端固定于平行四边形一边，液压缸的同步伸缩实现了平行四边形的角度变化，同步液压缸的进出油口分别为并联，实现了同步运动；所述的垂直升降液压缸竖直上升下降，挖坑时随深度变大阻力变大，采用点动下降的方式配合液压马达完成挖坑作业；所述的液压油箱为油路提供工作介质，采用46号液压油；所述的溢流阀旁接在液压泵的出口处，起到保护油路的作用；所述的过滤器安装在油箱与液压泵之间，过滤油路中的杂质，保护各液压元件；所述的冷却器安装在回油油路，起到降低液压油温度的作用；所述的调速阀安装在液压马达的入口处，可以对其进行调速；所述的双向液压锁对液压缸活塞起到锁定的作用，阻止了外界载荷的干扰；
所述的检测装置，包括运行状态检测装置、行程检测装置；所述的运行状态检测装置包括但不限于编码器、激光对射传感器、红外光电开关传感器，将其布置于履带行走装置的主动轮处，对机器人的运行状态进行判断，当机器人处于移动状态时，向控制器发送运输状态信号，当机器人处于停止状态时，向控制器发送作业状态信号；所述的行程检测装置向控制器反馈各运动部件的行程信息，包括霍尔角度传感器和微动开关传感器；所述的霍尔角度传感器布置于平行四边形装置的回转轴上，当下筒与地面接触以及下筒上升至最高位置时，回转轴分别处于两个极限角度位置，通过检测角度信息反馈信号给控制器实现对同步液压缸运行状态以及水泵的控制；所述的微动开关传感器有四个，其中三个皆布置于滑轨处，滑块触碰微动开关时会给控制器反馈不同的作业信号，从而实现对液压执行元件的不同组合控制，第四个布置于挡板处，当提起挡板时微动开关被触动使液压马达转动实现卸料，放下挡板时微动开关复位使液压马达及水泵停止转动。
2.根据权利要求1所述的一种履带自走式多功能果树栽植机器人控制系统的控制方法，其特征在于，其控制过程如下：
1)操作人员通过控制履带行走装置档位使机器人到达作业位置，并对控制系统进行供电；
2)运行状态检测装置对履带行走装置主动轮的运行状态进行判断，检测到履带行走装置处于静止状态，发送作业信号至控制器；
3)三位四通电磁换向阀一右侧电磁阀得电使同步液压缸伸展，霍尔角度传感器检测极限角度位置使同步液压缸停止伸展，下套筒与地面恰好接触；
4)三位四通电磁换向阀二左侧电磁阀得电使垂直升降液压缸持续收缩，滑块触碰至微动开关传感器二，二位四通电磁换向阀右侧电磁阀通电使液压马达、排肥电机启动，同时垂直升降液压缸由持续收缩改为点动收缩，进行挖坑排肥混肥作业；
5)滑块触碰到微动开关传感器三，排肥电机停止转动，三位四通电磁换向阀二电磁阀失电，垂直升降液压缸停止收缩，液压马达持续转动，进行充分混肥作业。
6)三位四通电磁换向阀二右侧电磁阀得电使垂直升降液压缸持续伸展，当滑块触碰到微动开关传感器一时垂直升降液压缸停止伸展，三位四通电磁换向阀一左侧电磁阀得电使同步液压缸收缩，霍尔角度传感器检测极限角度位置使同步液压缸停止收缩，水泵开启；
7)提升挡板触碰到微动开关传感器四，液压马达旋转使肥土回填至坑穴中，放下挡板，微动开关传感器四复位，液压马达和水泵停止作业；
8)操作人员切换档位使机器人开始行进，向前行进至下一个作业地点，期间运行状态检测装置对履带行走装置的运行状态判断为运输状态，各作业元件不发生动作；
9)完成栽植作业后，关闭机器人电源，通过控制履带行走装置档位使机器人回到原始位置。
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