CN110862279A - 一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机，包括翻抛机机架、激光雷达、翻抛机构、翻抛升降板、驱动控制系统、履带式行走机构，所述激光雷达安装在翻抛机机架的顶部，所述翻抛机构安装在翻抛机机架的内部，所述翻抛升降板安装在翻抛机机架的前部，所述履带式行走机构安装在翻抛机机架的两侧；所述激光雷达、翻抛机构和履带式行走机构均与驱动控制系统电性连接。本发明主要应用在小型有机肥加工厂家的室内工作环境，具备成本低、效率高等显著优势。

Description

一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机。

背景技术

随着科技的不断发展，人们对环境保护的要求也越来越高。当前社会处处都在推行“绿色环保”的观念，这一观念也渗透进入了绿色农业和有机农业行业中，制作生物有机肥不但能变废为宝，减少环境污染问题，还能为农业生产提供优质肥料。但是，在生物有机肥的制作过程中，工人们需要不停地将有机肥进行翻抛、发酵，大量的有机肥原料堆积会散发出恶臭的味道，空气中的化学物质吸附到人的皮肤上，会使皮肤溃烂，长时间工作在这样恶劣的工作环境下，给工人师傅的健康带来十分严重的威胁。

现有技术中存在的问题和缺陷包括：

目前大部分无人驾驶农机装备工作在室外，其利用GPS等卫星系统进行导航，成本比较高，并不适合应用在小型有机肥加工厂家的室内工作环境里。同时，国内外尚无可用的全自动无人驾驶有机肥翻抛机，市场上现有的翻抛机仍然需要人工驾驶操作，自动化程度低，费时费力，且效率不高。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题和缺陷，本发明提供了一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机，主要应用在小型有机肥加工厂家的室内工作环境，具备成本低、效率高等显著优势。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机，包括翻抛机机架、激光雷达、翻抛机构、翻抛升降板、驱动控制系统、履带式行走机构，所述激光雷达安装在翻抛机机架的顶部，所述翻抛机构安装在翻抛机机架的内部，所述翻抛升降板安装在翻抛机机架的前部，所述履带式行走机构安装在翻抛机机架的两侧；所述激光雷达、翻抛机构和履带式行走机构均与驱动控制系统电性连接。

优选地，所述激光雷达将扫描到的空间位置数据发送给驱动控制系统，驱动控制系统对该数据进行转换并分析，控制履带式行走机构做出运行动作。

优选地，所述翻抛升降板和翻抛机构的一侧分别设有翻抛升降油缸和翻抛机构油缸，用于液压升降翻抛升降板和翻抛机构并调整地隙；所述驱动控制系统通过控制电液比例换向阀来控制翻抛升降油缸和翻抛机构油缸的工作行程，进而控制翻抛升降板和翻抛机构的高度。

优选地，所述翻抛机机架上还设有驾驶室，驾驶室内部设有左离合操作杆、右离合操作杆、制动踏板、加速踏板，所述左离合操作杆和右离合操作杆用于控制方向，所述制动踏板用于紧急刹车，所述加速踏板用于加速。

进一步地，所述基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机采用全液压操作系统，液压动力源由柴油内燃机驱动液压泵来提供，通过驱动控制系统控制电磁换向阀的信号来控制相应液压缸的运动；所述左离合操作杆、右离合操作杆、制动踏板、加速踏板分别通过左离合换向缸、右离合换向缸、制动油缸、加速油缸的推杆进行驱动。

进一步地，当液压系统中的各液压控制阀处于断电状态时，所述左离合操作杆、右离合操作杆、制动踏板、加速踏板、翻抛升降板及翻抛机构均采用人工手动操作。

优选地，所述基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机的工作环境主要在室内，满足激光雷达正常测距定位要求。

进一步地，所述激光雷达的测量半径为40m，基于同步定位与地图绘制算法(SLAM)进行构建地图，并将数据反馈给驱动控制系统。

优选地，所述基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机的工作路径包括两种，分别是“回字”型和“S”型。

优选地，所述翻抛机构包括绞龙轴和铰刀，铰刀等间距的安装在绞龙轴上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)驱动控制系统通过控制各个液压控制阀来控制液压油缸的动作，从而实现翻抛机的自行走、路径规划、翻抛升降板及翻抛机构高度调节、绞龙轴旋转控制等功能，最终实现翻抛机的无人化自主翻抛作业。

(2)将人从机器中解放出来，同时提高了翻抛机的工作效率。

(3)本发明主要应用在小型有机肥加工厂家的室内工作环境，自动化程度高，成本低。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机的结构组成示意图。

图2是本发明实施例所提供的一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机的工作路径图。

图3是本发明实施例所提供的一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机的控制部分连接框图。

图4是本发明实施例所提供的一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机的液压油路图。

图5是本发明实施例所提供的一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机的控制流程框图。

附图标记说明：1、翻抛升降板；2、翻抛升降油缸；3、翻抛机构油缸；4、驾驶室；5、激光雷达；6、翻抛机机架；7、驱动控制系统；8、左离合操作杆；9、左离合换向缸；10、履带式行走机构；11、制动油缸；12、制动踏板；13、翻抛机构；14、右离合操作杆；15、右离合换向缸；16、加速油缸；17、加速踏板。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本发明公开了一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机，主要包括翻抛机机架6、激光雷达5、翻抛机构13、翻抛升降板1、驱动控制系统7、履带式行走机构10等，所述激光雷达5安装在翻抛机机架6顶部，所述翻抛机构13安装在翻抛机机架6内部，所述翻抛机构13包括绞龙轴和铰刀，铰刀等间距安装在绞龙轴上，所述翻抛升降板1安装在翻抛机机架6前部，所述履带式行走机构10安装在翻抛机机架6两侧，所述激光雷达5、翻抛机构13和履带式行走机构10均与驱动控制系统7电性连接。

所述激光雷达5将扫描到的空间位置数据发送给驱动控制系统7，所述驱动控制系统7对这一数据进行转换并分析，控制履带式行走机构10做出运行动作。

所述翻抛机构13和翻抛升降板1可液压升降，调整地隙，其中，液压升降由驱动控制系统7控制电液比例换向阀来控制翻抛升降油缸2和翻抛机构油缸3的工作行程，进而控制翻抛升降板1和翻抛机构13的高度。

所述翻抛机机架6还包括驾驶室4，所述驾驶室4内部设有用于控制方向的左离合操作杆8、右离合操作杆14、紧急刹车的制动踏板12、加速踏板17等；所述左离合操作杆8、右离合操作杆14、制动踏板12、加速踏板17分别通过左离合换向缸9、右离合换向缸15、制动油缸11、加速油缸16的推杆进行驱动。

本发明实施例的机械结构为手自一体结构，主要包括左离合操作杆8和右离合操作杆14、制动踏板12、加速踏板17和翻抛升降板1，该履带式翻抛机采用全液压操作系统，液压动力源由柴油内燃机驱动液压泵来提供，通过驱动控制系统7控制电磁换向阀的信号来控制相应液压缸的运动，各液压缸的推杆分别驱动左离合操作杆8和右离合操作杆14、制动踏板12、加速踏板17、翻抛升降板1及翻抛机构13，从而实现翻抛机的各运动控制功能，同时，当液压系统中的各液压控制阀处于断电状态时，翻抛机的驱动左离合操作杆8和右离合操作杆14、制动踏板12、加速踏板17、翻抛升降板1及翻抛机构13均可人工手动操作。

本发明实施例提供的一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机，前后左右四个方位均装有光电传感器，当光电传感器检测到离障碍物的距离小于等于2m时，将信号反馈给驱动控制系统7，驱动控制系统7控制车辆紧急停车并报警。

图2所示为本发明实施例提供的基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机的两种工作路径，即“回字”型和“S”型。图中实线代表履带式翻抛机正中心在工作时形成的轨迹，箭头代表前进方向。车辆在直线行驶时，会不断的根据距离最近障碍物的距离来判断前进方向，并做出方向的调整，下文中提到的直线行驶，实际上是修正后的直线行驶。激光雷达5接收到四周的障碍物的距离分别为S₁、S₂、S₃、S₄，车辆在自动驾驶模式开启后，假设车辆一直保持直线行驶，且距离外围障碍物的距离为X，转弯半径为R，车辆位于起点时距离右侧障碍物距离为A。

工作路径为“回字”型时，假设默认的工作起点为右下角，车辆运行时，一直保持直线行驶，方向调整检测距离为S₁＝X，当识别到S₃＝X时，驱动控制系统控制左履带不动，右履带继续前进，实现左转弯，经过时间t₁，车体方向逆时针旋转90°±10°时，两个履带继续同步前进，实现直线行驶，方向调整检测距离为S₃＝X。当识别到S₂＝X，驱动控制系统控制左履带不动，右履带继续前进，转弯原理同上。以此类推，每走完i圈，检测前方的距离和方向调整距离均为X＝A+2iR。

工作路径为“S”型时，同样假设默认的工作起点为右下角，车辆运行时，一直保持直线行驶，方向调整检测距离为S₁＝X＝A，当识别到S₃＝A时，驱动控制系统控制左履带不动，右履带继续前进，实现左调头，经过时间t₂，车体方向逆时针旋转180°±20°时，两个履带继续同步前进，实现直线行驶，方向调整检测距离为S₁＝X＝A+2R。当识别到S₄＝A，驱动控制系统控制右履带不动，左履带继续前进，同样，经过时间t₂，车辆右调头后，保持直线行驶。车辆每掉头i次，方向调整检测距离为S₁＝X＝A+2iR。

当车辆运行至终点，光电开关触碰到终点的限位挡板，车辆紧急停车，亮起紧急停车指示灯并报警，等待工作人员上前操作。

图3所示为本发明实施例的控制部分连接框图。

激光雷达、光电开关和距离传感器将接收到的数据反馈给驱动控制系统，驱动控制系统对这些信号处理并分析，激光雷达反馈回来的信号主要用于两个离合操作杆、制动踏板和加速踏板的控制操作；系统根据光电开关反馈的遮挡物信号启动紧急停车动作，并响起紧急报警装置；距离传感器安装在翻抛升降板的下方，系统根据这一高度调整翻抛升降板和翻抛机构的高度。整个工作系统通过控制各个电磁阀工位的得电与失电控制液压油缸的动作，从而控制各个执行部件的动作。

图4所示为本发明实施例的液压油路图。

本发明实施例的履带式翻抛机采用全液压操作系统，液压动力源由柴油内燃机驱动液压泵来提供，通过驱动控制系统控制电磁换向阀的信号来控制相应液压缸的运动，各液压缸的推杆分别驱动离合操作杆、制动踏板、加速踏板、翻抛升降板及翻抛机构，从而实现翻抛机的各运动控制功能，同时，当液压系统中的各液压控制阀处于断电状态时，翻抛机的离合操作杆、制动踏板、加速踏板、翻抛升降板及翻抛机构均可人工手动操作。

本发明实施例中，左离合操作杆采用三位四通“H型”电磁换向阀Ⅰ和双作用液压缸①控制，右离合操作杆采用三位四通“H型”电磁换向阀Ⅱ和双作用液压缸②控制，保证履带式翻抛机可以实现人工/自动驾驶两种模式自由切换，不受影响。两个离合操作杆都在原始位置即前位时，车辆正常行驶；两个离合操作杆的其中一个被后拉时，相对应的履带停止行走，实现转弯。

本发明实施例中，制动踏板采用二位三通电磁换向阀Ⅲ和单作用液压缸③控制，加速踏板采用二位三通电磁换向阀Ⅳ和单作用液压缸④控制。当电磁阀失电时，单作用液压缸自动退回，液压缸的工作端通过牵引绳和定滑轮与踏板相连接，只对踏板起拉低作用，需要靠内部弹簧自动复位，不影响人工驾驶。

本发明实施例中，翻抛升降板采用三位四通“O”型电磁比例换向阀Ⅴ、双作用液压缸⑤和⑥控制，翻抛机构采用三位四通“O”型电磁比例换向阀Ⅵ、双作用液压缸⑦和⑧控制，翻抛升降板的底部设有距离传感器，驱动控制系统根据距离传感器反馈的信号调整翻抛升降板和翻抛机构的高度。

图5所示为本发明实施例的控制流程框图。由于“回字”型和“S”型的工作路径原理类似，在此仅介绍“S”型工作路径的工作流程。工作人员将翻抛机驾驶到工作起点后，开启自动驾驶模式，工作人员从翻抛机下来，退出工作场地。10s后，翻抛机运行指示灯亮起，系统进入工作状态。距离传感器将翻抛升降板距离地面的高度反馈给驱动控制系统，系统通过控制电液比例换向阀Ⅴ和Ⅵ的工位得电将翻抛机构和翻抛升降板下降到合适的高度。车辆在直线行驶时，会不断的根据距离最近障碍物的距离来判断前进方向，并做出方向的调整，下文中提到的直线行驶，实际上是修正后的直线行驶。激光雷达接收到四周的障碍物的距离分别为S₁、S₂、S₃、S₄，假设车辆一直保持直线行驶，距离外围障碍物的距离为X，a为距离误差修正系数，转弯半径为R，起点处距离外围障碍物距离为A，车辆四周的光电传感器距离四周的障碍物距离为B。

下面介绍各状态的基本工作原理，以下各状态仅针对第一方向时做出的解释，第二方向与第一方向类似，所述第一方向为与起点车头方向相同，第二方向与起点时车头方向相反。

1.直行：当S₁＝X±a，且稳定在一定时间内，系统判定车辆为直线行驶状态，不对转向油缸做出控制，此时可以进行加速油缸的控制，实现短暂加速，每调头i次，X的值增加2R，X＝A+2iR。

2.车辆左偏：当S₁＞X±a，系统判定车辆左偏，通过控制电磁换向阀Ⅰ的a位得电，使左换向油缸工作，将左离合操作杆后推，左履带停止，右履带继续前行，直至S₁＝X±a时，电磁换向阀Ⅰ的a位失电，b位得电，左换向油缸复位，左离合操作杆复位，两个履带同步前进，继续直线行驶。

3.车辆右偏：当S₁＜X±a，系统判定车辆右偏，通过控制电磁换向阀Ⅱ的c位得电，使右换向油缸工作，将右离合操作杆后推，右履带停止，左履带继续前行，直至S₁＝X±a时，电磁换向阀Ⅱ的c位失电，d位得电，右换向油缸复位，右离合操作杆复位，两个履带同步前进，继续直线行驶。

4.车辆加速和紧急停车：当S₁＝X±a，且稳定在一定时间内，系统判定车辆为直线行驶状态，通过控制电磁换向阀Ⅳ的f位得电，控制加速油缸工作，将加速踏板拉低，直至S₁≠X±a，电磁换向阀Ⅳ的f位失电，加速踏板复位，车辆继续匀速行驶；当车辆四周的光电传感器检测到距离障碍物B＜2m时，将信号反馈给驱动控制系统，系统判定此时为危险状态，控制电磁换向阀Ⅲ的e位得电，制动踏板被拉低，同时控制电磁换向阀Ⅰ和Ⅱ的a位和c位得电，两个离合操作杆同时被后推，紧急停车，车辆亮起紧急停车指示灯并报警，等待工作人员上前操作；当车辆运行至终点，光电开关碰到终点的限位挡板，车辆同样紧急停车，亮起紧急停车指示灯并报警，等待工作人员上前操作。

5.车辆左调头：当S₃＝A时，驱动控制系统控制电磁换向阀Ⅰ的a位得电，换向油缸①将左离合操作杆后推，左履带不动，右履带继续前进，经过时间t₂，车辆左调头后，电磁换向阀Ⅰ的b位得电，换向油缸①将左离合操作杆复位后，电磁换向阀Ⅰ的b位失电，两个履带继续同步前进。

6.车辆右调头：当S₄＝A时，驱动控制系统控制电磁换向阀Ⅱ的c位得电，换向油缸②将右离合操作杆后推，右履带不动，左履带继续前进，经过时间t₂，车辆右调头后，电磁换向阀Ⅱ的d位得电，换向油缸①将右离合操作杆复位后，电磁换向阀Ⅱ的d位失电，两个履带继续同步前进。

本发明实施例在以后的推广应用中，可以和物联网APP进行交互操作，即将工作场地的图像通过远程传输到用户端APP，操作人员可以实现对翻抛机的远程操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机，包括翻抛机机架(6)、激光雷达(5)、翻抛机构(13)、翻抛升降板(1)、驱动控制系统(7)、履带式行走机构(10)，其特征在于：所述激光雷达(5)安装在翻抛机机架(6)的顶部，所述翻抛机构(13)安装在翻抛机机架(6)的内部，所述翻抛升降板(1)安装在翻抛机机架(6)的前部，所述履带式行走机构(10)安装在翻抛机机架(6)的两侧；所述激光雷达(5)、翻抛机构(13)和履带式行走机构(10)均与驱动控制系统(7)电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机，其特征在于：所述激光雷达(5)将扫描到的空间位置数据发送给驱动控制系统(7)，驱动控制系统(7)对该数据进行转换并分析，控制履带式行走机构(10)做出运行动作。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机，其特征在于：所述翻抛升降板(1)和翻抛机构(13)的一侧分别设有翻抛升降油缸(2)和翻抛机构油缸(3)，用于液压升降翻抛升降板(1)和翻抛机构(13)并调整地隙；所述驱动控制系统(7)通过控制电液比例换向阀来控制翻抛升降油缸(2)和翻抛机构油缸(3)的工作行程，进而控制翻抛升降板(1)和翻抛机构(13)的高度。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机，其特征在于：所述翻抛机机架(6)上还设有驾驶室(4)，驾驶室(4)内部设有左离合操作杆(8)、右离合操作杆(14)、制动踏板(12)、加速踏板(17)，所述左离合操作杆(8)和右离合操作杆(14)用于控制方向，所述制动踏板(12)用于紧急刹车，所述加速踏板(17)用于加速。

5.根据权利要求4所述的一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机，其特征在于：所述基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机采用全液压操作系统，液压动力源由柴油内燃机驱动液压泵来提供，通过驱动控制系统(7)控制电磁换向阀的信号来控制相应液压缸的运动；所述左离合操作杆(8)、右离合操作杆(14)、制动踏板(12)、加速踏板(17)分别通过左离合换向缸(9)、右离合换向缸(15)、制动油缸(11)、加速油缸(16)的推杆进行驱动。

6.根据权利要求5所述的一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机，其特征在于：当液压系统中的各液压控制阀处于断电状态时，所述左离合操作杆(8)、右离合操作杆(14)、制动踏板(12)、加速踏板(17)、翻抛升降板(1)及翻抛机构(13)均采用人工手动操作。

7.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机，其特征在于：所述基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机的工作环境主要在室内，满足激光雷达(5)正常测距定位要求。

8.根据权利要求7所述的一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机，其特征在于：所述激光雷达(5)的测量半径为40m，基于同步定位与地图绘制算法进行构建地图，并将数据反馈给驱动控制系统(7)。

9.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机，其特征在于：所述基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机的工作路径包括两种，分别是“回字”型和“S”型。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的一种基于激光雷达导航的履带式无人驾驶有机肥翻抛机，其特征在于：所述翻抛机构(13)包括绞龙轴和铰刀，铰刀等间距的安装在绞龙轴上。

Images