CN111044297B - 温室地面随机激励下车体偏移校正试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

温室地面随机激励下车体偏移校正试验装置及其试验方法，该试验装置中模拟单元用于模拟地面起伏状态的变化；悬架单元与模拟单元连接，悬架单元随着模拟单元模拟的地面起伏状态的变化而发生倾斜；校正回位单元与悬架单元可滑动连接；检测单元与校正回位单元连接，能够随着校正回位单元偏移并检测出偏移参数；控制单元分别与模拟单元、检测单元和校正回位单元连接，用于控制模拟单元模拟产生地面起伏状态的变化，接收检测单元检测到的偏移参数，根据偏移参数计算得到机器转向调节参数，以及通过校正回位单元将检测单元回位。该试验装置能模拟地面起伏状态变化，并输出转向调节参数，为实现机器人在温室地面随机激励下的稳定行驶提供了条件。

Description

温室地面随机激励下车体偏移校正试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及农业装备检测技术领域，涉及一种温室地面随机激励下车体行驶偏移现象的校正试验装置及其试验方法，能够保证在温室环境内作业机器人前进的稳定性。

背景技术

随着农业现代化不断发展，果蔬生产面积不断扩大，用于温室环境内的作业机器人日益增多。无论是运输机器人、采摘机器人还是喷雾机器人，都无法避免因土壤地面的起伏而带来的路径偏移问题，从而导致机器人工作的不稳定性，有些甚至无法可靠地实现其原有功能。所以，使用能够对复杂路面快速产生补偿偏移量的装置，可以为温室内机器人的精准物流、高效采摘、精量喷雾提供可靠的保障。

由于温室内环境复杂，目前大多数机器人采用铺设固定轨道的方式来确保其运动的稳定性，此种方法的弊端是轨道铺设成本高、不方便移动、占用耕地面积并且给温室内的耕作带来极大的不便。因此，迫切需要避免采用轨道，同时又能够按照预先设定路径稳定前行的机器人出现。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种温室地面随机激励下车体偏移校正试验装置及其试验方法，能保证机器人在无轨及起伏地面的条件下，通过实时输出机器人转向机构调节的参数，来实现机器人的稳定行驶，从而达到温室内机器人的智能化、精准化、低成本和高效化。

本发明的一个方面提供一种温室地面随机激励下车体偏移校正试验装置，包括：

模拟单元，用于模拟地面起伏状态的变化；

悬架单元，与所述模拟单元连接，所述悬架单元随着所述模拟单元模拟的所述地面起伏状态的变化而发生倾斜；

校正回位单元，与所述悬架单元可滑动连接；

检测单元，与所述校正回位单元连接，能够随着所述校正回位单元偏移并检测出偏移参数；以及

控制单元，分别与所述模拟单元、所述检测单元和所述校正回位单元连接，用于控制所述模拟单元模拟产生所述地面起伏状态的变化，接收所述检测单元检测到的所述偏移参数，根据所述偏移参数计算得到检测单元的回位长度及机器转向调节角度，以及通过所述校正回位单元将所述检测单元回位。

进一步地，所述试验装置还包括参数输入单元，所述参数输入单元与所述控制单元连接，用于向所述控制单元输入地面平整度参数。

进一步地，所述模拟单元包括多个升降模块，多个所述升降模块分别与所述控制单元连接，多个所述升降模块支撑于所述悬架单元的下侧。

进一步地，所述悬架单元包括结构骨架和多个弹簧，多个所述弹簧分别与所述结构骨架固定连接，多个所述弹簧与多个所述升降模块一一对应且固定连接。

进一步地，所述校正回位单元包括滑板、丝杠电机、滚珠丝杠和丝杠螺母，所述丝杠电机与所述滑板固定连接，所述丝杠电机的输出端与所述滚珠丝杠传动连接，所述丝杠螺母与所述丝杠螺纹连接，所述丝杠螺母与所述滑板可滑动连接，所述检测单元与所述丝杠螺母固定连接。

本发明的另一方面还提供一种温室地面随机激励下车体偏移校正试验方法，主要包括以下步骤：

S2：模拟地面起伏状态的变化；

S4：检测所述地面起伏状态变化引起的偏移参数；

S6：根据所述偏移参数计算得到机器转向调节参数；

S8：控制所述检测单元回位；

S10：循环执行步骤S2、S4、S6和S8。

进一步地，在模拟地面起伏状态变化的步骤之前，还包括：

S1：向控制单元输入地面平整度参数。

进一步地，所述偏移参数包括偏移的距离，偏移的速度和加速度，以及倾斜角度中的至少一种。

进一步地，所述机器转向调节参数包括回位长度以及机器转向调节角度。

进一步地，所述回位长度及所述机器转向调节角度由下列公式计算得出：

其中，L₁，L₂，L₃为回位长度，α是滑板的倾斜角度，m₁是校正单元的重量，m₂是控制盒及内部元件的重量，K是弹簧的刚度，i是转向调节角度与丝杠之间的减速比。

本发明一种实施例的试验装置及其试验方法至少具有以下有益效果：

1)本发明采用升降模块精确地模拟地面的起伏状态变化，从而能够模拟地面与机器人车轮接触的情况，为研究地面起伏对机器平稳性的影响提供了一种崭新的方法。

2)本发明采用实时监控、调节的方式，能迅速输出温室机器人在随机地面激励下保证其路径行驶所需要的转向调节参数，为实现温室轨道机器人去除轨道，且不损失运行精度提供了可能性。

3)本发明采用智能反馈控制，安全性能好、操作简单、精度高，且整体搭建成本低，体积小。

附图说明

图1为本发明一种实施例的试验装置的结构示意图。

图2为本发明一种实施例的试验装置中的模拟单元的示意图。

图3为本发明一种实施例的试验装置中的校正回位单元的示意图。

图4为本发明一种实施例的试验装置中的悬架单元的示意图。

图5为本发明一种实施例的试验装置中的控制单元的结构示意图。

图6为本发明一种实施例的试验方法的示意图。

附图标记说明

1-控制盒，2-轨道，3-滚珠丝杠，4-传感器连接架，5-丝杠电机，6-滑板，7-传感器，8-滑轨，9-主骨架，11-弹簧，12-升降连接板，13-固定板，14-升降电机，15-丝杠螺母，16-滑块，17-升降模块，18-升降支架，1801-第一连接杆，1802-第二连接杆，1803-第三连接杆，1804-第四连接杆,19-升降丝杠，20-减速器。

具体实施方式

通过解释以下本申请的优选实施方案，本发明的其他目的和优点将变得清楚。

如图1至5所示，一种温室地面随机激励下车体偏移校正试验装置，包括模拟单元、悬架单元、校正回位单元、检测单元和控制单元。其中，模拟单元用于模拟地面起伏状态的变化。悬架单元与所述模拟单元连接，所述悬架单元随着所述模拟单元模拟的所述地面起伏状态的变化而发生倾斜。校正回位单元与所述悬架单元可滑动连接。检测单元与所述校正回位单元连接，能够随着所述校正回位单元偏移并检测出偏移参数。控制单元分别与所述模拟单元、所述检测单元和所述校正回位单元连接。控制单元用于控制所述模拟单元模拟产生所述地面起伏状态的变化，接收所述检测单元检测到的所述偏移参数，根据所述偏移参数计算得到检测单元的回位长度及机器转向调节角度，以及通过所述校正回位单元将所述检测单元回位。

具体地，模拟单元用于模拟地面起伏状态的变化，也就是模拟地面与机器人车轮接触的真实情况。本实施例中，模拟单元包括固定板13和多个升降模块17。固定板13用于固定升降模块17，可以将固定板13通过螺栓等紧固件与升降模块17固定连接。本实施例中，优选地，所述模拟单元包括四个升降模块17，四个升降模块17分别固定在固定板13的上表面之四个边角的内侧。需要说明的是，根据需要也可以将升降模块17的数量设置为2个、3个、5个或者其他数量。

本实施例中的升降模块17包括升降电机14、减速器20、升降丝杠19、升杠螺母、升降支架18和升降连接板12。具体地，升降支架18具有第一连接杆1801、第二连接杆1802、第三连接杆1803和第四连接杆1804，第一连接杆1801的上端与升降连接板12枢接，第一连接杆1801的下端与第二连接杆1802的上端通过第一销钉枢接，第二连接杆1802的下端与固定板13枢接。第三连接杆1803的上端与升降连接板12枢接，第三连接杆1803的下端与第四连接杆1804的上端通过第二销钉枢接，第四连接杆1804的下端与固定板13枢接。升降电机14与第二销钉固定连接，升降电机14的输出端通过减速器20与升降丝杠19传动连接，升降丝杠19的一端与第二销钉可转动连接，升降丝杠19的另一端与升降螺母螺纹连接，升降螺母与第一销钉固定连接。

另外，升降螺母还可以与第二销钉可转动连接，而升降电机14的输出端通过减速器20与升降螺母传动连接。升降丝杠19的一端与第一销钉固定连接，升降丝杠的另一端与第二销钉可滑动连接。当升降螺母转动时也同样能够驱动升降模块17作出升降动作。

本实施例的升降模块17中，升降电机14通过减速器20驱动升降丝杠19旋转，升降丝杠19旋转时能够使第一销钉和第二销钉的相互靠近或者远离；当第一销钉和第二销钉的相互靠近时，升降连接板12的高度升高；当第一销钉和第二销钉相互远离时，升降连接板12的高度则降低。

所述试验装置还包括参数输入单元，所述参数输入单元与所述控制单元连接，用于向所述控制单元输入地面平整度参数。上述地面平整度参数可以离散数据点的方式输入到控制单元中。

本实施例中，四个所述升降模块17分别与所述控制单元连接。根据控制单元的指令升降模块17交替的伸出或者缩回，从而能够模拟机器人行进过程中地面起伏状态的变化。

悬架单元位于升降模块17的上侧。本实施例中，所述悬架单元包括结构骨架和多个弹簧11，多个所述弹簧11分别与所述结构骨架固定连接，多个所述弹簧11与多个所述升降模块17一一对应且固定连接。

弹簧11作为机器人的减振元件，一端固定在升降模块17的升降连接板12上，另一端与结构骨架固定连接。

结构骨架包括主骨架9、滑轨8、滑块16和滑板6。主骨架9用于控制盒1和校正回位单元。主骨架9可选用角钢、方管、圆管或者其他型材制作而成。滑轨8固定在主骨架9上，滑块16与滑轨8可滑动连接，滑板6与滑块16固定连接。

校正回位单元固定在滑板6的上侧。进一步地，所述校正回位单元包括滑板6、丝杠电机5、滚珠丝杠3和丝杠螺母15。所述丝杠电机5与所述滑板6固定连接，所述丝杠电机5的输出端与所述滚珠丝杠3传动连接，用于驱动滚珠丝杠3转动。所述丝杠螺母15与所述丝杠螺纹连接，所述丝杠螺母15与所述滑板6可滑动连接。优选地，可以在滑板6上设置轨道2，丝杠螺母15与轨道2可滑动连接。当滚珠丝杠3转动时，能够驱动丝杠螺母15沿着滑板6上的轨道2直线往复移动。

所述检测单元与所述丝杠螺母15通过传感器连接架4实现固定连接。检测单元与控制单元电连接。所述检测单元中的传感器7可以选用红外传感器、激光传感器和加速度计等可用于检测偏移距离的传感器类型，用来识别滑块16滑动的距离和滑动的速度。检测单元中的传感器7还可以选用陀螺仪角度传感器，用于采集滑板6倾斜的角度。

控制单元设置在控制盒1内，控制单元可以包括STM32单片机、电机驱动器、传感器通讯接口、光耦隔离和电源转换模块。控制盒1安装在滑板6上，控制盒1为STM32单片机、传感器接口模块、电源转换模块提供容纳空间。STM32单片机用于读取各传感器的信号，并经过内置的算法处理产生用于控制电机的PWM信号；并作为整个系统的核心，控制升降模块17中的升降电机14动作，控制校正回位单元中的丝杠电机5动作。电机驱动器将PWM信号放大处理并与各电机连接。光耦隔离是为了减少干扰，保证信号的稳定。电源转换模块将蓄电池的电能经过转化供各传感器、单片机等电器元件使用。

本实施例的试验装置的蓄电池固定在控制盒1内，蓄电池为模拟单元、检测单元、控制单元和校正回位单元供电。

如图6所示，本发明提供一种温室地面随机激励下车体偏移校正试验方法，该试验方法主要包括以下步骤：

S1：向控制单元输入地面平整度参数。上述地面平整度参数可以离散点数据点的方式输入控制单元中。当然，也可以采用其他方式向控制单元输入地面平整度参数。

S2：模拟地面起伏状态变化。控制单元分别控制四个升降模块17中的升降电机14转动，升降模块17的升降带动悬架单元中的弹簧11上升或者下降。由于弹簧11的另一端连接在结构骨架上，从而进一步带动结构骨架倾斜。

S4：检测所述地面起伏状态变化引起的偏移参数。结构骨架倾斜时，安装在结构骨架上的滑轨8也随之倾斜。滑板6上的滑块16由于自重和滑板6上安装的元件的重量作用下，沿着滑轨8移动。滑块16带动滑板6移动。当滑板6移动时，处于滑板6上方的检测单元中的各传感器就会采集滑块16偏移的距离、速度、加速度和滑板6倾斜的角度等偏移参数信息。

进一步地，所述偏移参数包括偏移的距离，偏移的速度和加速度，以及倾斜角度中的至少一种。

S6：根据所述偏移参数计算得到机器转向调节参数。STM单片机接收来自各传感器采集偏移参数信息，例如滑板6倾斜的角度α。经过分析处理，得到机器转向调节参数。

进一步地，所述机器转向调节参数包括回位长度以及机器转向调节角度。

再进一步地，所述回位长度及所述机器转向调节角度由下列公式计算得出：

其中，L₁，L₂，L₃为回位长度，α是滑板的倾斜角度，m₁是校正单元的重量，m₂是控制盒及内部元件的重量，K是弹簧11的刚度，i是转向调节角度与丝杠之间的减速比。

S8：控制所述检测单元回位。STM单片机控制丝杠电机5动作，丝杠电机5通过滚珠丝杠3带动丝杠螺母15移动，使检测单元移动回位长度至目标位置。

S10：循环执行步骤S2、S4、S6和S8。经过上述S2、S4、S6和S8的循环，能够获取到机器转向调节参数。为进一步地研究如何保证机器人在起伏地面上前进时安装设定的路线行驶提供了前提条件。

参考本申请的优选技术方案详细描述了本申请的装置，然而，需要说明的是，在不脱离本申请的精神的情况下，本领域技术人员可在上述公开内容的基础上做出任何改造、修饰以及变动。本申请包括上述具体实施方案及其任何等同形式。

Claims (6)

1.一种温室地面随机激励下车体偏移校正试验装置，其特征在于，包括：

模拟单元，用于模拟地面起伏状态的变化；

悬架单元，与所述模拟单元连接，所述悬架单元随着所述模拟单元模拟的所述地面起伏状态的变化而发生倾斜；

校正回位单元，与所述悬架单元可滑动连接；

检测单元，与所述校正回位单元连接，能够随着所述校正回位单元偏移并检测出偏移参数；以及

控制单元，分别与所述模拟单元、所述检测单元和所述校正回位单元连接，用于控制所述模拟单元模拟产生所述地面起伏状态的变化，接收所述检测单元检测到的所述偏移参数，根据所述偏移参数计算得到机器转向调节参数，以及通过所述校正回位单元将所述检测单元回位；

所述模拟单元包括多个升降模块，多个所述升降模块分别与所述控制单元连接，多个所述升降模块支撑于所述悬架单元的下侧；

所述悬架单元包括结构骨架和多个弹簧，多个所述弹簧分别与所述结构骨架固定连接，多个所述弹簧与多个所述升降模块一一对应且固定连接；

所述校正回位单元包括滑板、丝杠电机、滚珠丝杠和丝杠螺母，所述丝杠电机与所述滑板固定连接，所述丝杠电机的输出端与所述滚珠丝杠传动连接，所述丝杠螺母与所述丝杠螺纹连接，所述丝杠螺母与所述滑板可滑动连接，所述检测单元与所述丝杠螺母固定连接。

2.根据权利要求1所述的试验装置，其特征在于，所述试验装置还包括参数输入单元，所述参数输入单元与所述控制单元连接，用于向所述控制单元输入地面平整度参数。

3.一种基于根据权利要求2所述的试验装置的温室地面随机激励下车体偏移校正试验方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

S1：向控制单元输入地面平整度参数；

S2：模拟地面起伏状态；

S4：检测所述地面起伏状态变化引起的偏移参数；

S6：根据所述偏移参数计算得到机器转向调节参数；

S8：所述检测单元回位；

S10：循环执行步骤S2、S4、S6和S8。

4.根据权利要求3所述的试验方法，其特征在于，所述偏移参数包括偏移的距离，偏移的速度和加速度，以及倾斜角度中的至少一种。

5.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于，所述机器转向调节参数包括回位长度以及机器转向调节角度。

6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，所述回位长度及所述机器转向调节角度由下列公式计算得出：

其中，θ为机器转向调节角度，L₁，L₂，L₃为回位长度，α是滑板的倾斜角度，m₁是校正单元的重量，m₂是控制盒及内部元件的重量，k是弹簧的刚度，i是转向调节角度与丝杠之间的减速比。