CN111149490B - 一种无人驾驶插秧机自动控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了农业控制技术领域内的一种无人驾驶插秧机自动控制系统及其控制方法，包括上位机、下位机、通讯单元、北斗差分定位模块、惯性导航模块和施肥控制模块，主变速手柄角度传感器和转向角度传感器分别将检测到的前轮转角信号和主变速手柄转角信号发送给下位机，下位机采集并处理前轮转角信号和主变速手柄转角信号，并将处理后的前轮转角信号和主变速手柄转角信号传输给上位机，上位机将控制步进电机和步进电动推杆的动作指令发送给下位机，下位机控制步进电机和步进电动推杆的动作，使插秧机按照规划的路径行驶，肥箱和排肥器之间连接有肥箱重量传感器，下位机控制排肥电机的转速；本发明可实现插秧和施肥的同时作业，插秧机可自动驾驶。

Description

一种无人驾驶插秧机自动控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于农业控制技术领域，特别涉及一种无人驾驶插秧机自动控制系统及其控制方法。

背景技术

目前生产上现有农业机械一般都是采用人工驾驶和手工操作，在人工驾驶插秧机时，土壤条件多变，作业环境艰苦，驾驶员的驾驶水平以及长时间枯燥乏味的跟踪驾驶将对对行的准确性产生很大影响，易产生重行、漏行等缺陷，造成减产；同时，插秧机只能实现插秧作业，插秧结束后再进行施肥，无法边插秧边施肥，工作效率低。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于解决现有技术中插秧机无法自动行驶的技术问题，本发明提出一种无人驾驶插秧机自动控制系统及其控制方法，本发明可实现插秧和施肥的同时作业，插秧机可自动驾驶，排肥量可调节，保证施肥的均匀性，工作效率高。

本发明的目的是这样实现的：一种无人驾驶插秧机自动控制系统，包括上位机、下位机、通讯单元、北斗差分定位模块、惯性导航模块和施肥控制模块；

北斗差分定位模块与惯性导航模块采集插秧机当前的实时定位信息、航向角信息、速度信息和仰俯角信息，并将采集到的信息发送给下位机，下位机将接收到的数据信息经通讯单元发送给上位机，上位机分析得到相应的横向位置偏差、航向角偏差和速度值；

转向前轮的转向轴上安装有转向角度传感器，转向角度传感器用于实时检测转向前轮的转角，由步进电机控制转向前轮的转向；

手柄轴上安装有主变速手柄角度传感器，通过监测主变速手柄的转动角度与方向来判断主变速手柄所处的档位，对插秧机当前的行驶速度与行驶方向进行实时监测与反馈，由步进电动推杆控制主变速手柄的变速和前后移动方向，主变速手柄对插秧机的前进速度和前进方向进行调节；

插秧机的车架上固定连接有推杆支架和手柄挡板，所述推杆支架上固定连接有栽插电动推杆，栽插电动推杆向外伸出的端部连接有栽插离合手柄，手柄挡板上可转动地连接有转轴，所述手柄挡板一端朝外的转轴上连接有栽插角度传感器，手柄挡板另一端朝外的转轴上连接有栽插移动板，栽插离合手柄向下伸出的端部连接在栽插移动板上；

主变速手柄角度传感器和转向角度传感器分别将检测到的前轮转角信号和主变速手柄转角信号发送给下位机，下位机采集并处理前轮转角信号和主变速手柄转角信号，并将处理后的前轮转角信号和主变速手柄转角信号传输给上位机，上位机将控制步进电机和步进电动推杆的动作指令发送给下位机，下位机控制步进电机和步进电动推杆的动作，使插秧机按照规划的路径行驶；

插秧机车架的后部连接有可上下活动的肥箱，肥箱的下侧排布有若干排肥器，所述施肥控制模块包括若干与排肥器一一对应的排肥单体控制单元，所述排肥单体控制单元包括肥箱重量传感器、固定安装在排肥轴上的排肥转速传感器和控制排肥轴转速的排肥电机，肥箱重量传感器固定连接在肥箱下侧，肥箱重量传感器在肥箱和排肥器之间，排肥转速传感器检测排肥轴的转速，肥箱重量传感器检测肥箱的质量，并将检测到的肥箱质量和排肥轴转速发送给下位机，下位机经通讯单元将肥箱质量和排肥轴转速信号发送给上位机，上位机计算出排肥量并将排肥电机的控制指令发送给下位机，下位机控制排肥电机的转速。

为了进一步实现排肥，所述排肥器包括具有开口的排肥壳体，所述肥箱上排布有若干落肥口，每个开口与落肥口一一对应，开口经落肥口与肥箱的内腔连通，排肥壳体上可转动地连接有排肥轴，所述排肥壳体内的排肥轴上连接有窝眼轮，所述窝眼轮的圆周上排布有若干滑动槽，所述滑动槽内安装有推板，所述推板的一端伸进窝眼轮的窝眼内，推板的另一端可沿着滑动槽处的窝眼轮圆周外侧滑动，推板的另一端可抵触在窝眼轮上，推板的一端开有与窝眼相连通的料槽，窝眼与料槽形成用于容纳肥料的空间，推板的外侧与窝眼轮的外侧齐平，推板的位置调节好后，推板与窝眼轮固定连接，排肥壳体的上侧开有进料口；窝眼轮在轴向方向上朝外的一侧连接有调节盘，所述调节盘上排布有若干连接调节件，窝眼轮朝外的一侧排布有与连接调节件位置对应的连接槽，连接调节件可沿着连接槽滑动，调节盘上开有若干与滑动槽位置对应的调节槽，推板同时抵触在调节盘上，推板的位置调节好后，推板伸出窝眼轮的端部与调节盘固定连接。

为了进一步提高施肥的均匀性，所述窝眼轮的外侧连接有隔离环，隔离环上开有与所述空间位置对应的隔离槽；此设计中，从空间滑出的肥料落在隔离槽内，提高空间内充肥的充分性。

为了方便拆装，所述开口处对应的排肥壳体外侧连接有盖板，盖板在隔离环在轴向方向上朝外的一侧，盖板朝外的一侧固定连接有法兰，排肥轴可转动地连接在法兰上，排肥轴的一端伸出排肥壳体外，排肥轴的另一端伸出法兰外；此设计中，软毛刷将空间外的肥料刷进空间内。

为了进一步提高排肥效果，所述壳体内朝下的一侧固定连接有软毛刷，软毛刷朝向窝眼轮且与窝眼轮的轮面相切；此设计中，软毛刷将空间外的肥料刷进空间内。

为了将肥料经排肥口排出壳体外，所述排肥壳体内还连接有护肥带，护肥带的带面紧贴在窝眼轮的圆周外侧，护肥带的下部向排肥口延伸；此设计中，护肥带保护空间内的肥料不向外排出，有空间转动至排肥口的位置时，肥料从排肥口落下。

为了进一步防止肥料从容纳腔内沿着窝眼轮的外侧滑下，所述排肥壳体内壁的下部设有封闭板，封闭板上开有凹槽，凹槽内连接有密封带，伸出封闭板外的密封带向下倾斜，密封带朝上的一侧与封闭板朝上的一侧齐平，朝下倾斜的密封带上，密封带下部的倾斜度大于密封带上部的倾斜度，倾斜度相对于竖直方向而言，密封带的上部贴合在窝眼轮外侧，密封带上部朝下的一侧开有至少一个定位槽一，封闭板下方的排肥壳体内壁上设有向下倾斜且往窝眼轮排料口所在方向延伸的斜面板，斜面板上开有与定位槽一对应的定位槽二，密封带经定位槽一连接有压缩弹簧，压缩弹簧倾斜向下延伸的端部伸进定对应的位槽二内与斜面板连接，压缩弹簧呈压缩状态，窝眼轮在左右方向上的一侧、封闭板、密封带、排肥壳体内壁和进料口之间形成容纳肥料的容纳腔，窝眼轮在左右方向上的另一侧与排肥壳体内壁之间形成用于安装护肥带的安装腔；；此设计中，密封带的上部在压缩弹簧的作用下紧密贴合在窝眼轮外侧，同时密封带的下部不会贴着窝眼轮，当滑动槽转动至密封带所在位置时，密封带不会伸进滑动槽内，使密封带始终贴合在窝眼轮外侧，保证容纳腔内的肥料不会向外排出，进一步提高施肥的均匀性。

使用一种无人驾驶插秧机自动控制系统进行控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）首先采用北斗差分定位模块采集田块的经纬度信息，下位机采集记录经纬度信息，并通过通讯单元传送至上位机，得到田块边界信息，进行田间预定义路径规划，假设田块边界为矩形，画出设定的路径规划路线，生产目标航向；

（2）驾驶插秧机至田块一端，给系统上电，下位机采集转向角度传感器和主变速手柄的当前角度位置，并将采集到的转向角和主变速手柄的位置信号发送给上位机，上位机判断转向角度传感器、主变速手柄角度传感器和栽插角度传感器是否处于绝对零位，若不处于绝对零位，上位机根据接收到的各个角度信号计算出当前各个角度传感器与绝对零位的角度差值，上位机将控制指令发送给下位机，下位机控制步进电机、步进电动推杆和栽插电动推杆动作，使转向角度传感器、主变速手柄角度传感器和栽插角度传感器的角度信号处于绝对零位；

（3）北斗差分定位模块和惯性导航模块采集插秧机当前位姿信息，传送至上位机进行数据处理，上位机将当前位姿信息与预定义路径及目标航向相比较，通过计算获得当前插秧机位置与预定义位置横轴方向的距离误差、插秧机实际航向和目标航向的角度误差和当前插秧机行驶速度；

（4）肥箱重量传感器实时检测肥箱的重量，排肥转速传感器检测排肥轴的转速，肥箱重量传感器和排肥转速传感器分别将检测到的肥箱重量和排肥轴转速发送给下位机，下位机将采集到的肥箱质量和排肥轴转速信号发送给上位机，上位机根据接收到的肥箱质量计算出单位时间内的排肥量A_实，并将计算值与设定的单位时间内排肥量的阈值A相比较，若A_实>1.1A，上位机发送降低排肥电机转速的指令给下位机，下位机控制排肥电机降低转速，若A_实<0.8A，上位机发送提高排肥电机转速的指令给下位机，下位机控制排肥电机提高转速，若A_实在0.9A～1.1A之间，则下位机不做任何动作，排肥电机保持原速转动，并返回肥箱重量传感器的检测步骤；

（5）转向角度传感器、主变速手柄角度传感器和栽插角度传感器分别实时检测转向角、主变速手柄位置和栽插手柄位置信号，转向角下位机实时采集转向角、主变速手柄和栽插手柄的位置信号并发送给上位机，上位机计算出前轮期望转角、主变速手柄期望转角和栽插离合手柄期望转角，并生成控制指令传送给下位机，下位机控制步进电机、步进电动推杆和栽插电动推杆动作，使插秧机的方向盘、主变速手柄和栽插离合手柄活动到预给定位置，实现插秧机的转向控制、速度控制和栽插控制，返回转向角度传感器检测步骤；

其中，步骤（3）～步骤（5）同步进行。

本发明与现有技术相比：

通过施肥控制模块实现施肥量的实时检测，并根据检测到的施肥量调节排肥电机的转速；通过上位机、下位机、通讯单元、北斗差分定位模块、惯性导航模块的联合设置，实现插秧机的无人驾驶，根据对栽插离合手柄的位置检测，控制栽插离合手柄的动作，实现自动栽插；另外，排肥器的结构中，充肥空间大小可调，调节方便；空间内充肥充分，容纳腔内的肥料不会向外排出，只有空间内充满肥料的向外排出，排肥精确稳定，减小排肥误差；本发明可应用于插秧作业中。

附图说明

图1是本发明的控制结构框图。

图2为本发明中转向控制的结构示意图。

图3为本发明中速度控制的结构示意图。

图4为本发明中栽插控制的结构示意图。

图5为本发明的转向控制流程图。

图6为本发明的速度控制流程图。

图7为本发明的栽插控制流程图。

图8为本发明的自动控制流程图。

图9为本发明的路径规划示意图。

图10为本发明中插秧机的侧视图。

图11为本发明中肥箱与排肥支架连接的结构示意图。

图12为本发明中车架后部的俯视结构简图。

图13为本发明中排肥器的主视图。

图14为本发明中排肥器的立体结构图。

图15为本发明的排肥器中安装法兰前的立体结构图。

图16为图15中A处的局部放大图。

图17为本发明的排肥器中安装盖板前的立体结构图一。

图18为本发明的排肥器中安装盖板前的立体结构图二。

图19为图18中B处的局部放大图。

图20为本发明的排肥器中安装盖板前且隐藏掉转轴后的主视图。

图21为本发明的排肥器中安装盖板前且隐藏掉转轴后的立体结构图。

图22为本发明的排肥器中窝眼轮的立体结构图。

图23为本发明的排肥器中推板的立体结构图。

图24为图21中C处的局部放大图。

图25为本发明中肥箱与固定横梁连接的结构图。

图中：1插秧机，101车架，2排肥支架，3肥箱，4排肥器，401排肥轴，402法兰，403盖板，404密封带，405封闭板，406进料口，407隔离环，408排肥壳体，409连接调节件，410推板，411滑动槽，412调节盘，413窝眼轮，414容纳腔，415压缩弹簧，416软毛刷，417护肥带，418空间，419隔离槽，420料槽，421窝眼，422排肥口，423斜面板，424调节槽，425连接槽，426连接孔，427连接螺栓，428定位槽二，5从动链轮，6施肥管，7肥箱重量传感器，8主动链轮，9输出轴，10排肥电机，11滚珠，12传动链条，13方向盘，14小齿轮，15大齿轮，16步进电机，17联轴器一，18手柄轴，19手柄支架，20主变速手柄，21步进电动推杆，22主变速手柄角度传感器，23传感器支架一，24传感器支架二，25联轴器二，26栽插移动板，27推杆支架，28栽插电动推杆，29栽插离合手柄，30转轴，31手柄挡板，32栽插角度传感器，33插秧槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1～图25所示的一种无人驾驶插秧机1自动控制系统，包括上位机、下位机、通讯单元、北斗差分定位模块、惯性导航模块和施肥控制模块；

北斗差分定位模块与惯性导航模块采集插秧机1当前的实时定位信息、航向角信息、速度信息和仰俯角信息，并将采集到的信息发送给下位机，下位机将接收到的数据信息经通讯单元发送给上位机，上位机分析得到相应的横向位置偏差、航向角偏差和速度值；

转向前轮的转向轴上安装有转向角度传感器，转向角度传感器用于实时检测转向前轮的转角，由步进电机16控制转向前轮的转向，转向角度传感器将转向角信号发送给下位机，下位机将接收到的转向角信号经通讯单元发送给上位机，上位机发送控制命令给下位机，下位机经驱动单元a控制步进电机16动作；为了进一步方便社会公众的理解，如图2所示，步进电机16经减速器与方向盘13传动连接，方向盘13控制插秧机1的转向；减速器采用57一级行星减速器，减速比为1:10，最大输出转矩为15Nm，工作效率为95%，与步进电机16配合使用，减速齿轮副由两个直齿轮组成，大齿轮15安装在方向盘13转轴30上，小齿轮14安装在行星减速器输出轴9上，减速比为1:2，模数为2，齿数为25:50，齿厚为20mm；

手柄轴18上安装有主变速手柄角度传感器22，通过监测主变速手柄20的转动角度与方向来判断主变速手柄20所处的档位，对插秧机1当前的行驶速度与行驶方向进行实时监测与反馈，由步进电动推杆21控制主变速手柄20的变速和前后移动方向，主变速手柄20对插秧机1的前进速度和前进方向进行调节；主变速手柄角度传感器22将实时采集到的主变速手柄20位置信号发送给下位机，下位机将接收到的主变速手柄20位置信号发送给上位机，上位机分析计算出主变速手柄20的位置并发送控制步进电动推杆21动作的指令给下位机，下位机经驱动单元b控制步进电动推杆21动作，以控制主变速手柄20的动作；插秧机1后轮的中心轴上安装有速度传感器，速度传感器采用增量式编码器，速度传感器检测后轮转动的速度和方向，并将速度和方向信号发送给下位机，下位机将速度和方向信号进行初步处理后发送给上位机，上位机根据检测到的速度值和方向信息调节主变速手柄20的动作；为了进一步方便社会公众的理解，如图3所示，步进电动推杆21向外伸出的端部与主变速手柄20连接，主变速手柄20向下伸出的端部连接有可转动的手柄支架19，手柄支架19上固定连接有手柄轴18，手柄轴18经联轴器一17与主变速手柄角度传感器22的信号轴传动连接，车架101上固定连接有传感器支架一23，主变速手柄角度传感器22固定安装在传感器支架一23上；

插秧机1的车架101上固定连接有推杆支架27、手柄挡板31和传感器支架二24，推杆支架27上固定连接有栽插电动推杆28，栽插电动推杆28向外伸出的端部连接有栽插离合手柄29（由栽插离合手柄29控制栽插工作为现有技术），手柄挡板31上可转动地连接有转轴30，手柄挡板31一端朝外的转轴30经联轴器二25连接有栽插角度传感器32，栽插角度传感器32固定安装在传感器支架二24上，手柄挡板31另一端朝外的转轴30上连接有栽插移动板26，栽插离合手柄29向下伸出的端部连接在栽插移动板26上；栽插角度传感器32将实时采集到的栽插手柄的位置信号发送给下位机，下位机将接收到的栽插手柄的位置信号发送给上位机，上位机分析计算出栽插手柄的位置并发送控制栽插电动推杆28动作的指令给下位机，下位机经驱动单元c驱动栽插电动推杆28的动作，以控制栽插离合手柄29的动作，栽插离合手柄29控制插秧机1栽插组件的动作，通过栽插组件实现插秧（此为现有技术，本申请中不赘述）；

插秧机1车架101的后部连接有可上下活动的肥箱3，肥箱3和栽插组件之间的车架101上排布有若干个与栽插组件位置对应的插秧槽33，栽插组件经插秧槽33实现向下插秧的动作，肥箱3的下侧排布有若干排肥器4，排肥器4的下侧连接有施肥管6，排肥轴401贯穿所有排肥器4，施肥控制模块包括若干与排肥器4一一对应的排肥单体控制单元，排肥单体控制单元包括肥箱重量传感器7、固定安装在排肥轴401上的排肥转速传感器和控制排肥轴401转速的排肥电机10，肥箱重量传感器7固定连接在肥箱3下侧，肥箱重量传感器7在肥箱3和排肥器4之间，排肥转速传感器检测排肥轴401的转速，肥箱重量传感器7检测肥箱3的质量，并将检测到的肥箱3质量和排肥轴401转速发送给下位机，下位机经通讯单元将肥箱3质量和排肥轴401转速信号发送给上位机，上位机计算出排肥量并将排肥电机10的控制指令发送给下位机，下位机控制排肥电机10的转速；实现排肥量检测的结构具体为，车架101上固定连接有排肥支架2，排肥支架2内排布有若干滚珠11，肥箱3放置在排肥支架2内，肥箱3可刚好沿着滚珠11上下移动，排肥壳体408在前后方向上的一侧设有连接螺杆，排肥支架2内固定设有固定横梁，固定横梁远离排肥壳体408的一侧排布有若干支撑板，排肥壳体408朝向固定横梁的一侧设有两个连接螺杆，两个连接螺杆关于支撑板在高度方向上的中心对称设置，连接螺杆穿过支撑板，使用连接螺母旋在连接螺杆上，使连接螺母压紧在支撑板上，使排肥壳体408进一步相对车架101固定；附图8中的传感器模块是指转向角度传感器、速度传感器、主变速手柄角度传感器22和栽插角度传感器32，各执行部件是指步进电机16、步进电动推杆21、栽插电动推杆28等部件。

为了进一步实现排肥，排肥器4包括具有开口的排肥壳体408，肥箱3上排布有若干落肥口，每个开口与落肥口一一对应，开口经落肥口与肥箱3的内腔连通，排肥壳体408上可转动地连接有排肥轴401，排肥壳体408内的排肥轴401上连接有窝眼轮413，窝眼轮413的圆周上排布有若干滑动槽411，滑动槽411内安装有推板410，推板410的一端伸进窝眼轮413的窝眼421内，推板410的另一端可沿着滑动槽411处的窝眼轮413圆周外侧滑动，推板410的另一端可抵触在窝眼轮413上，推板410的一端开有与窝眼421相连通的料槽420，窝眼421与料槽420形成用于容纳肥料的空间418，推板410的外侧与窝眼轮413的外侧齐平，推板410上开有连接孔426，使用连接螺栓427穿过连接孔426将推板410和调节盘412固定连接在一起，推板410的位置调节好后，推板410与窝眼轮413固定连接，排肥壳体408的上侧开有进料口406；窝眼轮413在轴向方向上朝外的一侧连接有调节盘412，调节盘412上排布有若干连接调节件409，窝眼轮413朝外的一侧排布有与连接调节件409位置对应的连接槽425，连接调节件409可沿着连接槽425滑动，调节盘412上开有若干与滑动槽411位置对应的调节槽424，推板410同时抵触在调节盘412上，推板410的位置调节好后，推板410伸出窝眼轮413的端部与调节盘412固定连接；窝眼轮413的外侧连接有隔离环407，隔离环407上开有与空间418位置对应的隔离槽419；开口处对应的排肥壳体408外侧连接有盖板403，盖板403在隔离环407在轴向方向上朝外的一侧，盖板403朝外的一侧固定连接有法兰402，排肥轴401可转动地连接在法兰402上，排肥轴401的一端伸出排肥壳体408外，排肥轴401的另一端伸出法兰402外；壳体内朝下的一侧固定连接有软毛刷416，软毛刷416朝向窝眼轮413且与窝眼轮413的轮面相切；排肥壳体408内还连接有护肥带417，护肥带417的带面紧贴在窝眼轮413的圆周外侧，护肥带417的下部向排肥口422延伸；排肥壳体408内壁的下部设有封闭板405，封闭板405上开有凹槽，凹槽内连接有密封带404，伸出封闭板405外的密封带404向下倾斜，密封带404朝上的一侧与封闭板405朝上的一侧齐平，朝下倾斜的密封带404上，密封带404下部的倾斜度大于密封带404上部的倾斜度，倾斜度相对于竖直方向而言，密封带404的上部贴合在窝眼轮413外侧，密封带404上部朝下的一侧开有至少一个定位槽一，封闭板405下方的排肥壳体408内壁上设有向下倾斜且往窝眼轮413排料口所在方向延伸的斜面板423，斜面板423上开有与定位槽一对应的定位槽二428，密封带404经定位槽一连接有压缩弹簧415，压缩弹簧415倾斜向下延伸的端部伸进定对应的位槽二内与斜面板423连接，压缩弹簧415呈压缩状态，窝眼轮413在左右方向上的一侧、封闭板405、密封带404、排肥壳体408内壁和进料口406之间形成容纳肥料的容纳腔414，窝眼轮413在左右方向上的另一侧与排肥壳体408内壁之间形成用于安装护肥带417的安装腔；排肥支架2的外侧固定连接有排肥电机10，排肥电机10的输出轴9上连接有主动链轮8，伸出最外端的排肥壳体408的排肥轴401上连接有从动链轮5，主动链轮8经传动链条12与从动链轮5传动连接。

使用一种无人驾驶插秧机1自动控制系统进行控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）首先采用北斗差分定位模块采集田块的经纬度信息，下位机采集记录经纬度信息，并通过通讯单元传送至上位机，得到田块边界信息，进行田间预定义路径规划，假设田块边界为矩形，画出设定的路径规划路线，生产目标航向；

（2）驾驶插秧机1至田块一端，给系统上电，下位机采集转向角度传感器和主变速手柄20的当前角度位置，并将采集到的转向角和主变速手柄20的位置信号发送给上位机，上位机判断转向角度传感器、主变速手柄角度传感器22和栽插角度传感器32是否处于绝对零位，若不处于绝对零位，上位机根据接收到的各个角度信号计算出当前各个角度传感器与绝对零位的角度差值，上位机将控制指令发送给下位机，下位机控制步进电机16、步进电动推杆21和栽插电动推杆28动作，使转向角度传感器、主变速手柄角度传感器22和栽插角度传感器32的角度信号处于绝对零位；

（3）北斗差分定位模块和惯性导航模块采集插秧机1当前位姿信息，传送至上位机进行数据处理，上位机将当前位姿信息与预定义路径及目标航向相比较，通过计算获得当前插秧机1位置与预定义位置横轴方向的距离误差、插秧机1实际航向和目标航向的角度误差和当前插秧机1行驶速度；

（4）肥箱重量传感器7实时检测肥箱3的重量，排肥转速传感器检测排肥轴401的转速，肥箱重量传感器7和排肥转速传感器分别将检测到的肥箱3重量和排肥轴401转速发送给下位机，下位机将采集到的肥箱3质量和排肥轴401转速信号发送给上位机，上位机根据接收到的肥箱3质量计算出单位时间内的排肥量A_实，并将计算值与设定的单位时间内排肥量的阈值A相比较，若A_实>1.1A，上位机发送降低排肥电机10转速的指令给下位机，下位机控制排肥电机10降低转速，若A_实<0.8A，上位机发送提高排肥电机10转速的指令给下位机，下位机控制排肥电机10提高转速，若A_实在0.9A～1.1A之间，则下位机不做任何动作，排肥电机10保持原速转动，并返回肥箱重量传感器7的检测步骤；

（5）转向角度传感器、主变速手柄角度传感器22和栽插角度传感器32分别实时检测转向角、主变速手柄20位置和栽插手柄位置信号，转向角下位机实时采集转向角、主变速手柄20和栽插手柄的位置信号并发送给上位机，上位机计算出前轮期望转角、主变速手柄20期望转角和栽插离合手柄29期望转角，并生成控制指令传送给下位机，下位机控制步进电机16、步进电动推杆21和栽插电动推杆28动作，使插秧机1的方向盘13、主变速手柄20和栽插离合手柄29活动到预给定位置，实现插秧机1的转向控制、速度控制和栽插控制，返回转向角度传感器检测步骤；

其中，步骤（3）～步骤（5）同步进行。

本发明中，转向角度传感器、主变速手柄角度传感器22和栽插角度传感器32均采用绝对式编码器；驱动单元a采用HBS57全新32位DSP数字式57闭环步进电机16驱动器，通过PWM电流控制，工作电压为DC16-70V，工作电流为5.0A，输出电流0.5-4.0A，细分数为256细分；步进电机16采用57高速闭环2相步进电机16，工作电压为2.1V，相电流为4.2A，步距角1.8±5%°/STEP，静转矩为2.5Nm，与驱动单元a相连接；驱动单元b与驱动单元c采用TB6600型2相步进电机16驱动器，通过PWM电流控制，工作电压为DC9-40V，工作电流为5.0A，输出电流0.5-4.0A，细分数为32细分；步进电动推杆21，采用39步进电机16驱动，工作行程为100mm，工作推力为250N，推杆速度为12mm/s；栽插电动推杆28采用39步进电机16驱动，工作行程为200mm，工作推力为250N，推杆速度为12mm/s。

本发明与现有技术相比：

通过上位机、下位机、通讯单元、北斗差分定位模块、惯性导航模块的联合设置，实现插秧机1的无人驾驶，根据对栽插离合手柄29的位置检测，控制栽插离合手柄29的动作，实现自动栽插；通过肥箱3、排肥支架2、肥箱重量传感器7等部件之间的结构设计，实现施肥量的实时检测，并根据检测到的施肥量调节排肥电机10的转速；另外，排肥器4的结构中，充肥空间418大小可调，调节方便；空间418内充肥充分，容纳腔414内的肥料不会向外排出，只有空间418内充满肥料的向外排出，排肥精确稳定，减小排肥误差；本发明可应用于插秧作业中。

本发明向前行进的方向为前，与前进方向相反的方向为后，从附图1和附图2中看，垂直于纸面的方向为左右方向。

以上对本发明的具体实施例进行了描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种无人驾驶插秧机自动控制系统，其特征在于，包括上位机、下位机、通讯单元、北斗差分定位模块、惯性导航模块和施肥控制模块；

北斗差分定位模块与惯性导航模块采集插秧机当前的实时定位信息、航向角信息、速度信息和仰俯角信息，并将采集到的信息发送给下位机，下位机将接收到的数据信息经通讯单元发送给上位机，上位机分析得到相应的横向位置偏差、航向角偏差和速度值；

转向前轮的转向轴上安装有转向角度传感器，转向角度传感器用于实时检测转向前轮的转角，由步进电机控制转向前轮的转向；

手柄轴上安装有主变速手柄角度传感器，通过监测主变速手柄的转动角度与方向来判断主变速手柄所处的档位，对插秧机当前的行驶速度与行驶方向进行实时监测与反馈，由步进电动推杆控制主变速手柄的变速和前后移动方向，主变速手柄对插秧机的前进速度和前进方向进行调节；

插秧机的车架上固定连接有推杆支架和手柄挡板，所述推杆支架上固定连接有栽插电动推杆，栽插电动推杆向外伸出的端部连接有栽插离合手柄，手柄挡板上可转动地连接有转轴，所述手柄挡板一端朝外的转轴上连接有栽插角度传感器，手柄挡板另一端朝外的转轴上连接有栽插移动板，栽插离合手柄向下伸出的端部连接在栽插移动板上；

主变速手柄角度传感器和转向角度传感器分别将检测到的前轮转角信号和主变速手柄转角信号发送给下位机，下位机采集并处理前轮转角信号和主变速手柄转角信号，并将处理后的前轮转角信号和主变速手柄转角信号传输给上位机，上位机将控制步进电机和步进电动推杆的动作指令发送给下位机，下位机控制步进电机和步进电动推杆的动作，使插秧机按照规划的路径行驶；

插秧机车架的后部连接有可上下活动的肥箱，肥箱的下侧排布有若干排肥器，所述施肥控制模块包括若干与排肥器一一对应的排肥单体控制单元，所述排肥单体控制单元包括肥箱重量传感器、固定安装在排肥轴上的排肥转速传感器和控制排肥轴转速的排肥电机，肥箱重量传感器固定连接在肥箱下侧，肥箱重量传感器在肥箱和排肥器之间，排肥转速传感器检测排肥轴的转速，肥箱重量传感器检测肥箱的质量，并将检测到的肥箱质量和排肥轴转速发送给下位机，下位机经通讯单元将肥箱质量和排肥轴转速信号发送给上位机，上位机计算出排肥量并将排肥电机的控制指令发送给下位机，下位机控制排肥电机的转速。

2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶插秧机自动控制系统，其特征在于，所述排肥器包括具有开口的排肥壳体，所述肥箱上排布有若干落肥口，每个开口与落肥口一一对应，开口经落肥口与肥箱的内腔连通，排肥壳体上可转动地连接有排肥轴，所述排肥壳体内的排肥轴上连接有窝眼轮，所述窝眼轮的圆周上排布有若干滑动槽，所述滑动槽内安装有推板，所述推板的一端伸进窝眼轮的窝眼内，推板的另一端可沿着滑动槽处的窝眼轮圆周外侧滑动，推板的另一端可抵触在窝眼轮上，推板的一端开有与窝眼相连通的料槽，窝眼与料槽形成用于容纳肥料的空间，推板的外侧与窝眼轮的外侧齐平，推板的位置调节好后，推板与窝眼轮固定连接，排肥壳体的上侧开有进料口；窝眼轮在轴向方向上朝外的一侧连接有调节盘，所述调节盘上排布有若干连接调节件，窝眼轮朝外的一侧排布有与连接调节件位置对应的连接槽，连接调节件可沿着连接槽滑动，调节盘上开有若干与滑动槽位置对应的调节槽，推板同时抵触在调节盘上，推板的位置调节好后，推板伸出窝眼轮的端部与调节盘固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种无人驾驶插秧机自动控制系统，其特征在于，所述窝眼轮的外侧连接有隔离环，隔离环上开有与所述空间位置对应的隔离槽。

4.根据权利要求3所述的一种无人驾驶插秧机自动控制系统，其特征在于，所述开口处对应的排肥壳体外侧连接有盖板，盖板在隔离环在轴向方向上朝外的一侧，盖板朝外的一侧固定连接有法兰，排肥轴可转动地连接在法兰上，排肥轴的一端伸出排肥壳体外，排肥轴的另一端伸出法兰外。

5.根据权利要求2～4任一项所述的一种无人驾驶插秧机自动控制系统，其特征在于，所述壳体内朝下的一侧固定连接有软毛刷，软毛刷朝向窝眼轮且与窝眼轮的轮面相切。

6.根据权利要求2～4任一项所述的一种无人驾驶插秧机自动控制系统，其特征在于，所述排肥壳体内还连接有护肥带，护肥带的带面紧贴在窝眼轮的圆周外侧，护肥带的下部向排肥口延伸。

7.根据权利要求6所述的一种无人驾驶插秧机自动控制系统，其特征在于，所述排肥壳体内壁的下部设有封闭板，封闭板上开有凹槽，凹槽内连接有密封带，伸出封闭板外的密封带向下倾斜，密封带朝上的一侧与封闭板朝上的一侧齐平，朝下倾斜的密封带上，密封带下部的倾斜度大于密封带上部的倾斜度，倾斜度相对于竖直方向而言，密封带的上部贴合在窝眼轮外侧，密封带上部朝下的一侧开有至少一个定位槽一，封闭板下方的排肥壳体内壁上设有向下倾斜且往窝眼轮排料口所在方向延伸的斜面板，斜面板上开有与定位槽一对应的定位槽二，密封带经定位槽一连接有压缩弹簧，压缩弹簧倾斜向下延伸的端部伸进定对应的位槽二内与斜面板连接，压缩弹簧呈压缩状态，窝眼轮在左右方向上的一侧、封闭板、密封带、排肥壳体内壁和进料口之间形成容纳肥料的容纳腔，窝眼轮在左右方向上的另一侧与排肥壳体内壁之间形成用于安装护肥带的安装腔。

8.使用根据权利要求1～7任一项所述的一种无人驾驶插秧机自动控制系统进行控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）首先采用北斗差分定位模块采集田块的经纬度信息，下位机采集记录经纬度信息，并通过通讯单元传送至上位机，得到田块边界信息，进行田间预定义路径规划，假设田块边界为矩形，画出设定的路径规划路线，生产目标航向；

（2）驾驶插秧机至田块一端，给系统上电，下位机采集转向角度传感器和主变速手柄的当前角度位置，并将采集到的转向角和主变速手柄的位置信号发送给上位机，上位机判断转向角度传感器、主变速手柄角度传感器和栽插角度传感器是否处于绝对零位，若不处于绝对零位，上位机根据接收到的各个角度信号计算出当前各个角度传感器与绝对零位的角度差值，上位机将控制指令发送给下位机，下位机控制步进电机、步进电动推杆和栽插电动推杆动作，使转向角度传感器、主变速手柄角度传感器和栽插角度传感器的角度信号处于绝对零位；

（3）北斗差分定位模块和惯性导航模块采集插秧机当前位姿信息，传送至上位机进行数据处理，上位机将当前位姿信息与预定义路径及目标航向相比较，通过计算获得当前插秧机位置与预定义位置横轴方向的距离误差、插秧机实际航向和目标航向的角度误差和当前插秧机行驶速度；

（4）肥箱重量传感器实时检测肥箱的重量，排肥转速传感器检测排肥轴的转速，肥箱重量传感器和排肥转速传感器分别将检测到的肥箱重量和排肥轴转速发送给下位机，下位机将采集到的肥箱质量和排肥轴转速信号发送给上位机，上位机根据接收到的肥箱质量计算出单位时间内的排肥量A_实，并将计算值与设定的单位时间内排肥量的阈值A相比较，若A_实>1.1A，上位机发送降低排肥电机转速的指令给下位机，下位机控制排肥电机降低转速，若A_实<0.8A，上位机发送提高排肥电机转速的指令给下位机，下位机控制排肥电机提高转速，若A_实在0.9A～1.1A之间，则下位机不做任何动作，排肥电机保持原速转动，并返回肥箱重量传感器的检测步骤；

（5）转向角度传感器、主变速手柄角度传感器和栽插角度传感器分别实时检测转向角、主变速手柄位置和栽插手柄位置信号，转向角下位机实时采集转向角、主变速手柄和栽插手柄的位置信号并发送给上位机，上位机计算出前轮期望转角、主变速手柄期望转角和栽插离合手柄期望转角，并生成控制指令传送给下位机，下位机控制步进电机、步进电动推杆和栽插电动推杆动作，使插秧机的方向盘、主变速手柄和栽插离合手柄活动到预给定位置，实现插秧机的转向控制、速度控制和栽插控制，返回转向角度传感器检测步骤；

其中，步骤（3）～步骤（5）同步进行。