CN111226568B - 一种割草机智能作业端控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种割草机智能作业端控制系统及方法，涉及割草机械领域，包括转速控制系统、智能防缠系统、传感器、主控制器、缠绕检测模块和作业端执行电机系统；方法为：缠绕检测模块判断是否缠草；若缠草：缠草信号发送到智能防缠系统和功率估计模块；智能防缠系统发出制动器控制模块的控制指令给主控制器，主控制器对作业端执行电机系统断电；此时，功率估计模块接收到缠草信号后，功率估计模块不工作；若不缠草：转速控制系统对当前工况进行判断，预测一个理想的转速对作业端执行电机系统进行负反馈控制，本发明提高了割草机的适应性和工作效率，能够预防飞溅杂草对旋转轴的缠绕以及自主处理刀具杂草缠绕问题，提高了割草机的智能化。

Description

一种割草机智能作业端控制系统及方法

技术领域

本发明属于智能割草机领域，尤其涉及一种割草机智能作业端控制系统及方法。

背景技术

随着我国农业机械技术的快速发展，果园中对于农业机械的使用越来越多。农业机械智能化电气化的发展，果园机械智能化的研究热度越来越高。对于果园的杂草管理，也从传统的人工除草到半人工半机械除草再到智能除草。在除草机器自动除草的过程中会遇到不同剪切模量的杂草茎秆以及不同生长分布密度以及不同切割高度要求的杂草。如果刀具使用固定的旋转速度，难免会在割草机不同前进车速下杂草植株剪切模量较大或者生长分布密度较大的情况下作业效率低下，以及在剪切模量较小或者生长分布密度较小的情况下功率过剩。同时在遇到杂草缠绕的问题时，智能割草机作业端与传统人工去除缠绕杂草的方式不同，需要作业端自主防缠绕以及发生缠绕问题后的自主解决缠绕问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种割草机智能作业端控制系统，从一定的程度上改善割草机作业端的作业旋转速度控制问题和杂草缠绕问题，对于不同的果园工作环境以及杂草切割要求能够实现切割速度自调节和旋转轴杂草防缠以及刀具杂草缠绕后的自解决。

本发明的技术方案如下：

一种割草机智能作业端控制系统，包括转速控制系统、智能防缠系统、压力传感器、车速传感器、转速传感器、主控制器、缠绕检测模块和作业端执行电机系统；所述压力传感器、车速传感器、转速传感器、缠绕检测模块将采集到的信号传递给转速控制系统和智能防缠系统，所述转速控制系统和智能防缠系统将处理后的信号传递给主控制器，主控制器在综合接收的指令后控制割草机作业端电机系统执行；

所述转速控制系统包括功率估算模块和转速反馈控制模块；所述功率估算模块接收来自压力传感器、缠绕检测模块、转速传感器和车速传感器的信号，并对信息进行处理得到理想转速，并将理想转速指令传递给转速反馈控制模块；

所述转速反馈控制模块接收来自功率估算模块的理想转速信号与转速传感器发出的实际转速信号，并对理想转速信号和实际转速信号进行处理后产生转速修正指令给主控制器。

进一步的，所述智能防缠系统包括制动器控制模块，所述制动器控制模块发出控制指令给主控制器。

进一步的，包括扰流风扇控制模块；所述扰流风扇控制模块包括轴流风扇控制模块和扰流肋板角度调节模块；所述扰流风扇控制模块用于防止刀具上缠草。

进一步的，所述轴流风扇控制模块接收压力传感器和转速传感器的信号后从而发出信号控制安装在刀具上方的用于产生轴向空气流场的风扇的转速。

进一步的，所述扰流肋板角度调节模块接收压力传感器和转速传感器的信号后从而发出信号控制安装在轴流风扇外圈用于改变轴流风扇产生的空气流场的肋板角度，从而调节流场的方向。

进一步的，所述车速传感器安装在自走式割草机车身位置或者牵引式割草机前牵引车牵引点位置；所述主控制器为ECU，用于综合控制作业端执行。

进一步的，所述转速传感器安装在旋转叶片上方转轴位置；所述压力传感器安装在刀片边缘切割位置。

进一步的，所述功率估算模块接收的压力传感器压力值和转速传感器转速值，进而计算出实际功率值，根据实验标定功率值估算出理想功率值，从而得出理想转速。

进一步的，所述制动器控制模块用于控制安装在刀具上方转轴位置的制动卡钳，执行刀具发生缠绕时的制动操作。

一种割草机智能作业端控制方法，包括如下步骤：

在割草机割草作业过程中，缠绕检测模块判断是否缠草；

若缠草：缠草信号发送到智能防缠系统和功率估计模块；所述智能防缠系统发出制动器控制模块的控制指令给主控制器，主控制器对作业端执行电机系统断电，作业端电机系统不工作；同时反馈断电信号给制动器控制模块，制动器控制模块使得安装在作业端执行电机系统中的制动器对作业端执行电机紧急制动；制动结束后主控制器在接收到转速传感器信号值为零后，再次上电驱动作业电机达到设定的转速值，若缠绕信号还在，制动器模块发送信号给主控制器再次断电，主控制器反馈信号给制动器模块后制动器模块紧急制动，重复以上动作，直至缠草信号消失；所述功率估计模块接收到缠草信号后，功率估计模块不工作；

若不缠草：

功率估算模块根据接收到的压力传感器和转速传感器的信号，对接收到的压力传感器、转速传感器的信号进行处理并估算得到理想转速信号；

转速反馈控制模块接收来自功率估算模块的理想转速信号与转速传感器发出的实际转速信号，转速反馈控制模块对接收到的理想转速信号和实际转速信号进行处理后产生转速修正指令传递给主控制器，主控制器同时接收车速传感器的车速信号，主控制器综合接收到的转速修正指令和车速信号得到一个转速，从而调整作业端执行电机系统中的执行电机的转速。

本发明的有益效果：

1.本发明提供了一种作业电机转速调节系统，可以根据作业区域的杂草分布情况，主动匹配合适的作业电机转速，避免了高转速的资源浪费和低转速下的效率低下问题，提高了割草机的效率和稳定性。

2.本发明提供了一种主动杂草防缠系统，可以避免割草机自动作业过程切割下来的飞溅杂草缠绕在旋转轴上，以及在杂草缠绕在旋转刀具上时，有一套主动除缠草功能，保证了自动割草机的可靠性和安全性。

3.本发明提供了一种多功能系统，可以同时实现割草机作业端的转速调节和防缠绕。

4.本发明有利于提高自动割草机在处理缠草问题时的便利性，不会因为缠草问题影响除草作业效率以及使用人工来解决缠草带来的堵转问题，在果园杂草自动管理过程中提高智能化程度。

附图说明

图1为本发明涉及到的一种割草机智能作业端控制系统及控制方法的系统结构示意图；

图2为本发明的工作流程图；

图3为本发明图1中涉及到的功率估算模块的算法流程图；

图4为本发明涉及到的智能防缠系统中的制动器和扰流风扇装置示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的

结合附图1所示，一种割草机智能作业端控制系统，包括转速控制系统、智能防缠系统、压力传感器、车速传感器、转速传感器、主控制器、缠绕检测模块和作业端执行电机系统；所述压力传感器、车速传感器、转速传感器、缠绕检测模块将采集到的信号传递给转速控制系统和智能防缠系统，所述转速控制系统和智能防缠系统将处理后的信号传递给主控制器，主控制器在综合接收的指令后控制割草机作业端电机系统执行；所述转速控制系统包括功率估算模块和转速反馈控制模块；所述功率估算模块接收来自压力传感器、缠绕检测模块、转速传感器和车速传感器的信号，并对信息进行处理得到理想转速，并将理想转速指令传递给转速反馈控制模块；所述转速反馈控制模块接收来自功率估算模块的理想转速信号与转速传感器发出的实际转速信号，并对理想转速信号和实际转速信号进行处理后产生转速修正指令给主控制器。

其中，车速传感器用于检测割草机主体的移动速度，转速传感器用于检测割草作业电机的实际旋转速度，压力传感器用于检测割草作业时刀片实时受到的割草压力，所述缠绕检测模块是在压力传感器值为零时，根据电流电压值计算出转速与转速传感器对比产生缠绕信号；

主控制器在接收到转速控制系统和智能防缠系统的信号时，先判断电机是否处于缠绕状态，如果是缠绕状态则返回指令给智能防缠系统中制动器控制模块和发送指令给作业执行电机控制系统解决缠绕问题；如果不是缠绕状态，返回指令给智能防缠系统中的扰流风扇模块使轴流风扇控制模块和扰流肋板角度控制模块开始工作，同时发送指令给作业执行电机控制系统调节当前执行电机的转速。

割草机智能作业端控制方法，见附图2，具体包括如下步骤：

在割草机割草作业过程中，缠绕检测模块判断是否缠草；

若缠草：缠草信号发送到智能防缠系统和功率估计模块；所述智能防缠系统发出制动器控制模块的控制指令给主控制器，主控制器对作业端执行电机系统断电，作业端电机系统不工作，同时反馈断电信号给制动器控制模块，制动器控制模块接收到反馈的断电信号后控制安装在作业端执行电机系统中的制动器对作业端执行电机紧急制动；制动结束后主控制器在接收到转速传感器信号值为零后，再次上电驱动作业电机达到设定的转速值，若缠绕信号还在，制动器模块发送信号给主控制器再次断电，主控制器反馈信号给制动器模块后制动器模块紧急制动，重复以上动作，直至缠草信号消失；所述功率估计模块接收到缠草信号后，功率估计模块不工作；

若不缠草：

功率估算模块根据接收到的压力传感器和转速传感器的信号，对接收到的压力传感器、转速传感器的信号进行处理并估算得到理想转速信号；

转速反馈控制模块接收来自功率估算模块的理想转速信号与转速传感器发出的实际转速信号，转速反馈控制模块对接收到的理想转速信号和实际转速信号进行处理后产生转速修正指令传递给主控制器，主控制器同时接收车速传感器的车速信号，主控制器综合接收到的转速修正指令和车速信号得到一个转速，从而调整作业端执行电机系统中的执行电机的转速。

具体的，缠绕检测模块检测作业执行端是否发生杂草缠绕，根据电流电压值计算出转速与转速传感器对比产生缠绕信号，将信号值发送到智能防缠系统和功率估算模块，发生缠绕时智能防缠系统给主控制器发送制动器控制模块的控制请求，同时功率估算模块向主控制器发送关闭请求，此时转速反馈控制模块关闭；

具体的，若不缠草，结合附图3所示功率估算模块的算法流程图，功率估算模块以设定的初速度v运行估算理想转速信号，采集T1时间内压力信号值，卡尔曼滤波后，计算出平均值，通过压力均值查询实验标定的压力－割草功率对应关系，计算出理想功率，进而得出理想转速值，压力-割草功率对应关系由实验标定，实验在固定转速v不同压力值下保证一定漏割率的情况下所需的最低功率值；根据车速的变化修正已估算的理想转速，根据压力信号值F，转换为扭矩值T，实际转速信号n，根据公式求出当前实际功率

p＝T*n/9550

T2时间段经过滤波后估算出实际功率；通过调节转速来保持达到理想功率，|p₁-p₂|/p₁＞0.5时，需要重新估算一个理想功率；

转速反馈控制模块接收来自功率估算模块的理想转速信号与转速传感器的实际转速信号进行处理产生转速修正指令传递给主控制器，转速反馈控制模块使用传统负反馈控制不断修正转速；

主控制器接收转速反馈控制模块的速度请求指令和智能防缠系统指令后的进行综合处理，未发生缠绕时转速反馈控制模块正常工作调节作业端转速和返回轴流风扇电机转速和扰流肋板角度调节指令，智能防缠系统中的扰流风扇模块主动根据转速和割草压力值判断杂草分布密度和切割杂草飞溅程度，调节轴流风扇，其中轴流风扇1结合附图4所示，改变风场强度，调节扰流肋板，其中扰动肋板2位置结合附图4所示，改变风场方向，从而吹散杂草主动防止发生轴向杂草缠绕；刀具发生缠绕时主控制器返回转速反馈控制模块指令，终止转速调节功能，同时返回指令给制动器模块和控制作业端电机转速，控制电机的急加速和制动器的急减速，利用惯性甩开缠绕在刀具上的杂草。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种割草机智能作业端控制系统，其特征在于，包括转速控制系统、智能防缠系统、压力传感器、车速传感器、转速传感器、主控制器、缠绕检测模块和作业端执行电机系统；所述压力传感器、车速传感器、转速传感器、缠绕检测模块将采集到的信号传递给转速控制系统和智能防缠系统，所述转速控制系统和智能防缠系统将处理后的信号传递给主控制器，主控制器在综合接收的指令后控制割草机作业端电机系统执行；

所述转速控制系统包括功率估算模块和转速反馈控制模块；所述功率估算模块接收来自压力传感器、缠绕检测模块、转速传感器和车速传感器的信号，并对信息进行处理得到理想转速，并将理想转速指令传递给转速反馈控制模块；

所述转速反馈控制模块接收来自功率估算模块的理想转速信号与转速传感器发出的实际转速信号，并对理想转速信号和实际转速信号进行处理后产生转速修正指令给主控制器。

2.根据权利要求1所述的割草机智能作业端控制系统，其特征在于，所述智能防缠系统包括制动器控制模块，所述制动器控制模块发出控制指令给主控制器。

3.根据权利要求1所述的割草机智能作业端控制系统，其特征在于，包括扰流风扇控制模块；所述扰流风扇控制模块包括轴流风扇控制模块和扰流肋板角度调节模块；所述扰流风扇控制模块用于防止刀具上缠草。

4.根据权利要求3所述的割草机智能作业端控制系统，其特征在于，所述轴流风扇控制模块接收压力传感器和转速传感器的信号后从而发出信号控制安装在刀具上方的用于产生轴向空气流场的风扇的转速。

5.根据权利要求3所述的割草机智能作业端控制系统，其特征在于，所述扰流肋板角度调节模块接收压力传感器和转速传感器的信号后从而发出信号控制安装在轴流风扇外圈用于改变轴流风扇产生的空气流场的肋板角度，从而调节流场的方向。

6.根据权利要求1所述的割草机智能作业端控制系统，其特征在于，所述车速传感器安装在自走式割草机车身位置或者牵引式割草机前牵引车牵引点位置；所述主控制器为ECU，用于综合控制作业端执行。

7.根据权利要求1所述的割草机智能作业端控制系统，其特征在于，所述转速传感器安装在旋转叶片上方转轴位置；所述压力传感器安装在刀片边缘切割位置。

8.根据权利要求1所述的割草机智能作业端控制系统，其特征在于，所述功率估算模块接收的压力传感器压力值和转速传感器转速值，进而计算出实际功率值，根据实验标定功率值估算出理想功率值，从而得出理想转速。

9.根据权利要求2所述的割草机智能作业端控制系统，其特征在于，所述制动器控制模块用于控制安装在刀具上方转轴位置的制动卡钳，执行刀具发生缠绕时的制动操作。

10.根据权利要求1-9任一项所述的割草机智能作业端控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

在割草机割草作业过程中，缠绕检测模块判断是否缠草；

若缠草：缠草信号发送到智能防缠系统和功率估算模块；所述功率估算模块接收到缠草信号后，功率估算模块不工作；所述智能防缠系统发出制动器控制模块的控制指令给主控制器，主控制器对作业端执行电机系统断电，作业端电机系统不工作，同时反馈断电信号给制动器控制模块，制动器控制模块使得安装在作业端执行电机系统中的制动器对作业端执行电机紧急制动；制动结束后主控制器在接收到转速传感器信号值为零后，再次上电驱动作业电机达到设定的转速值，若缠绕信号还在，制动器模块发送信号给主控制器再次断电，主控制器反馈信号给制动器模块后制动器模块紧急制动，重复以上动作，直至缠草信号消失；

若不缠草：

功率估算模块根据接收到的压力传感器和转速传感器的信号，对接收到的压力传感器、转速传感器的信号进行处理并估算得到理想转速信号；

转速反馈控制模块接收来自功率估算模块的理想转速信号与转速传感器发出的实际转速信号，转速反馈控制模块对接收到的理想转速信号和实际转速信号进行处理后产生转速修正指令传递给主控制器，主控制器同时接收车速传感器的车速信号，主控制器综合接收到的转速修正指令和车速信号得到一个转速，从而调整作业端执行电机系统中的执行电机的转速。

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