CN111645478B - 具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人及仿形控制方法 - Google Patents

具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人及仿形控制方法 Download PDF

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CN111645478B CN202010460254.7A CN202010460254A CN111645478B CN 111645478 B CN111645478 B CN 111645478B CN 202010460254 A CN202010460254 A CN 202010460254A CN 111645478 B CN111645478 B CN 111645478B
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Abstract

本发明提供了一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人及仿形控制方法，所述机器人可根据起伏不平的作物冠层/地面对其车身底盘姿态进行柔性仿形控制，使挂接在车身底盘机架上的机具与车身下方的作物冠层/地面基本保持平行，避免底盘/机具触地或伤苗，将底盘/机具与作物冠层/地面的距离始终控制在理想范围内，不仅适用的地形多，且能适应作物的生长变化，有效的拓宽了机器人的应用场景和使用时间段，提高了作业效率，降低机器人的整体使用成本。在进一步的方案，还提供了一种稳定可靠的轮腿驱动结构，可有效减少作业机具的晃动，提高作业质量，尤其适应对轮腿机构进行实时调整的仿形控制过程，具有良好的耐用度。

Description

具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人及仿形控制方法
技术领域
本发明属于农业机械技术领域，具体为一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人及仿形控制方法。
背景技术
自主机器人在农业中的应用越来越受欢迎，因为它可能对粮食安全、可持续性、资源利用效率、减少化学制剂使用、减少人工劳动和最大化产量产生巨大影响。近年来出现了各种各样的农业机器人，它们涵盖了多种农业应用场景，例如作物表型监测、数据采样，农药和化肥的精确可变量施药以及自主除草等，但是，到目前为止，还没有全面进入自主田间作业的商业应用阶段，主要原因是大多轮式农业机器人底盘结构固定，用途单一，仅能在短时间内执行单一的作业任务，从而导致作业成本提高，所以在经济上尚不能被广泛应用。
底盘使用高度自动调节装置的机器，如申请号为201810563206.3，名称为“一种农业机械的底盘高度自动调节装置”，能实现底盘横向和纵向保持水平，有利于各行走轮均与地面充分接触并均匀受力。但是农业机械在斜坡上作业时，底盘应平行与作物，才能保证管理、收获等机具(尤其是喷杆这类作业幅宽比较大的机具)均匀一致的作业。又如申请号201310220985.4，名称为“一种山地农业机器人车身自动调平控制系统”，通过在机器人底盘加装车身自动调平控制系统，利用倾角传感器模块获取车身的倾斜角度信息，并将该信息传输给中心处理器，控制液压缸的上下运动使车身进行上下调整,最终目的时保持车身水平。但当其在斜坡上作业时，就可能使得车身上的作业机具一端触地或伤苗，另一端远离作物。所以出于管理机具(喷雾或施肥)作业质量以及作业设备安全角度考虑，应该控制车身的姿态，使其平行与作物，而不是单纯的保持水平。
因此，研发一种能够实时保持与作物冠层平行，并且能够适合斜坡、山区行走的农田管理机器人柔性仿形底盘具有重大意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明设计了一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人及仿形控制方法，使机器人的底盘结构可根据作物的高度变化进行重构，实现底盘与作物的平行，以改善现有技术。
本发明提供的技术方案为：
一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人，包括车身、探测系统、控制系统以及由控制系统独立控制的四个轮腿机构，其特征在于：
所述探测系统包括安装在车身上的三维地形探测传感器、卫星定位模块、惯性传感器和非接触式距离传感器，所述三维地形探测传感器安装在车身的前部，用于探测前方作物冠层或地面的高度或坡度变化；所述卫星定位模块用于确认车身的位置信息；所述惯性传感器用于采集底盘的姿态角度；所述非接触式距离传感器安装在底盘底面的几何中心处，采集底盘与作物冠层或地面之间的高度距离；
所述轮腿机构通过转轴支架安装在车身底盘的车架上，包括回转主轴、升降装置、摇臂、转向装置、车轮支架、车轮和角度传感器；
其中，所述转向装置包括转向控制电机和电机安装座，回转主轴通过摇臂与所述电机安装座连接，所述回转主轴由伺服电机驱动，利用伺服电机的转动调节所述摇臂的横向摆角，实现对轮距的调节；
所述摇臂中设有升降装置，所述升降装置包括升降连杆A、直线执行器、升降连杆B，所述升降连杆A位于升降连杆B正上方，二者保持平行，且二者左、右两端均通过铰支座与左、右两个铰支座安装板活动连接，升降连杆A、升降连杆B与所述左、右两个铰支座安装板构成了平行四边形结构；所述直线执行器的一端与其一升降连杆铰接，另一端与另一升降连杆或其一铰支座安装板铰接，通过伸缩运动控制所述平行四边形结构变形，实现对底盘高度的调节；
所述角度传感器与控制系统连接，包括采集回转主轴转角的第一角度传感器和采集升降连杆转角的第二角度传感器，所述第二角度传感器用于测量升降连杆与铅垂线的夹角；
所述控制系统通过独立控制四个轮腿机构直线执行器的动作，实现对底盘姿态的调整，并针对直线执行器动作引发的轮距变化，通过各伺服电机控制调节各轮腿机构的横向摆角，以补偿所述轮距变化，维持位于作物左右两侧的车轮轮距恒定，同时，通过转向控制电机补偿车轮转向的变化，使车轮转向角保持不变，从而避免由于轮距调整导致底盘航向变化。
在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
进一步的，回转主轴的驱动机构包括所述伺服电机以及位于其下方的减速器、电磁离合器和联轴器。所述伺服电机的壳体与减速器的壳体固连在一起，伺服电机的动力输出轴通过减速器与电磁离合器的动力输入端轴连接，所述电磁离合器的动力输出轴与回转主轴的动力输入端轴连接。所述联轴器设有可相对转动的内外两个套筒，其中内套筒的顶部高出外套筒的顶面，并设有向外凸起的凸缘；外套筒的底部设有向内凸起的凸缘，回转主轴的下部也设有一圈向外凸起的凸缘；所述回转主轴位于其凸缘上方的部位处于内套筒中，内套筒与回转主轴之间设有轴承，使回转主轴可相对内套筒稳定转动；所述外套筒与内套筒之间亦设有轴承，回转主轴下部的凸缘与外套筒的底部凸缘固定连接，外套筒随回转主轴同步转动。所述内套筒通过连接盘与转轴支架固定连接，所述连接盘为一环形件，设有外圈盘体和内圈盘体，其内圈盘体相对外圈盘体下沉，形成台阶面；减速器壳体底部的安装面与连接盘内圈盘体的里侧部分通过法兰结构固定连接，内套筒顶部的凸缘通过法兰结构与连接盘内圈盘体的外侧部位固定连接，连接盘的外圈盘体则通过螺栓与所述转轴支架固定连接。
进一步的，所述轮式农田管理机器人设有锁定回转主轴的锁定电磁铁。所述锁定电磁铁布置在回转主轴的周侧，与内套筒固定连接；当需要控制回转主轴转动时，电磁离合器被接通，伺服电机的动力传递到回转主轴上，带动回转主轴旋转，当回转主轴转动到预设的角度以后，控制电磁离合器断开时，同时启动锁定电磁铁，使其锁住回转主轴的位置，防止所述轮腿机构发生自由旋转。
进一步的，所述内套筒与回转主轴之间设有上、下两个内圈轴承，两内圈轴承被内圈轴承限位机构定位，在轴向上无法位移。所述内圈轴承限位机构包括卡在上、下两个内圈轴承之间的内圈轴承套筒以及套在回转主轴上的上下两个圆螺母，所述内圈轴承套筒与内套筒固定连接，两个圆螺母分别锁住上、下两内圈轴承的上、下端面。
进一步的，所述外套筒与内套筒之间亦设有上、下两个外圈轴承，两个外圈轴承内外圈轴承限位机构定位，在轴向上无法位移。所述外圈轴承限位结构包括卡在上、下两个外圈轴承之间的外圈轴承套筒，所述内套筒的上部设有凸出于其外壁的环形台阶面，从上方锁住了上方外圈轴承的顶面，而位于下方的外圈轴承的底面则被外套筒底部凸缘的上表面挡住。
一种用于如上所述轮式农田管理机器人的控制方法，包括以下步骤：
1)利用探测系统采集初始参数
通过所述三维地形探测传感器探测前方作物或地面点云，得到作物顶层或地面的高程图；利用卫星定位模块，确认车身在所述高程图中的位置；通过惯性传感器获取车身底盘的姿态数据；利用所述非接触式距离传感器测量底盘底面中心到冠层或地面的垂直高度距离；
2)结合步骤1)采集的初始参数计算进行仿形控制的调节量
设实施调节前，车身底盘底面中心到作物冠层或地面的高度距离为H1，所述H1由非接触式距离传感器测得，设底盘到作物冠层或地面的理想高度为D，获得高度调节量ΔH＝D-H1；
设四个轮腿机构分别为轮腿机构A、轮腿机构B、轮腿机构C、轮腿机构D，底盘底面的长度为2a，宽度为2b；
根据车身在所述高程图中的位置，基于底盘要平行于下方作物的冠层或地面，设底盘在中心高度不变的情况下，由当下姿态调节到平行于冠层或地面的姿态，其俯仰角调节量为α，侧倾角调节量为β，则：
PA＝a sinα+b sinβ
PB＝-a sinα+b sinβ
PC＝-a sinα-b sinβ
PD＝a sinα-b sinβ
加上所述高度调节量ΔH，四个轮腿机构升降装置高度的总调节量分别为：
HA＝PA+ΔH
HB＝PB+ΔH
HC＝PC+ΔH
HD＝PD+ΔH
设实施调节前，测量的轮腿机构A升降连杆与铅垂线的夹角为θA，目标角度调节量为ΔθA；轮腿机构B升降连杆与铅垂线的夹角为θB，目标角度调节量为ΔθB；轮腿机构C升降连杆与铅垂线的夹角为θC，目标角度调节量为ΔθC；轮腿机构D升降连杆与铅垂线的夹角为θD，目标角度调节量为ΔθD，所述ΔθA、ΔθB、ΔθC、ΔθD采用如下公式计算：
Figure GDA0003094256140000061
Figure GDA0003094256140000062
Figure GDA0003094256140000063
Figure GDA0003094256140000064
3)结合步骤1)采集的初始参数和步骤2)获得的进行仿形控制的调节(变化)量，计算轮距耦合控制调节量
设四个轮腿机构回转主轴的转角分别为α1、α2、α3、α4；
设实施调节前，四个轮腿机构升降装置18在水平面上投影的距离分别为D1、D2、D3、D4，表达公式分别为：
D1＝L sinθA；
D2＝L sinθB；
D3＝L sinθC；
D4＝L sinθD，
所述ΔθA、ΔθB、ΔθC、ΔθD为轮腿机构A、轮腿机构B、轮腿机构C、轮腿机构D的竖直摆角变化量，直线执行器伸缩运动导致的轮距变化量分别为：
ΔDA＝L(sin(θA+ΔθA)-sinθA)；
ΔDB＝L(sin(θB+ΔθB)-sinθB)；
ΔDC＝L(sin(θC+ΔθC)-sinθC)；
ΔDD＝L(sin(θD+ΔθD)-sinθD)；
为了分别补偿四个轮腿机构的升降导致的轮距变化量ΔDA、ΔDB、ΔDC、ΔDD，需调整的回转角增量为Δα1、Δα2、Δα3、Δα4，计算式分别为：
Figure GDA0003094256140000071
Figure GDA0003094256140000072
Figure GDA0003094256140000073
Figure GDA0003094256140000074
4)基于步骤2)获得调节量执行仿形动作，基于步骤3)获得的调节量在直行仿形动作的同时，实施轮距耦合控制
控制系统将ΔθA、ΔθB、ΔθC、ΔθD作为输入，控制四个轮腿机构的直线执行器分别执行相应的伸缩动作，达到调节底盘姿态角度和高度的目的；
控制系统将Δα1、Δα2、Δα3、Δα4作为输入，控制伺服电机动作，在调控底盘姿态和高度的同时，改变轮腿机构与车身纵轴线的水平夹角，补偿调节轮距的变化，保持四个车轮与车身纵轴线的距离恒定；
在伺服电机带动轮腿机构转动的同时，通过转向控制电机补偿车轮转向的变化，使车轮转向角保持不变，从而避免由于轮距调整导致底盘航向变化。
进一步的，在所述步骤1)中，通过所述三维地形探测传感器探测前方作物点云，借助卫星定位模，将点云转换为地平面坐标系，用z坐标直接指示所述点云中各三维点的离地高度，提取作物行簇最高点，然后通过最小二乘法对作物冠层平面进行拟合并细化，得到作物顶层的高程图。
有益效果：
本发明轮式农田管理机器人及其控制方法，可根据起伏不平的作物冠层或地面对其车身底盘进行柔性仿形控制，使挂接在车身底盘机架上的机具与车身下方的作物冠层或地面基本保持平行，避免底盘或机具触地或伤苗，将底盘或机具与作物冠层或地面的距离始终控制在理想范围内，不仅适用的地形多，且能适应作物的生长变化，有效的拓宽了机器人的应用场景和使用时间段，提高了作业效率，降低机器人的整体使用成本。在进一步的方案，还提供了一种稳定可靠的轮腿驱动结构，可有效减少作业机具的晃动，提高作业质量，尤其适应对轮腿机构进行实时调整的仿形控制过程，具有良好的耐用度。
附图说明
图1为实施例中轮式农田管理机器人的整体结构视图；
图2为装配了喷杆和施药系统的轮式农田管理机器人的整体结构视图；
图3为图2机器人的侧视图；
图4为底盘轮腿机构的视图一；
图5为图4局部结构的剖视图；
图6为底盘轮腿机构的视图二；
图7为机器人车轮陷入凹坑时底盘状态的示意图；
图8为机器人在斜坡上行走时底盘状态的示意图；
图9为机器人在不同状态下底盘结构参数的变化对比图；
图10为底盘中心点坐标系发生变化时的结构参数变化示意图；
图11为底盘轮距耦合高度变化过程结构参数示意图；
图12为实施例的控制流程图；
图13为蟹行转向和原地转向四个驱动轮的方向示意图；
图14为图4局部结构的立体剖视图。
具体实施方式
为了阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做详细的介绍。
如图1所示一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人，包括车身27、探测系统、控制系统以及独立控制转向的四个轮腿机构。所述探测系统包括三维地形探测传感器24、卫星定位模块(卫星天线及接收机)23、惯性传感器25、非接触式距离传感器(优选采用超声波或激光测距传感器)等组件，所述控制系统包括中央处理器。
所述三维地形探测传感器24可采用激光雷达或深度相机等设备，本实施例优选采用三维激光雷达传感器。如图1所示，所述三维激光雷达传感器安装在车身27的前部，用于探测前方作物的整体高度变化，并建立作物高程图。所述卫星定位模块23用于确认车身27所在的位置信息，根据车身27在高程地图中的位置，控制系统实时调整底盘的高度。所述惯性传感器25安装在车身27上，用于采集车身27的纵向俯仰角和横向滚转角。所述非接触式距离传感器安装在车身底盘底面的几何中心位置处，用于采集车身底盘底面距离作物冠层或地面的垂直距离。
本实施例以装配喷杆26和施药系统的机器人为例，进行机器人工作原理的介绍。如图2所示，机器人车身27上载有药箱22，喷杆26通过自平衡悬架系统21挂接在机器人车架的尾部，所述自平衡悬架系统21包括四边仿形支架和抬升油缸等组件，为现有技术，此处不再展开介绍。喷杆26随机器人车身底盘的姿态变化有相应的变化，为避免过宽的喷杆26意外触地或伤苗，喷杆的宽幅应在一定范围内根据工作场景的地形和作物冠层高差变化的范围进行合适的选择。
所述轮腿机构通过转轴支架3安装在机器人底盘的车架上，转轴支架3与车架固定在一起。所述轮腿机构包括回转主轴15、摇臂、转向装置、车轮支架20和车轮19。
所述回转主轴15的驱动机构如图5、图14所示，包括伺服电机1、减速器2、电磁离合器6和联轴器等组件。所述伺服电机1的壳体与减速器2的壳体固连在一起，伺服电机1的动力输出轴与下方减速器2的动力输入端传动连接，而减速器2的输出轴则通过位于其下方的电磁离合器6与回转主轴15的动力输入轴传动连接。
所述联轴器的一端连接减速器2的壳体，另一端连接回转主轴15。联轴器设计了可相对转动的内外两个套筒，防止回转主轴15弯曲。其中，内套筒5的顶部要高出外套筒13的顶面，并设有向外凸起的凸缘；外套筒13的底部设有向内凸起的凸缘，所述回转主轴15的下部也设有一圈向外凸起的凸缘，回转主轴15位于其凸缘上方的部位处于内套筒5中。
所述内套筒5与回转主轴15之间布置了一对圆锥滚子轴承9，两个圆锥滚子轴承9被内圈轴承限位结构定位，在轴向方向上相对回转主轴无法移动。所述内圈轴承限位结构包括卡在上下两个圆锥滚子轴承9之间的内圈轴承套筒11、和套在回转主轴15上的上下两个圆螺母8和14，圆螺母8挡在上圆锥滚子轴承9的上方，圆螺母14挡在下圆锥滚子轴承9的下方。所述内圈轴承套筒11与内套筒5固定连接。
所述回转主轴15下部的凸缘与外套筒13的底部凸缘固定连接(法兰结构)，外套筒13与内套筒5之间设有一对滚珠轴承7，两个滚珠轴承7之间设置了外圈轴承套筒12，用于两滚珠轴承7的定位。所述内套筒13的上部设有凸出于其外壁的环形台阶面，位于上方的滚珠轴承7顶面顶在该台阶面上，外套筒13底部凸缘的上表面挡在下方滚珠轴承7的下方，使两滚珠轴承7在轴向上运动被限制。
所述内套筒5通过连接盘4与转轴支架3固定连接，所述连接盘4为一环形件，设有外圈就盘体和内圈盘体，其内圈盘体相对外圈盘体下沉，形成台阶面，如图5所示，使连接盘4径向(半径)截面近似Z形。减速器2壳体底部的安装面与连接盘4内圈的里侧通过法兰结构固定连接，内套筒5顶部的凸缘通过法兰结构与连接盘4内圈的外侧固定连接，连接盘4的外圈则通过螺栓与所述转轴支架3固定连接。
所述内圈轴承套筒11中固定安装有一对扇形的锁定电磁铁10，分布在回转主轴15的周侧。当需要控制回转主轴15转动时，电磁离合器6被接通，伺服电机1的动力被传输到回转主轴15上，带动回转主轴15旋转，当回转主轴15转动到预设的角度以后，控制电磁离合器6断开，同时启动锁定电磁铁10，使其锁住回转主轴15的位置，防止轮腿机构发生自由旋转。
上述结构中，所述伺服电机1、减速器2、联轴器与回转主轴15凸缘上方的部分，其中轴线均在同一竖直线上。位于回转主轴15凸缘下方的部位为一段弯管，所述弯管下部向外弯折的部分与升降装置18构成了所述轮腿机构的摇臂。
所述升降装置18包括升降连杆A18-1、直线执行器18-2、升降连杆B18-3、角度编码器、铰支座等组件。其中，升降连杆A18-1位于升降连杆B18-3正上方，二者保持平行，二者前后两端均通过铰支座与左右两个铰支座安装板活动连接，即升降连杆A18-1、升降连杆B18-3与左右两个铰支座安装板构成了平行四边形结构，如图4所示。
所述直线执行器18-2(电动缸或液压缸)的一端通过铰支座与连接回转主轴15的右侧铰支座安装板活动连接，另一端与升降连杆B18-3通过铰支座活动连接。所述直线执行器18-2也可以设置为其它安装方式，其设置目的在于通过伸缩运动使所述平行四边形结构变形，抬升或降低机器人车身底盘的高度。
角度编码器17安装在其一升降连杆的铰支座上，用于采集升降连杆与铅垂线的夹角。所述联轴器上也安装有一角度编码器16，用于采集回转主轴15的转角，或者说所述摇臂在水平面上的投影与车身纵轴线的夹角。两角度编码器的信号输出端分别与所述控制系统连接。
所述转向装置由转向控制电机20和电机安装座组成，左侧铰支座安装板与电机安装座21的侧面固定连接，车轮19通过顶部设有竖向转轴的车轮支架20与电机安装座21旋转连接，机器人行进过程中，由转向控制电机20驱动车轮19的转向。所述车轮19上安转有轮毂电机，带动车轮19滚动，四个车轮19的启停和转速由控制系统单独控制。。
以作物冠层为参考面，控制系统对机器人底盘的柔性仿形控制策略为:
使车身底盘中心与作物冠层保持恒定的垂直高度距离D，D通过人工设定的，是作物理想的作业高度。设非接触式距离传感器实测的高度数据为D1，ΔD＝D-D1是高度误差。设车身27前方作物冠层的纵向坡度角为αd，作物冠层的横向坡度角为βd，车身上的惯性传感器测得的车身的纵向俯仰角为α，横向滚转角为β，则底盘姿态角度误差Δα＝αd-α，Δβ＝βd-β。将误差值Δα、Δβ、ΔD作物控制系统的输入，经过控制算法的解算，计算出四个轮腿机构升降装置直线执行器18-2的控制指令UA、UB、UC、UD，通过驱动直线执行器18-2动作，实时调节底盘的姿态角度和高度。考虑调节过程的安全性，设定高度调节量ΔD和角度调节量Δα、Δβ的阈值，大于阈值，机器人停止前进，进行原地角度和高度调节。如果小于设定值则在行进间实时进行高度和角度的调整。复杂地形下，行进过程中优先采用窄轮距状态进行高度和倾角的调节。之后，针对上述调节过程导致的轮距变化，对轮距进行耦合控制调节，使车轮径保持恒定，避免车轮压苗。
机器人的控制流程如图12所示，其具体过程包括以下步骤：
1)利用探测系统采集初始参数
通过所述三维激光雷达传感器探测前方作物点云，借助卫星定位模块23，将点云转换为地平面坐标系，用z坐标直接指示所述点云中各三维点的离地高度，提取作物行簇最高点，然后通过最小二乘法对作物冠层平面进行拟合并细化，得到作物顶层的高程图。之后，再利用卫星定位模块23，确认车身27在已获得高程图中的位置，利用惯性传感器获取车身底盘当下的姿态数据，用作调整底盘姿态和距离作物高度的参考依据。三维激光雷达传感器探测前方作物高度，提前预判作物高度的变化，待机器人底盘到达指定位置前调整好底盘的姿态和高度。底盘底面中心到冠层的垂直高度距离由所述非接触式距离传感器测得。
2)结合步骤1)采集的初始参数计算进行仿形控制的调节(变化)量
如图9所示，底盘高度从实际状态2调节到理想状态1，高度距离的调节量ΔH＝D-H1，H1由非接触式距离传感器测得。
底盘的仿形是通过调节底盘在四个车轮处的高度实现，而底盘在车轮处的高度最终是通过调节升降连杆与铅垂线的夹角θ来实现，所述θ即轮腿机构的竖直摆角。
设升降连杆的长度为L(连杆A和B的长度相同)，根据图中几何关系，可知ΔH＝L(cosθ2-cosθ1)，其中θ1为状态1中，左侧某一轮腿机构的升降连杆与铅垂线的夹角；θ2为状态2中，该轮腿机构升降连杆与铅垂线的夹角。
如图10所示，用平面ABCD表示车身底盘的底面，四个轮腿机构分别为轮腿机构A、轮腿机构B、轮腿机构C、轮腿机构D。设底盘底面的长度为2a，宽度为2b，坐标系oxy为车身底盘处于水平状态时的坐标系，o为底盘底面的中心点。机器人在田间作业过程中，底盘需要实时平行于作物，设在底盘中心点距离作物冠层高度不变的情况下，底盘由当下姿态调节到平行于冠层的姿态，坐标系变换为ox1y1，其俯仰角调节量为α，侧倾角调节量为β，则底盘底面的A、B、C、D这四个轮腿机构升降装置的高度调节量分别为：
PA＝a sinα+b sinβ
PB＝-a sinα+b sinβ
PC＝-a sinα-b sinβ
PD＝a sinα-b sinβ
加上上述高度调节量ΔH，四个轮腿机构升降装置高度的总调节量分别为：
HA＝PA+ΔH
HB＝PB+ΔH
HC＝PC+ΔH
HD＝PD+ΔH
设上一个控制周期结束后测得的轮腿机构A升降连杆与铅垂线的夹角为θA，当前控制周期轮腿机构A升降连杆的目标角度调节量为ΔθA；上一个控制周期结束后测得的轮腿机构B升降连杆与铅垂线的夹角为θB，当前控制周期轮腿机构B升降连杆的目标角度调节量为ΔθB，上一个控制周期结束后测得的轮腿机构C升降连杆与铅垂线的夹角为θC，当前控制周期轮腿机构C升降连杆的目标角度调节量为ΔθC，上一个控制周期结束后测得的轮腿机构D升降连杆与铅垂线的夹角为θD，当前控制周期轮腿机构D升降连杆的目标角度调节量为ΔθD，所述ΔθA、ΔθB、ΔθC、ΔθD采用如下公式计算：
Figure GDA0003094256140000151
Figure GDA0003094256140000152
Figure GDA0003094256140000153
Figure GDA0003094256140000154
3)结合步骤2)获得的进行仿形控制的调节(变化)量，计算轮距耦合控制调节量
用于轮距调整的回转主轴15各自都安装了绝对值角度编码器，可测量回转主轴带动摇臂相对于车体纵轴线的转角α1、α2、α3、α4，设α1、α2、α3、α4为轮腿机构的横向摆角，如图11所示，设左右车轮回转主轴的中心距为W1，前后车轮回转主轴的中心距为L1，四个角度都标有旋转方向，转角增大时左右轮距也随之增大，转角减小时，左右轮距随之减小。轮腿机构竖直摆角调整带了的问题是轮距的变化，若不进行轮距的耦合调整会导致车轮压苗，为了解决这一问题，在调控底盘姿态的同时，应进行轮距的耦合控制。
设图11中，进行仿形控制调节前，四个轮腿机构升降装置18在水平面上的投影距离分别为D1、D2、D3、D4，其表达公式分别为：
D1＝L sinθA；
D2＝L sinθB；
D3＝L sinθC；
D4＝L sinθD，
底盘仿形控制过程中，轮腿机构A、轮腿机构B、轮腿机构C、轮腿机构D的竖直摆角变化量分别为ΔθA、ΔθB、ΔθC、ΔθD，那么导致的轮距变化量分别为：
ΔDA＝L(sin(θA+ΔθA)-sinθA)；
ΔDB＝L(sin(θB+ΔθB)-sinθB)；
ΔDC＝L(sin(θC+ΔθC)-sinθC)；
ΔDD＝L(sin(θD+ΔθD)-sinθD)；
上一个控制周期结束后，轮腿机构A、轮腿机构B、轮腿机构C、轮腿机构D各自摇臂结构与车体纵轴线的水平夹角分别为α1、α2、α3、α4，为了分别补偿四个轮腿机构升降导致的轮距变化量ΔDA、ΔDB、ΔDC、ΔDD，需调整的回转角增量为Δα1、Δα2、Δα3、Δα4，计算式分别为：
Figure GDA0003094256140000161
Figure GDA0003094256140000171
Figure GDA0003094256140000172
Figure GDA0003094256140000173
4)基于步骤2)获得调节量执行仿形动作，基于步骤3)获得的调节量在执行仿形动作的同时，实施轮距耦合控制
控制系统将ΔθA、ΔθB、ΔθC、ΔθD作为输入，采用PID等常规控制方法，实时控制四个轮腿机构上直线执行器18-2分别执行相应的伸缩动作，直线执行器18-2轮腿机构升降连杆转动，带动整个底盘的姿态角度改变，达到调节底盘姿态角度和高度的目的；
控制系统将Δα1、Δα2、Δα3、Δα4作为输入，采用PID等常规控制方法，实时控制伺服电机1的旋转，在调控底盘姿态和高度的同时，补偿调节轮距的变化，保持四个车轮距车身纵轴线距离不变，避免压苗现象产生；
在伺服电机1带动轮腿机构转动的同时，通过转向控制电机21补偿车轮19转向的变化，使车轮19转向角维持不变，从而避免轮距调整改变底盘的航向。
值得说明的是，本发明机器人设计的轮腿机构结构，转向装置转90度还可以横向行驶。或将控制四个轮腿机构的回转主轴转动，使四轮的转向主轴处于同心圆状态，该柔性底盘可以实现原地转向功能，如图13右侧所示。或者，如图13左侧所示的蟹行转向，即机器人可以斜行，运行方向与车辆纵向轴线之间偏斜一个角度，可以方便地靠近或离开受结构或地形限制的作业面，使机器在受限空间里，迅速侧移，到达指定区域。
上述控制方法以作物冠层为机器人车身底盘仿形控制的参考面，在实践中，若作物的高度较矮时，或者作物较为稀疏，非接触式距离传感器可以直接探测到地面时，也可将地面作为仿形控制的参考面，原理同上。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人，包括车身(27)、探测系统、控制系统以及由控制系统独立控制的四个轮腿机构，其特征在于：
所述探测系统包括安装在车身(27)上的三维地形探测传感器(24)、卫星定位模块(23)、惯性传感器(25)和非接触式距离传感器，所述三维地形探测传感器(24)安装在车身(27)的前部，用于探测前方作物冠层或地面的高度或坡度的变化；所述卫星定位模块(23)用于确认车身(27)的位置信息；所述惯性传感器(25)用于采集底盘的姿态角度；所述非接触式距离传感器安装在底盘底面的几何中心处，采集底盘与作物冠层或地面之间的高度距离；
所述轮腿机构通过转轴支架(3)安装在车身底盘的车架上，包括回转主轴(15)、摇臂、转向装置、车轮支架(20)、车轮(19)和角度传感器；
其中，所述转向装置包括转向控制电机(21)和电机安装座(22)，回转主轴(15)通过摇臂与电机安装座(22)连接，所述回转主轴(15)由伺服电机(1)驱动，利用伺服电机(1)的转动调节所述摇臂的横向摆角，实现对轮距的调节；
所述摇臂中设有升降装置(18)，所述升降装置包括升降连杆A(18-1)、直线执行器(18-2)、升降连杆B(18-3)，所述升降连杆A(18-1)位于升降连杆B(18-3)正上方，二者保持平行，且二者左右两端均通过铰支座与左、右两个铰支座安装板活动连接，升降连杆A(18-1)、升降连杆B(18-3)与所述左、右两个铰支座安装板构成了平行四边形结构；所述直线执行器(18-2)的一端与其一升降连杆铰接，另一端与另一升降连杆或其一铰支座安装板铰接，通过伸缩运动控制所述平行四边形结构变形，实现对底盘高度的调节；
所述角度传感器与控制系统连接，包括采集回转主轴(15)转角的第一角度传感器和采集升降连杆转角的第二角度传感器，所述第二角度传感器用于测量升降连杆与铅垂线的夹角；
所述控制系统通过独立控制四个轮腿机构直线执行器(18-2)的动作，实现对底盘姿态的调整，并针对直线执行器(18-2)动作引发的轮距变化，通过各伺服电机(1)控制调节各轮腿机构的横向摆角，以补偿所述轮距变化，维持位于作物左右两侧的车轮轮距恒定，同时，通过转向控制电机(21)补偿车轮(19)转向的变化，使车轮(19)转向角保持不变，从而避免由于轮距调整导致底盘航向变化；
所述轮式农田管理机器人的控制方法，包括以下步骤：
1)利用探测系统采集初始参数
通过所述三维地形探测传感器(24)探测前方作物或地面点云，得到作物顶层或地面的高程图；利用卫星定位模块(23)，确认车身(27)在所述高程图中的位置；通过惯性传感器获取车身底盘的姿态数据；利用所述非接触式距离传感器测量底盘底面中心到作物冠层或地面的垂直高度距离；
2)结合步骤1)采集的初始参数计算进行仿形控制的调节量
设实施调节前，车身底盘底面中心到作物冠层或地面的高度为H1，所述H1由非接触式距离传感器测得，设底盘到作物冠层或地面的理想高度为D，获得高度调节量ΔH＝D-H1；
设四个轮腿机构分别为轮腿机构A、轮腿机构B、轮腿机构C、轮腿机构D，底盘底面的长度为2a，宽度为2b；
根据车身(27)在所述高程图中的位置，基于底盘要平行于车身下方的作物冠层或地面，设底盘在中心高度不变的情况下，由当下姿态调节到平行于冠层的姿态，其俯仰角调节量为α，侧倾角调节量为β，则：
PA＝asinα+bsinβ
PB＝-asinα+bsinβ
PC＝-asinα-bsinβ
PD＝asinα-bsinβ
加上所述高度调节量ΔH，四个轮腿机构升降装置高度的总调节量分别为：
HA＝PA+ΔH
HB＝PB+ΔH
HC＝PC+ΔH
HD＝PD+ΔH
设实施调节前，测量的轮腿机构A升降连杆与铅垂线的夹角为θA，目标角度调节量为ΔθA；轮腿机构B升降连杆与铅垂线的夹角为θB，目标角度调节量为ΔθB；轮腿机构C升降连杆与铅垂线的夹角为θC，目标角度调节量为ΔθC；轮腿机构D升降连杆与铅垂线的夹角为θD，目标角度调节量为ΔθD，所述ΔθA、ΔθB、ΔθC、ΔθD采用如下公式计算：
Figure FDA0003094256130000031
Figure FDA0003094256130000032
Figure FDA0003094256130000033
Figure FDA0003094256130000034
3)结合步骤2)获得的进行仿形控制的调节量，计算轮距耦合控制调节量设四个轮腿机构回转主轴的转角分别为α1、α2、α3、α4；
设实施调节前，四个轮腿机构升降装置(18)在水平面上投影的距离分别为D1、D2、D3、D4，表达公式分别为：
D1＝LsinθA；
D2＝LsinθB；
D3＝LsinθC；
D4＝LsinθD，
所述ΔθA、ΔθB、ΔθC、ΔθD为轮腿机构A、轮腿机构B、轮腿机构C、轮腿机构D的竖直摆角变化量，直线执行器(18-2)伸缩运动导致的轮距变化量分别为：
ΔDA＝L(sin(θA+ΔθA)-sinθA)；
ΔDB＝L(sin(θB+ΔθB)-sinθB)；
ΔDC＝L(sin(θC+ΔθC)-sinθC)；
ΔDD＝L(sin(θD+ΔθD)-sinθD)；
为了分别补偿四个轮腿机构的升降导致的轮距变化量ΔDA、ΔDB、ΔDC、ΔDD，需调整的回转角增量为Δα1、Δα2、Δα3、Δα4，计算式分别为：
Figure FDA0003094256130000041
Figure FDA0003094256130000042
Figure FDA0003094256130000043
Figure FDA0003094256130000044
4)基于步骤2)获得调节量执行仿形动作，基于步骤3)获得的调节量在直行仿形动作的同时，实施轮距耦合控制
控制系统将ΔθA、ΔθB、ΔθC、ΔθD作为输入，控制四个轮腿机构的直线执行器(18-2)分别执行相应的伸缩动作，达到调节底盘姿态角度和高度的目的；
控制系统将Δα1、Δα2、Δα3、Δα4作为输入，控制伺服电机(1)动作，在调控底盘姿态和高度的同时，改变轮腿机构与车身纵轴线的水平夹角，补偿调节轮距的变化，保持四个车轮与车身纵轴线的距离恒定；
在伺服电机(1)带动轮腿机构转动的同时，通过转向控制电机(21)补偿车轮(19)转向的变化，使车轮(19)转向角保持不变，从而避免由于轮距调整导致底盘航向变化。
2.根据权利要求1所述的一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人，其特征在于，回转主轴(15)的驱动机构包括所述伺服电机(1)以及位于其下方的减速器(2)、电磁离合器(6)和联轴器；
所述伺服电机(1)的壳体与减速器(2)的壳体固连在一起，伺服电机(1)的动力输出轴通过减速器(2)与电磁离合器(6)的动力输入端轴连接，所述电磁离合器(6)的动力输出轴与回转主轴(15)的动力输入端轴连接；
所述联轴器设有可相对转动的内外两个套筒，其中内套筒(5)的顶部高出外套筒(13)的顶面，并设有向外凸起的凸缘；外套筒(13)的底部设有向内凸起的凸缘，回转主轴(15)的下部也设有一圈向外凸起的凸缘；
所述回转主轴(15)位于其凸缘上方的部位处于内套筒(5)中，内套筒(5)与回转主轴(15)之间设有轴承，使回转主轴(15)可相对内套筒(5)稳定转动；所述外套筒(13)与内套筒(5)之间亦设有轴承，回转主轴(15)下部的凸缘与外套筒(13)的底部凸缘固定连接，外套筒(13)随回转主轴(15)同步转动；
所述内套筒(5)通过连接盘(4)与转轴支架(3)固定连接，所述连接盘(4)为一环形件，设有外圈盘体和内圈盘体，其内圈盘体相对外圈盘体下沉，形成台阶面；减速器(2)壳体底部的安装面与连接盘(4)内圈盘体的里侧部分通过法兰结构固定连接，内套筒(5)顶部的凸缘通过法兰结构与连接盘(4)内圈盘体的外侧部位固定连接，连接盘(4)的外圈盘体则通过螺栓与所述转轴支架(3)固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人，其特征在于，设有锁定回转主轴(15)的锁定电磁铁(10)；
所述锁定电磁铁(10)布置在回转主轴(15)的周侧，与内套筒(5)固定连接；当需要控制回转主轴(15)转动时，电磁离合器(6)被接通，伺服电机(1)的动力传递到回转主轴(15)上，带动回转主轴(15)旋转，当回转主轴(15)转动到预设的角度以后，控制电磁离合器(6)断开时，同时启动锁定电磁铁(10)，使其锁住回转主轴(15)的位置，防止所述轮腿机构发生自由旋转。
4.根据权利要求2所述的一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人，其特征在于：
所述内套筒(5)与回转主轴(15)之间设有上、下两个内圈轴承，两内圈轴承被内圈轴承限位机构定位，在轴向上无法位移；
所述内圈轴承限位机构包括卡在上、下两个内圈轴承之间的内圈轴承套筒(11)以及套在回转主轴(15)上的上下两个圆螺母，所述内圈轴承套筒(11)与内套筒(5)固定连接，两个圆螺母分别锁住上、下两内圈轴承的上、下端面；
所述外套筒(13)与内套筒(5)之间亦设有上、下两个外圈轴承，两个外圈轴承内外圈轴承限位机构定位，在轴向上无法位移；
所述外圈轴承限位结构包括卡在上、下两个外圈轴承之间的外圈轴承套筒(12)，所述内套筒(5)的上部设有凸出于其外壁的环形台阶面，从上方锁住了上方外圈轴承的顶面，而位于下方的外圈轴承的底面则被外套筒(13)底部凸缘的上表面挡住。
5.根据权利要求1所述的一种具有柔性仿形底盘的轮式农田管理机器人，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)中，通过所述三维地形探测传感器(24)探测前方作物点云，借助卫星定位模块(23)，将点云转换为地平面坐标系，用z坐标直接指示所述点云中各三维点的离地高度，提取作物行簇最高点，然后通过最小二乘法对作物冠层平面进行拟合并细化，得到作物顶层的高程图。
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