CN111645777A - 具有自适应轮距调节功能的轮式农业机器人及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自适应轮距调节功能的轮式农业机器人及其调节方法，所述轮式农业机器人包括控制系统和设有四只驱动轮腿的车体，其特征在于，还设有轮距调节执行机构。本发明轮式农业机器人可根据作物行行间距以及地形的变化，对轮距作出适应性的调整，大幅度减小压苗现象的发生，拓宽了农业机器人执行作业的适用地形范围，提高工作效率，降低作业成本，且本发明具有车轮轮距的同步调节、两轮独立调节和四轮独立调节等的多种调节模式，如果遇到障碍物、狭窄路段等复杂地形，也能保障底盘能顺利通过，结构规划合理，易于操作与维护，适合推广使用。

Description

具有自适应轮距调节功能的轮式农业机器人及其调节方法

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，具体为一种具有自适应轮距调节功能的轮式农业机器人及其调节方法。

背景技术

随着人口日益增长与农业生产水土资源、劳动短缺的矛盾日益显露，迫切需要提高农业生产效率。使用农业机器人全部或部分替代人高效、安全、可靠地完成复杂的任务，是农业机械化发展的必然趋势。

例如，我国农作物的病虫草害防治已经成为农业生产过程中劳动力消耗量最大、劳动强度最高、次数最多的作业环节，且喷洒杀虫剂、除草剂等农药和液体化肥不仅存在浪费的现象，而且会严重危害环境，因此智能田间管理机器人成为行业研究热点，借助机器人可开展施药、施肥、除草和作物信息采集等田间精细化管理作业。在施药/施肥方面，智能田间管理机器人采用精准喷洒的概念，利用计算机视觉技术来检测杂草，然后有针对性地喷洒除草剂，可以显著减少作物生长中使用的除草剂的数量。

然而我国耕地丘陵山地多，种植机械播种或移栽的作物，由于机具的精度和地面不平整等会导致种植行距不一致。有人驾驶的喷杆喷雾机、中耕除草机和常规的自主驾驶的农业机器人都会存在车轮压苗现象，尽管大多数情况下驾驶员是沿着作物行驾驶作业机的，自主导航机器人根据作物行实时调整底盘的航向的，但是这些田间管理机具不具备轮距自适应调节的功能，凸起物、凹坑等地面障碍仍会导致底盘的颠簸或小型农业机器人无法通过。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种具有自适应轮距调节功能的轮式农业机器人及其调节方法，使得机器人的轮距可随作物行距自适应调节，大幅度减少作业过程中的压苗现象，同时如果遇到障碍物、狭窄路段也能保障底盘能顺利通过。

为实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为：

一种具有自适应轮距调节功能的轮式农业机器人，包括控制系统和设有四只驱动轮腿的车体，其特征在于，还设有轮距调节执行机构；

车体的四个驱动轮腿各自通过对应的摇臂连接到底盘车架上，所述驱动轮腿包括车轮和转向装置，每个车轮均由独立的轮毂电机驱动，轮毂电机的驱动电路与控制系统连接；

所述转向装置包括控制车轮转向的转向电机和电机安装座，所述电机安装座通过轮腿支架与下方的车轮连接；摇臂的外侧一端与电机安装座固定连接，内侧一端通过包含摇臂转轴在内的转动副与底盘车架连接，则摇臂可以摇臂转轴为中心，相对车体纵轴线发生横向摆动，改变对应的车轮到车体纵轴线的距离；

所述轮距调节执行机构包括驱动装置、第一电磁离合器、第二电磁离合器以及前后两个直线滑轨装置，两直线滑轨装置沿车体纵轴线铺设安装在底盘车架上，其滑块均由所述驱动装置通过传动机构带动，所述驱动装置通过第一电磁离合器向前直线滑轨装置的滑块传递动力，通过第二电磁离合器向后直线滑轨装置的滑块传递动力，所述驱动装置及两电磁离合器的控制信号输入端分别与控制系统连接，由控制系统控制启停和通断；

车体前部的左右驱动轮腿各自通过一副连杆结构与前直线滑轨装置上的滑块连接，车体后部的左右驱动轮腿各自通过一副连杆结构与后直线滑轨装置上的滑块连接；所述连杆结构由驱动连杆和摇臂延长杆组成，二者的一端通过转动副和自锁定连接器连接，同时，所述摇臂延长杆的另一端与摇臂固定连接，用于带动摇臂转动，所述驱动连杆的另一端则与对应的滑块通过转动副铰接，将滑块的直线运动转化为带动摇臂延长杆以摇臂转轴为中心转动的旋转运动；

所述自锁定连接器由第一连接块、第二连接块和定位销电磁铁组成；其一连接块上安装有锁紧电磁铁，锁紧电磁铁通电后，两连接块通过磁力吸附紧固连接，自锁定连接器即处于结合状态；所述第一连接块固定安装在摇臂延长杆的端部，第二连接块通过转动副与驱动连杆连接；所述第二连接块上设有限位孔，定位销电磁铁安装在驱动连杆上；锁紧电磁铁失电时，第一、第二连接块失去磁力约束，则自锁定连接器断开，控制系统控制定位销电磁铁同时动作，将其伸出的销杆插入第二连接块的限位孔中，以防止第二连接块自由转动；

所述轮式农业机器人包括以下四种轮距调节模式：

A)四轮轮距同步调节模式：第一、第二电磁离合器和各自锁定连接器均处于结合状态，驱动装置通过两直线滑轨装置同步调整前、后车轮的轮距；

B)前轮轮距独立调节模式：第一电磁离合器、各自锁定连接器处于结合状态，第二电磁离合器断开，驱动装置通过前直线滑轨装置调整前部车轮的轮距；

C)后轮轮距独立调节模式：第二电磁离合器、各自锁定连接器处于结合状态，第一电磁离合器断开，驱动装置通过后直线滑轨装置调整后部车轮的轮距；

D)四轮位置独立调节模式：第一、第二电磁离合器和各自锁定连接器均为断开状态，四个车轮距离车体纵轴线的距离可独立调整，互不干涉；

其中，A)、B)、C)为主动调节模式，通过控制驱动装置带动摇臂发生横向摆动；D)为被动调节模式，通过单独控制轮毂电机转动，驱动相应的车轮前进或倒退，从而带动摇臂发生横向摆动，改变该车轮到车体纵轴线的距离。

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，所述第二连接块为凸块，与第一连接块的对接面上设有凸起结构，第一连接块为凹块，其对接面上设有与所述凸起结构形状适配的凹槽结构；所述凹槽结构内设置有压力传感器和行程开关，所述压力传感器和行程开关的信号输出端与控制系统连接，第一、第二连接块吸附时，凸起结构嵌在凹槽结构中，可碰触到所述压力传感器和行程开关，若压力传感器反馈的信号不小于预设的阈值，控制系统则认为所述连杆结构固定牢靠，从模式A)-C)中选择合适的主动调节模式启动相应滑块。

进一步的，所述第一连接块上设有两块插板，两插板位于所述凹槽结构的左右两侧，凸出于第一连接块的对接面，第二连接块在对应的位置设有适配的插槽；第一连接块和第二连接块通过磁力吸附时，第一连接块的插板卡在第二连接块的插槽中，且两插板的内侧设有迎向所述凸起结构的倒角斜面。

优选的，所述驱动装置设为伺服电机，所述直线滑轨装置采用丝杠电动滑轨装置，伺服电机安装在底盘车架的中部，位于两丝杠电动滑轨装置之间；两电磁离合器分别安装在两丝杠电动滑轨装置靠近底盘中心位置的动力输入端，伺服电机的输出轴通过传动机构与两电磁离合器的输入轴连接，即通过两电磁离合器将动力分别传递给前、后两丝杠电动滑轨装置。

进一步的，所述直线滑轨装置的旁侧设有光栅尺，用于测量滑块在轨道上的行程，与控制系统连接，控制系统通过控制滑块的行程实现对轮距的精确控制。

进一步的，所述轮式农业机器人设有导航系统，控制系统根据导航系统反馈的信号，控制轮距调节执行机构动作；

所述导航系统包括地形检测传感器、卫星定位接收机和惯性传感器，控制系统根据地形检测传感器探测的地形信息，卫星定位接收机接收的车体位置信息，以及惯性传感器反馈的车体姿态信息，分析车体前方作物行的位置和行间距，并计算与之适应的轮距调节量，以向轮距调节执行机构输出对应的控制信号。

一种基于所述轮式农业机器人的手动轮距调节方法，应用于被动调节模式D)，在车体非行驶状态下进行，其特征在于，包括以下步骤：

1)操作人员根据车体前方的地形或作物行间距，事先规划各驱动轮腿车轮的轮距调节量，基于所述轮距调节量，通过远程控制终端向机器人控制系统发送调节指令；

2)收到调节指令后，控制系统首先控制与各锁定连接器断开；然后，控制轮距调节执行机构的驱动装置启动，推动直线滑轨装置上的滑块回到初始位置；其次，控制第一、第二电磁离合器同时断开；最后向轮毂电机和转向电机输出对应的控制指令，驱动车轮围绕所述摇臂转轴向前或向后运动，改变车轮与车体纵轴线的垂直距离，当车轮调节到位后，控制轮毂电机停转，并控制摇臂转轴处电动抱闸立即动作，以固定轮距。

一种基于所述轮式农业机器人的自动轮距调节方法，应用于所述主动调节模式A)、B)或C)，其特征在于，包括以下步骤：

1)将三维激光雷达作为地形检测传感器安装在车体前部，农业机器人行驶过程中，利用三维激光雷达对前方的地面和作物进行扫描，并借助卫星定位系统发送的车体地理位置数据和惯性传感器反馈的底盘车架姿态数据，建立基于车体的田间场景三维点云图，并将田间场景三维点云图转换为基于大地坐标系OXYZ的点云图，其中，竖直向上的Z坐标表示三维点的离地高度，X方向表示水平面的纵向，即机器人行驶的方向，Y方向表示水平面上垂直于X方向的横向；

2)根据作物的类型和其所处的生长阶段，设置合适的作物高度阈值，判定田间场景三维点云图中高度坐标大于所述高度阈值的点为作物行簇的点，从而将作物行簇点云其从所述三维点云图中分离，之后计算各作物行簇的中点，中点的纵向连线即为作物行的中心线；

3)获得各作物行的中心线后，根据机器人车体当前的位置，实时计算出车体前方作物的行间距，结合车体左右车轮所处的行间位置或跨越的行数，计算前后两组车轮的理论宽度，即轮距调整的目标宽度；

4)获取轮距实际宽度，计算轮距实际宽度和轮距调整的目标宽度的差值，控制系统基于轮距跟随作物行变化的控制策略，向直线滑轨装置输出对应的控制指令，通过滑块的运动带动摇臂转过一定的横摆角度，调节前部和/或后部车轮到车体纵轴线的距离，使其与车体前方的作物行间距适配。

进一步的，步骤1)中，在所述田间场景三维点云图的基础上，运用RANSAC算法来拟合出一个Hessian平面方程式，通过最小二乘拟合对检测地面进行细化和重构。

有益效果：

本发明轮式农业机器人可根据作物行行间距以及地形的变化，对轮距作出适应性的调整，大幅度减少压苗现象的发生，拓宽了农业机器人执行作业的适用地形范围，提高工作效率，降低作业成本，且本发明具有车轮轮距的同步调节、两轮独立调节和四轮独立调节等的多种调节模式，如果遇到障碍物、狭窄路段等复杂地形，也能保障底盘能顺利通过，结构规划合理，易于操作与维护，适合推广使用。

附图说明

图1为本发明农业机器人一具体实施例的整体结构示意图；

图2为图1农业机器人驱动轮腿的结构示意图；

图3为作物行的示意图；

图4为轮距调节执行机构的结构示意图；

图5为图1实施例农业机器人实现轮距自动调整的拓扑结构图；

图6为轮距自适应调节的控制原理图；

图7为连杆结构的结构示意图；

图8为自锁定连接器的结构示意图一；

图9为自锁定连接器的结构示意图二；

图10为凸块的结构示意图；

图11为凹块的结构示意图；

图12为压力传感器与行程开关的安装示意图；

图13为凸块的五视图；

图14为轮距调节执行机构与驱动轮腿的结构示意图一；

图15为轮距调节执行机构与驱动轮腿的结构示意图二；

图16为轮距调节执行机构与驱动轮腿的局部结构示意图；

图17为轮距调节执行机构、底盘车架和驱动轮腿的结构示意图；

图18为底盘轮距控制原理图。

具体实施方式

为了详细说明本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的介绍。

如图1所示的一种具有自适应轮距调节功能的轮式农业机器人，包括车体3、控制系统、导航系统、轮距调节执行机构和施药系统。所述车体3设有前后左右四只驱动轮腿，每个驱动轮腿的车轮10均由独立的轮毂电机14带动，可以实现四轮差速，且每个车轮10都有独立的转向装置8。所述导航系统、轮距调节执行机构、施药系统、轮毂电机10和转向装置8分别与控制系统连接，由控制系统控制启停。

所述施药系统包括药箱4、喷杆1和输液管路，药箱4安装在车体3上，喷1杆则通过自平衡喷杆悬架2挂接在车体3的尾部。

所述导航系统包括地形检测传感器6、卫星定位接收机4、惯性传感器和车轮里程计等组件。所述地形检测传感器6安装在车体前部，用于探测包含地面和作物在内的地形地貌信息，优选采用三维激光雷达(三维扫描激光传感器)；所述卫星定位接收机4连接卫星定位系统，用于实时提供车体3的行驶位置信息；惯性传感器安装在车体上，用于检测车体或者说车体底盘车架的姿态，包括俯仰角、横滚角等数据；车轮里程计也可以是旋转编码器，用于测量车轮的转角和转速，可以进一步计算出每个车轮行进的距离，机器人在田里行驶需要感知农田场景，生成航向参考轨迹，再由航向参考轨迹解算出四个个车轮轮毂电机的目标转速，控制系统实时控制四个轮毂电机的转速跟踪目标转速，车轮里程计测量车轮的转速作为控制系统的反馈输入，进行实时的闭环控制。

控制系统根据导航系统反馈的数据，分析车体3前方作物行的位置和行间距，计算适应的轮距调节量，以向轮距调节执行机构输出对应的控制信号。

所述车体3的四个驱动轮腿各自通过一摇臂7连接到底盘车架上。每个驱动轮腿均包括车轮10和单独控制该车轮10的转向装置8。所述转向装置8由转向电机和电机安装座组成。所述电机安装座设置在轮腿支架9的上方，轮腿支架9的上部通过竖直设置的支架转轴与电机安装座连接，转向电机启动，可带动轮腿支架9和车轮10发生转向。所述摇臂7的外侧一端与电机安装座固定连接，内侧一端通过第一转动副与底盘车架连接。所述第一转动副的转轴即为摇臂转轴12，竖直安装在底盘车架上，与摇臂12固定连接。摇臂7以摇臂转轴12为中心转动时，可带动驱动轮腿发生横向摆动，改变车轮10到车体纵轴线(纵向中线)的距离。同时，所述摇臂转轴12或底盘车架上安装有检测摇臂转轴12旋转角度的角度传感器11，所述角度传感器11与控制系统连接，用于反馈摇臂的横摆角度，优选采用旋转编码器。

所述轮距调节执行机构包括第一电磁离合器17-1、第二电磁离合器17-2、驱动装置18、齿轮减速箱和前后两个直线滑轨装置。

两段直线滑轨装置沿车体纵轴线铺设安装在底盘车架上，本实施例中，所述驱动装置18采用伺服电机，直线滑轨装置采用丝杠电动滑轨装置。

所述丝杠电动滑轨装置由丝杠15-1、导轨15-2和滑块15-3等组件构成，两导轨15-2分别设置在丝杠15-1的左右两侧，与丝杠平行；滑块15-3安装在两导轨15-2上，与丝杠螺母连接，丝杠在伺服电机驱动下转动时，丝杠螺母带动滑块15-3沿导轨做直线往复运动。

所述伺服电机的控制信号输入端与控制系统连接，由控制系统控制启停。如图4所示，伺服电机安装在底盘车架的中部，位于两丝杠电动滑轨装置之间。两电磁离合器17-1和17-2分别安装在两丝杠电动滑轨装置靠近底盘中心位置的动力输入端。所述齿轮减速箱设有一个动力输入端(主动圆锥齿轮)和两个动力输出端(从动圆锥齿轮)，伺服电机的输出轴与齿轮减速箱动力输入端连接，齿轮减速箱的两个动力输出端分别与两电磁离合器的动力输入端连接，两电磁离合器的动力输出端与对应的丝杠轴连接。考虑到伺服电机输出轴与丝杠方向垂直，齿轮减速箱采用锥齿轮传递动力。两电磁离合器的控制信号输入端与控制系统连接，由控制系统分别控制通断，即第一/第二电磁离合器断开时，伺服电机的动力仅传递给后方/前方丝杠，对后部/前部两驱动轮腿实施单独的两轮调节；两电磁离合器均接通时，则为四轮同步调节。

前、后丝杠电动滑轨装置的旁侧均设有光栅尺，用于测量其各自滑块在轨道上的行程，与控制系统连接，反应车体底盘当下的轮距。

所述车体3前部的左右驱动轮腿各自通过一副连杆结构与前丝杠电动滑轨装置上的滑块连接，车体后部的左右驱动轮腿各自通过一副连杆结构与后丝杠电动滑轨装置上的滑块连接。如图4、图14、图17所示，所述的连杆结构由摇臂延长杆13-1和驱动连杆13-2组成，二者的一端通过第二转动副和自锁定连接器连接，所述摇臂延长杆13-1的另一端与摇臂7固定连接，用于带动摇臂7以摇臂转轴12为中心转动，所述驱动连杆13-2的另一端则与对应的滑块通过第三转动副铰接，将滑块的直线运动转化为带动摇臂延长杆13-1以摇臂转轴12为中心转动的旋转运动。

如图7至图13所示，所述自锁定连接器包括第一连接块13-3、第二连接块13-5和定位销电磁铁13-4等组件。所述第二连接块13-5上安转有锁紧电磁铁13-5-3，锁紧电磁铁13-5-3通电后两连接块通过磁力吸附连接。所述第一连接块13-3固定安装在摇臂延长杆13-2的端部，第二连接块13-5通过所述第二转动副与驱动连杆13-1铰接；所述第二连接块13-5上设有腰形的限位孔13-5-2，定位销电磁铁13-4安装在驱动连杆13-1的端部，所述驱动连杆13-1的端部设有一圈均匀分布的销孔，锁紧电磁铁13-5-3失电时，控制系统控制定位销电磁铁13-4动作，其伸出的销杆穿过驱动连杆13-1的销孔，插入第二连接块13-5的限位孔13-5-2中，可防止第二连接块13-5自由转动。

锁紧电磁铁13-5-3失电后，自锁定连接器断开，驱动连杆13-1和摇臂延长杆13-2即断开了连接，使四个车轮距离车体纵轴线的轮距可独立调节。

所述第二连接块13-5为凸块，如图10所示，与第一连接块的对接面上设有凸起结构，所述凸起结构由上部的半圆柱体和下部的半圆锥体组成，第二转动副的转轴13-5-1安装在第二连接块13-5上。所述第一连接块13-3为凹块，其对接面上设有与所述凸起结构形状适配的凹槽结构，如图11所示，所述第一连接块13-3上还设有两块插板13-3-2，两插板13-3-2位于所述凹槽结构的左右两侧，凸出于第一连接块13-3的对接面，第二连接块13-5在对应的位置设有适配的两个插槽。第一连接块13-3和第二连接块13-5通过磁力吸附时，所述凸起结构嵌入凹槽结构中，插板13-3-2插入所述插槽内。基于所述凹、凸结构和插板、插槽结构，两连接块吸附状态下，在垂直于磁力的方向上也不会轻易错开。两插板13-3-2的内侧拐角设为倒角，利用倒角斜面13-3-3迎向所述凸起结构，使两连接块在对接过程中能够快速精确的定位。

同时，所述凹槽结构内设置有压力传感器19和行程开关20，所述行程开关20用于判断第一、第二连接块是否连接到位，压力传感器19用于判断二者连接的牢靠度。所述压力传感器19和行程开关20的信号输出端与控制系统连接，第一、第二连接块吸附时，所述凸起结构嵌在所述凹槽结构中，可碰触到所述压力传感器19和行程开关20，控制系统接到行程开关20和压力传感器19发送的信号后，控制电磁离合器结合，当压力传感器19反馈的数据超过预设的阈值后，控制系统认为所述连杆结构固定牢靠，可启动伺服电机驱动滑块。

本实施例轮式农业机器人包括以下四种轮距调节模式：

A)四轮轮距同步调节模式：第一、第二电磁离合器和各自锁定连接器均处于结合状态，驱动装置(18)通过两直线滑轨装置同步调整前、后车轮的轮距；

B)前轮轮距独立调节模式：第一电磁离合器、各自锁定连接器处于结合状态，第二电磁离合器断开，驱动装置(18)通过前直线滑轨装置调整前部车轮的轮距；

C)后轮轮距独立调节模式：第二电磁离合器、各自锁定连接器处于结合状态，第一电磁离合器断开，驱动装置(18)通过后直线滑轨装置调整前部车轮的轮距；

D)四轮位置独立调节模式：第一、第二电磁离合器和各自锁定连接器均为断开状态，独立调整四个车轮距离车体纵轴线的距离；

其中，A)、B)、C)为主动调节模式，D)为被动调节模式，且A)、B)、C)、D)四模式可以是闭环的自动控制，也可以开环的手动控制。

作为优选，本实施例农业机器人在行驶过程中可启动自动控制的主动调节模式，其自动轮距调节方法具体包括以下步骤：

1)机器人在田间行驶的过程中，利用三维激光雷达对前方的地面和作物进行扫描，并借助卫星定位系统发送的车体地理位置数据和惯性传感器反馈的底盘车架姿态数据，建立基于大地坐标系OXYZ的田间场景三维点云图，之后运用RANSAC算法来拟合出一个Hessian平面方程式，然后通过最小二乘拟合对检测地面进行细化和重构；

大地坐标系中，竖直向上的Z坐标表示三维点的离地高度，X方向表示水平面的纵向，即机器人行驶的方向，Y方向表示水平面的横向，垂直于X方向；

2)根据作物的类型和其所处的生长阶段，在控制系统中预设合理的作物高度阈值，判定田间场景三维点云图中高度坐标(z坐标)大于所述高度阈值的点为作物行簇的点，从而将作物行簇点云其从所述点云图中分离，计算各个作物行簇的中点，中点的纵向连线即视为作物行的中心线；

3)获得各作物行的中心线后，根据机器人车体当前的行驶位置，实时计算出车体前方各作物行的行间距，结合车体左右车轮所处的行间位置，或者跨越的行数，计算前后两组车轮的理论宽度，即轮距调整的目标宽度；

4)获取轮距实际宽度，计算轮距实际宽度和轮距调整的目标宽度的差值，控制系统基于轮距跟随作物行变化的控制策略(最优控制方法或者比例积分微分控制方法PID)，向直线滑轨装置输出对应的控制指令，通过滑块的运动带动摇臂转过一定的横摆角度，调节车轮到车体纵轴线的距离，使其与车体前方的作物行间距适配。当摇臂的横摆角度调整到位后，控制摇臂转轴处电动抱闸21动作，使摇臂转轴相对底盘车架无法转动，以固定轮距。

在实施所述自动轮距调节方法前，应设定轮距调节阈值，在调节过程中，如果请求调节的目标轮距宽度超过阈值，出于安全原因，机器人将停止运动，并在机器人停止前进以后进行轮距的调节。这样可以最大限度地减小摇臂及其与机器人车体之间的连接应力。

关于被动调节模式D)，本实施例农业机器人优选采用开环的手动轮距调节方法，具体包括以下步骤：

1)操作人员根据车体前方的地形或作物行间距，事先规划待调节驱动轮腿的轮距调节量，基于所述轮距调节量，通过远程控制终端向机器人控制系统发送调节指令；

所述远程控制终端设有用户界面，供操作人员选择调节模式，以及输入轮距调节量指令；

2)发送调节指令后，针对待调节的驱动轮腿，控制系统首先控制与其对应的锁定连接器的锁紧电磁铁失电，使其第一连接块13-3和第二连接块13-5失去磁吸力的制约，将驱动连杆13-1和摇臂延长杆13-2的连接断开，并在锁紧电磁铁13-5-3失电的同时，控制定位销电磁铁13-4动作，使其伸出的销杆插入第二连接块的限位孔中，限制第二连接块的活动自由度，防止应用滑块调节轮距时，两连接块不能及时的准确对接；

然后，控制系统控制伺服电机转动，推动各丝杠电动滑轨装置的滑块移动到初始位置，使其驱动连杆复位到与丝杠平行的状态，避免与其它零件碰触；

其次，控制系统控制第一电磁离合器和第二电磁离合器同时断开，不参于轮距的调整；

最后，控制系统向轮毂电机14和转向电机8输出对应的控制指令，驱动车轮10围绕所述摇臂转轴12运动，车轮10的前进或倒退运动会带动摇臂横摆转动，操作人员可通过控制终端的仪表观察摇臂转过的角度，或通过其它传感设备采集的车轮中心到车体纵轴线的垂直距离，用户界面实时显示4个车轮距离参数的变化，当摇臂的横摆角度调整到位后，轮毂电机14停转，电动抱闸立即锁住摇臂动作，将摇臂转轴固定在特定的角度，实现对该车轮10轮距的独立调节(车体启动后，再利用转向电机8根据接下来的行驶方向控制车轮原地转向)。

被动调节模式D)适用于复杂的路况，田间有水沟、障碍物，或者通过狭长过道时，使机器人能够顺利通过。在实施被动调节模式的过程中，用户控制车轮转动前，可操作控制系统，四个驱动轮腿的独立调节，结合对相应电磁离合器和锁紧电磁铁的通断控制，也可利用伺服电机和丝杠电动滑轨装置实现，但优选采用上述手动轮距调节方法操作，以及在车体停运的状态下操作。

各调节模式中，底盘轮距的控制原理如下：

如图18所示，用于轮距调整的4个摇臂转轴处各自都安装了绝对值编码器，用于测量摇臂相对于车体纵轴线的转角α1、α2、α3、α4。如图所示，左右摇臂转轴中心距W1；前后摇臂转轴中心距L1；轮距调整摇臂的长度为D(摇臂主轴到轮腿支架上部转轴的水平距离)；那么根据旋转编码器实时测得的角度，就可以得出对应的前轮轮距W2和后轮轮距W3，计算公式如下：

W2＝W1+D·sin(α1)+D·sin(α2)

W3＝W1+D·sin(α3)+D·sin(α4)

对应的前轮轮距L2和前轮轮距L3，计算公式入下：

L2＝L1+D·cos(α1)+D·cos(α2)

L3＝L1+D·cos(α3)+D·cos(α4)

在四轮同步控制模式下，摇臂相对于车体纵轴线的转角都相等，即α1＝α2＝α3＝α4，W2＝W3。

在前轮轮距独立调节模式或后轮轮距独立调节模式下，两前轮摇臂相对于车体纵轴线的转角相等，两后轮摇臂相对于车体纵轴线的转角相等，即α1＝α2，α3＝α4。

特殊情况，四轮位置独立调节模式下，摇臂相对于车体纵轴线的转角各不相等。

以主动调节模式为例，农业机器人通过三维激光雷达测得车辆前方的作物、大地等点云数据，通过惯性姿态传感器和卫星定位系统将点云换算到大地坐标系，根据机器人底盘行进的位置坐标进行自适应轮距调节，控制系统根据点云数据提取出与底盘左右车轮最接近两作物行的行间距Wd，再将W2与Wd的差值、W3与Wd的差值作为控制系统的输入。控制系统的输出是伺服电机的转速控制指令和两个电磁离合器的开关命令。轮距调整到位以后摇臂转轴上的电动抱闸21锁定。

本发明农业机器人的控制系统配备了多个专用控制单元，包括电机控制器、导航控制单元和作业机具控制单元等，除电机控制器通过CAN总线连接之外，不同传感器、各功能控制单元均通过以太网连接，并使用TCP/IP进行通信。

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 (9)

1.一种具有自适应轮距调节功能的轮式农业机器人，包括控制系统和设有四只驱动轮腿的车体(3)，其特征在于，还设有轮距调节执行机构；

车体（3）的四个驱动轮腿各自通过对应的摇臂（7）连接到底盘车架上，所述驱动轮腿包括车轮（10）和转向装置（8），每个车轮（10）均由独立的轮毂电机（14）驱动，轮毂电机（14）的驱动电路与控制系统连接；

所述转向装置（8）包括控制车轮（10）转向的转向电机和电机安装座，所述电机安装座通过轮腿支架（9）与下方的车轮（10）连接；摇臂（7）的外侧一端与电机安装座固定连接，内侧一端通过包含摇臂转轴（12）在内的转动副与底盘车架连接，则摇臂（7）可以摇臂转轴（12）为中心，相对车体纵轴线发生横向摆动，改变对应的车轮到车体纵轴线的距离；

所述轮距调节执行机构包括驱动装置（18）、第一电磁离合器（17-1）、第二电磁离合器（17-2）以及前后两个直线滑轨装置，两直线滑轨装置沿车体纵轴线铺设安装在底盘车架上，其滑块均由所述驱动装置（18）通过传动机构带动，所述驱动装置（18）通过第一电磁离合器（17-1）向前直线滑轨装置的滑块传递动力，通过第二电磁离合器（17-2）向后直线滑轨装置的滑块传递动力，所述驱动装置（18）及两电磁离合器的控制信号输入端分别与控制系统连接，由控制系统控制启停和通断；

车体前部的左右驱动轮腿各自通过一副连杆结构与前直线滑轨装置上的滑块连接，车体后部的左右驱动轮腿各自通过一副连杆结构与后直线滑轨装置上的滑块连接；所述连杆结构由驱动连杆（13-1）和摇臂延长杆（13-2）组成，二者的一端通过转动副和自锁定连接器连接，同时，所述摇臂延长杆（13-1）的另一端与摇臂（7）固定连接，用于带动摇臂（7）转动，所述驱动连杆（13-1）的另一端则与对应的滑块通过转动副铰接，将滑块的直线运动转化为带动摇臂延长杆（13-2）以摇臂转轴（12）为中心转动的旋转运动；

所述自锁定连接器由第一连接块（13-3）、第二连接块（13-5）和定位销电磁铁（13-4）组成；其一连接块上安装有锁紧电磁铁（13-5-3），锁紧电磁铁（13-5-3）通电后，两连接块通过磁力吸附紧固连接，自锁定连接器即处于结合状态；所述第一连接块（13-3）固定安装在摇臂延长杆（13-2）的端部，第二连接块（13-5）通过转动副与驱动连杆（13-1）连接；所述第二连接块（13-5）上设有限位孔（13-5-2），定位销电磁铁（13-4）安装在驱动连杆（13-1）上；锁紧电磁铁（13-5-3）失电时，第一、第二连接块失去磁力约束，则自锁定连接器断开，控制系统控制定位销电磁铁（13-4）同时动作，将其伸出的销杆插入第二连接块（13-5）的限位孔（13-5-2）中，以防止第二连接块（13-5）自由转动；

所述轮式农业机器人包括以下四种轮距调节模式：

A）四轮轮距同步调节模式：第一、第二电磁离合器和各自锁定连接器均处于结合状态，驱动装置（18）通过两直线滑轨装置同步调整前、后车轮的轮距；

B）前轮轮距独立调节模式：第一电磁离合器、各自锁定连接器处于结合状态，第二电磁离合器断开，驱动装置（18）通过前直线滑轨装置调整前部车轮的轮距；

C）后轮轮距独立调节模式：第二电磁离合器、各自锁定连接器处于结合状态，第一电磁离合器断开，驱动装置（18）通过后直线滑轨装置调整后部车轮的轮距；

D）四轮位置独立调节模式：第一、第二电磁离合器和各自锁定连接器均为断开状态，四个车轮距离车体纵轴线的距离可独立调整，互不干涉。

其中，A）、B）、C）为主动调节模式，通过控制驱动装置（18）带动摇臂（7）发生横向摆动；D）为被动调节模式，通过单独控制轮毂电机转动，驱动相应的车轮前进或倒退，从而带动摇臂（7）发生横向摆动，改变该车轮到车体纵轴线的距离。

2.根据权利要求1所述一种具有自适应轮距调节功能的轮式农业机器人，其特征在于：

所述第二连接块（13-5）为凸块，与第一连接块（13-3）的对接面上设有凸起结构，第一连接块（13-3）为凹块，其对接面上设有与所述凸起结构形状适配的凹槽结构；所述凹槽结构内设置有压力传感器（19）和行程开关（20），所述压力传感器（19）和行程开关（20）的信号输出端与控制系统连接，第一、第二连接块吸附时，凸起结构嵌在凹槽结构中，可碰触到所述压力传感器（19）和行程开关（20），若压力传感器反馈的信号不小于预设的阈值，控制系统则认为所述连杆结构固定牢靠，从模式A）-C）中选择合适的主动调节模式启动相应滑块。

3.根据权利要求2所述一种具有自适应轮距调节功能的轮式农业机器人，其特征在于：

所述第一连接块（13-3）上设有两块插板（13-3-2），两插板（13-3-2）位于所述凹槽结构的左右两侧，凸出于第一连接块（13-3）的对接面，第二连接块（13-5）在对应的位置设有适配的插槽；

第一连接块（13-3）和第二连接块（13-5）通过磁力吸附时，第一连接块（13-3）的插板（13-3-2）卡在第二连接块（13-5）的插槽中，且两插板（13-3-2）的内侧设有迎向所述凸起结构的倒角斜面（13-3-2）。

4.根据权利要求1所述一种具有自适应轮距调节功能的轮式农业机器人，其特征在于：

所述驱动装置（18）为伺服电机，所述直线滑轨装置采用丝杠电动滑轨装置，伺服电机安装在底盘车架的中部，位于两丝杠电动滑轨装置之间；两电磁离合器分别安装在两丝杠电动滑轨装置靠近底盘中心位置的动力输入端，伺服电机的输出轴通过传动机构与两电磁离合器的输入轴连接，即通过两电磁离合器将动力分别传递给前、后两丝杠电动滑轨装置。

5.根据权利要求1所述一种具有自适应轮距调节功能的轮式农业机器人，其特征在于：所述直线滑轨装置的旁侧设有光栅尺（16），用于测量滑块在轨道上的行程，与控制系统连接，控制系统通过控制滑块的行程实现对轮距的精确控制。

6.根据权利要求1-5中任一项所述一种具有自适应轮距调节功能的轮式农业机器人，其特征在于，设有导航系统，控制系统根据导航系统反馈的信号，控制轮距调节执行机构动作；

所述导航系统包括地形检测传感器(6)、卫星定位接收机(5)和惯性传感器，控制系统根据地形检测传感器探测的地形信息，卫星定位接收机接收的车体位置信息，以及惯性传感器反馈的车体姿态信息，分析车体前方作物行的位置和行间距，并计算与之适应的轮距调节量，以向轮距调节执行机构输出对应的控制信号。

7.一种基于权利要求1-6中任一项所述轮式农业机器人的手动轮距调节方法，应用于被动调节模式D），在车体非行驶状态下进行，其特征在于，包括以下步骤：

1）根据车体前方的地形或作物行间距，事先规划各驱动轮腿车轮的轮距调节量，基于所述轮距调节量，操作人员通过远程控制终端向机器人控制系统发送调节指令；

2）收到调节指令后，控制系统首先控制各锁定连接器断开；然后，控制轮距调节执行机构的驱动装置启动，推动各直线滑轨装置上的滑块回到初始位置；其次，控制第一、第二电磁离合器同时断开，最后向轮毂电机（14）和转向电机输出对应的控制指令，驱动车轮（10）围绕所述摇臂转轴（12）向前或向后运动，改变车轮与车体纵轴线的垂直距离，当车轮调节到位后，控制轮毂电机（14）停转，并控制摇臂转轴处电动抱闸（21）立即动作，固定住摇臂 。

8.一种基于权利要求6所述轮式农业机器人的自动轮距调节方法，应用于所述主动调节模式A）、B）或C），其特征在于，包括以下步骤：

1）将三维激光雷达作为地形检测传感器安装在车体前部，农业机器人行驶过程中，利用三维激光雷达对前方的地面和作物进行扫描，并借助卫星定位系统发送的车体地理位置数据和惯性传感器反馈的底盘车架姿态数据，建立基于车体的田间场景三维点云图，并将田间场景三维点云图转换为基于大地坐标系OXYZ的点云图，其中，竖直向上的Z坐标表示三维点的离地高度，X方向表示水平面的纵向，即机器人行驶的方向，Y方向表示水平面上垂直于X方向的横向；

2）根据作物的类型和其所处的生长阶段，设置合适的作物高度阈值，判定田间场景三维点云图中高度坐标大于所述高度阈值的点为作物行簇的点，从而将作物行簇点云其从所述三维点云图中分离，之后计算各作物行簇的中点，中点的纵向连线即为作物行的中心线；

3）获得各作物行的中心线后，根据机器人车体当前的位置，实时计算出车体前方作物的行间距，结合车体左右车轮所处的行间位置或跨越的行数，计算前后两组车轮的理论宽度，即轮距调整的目标宽度；

4）获取轮距实际宽度，计算轮距实际宽度和轮距调整的目标宽度的差值，控制系统基于轮距跟随作物行变化的控制策略，向直线滑轨装置输出对应的控制指令，通过滑块的运动带动摇臂转过一定的横摆角度，调节前部和/或后部车轮到车体纵轴线的距离，使其与车体前方的作物行间距适配。

9.根据权利要求8所述的自动轮距调节方法，其特征在于，步骤1）中，在所述田间场景三维点云图的基础上，运用RANSAC算法来拟合出一个Hessian平面方程式，通过最小二乘拟合对检测地面进行细化和重构。

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