CN112937216A - 一种玉米行间作业机器人及其行间行驶控制方法 - Google Patents

一种玉米行间作业机器人及其行间行驶控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种玉米行间作业机器人及其行间行驶控制方法，所述机器人包括：车架；两个螺旋驱动轮，其对称设置在车架的两侧；其中，螺旋驱动轮包括：筒体，其为中空结构，筒体的轴线沿车架的轴向设置，并且筒体可转动的连接在车架上；驱动机构，其设置在筒体内，用于驱动筒体转动；多组叶片，其间隔固定设置在筒体上，相邻两组叶片之间形成导土槽；每组叶片包括多个叶片，多个叶片分别呈螺旋状缠绕设置在筒体的外侧；其中，同一个螺旋驱动轮上的所有叶片的旋向相同，并且两个螺旋驱动轮上的叶片旋向相反；多个刮泥板，其固定设置在车架上，刮泥板与导土槽一一对应设置；喷液装置，其设置在车架上；喷液装置对应车架的两侧分别设置有喷液管。

Description

一种玉米行间作业机器人及其行间行驶控制方法
技术领域
本发明属于玉米行间作业机器技术领域，特别涉及一种玉米行间作业机器人及其行间行驶控制方法。
背景技术
研究表明，玉米生育期内追肥能增大叶面积指数，提高光合作用，更有利于玉米植株中养分向玉米穗中转移，有利于玉米穗中物质积累和储存，提升玉米品质和产量。我国玉米种植地域较广，地形复杂多样，亟需能够适用于多种地形条件的玉米行间追肥作业机械，保证提高玉米产量的同时增加肥料利用率降低土壤污染。随着无人机技术迅猛发展，使用植保无人机为玉米中期追肥施药技术正在逐步推广，但无人机只能在玉米上空飞行，在玉米叶面上方喷洒雾化液，需要玉米根部施肥机械与之配合给予玉米植株全方位追肥。
目前，玉米行间作业追肥机械的研究相对较少，现有的追肥机械多采用轮式结构，湿软、松散地面通行能力差，自动化程度和集成度低，如专利CN111642183A公开的一种玉米行间施肥车和专利CN107926218A公开一种电控精量玉米穴施肥机均采用轮式驱动，存在湿软、泥泞和松散地面行驶困难的问题，难以适应不同作业环境、不同追肥农艺要求，且自动化程度较低，机械工作劳动强度仍然较大，追肥效率也有待提高，迫切需要追肥机械向自动化、智能化及功能多样化方向发展，以提高追肥机械的工作效率，促进玉米追肥机械的广泛应用。
玉米生长期的行间光照和通风性检测、土壤的取样与检测、病虫害检测、玉米植株统计及长势监测与产量预测等田间作业均需要一种地面通行能力强的玉米行间作业智能化机械。
此外，玉米作业机械在玉米行间作业过程中，要沿行间直行，但玉米行间路面并非平整路面，左右驱动轮与地面接触情况不同，造成左右轮的沉陷量和滑移率也不相同，行驶驱动力和阻力不同，在直行时不仅会导致其实际行驶速度与设定行驶出现较大偏差，还会导致行驶方向偏离，无法实现作业机械沿沿行间平稳直行。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种玉米行间作业机器人，其采用螺旋驱动轮作为行走机构，并采用分段螺旋结构，在驱动轮分段处设有导土槽和刮泥板，地面适应能力和通行性较好。
本发明的目的之二是提供一种玉米行间作业机器人的间行驶控制方法，采用动态调节航向的控制方法，通过实时获得机器人行驶航向，对比航向误差，不断调节左右螺旋驱动轮转速和转向，修正行驶方向；能够实现作业机械沿沿行间平稳直行。
本发明提供的技术方案为：
一种玉米行间作业机器人，包括：
车架；
两个螺旋驱动轮，其对称设置在所述车架的两侧；
其中，所述螺旋驱动轮包括：
筒体，其为中空结构，所述筒体的轴线沿所述车架的轴向设置，并且所述筒体可转动的连接在所述车架上；
驱动机构，其设置在所述筒体内，用于驱动所述筒体转动；
多组叶片，其间隔固定设置在所述筒体上，相邻两组叶片之间形成导土槽；每组叶片包括多个叶片，所述多个叶片分别呈螺旋状缠绕设置在所述筒体的外侧；
其中，同一个所述螺旋驱动轮上的所有叶片的旋向相同，并且所述两个螺旋驱动轮上的叶片旋向相反；
多个刮泥板，其固定设置在所述车架上，所述刮泥板与所述导土槽一一对应设置；
喷液装置，其设置在所述车架上；所述喷液装置对应所述车架的两侧分别设置有喷液管。
优选的是，所述刮泥板的一端固定连接在所述车架上；另一端具有刃口，并且靠近所述筒体的外壁设置。
优选的是，所述驱动机构包括：
驱动电机，其一端具有连接轴，所述连接轴延伸至所述筒体外部，并且与所述车架固定连接；所述驱动电机的另一端具有动力输出轴，所述动力输出轴与所述筒体同轴设置；
传动套筒，其同轴套设在所述驱动电机外侧，所述传动套筒的一端与所述动力输出轴固定连接，另一端与所述筒体固定连接。
优选的是，所述的玉米行间作业机器人，还包括：
端盖，其固定设置在所述筒体的一端，并且同轴套设在所述连接轴上；
其中，所述端盖上嵌入式设置有轴承，所述连接轴支撑在所述轴承中。
优选的是，所述筒体的另一端具有锥面封闭端盖；所述锥面封闭端盖上固定连接有支撑轴，所述支撑轴可旋转的支撑在所述车架上。
优选的是，所述车架包括：
承载板，其为矩形板；
两个第一悬臂梁，其对称安装在所述承载板的两侧，并且靠近所述承载板的一端设置；
两个第二悬臂梁，其对称安装在所述承载板的两侧，并且靠近所述承载板的另一端设置；
其中，所述连接轴固定连接在所述第一悬臂梁上，所述支撑轴可旋转的支撑在所述第二悬臂梁上。
优选的是，所述的玉米行间作业机器人，还包括：
控制模块，其设置在所述车架上，所述控制模块包括：控制主板、定位模块、姿态传感器和光敏传感器；
其中，所述定位模块用于获取所述机器人的位置信息；所述姿态传感器用于检测所述机器人的行驶方向；所述光敏传感器用于检测玉米行间的光照和遮荫情况；所述定位模块、所述姿态传感器和所述光敏传感器分别集成在所述控制主板上，并与所述控制主板电联；
双目视觉相机，其设置在所述车架的前端，能够拍摄目标物，并将图片转换为图像信号，传输给控制系统的图像处理软件，用于识别玉米植株；
两个转速传感器，其分别安装在所述两个螺旋驱动轮上，用于检测所述螺旋驱动轮的转速，并将转速信号传输至所述控制模块；
电池组，其固定设置在所述车架上，用于为所述机器人供电。
一种玉米行间作业机器人的行间行驶控制方法，使用所述的玉米行间作业机器人，包括：
在直行作业时，获取当前行驶速度值υ(t)和当前行驶方向角度θ(t)，并且结合目标行驶速度υ、入目标行驶方向角度θ，分别确定两个螺旋驱动轮的目标控制转速ωl和ωr；
其中，在一个直行行间作业完毕后，机器人进行换行作业；
在换行作业时，按照机器人的转向不同将拐点分为第一类拐点和第二类拐点；每次换行形成两个相邻的第一类拐点或两个相邻的第二类拐点；
其中，两个相邻的第一类拐点之间的距离为两倍行距，两个相邻的第二类拐点之间的距离为两倍行距。
优选的是，所述第一类拐点为顺时针转向90度，所述第二类拐点为逆时针转向90度。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供的玉米行间作业机器人，采用螺旋驱动轮，依靠螺旋叶片切割土壤作用而获得推进力，在玉米行间的松软地面通行性好；设有导土槽和刮泥板，有效减小行进阻力，地面适应能力更强。
(2)本发明提供的玉米行间作业机器人，结构简单，行走灵活，不易打滑、不易倾覆、行走及转向灵活，通行能力强，通过机器人姿态的动态调节，使其在玉米行间平稳行驶作业；并且结合智能视觉装置检测玉米生长期的田间信息，为田间管理提供数据支持，实现一机多用。
(3)本发明提供的玉米行间作业机器人的控制方法，能够应对行间不平整地面，不断修正机器人行驶方向，减小航向偏差，提高行间平稳行驶能力，保证作业质量；并且能够规划作业路径，实现自动换行作业。
附图说明
图1为本发明所述的玉米行间作业机器人的总体结构示意图。
图2为本发明所述的车架的结构示意图。
图3为本发明所述的螺旋驱动轮的外部结构示意图。
图4为本发明所述的螺旋驱动轮的内部结构剖面示意图。
图5为本发明所述的传动套筒的结构示意图。
图6为本发明所述的刮泥板与螺旋驱动轮配合示意图。
图7为本发明所述的机器人玉米行间作业路径规划图。
图8为本发明所述的机器人行间行驶控制方法流程图。
图9为本发明所述的螺旋驱动轮与行驶方向控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-6所示，本发明提供了一种玉米行间作业机器人，其主要包括：车架100，两个螺旋驱动轮200、300，刮泥板400及喷液装置500。
如图2所示，车架100包括：承载板110、两个第一悬臂梁121、122，以及两个第二悬臂梁131、132。在本实施例中。车架100为矩形板；两个第一悬臂梁121、122对称安装在承载板110的两侧，并且靠近承载板110的一端设置；两个第二悬臂梁131、132对称安装在承载板110的两侧，并且靠近承载板110的另一端设置。
两个第一悬臂梁121、122的一端分别固定连接在承载板110的底部，另一端分别向相远离承载板110的两侧的方向延伸；第一悬臂梁121、122与承载板110之间具有夹角。两个第二悬臂梁131、132的一端分别固定连接在承载板110的底部，另一端分别向相远离承载板110的两侧的方向延伸；第二悬臂梁131、132与承载板110之间具有夹角。
螺旋驱动轮200和螺旋驱动轮300对称设置在车架100的承载板110两侧。
如图3-5所示，螺旋驱动轮200包括：筒体210，驱动机构220及多组叶片230。筒体210为中空结构圆柱筒，筒体210的轴线沿车架的承载板110的轴向设置。驱动机构220设置在筒体210内，用于驱动筒体210转动。多组叶片230间隔固定设置在筒体210的外壁上，相邻两组叶片230之间形成导土槽240；每组叶片230包括多个叶片，所述多个叶片分别呈螺旋状缠绕设置在所述筒体的外侧；并且螺旋驱动轮200上的所有叶片的旋向相同。作为优选，每组叶片230中的多个叶片等间距缠绕设置。
驱动机构220主要包括：驱动电机221和传动套筒222。驱动电机221为减速电机，驱动电机221的一端具有连接轴221a，连接轴221a延伸至筒体210外部；驱动电机221的另一端具有动力输出轴221b；其中，连接轴221a、动力输出轴221b与筒体210同轴设置。传动套筒222同轴套设在驱动电机221外侧，传动套筒222的一端与动力输出轴221b固定连接，传动套筒222的另一端与延伸至筒体210外侧与筒体210的一端固定连接。在筒体210的一端固定设置有端盖211，端盖211同轴套设在连接轴221a上；其中，端盖211中心处嵌入式设置有轴承211a，连接轴221a可旋转的支撑在轴承211a中。端盖211将筒体210的一端封闭，防止土壤或其他杂物进入筒体210损坏驱动机构220。
其中，传动套筒222与动力输出轴221b的连接方式为：传动套筒222的一端设置有多个连接杆222a，多个连接杆222a从传动套筒222的一端中心处向传动套筒222的外壁成辐射状设置；多个连接杆222a的一端分别连接传动套筒222的外壁，另一端在传动套筒222的一端中心处连接成为一个圆形连接板222b，连接板222b的中心处开设有连接孔，连接板222b的连接孔与动力输出轴221b之间形成键连接。设置连接杆222a结构能够保证力的传递，相对于设置成端盖结构又能够减小驱动机构220的整体重量。
第一悬臂梁121的端部(远离承载板110的一端)设置有连接孔，连接轴221a穿过端盖211后向外延伸，并且通过键连接的方式固定连接在第一悬臂梁121的连接孔中。
作为进一步的优选，在筒体220的另一端具有锥面封闭端盖212；锥面封闭端盖212与筒体220同轴设置，并且在封闭端盖212的顶点处同轴固定连接有支撑轴212a。
第二悬臂梁131的端部(远离承载板110的一端)设置有连接孔，第二悬臂梁131的连接孔中设置有轴承，支撑轴212a可旋转的支撑在第二悬臂梁131的连接孔中。
驱动电机221通过连接轴221a固定在第一悬臂梁121上，驱动电机221的动力输出轴221b转动时带动传动套筒222同步转动；传动套筒222与筒体210相连，带动筒体210转动，实现螺旋驱动轮200的驱动。
将驱动机构设置在螺旋驱动轮内部，并采用传动套筒作为传动机构，能够有效减小传动机构占用空间，并且防止田地中的杂物影响电机转动，进一步提高机器人在田间作业时的通行性；相对于齿轮或链轮的传动机构，能够减少能量的损失；同时将驱动机构设置在螺旋驱动轮内部，能够起到保护驱动机构的作用，防止田地中的杂物对驱动机构造成损伤。
螺旋驱动轮300的结构螺旋驱动轮200的上的叶片旋向相反；除叶片旋向以外，螺旋驱动轮300的结构、安装方式和驱动方式与螺旋驱动轮200的结构、安装方式和驱动方式完全相同。
多个刮泥板400固定设置在车架100的两侧。由于多个刮泥板400在车架100两侧的安装方式相同，下面仅以螺旋驱动轮200一侧为例，作进一步说明。如图6所示，刮泥板400与导土槽240一一对应设置；刮泥板400的上端固定连接在车架100的承载板110上；刮泥板400的下端具有刃口410，并且刃口410靠近螺旋驱动轮200的筒体210的外壁设置，以便于在筒体210转动时，铲掉粘附在筒体210外壁上的泥土。
喷液装置500固定安装在车架的承载板110上；喷液装置500对应车架100的两侧分别设置有喷液管510和520。在本实施例中，两个喷液管510和520分别设置在车架100的末端(以机器人行驶方向为前端)。并且喷液管510和520的位置与螺旋驱动轮200、300不发生干涉。喷液装置500的溶液箱内可盛装肥料或农药溶液，喷液装置500内设置有加压泵，通过所述加液泵将溶液箱内的溶液通过两个喷液管510和520喷射到玉米植株上。
如图1所示，在本实施例中，所述的玉米行间作业机器人，还包括：电池组600、控制模块710、双目视觉相机720和两个转速传感。
其中，电池组600固定设置在车架的承载板110中部位置，用于为所述机器人供电。控制模块710设置在车架的承载板110上，位于承载板110中前部；控制模块710包括：控制主板、定位模块、姿态传感器、光敏传感器和电机驱动器；其中，定位模块、姿态传感器、光敏传感器和电机驱动器分别集成在所述控制主板上；所述定位模块用于获取所述机器人的位置信息；所述姿态传感器用于检测所述机器人的行驶方向；光敏传感器用于检测玉米行间的光照和遮荫情况。控制模块710负责机器人行驶时的导航定位、航向控制、两个螺旋驱动轮200、300的转速控制。双目视觉相机720设置在所述车架的前端，将拍摄的目标物转换为图像信号，传输给控制模块的图像处理软件，用于识别玉米植株。两个转速传感器分别安装在两个螺旋驱动轮200和300上，用于检测两个螺旋驱动轮200和300的转速。
本发明还提供了一种玉米行间作业机器人的行间行驶控制方法，控制机器人的在玉米行间行走的方向和速度，采用定位模块(北斗定位)获取机器人在田间的实时位置；通过姿态传感器获得机器人实时行驶方向，两个转速传感器实时检测两个螺旋驱动轮200、300的转速；根据机器人实际行驶速度和航向不断调整两个螺旋驱动轮200、300的转速和转向使其接近目标行驶速度和方向，保证机器人在行间行驶的平稳性。具体过程如下：
如图7所示，机器人沿玉米行间行驶，同时对两排玉米进行作业，两排玉米作业完毕进行换行间作业，一次换行过程需要机器人进行“旋转90°—直行两个行距—再旋转90°”动作，按旋转方向不同将拐点分为两类，换行完毕沿行间继续直行作业，再进行一次换行动作后完成一个作业周期，如此循环直至作业完成。
如图8所示，控制流程原理如下：
(1)确定作业范围，定位模块(北斗定位)获取机器人位置信息，与玉米田间坐标位置对比，判断是否进行换行间作业。
(2)直行作业，并设定行驶速度值υ；传感器测得当前行驶速度值υ(t)和当前行驶方向角度θ(t)，输入目标行驶速度υ和当前行驶速度υ(t)至PID运算部1，输入目标行驶方向角度θ1和当前实测行驶方向角度θ(t)至PID运算部2，结合计算得到螺旋驱动轮200的目标控制转速ωl和螺旋驱动轮300的目标控制转速ωr。
(3)换行作业，一个行间作业完毕机器人进行换行动作，每次换行有两个拐点，按照机器人的转向不同将拐点分为第一类拐点和第二类拐点，第一类拐点为顺时针转向90度，第二类拐点为逆时针转向90度。两次拐点位之间需要机器人直行两倍行距动作进行行间切换，换行完毕进入直行作业环节。
(4)连续的“直行作业—换行动作—直行作业—换行动作”为一个作业周期，循环此步骤直至作业完成。
机器人直行过程中的姿态调整以及换行动作均需要对左右螺旋驱动轮转速ωl和ωr及转向进行控制，从而调整机器人的行驶方向，控制流程图如图9所示。直行时，姿态传感器检测机器的实时航向，当机器人顺时针(或逆时针)偏离时，控制系统调整电机的转向，使机器人逆时针(或顺时针)旋转，修正航向。当进行换行动作时，如遇到第一类拐点，控制程序控制左/右螺旋驱动轮正转，机器人做顺时针旋转动作；遇到第二类拐点时，控制程序控制左/右螺旋驱动轮反转，机器人做逆时针旋转动作；旋转的角度则有姿态传感器检测。机器人做方向调整动作时，速度均不宜过快，所以，在修正航向和换行动作时，左右螺旋驱动轮转速较直线时要小，需要调节PWM信号的占空比从而进行调速。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种玉米行间作业机器人，其特征在于，包括：
车架；
两个螺旋驱动轮，其对称设置在所述车架的两侧；
其中，所述螺旋驱动轮包括：
筒体，其为中空结构，所述筒体的轴线沿所述车架的轴向设置，并且所述筒体可转动的连接在所述车架上；
驱动机构，其设置在所述筒体内，用于驱动所述筒体转动；
多组叶片，其间隔固定设置在所述筒体上，相邻两组叶片之间形成导土槽；每组叶片包括多个叶片，所述多个叶片分别呈螺旋状缠绕设置在所述筒体的外侧；
其中，同一个所述螺旋驱动轮上的所有叶片的旋向相同，并且所述两个螺旋驱动轮上的叶片旋向相反；
多个刮泥板，其固定设置在所述车架上，所述刮泥板与所述导土槽一一对应设置；
喷液装置，其设置在所述车架上；所述喷液装置对应所述车架的两侧分别设置有喷液管。
2.根据权利要求1所述的玉米行间作业机器人，其特征在于，所述刮泥板的一端固定连接在所述车架上；另一端具有刃口，并且靠近所述筒体的外壁设置。
3.根据权利要求2所述的玉米行间作业机器人，其特征在于，所述驱动机构包括：
驱动电机，其一端具有连接轴，所述连接轴延伸至所述筒体外部，并且与所述车架固定连接；所述驱动电机的另一端具有动力输出轴，所述动力输出轴与所述筒体同轴设置；
传动套筒，其同轴套设在所述驱动电机外侧，所述传动套筒的一端与所述动力输出轴固定连接，另一端与所述筒体固定连接。
4.根据权利要求3所述的玉米行间作业机器人，其特征在于，还包括：
端盖，其固定设置在所述筒体的一端，并且同轴套设在所述连接轴上；
其中，所述端盖上嵌入式设置有轴承，所述连接轴支撑在所述轴承中。
5.根据权利要求3或4所述的玉米行间作业机器人，其特征在于，所述筒体的另一端具有锥面封闭端盖；所述锥面封闭端盖上固定连接有支撑轴，所述支撑轴可旋转的支撑在所述车架上。
6.根据权利要求5所述的玉米行间作业机器人，其特征在于，所述车架包括：
承载板，其为矩形板；
两个第一悬臂梁，其对称安装在所述承载板的两侧，并且靠近所述承载板的一端设置；
两个第二悬臂梁，其对称安装在所述承载板的两侧，并且靠近所述承载板的另一端设置；
其中，所述连接轴固定连接在所述第一悬臂梁上，所述支撑轴可旋转的支撑在所述第二悬臂梁上。
7.根据权利要求6所述的玉米行间作业机器人，其特征在于，还包括：
控制模块，其设置在所述车架上，所述控制模块包括：控制主板、定位模块、姿态传感器和光敏传感器；
其中，所述定位模块用于获取所述机器人的位置信息；所述姿态传感器用于检测所述机器人的行驶方向；所述光敏传感器用于检测玉米行间的光照和遮荫情况；所述定位模块、所述姿态传感器和所述光敏传感器分别集成在所述控制主板上，并与所述控制主板电联；
双目视觉相机，其设置在所述车架的前端，能够拍摄目标物，并将图片转换为图像信号，传输给控制系统的图像处理软件，用于识别玉米植株；
两个转速传感器，其分别安装在所述两个螺旋驱动轮上，用于检测所述螺旋驱动轮的转速，并将转速信号传输至所述控制模块；
电池组，其固定设置在所述车架上，用于为所述机器人供电。
8.一种玉米行间作业机器人的行间行驶控制方法，其特征在于，使用如权利要求1-7所述的玉米行间作业机器人，包括：
在直行作业时，获取当前行驶速度值υ(t)和当前行驶方向角度θ(t)，并且结合目标行驶速度υ、入目标行驶方向角度θ，分别确定两个螺旋驱动轮的目标控制转速ωl和ωr；
其中，在一个直行行间作业完毕后，机器人进行换行作业；
在换行作业时，按照机器人的转向不同将拐点分为第一类拐点和第二类拐点；每次换行形成两个相邻的第一类拐点或两个相邻的第二类拐点；
其中，两个相邻的第一类拐点之间的距离为两倍行距，两个相邻的第二类拐点之间的距离为两倍行距。
9.根据权利要求8所述的玉米行间作业机器人的行间行驶控制方法，其特征在于，所述第一类拐点为顺时针转向90度，所述第二类拐点为逆时针转向90度。
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