CN113721452B - 一种机械除草部件地面倾斜立体仿形装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种机械除草部件地面倾斜立体仿形装置及方法，涉及绿色农业领域，包括机架组件、作业深度与倾斜智能感知反馈系统、扇形齿轮传动系统、液压深度调节系统、电机组件以及控制组件，其特征在于，所述作业深度与倾斜智能感知反馈系统包括同步传递除草部件深度变化的深度同步曲柄滑块机构和同步传递除草部件水平倾斜信息的倾斜同步曲柄连杆机构，控制组件包括处理器、第一角度传感器和第二角度传感器，处理器控制液压深度调节系统与电机组件，液压深度调节系统通过液压缸对除草部件进行深度调节；本发明可提高中耕除草部件的杂草除净率以及降低除草作业过程中的伤苗率，避免由于作业工程由于倾斜或下陷引起的伤苗和漏除问题。

Description

一种机械除草部件地面倾斜立体仿形装置及方法
技术领域
本发明涉及绿色农业领域，具体的是一种机械除草部件地面倾斜立体仿形装置及方法。
背景技术
农田杂草是造成农业减产、品质降低的重要原因。目前，除草主要使用化学药剂和人工除草，其中化学除草剂容易造成人体毒害、农产品农药残留量超标、环境污染、生物链破坏等问题；而人工除草劳动强度大、耗时费力、效率低。机械除草可以提高劳动生产率，解决农业劳动力不足问题，有利于改善农业生产、生态环境，替代除草剂的使用和减少除草剂使用的残留，提升农产品的品质和竞争力，促进农业生产向机械高效、绿色生态发展。
但是，目前水田中耕除草机械的应用极少，且由于农田地面不平、松软造成除草机械在田间行走时会发生倾斜及下陷现象；同时在机械除草作业时，由于作业幅宽内的土壤硬度不同，容易造成除草部件的耕深不一致，从而导致除草部件整体倾斜，而机械除草作业要求保持一定的作业深度和除草部件与地面的平行，当产生倾斜或下陷时则无法保证机械除草质量，容易造成伤苗和漏除现象。
发明内容
为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种机械除草部件地面倾斜立体仿形装置及方法，以减小除草机械在田间行走时产生的倾斜或下陷对除草质量的影响，提高机械除草质量。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种机械除草部件地面倾斜立体仿形装置，包括机架组件、作业深度与倾斜智能感知反馈系统、扇形齿轮传动系统、液压深度调节系统、电机组件以及控制组件，所述作业深度与倾斜智能感知反馈系统包括同步传递除草部件深度变化的深度同步曲柄滑块机构和同步传递除草部件水平倾斜信息的倾斜同步曲柄连杆机构，控制组件包括处理器、第一角度传感器和第二角度传感器，处理器控制液压深度调节系统与电机组件，液压深度调节系统通过液压缸对除草部件进行深度调节，电机组件控制扇形齿轮传动系统驱动机架组件对除草部件进行水平倾斜调整。
进一步地，所述深度同步曲柄滑块机构包括拖盘、第一机架、从动销、滑板、第一连杆以及第一角度传感器，拖盘均匀分布固定连接在第一机架下方，从动销焊接在第一机架上，滑板通过两端螺母固定在从动销上，第一连杆通过传动销铰制在滑板上，第一角度传感器的轴承销通过传动销铰制在第一连杆上，且第一角度传感器固定在第一机架上。
进一步地，所述倾斜同步曲柄连杆机构包括拖盘、第一机架、第二连杆、旋转副、第三连杆、第四连杆以及第二角度传感器，第二连杆通过传动销铰制在第一机架上，旋转副固定在第二连杆上，且旋转副通过轴承销安装在第一机架上，第三连杆通过传动销铰制在旋转副上，第四连杆通过传动销铰制在第三连杆上，第二角度传感器的轴承销通过传动销铰制在第四连杆上，且第二角度传感器固定在第一机架上。
进一步地，所述液压深度调节系统包括电动液压缸以及悬挂轴，悬挂轴通过传动销铰制在农业机械行走底盘的三点悬挂架上，电动液压缸的底部固定在三点悬挂架上，且电动液压缸顶端固定在悬梁上，深度同步曲柄滑块机构实时监测并反馈中耕除草部件耕深值到控制单元，控制单元依据耕深阈值及目标深度值判断深度目标控制信号，深度目标控制信号依据曲柄滑块响应模型采用模糊PID控制策略驱动电动液压缸，实现中耕除草部件耕深的稳定闭环控制。
进一步地，所述扇形齿轮传动系统包括第五连杆、非圆扇形齿轮、无刷电机、悬梁以及第二机架，第五连杆铰制在第二机架上，非圆扇形齿轮通过传动销铰制在第五连杆上，无刷电机与非圆扇形齿轮传动，且无刷电机固定在悬梁上，悬梁通过轴承销安装在第二机架上；倾斜同步曲柄连杆机构实时监测与反馈中耕除草部件水平倾斜值到控制单元，控制单元依据倾斜阈值及倾斜值判断倾斜目标控制信号，倾斜目标控制信号依据曲柄连杆及非圆齿轮传动响应模型采用模糊PID控制策略驱动无刷电机，实现中耕除草部件水平倾斜的稳定闭环控制。
一种机械除草部件地面倾斜立体仿形方法，由上述装置执行，包括以下步骤：
S1、通过机械除草部件地面倾斜立体仿形装置对曲柄滑块式作业深度智能感知、反馈及控制系统和曲柄连杆式水平倾斜智能感知、反馈及控制系统采用运动学和动力学分析；
S2、通过数值模拟、实验分析方法分别找出曲柄滑块式作业深度智能感知、反馈及控制系统和曲柄连杆式水平倾斜智能感知、反馈及控制系统在不同激励下的响应模型及模糊PID调控参数；
S3、依据机械除草部件地面倾斜立体仿形装置激励响应模型及模糊PID调控参数设计模糊PID控制算法，实现机械除草部件地面倾斜立体仿形的平衡稳定状态的闭环控制。
进一步地，所述第一角度传感器反馈的角度φ、角度变化速度ω、曲柄长度R、连杆长度L均与深度同步曲柄滑块机构运动分析模型相关，其关系为：
Figure GDA0004058137720000041
Figure GDA0004058137720000042
Figure GDA0004058137720000043
式中，
Figure GDA0004058137720000044
S为作业深度，V为作业深度变化速度，α为作业深度变化加速度。
进一步地，所述第二角度传感器反馈的角度
Figure GDA00040581377200000413
主动副曲柄长度H、连杆长度Q、从动副摇杆P均与水平倾斜同步曲柄连杆机构运动分析模型相关，其关系为：
Figure GDA0004058137720000045
Figure GDA0004058137720000046
Figure GDA0004058137720000047
式中，ψ为除草部件水平倾斜角度，
Figure GDA0004058137720000048
为角速度，
Figure GDA0004058137720000049
为角加速度，
Figure GDA00040581377200000410
K＝1+H2+P2-Q2,
Figure GDA00040581377200000411
Figure GDA00040581377200000412
进一步地，所述第二机架安装长度A、连杆长度B、T以及扇形齿轮旋转角度ξ均与除草部件扇形齿轮传动系统运动分析模型相关，其关系为：
Figure GDA0004058137720000051
T2＝l2+r2-2lr cosξ
式中，Ω、C、A、B、l、r为常数，决定于除草部件扇形齿轮传动系统的安装尺寸及初始状态，θ为水平倾斜角。
本发明的有益效果：
1、本发明可提高中耕除草部件的杂草除净率以及降低除草作业过程中的伤苗率，避免由于作业工程由于倾斜或下陷引起的伤苗和漏除问题；
2、本发明有利于找出除草部件耕深与水平倾斜的闭环控制策略。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明控制流程图；
图2是本发明作业深度与倾斜智能感知反馈系统结构示意图；
图3是本发明耕深智能感知系统结构示意图；
图4是本发明水平倾斜智能感知结构示意图；
图5是本发明体仿形执行机构结构示意图；
图6是本发明耕深智能感知模型原理图；
图7是本发明水平倾斜智能感知模型原理图；
图8是本发明耕深智能感知系统结构示意图；
图9是本发明水平倾斜控制原理图。
图中：1、托盘；2、第一机架；3、从动销；4、滑板；5、第一连杆；6、第一角度传感器；7、第二连杆；8、旋转副；9、第三连杆；10、第四连杆；11、第二角度传感器；12、第五连杆；13、非圆扇形齿轮；14、无刷电机；15、悬梁；16、电动液压缸；17、悬挂轴；18、第二机架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，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组件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。
一种机械除草部件地面倾斜立体仿形装置，如图1-图9所示，本发明通过悬挂轴17可将机械除草部件地面倾斜立体仿形装置安装于农业机械行走底盘(如插秧机、拖拉机、高地隙植保机等)的三点悬挂架上；
拖盘1、第一机架2、从动销3、滑板4、第一连杆5以及第一角度传感器6构成深度同步曲柄滑块机构，拖盘1均匀分布固定连接在第一机架2下方，其高度随作业深度同步变化；从动销3焊接在第一机架2上，滑板4通过两端螺母固定在从动销3上，第一连杆5通过传动销铰制在滑板4上，第一角度传感器6的轴承销通过传动销铰制在第一连杆5上，且第一角度传感器6固定在第一机架2上，深度同步曲柄滑块机构用于实时监测与反馈中耕除草部件耕深值及其变化；
拖盘1、第一机架2、第二连杆7、旋转副8、第三连杆9、第四连杆10以及第二角度传感器11构成倾斜同步曲柄连杆机构，第二连杆7通过传动销铰制在第一机架2上，旋转副8通过铰制方式固定在第二连杆7上，且旋转副8通过轴承销安装在第一机架2上，其角度随作业部件倾斜同步变化，第三连杆9通过传动销铰制在旋转副8上，第四连杆10通过传动销铰制在第三连杆9上，第二角度传感器11的轴承销通过传动销铰制在第四连杆10上，且第二角度传感器11固定在第一机架2上，倾斜同步曲柄连杆机构用于实时监测与反馈中耕除草部件水平倾斜值及其变化；
电动液压缸16、悬挂轴17构成液压深度调节系统，悬挂轴17通过传动销铰制在农业机械行走底盘(如插秧机、拖拉机、高地隙植保机等)的三点悬挂架上，电动液压缸16底部固定在三点悬挂架上，顶端固定在第二机架18上；
深度同步曲柄滑块机构实时监测并反馈中耕除草部件耕深值到控制单元，控制单元依据耕深阈值及目标深度值判断深度目标控制信号，深度目标控制信号依据曲柄滑块响应模型采用模糊PID控制策略驱动电动液压缸16，从而实现中耕除草部件耕深的稳定闭环控制；
第五连杆12、非圆扇形齿轮13、无刷电机14、悬梁15、第二机架18构成扇形齿轮传动系统，第五连杆12铰制在第二机架18上，非圆扇形齿轮13通过传动销铰制在第五连杆12上，无刷电机14通过非圆扇形齿轮啮合与非圆扇形齿轮13传动，且无刷电机14固定在悬梁15上，悬梁15通过轴承销安装在第二机架18上，倾斜同步曲柄连杆机构实时监测与反馈中耕除草部件水平倾斜值到控制单元，控制单元依据倾斜阈值及倾斜值判断倾斜目标控制信号，倾斜目标控制信号依据曲柄连杆及非圆齿轮传动响应模型采用模糊PID控制策略驱动无刷电机14，从而实现中耕除草部件水平倾斜的稳定闭环控制。
对曲柄滑块式作业深度智能感知、反馈及控制系统和曲柄连杆式水平倾斜智能感知、反馈及控制系统采用运动学和动力学分析，通过数值模拟、实验分析方法分别找出曲柄滑块式作业深度智能感知、反馈及控制系统和曲柄连杆式水平倾斜智能感知、反馈及控制系统在不同激励下的响应模型及模糊PID调控参数。
一种机械除草部件地面倾斜立体仿形方法，对曲柄滑块式作业深度智能感知、反馈及控制系统和曲柄连杆式水平倾斜智能感知、反馈及控制系统采用运动学和动力学分析，通过数值模拟、实验分析方法分别找出曲柄滑块式作业深度智能感知、反馈及控制系统和曲柄连杆式水平倾斜智能感知、反馈及控制系统在不同激励下的响应模型及模糊PID调控参数。依据机械除草部件地面倾斜仿形立体装置激励响应模型及模糊PID调控参数设计模糊PID控制算法，实现机械除草部件地面倾斜立体仿形的平衡稳定状态的闭环控制。
第一角度传感器反馈的角度φ、角度变化速度ω、曲柄长度R、连杆长度L均与深度同步曲柄滑块机构运动分析模型相关，其关系为：
Figure GDA0004058137720000081
Figure GDA0004058137720000082
Figure GDA0004058137720000083
式中，
Figure GDA0004058137720000084
S为作业深度，V为作业深度变化速度，α为作业深度变化加速度。
采用深度同步曲柄滑块机构和第一角度传感器6，深度同步曲柄滑块机构同步传递除草部件深度变化，第一角度传感器6检测与反馈除草部件深度信息，控制组件包括处理器和第一角度传感器6，处理器根据第一角度传感器检测与反馈除草部件深度，控制液压深度调节系统，液压深度调节系统通过液压缸对除草部件进行深度调节以保证除草部件始终与地面保持一定的除草深度。
第二角度传感器反馈的角度
Figure GDA0004058137720000091
主动副曲柄长度H、连杆长度Q、从动副摇杆P均与水平倾斜同步曲柄连杆机构运动分析模型相关，其关系为：
Figure GDA0004058137720000092
Figure GDA0004058137720000093
Figure GDA0004058137720000094
式中，ψ为除草部件水平倾斜角度，
Figure GDA0004058137720000095
为角速度，
Figure GDA0004058137720000096
为角加速度，
Figure GDA0004058137720000097
K＝1+H2+P2-Q2,
Figure GDA0004058137720000098
Figure GDA0004058137720000099
采用倾斜同步曲柄连杆机构和第二角度传感器11，倾斜同步曲柄连杆机构同步传递除草部件水平倾斜信息，第二角度传感器11检测与反馈除草部件水平倾斜信息，控制组件包括处理器和第二角度传感器11，处理器根据第二角度传感器11与反馈除草部件水平倾斜信息控制所述电机组件控制扇形齿轮传动系统驱动所述机架组件对除草部件进行水平倾斜调整以保证除草部件始终与地面保持水平。
第二机架安装长度A、连杆长度B、T以及扇形齿轮旋转角度ξ均与除草部件扇形齿轮传动系统运动分析模型相关，其关系为：
Figure GDA0004058137720000101
T2＝l2+r2-2lr cosξ
式中，Ω、C、A、B、l、r为常数，决定于除草部件扇形齿轮传动系统的安装尺寸及初始状态，θ为水平倾斜角。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”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。
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，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种机械除草部件地面倾斜立体仿形装置，包括机架组件、作业深度与倾斜智能感知反馈系统、扇形齿轮传动系统、液压深度调节系统、电机组件以及控制组件，其特征在于，所述作业深度与倾斜智能感知反馈系统包括同步传递除草部件深度变化的深度同步曲柄滑块机构和同步传递除草部件水平倾斜信息的倾斜同步曲柄连杆机构，控制组件包括处理器、第一角度传感器和第二角度传感器，处理器控制液压深度调节系统与电机组件，液压深度调节系统通过液压缸对除草部件进行深度调节，电机组件控制扇形齿轮传动系统驱动机架组件对除草部件进行水平倾斜调整；
所述第一角度传感器反馈的角度φ、角度变化速度ω、曲柄长度R、连杆长度L均与深度同步曲柄滑块机构运动分析模型相关，其关系为：
Figure FDA0004058137710000011
Figure FDA0004058137710000012
Figure FDA0004058137710000013
式中，
Figure FDA0004058137710000014
S为作业深度，V为作业深度变化速度，α为作业深度变化加速度。
2.根据权利要求1所述的一种机械除草部件地面倾斜立体仿形装置，其特征在于，所述深度同步曲柄滑块机构包括拖盘、第一机架、从动销、滑板、第一连杆以及第一角度传感器，拖盘均匀分布固定连接在第一机架下方，从动销焊接在第一机架上，滑板通过两端螺母固定在从动销上，第一连杆通过传动销铰制在滑板上，第一角度传感器的轴承销通过传动销铰制在第一连杆上，且第一角度传感器固定在第一机架上。
3.根据权利要求1所述的一种机械除草部件地面倾斜立体仿形装置，其特征在于，所述倾斜同步曲柄连杆机构包括拖盘、第一机架、第二连杆、旋转副、第三连杆、第四连杆以及第二角度传感器，第二连杆通过传动销铰制在第一机架上，旋转副固定在第二连杆上，且旋转副通过轴承销安装在第一机架上，第三连杆通过传动销铰制在旋转副上，第四连杆通过传动销铰制在第三连杆上，第二角度传感器的轴承销通过传动销铰制在第四连杆上，且第二角度传感器固定在第一机架上。
4.根据权利要求1所述的一种机械除草部件地面倾斜立体仿形装置，其特征在于，所述液压深度调节系统包括电动液压缸以及悬挂轴，悬挂轴通过传动销铰制在农业机械行走底盘的三点悬挂架上，电动液压缸的底部固定在三点悬挂架上，且电动液压缸顶端固定在悬梁上，深度同步曲柄滑块机构实时监测并反馈中耕除草部件耕深值到控制单元，控制单元依据耕深阈值及目标深度值判断深度目标控制信号，深度目标控制信号依据曲柄滑块响应模型采用模糊PID控制策略驱动电动液压缸，实现中耕除草部件耕深的稳定闭环控制。
5.根据权利要求1所述的一种机械除草部件地面倾斜立体仿形装置，其特征在于，所述扇形齿轮传动系统包括第五连杆、非圆扇形齿轮、无刷电机、悬梁以及第二机架，第五连杆铰制在第二机架上，非圆扇形齿轮通过传动销铰制在第五连杆上，无刷电机与非圆扇形齿轮传动，且无刷电机固定在悬梁上，悬梁通过轴承销安装在第二机架上；倾斜同步曲柄连杆机构实时监测与反馈中耕除草部件水平倾斜值到控制单元，控制单元依据倾斜阈值及倾斜值判断倾斜目标控制信号，倾斜目标控制信号依据曲柄连杆及非圆齿轮传动响应模型采用模糊PID控制策略驱动无刷电机，实现中耕除草部件水平倾斜的稳定闭环控制。
6.一种机械除草部件地面倾斜立体仿形方法，由权利要求1-5任一项所述的机械除草部件地面倾斜立体仿形装置执行，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过机械除草部件地面倾斜立体仿形装置对曲柄滑块式作业深度智能感知、反馈及控制系统和曲柄连杆式水平倾斜智能感知、反馈及控制系统采用运动学和动力学分析；
S2、通过数值模拟、实验分析方法分别找出曲柄滑块式作业深度智能感知、反馈及控制系统和曲柄连杆式水平倾斜智能感知、反馈及控制系统在不同激励下的响应模型及模糊PID调控参数；
S3、依据机械除草部件地面倾斜立体仿形装置激励响应模型及模糊PID调控参数设计模糊PID控制算法，实现机械除草部件地面倾斜立体仿形的平衡稳定状态的闭环控制。
7.根据权利要求6所述的一种机械除草部件地面倾斜立体仿形方法，其特征在于，所述第二角度传感器反馈的角度
Figure FDA0004058137710000031
主动副曲柄长度H、连杆长度Q、从动副摇杆P均与水平倾斜同步曲柄连杆机构运动分析模型相关，其关系为：
Figure FDA0004058137710000032
Figure FDA0004058137710000033
Figure FDA0004058137710000034
式中，ψ为除草部件水平倾斜角度，
Figure FDA0004058137710000041
为角速度，
Figure FDA0004058137710000042
为角加速度，
Figure FDA0004058137710000043
K＝1+H2+P2-Q2,
Figure FDA0004058137710000044
8.根据权利要求5所述的一种机械除草部件地面倾斜立体仿形装置，其特征在于，所述第二机架安装长度A、连杆长度B、T以及扇形齿轮旋转角度ξ均与除草部件扇形齿轮传动系统运动分析模型相关，其关系为：
Figure FDA0004058137710000045
T2＝l2+r2-2lrcosξ
式中，Ω、C、A、B、l、r为常数，决定于除草部件扇形齿轮传动系统的安装尺寸及初始状态，θ为水平倾斜角。
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Application publication date: 20211130

Assignee: Suzhou Tongzhijie Electromechanical Technology Service Co.,Ltd.

Assignor: NANJING Research Institute FOR AGRICULTURAL MECHANIZATION MINISTRY OF AGRICULTURE

Contract record no.: X2023980045021

Denomination of invention: A mechanical weeding component ground tilt three-dimensional copying device and method

Granted publication date: 20230314

License type: Exclusive License

Record date: 20231031