CN113878593A - 地隙和轮距可调的农田信息采集机器人及信息采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种地隙和轮距可调的农田信息采集机器人及信息采集方法，农田信息采集机器人由控制箱体组、载物平台、土壤信息采集机构、轮距调节机构、地隙调节机构、独立驱动转向机构组成。土壤信息采集机构通过水平直线模组和竖直直线模组相互配合，带动土壤电化学传感器做水平运动、竖直运动，采集土壤各项信息。轮距调节机构由伺服电机驱动滚珠丝杆，从而带动四根连杆运动，改变调节支撑板间距，实现轮距宽度调节。地隙调节机构包括内外剪叉和动力单元，动力单元带动外剪叉底端做直线运动，从而改变内外剪叉夹角，实现地隙高度调节；四轮独立驱动转向使得机器人可实现全方向自主灵活运动；本发明使用灵活方便，满足了现代化农业生产需求。

Description

地隙和轮距可调的农田信息采集机器人及信息采集方法

技术领域

本发明属于农业机器人技术领域，尤其涉及一种地隙和轮距可调的农田信息采集机器人及信息采集方法。

背景技术

随着农业技术的快速发展，我国的农业生产能力得到了快速提升，尽管如此，农业生产过程中仍旧存在着病虫害、机械作业损失、养分比例失衡、土壤水分不足或过量等问题，受到这些生产环境不利因素的综合影响，农业现代化生产的实际收益被严重制约。因此在农业生产过程中，必须要实时获取农田的各项信息，以此做出调控来保证作物具有良好的生长环境。

目前常用的农田信息采集方式多为人工采集，由工作人员到现场去进行农田土样采集，而后借助专业设备对带回的土样进行分析，采用这种方式虽然能够在一定程度上满足农田信息采集和检测作业需要，但是工作效率较低，劳动强度大，人工成本高，不能有效保证检测精确度和实时性，而且无法实现长期连续地对农田进行全面检测，难以满足现代化农业生产需求。因此，亟需设计一种更加符合现代化农业生产需求的农田信息采集装置，以满足实际使用需要。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种地隙和轮距可调的农田信息采集机器人及信息采集方法，在保证高效进行田间信息采集作业的同时，还能实现工作平台地隙可调和轮距可调，使其针对不同田地、不同作物、不同作物行距均具有普遍适用性，更加灵活方便。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种地隙和轮距可调的农田信息采集机器人，包括载物平台，载物平台上方安装控制箱体组，后端安装土壤信息采集机构，底部安装轮距调节机构、地隙调节机构以及独立驱动转向机构；

控制箱体组包括安装在载物平台上表面的载物台外罩，载物台外罩中安装有GNSS定位模块、蓄电池、控制系统，土壤信息采集机构、轮距调节机构、地隙调节机构以及独立驱动转向机构均与控制系统信号连接；控制系统以STM32单片机和北斗差分导航系统作为核心，并且搭配触摸屏作为上位机用作采集信息可视化显示；

蓄电池为农田信息采集机器人整体供电，GNSS定位模块与控制系统信号连接，传递农田信息采集机器人的位置和方向信息，GNSS定位模块的两支导航信号接收天线均安装在天线支架顶部，天线支架底部穿过载物台外罩并固定于载物平台上；

控制箱体组还包括底部穿过载物台外罩并固定于载物平台上的高光谱成像仪支架，高光谱成像仪支架顶部安装有高光谱成像仪；高光谱成像仪与控制系统信号连接。

进一步地，所述土壤信息采集机构包括机构连接板，机构连接板前部固定于载物平台上表面，且安装有水平直线模组，水平直线模组动力输入轴连接伺服电机A；机构连接板后部伸出至载物平台外，且安装有直流无刷电机，直流无刷电机输出轴端与清洁毛刷连接；

水平直线模组的直线滑块与竖直直线模组底部连接，竖直直线模组顶部动力输入轴连接伺服电机B；竖直直线模组的直线滑块通过L型固定板与电动推杆连接，电动推杆顶端安装有土壤电化学传感器；土壤电化学传感器、伺服电机A、伺服电机B、直流无刷电机、电动推杆均与控制系统信号连接。

进一步地，所述伺服电机A轴向与直流无刷电机轴向平行，竖直直线模组整体与水平直线模组垂直，竖直直线模组行程方向与电动推杆行程方向平行；竖直直线模组的下限位开关与直流无刷电机轴线的垂直距离为m，电动推杆处于零行程位置时竖直直线模组的下限位开关与土壤电化学传感器末端的垂直距离为n，且m＞n。

进一步地，所述轮距调节机构包括固定在载物平台前部的伺服电机C，伺服电机C与控制系统信号连接，伺服电机C输出轴与左旋滚珠丝杆连接，左旋滚珠丝杆另一端连接右旋滚珠丝杆，右旋滚珠丝杆另一端插入丝杆支撑端A的深沟球轴承A中固定；左旋滚珠丝杆、右旋滚珠丝杆上分别安装有左旋丝杆螺母、右旋丝杆螺母；

轮距调节机构还包括结构完全相同且对称设置在伺服电机C输出轴方向两侧载物平台下表面的第一宽度调节组和第二宽度调节组；第一宽度调节组包括调节支撑板和四条直线导轨，四条直线导轨两两一组对称安装于载物平台下表面，每条直线导轨上均设置有两个滑块，调节支撑板两端均与直线导轨上的滑块连接；

调节支撑板中部一侧固定有两个连接块，两个连接块分别与连杆A、连杆B的一端铰接，连杆A、连杆B的另一端分别与左旋丝杆螺母、右旋丝杆螺母铰接。

进一步地，所述四条直线导轨上滑块的移动方向均与伺服电机C的输出轴方向垂直，伺服电机C的输出轴方向处在连杆A和连杆B运动时所形成的平面上。

进一步地，所述地隙调节机构有两组，结构完全相同，且分别安装在轮距调节机构的两个调节支撑板上；地隙调节机构包括下支撑板、与调节支撑板连接的上支撑板，上支撑板前部下表面通过铰链连接座与外剪叉上端铰接，后部下表面安装有上直线导轨，上直线导轨上滑动安装有上直线导轨滑块，上直线导轨滑块与内剪叉支撑块连接，内剪叉支撑块与内剪叉上端铰接，内剪叉中部与外剪叉中部铰接；下支撑板前部上表面通过铰链连接座与内剪叉下端铰接；

地隙调节机构还包括高度调节动力单元，高度调节动力单元包括安装在下支撑板上表面的伺服电机D，伺服电机D与控制系统信号连接；伺服电机D输出轴与滚珠丝杆一端连接，滚珠丝杆另一端插入丝杆支撑端B的深沟球轴承B中固定；滚珠丝杆上安装有丝杆螺母座，丝杆螺母座与下直线导轨滑块连接，下直线导轨滑块两端固定有外剪叉支撑块；下直线导轨滑块滑动安装在下直线导轨上，下直线导轨固定在下支撑板上，外剪叉支撑块与外剪叉下端连接。

进一步地，所述独立驱动转向机构有四组，结构完全相同，且分别安装在地隙调节机构前后两端；独立驱动转向机构包括安装在伺服电机安装板上的伺服电机E，伺服电机E与控制系统信号连接；伺服电机安装板与下支撑板之间通过支撑杆固定；伺服电机E输出轴穿过伺服电机安装板上的轴孔后与转向轴连接，转向轴位于地隙调节机构中的下支撑板下方，转向轴底部与转向轮支撑架连接；转向轮支撑架下端安装有驱动轮，驱动轮由驱动电机驱动，驱动电机与控制系统信号连接；转向轴外表面安装有转向轴组件，且转向轴组件与转向轴同轴装配。

进一步地，所述转向轴组件包括转向轴套，转向轴套顶部安装有端盖，内部安装有止推环、深沟球轴承C、止推轴套、双向推力轴承；

转向轴上部套设有深沟球轴承C，并且通过紧固螺母A和止推环轴向固定；转向轴下部套设有双向推力轴承，并且通过止推轴套和紧固螺母B轴向固定；转向轴套与转向轮支撑架上表面之间留有间隙。

进一步地，所述农田信息采集机器人上还安装有运动状态传感器以及车载传感器，并且通过CANopen总线形式接入到控制系统中；车载传感器包括环境光照强度检测模块、温湿度检测模块、作物叶绿素含量检测模块；运动状态传感器包括红外测距传感器、编码器。

利用上述地隙和轮距可调的农田信息采集机器人进行农田信息采集的方法，包括如下过程：

对待检测的农田进行测量，确定农田信息采集机器人的行走路径、轮距以及地隙数据，并输入到控制系统中；控制系统控制伺服电机B工作，伺服电机B通过竖直直线模组带动相应的直线滑块做竖直运动，使得固定在该直线滑块上的L型固定板带动电动推杆做竖直运动，同时电动推杆顶端输出轴做伸缩运动，带动土壤电化学传感器做竖直运动，对农田土壤的电导率、pH值、含水率、氮磷钾含量进行采集；

在此过程中，上位机接收高光谱成像仪和土壤电化学传感器所采集到的实时信息，经过运算处理后进行可视化展示；控制系统接收GNSS定位模块所确定的农田信息采集机器人实时位置和方向信息、红外测距传感器检测信息、编码器检测信息以及车载传感器检测的数据，综合所有电机反馈回来的各项动力状态信息后，通过CANopen总线通讯协议向各个电机下发控制指令，驱动整个农田信息采集机器人协调运动，按照预定的路径规划与作业动作位姿来工作；

当需要调整轮距时，控制系统控制伺服电机C工作，伺服电机C带动左旋滚珠丝杆和右旋滚珠丝杆转动，从而带动左旋丝杆螺母和右旋丝杆螺母相向运动，则连杆A、连杆B被带动实现夹角变化，进而通过连接块拉动两块调节支撑板沿着直线导轨运动，实现驱动轮轮距调节；

当需要进行地隙调节时，控制系统控制伺服电机D工作，伺服电机D带动滚珠丝杆转动，与滚珠丝杆配合的丝杆螺母座带动外剪叉实现沿下直线导轨做直线往返运动，使得内剪叉与外剪叉之间夹角发生变化，从而带动上支撑板沿竖直方向运动，实现上支撑板的高度调节，即地隙调节。

本发明具有如下有益效果：

相较于传统的采集方式，本发明提供了地隙和轮距可调的农田信息采集机器人，更加适用于现代化农业生产需求；利用本发明能够实现对农田各项信息的自动化采集，采集效率高，实时性好，不仅显著提高了农业生产的精细化程度，实现生产资源的高效率、高精度利用，促进农业生产由粗放型向精细型的快速转变，而且还能够较好地为农业生产决策提供科学依据，提高农作物产量和质量。

附图说明

图1为本发明所述农田信息采集机器人整体结构示意图；

图2为本发明所述轮距调节机构示意图；

图3为本发明所述地隙调节机构示意图；

图4为本发明所述高度调节动力单元结构示意图；

图5为本发明所述独立驱动转向机构示意图；

图6为本发明所述转向轴组件结构示意图；

图7为本发明所述农田信息采集机器人控制系统控制示意图。

图中：100-载物台外罩；101-高光谱成像仪；102-高光谱成像仪支架；103-导航信号接收天线；104-天线支架；2-载物平台；300-水平直线模组；301-伺服电机A；302-直流无刷电机；303-清洁毛刷；304-竖直直线模组；305-伺服电机B；306-L型固定板；307-电动推杆；308-土壤电化学传感；4-轮距调节机构；400-伺服电机C；401-左旋滚珠丝杆；402-中间联轴器；403-右旋滚珠丝杆；404-丝杆支撑端A；405-左旋丝杆螺母；406-右旋丝杆螺母；407-直线导轨A；408-直线导轨B；409-直线导轨C；410-直线导轨D；411-调节支撑板；412-连接块；413-连杆A；414-连杆B；5-地隙调节机构；500-上支撑板；501-外剪叉；502-内剪叉支撑块；503-内剪叉；504-伺服电机D；505-滚珠丝杆；506-丝杆支撑端B；507-丝杆螺母座；508-下直线导轨；509-外剪叉支撑块；510-下支撑板；511-伺服电机安装座；6-独立驱动转向机构；600-伺服电机安装板；601-支撑杆；602-伺服电机E；603-转向轴；604-转向轮支撑架；605-驱动电机定子；606-驱动轮；607-驱动电机转子；608-端盖；609-转向轴套；610-紧固螺母A；611-止推环；612-双向推力轴承；613-止推轴套；614-紧固螺母B；615-深沟球轴承C。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前部”、“前端”、“后部”、“后端”、“上”、“下”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，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。术语“安装”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通。单独的英文字母“A”、“B”、“C”、“D”、“E”的使用以及术语“第一”、“第二”的使用均是为了便于区分各个零部件，不能理解为对本发明的限制。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。

如图1所示，本发明所述的地隙和轮距可调的农田信息采集机器人，包括控制箱体组、载物平台2、土壤信息采集机构、轮距调节机构4、地隙调节机构5、独立驱动转向机构6。控制箱体组安装在载物平台2上方，土壤信息采集机构安装在载物平台2后端，轮距调节机构4、地隙调节机构5、独立驱动转向机构6均安装在载物平台2底部。

控制箱体组包括载物台外罩100、高光谱成像仪101、高光谱成像仪支架102、导航信号接收天线103、天线支架104。载物台外罩100固定安装在载物平台2上表面，载物台外罩100中安装有GNSS定位模块、蓄电池、控制系统；蓄电池规格为48V、120Ah，用于为农田信息采集机器人整体供电；GNSS定位模块与控制系统信号连接，传递农田信息采集机器人的位置信息；控制系统以STM32单片机和北斗差分导航系统作为核心，并且搭配触摸屏作为上位机用作采集信息可视化显示，便于使用者更加清晰直观地了解到农田情况。

如图1所示，载物台外罩100上设置有多个安装孔，GNSS定位模块的两支导航信号接收天线103均可拆卸安装在“H”型天线支架104顶部，天线支架104底部穿过载物台外罩100上的安装孔并固定于载物平台2上；高光谱成像仪支架102底部穿过载物台外罩100上的安装孔并固定于载物平台2上，高光谱成像仪支架102顶部可拆卸安装有高光谱成像仪101。导航信号接收天线103、高光谱成像仪101均位于载物台外罩100外部且处于载物台外罩100上方；高光谱成像仪101与控制系统信号连接，传递采集到的农田高光谱图像数据。

如图1所示，土壤信息采集机构包括机构连接板、伺服电机A301、伺服电机B305、直流无刷电机302、水平直线模组300、清洁毛刷303、竖直直线模组304、L型固定板306、电动推杆307、土壤电化学传感器308。伺服电机A301、伺服电机B305、直流无刷电机302、电动推杆307均与控制系统信号连接。机构连接板分为直线模组安装边与直流无刷电机安装边两部分，直线模组安装边固定于载物平台2上表面，直流无刷电机安装边伸出至载物平台2外。直线模组安装边上安装有水平直线模组300，水平直线模组300动力输入轴的一端为直连型轴孔，且连接有伺服电机A301；直流无刷电机302安装在直流无刷电机安装边上，且直流无刷电机302输出轴端与清洁毛刷303连接；所述伺服电机A301轴向与直流无刷电机302轴向平行。

如图1所示，竖直直线模组304底部与水平直线模组300的直线滑块连接，且竖直直线模组304整体与水平直线模组300垂直；竖直直线模组304顶部动力输入轴的一端为直连型轴孔，且连接有伺服电机B305。L型固定板306短边固定于竖直直线模组304的直线滑块上，L型固定板306长边下表面与电动推杆307底端连接，电动推杆307为折返式结构，电动推杆307顶端安装有土壤电化学传感器308，土壤电化学传感器308与控制系统信号连接。竖直直线模组304行程方向与电动推杆307行程方向平行；竖直直线模组304的下限位开关与直流无刷电机302轴线的垂直距离为m（m为实数），电动推杆307处于零行程位置时竖直直线模组304的下限位开关与土壤电化学传感器308末端的垂直距离为n（n为实数），且m＞n。

进行土壤信息采集时，伺服电机B305通过竖直直线模组304带动相应的直线滑块做竖直运动，使得固定在该直线滑块上的L型固定板306带动电动推杆307做竖直运动，同时电动推杆307顶端输出轴做伸缩运动，带动土壤电化学传感器308做竖直运动，对农田土壤的电导率、pH值、含水率、氮磷钾含量进行采集；另外，伺服电机A301能够通过水平直线模组300带动相应的直线滑块做水平运动，使得固定在该直线滑块上的竖直直线模组304整体进行水平运动，即带动L型固定板306、电动推杆307、土壤电化学传感器308整体进行水平运动。在此过程中，直流无刷电机302带动清洁毛刷303转动，当土壤电化学传感器308运动到与清洁毛刷303接触时，可对土壤电化学传感器308进行清洁。

如图1、2所示，轮距调节机构4安装在载物平台2下表面，包括伺服电机C400、左旋滚珠丝杆401、左旋丝杆螺母405、右旋滚珠丝杆403、右旋丝杆螺母406、丝杆支撑端A404、第一宽度调节组、第二宽度调节组。伺服电机C400固定在载物平台2前部的电机安装舌板上；左旋滚珠丝杆401一端通过联轴器与伺服电机C400输出轴连接，另一端通过中间联轴器402与右旋滚珠丝杆403连接，右旋滚珠丝杆403另一端插入丝杆支撑端A404的深沟球轴承A中固定；左旋丝杆螺母405、右旋丝杆螺母406分别与左旋滚珠丝杆401、右旋滚珠丝杆403螺旋配合。伺服电机C400的输出轴方向与丝杆支撑端A404的深沟球轴承A轴向处于同一直线上，且与载物平台2平面平行。

如图2所示，第一宽度调节组与第二宽度调节组结构完全相同，且对称设置在伺服电机C400输出轴方向两侧的载物平台2下表面；第一宽度调节组包括直线导轨A407、直线导轨B408、直线导轨C409、直线导轨D410、连杆A413、连杆B414、连接块412、调节支撑板411。上述四条直线导轨两两一组直接对称安装于载物平台2下表面，且每条直线导轨上均设置有两个滑块，调节支撑板411两端均为矩形结构，且均设置有导轨滑块安装槽，调节支撑板411中部为长条状结构，调节支撑板411两端与该滑块连接；四条直线导轨上滑块的移动方向均与伺服电机C400的输出轴方向垂直。调节支撑板411中部一侧固定有两个连接块412，连接块412上均开设有铰接孔，两个连接块412分别与连杆A413、连杆B414的的一端铰接，连杆A413、连杆B414的另一端分别与左旋丝杆螺母405、右旋丝杆螺母406铰接；所述伺服电机C400的输出轴方向处在连杆A413和连杆B414运动时所形成的假想面上。

进行轮距调节，即宽度调节时，伺服电机C400带动左旋滚珠丝杆401和右旋滚珠丝杆403转动，从而带动左旋丝杆螺母405和右旋丝杆螺母406相向运动，则连杆A413、连杆B414被带动实现夹角变化，进而通过连接块412拉动调节支撑板411沿着直线导轨运动。在此过程中，第二宽度调节组与第一宽度调节组运动方式完全对称，由于轮距调节机构4与地隙调节机构5和独立驱动转向机构6均固连，从而通过实现两块调节支撑板411之间的距离变化，进一步实现轮距调节。

如图1、3所示，地隙调节机构5有两组，结构完全相同，且分别安装在轮距调节机构4的两个调节支撑板411上；地隙调节机构5包括上支撑板500、上直线导轨、上直线导轨滑块、内剪叉支撑块502、内剪叉503、外剪叉501、高度调节动力单元、下支撑板510。上支撑板500两端分别与调节支撑板411两端固定连接，上支撑板500前部下表面通过铰链连接座与外剪叉501上端铰接；上支撑板500后部下表面设置有导轨安装台，导轨安装台上安装有上直线导轨，上直线导轨上滑动安装有上直线导轨滑块，上直线导轨滑块与内剪叉支撑块502固定连接。内剪叉503上端与内剪叉支撑块502铰接，同时，内剪叉503中部与外剪叉501中部通过各自带有的铰接孔铰接；下支撑板510前部上表面通过铰链连接座与内剪叉503下端铰接。

如图4所示，高度调节动力单元整体设置于下支撑板510上表面，包括伺服电机D504、伺服电机安装座511、滚珠丝杆505、丝杆螺母座507、丝杆支撑端B506、下直线导轨508、下直线导轨滑块、外剪叉支撑块509。伺服电机安装座511为L型结构，其短边与下支撑板510固定，长边安装伺服电机D504；伺服电机D504输出轴通过联轴器与滚珠丝杆505一端连接，滚珠丝杆505另一端插入丝杆支撑端B506的深沟球轴承B中固定；丝杆螺母座507与滚珠丝杆505螺旋配合连接，丝杆螺母座507与下直线导轨滑块固定连接，下直线导轨滑块两端固定有外剪叉支撑块509，且下直线导轨滑块滑动安装在下直线导轨508上，下直线导轨508固定在下支撑板510上。上支撑板500上铰链连接座的铰接孔与内剪叉支撑块502的铰接孔处于同一安装平面，下支撑板510上铰链连接座的铰接孔与外剪叉支撑块509的铰接孔处于同一安装平面；内剪叉503与外剪叉501长度相同。

高度调节时，伺服电机D504带动滚珠丝杆505转动，与滚珠丝杆505配合的丝杆螺母座507带动外剪叉501实现沿下直线导轨508做直线往返运动，使得内剪叉503与外剪叉501之间夹角发生变化，从而带动上支撑板500沿竖直方向运动，实现高度调节。在此过程中，两组地隙调节机构5同步运动，从而保证载物平台2在进行高度调节时不发生倾斜。

如图1、5所示，独立驱动转向机构6有四组，结构完全相同，且分别安装在地隙调节机构5前后两端；独立驱动转向机构6包括伺服电机安装板600、伺服电机E602、转向轴603、转向轴组件、转向轮支撑架604、驱动电机定子605、驱动轮606、驱动电机转子607。地隙调节机构5中的下支撑板510两端均开设有多个安装孔，伺服电机安装板600下表面四个拐角处均螺栓安装有支撑杆601，支撑杆601底部均穿过地隙调节机构5中的下支撑板510两端安装孔，并且通过螺栓固定；伺服电机E602安装在伺服电机安装板600上，伺服电机E602输出轴穿过伺服电机安装板600上的轴孔后，通过联轴器与转向轴603连接，转向轴603位于地隙调节机构5中的下支撑板510下方，转向轴603底部与转向轮支撑架604连接。转向轮支撑架604下端设有轮毂轴安装槽，驱动电机定子605外部设有轮胎安装孔，驱动轮606中心开设有安装孔，驱动轮606嵌套在驱动电机定子605上并且通过螺栓固连到轮胎安装孔；驱动电机转子607两边与轮箍轴固连，并且安装嵌入到转向轮支撑架604下端的轮毂轴安装槽中。

如图1、5、6所示，转向轴组件安装于转向轴603外表面，与转向轴603同轴装配；转向轴组件包括端盖608、转向轴套609、紧固螺母A610、紧固螺母B614、止推环611、深沟球轴承C615、止推轴套613、双向推力轴承612。端盖608安装于转向轴套609顶部，止推环611、深沟球轴承C615、止推轴套613、双向推力轴承612均安装于转向轴套609内部；转向轴套609与转向轮支撑架604上表面具有一定距离，保证转向轴组件与转向轴603能够实现相互转动运动。深沟球轴承C615套在转向轴603上部，由紧固螺母A610和止推环611轴向固定；双向推力轴承612套在转向轴603下部，由止推轴套613和紧固螺母B614轴向固定；转向轴组件中的零部件，除深沟球轴承C615和双向推力轴承612可相互运动外，其余零部件均不可相对运动。进行转向时，伺服电机E602通过转向轴603带动转向轮支撑架604转动，进而带动驱动轮606转向，实现前进方向的改变。

所述伺服电机C400、伺服电机D504、伺服电机E602均与控制系统信号连接，控制系统通过电机驱动器控制相应伺服电机的转动，进而实现对农田信息采集机器人的动作控制。

除了土壤电化学传感器308以外，本发明所述农田信息采集机器人上还安装有各类运动状态传感器以及车载传感器，并且通过CANopen总线形式接入到控制系统中，实现对机器人运动状态以及农田各项信息的全面监测；所述车载传感器包括环境光照强度检测模块、温湿度检测模块、作物叶绿素含量检测模块；所述运动状态传感器包括红外测距传感器、编码器。

实际应用中，首先需要对待检测的农田进行测量，结合测量数据确定农田信息采集机器人的行走路径、轮距以及地隙数据，并输入到控制系统中。本发明所述地隙和轮距可调的农田信息采集机器人进行农田信息采集时，上位机接收高光谱成像仪101和土壤电化学传感器308所采集到的实时信息，经过运算处理后进行可视化展示；控制系统接收GNSS定位模块所确定的农田信息采集机器人实时位置方向信息、红外测距传感器检测信息、编码器检测信息以及车载传感器检测的数据，综合所有伺服电机反馈回来的各项动力状态信息后，通过CANopen总线通讯协议向各个伺服电机下发控制指令，驱动整个农田信息采集机器人协调运动，按照预定的路径规划与作业动作位姿来工作，更好地满足信息采集要求以及信息处理的作业要求。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种地隙和轮距可调的农田信息采集机器人，其特征在于，包括载物平台（2），载物平台（2）上方安装控制箱体组，后端安装土壤信息采集机构，底部安装轮距调节机构（4）、地隙调节机构（5）以及独立驱动转向机构（6）；

控制箱体组包括安装在载物平台（2）上表面的载物台外罩（100），载物台外罩（100）中安装有GNSS定位模块、蓄电池、控制系统，土壤信息采集机构、轮距调节机构（4）、地隙调节机构（5）以及独立驱动转向机构（6）均与控制系统信号连接；控制系统以STM32单片机和北斗差分导航系统作为核心，并且搭配触摸屏作为上位机用作采集信息可视化显示；

蓄电池为农田信息采集机器人整体供电，GNSS定位模块与控制系统信号连接，传递农田信息采集机器人的位置和方向信息，GNSS定位模块的两支导航信号接收天线（103）均安装在天线支架（104）顶部，天线支架（104）底部穿过载物台外罩（100）并固定于载物平台（2）上；

控制箱体组还包括底部穿过载物台外罩（100）并固定于载物平台（2）上的高光谱成像仪支架（102），高光谱成像仪支架（102）顶部安装有高光谱成像仪（101）；高光谱成像仪（101）与控制系统信号连接。

2.根据权利要求1所述的地隙和轮距可调的农田信息采集机器人，其特征在于，所述土壤信息采集机构包括机构连接板，机构连接板前部固定于载物平台（2）上表面，且安装有水平直线模组（300），水平直线模组（300）动力输入轴连接伺服电机A（301）；机构连接板后部伸出至载物平台（2）外，且安装有直流无刷电机（302），直流无刷电机（302）输出轴端与清洁毛刷（303）连接；

水平直线模组（300）的直线滑块与竖直直线模组（304）底部连接，竖直直线模组（304）顶部动力输入轴连接伺服电机B（305）；竖直直线模组（304）的直线滑块通过L型固定板（306）与电动推杆（307）连接，电动推杆（307）顶端安装有土壤电化学传感器（308）；土壤电化学传感器（308）、伺服电机A（301）、伺服电机B（305）、直流无刷电机（302）、电动推杆（307）均与控制系统信号连接。

3.根据权利要求2所述的地隙和轮距可调的农田信息采集机器人，其特征在于，所述伺服电机A（301）轴向与直流无刷电机（302）轴向平行，竖直直线模组（304）整体与水平直线模组（300）垂直，竖直直线模组（304）行程方向与电动推杆（307）行程方向平行；竖直直线模组（304）的下限位开关与直流无刷电机（302）轴线的垂直距离为m，电动推杆（307）处于零行程位置时竖直直线模组（304）的下限位开关与土壤电化学传感器（308）末端的垂直距离为n，且m＞n。

4.根据权利要求1所述的地隙和轮距可调的农田信息采集机器人，其特征在于，所述轮距调节机构（4）包括固定在载物平台（2）前部的伺服电机C（400），伺服电机C（400）与控制系统信号连接，伺服电机C（400）输出轴与左旋滚珠丝杆（401）连接，左旋滚珠丝杆（401）另一端连接右旋滚珠丝杆（403），右旋滚珠丝杆（403）另一端插入丝杆支撑端A（404）的深沟球轴承A中固定；左旋滚珠丝杆（401）、右旋滚珠丝杆（403）上分别安装有左旋丝杆螺母（405）、右旋丝杆螺母（406）；

轮距调节机构（4）还包括结构完全相同且对称设置在伺服电机C（400）输出轴方向两侧载物平台（2）下表面的第一宽度调节组和第二宽度调节组；第一宽度调节组包括调节支撑板（411）和四条直线导轨，四条直线导轨两两一组对称安装于载物平台（2）下表面，每条直线导轨上均设置有两个滑块，调节支撑板（411）两端均与直线导轨上的滑块连接；

调节支撑板（411）中部一侧固定有两个连接块（412），两个连接块（412）分别与连杆A（413）、连杆B（414）的一端铰接，连杆A（413）、连杆B（414）的另一端分别与左旋丝杆螺母（405）、右旋丝杆螺母（406）铰接。

5.根据权利要求4所述的地隙和轮距可调的农田信息采集机器人，其特征在于，所述四条直线导轨上滑块的移动方向均与伺服电机C（400）的输出轴方向垂直，伺服电机C（400）的输出轴方向处在连杆A（413）和连杆B（414）运动时所形成的平面上。

6.根据权利要求4所述的地隙和轮距可调的农田信息采集机器人，其特征在于，所述地隙调节机构（5）有两组，结构完全相同，且分别安装在轮距调节机构（4）的两个调节支撑板（411）上；地隙调节机构（5）包括下支撑板（510）、与调节支撑板（411）连接的上支撑板（500），上支撑板（500）前部下表面通过铰链连接座与外剪叉（501）上端铰接，后部下表面安装有上直线导轨，上直线导轨上滑动安装有上直线导轨滑块，上直线导轨滑块与内剪叉支撑块（502）连接，内剪叉支撑块（502）与内剪叉（503）上端铰接，内剪叉（503）中部与外剪叉（501）中部铰接；下支撑板（510）前部上表面通过铰链连接座与内剪叉（503）下端铰接；

地隙调节机构（5）还包括高度调节动力单元，高度调节动力单元包括安装在下支撑板（510）上表面的伺服电机D（504），伺服电机D（504）与控制系统信号连接；伺服电机D（504）输出轴与滚珠丝杆（505）一端连接，滚珠丝杆（505）另一端插入丝杆支撑端B（506）的深沟球轴承B中固定；滚珠丝杆（505）上安装有丝杆螺母座（507），丝杆螺母座（507）与下直线导轨滑块连接，下直线导轨滑块两端固定有外剪叉支撑块（509）；下直线导轨滑块滑动安装在下直线导轨（508）上，下直线导轨（508）固定在下支撑板（510）上，外剪叉支撑块（509）与外剪叉（501）下端连接。

7.根据权利要求6所述的地隙和轮距可调的农田信息采集机器人，其特征在于，所述独立驱动转向机构（6）有四组，结构完全相同，且分别安装在地隙调节机构（5）前后两端；独立驱动转向机构（6）包括安装在伺服电机安装板（600）上的伺服电机E（602），伺服电机E（602）与控制系统信号连接；伺服电机安装板（600）与下支撑板（510）之间通过支撑杆（601）固定；伺服电机E（602）输出轴穿过伺服电机安装板（600）上的轴孔后与转向轴（603）连接，转向轴（603）位于地隙调节机构（5）中的下支撑板（510）下方，转向轴（603）底部与转向轮支撑架（604）连接；转向轮支撑架（604）下端安装有驱动轮（606），驱动轮（606）由驱动电机驱动，驱动电机与控制系统信号连接；转向轴（603）外表面安装有转向轴组件，且转向轴组件与转向轴（603）同轴装配。

8.根据权利要求7所述的地隙和轮距可调的农田信息采集机器人，其特征在于，所述转向轴组件包括转向轴套（609），转向轴套（609）顶部安装有端盖（608），内部安装有止推环（611）、深沟球轴承C（615）、止推轴套（613）、双向推力轴承（612）；

转向轴（603）上部套设有深沟球轴承C（615），并且通过紧固螺母A（610）和止推环（611）轴向固定；转向轴（603）下部套设有双向推力轴承（612），并且通过止推轴套（613）和紧固螺母B（614）轴向固定；转向轴套（609）与转向轮支撑架（604）上表面之间留有间隙。

9.根据权利要求1所述的地隙和轮距可调的农田信息采集机器人，其特征在于，所述农田信息采集机器人上还安装有运动状态传感器以及车载传感器，并且通过CANopen总线形式接入到控制系统中；车载传感器包括环境光照强度检测模块、温湿度检测模块、作物叶绿素含量检测模块；运动状态传感器包括红外测距传感器、编码器。

10.利用权利要求1至9中任一项所述地隙和轮距可调的农田信息采集机器人进行农田信息采集的方法，其特征在于，包括如下过程：

对待检测的农田进行测量，确定农田信息采集机器人的行走路径、轮距以及地隙数据，并输入到控制系统中；控制系统控制伺服电机B（305）工作，伺服电机B（305）通过竖直直线模组（304）带动相应的直线滑块做竖直运动，使得固定在该直线滑块上的L型固定板（306）带动电动推杆（307）做竖直运动，同时电动推杆（307）顶端输出轴做伸缩运动，带动土壤电化学传感器（308）做竖直运动，对农田土壤的电导率、pH值、含水率、氮磷钾含量进行采集；

在此过程中，上位机接收高光谱成像仪（101）和土壤电化学传感器（308）所采集到的实时信息，经过运算处理后进行可视化展示；控制系统接收GNSS定位模块所确定的农田信息采集机器人实时位置和方向信息、红外测距传感器检测信息、编码器检测信息以及车载传感器检测的数据，综合所有电机反馈回来的各项动力状态信息后，通过CANopen总线通讯协议向各个电机下发控制指令，驱动整个农田信息采集机器人协调运动，按照预定的路径规划与作业动作位姿来工作；

当需要调整轮距时，控制系统控制伺服电机C（400）工作，伺服电机C（400）带动左旋滚珠丝杆（401）和右旋滚珠丝杆（403）转动，从而带动左旋丝杆螺母（405）和右旋丝杆螺母（406）相向运动，则连杆A（413）、连杆B（414）被带动实现夹角变化，进而通过连接块（412）拉动两块调节支撑板（411）沿着直线导轨运动，实现驱动轮（606）轮距调节；

当需要进行地隙调节时，控制系统控制伺服电机D（504）工作，伺服电机D（504）带动滚珠丝杆（505）转动，与滚珠丝杆（505）配合的丝杆螺母座（507）带动外剪叉（501）实现沿下直线导轨（508）做直线往返运动，使得内剪叉（503）与外剪叉（501）之间夹角发生变化，从而带动上支撑板（500）沿竖直方向运动，实现上支撑板（500）的高度调节，即地隙调节。

Images