CN114771538A - 农用四轮驱动底盘及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的农用四轮驱动底盘及其控制方法，包括车架组件和四组轮毂总成，每组轮毂总成均包括伺服电机、单摇臂、轮毂电机、轮胎，单摇臂安装在车架组件边角处，轮毂电机偏距安装于单摇臂底部且能够在伺服电机的驱动下跟随单摇臂做无级旋转；车架组件上设有控制器，单摇臂上设有转向偏角传感器，轮毂电机、转向偏角传感器与控制器相连；控制器包括信号处理模块，用于接收控制指令，获取转向偏角传感器传输的车轮转向角度信号，获取轮毂电机传输的车轮速度信号，根据控制指令、车轮转向角度信号、车轮速度信号生成控制信号进行角度和速度的控制。本发明能够实现作业行距的调整。

Description

农用四轮驱动底盘及其控制方法

技术领域

本发明涉及农用轮式机械技术领域，具体涉及农用四轮驱动底盘及其控制方法。

背景技术

无人农场是推动现代农业发展的重要举措，无人农场可以实现对农场装备、机械等远程控制或智能装备与机器人的自主作业，完成农场所有生产管理任务，可以大大提高劳动生产效率。无人农场是未来农业发展的大趋势，其本质是实现农业生产的机器换人。

目前农业机械中广泛使用的底盘采用传统机械传动系统配合有人驾驶实现田间行走作业，为实现针对适应无人农场的改进主要集中在使用电控方向盘、电子离合器等方向，难以满足农业机械智能化的要求，同时传统农机通用性较差，往往只能满足单种作业需求，比如田间转运或者植保作业等，农民需购买各种不同功能的农业机械来完成不同的作业，这增大了农民的负担。目前的农用底盘多为轮距和轴距无法调节的固定结构，在植保机械等少部分机具上，为适应田间作物行距差异，达到作业不压苗的目的，采用了伸缩式车桥，通过螺栓限位达到轮距可调的目的，但机具自重1吨以上，轮距调节十分不便。为此开发一款可实现满足多种行距作业需求、具备远程操控和高灵活性的电动农用通用底盘十分必要。

CN 111645777 A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，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，驱动轮腿包括车轮和转向装置，转向装置包括控制车轮转向的转向电机和电机安装座，其轮距调节方法通过如下结构实现：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；转动调节方法通过如下结构实现：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，电机安装座通过轮腿支架与下方的车轮连接。该结构虽然能够实现轮距调节，但在调节过程中需要将车架抬起离地后进行调节。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种农用四轮驱动底盘及其控制方法，能够实现作业行距的调整。

技术方案：本发明所述农用四轮驱动底盘，包括车架组件和四组轮毂总成；所述车架组件为矩形结构，四组轮毂总成分别设置在所述车架组件四角，每组轮毂总成均包括伺服电机、单摇臂、轮毂电机以及套设于轮毂电机上的轮胎，所述单摇臂竖直安装在所述车架组件边角处且与固定在所述车架组件上的伺服电机传动相连，所述轮毂电机偏距安装于所述单摇臂底部且能够在伺服电机的驱动下跟随单摇臂做无级旋转；四组所述轮毂总成分为前轮组和后轮组，所述车架组件上设有控制器，所述单摇臂上设有转向偏角传感器，所述轮毂电机、转向偏角传感器与控制器相连；

所述控制器包括：信号处理模块，用于接收控制指令，获取转向偏角传感器传输的车轮转向角度信号，获取轮毂电机传输的车轮速度信号，根据控制指令、车轮转向角度信号、车轮速度信号生成控制信号；前轮组分配模块，用于接收信号处理模块输出的控制信号，对前轮组进行角度和速度的控制；以及后轮组分配模块，用于接收信号处理模块输出的控制信号，对后轮组进行角度和速度的控制。

进一步完善上述技术方案，所述车架组件长为L、宽为W，L与W不等，所述轮毂电机与单摇臂之间的偏心距为K，所述前轮组、后轮组之间形成的行距有：L+2K，L，L-2K，W+2K，W，W-2K。

进一步地，所述车架组件在边角处呈上下布置有第一轴承支座、第二轴承上支座，第一轴承支座、第二轴承上支座中部对应设有轴孔用于安装所述单摇臂，所述单摇臂上设有第二轴承下支座与所述第二轴承上支座配合形成第二轴承的安装空间，所述第一轴承支座内安装有第一轴承，第一轴承、第二轴承与所述单摇臂的圆周面配合相连并通过第一轴承支座顶部的垫片对配合圆周面进行限位。

进一步地，所述车架组件在第一轴承支座内侧通过电机支架安装有所述伺服电机，所述伺服电机底部输出轴上设有主动齿轮，所述单摇臂顶部套设有从动齿轮，从动齿轮与主动齿轮相啮合。

进一步地，所述单摇臂在从动齿轮上方还装有滑环，所述单摇臂底部设有线缆通孔，所述轮毂电机的线缆通过线缆通孔与滑环连接。

采用上述农用四轮驱动底盘的进行农用四轮底盘的控制方法，

S1：系统初始化，读取四个转向偏角传感器采集的车轮角度信号θ₁、θ₂、θ₃、θ₄；

S2：接收行距模式控制指令的输入，自动进行行距模式调整；

S3：实时读取四个轮毂电机传输的车轮速度信号v₁、v₂、v₃、v₄，以及四个转向偏角传感器采集的车轮转向角度信号θ₁、θ₂、θ₃、θ₄；

S4：接收行驶信号的输入，生成用于控制轮毂电机的车速信号v_signal以及用于控制控制伺服电机的转向信号s_signal，并根据转向信号s_signal确定转向矩阵A,

默认状态及顺时针转向时

逆时针转向时

S5：判断车速信号v_signal是否为零，若车速信号v_signal为零，执行S6，若车速信号v_signal不为零，执行S7；

S6：进行转向信号s_signal的判断，若转向信号s_signal≥60％，进入原地转向模式，否则原地待机；

S7：读取当前时刻四个轮毂电机传输的车轮速度信号v₁、v₂、v₃、v₄中最大车轮速度信号v_max，进行最大车速判断，若最大车速v_max≤10km/h，执行S8，否则进入两轮转向模式；

S8：读取当前时刻四个转向偏角传感器采集的车轮转向角度信号θ₁、θ₂、θ₃、θ₄中最大转向角信号θ_max，进行最大转向角判断，若最大转向角θ_max≥35°，进入四轮转向模式，否则进入两轮转向模式。

进一步地，定义模态参数u＝f(W,L,K)，其中：W--单摇臂短轴距，L--单摇臂长轴距，K--车轮与单摇臂偏心距；

所述S2中根据行距模式控制指令确定模态参数u，并根据读取的四个车轮角度信号θ₁、θ₂、θ₃、θ₄，生成用于控制伺服电机进行轮距调整的初始化信号s_init，调节四个车轮转向角度满足θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝0，完成行距模式调整。

进一步地，所述原地转向模式中，

四轮轮速矩阵

四轮转向角矩阵

其中：k—比例系数，f₃(u，s_signal)—原地转向角关系函数。

进一步地，当最大转速v_max≤10km/h且转向角θ_max<35°，或者v_max>10km/h时执行两轮转向模式，所述两轮转向模式中，

四轮轮速矩阵

四轮转向角矩阵

其中：f₁(u，s_signal)—两轮转向角关系函数。

进一步地，当最大转速v_max≤10km/h且转向角θ_max≥35°时，自动切换至四轮转向模式，所述四轮转向模式中：

四轮轮速矩阵

四轮转向角矩阵

其中：f₂(u，s_signal)—四轮转向角关系函数。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明将轮毂电机偏置安装在单摇臂侧边，通过伺服电机带动单摇臂转动，车轮跟随单摇臂做无级转动，能够实现原地转向以及车轮转动至车架内侧、外侧对行距进行调节；同时车架组件设置成长宽不等的矩形结构，行距以车架组件的长度或宽度形成两种行距，配合两侧车轮均设置在外侧、两侧车轮均设置在内侧，一侧车轮设置在外侧、一侧车轮设置在内侧，共形成6种行距的调整。

为了精确、稳定的控制，将轮毂电机的控制线缆经单摇臂上的线缆通孔连接至单摇臂上的滑环，通过滑环的设置能够实现单摇臂无限制连续旋转时从固定结构到旋转结构电源和数据信号的传输，保证车轮能够跟随单摇臂做无级旋转不会影响信号传输。

本发明提供的行距控制方法，以结构创新为基础，针对农业机械的作业特点，在低速时采用四轮转向、两轮转向模式进行转向控制；在中高速时，采用两轮转向模式控制；原地转向是采用零车速、大角度的转向模式，通过数字化的控制，保证的控制过程精准、稳定。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的单摇臂的结构示意图；

图3是本发明中单摇臂与车架组件的连接示意图；

图4是本发明中行距模式为W-2K时的结构示意图；

图5是本发明中行距模式为W+2K时的结构示意图；

图6是本发明中控制原理示意图；

图7是本发明中控制流程图；

图8是本发明中原地转向模式时车轮的结构示意图；

图9是本发明中原地转向模式的角度标注示意图；

图10是本发明中四轮转向的角度标注示意图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

如图1所示的农用四轮驱动底盘，包含车架组件6和四组轮毂总成1，四组轮毂总成1安装在车架组件6四角。车架组件6为矩形结构，矩形结构的长L和宽W不等；车架组件6上对称设有电池组4。如图2所示，轮毂总成1包含单摇臂1-1、偏距安装于单摇臂1-1底部的轮毂电机1-2以及充气轮胎1-3，单摇臂1-1与轮毂电机1-2的偏心距为K。

车架组件6在四角均设有第一轴承支座、第二轴承上支座，第一轴承支座内安装有第一轴承。单摇臂1-1上设有第二轴承下支座1-1a和线缆通孔1-1b。单摇臂1-1的第二轴承下支座内安装第二轴承后由下至上依次穿过车架组件的第二轴承上支座、第一轴承支座，单摇臂的第二轴承下支座与车架组件的第二轴承上支座配合固定第二轴承，第一轴承顶部通过垫片固定后与单摇臂的圆周面配合。

如图3所示，车架组件6在第一轴承支座内侧通过电机支架安装有伺服电机3，伺服电机3底部输出轴上设有主动齿轮8，单摇臂顶部套设有从动齿轮7，从动齿轮7与主动齿轮8啮合。单摇臂1-1在从动齿轮7上方还装有滑环2，轮毂电机1-2线缆通过单摇臂1-1上的线缆通孔1-1b与滑环2连接。滑环2、伺服电机3线缆与控制器5相连，单摇臂1-1上还装有转向偏角传感器，用于检测轮毂总成转向角度。

每个轮胎均能够在伺服电机的带动下绕单摇臂做原地无级旋转运动，车架提供原地转向模式和6种行距调整模式：L+2K，L，L-2K，W+2K，W，W-2K。如图4所示为W-2K时的行距模式状态，如图5所示为W+2K时的行距模式状态。

四组轮毂总成分为前轮组和后轮组，车架组件上设有控制器，单摇臂上设有转向偏角传感器，轮毂电机、转向偏角传感器与控制器相连。如图6所示，控制器包括：信号处理模块，用于接收控制指令，获取转向偏角传感器传输的车轮转向角度信号，获取轮毂电机传输的车轮速度信号，根据控制指令、车轮转向角度信号、车轮速度信号生成控制信号；前轮组分配模块，用于接收信号处理模块输出的控制信号，对前轮组进行角度和速度的控制；以及后轮组分配模块，用于接收信号处理模块输出的控制信号，对后轮组进行角度和速度的控制。

本发明还提供上述农用四轮驱动底盘的进行农用四轮底盘的控制方法，如图7所示，包括如下步骤：

S1：系统初始化，读取四个转向偏角传感器采集的车轮角度信号θ₁、θ₂、θ₃、θ₄；

S2：定义模态参数u＝f(W,L,K)，其中：W--单摇臂短轴距，L--单摇臂长轴距，K--车轮与单摇臂偏心距；接收行距模式控制指令的输入，根据行距模式控制指令确定模态参数u，并根据读取的四个车轮角度信号θ₁、θ₂、θ₃、θ₄，生成用于控制伺服电机进行轮距调整的初始化信号s_init，完成前后轮组分配，调节四个车轮转向角度满足θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝0，自动进行行距模式调整；

S3：实时读取四个轮毂电机传输的车轮速度信号v₁、v₂、v₃、v₄，以及四个转向偏角传感器采集的车轮转向角度信号θ₁、θ₂、θ₃、θ₄；

S4：接收行驶信号的输入，生成用于控制轮毂电机的车速信号v_signal以及用于控制控制伺服电机的转向信号s_signal，并根据转向信号s_signal确定转向矩阵A,

默认状态及顺时针转向时

逆时针转向时

S5：判断车速信号v_signal是否为零，若车速信号v_signal为零，执行S6，若车速信号v_signal不为零，执行S7；

S6：进行转向信号s_signal的判断，若转向信号s_signal≥60％，进入原地转向模式，否则原地待机；

S7：读取当前时刻四个轮毂电机传输的车轮速度信号v₁、v₂、v₃、v₄中最大车轮速度信号v_max，进行最大车速判断，若最大车速v_max≤10km/h，执行S8，否则进入两轮转向模式；

S8：读取当前时刻四个转向偏角传感器采集的车轮转向角度信号θ₁、θ₂、θ₃、θ₄中最大转向角信号θ_max，进行最大转向角判断，若最大转向角θ_max≥35°，进入四轮转向模式，否则进入两轮转向模式。

实施例1：原地转向模式

以系统工作轮距为W+2K进行作业为例，系统轮距自动调整完成后，进行顺时针原地转向作业，此时系统轴距＝L，轮距＝W+2K，控制指令单元发送转向信号s_signal，当信号处理模块检测到顺时针转向信号s_signal≥60％时，信号处理模块对四组车轮转向控制信号进行逻辑运算与控制，此时左前轮转向角、右后轮转向角控制信号一致，为

右前轮转向角、左后轮转向角控制信号一致，为

4个伺服电机根据控制信号，对四个车轮同时执行转动控制操作至预定角度，如图6、图7所示。随后信号处理模块对四组车轮车速控制信号进行逻辑运算与控制，此时左前轮、左后轮轮速与转向信号s_signal正相关，为v₁＝v₃＝k·s_signal，右前轮、右后轮轮速与转向信号-s_signal正相关，为v₂＝v₄＝-k·s_signal，原地转向速度根据转向角度信号逐步变大。

实施例2：最大行距调整模式：L+2K

启动电源后，系统初始化，系统自动读取四个转向偏角传感器采集的车轮角度信号θ₁、θ₂、θ₃、θ₄；初始化完成后，手动选择L+2K行距模式，此时系统根据行距模态参数u，计算四个车轮现有角度与目标位置角度差值Δθ₁、Δθ₂、Δθ₃、Δθ₄，并依次转动四个车轮至指定角度，完成行距模式调整。

实施例3：两轮转向模式

以系统工作轮距为W+2K进行作业为例，系统轮距自动调整完成后，此时系统轴距＝L，轮距＝W+2K，以20km/h速度进行转场作业，控制指令单元仅发送速度信号v_signal时，此时为直线行走状态，

四轮轮速矩阵

四轮转向角矩阵

行走过程中，控制指令单元同时发送向右转向信号s_signal进行转向控制，此时由于最大车速v_max>10km/h，执行两轮转向动作，

四轮轮速矩阵

四轮转向角矩阵

实施例4：四轮转向模式

以系统工作轮距为W+2K进行作业为例，系统轮距自动调整完成后，此时系统轴距＝L，轮距＝W+2K，以3km/h速度进行人员跟随作业，控制指令单元发送速度信号v_signal和发送向右转向信号s_signal时，首先前轮组执行两轮转向模式，

四轮轮速矩阵

四轮转向角矩阵

当监测到θ_max≥35°时，系统自动切换至四轮转向模式，

四轮轮速矩阵

四轮转向角矩阵

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (10)

1.农用四轮驱动底盘，包括车架组件(6)和四组轮毂总成(1)；其特征在于：所述车架组件(6)为矩形结构，四组轮毂总成(1)分别设置在所述车架组件(6)四角，每组轮毂总成(1)均包括伺服电机、单摇臂(1-1)、轮毂电机(1-2)以及套设于轮毂电机(1-2)上的轮胎(1-3)，所述单摇臂(1-1)竖直安装在所述车架组件(6)边角处且与固定在所述车架组件(6)上的伺服电机传动相连，所述轮毂电机(1-2)偏距安装于所述单摇臂(1-1)底部且能够在伺服电机的驱动下跟随单摇臂(1-1)做无级旋转；

四组所述轮毂总成(1)分为前轮组和后轮组，所述车架组件(6)上设有控制器，所述单摇臂(1-1)上设有转向偏角传感器，所述轮毂电机(1-2)、转向偏角传感器与控制器相连；所述控制器包括：

信号处理模块，用于接收控制指令，获取转向偏角传感器传输的车轮转向角度信号，获取轮毂电机(1-2)传输的车轮速度信号，根据控制指令、车轮转向角度信号、车轮速度信号生成控制信号；

前轮组分配模块，用于接收信号处理模块输出的控制信号，对前轮组进行角度和速度的控制；以及

后轮组分配模块，用于接收信号处理模块输出的控制信号，对后轮组进行角度和速度的控制。

2.根据权利要求1所述的农用四轮驱动底盘，其特征在于：所述车架组件(6)长为L、宽为W，L与W不等，所述轮毂电机(1-2)与单摇臂(1-1)之间的偏心距为K，所述前轮组、后轮组之间形成的行距有：L+2K，L，L-2K，W+2K，W，W-2K。

3.根据权利要求2所述的农用四轮驱动底盘，其特征在于：所述车架组件(6)在边角处呈上下布置有第一轴承支座、第二轴承上支座，第一轴承支座、第二轴承上支座中部对应设有轴孔用于安装所述单摇臂(1-1)，所述单摇臂(1-1)上设有第二轴承下支座(1-1a)，第二轴承下支座(1-1a)与所述第二轴承上支座配合形成第二轴承的安装空间，所述第一轴承支座内安装有第一轴承，第一轴承、第二轴承与所述单摇臂(1-1)的圆周面配合相连并通过第一轴承支座顶部的垫片对配合圆周面进行限位。

4.根据权利要求3所述的农用四轮驱动底盘，其特征在于：所述车架组件(6)在第一轴承支座内侧通过电机支架安装有所述伺服电机，所述伺服电机底部输出轴上设有主动齿轮(8)，所述单摇臂(1-1)顶部套设有从动齿轮(7)，从动齿轮(7)与主动齿轮(8)相啮合。

5.根据权利要求4所述的农用四轮驱动底盘，其特征在于：所述单摇臂(1-1)在从动齿轮(7)上方还装有滑环(2)，所述单摇臂(1-1)底部设有线缆通孔(1-1b)，所述轮毂电机(1-2)的线缆通过线缆通孔(1-1b)与滑环(2)连接。

6.采用权利要求1所述的农用四轮驱动底盘的进行农用四轮底盘的控制方法，其特征在于：

S1：系统初始化，读取四个转向偏角传感器采集的车轮角度信号θ₁、θ₂、θ₃、θ₄；

S2：接收行距模式控制指令的输入，自动进行行距模式调整；

S3：实时读取四个轮毂电机传输的车轮速度信号v₁、v₂、v₃、v₄，以及四个转向偏角传感器采集的车轮转向角度信号θ₁、θ₂、θ₃、θ₄；

S4：接收行驶信号的输入，生成用于控制轮毂电机的车速信号v_signal以及用于控制控制伺服电机的转向信号s_signal，并根据转向信号s_signal确定转向矩阵

默认状态及顺时针转向时

逆时针转向时

S5：判断车速信号v_signal是否为零，若车速信号v_signal为零，执行S6，若车速信号v_signal不为零，执行S7；

S6：进行转向信号s_signal的判断，若转向信号s_signal≥60％，进入原地转向模式，否则原地待机；

S7：读取当前时刻四个轮毂电机传输的车轮速度信号v₁、v₂、v₃、v₄中最大车轮速度信号v_max，进行最大车速判断，若最大车速v_max≤10km/h，执行S8，否则进入两轮转向模式；

S8：读取当前时刻四个转向偏角传感器采集的车轮转向角度信号θ₁、θ₂、θ₃、θ₄中最大转向角信号θ_max，进行最大转向角判断，若最大转向角θ_max≥35°，进入四轮转向模式，否则进入两轮转向模式。

7.根据权利要求6所述的农用四轮驱动底盘的控制方法，其特征在于：

定义模态参数u＝f(W,L,K)，其中：W--单摇臂短轴距，L--单摇臂长轴距，K--车轮与单摇臂偏心距；

所述S2中根据行距模式控制指令确定模态参数u，并根据读取的四个车轮角度信号θ₁、θ₂、θ₃、θ₄，生成用于控制伺服电机进行轮距调整的初始化信号s_init，调节四个车轮转向角度满足θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₄＝0，完成行距模式调整。

8.根据权利要求6所述的农用四轮驱动底盘的控制方法，其特征在于：所述原地转向模式中，

四轮轮速矩阵

四轮转向角矩阵

其中：k-比例系数，f₃(u，s_signal)-原地转向角关系函数。

9.根据权利要求6所述的农用四轮驱动底盘的控制方法，其特征在于：所述两轮转向模式中，

四轮轮速矩阵

四轮转向角矩阵

其中：f₁(u，s_signal)-两轮转向角关系函数。

10.根据权利要求6所述的农用四轮驱动底盘的控制方法，其特征在于：当最大转速v_max≤10km/h且转向角θ_max≥35°时，自动切换至四轮转向模式，所述四轮转向模式中：

四轮轮速矩阵

四轮转向角矩阵

其中：f₂(u，s_signal)-四轮转向角关系函数。

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