CN115176562B - 一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人，包括机架，所述机架由空心方钢焊接而成，并与移动底盘固定连接，移动底盘通过转向电机和驱动电机实现播种机器人的自主行走和原地转向；该发明还包括施肥播种单元、横移机构、高度调节机构和控制系统；一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人基于卫星导航信息行走作业，运用角度传感器、惯性导航传感器等多信息融合技术及时检测偏差信息，控制器利用PID控制策略对横移机构和高度调节机构的液压缸进行控制，一方面通过前横移液压缸和后横移液压缸实现播种施肥单元的快速横移，另一方面通过升降液压缸实现对地形起伏的补偿，保证开沟深度的相对稳定。

Description

一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人
技术领域
本发明属于农业机械领域，特别涉及一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人。
背景技术
随着我国对耕地保护重视程度的不断提高，以秸秆还田覆盖地表和免耕播种为主要内容的玉米种植技术成为东北地区主要的种植方式。在秸秆覆盖地表进行免耕播种，具有减少风蚀水蚀、保水保墒、培肥地力的优点。但是秸秆覆盖和不耕整地表会导致播前地表状况更加复杂恶劣，而目前东北地区玉米免耕播种主要采用人工驾驶拖拉机与悬挂式免耕播种机或牵引式免耕播种机配套的方式，拖拉机与播种机之间灵活度大，响应时间长，容易造成播种直线度下降、行距不一致的问题，进而导致播种质量下降。人工驾驶拖拉机挂接播种机进行播种作业，播种质量一定程度上依赖于驾驶员的技术水平，个体差异性较大，而且单一重复性劳动增加了其工作强度，容易导致驾驶员专注度下降。随着GPS、北斗等卫星导航技术在农业生产领域的推广应用，自动导航免耕播种技术一定程度上提高了播种精度，改善了播种质量。但是因为拖拉机和播种机之间挂接灵活度大，导致拖拉机前轮转动的行驶轨迹调节方式响应时间长，播种机仍无法及时消除行驶偏差。此外，拖拉机重复行驶，会增大土壤压实面积，加重免耕地块的土壤板结程度，影响作物的后续生长。
中国发明专利“基于卫星导航的自动化播深调控伸缩式平台”(专利号CN201910145227.8)采用卫星导航技术，以移动式平台搭载播种机具的方式实现无人驾驶播种作业，但在出现行驶偏差时，该装置无法实时消除路径偏差，实现播种作业路径跟踪。
可实现路径跟踪功能的玉米免耕播种机器人可以促进免耕播种智能化发展，提高免耕播种作业的精度，进一步降低从业者的劳动强度。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人，该播种机器人无需拖拉机牵引，可实现自走式播种，减少了对土壤的压实。综合运用导航控制技术、传感器检测技术和机电液控制技术及时检测偏差，控制执行机构消除偏差，实现免耕播种作业时的路径跟踪，提高免耕播种的作业精度和质量。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人，主要包括机架、移动底盘、施肥播种单元、横移机构、高度调节机构和控制系统。
所述玉米免耕播种机器人的行走动力和转向动力由电池提供，电池为驱动电机和转向电机供电，驱动电机转动通过轴承带动车轮转动；所述提升横移系统的提升和横移动力由液压系统提供，液压泵使液压油流经液压阀，分配到各油路，使液压缸伸缩。
机架9由空心方钢焊接而成，包括2个相同的长方体框架，两根上横梁焊接使其成为一个整体框架，并与移动底盘焊接相连。
肥箱6与机架顶端固接，卫星天线5安装于机架顶部前端。
所述移动底盘与机架9底端焊接相连，包括底盘梁架、车轮架、车轮、驱动电机、转向电机。
所述移动底盘为免耕播种机器人提供田间行走和地头转弯功能。该播种机器人车轮为电机驱动，并且为四轮驱动，可以在复杂田间环境下为播种机器人的行走提供更大动力。在转向电机的带动下，该播种机器人在地头可以在不改变播种机当前位置的情况下实现原地转向，并在导航控制器的作用下，沿规划路径实现精准对行。
所述施肥播种单元由施肥开沟单体和播种单体组成，其中是施肥开沟单体包括肥箱6、施肥开沟器18等，播种单体包括种箱7、镇压轮13、排种电机15、防缠辊23、播种开沟器24、仿形机构26等。
所述施肥开沟单体和播种单体通过“N”型横梁16焊接连接组成施肥播种单元，“N”横梁中间较短梁长60mm，使种沟与肥沟保持60mm的间距，实现侧深施肥，有利于种子发芽和幼苗生长。
所述播种单体的排种由排种电机15驱动，排种电机15通过四个螺栓与支撑板20连接固定，排种电机15带动主动链轮25转动，通过链条带动从动链轮转动，进而驱动排种器14工作。
所述高度调节机构包括升降液压缸8、机架9、“日”字型机架12、滑轨滑块17等。
所述升降液压缸8通过连接耳与机架9和“日”字型机架12连接，位于“日”字型机架的四个端点，起到施肥播种单元高度调节的功能。
所述滑轨滑块17互相配合，滑轨以焊接的方式与机架9的竖梁固接，滑块以螺栓固接的方式与“日”字型机架固接。
所述高度调节机构提供了一种施肥播种单元垂直升降功能，根据卫星导航信息，当单行程播种作业即将结束时，升降液压缸8动作，施肥播种单元上移，排肥和排种停止；当播种机器人完成掉头对行即将播种时，升降液压缸动作，施肥播种单元下移，开沟器入土，排肥和排种开始。
所述高度调节机构提供了一种开沟深度调节功能，根据卫星导航和惯性导航融合信息，当地面不平左右轮产生高度差时，惯性导航传感器检测到播种机器人姿态变化，将变化信息传递到控制器，控制器发出控制指令，使升降液压缸8动作，避免因地形起伏造成的开沟深度不一致。
所述开沟深度调节功能以施肥播种单元为单位，即在两行播种机器人中，开沟深度各自调节，更加灵活。
所述横移机构包括“日”字型机架12、前横移液压缸21、后横移液压缸22、施肥播种单元等。
所述横移机构提供一种单体横移路径跟踪功能，玉米免耕播种机器人在卫星导航系统下，沿规划路径行走作业，当因地表起伏不平或碰到根茬而导致前轮转动时，安装于前轮的角度传感器会将角度信息发送给控制器，结合卫星导航轨迹偏移信息，控制器发送控制指令给前横移液压缸21和后横移液压缸22，液压缸执行指令带动施肥播种单元产生横向位移，及时纠正偏差，保证播种的直线度。当播种机器人沿前进方向左偏时，施肥播种单元右移；当播种机器人沿前进方向右偏时，施肥播种单元左移。
所述高度调节机构与横移机构配合以减小施肥播种单元横移过程中受到的土壤阻力，当免耕播种机器人行驶轨迹发生偏移时，控制器发送控制指令给升降液压缸8、前横移液压缸21和后横移液压缸22，升降液压缸8提升施肥播种单元上移一定距离，减小施肥开沟器18和播种开沟器24的入土深度，从而降低前横移液压缸21和后横移液压缸22带动施肥播种单元横移过程中受到的土壤阻力。
所述移动底盘包括车轮1、转向电机2、驱动电机11、车轮架27、底盘梁架28。
所述移动底盘车轮1由驱动电机11提供动力，并且是四轮驱动，可以为田间作业行走提供更大动力；当机器人在地头换行时，根据卫星导航信息和规划好的路径，车轮1在转向电机11的带动下转动角度实现原地转向，减小地头转弯半径，实现快速对行。
所述控制系统包括卫星导航系统5、角度传感器19、惯性导航传感器、控制器等，控制器对卫星导航信息、惯性导航信息和角度传感器信息进行融合处理并发送控制指令，控制系统硬件主要位于控制箱3内。
所述控制系统采用PID控制方法对升降液压缸8、前横移液压缸21和后横移液压缸22进行控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)与传统的拖拉机配套免耕播种机的作业方式不同，该播种机器人基于自动导航技术，将行走功能和播种作业功能集于一体，降低大重量农机重复行走导致的免耕地块土壤压实板结程度。
2)基于卫星导航信息和角度传感器信息，当玉米免耕播种机器人出现轨迹偏差时，控制器发送控制指令给横移液压缸和升降液压缸，升降液压缸提升以减小开沟器入土深度，横移液压缸带动施肥播种单元横向移动，及时消除横向偏差，实现路径跟踪，提高了免耕地表环境下的播种直线精度。
3)基于卫星导航信息和惯性导航传感器信息，当因地表起伏导致左右施肥播种单元开沟器入土深度不一致时，升降液压缸带动施肥播种单元执行升降动作，保证左右两行开沟深度保持一致，单体调节的方式更加灵活快速。
4)玉米免耕播种机器人的行走与转向由电机驱动实现，四轮电机驱动为田间行走作业提供更大动力，四个转向电机可实现原地转向，减小地头转弯半径。
附图说明
图1为本发明的一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人的轴测图；
图2为本发明的一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人的主视图；
图3为本发明的一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人的俯视图；
图4为本发明的一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人的施肥播种单元的立体结构示意图；
图5为本发明的一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人的施肥播种单元的俯视图；
图6为本发明的一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人的底盘原地转向示意图；
图7为本发明的一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人的控制原理图；
图8为常规PID控制器控制原理图。
其中的附图标记为：
1、车轮                 2、转向电机
3、控制箱               4、电池
5、卫星天线             6、肥箱
7、种箱                 8、升降液压缸
9、机架                 10、液压泵电机
11、驱动电机            12、“日”字型机架
13、镇压轮              14、排种器
15、排种电机            16、“N”型横梁
17、滑轨滑块            18、施肥开沟器
19、角度传感器          20、支撑板
21、前横移液压缸        22、后横移液压缸
23、防缠辊              24、播种开沟器
25、主动链轮            26、仿形机构
27、车轮架              28、底盘梁架
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
如图1～图3所示，一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人，包括机架9、移动底盘、施肥播种单元、横移机构、高度调节机构和控制系统。
所述机架9包括2个相同的长方体框架，两根上横梁焊接使其成为一个整体框架，整体由8根650mm、6根1070mm、2根940mm的50mm方形空心型钢焊接而成，在保证强度的前提下使整体结构紧凑。方钢长度由播种单体高度、玉米播种行距等因素确定。
卫星天线5通过螺钉与机架9固定连接，肥箱6通过螺栓与机架9顶端固定连接。
所述电池4为车轮驱动电机和转向电机供电，液压泵电机10为液压泵提供动力使液压油流经液压阀，分配到各油路，使升降液压缸8和横移液压缸21、22伸缩。
如图4～图5所示，所述施肥播种单元由施肥开沟单体和播种单体组成，其中是施肥开沟单体包括肥箱6、施肥开沟器18等，播种单体包括种箱7、镇压轮13、排种电机15、防缠辊23、播种开沟器24、仿形机构26等。
所述“N”型横梁16两端分别与施肥开沟单体和播种单体焊接，进而组成施肥播种单元，“N”型结构使种沟与肥沟保持60mm的间距，实现侧深施肥，有利于种子发芽和幼苗生长。
所述排种电机15通过四个螺栓与支撑板20连接固定，排种电机15带动主动链轮25转动，链条带动从动链轮转动，进而驱动排种器14工作。电机代替地轮驱动，有利于提高播种精度和智能可控性。
所述仿形机构26由两根杆件组成平行四边形，实现播种单体在播种作业过程中的对地仿形，保证播种深度的相对稳定。
所述种箱7采用塑料材质密闭性好，用于向排种器供种。
所述镇压轮13起到为种子覆土镇压种沟的作用，有利于种子发芽生长；防缠辊23能减少因免耕地表秸秆覆盖造成的缠绕堵塞，提高了机具通过性和作业可靠性。
所述高度调节机构包括升降液压缸8、机架9、“日”字型机架12、滑轨滑块17等。
所述“日”字型机架12的四角处焊接四个连接耳，升降液压缸8的两端分别与机架9的连接耳和“日”字型机架12的连接耳通过销轴连接，进而实现施肥播种单元高度调节的功能。
所述“日”字型机架12由空心方钢和空心圆形钢焊接而成，圆形钢与直线滑动轴承配合起到滑轨的作用，减小施肥播种单元横移时的摩擦力。“日”字型机架前后各焊接一个连接耳，用于固接前横移液压缸21和后横移液压缸22。
所述滑轨滑块17互相配合，滑轨以焊接的方式与机架9的竖梁固接，滑块以螺栓固接的方式与“日”字型机架12固接。
所述高度调节机构提供了一种开沟深度调节功能，根据卫星导航和惯性导航融合信息，当地面不平左右轮产生高度差时，惯性导航传感器检测到播种机器人姿态变化，将变化信息传递到控制器，控制器发出控制指令，使升降液压缸8动作，避免因地形起伏造成的开沟深度不一致。
所述玉米免耕播种机器人包括两套相互独立的施肥播种单元，一次作业种植两行玉米，两套相互独立的施肥播种单元的高度调节功能互不影响。
所述横移机构包括“日”字型机架12、前横移液压缸21、后横移液压缸22、施肥播种单元等。
所述横移机构提供一种单体横移路径跟踪功能，玉米免耕播种机器人在卫星导航系统下，沿规划路径行走作业，当因地表起伏不平或前轮碰到根茬而导致前轮转动时，安装于前轮的角度传感器会将角度信息发送给控制器，结合卫星导航轨迹偏移信息，控制器发送控制指令给前横移液压缸21和后横移液压缸22，液压缸执行指令带动施肥播种单元产生横向位移，及时纠正偏差，保证播种的直线度。当播种机器人沿前进方向左偏时，施肥播种单元右移；当播种机器人沿前进方向右偏时，施肥播种单元左移。
当免耕播种机器人行驶轨迹发生偏移时，控制器发送控制指令给升降液压缸8、前横移液压缸21和后横移液压缸22，升降液压缸8提升施肥播种单元，使施肥开沟器18和播种开沟器24上移减小入土深度，从而降低前横移液压缸21和后横移液压缸22带动施肥播种单元横移过程中受到的土壤阻力。
如图6所示，所述移动底盘包括车轮1、转向电机2、驱动电机11、车轮架27、底盘梁架28。移动底盘作为免耕播种机器人的重要结构，承载机体的主要重量，为免耕播种机器人提供行走功能，具有较好的通过性和适应性。
所述移动底盘车轮1由驱动电机11提供动力，并且是四轮驱动，可以为田间作业行走提供更大动力；当机器人在地头换行时，根据卫星导航信息和规划好的路径，车轮1在转向电机11的带动下转动角度实现原地转向，减小地头转弯半径，实现快速对行。
如图7所示为玉米免耕播种机器人控制原理图，所述控制系统包括卫星导航系统5、角度传感器19、惯性导航传感器、控制器等，控制器对卫星导航信息、惯性导航信息和角度传感器信息进行融合处理并发送控制指令。
田间作业环境灰尘大、振动多，为避免影响传感器和控制器等硬件的工作性能，主要硬件安装在控制箱3中。
所述控制系统采用PID控制方法对升降液压缸8、前横移液压缸21和后横移液压缸22进行控制，具有适应性强和鲁棒性强的优点。PID控制器根据给定值r(t)与实际输出值y(t)形成偏差控制，将偏差的比例、积分、微分通过一定的线性组合构成控制量u(t)传递给执行机构，对被控对象进行控制。PID控制原理如图8所示。其控制律表示如下：
Figure BDA0003778484530000111
式中KP为比例系数，TI为积分时间常数，TD为微分时间常数，e(t)为系统的输入，u(t)为控制量。

Claims (7)

1.一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人，包括机架(9)，所述机架(9)由空心方钢焊接而成，包括2个相同的长方体框架和2根上横梁，机架整体与移动底盘焊接相连；其特征在于：一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人还包括移动底盘、施肥播种单元、横移机构、高度调节机构以及控制系统；
机架(9)的顶端分别与卫星天线(5)和肥箱(6)连接固定；
所述移动底盘与机架(9)焊接相连，包括车轮(1)、转向电机(2)、驱动电机(11)、车轮架(27)和底盘梁架(28)；所述转向电机(2)驱动四个车轮(1)转向，即四轮转向，所述驱动电机(11)驱动四个车轮(1)行走，即四轮驱动；
所述施肥播种单元包括肥箱(6)、种箱(7)、镇压轮(13)、排种器(14)、排种电机(15)、“N”型横梁(16)、施肥开沟器(18)、支撑板(20)、防缠辊(23)、播种开沟器(24)、主动链轮(25)、仿形机构(26)；
所述排种电机(15)与支撑板(20)通过四个螺栓连接，带动主动链轮(25)转动，进而通过链条链轮驱动排种器(14)工作；
所述“N”型横梁中间较短梁长60mm，前后端与施肥开沟单体和播种单体连接，实现种沟与肥沟保持60mm的间距；
所述高度调节机构包括升降液压缸(8)、机架(9)、“日”字型机架(12)、滑轨滑块(17)，所述机架(9)与“日”字型机架(12)的端点处设有连接耳，升降液压缸(8)两端通过连接耳分别与机架(9)和“日”字型机架(12)固定；
所述滑轨滑块(17)互相配合起滑动作用，滑轨与机架(9)竖梁焊接固定，滑块与“日”字型机架(12)通过螺栓连接；
所述横移机构包括“日”字型机架(12)、前横移液压缸(21)、后横移液压缸(22)和施肥播种单元；前横移液压缸(21)两端分别与“N”型横梁(16)和“日”字型机架(12)固定连接，后横移液压缸(22)两端分别与播种单体和“日”字型机架固定连接；所述“日”字型机架(12)有方钢和圆管焊接而成，圆管与施肥播种单元的圆孔形成滑动配合；
所述控制系统包括控制箱(3)、卫星天线(5)和角度传感器(19)，其中控制箱(3)中设置有惯性导航传感器、控制器、电源总开关；所述控制系统采用PID控制方法对升降液压缸(8)、前横移液压缸(21)和后横移液压缸(22)进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人，其特征在于：所述移动底盘可通过驱动电机(11)实现四轮驱动自行走和转向电机(2)实现四轮原地转向。
3.根据权利要求1所述的一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人，其特征在于：所述玉米免耕播种机器人包括两套独立的施肥播种单元、横移机构和高度调节机构，一次作业实现两行播种，并独立调节。
4.根据权利要求1所述的一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人，其特征在于：当因地表起伏不平，左右轮产生高度差时，惯性导航传感器自动检测车体姿态变化并将信息发送给控制器，控制器发送指令使升降液压缸(8)动作以补偿高度变化，与仿形机构(26)配合实现开沟深度的相对稳定。
5.根据权利要求1所述的一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人，其特征在于：基于卫星导航信息进行作业，当车轮(1)转动发生轨迹偏移时，控制器融合处理卫星导航信息和角度传感器信息，并发送控制指令给升降液压缸(8)、前横移液压缸(21)和后横移液压缸(22)，横移液压缸产生动作使施肥播种单元快速动作实现路径跟踪，保证施肥播种的直线精度，升降液压缸(8)减小施肥开沟器(18)和播种开沟器(24)的入土深度，减小单体横移时的土壤阻力。
6.根据权利要求1所述的一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人，其特征在于：所述控制箱(3)和电池(4)位于免耕播种机器人前端，液压泵站位于免耕播种机器人后端。
7.根据权利要求3所述一种可实现路径跟踪的玉米免耕播种机器人，其特征在于：将所述施肥播种单元改进更换为大豆施肥播种单元，可以实现大豆的免耕播种。
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