CN116849017A - 一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置及方法 - Google Patents
一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于智能农业机械技术领域，为一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置及方法，包括：升降驱动机构、仿形机构和割草装置；仿形机构包括自适应弹簧、仿形机构底座、角度调节杆和升降调节杆；仿形机构底座的下方通过自适应弹簧连接割草装置；仿形机构底座的上方连接角度调节杆和升降调节杆；升降调节杆的连接升降驱动机构，角度调节杆连接升降调节杆；升降驱动机构驱动升降调节杆运动，带动仿形机构底座实现上升或下降；通过调节角度调节杆的长度调节仿形机构底座的倾斜角度；通过仿形机构底座的倾斜和升降对自适应弹簧的进行调节，从而对割草装置的高度进行调整，解决了除草机械在凹凸不平和大坡度地貌环境中除草效果差的问题。
Description
技术领域
本发明属于智能农业机械技术领域，尤其涉及一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
丘陵山区果园地形复杂、地面凹凸不平，现有除草机械难以贴合地面平稳运行，不易保持一致的除草高度，且容易出现漏割的情况。同时丘陵山区果园内存在果树、栅栏、立柱等固定障碍物，落石、野生动物等动态障碍物，以及不平整的地面带来的传感测距波动问题，导致自动化除草机械难以准确自主避障。
虽然存在一些山地果园仿形避障割草机，但是该类除草机械在丘陵山区果园凹凸不平和大坡度地貌环境中除草效果差、对树木、栅栏、立柱等障碍物避障性能较差。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置及方法，针对丘陵山区果园这类复杂的非结构化环境，设计仿形随动除草升降结构、实现电控液压仿形升降机械精准作业及其传感测距准确避障。
为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置，包括：升降驱动机构、仿形机构和割草装置；
所述仿形机构包括：自适应弹簧、仿形机构底座、角度调节杆和升降调节杆；
所述仿形机构底座的下方通过自适应弹簧连接割草装置；
所述仿形机构底座的上方连接角度调节杆和升降调节杆；所述升降调节杆的另一端连接升降驱动机构；所述角度调节杆的另一端连接所述升降调节杆；
所述升降驱动机构用于驱动升降调节杆上升或下降，升降调节杆运动时带动所述仿形机构底座实现上升或下降；所述角度调节杆由气缸驱动，通过调节角度调节杆的长度调节仿形机构底座的倾斜角度；通过仿形机构底座的倾斜和升降对自适应弹簧的伸缩进行调节，从而对割草装置的高度进行调整。
本发明第二方面提供了一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草方法，包括自动仿形过程，所述自动仿形过程包括：
在除草装置行进过程中，感知地面高度变化信号并传输给控制模块，控制模块控制升降驱动机构驱动升降调节杆上升或下降，升降调节杆运动时带动仿形机构底座实现上升或下降；控制模块控制调节角度调节杆的长度，实现调节仿形机构底座的倾斜角度；通过仿形机构底座的倾斜和升降对自适应弹簧的伸缩进行调节，从而对割草装置的高度进行自适应调整。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
本发明实现了仿形随动除草升降、电控液压仿形升降机械精准作业及其传感测距准确避障，解决了除草机械在丘陵山区果园凹凸不平和大坡度地貌环境中除草效果差、对树木、栅栏、立柱等障碍物避障性能较差等问题。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1的一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置的正视图。
图2为实施例1的一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置的侧视图。
图3为实施例1的液压系统示意图。
图4为实施例2的自动避障过程示意图。
图中，1-升降驱动电机，2-反转驱动电机，3-反转驱动轮，4-控制箱，5-反转弹力绳，6-割草装置Ⅰ，7-割草机构，8-万向联轴器，9-反转弹力绳固定杆，10-割草装置Ⅱ，11-自适应弹簧，12-超声波传感器，13-仿形机构底座，14-角度调节杆，15-升降调节杆，16-激光雷达，17-激光测距仪，18-超声波传感器，19-限深轮固定杆，20-减震弹簧，21-限深轮，22-激光测距仪，23-升降丝杠，24-液压系统阀组泵站，25-避障转向底盘，26-转向轮。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例一
如图1至图2所示，本发明提出一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置，包括：升降驱动装置、反转驱动装置、仿形机构和割草装置；升降驱动装置和反转驱动装置设置在控制箱4上；
仿形机构包括：自适应弹簧11、仿形机构底座13、角度调节杆14和升降调节杆15；仿形机构底座13的下方通过自适应弹簧11连接割草装置；仿形机构底座13的上方连接角度调节杆14和升降调节杆15；升降调节杆15的另一端连接升降驱动机构；角度调节杆14的另一端连接升降调节杆15；
升降驱动装置包括升降驱动电机1和升降丝杠23，升降驱动电机1驱动升降丝杠23旋转，升降丝杠23与升降调节杆15通过螺纹配合，升降丝杠23旋转，带动升降调节杆15上升或下降。升降调节杆15的另一端固定在仿形机构底座13上，调节杆运动时，带动整个仿形机构实现上升或下降。
反转驱动装置包括反转驱动电机2和反转驱动轮3，反转驱动电机2驱动反转驱动轮3旋转，反转驱动轮上缠绕有反转弹力绳5，反转弹力绳另一端固定在割草装置Ⅱ10的反转弹力绳固定杆9上，反转驱动轮旋转时，通过反转弹力绳拉动割草装置Ⅱ10，实现割草装置Ⅱ10的反转；通过反转防止草料堵塞割草装置，割草装置是由电机带动高强度尼龙绳，尼龙绳做高速旋转实现割草功能。
另外，角度调节杆14一端固定在升降调节杆15上，另一端固定在仿形机构底座13上，角度调节杆14由气缸驱动，通过改变角度调节杆14的长度，调节仿形机构的倾斜角度。
自适应弹簧11上端固定在仿形机构底座13上，下端固定在割草装置Ⅰ6或割草装置Ⅱ10上。通过自适应弹簧的伸缩可以对割草装置的高度进行微调。割草装置Ⅰ6和割草装置Ⅱ10上通过万向联轴器连接，实现两个割草装置可以独立活动。割草装置Ⅰ6和割草装置Ⅱ10上都设置有两个割草机构，实现割草任务。
割草装置Ⅱ10上还设置有限深轮21，限深轮21通过减震弹簧20连接到限深轮固定杆19上，限深轮固定杆19固定在割草装置Ⅱ10上。限深轮上安装弹簧装置和力传感器，通过弹簧装置使得限深轮保持对土壤的压力，从而实现限深；通过限深轮上搭载的力传感器可以感知地面高度，从而自动调节仿形机构的高度。
本发明中通过升降驱动装置实现仿形机构的上升和下降，通过角度调节杆实现仿形机构倾斜角度的调整。两个可以独立活动的割草装置，提高了仿形机构对复杂地形的适应能力。自适应弹簧可以当前作业时的地面情况对割草装置的高度进行微调，通过反转弹力绳对割草装置Ⅱ10的反转操作，可以适应地面局部出现斜度较大的凸起或凹陷的情况。
仿形装置上设置的激光雷达16、超声波传感器12、18，激光测距仪17、22用以在割草过程中获取周边环境信息，通过避障算法，实现避障。
进一步的，避障执行部件包括避障转向底盘25和转向轮26，控制系统接受到避障指令后，控制转向轮转向，带动避障转向底盘运动，实现整个底盘的避障运动。
如图3所示，应用负载传感和与负载压力无关的独立流量分配系统相结合的控制技术，是指以执行器最高负载压力控制泵和压力补偿的负载独立流量分配系统。原理是将压力补偿阀置于主阀之后，对系统压力进行阀后补偿，当多个执行机构同时工作时，以最高压力执行机构的压力来补偿压力较小执行机构的压力，以使在任何时刻都能保持各执行机构的压差恒定。因此可以实现对多个执行机构流量的比例分配，当执行器所需流量大于泵的流量时，系统会按比例将流量分配给各执行器，而不是流向轻负载的执行器。
独立流量分配系统由片式高压负荷传感比例多路阀、LUDV比例多路阀、负载敏感泵等液压元器件组成，安装位置为液压系统阀组泵站24、该系统使泵的输出流量始终与负载需要相适应，实现精确控制和无级比例调速。
采用自适应模糊控制等运动控制方法，基于避障规划实现对障碍物的高效避障。
实施例二
本实施例提供一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草方法，包括自动仿形过程和自动避障过程；
自动仿形过程包括：
在除草装置行进过程中，感知地面高度变化信号并传输给控制模块，控制模块控制升降驱动机构驱动升降调节杆上升或下降，升降调节杆运动时带动仿形机构底座实现上升或下降；控制模块控制调节角度调节杆的长度，实现调节仿形机构底座的倾斜角度；通过仿形机构底座的倾斜和升降对自适应弹簧的伸缩进行调节，从而对割草装置的高度进行自适应调整。
自动避障过程包括：
通过避障信号探测部件探测障碍物信息并传输给控制模块，控制模块对探测信号进行分析处理后，控制避障动作执行部件动作从而避开障碍物。
具体的，针对复杂丘陵山区除草环境的障碍物特征提取方法，使用多个基于二维激光测距仪、超声波雷达等传感器获取的环境信息，对传感器得到的数据进行融合特征提取，获取周边障碍物信息。建立描述电控液压仿形升降机构及其传感器测距系统的坐标模型，采用向量场直方图算法进行障碍物避障规划。以仿形机构为中心的极坐标系,将障碍物对仿形机械的影响量化为各个角度上的极线障碍强度值,在障碍强度值低于某个确定的阈值的角度范围内选择移动方向，实现对静态或慢速运动的避障。
如图4所示，障碍物避障规划的具体步骤是：
1.安装在装置顶部和四周的二维激光测距仪和超声波激光雷达工作，采集获取周边障碍物信息，信息雷达处理输送到控制器；
2.控制器中已有电控液压仿形机构和传感器测距系统的坐标模型，与障碍物信息进行对比，获取障碍物相对于仿形机构的相对坐标；
3.基于向量场直方图算法进行障碍物避障规划，规划出仿形机构为完成避障需要完成的运动期望轨迹；
4.控制器发送指令控制电控液压系统和电机驱动系统，驱动系统驱动避障转向底盘实现避障动作，实现按照规划的期望轨迹进行运动；
5.传感器实时检测运动过程，反馈至控制器，当出现新的障碍物或运动轨迹偏离期望轨迹时，进行二次规划和运动控制校正；
6.完成避障动作。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置，其特征在于，包括：升降驱动机构、仿形机构和割草装置；
所述仿形机构包括：自适应弹簧(11)、仿形机构底座(13)、角度调节杆(14)和升降调节杆(15)；
所述仿形机构底座(13)的下方通过自适应弹簧(11)连接割草装置；
所述仿形机构底座(13)的上方连接角度调节杆(14)和升降调节杆(15)；所述升降调节杆(15)的另一端连接升降驱动机构；所述角度调节杆(14)的另一端连接所述升降调节杆(15)；
所述升降驱动机构用于驱动升降调节杆(15)上升或下降，升降调节杆(15)运动时带动所述仿形机构底座(13)实现上升或下降；所述角度调节杆(14)由气缸驱动，通过调节角度调节杆(14)的长度调节仿形机构底座(13)的倾斜角度；通过仿形机构底座(13)的倾斜和升降对自适应弹簧的伸缩进行调节，从而对割草装置的高度进行调整。
2.根据权利要求1所述的一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置，其特征在于，所述割草装置包括第一割草装置(6)和第二割草装置(10)，第一割草装置(6)和第二割草装置(10)之间通过万向联轴器(8)连接；所述第一割草装置(6)和第二割草装置(10)分别通过自适应弹簧(11)连接所述仿形机构底座(13)。
3.根据权利要求2所述的一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置，其特征在于，所述第一割草装置(6)和第二割草装置(10)上分别设置割草机构。
4.根据权利要求2所述的一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置，其特征在于，所述第二割草装置(10)的正前方设有限深轮(21)，所述限深轮(21)通过减震弹簧(20)连接限深轮固定杆(19)上，限深轮固定杆(19)固定在第二割草装置(10)上。
5.根据权利要求1所述的一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置，其特征在于，所述升降驱动机构包括升降驱动电机(1)和升降丝杠(23)；
所述升降驱动电机(1)驱动升降丝杠(23)旋转，升降丝杠(23)与升降调节杆(15)通过螺纹配合，升降丝杠(23)旋转带动升降调节杆(15)上升或下降。
6.根据权利要求5所述的一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置，其特征在于，还包括反转调节机构，所述反转调节机构包括反转驱动装置、反转弹力绳(5)以及设置在割草装置上的反转弹力绳固定杆(9)；
所述反转驱动装置包括反转驱动电机(2)和反转驱动轮(3)，所述反转驱动电机(2)驱动反转驱动轮(3)旋转，所述反转驱动轮(3)上缠绕有反转弹力绳(5)，所述反转弹力绳(5)另一端固定在反转弹力绳固定杆(9)上，所述反转驱动轮(3)旋转时，通过反转弹力绳(5)拉动割草装置，实现割草装置的反转。
7.根据权利要求6所述的一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置，其特征在于，所述反转驱动装置和升降驱动机构均设置在控制箱(4)上，分别与设置在控制箱(4)内的控制模块连接。
8.根据权利要求6所述的一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草装置，其特征在于，还包括避障信号探测部件，所述避障信号探测部件包括设置在仿形机构底座(13)和割草装置上的超声波传感器以及激光测距仪，设置在所述控制箱(4)顶部的激光雷达；
所述避障信号探测部件用于在装置行走过程中获取周边环境信息并传输至控制模块，控制模块收到探测信号后控制避障动作执行部件动作。
9.一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草方法，其特征在于，包括自动仿形过程，所述自动仿形过程包括：
在除草装置行进过程中，感知地面高度变化信号并传输给控制模块，控制模块控制升降驱动机构驱动升降调节杆上升或下降，升降调节杆运动时带动仿形机构底座实现上升或下降；控制模块控制调节角度调节杆的长度，实现调节仿形机构底座的倾斜角度；通过仿形机构底座的倾斜和升降对自适应弹簧的伸缩进行调节，从而对割草装置的高度进行自适应调整。
10.根据权利要求9所述的一种适用于丘陵山区果园除草的仿形避障除草方法，其特征在于，还包括自动避障过程，所述自动避障过程包括：
通过避障信号探测部件探测障碍物信息并传输给控制模块，控制模块对探测信号进行分析处理后，控制避障避障转向底盘动作从而避开障碍物。
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