CN117002196A - 一种全地形农用底盘及其高精度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全地形农用底盘及其高精度控制方法，属于农用机械领域，全地形农用底盘包括底盘本体，底盘本体上固定安装有控制设备及与其通信连接的深度相机、3D激光雷达、无线通信模块和若干个独立转向驱动轮；独立转向驱动轮包括转向驱动机构、与转向驱动机构的输出轴固定的轮架、与轮架固定的行走驱动机构以及与行走驱动机构的输出轴固定的全地形轮；全地形轮包括同轴连接的平地轮和轨道轮，转向驱动机构的输出轴竖向布置，行走驱动机构的输出轴水平布置。本发明不但能够实现直线行驶、原地转向、侧向行驶、弧形转向等多种运动模态，而且还能够在平地及轨道上行驶，从而有效拓展适用场景，满足农业生产中多种复杂场景的需求。

Description

一种全地形农用底盘及其高精度控制方法

技术领域

本发明涉及农用机械技术领域，特别涉及一种全地形农用底盘及其高精度控制方法。

背景技术

当前的农业机器人底盘技术主要集中在一些特定的应用场景，如平地上的拖拉机、大型农业机械等，而针对于复杂地形、狭窄通道等场景，传统农业机械底盘的机动性和适应性相对较差，因此限制了农业机械在大棚、果园、蔬菜地等一些复杂的农业环境下的应用，使得农业生产中许多的操作还是需要人力完成，无法实现自动化。

现有的农业机器人底盘技术方案存在的问题主要包括：1.在复杂地形环境下，机器人的精度和稳定性较差，很难做到高精度的定位和控制；2.针对不同的农业任务，农业机器人的设备需要做出相应的调整和更换，这需要农民具有较高的技术素养和操作技能，提高了使用难度和使用门槛；3.现有的农业机器人往往只能在平地或者较为简单的环境下进行工作，无法适应不同的地形和环境，也无法实现多种不同任务的自动化完成，这也限制了农业机器人的应用范围和效果。

尤其是对于架设有轨道的大棚农业场景中，通常使用轨道车实现其在固定轨道上的移动，并在其上搭载农业设备完成各种工作。当需要换轨时，则需要额外借助人力来将轨道轮更换为平地轮，将轨道车从原轨道推到平地上，经平地转移到新轨道处后，再将平地轮更换为轨道轮，最后将轨道车推到新轨道上。然而，由于轨道车的体积及重量较大，这种换轨方式会造成人力的损耗和时间的浪费。

因此，在铺设有轨道的农业场景中，亟待设计一款能够实现轨道和平地间快速切换的全地形农用底盘以及相应的控制及轨道切换方案。

发明内容

针对现有技术存在的农用机械底盘地形适应性差，导致其不能灵活应用于设有轨道的复杂农业场景的问题，本发明的目的在于提供一种全地形农用底盘及其高精度控制方法，以便于至少部分地解决上述问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

第一方面，本发明提供一种全地形农用底盘，包括底盘本体，所述底盘本体上固定安装有控制设备以及与所述控制设备通信连接的深度相机、3D激光雷达、无线通信模块以及若干个独立转向驱动轮；所述独立转向驱动轮包括相对于所述底盘本体固定安装的转向驱动机构、相对于所述转向驱动机构的输出轴固定安装的轮架、相对于所述轮架固定安装的行走驱动机构以及相对于所述行走驱动机构的输出轴固定安装的全地形轮；其中，所述全地形轮包括同轴连接的平地轮和轨道轮，所述转向驱动机构的输出轴竖向布置，所述行走驱动机构的输出轴水平布置。

优选的，所述转向驱动机构配置为转向减速电机，所述转向减速电机包括步进电机和蜗轮蜗杆减速器，所述转向减速电机通过转向架固定连接在所述底盘本体上，所述转向架上还转动连接有转向轴，所述转向轴同时与所述转向减速电机的输出轴及所述轮架传动连接。

优选的，所述转向架上还安装有用于检测所述转向轴旋转角度的角度传感器，且所述角度传感器与所述控制设备通信连接。

优选的，所述行走驱动机构配置为行走减速电机，所述行走减速电机包括直流无刷电机和直角减速器，所述轮架上还转动连接有驱动轴，所述驱动轴同时与所述行走减速电机的输出轴及所述全地形轮传动连接。

优选的，所述转向架与所述轮架之间设有推力球轴承，所述转向架及所述轮架上分别固定安装有用于限制所述推力球轴承的上限位盘和下限位盘。

优选的，所述上限位盘与所述推力球轴承之间，和/或，所述下限位盘与所述推力球轴承之间设有弹性材质的缓冲圈。

优选的，所述转向轴、所述驱动轴分别通过法兰盘与所述轮架、所述全地形轮相连接。

优选的，所述底盘本体上固定安装有与所述控制设备通信连接的交互屏幕。

第二方面，本发明提供一种全地形农用底盘的高精度控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1、根据任务内容，通过导航规划算法发布底盘的期望运动状态，并通过底盘正运动学模型求解，得到每个独立转向驱动轮随时间变化的转向角度及行走速度；

S2、将所述转向角度及行走速度分别发送给对应的独立转向驱动轮，以便于各独立转向驱动轮按照给定的转向角度和行走速度进行转向和行走；

S3、行进过程中，实时接收各独立转向驱动轮反馈的转向角度和行走速度，并根据底盘逆运动学模型计算得到底盘的实际运动状态；

S4、将底盘的实际运动状态信息与惯性测量单元测得的底盘姿态信息通过扩展卡尔曼滤波方法融合，得到高精度的底盘实时位置和姿态；

S5、对比步骤S4中得到高精度的底盘实时位置和姿态与步骤S1中发布的底盘的期望运动状态，并根据对比结果对底盘的行走速度和转向角度进行修正。

第三方面，本发明提供一种全地形农用底盘的轨道识别定位方法，所述方法包括以下步骤：

S01、通过3D激光雷达扫描获得场景三维地图，并标识出目标轨道入口的初步位置；

S02、当底盘运动到距离目标轨道入口预设距离时，通过深度相机拍摄获得目标轨道入口的深度点云图像；

S03、将所述深度点云图像与所述场景三维地图融合，构建出环境地图，从而识别出目标轨道入口的大致位置；

S04、基于目标轨道入口的大致位置，通过深度相机拍摄获得目标轨道入口的环境RGB图像；

S05、基于所述环境RGB图像以及目标轨道上事先设置的标志物，确定目标轨道入口相对于底盘的精确位置，以便于全地形农用底盘的行进方向与目标轨道平行对齐后经目标轨道入口驶入。

采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：由于四个独立转向驱动轮能够进行相互独立的转向和转动，使得本发明提供的全地形农用底盘能够实现直线行驶、原地转向、侧向行驶、弧形转向等多种运动模态，使其能够在不同的场景中更加自由、灵活地运动。又由于同时包含平地轮和轨道轮的全地形轮的设置，使得本发明提供的全地形农用底盘既能够在平地上行驶，又能够在轨道上行驶，从而进一步拓展适用场景，满足农业生产中多种复杂场景的需求。

附图说明

图1为本发明中全地形农用底盘的主视图；

图2为本发明中全地形农用底盘的结构示意图；

图3为本发明中独立转向驱动轮的爆炸视图。

图中:1-底盘本体、2-控制设备、3-深度相机、4-3D激光雷达、5-无线通信模块、6-交互屏幕、7-电池、8-转向驱动机构、81-步进电机、82-蜗轮蜗杆减速器、9-转向架、10-转向轴、101-限位螺母、11-转向法兰盘、12-角度传感器、13-轮架、14-行走驱动机构、141-直流无刷电机、142-直角减速器、15-法兰安装盘、16-法兰轴承、17-驱动轴、18-驱动法兰盘、19-平地轮、20-轨道轮、21-推力球轴承、22-上限位盘、23-下限位盘、24-缓冲圈。

实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示对本发明结构的说明，仅是为了便于描述本发明的简便，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。

对于本技术方案中的“第一”和“第二”，仅为对相同或相似结构，或者起相似功能的对应结构的称谓区分，不是对这些结构重要性的排列，也没有排序、或比较大小、或其他含义。

另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个结构内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据本发明的总体思路，联系本方案上下文具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

一种全地形农用底盘，如图1-3所示，包括底盘本体1，底盘本体1上固定安装有控制设备2以及与该控制设备2通信连接的深度相机3、3D激光雷达4、无线通信模块5、交互屏幕6以及若干个独立转向驱动轮。

本实施例中，底盘本体1配置为由金属新材拼接而成的矩形框架结构，深度相机3、3D激光雷达4、交互屏幕6均设置在底盘本体1的前部一侧，并且交互屏幕6位于底盘本体1前部上侧以便于观看和操作。控制设备2及无线通信模块5均设置在底盘本体1的中部框架内，通常底盘本体1的中部框架内还安装有电池7，该电池7通过导线与上述的控制设备2、深度相机3、3D激光雷达4、无线通信模块5、交互屏幕6以及每个独立转向驱动轮电性连接。底盘本体1的顶面一侧则用于根据任务来搭载对应的设备，可以实现植株作物监测、授粉、修剪枝叶、施肥、采摘等多种功能。

本实施例中，独立转向驱动轮配置有四个，并分别安装在底盘本体1的底面四角处，独立转向驱动轮具体包括：转向驱动机构8、转向架9、转向轴10、轮架13、行走驱动机构14、驱动轴17和全地形轮。

其中，转向驱动机构8配置为转向减速电机，转向减速电机包括步进电机81和蜗轮蜗杆减速器82，蜗轮蜗杆减速器82一方面可以放大步进电机81输出的扭矩，另一方面也可以提供一定的自锁能力，防止在断电情况下外力干扰到独立转向驱动轮。该转向减速电机固定安装在转向架9上，而转向架9则固定连接在底盘本体1的底面角部。转向轴10竖向布置并通过轴承转动连接在转向架9上，同时转向轴10还穿插在蜗轮蜗杆减速器82中，并与涡轮相连接，从而传递步进电机81的扭矩。其中，该转向轴10的上、下两端均露出在蜗轮蜗杆减速器82的外部，转向轴10的下端固定安装有转向法兰盘11。另外，转向架9上还固定安装有角度传感器12，该角度传感器12用于从上端一侧检测该转向轴10的旋转角度，并且角度传感器12与控制设备2通信连接。在轴向方向上，转向轴10的下端通过转向法兰盘11限位，上端螺纹连接有限位螺母101，以防止转向轴10轴向窜动。

其中，轮架13与上述的转向法兰盘11固定连接，从而承接步进电机81给予的转向扭矩。行走驱动机构14配置为行走减速电机，行走减速电机通过法兰安装盘15固定连接在轮架12上，该法兰安装盘15中安装有法兰轴承16，而驱动轴17则通过该法兰轴承16可转动地连接在法兰安装盘15中，同时，驱动轴17的其中一个端部与行走减速电机的输出轴相连接，驱动轴17的另一个端部固定安装有驱动法兰盘18。

其中，全地形轮包括同轴连接固定的平地轮19和轨道轮20，平地轮19通常配置为橡胶轮以便于在地面上行走，轨道轮20则用于在轨道上行走，通常平地轮19的直径大于轨道轮20的直径。另外，全地形轮、驱动轴17及行走减速电机的输出轴均处于水平状并同轴布置。其中，轨道轮20上与轨道相接触的轮周面配置有一定的锥度，从而使轨道轮20具有自校正功能，能够适应由于轨道安装误差带来的影响。

本实施例中，行走减速电机包括直流无刷电机141和直角减速器142，如此设置，使得直流无刷电机141得以竖向布置，从而降低全地形农用底盘的宽度尺寸，进而方便运输和使用。动力经直角减速器142减速后还能够为全地形轮提供更大的扭矩。

本实施例中，转向架9与轮架13之间设有推力球轴承21，同时，转向架9及轮架13上分别固定安装有用于限制该推力球轴承21的上限位盘22和下限位盘23。另外，上限位盘22与推力球轴承21之间，和/或，下限位盘23与推力球轴承21之间设有弹性材质的缓冲圈24，例如橡胶圈，从而防止推力球轴承21承受过大的瞬时冲击，延长推力球轴承21的使用寿命。

本发明实施例提供的全地形农用底盘的基本工作原理及使用过程如下：

使用时，通过无线通信模块5接收外部控制信号，控制设备2向对应的独立转向驱动轮发送包含转向角度信息及速度信息的指令；对于每个独立转向驱动轮来说，其配套的步进电机控制器根据接收到的转向角度信息进行工作，使由其控制的全地形轮转向到对应角度，同时其配套的直流电机控制器根据接收到的速度信息进行工作，使由其控制的全地形轮按照相应的速度转动。

在全地形农用底盘按照指令行进的过程中，当需要从平地转移到轨道上使用时，只需要控制全地形农用底盘的前进方向平行并对于轨道后，即可在轨道轮20的支持下，使全地形农用底盘无障碍地行驶到轨道上进行作业，反之，在平地轮19的支持下，全地形农用底盘可直接从轨道驶到平地上进行作业。其中，深度相机3和3D激光雷达4则用于支持无人自动驾驶模式，将在下述实施例详细描述。其中交互屏幕6一方面用于向工作人员展示全地形农用底盘行进中的各种数据信息，另一方面也用于工作人员现场向控制设备2下达指令。

可以理解的是，由于四个独立转向驱动轮能够进行相互独立的转向和转动，使得本发明实施例提供的全地形农用底盘能够实现直线行驶、原地转向、侧向行驶、弧形转向等多种运动模态，使其能够在不同的场景中更加自由、灵活地运动。

实施例

一种全地形农用底盘的高精度控制方法，该方法应用于实施例一提供的全地形农用底盘，该方法包括以下步骤：

S1、根据任务内容，通过导航规划算法发布底盘的期望运动状态，并通过底盘正运动学模型求解，得到每个独立转向驱动轮随时间变化的转向角度及行走速度。

S2、将转向角度及行走速度分别发送给对应的独立转向驱动轮，以便于各独立转向驱动轮按照给定的转向角度和行走速度进行转向和行走。

S3、行进过程中，实时接收各独立转向驱动轮反馈的转向角度和行走速度，并根据底盘逆运动学模型计算得到底盘的实际运动状态。

S4、将底盘的实际运动状态信息与惯性测量单元（IMU）测得的底盘姿态信息通过扩展卡尔曼滤波方法融合，得到高精度的底盘实时位置和姿态；

S5、对比步骤S4中得到高精度的底盘实时位置和姿态与步骤S1中发布的底盘的期望运动状态，根据对比结果对底盘的行走速度和转向角度进行修正，例如误差超过阈值时进行修正，使底盘的实时位置和姿态符合步骤S1中发布的底盘的期望运动状态。

其中，任务内容通常包含全地形农用底盘的工作位置以及达到和离开各工作位置的时刻；导航规划算法则基于现有技术公开的导航方法实现，其生成的导航路径通常不是一条直线，因此需要在适当的位置进行转向，并且根据各工作位置对于到达及离开时刻的要求，还需要变速行驶（转向时也需进行变速）。在获得以上信息后，即可知晓全地形农用底盘的期望运动状态，然后基于底盘正运动学模型，即可求解得到每个独立转向驱动轮随时间变化的转向角度及行走速度。

实施例

一种全地形农用底盘的轨道识别定位方法，该方法应用于实施例一提供的全地形农用底盘，该方法包括以下步骤：

S01、通过3D激光雷达扫描获得场景三维地图，并标识出目标轨道入口的初步位置；

S02、当底盘运动到距离目标轨道入口预设距离时，通过深度相机拍摄获得目标轨道入口的深度点云图像；

S03、将深度点云图像与场景三维地图融合，构建出环境地图，从而识别出目标轨道入口的大致位置；

S04、基于目标轨道入口的大致位置，通过深度相机拍摄获得目标轨道入口的环境RGB图像；

S05、基于环境RGB图像以及目标轨道上事先设置的标志物，确定目标轨道入口相对于底盘的精确位置，以便于全地形农用底盘的行进方向与目标轨道平行对齐后经目标轨道入口驶入。

通过上述步骤，使得全地形农用底盘能够准确地识别和定位轨道，从而确保其能够从平地行走状态切换到轨道行走状态。而从轨道行走状态切换为平地行走状态时，则全地形农用底盘行驶到轨道尽头后即可自然地完成行走状态切换。

以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种全地形农用底盘，其特征在于：包括底盘本体，所述底盘本体上固定安装有控制设备以及与所述控制设备通信连接的深度相机、3D激光雷达、无线通信模块以及若干个独立转向驱动轮；所述独立转向驱动轮包括相对于所述底盘本体固定安装的转向驱动机构、相对于所述转向驱动机构的输出轴固定安装的轮架、相对于所述轮架固定安装的行走驱动机构以及相对于所述行走驱动机构的输出轴固定安装的全地形轮；其中，所述全地形轮包括同轴连接的平地轮和轨道轮，所述转向驱动机构的输出轴竖向布置，所述行走驱动机构的输出轴水平布置。

2.根据权利要求1所述的全地形农用底盘，其特征在于：所述转向驱动机构配置为转向减速电机，所述转向减速电机包括步进电机和蜗轮蜗杆减速器，所述转向减速电机通过转向架固定连接在所述底盘本体上，所述转向架上还转动连接有转向轴，所述转向轴同时与所述转向减速电机的输出轴及所述轮架传动连接。

3.根据权利要求2所述的全地形农用底盘，其特征在于：所述转向架上还安装有用于检测所述转向轴旋转角度的角度传感器，且所述角度传感器与所述控制设备通信连接。

4.根据权利要求2所述的全地形农用底盘，其特征在于：所述行走驱动机构配置为行走减速电机，所述行走减速电机包括直流无刷电机和直角减速器，所述轮架上还转动连接有驱动轴，所述驱动轴同时与所述行走减速电机的输出轴及所述全地形轮传动连接。

5.根据权利要求4所述的全地形农用底盘，其特征在于：所述转向架与所述轮架之间设有推力球轴承，所述转向架及所述轮架上分别固定安装有用于限制所述推力球轴承的上限位盘和下限位盘。

6.根据权利要求5所述的全地形农用底盘，其特征在于：所述上限位盘与所述推力球轴承之间，和/或，所述下限位盘与所述推力球轴承之间设有弹性材质的缓冲圈。

7.根据权利要求4所述的全地形农用底盘，其特征在于：所述转向轴、所述驱动轴分别通过法兰盘与所述轮架、所述全地形轮相连接。

8.根据权利要求1所述的全地形农用底盘，其特征在于：所述底盘本体上固定安装有与所述控制设备通信连接的交互屏幕。

9.一种用于如权利要求1-8任一项所述的全地形农用底盘的高精度控制方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S1、根据任务内容，通过导航规划算法发布底盘的期望运动状态，并通过底盘正运动学模型求解，得到每个独立转向驱动轮随时间变化的转向角度及行走速度；

S2、将所述转向角度及行走速度分别发送给对应的独立转向驱动轮，以便于各独立转向驱动轮按照给定的转向角度和行走速度进行转向和行走；

S3、行进过程中，实时接收各独立转向驱动轮反馈的转向角度和行走速度，并根据底盘逆运动学模型计算得到底盘的实际运动状态；

S4、将底盘的实际运动状态信息与惯性测量单元测得的底盘姿态信息通过扩展卡尔曼滤波方法融合，得到高精度的底盘实时位置和姿态；

S5、对比步骤S4中得到高精度的底盘实时位置和姿态与步骤S1中发布的底盘的期望运动状态，并根据对比结果对底盘的行走速度和转向角度进行修正。

10.一种如权利要求1-8任一项所述的全地形农用底盘的轨道识别定位方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

S01、通过3D激光雷达扫描获得场景三维地图，并标识出目标轨道入口的初步位置；

S02、当底盘运动到距离目标轨道入口预设距离时，通过深度相机拍摄获得目标轨道入口的深度点云图像；

S03、将所述深度点云图像与所述场景三维地图融合，构建出环境地图，从而识别出目标轨道入口的大致位置；

S04、基于目标轨道入口的大致位置，通过深度相机拍摄获得目标轨道入口的环境RGB图像；

S05、基于所述环境RGB图像以及目标轨道上事先设置的标志物，确定目标轨道入口相对于底盘的精确位置，以便于全地形农用底盘的行进方向与目标轨道平行对齐后经目标轨道入口驶入。