CN213880843U

CN213880843U - 一种四驱全轮精准转向的农用agv底盘

Info

Publication number: CN213880843U
Application number: CN202121308639.8U
Authority: CN
Inventors: 李洪文; 徐琪蒙; 卢彩云; 王庆杰; 何进; 李问盈; 江珊; 李云祥; 王春雷
Original assignee: China Agricultural University
Current assignee: China Agricultural University
Priority date: 2021-06-11
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2031-06-11

Abstract

本实用新型公开了一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘，包括移动底盘和动力控制器；所述移动底盘包括底盘梁架、四个车轮支架、四个车轮、四个伺服电机和四个电动推杆；所述四个车轮支架安装在底盘梁架的四角，四个车轮分别安装在四个车轮支架上，四个伺服电机分别驱动四个车轮，四个电动推杆分别控制四个车轮支架转向；动力控制器安装在底盘梁架上，动力控制器控制四个伺服电机和四个电动推杆，从而控制移动底盘行走。该农用AGV底盘四轮驱动具有良好的行驶操控性和循迹性，具有较强的田间适应性，能精确调控车轮的偏转角度，可搭载其他农业机具，具有较强的通用性。能够精确控制小麦播种机构的下种速度，实现精量播种。

Description

一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘

技术领域

本实用新型属于农业自动化技术领域，涉及一种农业机器人，具体而言，涉及一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘。

背景技术

当前，我国快速发展的城镇化和人口老龄化，导致农业生产劳动力短缺和人工成本大幅度增长。因此，发展无人农业，使用无人驾驶车辆、小型无人机进行自动化作业，“机器换人”成为必然发展方向。大田农业是指大规模种植农作物的农业生产，主要体现了农业生产规模化、集约化的思想，是农业机器人典型的应用领域，同时也是我国推行现代化农业发展的必然选择。人工智能和新一代信息科技的快速发展，使农业机器人的广泛应用成为可能。目前，国内研发农业机器人的方向多为设施农业机器人，针对大田农业机器人的研究还不多。大田农业机器人多为AGV移动机器人，传统工业AGV不适用于复杂的农田作业环境，转向方式也无法满足田间转向半径的要求，因此，需要设计一种适用于复杂农业环境的AGV底盘，补充大田无人化作业的装备需求，缓解劳动力资源短缺的情况，提高作业效率、作业精度以及复杂农田环境下的适应性，保证农产品检测和评价的可靠性和一致性，且能代替人完成许多危险性高、劳动强度大、重复性高的工作。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘，满足了田间作业动力需求；全轮精准转向实现较小的转弯半径，甚至无需转弯半径，做出原地转向动作，快速移动至毗邻行继续作业，在农田土壤环境具有较强的适应性，不易发生侧滑，满足大田作业稳定性，可搭载其他农作物在耕、种、管等作业环节中所应用的农业机具，具有较强的通用性和适应性。

本实用新型的技术方案是一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘，包括移动底盘和动力控制器；所述移动底盘包括底盘梁架、四个车轮支架、四个车轮、四个伺服电机和四个电动推杆；所述四个车轮支架安装在底盘梁架的四角，四个车轮分别安装在四个车轮支架上，四个伺服电机分别驱动四个车轮，四个电动推杆分别控制四个车轮支架转向；动力控制器安装在底盘梁架上，动力控制器控制四个伺服电机和四个电动推杆，从而控制移动底盘行走。

所述车轮支架为曲拐形状，其上端为回转轴，其下端为曲拐；回转轴通过轴承安装在底盘梁架的四角，车轮安装在曲拐下端，车轮上设置有链轮；曲拐上端设置有转向杆和伺服电机固定座，电动推杆的尾端与底盘梁架铰接，电动推杆的推杆端与转向杆端铰接，伺服电机安装在伺服电机固定座上，伺服电机通过减速器、链轮、链条与车轮上的链轮连接。

所述动力控制器包括单片机、CAN分析仪、CAN总线、四个伺服电机驱动器和上位机PC；动力控制器把单片机作为主控制器，采用CAN总线向四个伺服电机驱动器发送控制指令，实现四轮同步驱动和差速转向功能；CAN分析仪作为中继传输控制信息，可以进行CAN总线的配置、发送和接收，并实时监测主控制器对伺服电机驱动器发送的指令；单片机分别向四个电动推杆发送信号，控制电动推杆的启停和正反转，能精确控制推杆的行程，从而精确控制车轮转向；上位机PC用于调整、监测动力控制器。

所述农用AGV底盘还带有小麦播种机构和智能精量播种控制设备；所述小麦播种机构包括智能转速控制电机和升降装置，所述智能转速控制电机驱动小麦播种机构中的排种器，所述升降装置控制小麦播种机构中的播种器升降；所述小麦播种机构和智能精量播种控制设备安装在底盘梁架上，智能精量播种控制设备控制智能转速控制电机和升降装置，从而控制小麦播种机构播种。

所述智能精量播种控制设备包括GNSS卫星天线、高精度控制器、电台接收天线和LCD人机交互触摸屏；高精度控制器中设置有GNSS高精度定位模块，GNSS卫星天线接收卫星导航数据，经过GNSS高精度定位模块测算农用AGV底盘的实际行驶速度，根据农用AGV底盘的实际行驶速度控制智能转速控制电机的转速，从而精确控制小麦播种机构中的排种器的排种量；电台接收天线用于网络通讯；LCD人机交互触摸屏用于设定控制命令、显示通讯数据和驱动反馈信息。

本实用新型所提供的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘具有以下优点：

1.本实用新型所提供的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘符合国家对于加快推进农业现代化的倡导，满足《中国制造2025》对于中高端农机装备的需求。使用无人驾驶AGV底盘发展无人农业，实现从播种到收获的全自动化。高性能的农业机械装备能够推进标准化的生产、作业，提高农业资源和生产要素的利用率。

2.使用本实用新型所提供的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘可缓解农村劳动力规模下降的问题，解放农业劳动人员的双手，采用“机器换人”去完成危险、劳动强度大、单一重复性的农业工作。

3.本实用新型所提供的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘采用四轮驱动作为AGV底盘驱动方式，相比于二轮驱动，四轮驱动具有良好的行驶操控性和循迹性，能为整机提供强劲的动力，越野性好，稳定性强，适用于复杂的农田作业环境。

4.本实用新型所提供的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘采用全轮转向作为AGV底盘的转向方式，相比于二轮转向，全轮转向具有较强的田间适应性，转弯半径小，能为农业机器人转向时节省转弯空间，提高换行效率。

5.本实用新型所提供的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘采用自带编码器的电动推杆作为车轮的转向执行机构，通过建立车轮转向角度和推杆伸缩距离之间的数据模型，能精确调控车轮的偏转角度。

6.本实用新型所提供的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘采用卫星系统掌握和传输农业机器人的作业数据，通过GNSS高精度定位模块测算AGV行进速度，并根据实时速度调节智能转速电机的转速，进而精确控制小麦播种机构的下种速度，实现精量播种。

7.本实用新型所提供的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘可挂接多种农业机具实现自动化作业，除了能够搭载了小麦播种机构外，还可搭载其他农作物在耕、种、管等作业环节中所应用的农业机具，具有较强的通用性和适应性。

附图说明

图1为一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘的立体结构示意图；

图2为一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘的后视结构示意图；

图3为一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘的俯视结构示意图；

图4为底盘驱动系统的结构示意图；

图5为底盘转向系统的结构示意图；

图6为车轮转向轴承组的结构示意图；

图7为动力控制器和智能精量播种控制设备的控制原理图；

附图中的标号说明：

1.移动底盘、2.动力控制器、3.小麦播种机构、

101.底盘梁架、102.车轮支架、103车轮、104伺服电机、105.电动推杆、106.带座轴承、107.减速器、108.主动链轮、109.链条、110.从动链轮、111.转向杆、112.伺服电机固定座、113.回转轴

301.智能转速控制电机、302.升降装置、303.播种器、304.接近开关、

401.GNSS卫星天线、402.高精度控制器、403.电台接收天线

具体实施方式

为使本实用新型实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行更加详细的描述。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本实用新型的范围及其应用。

实施例

本实施例所述的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘见图1到图7所示。

如图1到图3所示，本实施例所述的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘，包括移动底盘1和动力控制器2；所述移动底盘1包括底盘梁架101、四个车轮支架102、四个车轮103、四个伺服电机104和四个电动推杆105；所述四个车轮支架102安装在底盘梁架101的四角，四个车轮103分别安装在四个车轮支架104上，四个伺服电机104分别驱动四个车轮103，四个电动推杆105分别控制四个车轮支架102转向；动力控制器2安装在底盘梁架101上，动力控制器2控制四个伺服电机104和四个电动推杆105，从而控制移动底盘1行走。

所述底盘梁架101由三根冷弯方形空心型钢和两根槽钢焊接成“日”字形结构，结构紧凑、布局合理。底盘梁架101的宽度、长度根据要挂接的农业机具的尺寸确定。本实施例中搭载的小麦播种机构3为三行播种机，可根据小麦播种行距确定底盘梁架101的宽度。

如图4到图6所示，所述车轮支架102为曲拐形状，其上端为回转轴113，其下端为曲拐；回转轴113通过带座轴承106安装在底盘梁架101的四角，车轮103安装在曲拐下端，车轮103上设置有从动链轮110；曲拐上端设置有转向杆111和伺服电机固定座112，电动推杆105的尾端与底盘梁架101铰接，电动推杆105的推杆端与转向杆111端铰接，伺服电机104安装在伺服电机固定座112上，伺服电机104通过减速器107、主动链轮108、链条109与车轮103上的从动链轮110连接。

如图7所示，所述动力控制器2包括单片机、CAN分析仪、CAN总线、四个伺服电机驱动器和上位机PC；动力控制器采用STM32F103ZET6单片机作为主控制器，采用CAN总线向四个伺服电机驱动器发送控制指令，实现四轮同步驱动和差速转向功能；CAN分析仪作为中继传输控制信息，可以利用USB-CAN Tool工具软件直接进行CAN总线的配置、发送和接收，并实时监测主控制器对伺服电机驱动器发送的指令；单片机分别向四个电动推杆105发送信号，控制电动推杆105的启停和正反转，能精确控制推杆的行程，从而精确控制车轮103转向；上位机PC用于调整、监测动力控制器。

如图1到图3所示，所述农用AGV底盘还带有小麦播种机构3和智能精量播种控制设备；所述小麦播种机构3包括智能转速控制电机301和升降装置302，所述智能转速控制电机301驱动小麦播种机构3中的排种器，所述升降装置302控制小麦播种机构3中的播种器303升降，本实施例中所述的播种器303为圆盘开沟器；所述小麦播种机构3和智能精量播种控制设备安装在底盘梁架101上，智能精量播种控制设备控制智能转速控制电机301和升降装置302，从而控制小麦播种机构3播种。

如图7所示，所述智能精量播种控制设备包括GNSS卫星天线401、高精度控制器402、电台接收天线403和LCD人机交互触摸屏；高精度控制器402中设置有GNSS高精度定位模块，GNSS卫星天线接收卫星导航数据，经过GNSS高精度定位模块测算农用AGV底盘的实际行驶速度，根据农用AGV底盘的实际行驶速度控制智能转速控制电机301的转速，从而精确控制小麦播种机构3中的排种器的排种量；电台接收天线403用于网络通讯；LCD人机交互触摸屏用于设定控制命令、显示通讯数据和驱动反馈信息。

本实施例所述的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘工作时，四个伺服电机104分别通过减速器107、主动链轮108、链条109和车轮103上的从动链轮110驱动车轮103转动，使一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘运动。四个电动推杆105进行伸缩直线运动时，推动车轮支架102上的转向杆111转动，从而使车轮支架102转动并带动车轮103角度偏转，从而实现一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘的车轮转向。

考虑到实际作业中复杂的农田环境，为提高本实施例所述的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘的有效驱动力和过弯极限，同时保证小麦播种作业的动力需求，故采用四轮驱动的结构。同时，假设车轮103运动时与地面接触为纯滚动而无相对滑动，则本实施例所述的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘全轮转向遵循阿克曼转向几何原理。考虑到本实施例所述的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘高速转向时，前后车轮103同向偏转易发生侧滑，因此设定前后轮互为反向偏转，且内侧轮偏角大于外侧轮偏角。这种转向方式，在不平整的土壤条件下也具备良好的通过能力和转向能力，且当车轮103最大偏转±90°时，可实现一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘蟹形转向，灵活地侧移至毗邻行作业。

如图7所示，本实施例所述的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘的动力控制器2采用STM32F103ZET6单片机作为动力控制器2的主控制器，同时采用CAN总线技术向伺服电机驱动器发送控制指令，实现四轮同步驱动和差速转向功能。伺服电机上带有编码器，反馈驱动信息。CAN分析仪作为中继系统传输控制信息，可以利用USB-CAN Tool工具软件直接进行CAN总线的配置、发送和接收，并实时监测主控对驱动器发送的指令。一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘当前通讯数据和驱动反馈信息均可显示在单片机LCD人机交互触摸屏上。

伺服驱动器根据指定路径按照T型加速策略进行速度控制，运动过程采用模糊控制算法调节伺服电机的转速，以达到一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘的整体稳定。搭配完善的上位机驱动系统软件Motion Studio，可对伺服电机进行数据监测和运动控制，并通过示波器采集电机运动过程中的速度、位置、误差等实时参数，支持数据和波形文件的导出。

电动推杆105转向时，由单片机采集电动推杆105上的编码器(霍尔传感器)的脉冲信号，并通过PWM控制技术向电动推杆105的电机发送信号，脉冲调整程序控制电机的启停和正反转，从而精确控制推杆的行程数据。基于本实施例设计的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘的转向结构，电动推杆105的行程变化经过车轮支架102变为车轮103的偏转角度变化，因此通过电动推杆105行程和车轮103转角之间的拟合关系y＝0.6x-90.8，调整电动推杆105的行程量即可控制车轮103的精准转向。控制器路径规划的角度偏差可自动切换最优方案，并由霍尔传感器监测实际转角进行辅助转向控制。

如图1到图3和图7所示，本实施例的小麦播种机构3工作时，使用智能转速控制电机301取代传统地轮驱动排种器运转。所述智能精量播种控制设备中的GNSS卫星天线401接收卫星导航数据，经过GNSS高精度定位模块测算农用AGV底盘的实际行驶速度，根据农用AGV底盘的实际行驶速度控制智能转速控制电机301的转速，智能转速控制电机301通过链传动与小麦播种机构3的排种器进行传动，从而精确控制小麦播种机构3中的排种器的排种量；电台接收天线403用于网络通讯，协调小麦播种机构3工作。

小麦播种机构3播种作业完成后，小麦播种机构3的播种器303在升降装置302的控制下被提升至接近开关304的识别范围，当识别到播种器303被提升起来后，智能转速控制电机301自动停转，播种器303停止排种工作。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘，其特征是：包括移动底盘和动力控制器；所述移动底盘包括底盘梁架、四个车轮支架、四个车轮、四个伺服电机和四个电动推杆；所述四个车轮支架安装在底盘梁架的四角，四个车轮分别安装在四个车轮支架上，四个伺服电机分别驱动四个车轮，四个电动推杆分别控制四个车轮支架转向；动力控制器安装在底盘梁架上，动力控制器控制四个伺服电机和四个电动推杆，从而控制移动底盘行走。

2.根据权利要求1所述的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘，其特征是：所述车轮支架为曲拐形状，其上端为回转轴，其下端为曲拐；回转轴通过轴承安装在底盘梁架的四角，车轮安装在曲拐下端，车轮上设置有链轮；曲拐上端设置有转向杆和伺服电机固定座，电动推杆的尾端与底盘梁架铰接，电动推杆的推杆端与转向杆端铰接，伺服电机安装在伺服电机固定座上，伺服电机通过减速器、链轮、链条与车轮上的链轮连接。

3.根据权利要求1所述的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘，其特征是：所述动力控制器包括单片机、CAN分析仪、CAN总线、四个伺服电机驱动器和上位机PC；动力控制器把单片机作为主控制器，采用CAN总线向四个伺服电机驱动器发送控制指令，实现四轮同步驱动和差速转向功能；CAN分析仪作为中继传输控制信息，可以进行CAN总线的配置、发送和接收，并实时监测主控制器对伺服电机驱动器发送的指令；单片机分别向四个电动推杆发送信号，控制电动推杆的启停和正反转，能精确控制推杆的行程，从而精确控制车轮转向；上位机PC用于调整、监测动力控制器。

4.根据权利要求1所述的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘，其特征是：所述农用AGV底盘还带有小麦播种机构和智能精量播种控制设备；所述小麦播种机构包括智能转速控制电机和升降装置，所述智能转速控制电机驱动小麦播种机构中的排种器，所述升降装置控制小麦播种机构中的播种器升降；所述小麦播种机构和智能精量播种控制设备安装在底盘梁架上，智能精量播种控制设备控制智能转速控制电机和升降装置，从而控制小麦播种机构播种。

5.根据权利要求4所述的一种四驱全轮精准转向的农用AGV底盘，其特征是：所述智能精量播种控制设备包括GNSS卫星天线、高精度控制器、电台接收天线和LCD人机交互触摸屏；高精度控制器中设置有GNSS高精度定位模块，GNSS卫星天线接收卫星导航数据，经过GNSS高精度定位模块测算农用AGV底盘的实际行驶速度，根据农用AGV底盘的实际行驶速度控制智能转速控制电机的转速，从而精确控制小麦播种机构中的排种器的排种量；电台接收天线用于网络通讯；LCD人机交互触摸屏用于设定控制命令、显示通讯数据和驱动反馈信息。