一种高度、轮距可调的智能驾驶电动植保作业车

技术领域

本发明属于农机技术领域，具体涉及一种高度、轮距可调的智能驾驶电动植保作业车。

背景技术

我国地广辽阔，农业环境丰富，作物种类多样，小麦大豆等作物的农艺要求差异化明显，其中行距明显，固定的轮距无法实现农业机械机的通用化，随着作物的生长，株高变化大，传统的植保车高度不可调，只能行走在行间，无法横跨在作物上。

现有的农机的驱动动力一般为发动机驱动，随着电池的容量越来越大，可以将电池作为动力用于农机上，相比传动的驱动方式，具有重量轻，节能环保等优点；同时传统的农机轮距和高度无法根据作物的生长进行调节，通用性差。

现有的农机的操作方式一般为人工操作方向盘进行转向和行走，这种结构大多依靠人力实现，浪费了人力，尤其对工作环境严峻，如炎热天气等，需要人们忍受高温环境进行作业，智能化低，给人们带来了麻烦，同时现有的农机的高度和轮距无法根据作物的高度和行间距进行适应性的调节，使用麻烦，因此，研究一种高度、轮距可调的智能驾驶电动植保作业车称为了必要。

发明内容

针对现有设备存在的缺陷和问题，本发明提供一种高度、轮距可调的智能驾驶电动植保作业车，有效的解决了现有设备中存在的轮距和高度不可调、农机驱动方式智能化低的问题。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：一种高度、轮距可调的智能驾驶电动植保作业车，包括前车架、后车架、折腰转向机构、轮距调整机构、高度调节机构和喷杆机构；所述前车架和后车架通过折腰转向机构连接形成车架主体，前车架上安装有电源和遥控接收器，所述后车架上安装有药箱、隔膜泵和龙门架，所述轮距调整机构设置在移动轮和车架之间；所述高度调节机构包括连接座、U形螺栓和轮架，所述连接座固定在车架上，U形螺栓贯穿连接座并将轮架固定在连接座上，轮架的底部安装有移动轮，每个移动轮均安装有驱动电机；所述折腰转向机构包括转向电机、前转向架、后转向架、齿轮组和驱动轴，所述前车架和后车架的对接处分别固定有前转向架和后转向架；所述转向电机经支架安装在后转向架上，所述前转向架固定在驱动轴上，后转向架转动设置在驱动轴的两端；所述转向电机经齿轮组与驱动轴传动连接，从而使前转向架能在转向电机的驱动下相对后转向架转动；所述喷杆机构包括升降架、边轮、电动推杆、主喷杆和侧喷杆；所述升降架的两侧设置有边轮，边轮嵌套在龙门架两侧的轨道上，所述电动推杆设置在升降架和龙门架之间，用于驱动升降架沿龙门架升降；所述主喷杆固定在升降架上，侧喷杆折叠设置在主喷杆上。

进一步的，所述齿轮组包括主动齿轮、从动齿轮、套装齿轮和驱动齿轮；转向电机的转轴上套装有主动齿轮，主动齿轮与从动齿轮啮合，套装齿轮同轴套装在从动齿轮下部，驱动齿轮与套装齿轮啮合；驱动齿轮的下部固定套装在驱动轴的上部。

进一步的，所述主喷杆的两侧与侧喷杆之间设置有折叠件，所述折叠件包括上横板、下横杆、中轴、卡座和挡片；所述上横板和下横杆分别沿水平方向设置在主喷杆的上下两端，所述中轴沿竖向贯穿上横板和下横杆，且能转动；卡座呈梯形状结构，卡座固定在中轴上，且其底部卡坐在圆管状的下横杆上，挡片位于中轴的上部，弹簧套装在中轴上，并位于挡片和卡座之间。

进一步的，所述轮距调整机构包括调节套、调节杆和限位螺栓；所述调节套固定在前机架上，调节杆套装在调节套内，且调节套和调节杆上分别开有固定孔和多个定位孔；限位螺栓调整在固定孔和定位孔将调节杆和调节套的位置保持。

进一步的，所述轮架上设置有卡槽，卡槽上对应标识有刻度，U形螺栓匹配卡套在卡槽内。

进一步的，还包括控制系统，所述控制系统包括传感器、上位机、控制器、隔膜泵、驱动电机和转向电机；所述传感器用于接收植保车的车况信息，并上传至控制器，上位机经无线模块向控制器发送指令，控制器接收车况信息和指令后进行分析，并通过控制隔膜泵、驱动电机和转向电机的工作来对植保车的喷雾功率、车速和转向进行调节。

本发明的有益效果：本发明采用轻量化的结构设计，并对驱动方式进行了改进，减轻土地压实；车身设计具备可调整性，以适应不同作物如小麦、玉米和大豆等；选用电机作为动力，并以电瓶为动力来源，提高机械的智能控制水平；作业车可使用遥控器远程控制，切换自动模式后，可根据预定路线进行路径跟踪，实现作业车的自主行走。自主行走植保作业车的开发，可以减少农药用量和生产成本，减少操作危害，提高作业效率。

本发明中作业车采用结构上轮距和底盘离地间隙可调、动力上搭配四轮驱动的方案，其中轮距调整结构在1～1.3m范围可调，底盘离地间隙设计为0.5～1.3m可调。确定了路径跟踪策略，并通过李雅普诺夫函数分析了转向控制的稳定性；为提高植保作业车的控制精度，提出了传感器的扩展卡尔曼滤波算法和驱动电机的PID控制方式；折腰转向协调转向的车辆更加机动，优于滑行转向，确保植保车在转弯期间，可以保持驱动元件提供的最大推力；

喷杆设计宽度为6m，喷杆的折叠后的最合理尺寸与轮距相差不大，可以更好地进行转场作业。采用多段式折叠的方法，在主喷杆与侧喷杆的连接处，设计了一种可以按压旋转的结构，卡座固定在中轴上，且卡坐在下横杆上，挡片位于中轴的上部，弹簧套装在中轴上，并位于挡片和卡座之间，使用梯形槽固定，这种结构可以方便的进行折叠或展开，同时保证作业时的平衡性和稳定性。

由此本发明提供了一种轮距、高度可调的植保作业车，可以根据作业的行间距和株高进行适应性的调节，能适用于植保全期喷雾，通用性强，驱动方式采用电瓶驱动，并搭载轻质的车架，控制方式采用遥控控制，提高了植保作业的智能化程度，适用范围广，操作方便，节省了人力。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的主视图。

图3为图1的前视图。

图4为图1的后视图。

图5为车架的结构示意图。

图6为图5的俯视图。

图7为图5的主视图。

图8为折叠件的结构示意图。

图9为折腰转向结构示意图。

图10为图9的另一视角图。

图11为轮距调整机构的另一种结构示意图。

图12为控制系统的框式结构示意图。

图13为姿态获取的流程框式图。

图14为路径跟踪的流程框式图。

图15为行走系统动力学坐标图形.

图16为极坐标下作业车与目标点误差。

图17为捷联惯性导航示意图。

图18为PID控制器框图。

图19为电机电枢等效电路。

图20为直流电机动态结构示意图。

图中的标号为：1为前车架，2为后车架，3为折腰转向机构，31为转向电机，32为主动齿轮，33为从动齿轮，34为套装齿轮，35为驱动齿轮,36为驱动轴，37为前转向架，38为后转向架；4为电源，5为遥控接收器，6为药箱，7为龙门架，8为升降架，9为边轮，10为主喷杆，11为侧喷杆，12为调节套，13为调节杆，14为连接座，15为U形螺栓，16为轮架，17为移动轮，18为上横板，19为下横杆，20为中轴，21为卡座，22为弹簧，23为挡片；24为齿条，25为齿轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：本实施例旨在提供一种高度、轮距可调的智能驾驶电动植保作业车，主要用于植保领域，随着作物的生长，其株高发生变化，且不同作物的行距存在差异，传统的植保车无法根据这些变化进行调节，致使其通用性差，且操作方式多为人工操作，操作人员暴露在恶劣的环境中，给人们带来了麻烦，为此，本实施例提供了一种车架高度、轮距可调的遥控电动植保车。

如图1所示，一种高度、轮距可调的智能驾驶电动植保作业车包括前车架1、后车架2、折腰转向机构3、轮距调整机构、高度调节机构和喷杆机构；所述前车架1和后车架2通过折腰转向机构3连接形成车架主体，前车架1上安装有电源4和遥控接收器5，所述后车架2上安装有药箱6、隔膜泵和龙门架7，由于本实施例中采用遥控控制，车架无须承受发动机、人的重力，车架采用轻质材质，只需承受电源和药箱的重力即可，减轻土地压实和植保车整体自重，更加轻便，便于运输、收纳和投放。

所述轮距调整机构设置在移动轮17和车架之间；所述轮距调整机构包括调节套12、调节杆13和限位螺栓；所述调节套12固定在前机架1上，调节杆13套装在调节套12内，且调节套13和调节杆12上分别开有固定孔和多个定位孔；限位螺栓调整在固定孔和定位孔将调节杆和调节套的位置保持，本实施例中调节杆和调节套均为方管结构，方管结构不会发生自转，只能发生相对滑动，稳定性好，调节套可以为一根方管，并作为车架的基础结构，调节杆套装在调节套的端部，并通过限位螺栓将调节杆和调节套贯穿固定在一起。

所述高度调节机构包括连接座14、U形螺栓15和轮架16，所述连接座14固定在调节杆13的末端，如图1-4所示，连接座14垂直固定在调节杆的外侧端部，U形螺栓15贯穿连接座14并将轮架16抱箍在连接座14上，轮架16的底部安装有移动轮17，每个移动轮均安装有驱动电机；通过松动U形螺栓能使轮架相对于连接座能上下滑动，对车架相对于轮架的高度进行调节，待调整到位后，拧紧U形螺栓即可完成车架相对于其底部植株的高度调整。

所述折腰转向机构3包括转向电机31、前转向架37、后转向架38、齿轮组和驱动轴36，所述前车架1和后车架2的对接处分别固定有前转向架37和后转向架38；所述转向电机31经支架安装在后转向架38上，所述前转向架37固定在驱动轴36上，后转向架38转动设置在驱动轴36的两端；所述转向电机31经齿轮组与驱动轴36传动连接，从而使前转向架能在转向电机的驱动下相对后转向架转动；所述齿轮组包括主动齿轮32、从动齿轮33、套装齿轮34和驱动齿轮35；转向电机的转轴上套装有主动齿轮，主动齿轮与从动齿轮啮合，套装齿轮同轴套装在从动齿轮下部，驱动齿轮与套装齿轮啮合；驱动齿轮的下部固定套装在驱动轴的上部。

本实施例中由转向电机31与齿轮组传动连接，然后将动力传递给驱动轴36，驱动轴转动使前转向架相对于后转向架转动，因此，通过转向电机31的转速和转向即可实现车架的定向转向，为遥控转向提供了设备支持。

所述喷杆机构包括升降架8、边轮9、电动推杆、主喷杆10和侧喷杆11；所述升降架8的两侧设置有边轮9，边轮9嵌套在龙门架7两侧的轨道上，所述电动推杆设置在升降架和龙门架之间，用于驱动升降架沿龙门架升降；所述主喷杆10固定在升降架8上，侧喷杆11折叠设置在主喷杆10上。

本实施例中还包括控制系统，所述控制系统包括姿态传感器、上位机、控制器、隔膜泵、驱动电机和转向电机；所述姿态传感器用于接收植保车的车况信息，并将车况信息上传至控制器，上位机经无线模块向控制器发送指令，控制器的信号输出端分别经控制隔膜泵、驱动电机和转向电机的工作来对植保车的喷雾功率、车速和转向进行调节。

具体的，本实施例中如图12所示，姿态传感器包括磁强计、陀螺仪和GPS定位模块，磁强计、陀螺仪和GPS定位模块将数据进行卡尔曼滤波，根据姿态数据转换(坐标变换)的矩阵数据，偏航修正，计算偏航累加值得出目标油门速度和目标转向速度数据：

1、车辆运动模型的矩阵

图15中O为铰接点，带有电机助力转向；O

为了得到行走平台的运动学方程，需要假设几种情况：平台转向角φ在小位移情况下保持恒定；忽视低速引起的动力效应；行走平台在平面上运动时没有滑移效应。

前后车架的非完整性积分约束可由以下公式表示：

转向角φ与前后车架的方位角之间的运动关系可表示为

前车架的平移运动方程可表示为：

速度v

由(3)、(6)、(7)联立可得

角度

x

y

在所提出的方法中，变量是折腰角度的变化速率

2、偏航修正

对于预定路径的二维坐标点，作业车需要根据自身信息和靶标信息调整转向并更新路径点，所以建立作业车在大地坐标系中的运动过程如图16

x＝-ecosθ

y＝-esinθ

式中：e——误差距离；

θ

θ

(13)的时间导数可写为

联立(14)(15)(16)得

将(4)(5)代入(17)得到

取(14)(15)的时间倒数代入(4)(5)得

由图2分析可知θ

结合运动学分析可得

结合运动学模型矩阵(12)，极坐标中作业车的运动方程可归纳为

在自动控制领域中，李雅普诺夫稳定性(Lyapunov stability)可用来描述一个动力系统的稳定性。Lyapunov稳定性理论是设计控制系统的常用工具。这里我们考虑一个简单的二次方程作为候选Lyapunov函数。

让作业车最初定位在距靶标的非零位置，转向控制系统的目的是控制作业车，使其与靶标精确对准。实际是在找到一个稳定的控制律

考虑正定形式

V的时间导数为

将(22)代入(24)得

展开得

经过稳定性理论分析，可以得到

结合公式(20)，可以得到

当λ

因此，

最后，我们注意到有一种特殊情况，即控制器无法稳定机器人的配置。当φ和θ

变量是折腰角度的变化速率

3、捷联惯性导航

惯性导航系统分为平台式惯性导航和捷联式惯性导航，早期的惯性导航系统都是平台式的，平台式惯导有实体的物理平台，陀螺仪和加速度计置于由陀螺稳定的平台上，该平台跟踪导航坐标系，以实现速度和位置解算，姿态数据直接取自于平台的环架。

优点：直接模拟导航坐标系，计算比较简单；能隔离载体的角运动，系统精度高，缺点：结构复杂，体积大，制作成本高。

还有另一种捷联式惯性导航，捷联的英文原义是“捆绑”的意思。因此捷联式惯性导航也就是将惯性测量元件，包括陀螺仪和加速度计，直接装在需要姿态、速度、航向等导航信息的主体上，用计算机的测量信号变换为导航参数。

优点是没有平台，架构简单，体积小，维护方便，缺点：惯性元件直接装在载体上，环境恶劣，对元件要求较高；坐标变换中计算量大，总体来看，捷联惯导比平台式惯导优势明显。

4、电机控制

4.1 PID控制

PID(比例-积分-微分，proportional-integral-derivative)控制器来源为19世纪90年代的调速器设计。PID控制器在船舶的自动操作系统中逐步发展，由Elmer Sperry于1911年开发的控制器是最早的PID控制器之一，而第一位发表PID控制器理论分析理论的工程师是俄裔美国工程师尼古拉斯·米诺尔斯基(Nicolas Minorsky，1922)。米诺尔斯基在控制器的基础上推导出了数学公式，目的是稳定，而不是一般控制，这大大简化了问题。比例控制在小扰动下可以保持稳定，但不能消除稳态误差，因此增加了积分项，后面加上微分项。

控制回路由三部分组成：系统传感器获得的测量结果，控制器做出决定，然后通过执行硬件做出反应。控制器从传感器获取测量值，然后从需求结果中减去测量结果以获得差值。该数值用于计算系统的校正值作为输入，以便系统可以消除其输出中的错误。此校正有三种算法可消除当前错误数值，平均过去错误数值、通过差值变化预测未来错误数值。

PID控制器可用于控制可测量和控制的任何变量。例如，它可用于控制温度，压力，流量，化学成分，速度等。汽车上的巡航定速功能就是一个例子。在工业控制应用中，PID控制器是常用的反馈回路组件。控制器将收集的数据与参考值进行比较，然后使用差值计算新的输入值。计算的目的是允许系统数据达到或维持在参考值。PID控制器可根据历史数据和差值的发生率调整输入值，提高系统的准确性和稳定性，如16所示，PID控制器可以视为是频域系统的滤波器。在计算控制器最终是否会达到稳定结果时，此性质十分重要。如果数值挑选不当，控制系统的输入值会反复振荡，导致系统可能永远无法达到预设值。若定义控制输出为u(t),PID时域表达式如下

式中：K

K

K

e——误差，设定值与测量值差数；

t——当前时间；

τ——积分变数，数值为0到当前时间；

T

T

PID控制器通过加权误差信号e(t)获得控制信号u(t)，驱动受控对象，并使误差e(t)沿减小方向变化，从而实现控制要求。若T

分析图4-5，对(4-1)进行拉普拉斯变换，可得到PID控制器的传递函数

4.2驱动电机控制

1)驱动电机数学模型

作业车的驱动电机为他励电机

E＝K

式中：E——驱动电机感应电动势，V；

K

Φ——电机每磁极的磁通，Wb；

n

C

T

式中：T

K

I

C

驱动电机运行时电枢等效电路如图19，可列出微分方程如下

式中：T

T

J——转动惯量，N·m

从直流电机拖动系统理论分析的，

电流与电动势传递函数为

式中：I

通过公式(4-6)、(4-7)、(4-8)得到直流电机动态结构，如图20所示直流电机动态结构示意图。

植保作业姿态获取对于自动行走来说十分重要，需要捷联惯导系统和卫星导航定位系统协作保证数据的准确性和可靠性。采用扩展卡尔曼滤波算法对陀螺仪和加速度计输出的数据进行滤波，如果干扰值过大，加入GPS的坐标信息结算作业车的姿态信息；姿态获取的具体流程如图13所示。

自主植保作业车的控制模式采用手动和自动两种方式，可以使用遥控器进行人机交互。在自动模式下，可以输入预定路径的KML数据，植保作业车控制器通过读取IMU姿态信息和GPS卫星定位信息调整转向，控制驱动电机按照预定路径自主行走，利用航向跟踪实现路径跟踪，利用上位机控制软件定义行驶路径信息(KML)，与作业车控制器利用无线电通信或直接存储到作业车控制器内。由作业车上安装的GPS模块实时接收卫星定位信号，主控制器将当前定位信息与定义的路径信息进行解算，进而得出目标航向，控制转向角度和速度，路径跟踪的流程如图14所示。

在作业过程中，作业车通过无线通讯模块实时回传位置和速度信息，在电脑或手机端可以进行查看并修改航线或行驶速度，通讯方式采用了MAVLink协议，可以直接使用在此协议下开发的开源地面站软件。作业车的驱动电机需要控制器输出PWM信号控制驱动电机进行调速，转向电机也是如此，控制器使用了脉冲触发开关控制开闭喷雾系统的隔膜泵。

上位机控制软件(地面站)采用开源项目软件QGroundControl，作业车与地面站的通信需要利用无线电模块。SiK无线电模块是一种体积小，重量轻且价格低廉的开源无线电平台，通常可以提供超过300米的连接范围(使用贴片天线，该范围可以扩展到几公里)，该模块使用开源固件，专门设计用于与MAVLink数据包配合使用。通信频率可以是915Mhz或433Mhz，接收器灵敏度为-121dBm，发射功率高达20dBm(100mW)，串行链路空中数据速率高达250kbps。

控制器的型号为ATMEGA2560-16AU；由于是反馈控制，单片机需不断计算数据，同时需要不断接收姿态传感器及定位信息，对数据进行运算处理，这就要求单片机要有较快的运算速度和较强的稳定性。

由此本实施例提供了一种轮距、高度可调的植保作业车，可以根据作业的行间距和株高进行适应性的调整轮距和车架高度，能适用于植保全期喷雾，通用性强，控制方式采用遥控控制，提高了植保作业的智能化程度，适用范围广，操作方便，节省了人力。

实施例2：本实施例与实施例1基本相同，其不同在于：本实施例对主喷杆10和侧喷杆11之间的折叠结构进一步限定。

所述主喷杆的两侧与侧喷杆之间设置有折叠件，所述折叠件包括上横板18、下横杆19、中轴20、卡座21和挡片23；所述上横板18和下横杆19分别沿水平方向设置在主喷杆的上下两端.上横板18呈平板状结构，下横杆19为圆杆结构，所述中轴20沿竖向贯穿上横板和下横杆，且能转动；卡座21呈梯形且固定在中轴上，卡座21底部卡坐在下横杆19上，挡片23位于中轴20的上部，弹簧22套装在中轴上，并位于挡片和卡座之间。

本实施例中提供了一种能手动折叠的侧喷杆的结构，使侧喷杆能折叠在主喷杆上，使用方便，且在折叠状态和展开状态均能保持稳定的姿态，结构稳定，操作方便。

实施例3：本实施例与实施例1基本相同，其不同在于：本实施例对高度调整机构进一步说明。

所述轮架上设置有卡槽，卡槽上对应标识有刻度，本实施例中U形螺栓卡固在卡槽内，卡槽的设置防止U形螺栓向下滑动，提高了卡箍的稳定性，且四个轮架上的卡槽对应设置并有对应的刻度作为参考，从而保证了车架的平稳度，为车架的高度调整设置了参考。

实施例4：本实施例与实施例1基本相同，其不同在于：本实施例对轮距调整机构的结构进一步说明。

如图11所示，调节杆上侧面设置有齿条24，调节套上开有通孔，齿轮25嵌套在通孔内并与齿条24啮合，本实施例中提供了一种能自动调节轮距的结构，齿轮上设置有电机，电机与齿轮传动连接，通过控制电机的转动驱动齿轮，齿轮驱动齿条，从而由控制器控制电机的转向来调节轮距的大小。