CN108307746A - 一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置及其控制方法，包括栽插离合手柄自动换档装置包括换档驱动装置与纵向牵引装置；在插秧前，控制器根据编码器检测的伺服电机位置推算出手柄位置，判断手柄是否处在“中立”档位，若不处在“中立”档位，由车载计算机发出控制指令，并由上位机、控制器等控制伺服电机和电磁铁运动，使手柄归位；在插秧过程中，上位机向控制器发送插秧部上升、下降、驱动等指令时，由控制器生成指令传递给驱动器和牵引式电磁铁，驱动伺服电机转动，及电磁铁作纵向牵引运动，带动手柄完成换档。本发明可实现无人驾驶插秧机的栽插离合手柄自动换档，在不会破坏原有的机械结构就可达到传动目的，而且在不使用自动控制操作或插秧机出现故障时可以轻松拆卸。

Description

一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置及其控制 方法

技术领域：

本发明涉及农机机械技术领域，主要涉及一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置及其控制方法。

背景技术：

目前水田土壤条件多变，作业环境恶劣，易陷易滑，生产上水稻插秧机完全由人工操纵，劳动强度大，作业效率低，而且作业质量过分依赖操作者的操作技能，驾驶员长时间枯燥乏味的跟踪驾驶，极易产生疲劳，从而导致对插秧作业的准确性产生很大影响，易产生重行、漏行、插秧作业质量不稳定等缺陷，难以达到精准作业要求，造成减产，而且人工驾驶操作成本较高，难以将农户的利益最大化。实现水稻插秧机的自动化、智能化，将操作人员从恶劣的水田生产环境中解放出来，是解决水稻插秧现有问题的重要技术手段。

无人驾驶插秧机是综合运用计算机技术、导航技术、电子通信、自动控制等技术，用于解决土壤条件多变、作业环境艰苦、人工驾驶劳动强度大等问题。无人驾驶插秧机的栽插离合手柄自动换档装置是在无人驾驶插秧机工作过程中提高工作效率和插值精度的重要部件。而现有的自动换档机构多为机械结构，不能精确地控制档位运动，使无人驾驶插秧机工作时的出现较大的偏差。因此，研发无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置及控制方法，有利于插秧机更加精准的插秧作业，保证行距均匀，直线成行，减轻了劳动强度，并且能够在炎热天气、雨天、刮风天气、夜晚等各种恶劣环境下连续作业，大大提高了作业效率，也可提高水稻生产抗灾能力，进而增在水稻产量，节约作业成本，保证作业质量，降低能耗，增加农户收入，更有利于水稻插秧机的推广应用。

发明内容：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种成本低、结构简单、能够精确换档的无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置及其控制方法，同时使无人驾驶插秧机栽插离合手柄结构不易被破坏，其他配件易拆卸，可实现无人自动驾驶和人工驾驶并存，只需要拆除其他辅助配件，具有一定的通用性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置，包括有安装在插秧机上的支撑架，支撑架上安装有换挡支撑杆，换挡支撑杆外端套装有固定板，固定板上安装有栽插离合手柄，其特征在于：支撑架上安装有通过伺服电机控制转动的转轴，转轴外端固定套装有套筒，套筒外端固定套装有螺母，所述换挡支撑杆内端旋装入螺母中；固定板的下部设有多个与栽插离合手柄换档档位位置一一配合的档位定位槽，固定板的下方设有换挡限位器，换挡限位器上设有与档位定位槽配合的换挡限位杆，固定板转动后换挡限位杆卡入相应的档位定位槽中；换挡限位器定位端通过销轴和扭簧安装在支撑架上，换挡限位器活动端下方设有安装在支撑架上的牵引式电磁铁，牵引式电磁铁与换挡限位器的活动端之间连接有绳索；包括有控制器以及安装在伺服电机尾端的编码器，编码器的输出端与控制器的输入端电连接，控制器的输出端分别与伺服电机的驱动器和牵引式电磁铁的输入端电连接。

一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置，其特征在于：所述支撑架上安装有与伺服电机传动连接的减速器，减速器的输出轴上固定套装有主动直齿轮；支撑架上转动安装有与换挡支撑杆同心的转轴，转轴上固定套装有与主动直齿轮啮合传动的被动直齿轮。

一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置，其特征在于：转轴右端为正方形的凸台，所述套筒为六角螺母套筒，螺母为六角螺母，凸台套装在套筒左端，螺母套装在套筒右端；所述换挡支撑杆内端旋装入螺母中并与螺母焊接为一体；所述换挡支撑杆通过轴承转动安装在支撑架上。

一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置，其特征在于：所述栽插离合手柄通过U形双耳凸台固定安装在固定板的外表面上。

一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置，其特征在于：所述支撑架上安装有档位板，所述栽插离合手柄穿过档位板上的档位孔。

一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置的控制方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：

第一步，在插秧机启动工作前，通过编码器检测当前伺服电机的转角位置，将转角位置信号通过缆线传递给控制器，并推算出栽插离合手柄位置，将位置信息发送给上位机，并发送给车载计算机，若手柄不在“中立”档位，由车载计算机向上位机发送指令，再由上位机向控制器发送指令，进而控制伺服电机转动及电磁铁牵引运动，使手柄换回“中立”档位，再由编码器进一步检测，确保无误。

第二步，在进行插秧前，车载计算机向上位机发出指令，上位机向控制器发出插秧部下降指令，由控制器计算出伺服电机对应的运动方向和角度，生成相应的控制指令，再通过缆线传送给驱动器和牵引式电磁铁，由驱动器驱动伺服电机反转，由电磁铁牵引换档限位器，使得手柄转至“下”档位，此时插秧部缓慢下降至合适位置停止。

第三步，在进行插秧时，由车载计算机向上位机发出插秧开始指令，上位机向控制器发出插秧部驱动指令，由控制器通过缆线向驱动器以及牵引式电磁铁发出控制指令，由驱动器驱动伺服电机反转，由电磁铁牵引换档限位器，使得手柄转至“驱动”档位，此时分叉机构开始转动，开始插秧。

第四步，在插秧结束时，车载计算机向上位机发送插秧停止指令，上位机向控制器发出插秧部上升指令，由控制器计算出伺服电机对应的运动方向和角度，生成相应的控制指令，再通过缆线传送给驱动器和牵引式电磁铁，由驱动器驱动伺服电机正转，由电磁铁牵引换档限位器，使得手柄转至“上”档位，此时插秧部缓慢上升，完成指令。

所述的换档驱动装置包括控制器、编码器、驱动器、伺服电机、减速器、一对直齿轮、转轴、套筒，所述控制器、编码器、驱动器通过缆线连接，编码器安装在伺服电机尾端，伺服电机轴通过平键与减速器相连，减速器输出轴通过平键与主动直齿轮相连，主动直齿轮与从动直齿轮相互啮合，从动直齿轮与安装在插秧机座位下部的转轴通过键连接，转轴连接着套筒，套筒与栽插离合手柄换档支撑杆一端的螺母相配合；所述纵向牵引装置包括换档限位器、牵引式电磁铁、绳索，所述的换档限位器安装在座位固定架上，限位器一端开有一小孔，绳索穿过小孔与限位器连接，绳索另一端与电磁铁连接，电磁铁一侧与座位固定架相连，电磁铁通过缆线与控制器相连。

所述的换档驱动装置包括固定板、U形双耳凸台、栽插离合手柄等，固定板与换档支撑杆端部相连，固定板中部焊接有U形双耳凸台，栽插离合手柄的一端穿过U型双耳凸台的安装孔，通过销钉固定，换档支撑杆与滑动圆筒轴承配合，另一端通过螺母固定。

所述的换档驱动装置包括转轴和套筒，转轴直径为18mm，总长度为230mm，一端为边长为12.5mm的正方形凸台，长度为15mm，另一端为带有键槽的圆柱，直径为16mm，长度为40mm；套筒为14mm六角螺母套筒，与换档支撑杆一端的螺母相配合。

所述的纵向牵引装置包括换档限位器、牵引式电磁铁、绳索，换档限位器安装在座位固定架上，其转动轴安装一个圆柱形扭转弹簧，换档限位杆与固定板的卡槽相配合，牵引式电磁铁绳索穿过小孔固定在换档限位器的右端，电磁铁通过缆线与控制器相连。

本发明的优点是：

1、本发明以伺服电机为驱动力，经减速器将转速减小，可增大扭矩，在转轴和减速器轴之间以一对减速直齿轮连接，进一步降低转速，增大转矩，这种设计结构简单，传递稳定，而且能够提供较大的转矩和较为精确的转角运动。

2、本发明采用自行设计的转轴及螺母套筒，在不改变原机械结构的情况下，巧妙的运用套筒与螺母的配合的方式将转轴与换档支撑杆相连接，这种设计结构稳定可靠，传动方式简单，在不会破坏原有机械结构的情况下达到了传动目的，而且在不使用自动控制操作或插秧机出现故障时可以轻松拆卸，拆卸方便，并且控制速度和执行速度快。

3、本发明采用牵引式电磁铁作为栽插离合手柄纵向牵引运动的执行机构，牵引式电磁铁可以提供较大的牵引力，牵引换档限位器作纵向运动，能有效地减小换档时所需的转矩，简便高效，并且不会破坏原有机械结构。

4、本发明采用智能新颖的控制方法，换档精准精确，快速及时，安全可靠，可以大大提高插秧的效率，以及插秧的质量，面对复杂多变的田间环境，可以及时作出判断，生成相应的控制指令，完成相应的操作。

附图说明：

图1为本发明自动换档装置主视图。

图2为本发明自动换档装置左视图。

图3为本发明转轴示意图。

图4为本发明转轴-套筒-螺母配合示意图。

图5为本发明档位板示意图。

图6a为本发明手柄归中位方法示意图。

图6b为本发明插秧部下降方法示意图。

图6c为本发明插秧部驱动方法示意图。

图6d为本发明插秧部上升方法示意图。

图中编号：1.支撑架，2.直齿轮，3.伺服电机，4.转轴，5.套筒，6.六角螺母，7.换档支撑杆，8.圆筒滑动轴承，9.栽插离合手柄，10.U型双耳凸台，11.控制器，12.伺服电机，13.编码器，14.编码器缆线，15.伺服电机驱动器，16.牵引式电磁铁，17.绳索，18.换档限位杆，19.换档限位器，20.固定板，21.档位板。

具体实施方式：

参见附图。

一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置，包括纵向驱动装置和支撑架，所述的换档驱动装置包括控制器11、编码器13、驱动器15、伺服电机12、减速器3、一对直齿轮2、转轴4、套筒5，所述控制器11、编码器13、驱动器15通过缆线14连接，编码器15安装在伺服电机尾端，伺服电机轴通过平键与减速器3相连，减速器输出轴通过平键与主动直齿轮2相连，主动直齿轮与从动直齿轮相啮合，从动直齿轮与安装在插秧机座位下部的转轴4通过键连接，转轴连接着套筒5，套筒与栽插离合手柄换档支撑杆7一端的螺母6相配合，所述纵向牵引装置包括换档限位器19、牵引式电磁铁16、绳索17，所述的换档限位器19安装在座位固定架1上，限位器19一端开有一小孔，绳索17穿过小孔与限位器19连接，绳索17另一端与电磁铁16连接，电磁铁16一端与座位固定架1相连，电磁铁16通过缆线与控制器11相连。

所述的换档驱动装置包括固定板20、U形双耳凸台10、栽插离合手柄9等，固定板20与换档支撑杆7端部相连，固定板中部焊接有U型双耳凸台10，栽插离合手柄9的一端穿过U型双耳凸台的安装孔，通过销钉固定，换档支撑杆与圆筒滑动轴承8配合，另一端通过螺母6固定。

所述的换档驱动装置包括有转轴4与套筒5，由强度校核计算得出轴径为18mm，总长度为230mm，一端为边长为12.5mm的正方形凸台，长度为15mm，另一端为带有键槽的圆柱，直径为16mm，长度为40mm，套筒为14mm六角螺母套筒，与换档支撑杆一端的螺母6相配合。

所述的纵向牵引装置包括换档限位器19、牵引式电磁铁16、绳索17，换档限位器19安装在座位固定架上，其转动轴安装一个圆柱形扭转弹簧，换档限位杆18与固定板的卡槽相配合，牵引式电磁铁绳索17穿过小孔固定在换档限位器19的右端，电磁铁16通过缆线与控制器11相连。

参见附图1、2，本发明以伺服电机12作为栽插离合手柄的驱动装置，以减小转速、增大转矩的减速器3作为减速装置，以一对直齿轮2作为传动装置，以检测伺服电机转角及位置的编码器13作为检测装置，以伺服电机驱动器15作为伺服电机的驱动装置，以转轴4、套筒5作为换档支撑杆7的运动装置。当栽插离合手柄需要换档时，控制器11发出指令，经过驱动器15向伺服电机12和牵引式电磁铁16发送指令，伺服电机12使手柄作旋转运动，电磁铁16牵引换档限位器19作纵向运动，进而完成换档动作。

参见附图3、4，本发明的转轴4为自行设计、加工及装配的，是本发明运动装置重要的组成部分之一，转轴4一端与通过平键与从动直齿轮相连，另一端呈正方形凸台，与套筒5相互配合，将旋转运动传送给套筒5；本发明的套筒5是14mm六角螺母套筒，一端与转轴4配合，另一端与换档支撑杆一端的六角螺母6配合，将旋转运动传送给换档支撑杆7，使之带动手柄9运动，完成换档动作。

参见附图，本发明是一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置的控制方法，当插秧机采用无人驾驶模式时，由车载计算机控制整个驾驶工作***,本方法包括以下步骤：

第一步，如图6a,在插秧机启动工作前，通过编码器13检测当前伺服电机12的转角位置，将转角位置信号通过缆线14传递给控制器11，并推算出栽插离合手柄9位置，将位置信息发送给上位机，并发送给车载计算机，若手柄不在“中立”档位，由车载计算机向上位机发送指令，再由上位机向控制器11发送指令，进而控制伺服电机12转动及电磁铁16牵引运动，使手柄9换回“中立”档位，再由编码器13进一步检测，确保无误；

第二步，如图6b,在进行插秧前，车载计算机向上位机发出指令，上位机向控制器11发出插秧部下降指令，由控制器11计算出伺服电机12对应的运动方向和角度，生成相应的控制指令，再通过缆线14传送给驱动器15和牵引式电磁铁16，由驱动器驱动伺服电机反转，由电磁铁16牵引换档限位器19，使得手柄9转至“下”档位，此时插秧部缓慢下降至合适位置停止；

第三步，如图6c,在进行插秧时，由车载计算机向上位机发出插秧开始指令，上位机向控制器11发出插秧部驱动指令，由控制器11通过缆线14向驱动器15以及牵引式电磁铁16发出控制指令，由驱动器驱动伺服电机反转，由电磁铁牵引换档限位器19，使得手柄9转至“驱动”档位，此时分叉机构开始转动，开始插秧；

第四步，如图6d,在插秧结束时，车载计算机向上位机发送插秧停止指令，上位机向控制器11发出插秧部上升指令，由控制器计算出伺服电机12对应的运动方向和角度，生成相应的控制指令，再通过缆线14传送给驱动器15和牵引式电磁铁16，由驱动器驱动伺服电机正转，由电磁铁牵引换档限位器19，使得手柄9转至“上”档位，此时插秧部缓慢上升，完成指令。

通过上诉四步的描述，实现了在无人驾驶情况下插秧机的整个插秧作业过程。

Claims (6)

1.一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置，包括有安装在插秧机上的支撑架，支撑架上安装有换挡支撑杆，换挡支撑杆外端套装有固定板，固定板上安装有栽插离合手柄，其特征在于：支撑架上安装有通过伺服电机控制转动的转轴，转轴外端固定套装有套筒，套筒外端固定套装有螺母，所述换挡支撑杆内端旋装入螺母中；固定板的下部设有多个与栽插离合手柄换档档位位置一一配合的档位定位槽，固定板的下方设有换挡限位器，换挡限位器上设有与档位定位槽配合的换挡限位杆，固定板转动后换挡限位杆卡入相应的档位定位槽中；换挡限位器定位端通过销轴和扭簧安装在支撑架上，换挡限位器活动端下方设有安装在支撑架上的牵引式电磁铁，牵引式电磁铁与换挡限位器的活动端之间连接有绳索；

包括有控制器以及安装在伺服电机尾端的编码器，编码器的输出端与控制器的输入端电连接，控制器的输出端分别与伺服电机的驱动器和牵引式电磁铁的输入端电连接。

2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置，其特征在于：所述支撑架上安装有与伺服电机传动连接的减速器，减速器的输出轴上固定套装有主动直齿轮；支撑架上转动安装有与换挡支撑杆同心的转轴，转轴上固定套装有与主动直齿轮啮合传动的被动直齿轮。

3.根据权利要求1所述的一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置，其特征在于：转轴右端为正方形的凸台，所述套筒为六角螺母套筒，螺母为六角螺母，凸台套装在套筒左端，螺母套装在套筒右端；所述换挡支撑杆内端旋装入螺母中并与螺母焊接为一体；所述换挡支撑杆通过轴承转动安装在支撑架上。

4.根据权利要求2所述的一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置，其特征在于：所述栽插离合手柄通过U形双耳凸台固定安装在固定板的外表面上。

5.根据权利要求1所述的一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置，其特征在于：所述支撑架上安装有档位板，所述栽插离合手柄穿过档位板上的档位孔。

6.根据权力要求1所述的一种无人驾驶插秧机栽插离合手柄自动换档装置的控制方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：

第一步，在插秧机启动工作前，通过编码器检测当前伺服电机的转角位置，将转角位置信号通过缆线传递给控制器，并推算出栽插离合手柄位置，将位置信息发送给上位机，并发送给车载计算机，若手柄不在“中立”档位，由车载计算机向上位机发送指令，再由上位机向控制器发送指令，进而控制伺服电机转动及电磁铁牵引运动，使手柄换回“中立”档位，再由编码器进一步检测，确保无误；

第二步，在进行插秧前，车载计算机向上位机发出指令，上位机向控制器发出插秧部下降指令，由控制器计算出伺服电机对应的运动方向和角度，生成相应的控制指令，再通过缆线传送给驱动器和牵引式电磁铁，由驱动器驱动伺服电机反转，由电磁铁牵引换档限位器，使得手柄转至“下”档位，此时插秧部缓慢下降至合适位置停止；

第三步，在进行插秧时，由车载计算机向上位机发出插秧开始指令，上位机向控制器发出插秧部驱动指令，由控制器通过缆线向驱动器以及牵引式电磁铁发出控制指令，由驱动器驱动伺服电机反转，由电磁铁牵引换档限位器，使得手柄转至“驱动”档位，此时分叉机构开始转动，开始插秧；

第四步，在插秧结束时，车载计算机向上位机发送插秧停止指令，上位机向控制器发出插秧部上升指令，由控制器计算出伺服电机对应的运动方向和角度，生成相应的控制指令，再通过缆线传送给驱动器和牵引式电磁铁，由驱动器驱动伺服电机正转，由电磁铁牵引换档限位器，使得手柄转至“上”档位，此时插秧部缓慢上升，完成指令。