CN108432382A - 一种高垄自适应仿形底盘及其工作方法 - Google Patents

一种高垄自适应仿形底盘及其工作方法 Download PDF

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CN108432382A CN201810126100.7A CN201810126100A CN108432382A CN 108432382 A CN108432382 A CN 108432382A CN 201810126100 A CN201810126100 A CN 201810126100A CN 108432382 A CN108432382 A CN 108432382A
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刘继展
周童
李男
赵升燚
周昕
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Abstract

本发明公开了一种高垄自适应仿形底盘及其工作方法，涉及农业装备领域。由平台、自适应仿形单元、调高轮系单元、探测控制单元组成，两侧设置下端铰接在仿形单元机架上、上端由直动元件和弹簧串接并在圆弧槽内滑动的辊筒，由探测装置检测高垄两侧垄沟的间距和高垄侧面的倾角，控制箱控制横向双头丝杠带动轮系自动进行轮距调整，并由直动元件自动调整两侧辊筒的倾角和拉伸弹簧张紧程度，从而使辊筒保持与垄侧的贴靠并实现在垄体误差下的自动仿形行进。本发明将弹性摆动斜辊筒结构和基于高垄探测的轮距、辊筒倾角自动调整相结合，实现对高垄的垄形规格自适应和有误差垄体的自动仿形行走，结构与控制简单，适应性强，满足了各类高垄的跨垄作业要求。

Description

一种高垄自适应仿形底盘及其工作方法
技术领域
本发明涉及农业装备技术领域，特别涉及一种高垄自适应仿形底盘及其工作方法。
背景技术
高垄栽培是在常规栽培的基础上，把栽培行做成20-30公分高的垄，作物种在垄上，增加通风透光的一项栽培方式。由于其土壤保温性能好、通风透气产量高、便于田间管理、可以提高果实品质等优点，在农业生产中得到了广泛的应用。
对高垄栽培的机械化作业，必须以能够实现在垄沟内行走和跨垄作业的底盘为基础。同时，农业劳动力的急缺已使无人驾驶操作且跨垄行走的自动底盘技术成为现实需求。
现有底盘技术中，由于垄沟间距和垄沟宽度较小，拖拉机等通用动力底盘难以实现高垄间的行走和配套作业；而具有较高地隙的底盘则多针对高杆作物而非高垄栽培，且均基于GPS、北斗或机器视觉等导航实现自动行走，其导航方法和精度无法满足沿高垄行走的需求。
由于生产中不同作物、不同地域的起垄规格不一，且高垄多为人工修葺，垄形变化较大、垄面和垄侧存在误差。因而高垄的自动行走底盘需适应垄形变化与垄体误差，并能良好满足不同垄形、宽窄规格的作业需要。中国专利(201110043267.5)公开了一种幼苗移栽机底盘，采用了两端螺栓固定的左、右辊筒式自动导向***，仅能手动调节左、右辊筒的间距，而不能实现对垄形的自适应和有误差垄体的浮动仿形。
发明内容
本发明提供一种高垄自适应仿形底盘及其工作方法，以实现各类规格高垄的自适应仿形行走，为自动高垄作业提供移动平台支持。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种高垄自适应仿形底盘，包括平台、自适应仿形单元、调高轮系单元、探测控制单元；
所述自适应仿形单元包括纵向车梁、辊筒、仿形单元机架、滑槽板、拉伸弹簧、直动元件、电机、双头丝杠、横移螺母、滑轨和滑块，所述纵向车梁与平台的中心线平行布置，所述平台为方形框架结构，沿底盘行进方向的前后两边上分别固定有两滑轨，滑轨内设有可沿其横向水平滑动的滑块，滑块固定纵向车梁的两端，两纵向车梁内侧对称固定仿形单元机架，仿形单元机架的上端固定滑槽板，仿形单元机架的下端铰接辊筒的下端，辊筒的上端通过销在滑槽板上开设的圆弧槽内滑动，两辊筒的上端之间连接有拉伸弹簧、支撑杆、固定块和直动元件，双头丝杠的两端安装于平台两侧边上，并由固定于平台上的电机带动，旋向相反的两个横移螺母分别与双头丝杠上对称两段旋向相反的螺纹连接，横移螺母的下端固定于纵向车梁的中部；
所述调高轮系单元包括调高板和内装电机车轮，所述调高板为90°折弯结构，上折弯部分与滑块通过螺栓螺母连接，下折弯部分通过减震车叉固定内装电机车轮；支撑杆的一端铰接在调高板的下折弯部分，支撑杆的另一端与固定块铰接，固定块和纵向车梁的水平纵向槽间通过螺栓螺母连接；所述调高板上折弯部分与滑块设有若干个等间距通孔；
所述探测控制单元包括相连接的探测装置和控制箱，探测装置安装在平台前端，控制箱安装在平台上。
上述方案中，所述圆弧槽是以辊筒长度为半径、辊筒与仿形单元机架的铰接点为圆心的圆弧。
上述方案中，所述直动元件可以为电动推杆、气缸、液缸，所述探测装置可以为摄像头、深度传感器、超声传感器。
一种高垄自适应仿形底盘的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，控制高垄自适应仿形底盘移至高垄B前并对准高垄B，探测装置检测高垄B两侧垄沟的间距和高垄B侧面的倾角；
步骤二，控制箱根据高垄B两侧垄沟的间距控制电机转动，电机带动双头丝杠回转，使得左右两个横移螺母带动纵向车梁横向对称合拢和扩开，自动调整两侧内装电机车轮间的轮距和辊筒下端的间距，从而自适应不同宽度的高垄B和高垄B两侧垄沟的间距；
步骤三，控制箱根据高垄B侧面的倾角控制直动元件的伸缩，改变两侧辊筒上端的间距，实现辊筒倾角的自动调整，从而自适应不同的高垄B的垄形；
步骤四，两侧辊筒分别贴靠在高垄B的两个侧面，控制箱控制内装电机车轮转动，带动可调式高垄自动仿形底盘跨过高垄B并沿高垄B的垄向前进，拉伸弹簧的伸缩使得两侧辊筒的上端在圆弧槽内滑动，从而使辊筒保持与高垄B的两个侧面的贴靠，实现高垄自适应仿形底盘在高垄B的垄体误差下的自动仿形前进。
本发明的有益效果是：将弹性摆动斜辊筒结构和基于高垄探测的轮距、辊筒倾角自动调整相结合，实现对高垄的垄形规格自适应和有误差垄体的自动仿形行走，结构与控制简单，适应性强，满足了各类高垄的跨垄作业要求。
附图说明
图1为高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人结构示意图；
图2为穴盘侧向进给单元结构示意图；
图3为高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人作业的俯视关系示意图；
图4为本发明高垄自适应仿形底盘结构示意图；
图5为本发明自适应仿形单元的结构示意图。
图中，1.高垄A，2.穴盘侧向进给单元，3.取苗爪，4.竖直直线移动机构，5.水平直线移动机构，6.框架，7.托盘架，8.竖直打孔单元，9.测距传感器，10.通用底盘，11.导向凹槽，12.压板，13.穴盘，14.侧向直线移动机构，15.导轨，16.电动弹顶杆，17.弹性限位开关，18.电动顶杆，19.穴孔，20.栽植孔，101.平台，102.高垄B，103.探测装置，104.纵向车梁，105.辊筒，106.仿形单元机架，107.滑槽板，108.拉伸弹簧，109.直动元件，1010.控制箱，1011.电机，1012.双头丝杠，1013.横移螺母，1014.滑轨，1015.滑块，1016.支撑杆，1017.调高板，1018.减震车叉，1019.内装电机车轮，1020.固定块，1021.圆弧槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明。
高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人以2n(n＝1，2，…)列的穴盘13内培育的草莓苗为对象，其中培育的第1～n列和第n+1～2n列草莓苗的弓背方向对称向外。
如图1所示，高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人由通用底盘10、托盘架7、取送苗单元、穴盘侧向进给单元2、竖直打孔单元8、控制器(PLC，型号为：XDM-60T10-E)及测距传感器9构成，通用底盘10上沿行进方向v1从前向后依次固定安装测距传感器9、托盘架7和穴盘侧向进给单元2，测距传感器9固定于通用底盘10的前部，测距传感器9竖直向下进行距离探测；托盘架7为水平多层结构，托盘架7固定于通用底盘10上，穴盘侧向进给单元2横向布置于通用底盘10的后部，取送苗单元位于穴盘侧向进给单元2的上方。竖直打孔单元8具有两个竖直的打孔头，两个打孔头相对通用底盘10的纵向中心线对称，且两个打孔头的中心线距离等于穴盘13的穴孔19列距e的n倍。
如图2所示，取送苗单元包括框架6、竖直直线移动机构4、水平直线移动机构5和两个取苗爪3，框架6为方形框架结构，框架6的底部固定于通用底盘10上，水平直线移动机构5的基座固定于框架6的顶部，水平直线移动机构5的动台运动方向v2与通用底盘10的跨垄行进方向v1平行，竖直直线移动机构4的基座固定于水平直线移动机构5的动台上，竖直直线移动机构4的动台沿竖直方向运动，两个取苗爪3竖直固定于竖直直线移动机构4的动台上，两个取苗爪3相对通用底盘10的纵向中心线对称，且两个取苗爪3的中心线距离等于穴盘13的穴孔19列距e的n倍。
如图2所示，穴盘侧向进给单元2包括导向凹槽11、两个压板12、侧向直线移动机构14、导轨15、电动弹顶杆16、弹性限位开关17和电动顶杆18，导向凹槽11与侧向直线移动机构14的动台固定连接，导向凹槽11与通用底盘10之间通过导轨15连接，电动顶杆18的本体固定于导向凹槽11的外侧面，电动顶杆18的动头竖直向上，压板12与电动顶杆18的动头固定，并由弹性限位开关17的开合控制电动顶杆18的伸缩。电动弹顶杆16竖直固定于通用底盘10上，电动弹顶杆16位于导向凹槽11进给方向v3的前方，电动弹顶杆16与导向凹槽11的距离小于穴盘13长度的1/2。
如图3所示，利用高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人对高垄进行草莓穴盘秧苗自动移栽的控制和作业流程如下：
(1)通过遥控使通用底盘10跨在一条高垄A1上并以速度v1自动沿高垄A1前进；
(2)测距传感器9实时测量高垄A1的垄面高度；
(3)竖直打孔单元8根据测距传感器9所测量的垄面高度确定竖直下降的距离，从而在不同垄面高度或垄面高度有波动时打出相对通用底盘10的纵向中心线对称的深度一致的栽植孔20；通用底盘10行进过程中，竖直打孔单元8在高垄A1的垄面上不断以周期T1打出行距H等于穴盘13的穴孔19列距e的n倍、株距为D的栽植孔20，即
H＝n×e (1)
D＝T1×v1 (2)
(4)通用底盘10以速度v1自动沿高垄A1前进、竖直打孔单元8打孔的同时，取送苗单元以周期T1完成穴盘13内第1列和第n+1列的第1行2株草莓苗的取苗、送苗和栽植，并使所栽植两行草莓苗的弓背朝向高垄A1的外侧；为保证草莓苗被准确栽入打好的栽植孔20内，每一次打孔和相应取放苗完成时刻的间隔为：
T2＝L/v1 (3)
其中L为高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人打孔位A和作业位B沿行进方向的距离。
(5)高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人继续行进打孔并顺序完成穴盘13内第1列和第n+1列草莓苗的取苗、送苗和栽植，侧向直线移动机构14带动第i个穴盘13进给1个列距e，继续进行第2列和第n+2列草莓苗的取苗、送苗和栽植，依次直至第i个穴盘13内的草莓苗取完；
(6)侧向直线移动机构14带动导向凹槽11返回初始位置，同时控制***命令电动顶杆18伸出使压板12打开；
(7)操作者将下一盘带苗的穴盘13沿导向凹槽11推入，上一个空的第i个穴盘13被带苗的穴盘13推动并跳过弹性限位开关17离开导向凹槽11；
(8)下一盘带苗的穴盘13被推到位触发弹性限位开关17，使电动顶杆18收缩带动压板12下压住带苗的穴盘13的唇边，实现带苗的穴盘13在导向凹槽11内的定位；
(9)下一盘带苗的穴盘13被推到位触发弹性限位开关17，同时使电动弹顶杆16快速弹出，将上一个空的穴盘13顶出落入高垄A1之间通道内；
(10)高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人重复上述流程继续作业。
本发明的高垄自适应仿形底盘结构示意图如图4、5所示，由平台101、自适应仿形单元、调高轮系单元和探测控制单元组成，自适应仿形单元由纵向车梁104、辊筒105、仿形单元机架106、滑槽板107、拉伸弹簧108、直动元件109(可以为电动推杆、气缸、液缸)、电机1011、双头丝杠1012、横移螺母1013、滑轨1014和滑块1015构成；纵向车梁104与平台101的中心线平行布置，仿形单元机架106竖直固定于纵向车梁4的内侧前部，左右两个仿形单元机架106横向对称布置，左右两个滑槽板107的一端分别固定于左右两个仿形单元机架106的内侧上方，左右两个辊筒105的下端分别铰接于左右两个仿形单元机架106的内侧下方，两个辊筒105的上端分别通过销在两个滑槽板107上开设的圆弧槽1021内滑动，右边的辊筒105上端连接拉伸弹簧108的一端，拉伸弹簧108的另一端与直动元件109的一端相连，直动元件109的另一端与左边的辊筒105上端相连；平台101底部的前、后方分别横向水平固定两滑轨1014，滑轨1014内设有可沿其横向水平滑动的滑块1015，滑块1015固定纵向车梁104两端；双头丝杠1012横向水平布置，双头丝杠1012的两端通过轴承对称安装于水平的平台101上，双头丝杠1012由固定于平台101上的电机1011带动；旋向相反的左右两个横移螺母1013分别与双头丝杠1012上对称两段旋向相反的螺纹连接，横移螺母1013的下端固定于纵向车梁4的中部。滑块1015上4～6个等间距通孔，纵向车梁104上开有水平纵向槽。圆弧槽1021是以辊筒105长度为半径、辊筒105与仿形单元机架106的铰接点为圆心的圆弧。
调高轮系单元由支撑杆1016、调高板1017、减震车叉1018、内装电机车轮1019和固定块1020组成，调高板1017为90°折弯结构，上折弯部分开有与滑块1015通孔间距一致的4～6个等间距通孔，调高板1017的上折弯部分和滑块15通过螺栓螺母连接，调高板1017的下折弯部分固定减震车叉1018的上端，减震车叉1018的下端固定于内装电机车轮1019的轮轴两端，调高板1017的下折弯部分还铰接支撑杆1016的一端，支撑杆1016的另一端与固定块1020铰接，固定块1020和纵向车梁104的水平纵向槽间通过螺栓螺母连接。
探测控制单元包括探测装置103(可以为摄像头、深度传感器、超声传感器)和控制箱1010(核心部件是PLC，型号为：XDM-60T10-E)，探测装置103安装在平台101的前部中间位置，控制箱1010固定于平台1上，探测装置103与控制箱1010相连，实现信号的传输。
利用本发明高垄自适应仿形底盘实现跨高垄自动导航行走的方法如下：
(1)根据高垄B102的垄面高度和作业需要，通过手动调整调高板1017上折弯部分通孔与滑块1015上通孔的对应螺栓螺母安装顺序，调整平台101底部距离高垄B102的垄面间的高度，从而适应不同高垄B102的垄面高度；
(2)手动或自动控制高垄自适应仿形底盘移至高垄B102前并对准高垄B102，平台101前方的探测装置103检测高垄B102两侧垄沟的间距以及高垄B102侧面的倾角；
(3)控制箱1010根据高垄B102两侧垄沟的间距控制电机1011转动，电机1011带动双头丝杠1012回转，使得左右两个横移螺母1013带动纵向车梁4横向对称合拢和扩开，自动调整两侧内装电机车轮1019间的轮距和辊筒105下端的间距，从而自适应不同宽度的高垄B102和高垄B102两侧垄沟的间距；
(4)同时，控制箱1010根据高垄B102侧面的倾角控制直动元件109的伸缩，改变两侧辊筒105上端的间距，实现辊筒105倾角的自动调整，从而自适应不同的高垄B102的垄形；
(5)两侧辊筒105分别贴靠在高垄B102的两个侧面，控制箱1010控制内装电机车轮1019转动，带动可调式高垄自动仿形底盘跨过高垄B102并沿高垄B102的垄向前进，拉伸弹簧108的伸缩使得两侧辊筒105的上端在圆弧槽1021内滑动，从而使辊筒105保持与高垄B102的两个侧面的贴靠，实现高垄自适应仿形底盘在高垄B102的垄体误差下的自动仿形前进。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高垄自适应仿形底盘，其特征在于，包括平台(101)、自适应仿形单元、调高轮系单元、探测控制单元；
所述自适应仿形单元包括纵向车梁(104)、辊筒(105)、仿形单元机架(106)、滑槽板(107)、拉伸弹簧(108)、直动元件(109)、电机(1011)、双头丝杠(1012)、横移螺母(1013)、滑轨(1014)和滑块(1015)，所述平台(101)为方形框架结构，沿底盘行进方向的前后两边上分别固定有两滑轨(1014)，滑轨(1014)内设有可沿其横向水平滑动的滑块(1015)，滑块(1015)固定纵向车梁(104)的两端，两纵向车梁(104)内侧对称固定仿形单元机架(106)，仿形单元机架(106)的上端固定滑槽板(107)，仿形单元机架(106)的下端铰接辊筒(105)的下端，辊筒(105)的上端通过销在滑槽板(107)上开设的圆弧槽(1021)内滑动，两辊筒(105)的上端之间连接有拉伸弹簧(108)和直动元件(109)，双头丝杠(1012)的两端安装于平台(101)两侧边上，并由固定于平台(101)上的电机(1011)带动，旋向相反的两个横移螺母(1013)分别与双头丝杠(1012)上对称两段旋向相反的螺纹连接，横移螺母(1013)的下端固定于纵向车梁(104)的中部；
所述调高轮系单元包括调高板(1017)和内装电机车轮(1019)，所述调高板(1017)为折弯结构，上折弯部分与滑块(1015)通过螺栓螺母连接，下折弯部分通过减震车叉(1018)固定内装电机车轮(1019)；
所述探测控制单元包括相连接的探测装置(103)和控制箱(1010)，探测装置(103)安装在平台(101)前端，控制箱(1010)安装在平台(101)上。
2.根据权利要求1所述的一种高垄自适应仿形底盘，其特征在于，所述调高轮系单元还包括支撑杆(1016)、固定块(1020)，支撑杆(1016)的一端铰接在调高板(1017)的下折弯部分，支撑杆(1016)的另一端与固定块(1020)铰接，固定块(1020)和纵向车梁(104)的水平纵向槽间通过螺栓螺母连接。
3.根据权利要求1所述的一种高垄自适应仿形底盘，其特征在于，所述调高板(1017)为90°折弯结构。
4.根据权利要求1所述的一种高垄自适应仿形底盘，其特征在于，所述圆弧槽(1021)是以辊筒(105)长度为半径、辊筒(105)与仿形单元机架(106)的铰接点为圆心的圆弧。
5.根据权利要求1所述的一种高垄自适应仿形底盘，其特征在于，所述纵向车梁(104)与平台(101)的中心线平行布置。
6.根据权利要求1所述的一种高垄自适应仿形底盘，其特征在于，所述调高板(1017)上折弯部分与滑块(1015)设有若干个等间距通孔。
7.根据权利要求1所述的一种高垄自适应仿形底盘，其特征在于，所述直动元件(109)可以为电动推杆、气缸、液缸。
8.根据权利要求1所述的一种高垄自适应仿形底盘，其特征在于，所述探测装置(103)可以为摄像头、深度传感器、超声传感器。
9.一种高垄自适应仿形底盘的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，控制高垄自适应仿形底盘移至高垄B(102)前并对准高垄B(102)，探测装置(103)检测高垄B(102)两侧垄沟的间距和高垄B(102)侧面的倾角；
步骤二，控制箱(1010)根据高垄B(102)两侧垄沟的间距控制电机(1011)转动，电机(1011)带动双头丝杠(1012)回转，使得左右两个横移螺母(1013)带动纵向车梁(104)横向对称合拢和扩开，自动调整两侧内装电机车轮(1019)间的轮距和辊筒(105)下端的间距，从而自适应不同宽度的高垄B(102)和高垄B(102)两侧垄沟的间距；
步骤三，控制箱(1010)根据高垄B(102)侧面的倾角控制直动元件(109)的伸缩，改变两侧辊筒(105)上端的间距，实现辊筒(105)倾角的自动调整，从而自适应不同的高垄B(102)的垄形；
步骤四，两侧辊筒(105)分别贴靠在高垄B(102)的两个侧面，控制箱(1010)控制内装电机车轮(1019)转动，带动可调式高垄自动仿形底盘跨过高垄B(102)并沿高垄B(102)的垄向前进，拉伸弹簧(108)的伸缩使得两侧辊筒(105)的上端在圆弧槽(1021)内滑动，从而使辊筒(105)保持与高垄B(102)的两个侧面的贴靠，实现高垄自适应仿形底盘在高垄B(102)的垄体误差下的自动仿形前进。
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