CN219549238U - 一种作业装置的曲线轨迹控制*** - Google Patents

Abstract

本实用新型属于机械控制技术领域，涉及一种作业装置的曲线轨迹控制***。作业装置由作业平台和执行机构组成，在作业装置工作过程中，通过对于环境的感知，精准定位目标物后，由两个方向的运动合成曲线轨迹，其中一个运动为执行机构随作业平台的纵向运动，另一运动为执行机构横向伸缩，解决作业装置曲线轨迹控制问题。该***至少包括液压泵、发动机、电液比例方向阀、液压缸、电压转换模块、电液比例方向阀驱动模块、位移传感器、环境感知模块、单片机、遥控器；单片机与位移传感器、触发开关、电液比例方向阀驱动模块、遥控器相互通信连接。公开的方法和装置可以实现对作业装置的曲线轨迹控制。

Description

一种作业装置的曲线轨迹控制***

技术领域

本实用新型涉及机械控制技术领域，具体涉及一种作业装置的曲线轨迹控制***。

背景技术

在重载的工况下，作业装置一般通过液压***进行驱动控制，不同于电力驱动，重载工况下难以对执行机构按某一规律进行调控。目前已有的作业装置，如3D打印机、激光切割机、数字机床等，可以实现对执行机构的曲线轨迹控制，但是在重载和作业平台移动的工况下，暂无针对执行机构的曲线轨迹控制***，使得在某些特殊场景下作业装置难以完成作业。且现存装置，如除草机的避障装置，虽可以满足曲线作业，但对其运动规律无法进行调控。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种作业装置的曲线轨迹控制***，面向重载工况，实现作业装置运动状态调控的作业要求。

本实用新型要解决的技术问题：如何在重载的工况下实现作业装置的运动轨迹的精准控制。

为了实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：

一种作业装置的曲线轨迹控制***，其特征在于：由主控***2和电液比例方向阀调速回路1组成；主控***2控制电液比例方向阀调速回路1完成曲线轨迹作业；

电液比例方向阀调速回路1驱动液压缸6，带动执行机构18的横向伸缩运动；

所述电液比例方向阀调速回路1至少包括发动机8、液压缸6、溢流阀4、液压泵7、油箱3、电液比例方向阀5；

所述发动机8驱动液压泵7，为电液比例方向阀调速回路1提供动力；

所述溢流阀4并联安装于液压泵7的输出管路；

所述电液比例方向阀5的进油口连接液压泵6的输出管路，出油口连接油箱3，工作油口A、B分别与液压缸6进出油口相连；通过控制电液比例方向阀5的阀口开度及通流方向，调节液压回路流量及方向，进而调节液压缸6运动状态，从而控制执行机构18横向伸缩运动状态；

所述的液压缸6的横向运动是变速运动，与随作业平台17的纵向上的匀速直线运动合成，形成曲线轨迹；所述的曲线轨迹由目标物26以及与下一个相邻目标物26之间的间距为依据实时规划；

所述的一种作业装置的曲线轨迹控制***，其特征在于：通过主控***2实现信号传递与处理；主控***2至少包括单片机15、环境感知模块13、位移传感器10、遥控器14、电压转换模块12、电液比例方向阀驱动模块11、锂电池16；

所述环境感知模块13与单片机15通信连接，生成并传输触发信号；

所述单片机15通过ADC通道采集所述位移传感器10的电压值，并转换为数字电信号，用于计算液压缸6位移量；

所述单片机15根据位移传感器10实时采集的位移量与设定位移量的偏差，通过闭环PID算法求得输出量，并转换为PWM波的形式输出；通过调节PWM波的占空比改变电平信号的绝对值，经电压转换模块12驱动电液比例方向阀11，改变电液比例方向阀5的阀口开度；根据控制量正负号判断电液比例方向阀5通流方向；

所述遥控器14通过红外线与单片机15通信连接，用于人机交互；

所述锂电池16为各模块提供工作电压与工作电流。

所述的一种作业装置的曲线轨迹控制***，其特征在于：设置位移传感器10实时监测执行机构18的横向位移，通过反馈的位移量来实现执行机构18横向伸缩运动规律的闭环控制。

所述的一种作业装置的曲线轨迹控制***，其特征在于：适应重载工况下执行机构18的曲线轨迹的精准控制，特别适用于农业环境中的避障除草作业、环沟施肥作业，不排除应用于工业环境中作业装置的曲线轨迹控制。

所述的一种作业装置的曲线轨迹控制***，其工作原理如下：

在进行曲线作业时，首先利用遥控器启动作业装置，输入作业参数，轨迹半径参数；然后，作业平台开始保持匀速直线行驶，当机械触杆碰触到目标物时，机械触杆受目标物作用力，向后旋转直至碰触到触发开关为止，产生目标物位置信号；作业平台依然保持匀速直线行驶，单片机接收到目标物位置信号后，产生PWM波信号，并实时接收位移传感器的位移信号，利用PID算法构成闭环控制***，控制液压缸的运动方向与速度，完成绕目标物的曲线作业；作业平台继续保持匀速直线行驶，到达下一目标物的位置，继续重复上述作业。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型设计的控制***，提供了一种用小型单片机控制液压缸运动状态的控制方式，大大减少了开发成本，同时运行简单可靠，提高了作业装置的工作效率，可适应重载工况；通过对执行机构的轨迹进行控制，达到实现精准作业的要求，例如可满足精准施肥要求；本实用新型设计的遥控器控制方式，方便用户根据不同作业要求输入作业参数，同时可以对整个***进行重启，防止误差累计，并可以随时启停***，防止出现问题，安全性和实用性较高；本实用新型设计的控制***包括有PID闭环控制算法，可提高轨迹控制精度，鲁棒性强；本实用新型设计的控制***可基于现有拖拉机或履带车进行改造，移值性强，简单方便，适用于其他适用于重载场合作业装置的曲线轨迹控制。

附图标记：

1.电液比例方向阀调速回路2.主控***3.油箱4.溢流阀5.电液比例方向阀6.液压缸7.液压泵8.发动机9.执行机构10.位移传感器11.电液比例方向阀驱动模块12.电压转换模块13.环境感知模块14.遥控器15.单片机16.锂电池17.作业平台18.执行机构19.触发开关20.机械触杆21.伸缩架22.固定架23.销24.施肥车25.环沟施肥装置26.目标物。

附图说明

图1是一种作业装置的曲线轨迹控制***总体***结构框图

图2是一种作业装置的作业平台与执行机构安装位置示意图

图3是一种作业装置的执行机构结构及环境感知模块安装示意图

图4是一种作业装置的曲线轨迹控制***运行方向与液压缸伸缩距离示意图

图5是一种作业装置的执行机构中液压缸安装示意图

图6是一种作业装置的曲线轨迹控制***部件布置位置俯视图

图7是一种作业装置的具体实施例的环沟施肥装置示意图

图8是一种作业装置的曲线轨迹控制***的曲线轨迹及与目标物位置关系示意图

图9是一种作业装置的曲线轨迹控制***的程序逻辑控制流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型进一步详细说明：

本实施例是在矮砧苹果园中机械化环沟施肥作业过程中控制环沟施肥装置以树干为中心，在树冠投影边缘开辟一宽约0.3m×深0.4m的连续环状沟，并将肥料与土壤混合，完成施肥。

如图7所示，环沟施肥装置25通过四连杆连接方式挂载于配套的施肥车24后方，配套有三个地轮以及送肥装置等，装置动力来自于配套的施肥车头部的柴油发动机。

如图3和图5所示，本实施例中的执行机构为滑套式伸缩机构，环境感知模块由触发开关19和机械触杆20组成，位移传感器10用于检测固定架与伸缩架之间的相对距离；所述液压缸6缸体通过销23固定在所述固定架22上，活塞杆通过销23固定在所述伸缩架21上。

如图4和图8所示，本实施例中，施肥车运行方向与环沟施肥装置伸缩方向相互垂直，其中L1代表伸缩架伸缩距离，在本实例中最大为1m；X方向代表作业平台运动方向，Y方向代表执行机构运行方向；本实施例中，所述目标物26为果树树干，曲线轨迹为环沟施肥轨迹；所述目标物所在行，即果树树行，与作业平台移动方向平行。

所述液压缸5缸体通过销固定在所述固定架6后方，活塞杆通过销固定在所述伸缩架4前方，通过液压缸的运动带动开沟施肥器运动；因为液压缸驱动环沟施肥装置的运行方向与施肥车运行方向相互垂直，由于施肥车速度不变，改变液压缸的运行速度，便可实现曲线轨迹，达到环沟施肥目的。

所述单片机15芯片选用型号为STM32F103ZET6，板载有红外接收器，用于接收遥控器所发射的红外信号；芯片内部有ADC转换功能，将位移传感器的模拟电信号转换为数字电信号，用于PID控制算法的反馈。

所述控制***采用增量式PID控制算法，通过如下公式计算规划轨迹：

式中：

X为施肥装置的位移量，m；

V为施肥车的车速，m/s；

r为果树之间株距，m；

t为行驶时间，s；

所述单片机通过上述轨迹公式，产生不同的电信号，驱动电液比例方向阀改变流量，从而控制液压缸的运行速度；

所述位移传感器10选用型号为WPS拉绳位移传感器，最大行程1250mm，输出0~5V的电平信号。

所述遥控器14上有10个数字按键以及3个功能按键，通过输入不同的数字组合输入不同的株距值，功能按键则分别不同控制***的启停与重启。

所述电压转换模块12选用型号为LM2596S，可调输入电压范围为4~40V，输出电压范围可调为1.25~37V。

所述电液比例方向阀驱动模块11选用型号为RT-PSDM2，其工作电压为8~32V，通过不同电平信号对所述电液比例方向阀的电磁铁进行控制，从而达到控制流入所述液压缸的流量大小，进而控制液压缸的运动状态。

所述电液比例方向阀5选用型号为4WRA6E30-2X/G24N9K4/M，其中位机能为O型，保证液压缸换向时的稳定动作。

所述溢流阀4与所述液压泵7布置在配套的施肥车的头部，所述液压泵与发动机相连，所述溢流阀并联安装在液压泵的输出管路上；所述电液比例方向阀7串联安装在液压泵的输出管路上，用于控制液压缸运动方向及运动速度；所述油箱串联安装在所述电液比例方向阀的出油口处；所述液压缸5进油口与所述电液比例方向阀的A工作油口相连，出油口与电液比例方向阀的B工作油口相连。

进一步说明本实用新型所述的一种作业装置的曲线控制***的工作原理：

（1）施肥车24在纵向上始终保持匀速直线运动，同时环沟施肥装置在纵向上始终随作业平台运动；在机械触杆20未检测到目标物时，环沟施肥装置在横向上保持设定的初始位置静止不动；

（2）机械触杆20精准定位果树树干；

（3）机械触杆检测到果树树干时，主控***2根据设定的轨迹及相应的运动规律，控制执行机构在横向上运动；

（4）环沟施肥装置的横向运动与随施肥车的纵向上的匀速直线运动合成，环沟施肥装置的末端轨迹形成曲线轨迹；

（5）环沟施肥装置横向运动到设定位移后，主控***根据设定的轨迹及相应的运动规律，控制环沟施肥装置横向返回初始位置保持静止；

（6）重复步骤2~5。

以下3点需要特别说明：

1.本实用新型的目的是提供一种作业装置的曲线轨迹控制***，采用电液比例方向阀结合单片机的控制方式，以及位移传感器，提供了一种电液伺服控制***的构成方式，解决了液压缸变速运动的问题。

2.本实用新型一种作业装置的曲线轨迹控制***除了可挂载于配套的施肥车外，仍适用于其他可挂载机架的作业平台。

3.本实用新型说明书以及附图为了清楚说明技术方案，给出了一些技术方案细节，这些细节并非对本实用新型权利要求书的限定。任何对这些细节所做的变形或修改，均不超出本实用新型权利要求保护范围。

Claims (4)

1.一种作业装置的曲线轨迹控制***，其特征在于：由主控***（2）和电液比例方向阀调速回路（1）组成；主控***（2）控制电液比例方向阀调速回路（1）完成曲线轨迹作业；

电液比例方向阀调速回路（1）驱动液压缸（6），带动执行机构（18）的横向伸缩运动；

所述电液比例方向阀调速回路（1）至少包括发动机（8）、液压缸（6）、溢流阀（4）、液压泵（7）、油箱（3）、电液比例方向阀（5）；

所述发动机（8）驱动液压泵（7），为电液比例方向阀调速回路（1）提供动力；

所述溢流阀（4）并联安装于液压泵（7）的输出管路；

所述电液比例方向阀（5）的进油口连接液压泵（7）的输出管路，出油口连接油箱（3），工作油口A、B分别与液压缸（6）进出油口相连；通过控制电液比例方向阀（5）的阀口开度及通流方向，调节液压回路流量及方向，进而调节液压缸（6）运动状态，从而控制执行机构（18）横向伸缩运动状态；

所述的液压缸（6）的横向运动是变速运动，与随作业平台（17）的纵向上的匀速直线运动合成，形成曲线轨迹；所述的曲线轨迹由目标物（26）以及与下一个相邻目标物（26）之间的间距为依据实时规划。

2.根据权利要求1所述的一种作业装置的曲线轨迹控制***，其特征在于：通过主控***（2）实现信号传递与处理；主控***（2）至少包括单片机（15）、环境感知模块（13）、位移传感器（10）、遥控器（14）、电压转换模块（12）、电液比例方向阀驱动模块（11）、锂电池（16）；

所述环境感知模块（13）与单片机（15）通信连接，生成并传输触发信号；

所述单片机（15）通过ADC通道采集所述位移传感器（10）的电压值，并转换为数字电信号，用于计算液压缸（6）位移量；

所述单片机（15）根据位移传感器（10）实时采集的位移量与设定位移量的偏差，通过闭环PID算法求得输出量，并转换为PWM波的形式输出；通过调节PWM波的占空比改变电平信号的绝对值，经电压转换模块（12）驱动电液比例方向阀驱动模块（11），改变电液比例方向阀（5）的阀口开度；根据控制量正负号判断电液比例方向阀（5）通流方向；

所述遥控器（14）通过红外线与单片机（15）通信连接，用于人机交互；

所述锂电池（16）为各模块提供工作电压与工作电流。

3.根据权利要求1所述的一种作业装置的曲线轨迹控制***，其特征在于：设置位移传感器（10）实时监测执行机构（18）的横向位移，通过反馈的位移量来实现执行机构（18）横向伸缩运动规律的闭环控制。

4.根据权利要求1所述的一种作业装置的曲线轨迹控制***，其特征在于：适应重载工况下执行机构（18）的曲线轨迹的精准控制，特别适用于农业环境中的避障除草作业、环沟施肥作业，不排除应用于工业环境中作业装置的曲线轨迹控制。