基于超声波传感器的农机行间自行走控制单元制造技术

本发明专利技术专利公开了超声波传感器的农机行间自行走控制单元，解决了当前农作物采收作业效率、自动化程度低的问题；本发明专利技术专利设计了四组超声波传感器的农机自行走控制单元，主要控制部分、位置检测部分、动力部分、行走部分、供电部分组成。位置检测部分采用四组超声波传感器对车体行间行驶位置检测；两个红外接近式开关，用于农机遇障自动停车；控制部分内集成微控制芯片、降压电路、电机驱动电路和通信接口；控制芯片接收四组距离数值信号，利用位置偏差、航向角偏差模型对车身姿态偏差进行判断，模糊控制推算当前偏差下的农机姿态修正所需转向角度。本控制单元的优点是通过传感器控制农机在行间自主行走，无需手动操控，减轻采收者劳动负担。收者劳动负担。收者劳动负担。

【技术实现步骤摘要】
基于超声波传感器的农机行间自行走控制单元


[0001]本专利技术专利属于农机自动化领域，具体用于提高农机的自动化、智能化程度，无需人工驾驶即可在行间完成自行走及采收作业。

技术介绍

[0002]目前作物采收方面没有农业机械可用，完全依靠人工进行，劳动环境恶劣、强度大、劳动力成本高和效率低且所需投入的劳动力约占农产品整个生产过程的50％
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60％，作物采收机械化水平低已成为限制我国农产品产业发展瓶颈。在复杂多变的非结构化的大田种植环境，全自动机械化采摘很难实现，从各方面因素对比考虑，乘坐式农机可以减轻采摘作业者的劳动强度，无需徒步在田间进行采摘，而且通过将农机与农业、农机与传感技术相融合，基于一款可以在行间自行走的小型电动农机，对其进行改装优化，加装超声波传感器行间自行走控制单元，使其无需人为操控就能实现行间自行走载人采收作业，既能保证采摘机匀速沿行间前进，也能保证采摘机不破坏两侧种植作物，大大降低了劳动强度，提高了采收效率。

技术实现思路

[0003]采收机行间自行走控制单元的原理是通过安装在农机四周的超声波传感器检测农机车体外侧与两侧作物植株的距离，通过控制芯片采集四组距离数据，结合位置偏差、航向角偏差计算模型算出农机当前位置偏差d和航向角偏差θ，将d和θ通过模糊算法推算出处于当前姿态偏差时所需要的农机转向角n，利用控制芯片D\A通道输出两路调速电压信号，电机驱动电路对调速信号进行隔离、阻抗匹配、功率放大后驱动电机差速旋转，即履带式农机进行差速转向修正车身姿态。
[0004]本专利技术专利的目的在于克服现有作物采摘作业模式的缺陷，综合微机测控技术、电子技术、传感技术和模糊控制算法模型，研制了作物采收机行间自行走控制单元，其运行稳定，抗干扰能力强，采收机自行走采摘效率相较人工徒步采摘提高约30％且劳动强度降低。
[0005]作物采收机行间自行走控制单元的研制包括位置检测部分、控制部分、动力部分、供电部分、行走部分。
[0006]位置检测部分的前超声波组(7)和后超声波组(5)采用DJLK
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003超声波传感器，收发一体探头设计，平面小角度测距。传感器与控制芯片通过RS485 总线进行通信，距离数值以帧数据格式传回，分别是帧头、DATAH、DATAL、 SUM，距离值L＝DATAH*256+DATAL。对距离采样值进行最小二乘拟合提高数据准确性和稳定性。
[0007]根据超声波传感器组(7)和(5)测量值结合位置偏差、航向角偏差计算模型计算当前农机姿态偏差公式为：前农机姿态偏差公式为：
[0008]位置检测部分的前红外接近开关(8)、后红外接近开关(6)，安装于传感器安装支
架(9)正中央处，即农机中心线处，方向分别指向前后，离地高度约为23cm。用于检测农机前进方向是否存在障碍物，起到遇障停车功能。检测距离10～40cm可调，可检测金属、塑料、玻璃、木头等透明和不透明的物体。且具有短路保护、抗干扰强、精度高、寿命久，响应速度迅速、IP67等级防护等优势。
[0009]控制部分(3)内部由低功耗且运算能力出色的微控制芯片 STM32F103ZET6，该芯片结合位置偏差和航向角偏差计算模型，利用模糊控制算法控制农机自行走；RS485通信接口用于接收超声波组(7)和后超声波组(5) 的距离数据；DC
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DC降压电路用于将供电部分提供的48V电压先降压为24V后二次降压至12V，12V电压降压至5V向前超声波组(7)和后超声波组(5)、前红外接近开关(8)、后红外接近开关(6)供电，12V电压降压至3.3V向控制芯片供电；控制芯片向电机驱动电路输入0～3.3V调速电压，驱动电路对调速信号进行隔离、阻抗匹配、功率放大后驱动电机差速旋转控制农机加速、减速、转向等。
[0010]动力部分包括48V/800W永磁无刷直流电机及其减速器组(4)，动力部分安装距农机尾部25cm处，对称安装向驱动轮(11)提供动力。农机搭配左右双电机，负载承受能力约为250kg，符合田间作业需求。
[0011]供电部分由四块铅酸蓄电池(2)组成，其供电电压为48V，容量为58.2Ah，可供农机在额定运行状态下作业5h以上。
[0012]行走部分(1)包括驱动轮(11)，其直径约为25cm；行走梁机构(14)，长度约为90cm；4个支重轮组(13)等距安装于行走梁机构(14)，直径约为20cm；导向轮(15)，其直径约为25cm；橡胶履带总成(12)，更适宜在田间行走，对土地破坏更小且不易发生滑移。
[0013]与现有技术相比，本专利技术专利研制的作物采收机行间自行走控制单元，具有如下有益效果：(1)针对本专利技术专利的农机行间自行走控制单元，解决了较为狭窄的农作物种植行间无配套农机具的现状，提高采摘作业的自动化程度；(2)针对本专利技术专利的农机行间自行走控制单元，利用小角度超声波传感器组和红外接近式开关检测农机车体姿态信息后传输给控制芯片；控制芯片内部结合模糊控制算法对农机姿态进行修正。
附图说明
[0014]图1为专利技术专利的基于超声波传感器的黄花菜采收机行间自行走控制单元俯视图；
[0015]图2为专利技术专利的基于超声波传感器的黄花菜采收机行间自行走控制单元侧视图；
[0016]图3为专利技术专利的农机行间车体姿态偏差判断模型图；
具体实施方式
[0017]下面结合附图对专利技术专利做进一步描述。
[0018]如图1至2的基于超声波传感器的农机行间自行走控制单元，，其特征在于，包括位置检测部分、控制部分、动力部分、供电部分、行走部分。
[0019]位置检测部分的前超声波组(7)和后超声波组(5)采用DJLK
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003超声波传感器，对
于传感器通过RS485总线进行通信，距离数值以帧数据格式传回，分别是帧头、DATAH、DATAL、SUM，距离值L＝DATAH*256+DATAL。对距离采样值进行最小二乘拟合提高数据准确性和稳定性，实际距离值Y和超声波传感器测量值X的拟合关系如下Y＝1.003X+1.83。传感器实时向控制部分(3) 传输距离数值，控制芯片结合位置偏差、航向角偏差计算模型实时判断农机位置，并通过模糊控制对路线进行修正。
[0020]传感器距离值结合图3所示的位置偏差、航向角偏差计算模型计算当前农机姿态偏差公式为：偏差公式为：
[0021]位置检测部分的前红外接近开关(8)、后红外接近开关(6)，安装于传感器安装支架(9)正中央处；在农机以任意方向前进时，当农机行驶路线前方存在金属、塑料、玻璃、木头等透明和不透明的物体且距农机距离小于40cm时，红外接近开关闭合，向控制部分(3)发送高电平，控制芯片接收到遇障警告后向电机驱动器发送电机停车信号，农机遇障停车。
[0022]控制部分(3)内部由低功耗且运算能力出色的微控制芯片 STM32F103ZET6，该芯片通过位置偏差和航向角偏差模型计算，结合模糊控制算法控制农机自行走；RS485本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于超声波传感器的农机行间自行走控制单元，其特征在于，包括位置检测部分、控制部分、动力部分、供电部分、行走部分。2.根据权利要求1所述的位置检测部分包括前超声波组（7）和后超声波组（5）、前红外接近开关（8）、后红外接近开关（6）。3.根据权利要求1和2所述的位置检测部分安装于传感器安装支架（9），农机前后侧正中央处分别设有传感器安装支架（9），传感器安装支架（9）长宽约为20*10cm，安装于离地高度25cm处。4.根据权利要求2所述的前超声波组（7）和后超声波组（5），其特征在于，超声波传感器安装于传感器安装支架（9）上，方向指向车体左右侧，距车体外侧距离约为28cm、离地高度约为26cm。5.根据权利要求1和2所述的前红外接近开关（8）、后红外接近开关（6），安装于传感器安装支架（9）正中央处，即农机中心线处，方向分别指向前后，离地高度约为23cm。6.根据权利要求1和2所述的控制部分（3），其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒿晟昆，李志伟，霍静琦，张宇，白云飞，侯璞，张琛，
申请(专利权)人：山西农业大学，
类型：发明
国别省市：