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皇马维戈塞尔塔: 田間智能播種機器人.pdf

摘要
申請專利號:

维戈塞尔塔vs皇家社会 www.vmyqew.com.cn CN201820550031.8

申請日:

20180418

公開號:

CN208227666U

公開日:

20181214

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A01C7/18,A01C7/20 主分類號: A01C7/18,A01C7/20
申請人: 華南農業大學
發明人: 漆海霞,蘭玉彬,戴南疆,林廣大,潘獻鐘,林仕滿,謝煒
地址: 510642 廣東省廣州市天河區五山路483號
優先權: CN201820550031U
專利代理機構: 廣州市華學知識產權代理有限公司 代理人: 李君
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201820550031.8

授權公告號:

法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本實用新型公開了一種田間智能播種機器人,所述機器人包括控制???、驅動???、紅外傳感器、超聲波傳感器、播種裝置和履帶底盤,所述播種裝置傾斜設置,所述控制??檣柚迷諑拇著躺?,所述驅動??橛肼拇著塘?,用于驅動履帶底盤行駛,所述履帶底盤的左、右車輪均設有測速???,驅動???、測速???、紅外傳感器、超聲波傳感器和播種裝置分別與控制??榱?。本實用新型通過紅外傳感器可以實現定向播種,通過履帶底盤上左右車輪的測速??檳芄皇迪侄ň嗬氬ブ?,并且通過超聲波傳感器能夠自動調整行駛方向,是集機械、電子、控制、計算機、傳感器等多學科先進技術于一體的現代制造業重要的自動化裝備。

權利要求書

1.田間智能播種機器人,其特征在于:包括控制???、驅動???、紅外傳感器、超聲波傳感器、播種裝置和履帶底盤,所述播種裝置傾斜設置,所述控制??檣柚迷諑拇著躺?,所述驅動??橛肼拇著塘?,用于驅動履帶底盤行駛,所述履帶底盤的左、右車輪均設有測速???,驅動???、測速???、紅外傳感器、超聲波傳感器和播種裝置分別與控制??榱?。2.根據權利要求1所述的田間智能播種機器人,其特征在于:還包括水平旋轉???,所述播種裝置與水平旋轉??榱?,所述水平旋轉??橛肟刂頗?榱?,用于帶動播種裝置水平旋轉。3.根據權利要求2所述的田間智能播種機器人,其特征在于:所述水平旋轉??榘ǖ諞歡婊退叫鋪?,所述第一舵機、水平旋轉云臺和播種裝置依次連接,且第一舵機與控制??榱?。4.根據權利要求1所述的田間智能播種機器人,其特征在于:所述控制??榘ㄖ骺氐ピ?、降壓單元、電路放大單元和電源單元,所述電源單元與降壓單元連接,所述降壓單元分別與主控單元、驅動???、測速???、紅外傳感器、超聲波傳感器、播種裝置連接,所述主控單元還分別與測速???、紅外傳感器、超聲波傳感器、播種裝置連接,并通過電路放大單元與驅動??榱?。5.根據權利要求1所述的田間智能播種機器人,其特征在于:所述驅動??榘ǖ緇ピ?、第一電機和第二電機,所述第一電機和第二電機左右設置,且第一電機用于帶動履帶底盤的左車輪轉動,并與左車輪的測速??榱?,第二電機用于帶動履帶底盤的右車輪轉動,并與右車輪的測速??榱?,所述電機驅動單元與控制??榱?,并分別與第一電機、第二電機連接。6.根據權利要求1所述的田間智能播種機器人,其特征在于:所述超聲波傳感器有三組,每組超聲波傳感器包括超聲波發射器和超聲波接收器,其中兩組超聲波傳感器左右相對設置,另一組超聲波傳感器設置在履帶底盤的前方。7.根據權利要求6所述的田間智能播種機器人,其特征在于:設置在履帶底盤前方的超聲波傳感器還連接有第二舵機。8.根據權利要求1所述的田間智能播種機器人,其特征在于:所述播種裝置包括排種器、播種管和第三舵機,所述播種管分為上下兩部分,上下兩部分均具有等間距的凹槽,且上下兩部分的凹槽等距錯開,所述排種器與播種管的其中一端固定連接,所述第三舵機與控制??榱?,用于帶動排種器和播種管垂直旋轉。9.根據權利要求8所述的田間智能播種機器人,其特征在于:所述排種器內設有毛刷。10.根據權利要求1所述的田間智能播種機器人,其特征在于:所述履帶底盤的左、右車輪上的測速??榫肱毯突舳釁?,所述碼盤與驅動??榱?,所述霍爾傳感器與控制??榱?。

說明書

技術領域

本實用新型涉及一種機器人,尤其是一種田間智能播種機器人,屬于農業智能化領域。

背景技術

近年來隨著農業的不斷發展,其對農業機械器件的需求不斷增大,農業機械智能化也逐漸成為一種必然趨勢。

目前,在農業智能播種領域,雖然出現了播種機器人,以代替人們勞動工作,使用播種機器人播種,能夠提高工作效率,更加便捷,但要實現定點、定距離播種,現有播種機器人的智能水平還有待提高,還需要人力的參與,并未達到完全智能的效果。

實用新型內容

本實用新型的目的是為了解決上述現有技術的缺陷,提供一種田間智能播種機器人,該機器人通過紅外傳感器可以實現定向播種,通過履帶底盤上左右車輪的測速??檳芄皇迪侄ň嗬氬ブ?,并且通過超聲波傳感器能夠自動調整行駛方向,是集機械、電子、控制、計算機、傳感器等多學科先進技術于一體的現代制造業重要的自動化裝備。

本實用新型的目的可以通過采取如下技術方案達到:

田間智能播種機器人,包括控制???、驅動???、紅外傳感器、超聲波傳感器、播種裝置和履帶底盤,所述播種裝置傾斜設置,所述控制??檣柚迷諑拇著躺?,所述驅動??橛肼拇著塘?,用于驅動履帶底盤行駛,所述履帶底盤的左、右車輪均設有測速???,驅動???、測速???、紅外傳感器、超聲波傳感器和播種裝置分別與控制??榱?。

進一步的,還包括水平旋轉???,所述播種裝置與水平旋轉??榱?,所述水平旋轉??橛肟刂頗?榱?,用于帶動播種裝置水平旋轉。

進一步的,所述水平旋轉??榘ǖ諞歡婊退叫鋪?,所述第一舵機、水平旋轉云臺和播種裝置依次連接,且第一舵機與控制??榱?。

所述控制??榘ㄖ骺氐ピ?、降壓單元、電路放大單元和電源單元,所述電源單元與降壓單元連接,所述降壓單元分別與主控單元、驅動???、測速???、紅外傳感器、超聲波傳感器、播種裝置連接,所述主控單元還分別與測速???、紅外傳感器、超聲波傳感器、播種裝置連接,并通過電路放大單元與驅動??榱?。

進一步的,所述驅動??榘ǖ緇ピ?、第一電機和第二電機,所述第一電機和第二電機左右設置,且第一電機用于帶動履帶底盤的左車輪轉動,并與左車輪的測速??榱?,第二電機用于帶動履帶底盤的右車輪轉動,并與右車輪的測速??榱?,所述電機驅動單元與控制??榱?,并分別與第一電機、第二電機連接。

進一步的,所述超聲波傳感器有三組,每組超聲波傳感器包括超聲波發射器和超聲波接收器,其中兩組超聲波傳感器左右相對設置,另一組超聲波傳感器設置在履帶底盤的前方。

進一步的,設置在履帶底盤前方的超聲波傳感器還連接有第二舵機。

進一步的,所述播種裝置包括排種器、播種管和第三舵機,所述播種管分為上下兩部分,上下兩部分均具有等間距的凹槽,且上下兩部分的凹槽等距錯開,所述排種器與播種管的其中一端固定連接,所述第三舵機與控制??榱?,用于帶動排種器和播種管垂直旋轉。

進一步的,所述排種器內設有毛刷。

進一步的,所述履帶底盤的左、右車輪上的測速??榫肱毯突舳釁?,所述碼盤與驅動??榱?,所述霍爾傳感器與控制??榱?。

本實用新型相對于現有技術具有如下的有益效果:

1、本實用新型通過紅外傳感器識別播種裝置在播種板上的位置以實現精確播種,而且根據特定播種裝置能實現種子分粒及快速播種,通過履帶底盤上左右車輪的測速??檳芄皇迪侄ň嗬氬ブ?,通過超聲波傳感器測距識別機器人到壟壁的距離,能夠自動調整機器人的前進方向,保證不碰壁,通過超聲波測得的距離判斷機器人是否需要拐彎,拐彎過程中,控制超聲波快速測距,直到達到設定的距離時才停止拐彎動作,繼續行駛;此外,由于田間土地松軟,輪子容易下陷,故本實用新型采用了履帶底盤的結構,使機器人的行駛過程更平穩;本實用新型是集機械、電子、控制、計算機、傳感器等多學科先進技術于一體的現代制造業重要的自動化裝備。

2、本實用新型的超聲波傳感器有三組,其中兩組超聲波傳感器左右相對設置,另一組超聲波傳感器設置在履帶底盤的前方,并且設置在履帶底盤前方的超聲波傳感器還連接舵機,可以實現多角度、多方向的距離檢測。

3、本實用新型的測速??榘肱毯突舳釁?,通過霍爾傳感器和碼盤對輸出脈沖的計數,得出速度,可通過脈沖數控制機器人行駛特定距離,以實現定距離播種。

4、本實用新型的播種裝置中,通過排種器對種子的分粒作用,將種子由群體化為個體、化為連續的單粒種子并依次送入播種管,舵機可以帶動排種器和播種管垂直旋轉,使得種子在播種管每旋轉180度后能向前推進一格,保證最前的一格凹槽有種子,需要播種時,播種管不斷旋轉180度,使種子快速下落;此外,排種器內設有毛刷,確保下種準確,同時不損壞種子。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例1的田間智能播種機器人分解示意圖。

圖2為本實用新型實施例1的田間智能播種機器人中底板的示意圖。

圖3為本實用新型實施例1的電路連接框圖。

圖4為本實用新型實施例1的PWM信號放大電路示意圖。

圖5為本實用新型實施例1的播種裝置的示意圖。

圖6為本實用新型實施例1的播種裝置中播種管的正視圖。

圖7為本實用新型實施例1的播種裝置中播種管的側視圖。

圖8為本實用新型實施例1的播種裝置中播種管的俯視圖。

其中,1-播種裝置,2-履帶底盤,3-第一舵機,4-水平旋轉云臺,5-主控單元,6-降壓單元、7-電路放大單元,8-電源單元,9-第一測速???,10-第二測速???,11-電機驅動單元,12-第一電機,13-第二電機,14-頂板,15-底板,16-銅柱,17-第一紅外傳感器,18-第二紅外傳感器,19-第一超聲波傳感器,20-第二超聲波傳感器,21-第三超聲波傳感器,22-第二舵機,23-排種器,24-播種管,25-第三舵機,26-第一凹槽,27-第二凹槽,28-毛刷。

具體實施方式

下面結合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述,但本實用新型的實施方式不限于此。

實施例1:

如圖1~圖3所示,本實施例提供了一種田間智能播種機器人,該機器人包括控制???、驅動???、紅外傳感器、超聲波傳感器、播種裝置1和履帶底盤2,播種裝置1傾斜設置,控制??檣柚迷諑拇著?上,驅動??橛肼拇著?連接,用于驅動履帶底盤2行駛,履帶底盤2的左、右車輪均設有測速???,驅動???、測速???、紅外傳感器、超聲波傳感器和播種裝置1分別與控制??榱?。

為了控制播種裝置1的播種方向,本實施例的田間智能播種機器人還包括水平旋轉???,播種裝置1與水平旋轉??榱?,水平旋轉??橛肟刂頗?榱?,用于帶動播種裝置1水平旋轉。

進一步地,所述水平旋轉??榘ǖ諞歡婊?和水平旋轉云臺4,第一舵機3、水平旋轉云臺4和播種裝置1依次連接,且第一舵機3與控制??榱?,播種裝置1與水平旋轉云臺4成一定的向下傾斜度,由于播種裝置1放在水平旋轉云臺4上面,通過控制第一舵機3的旋轉,能夠實現180度的變化,實現對水平旋轉云臺4的控制,從而控制播種裝置1的播種方向。

所述控制??榘ㄖ骺氐ピ?、降壓單元6、電路放大單元7和電源單元8,電源單元8與降壓單元6連接,降壓單元6分別與主控單元5、驅動???、測速???、紅外傳感器、超聲波傳感器、播種裝置1連接,以實現電源單元8為主控單元5、驅動???、測速???、紅外傳感器、超聲波傳感器、播種裝置1等用電設備進行供電,具體地,電源單元8采用14.8V的電池組,降壓單元6的輸入端與14.8V的電池組連接,輸出端分別提供不同的電壓,將14.8V的電壓轉換為3.3V電壓供主控單元5使用,轉換為9V電壓供驅動??槭褂?,轉換為5V的電壓供超聲波傳感器和紅外傳感器使用。

所述主控單元5還通過接線分別與測速???、紅外傳感器、超聲波傳感器、播種裝置連接,并通過電路放大單元7與驅動??榱?,主控單元5能控制機器人在播種前一段時間減速,提高準確率,播完種后加速,節省時間;本實施例中,主控單元5采用并帶有數字接口和模擬接口的STM32F407主控板,即主控單元5上的主控芯片為STM32F407單片機芯片。傳統單片機軟件設計方法單一,數據處理速度慢,隨著軟件程序功能增多而變得復雜,??櫓淶南嗷ジ扇判越洗?,難以設計出功能復雜的系統,故本實施例采用具有比其他芯片更為強大功能的STM32F407單片機芯片,例如更多的定時器和中斷,處理速度也相對較高,可以實現更快的運算和控制、便于快速對機器人的行駛與播種進行控制。

所述履帶底盤2的左、右車輪上的測速??櫸直鷂諞徊饉倌??和第二測速???0,第一測速???和第二測速???0均包括碼盤和霍爾傳感器,碼盤與驅動??榱?,霍爾傳感器與主控單元5連接,通過霍爾傳感器和碼盤對輸出脈沖的計數,得出速度,可通過脈沖數控制機器人行駛特定距離,履帶底盤2的主動輪直徑選擇約為4.8cm,總直徑為4.8*3.14=15(cm),100*15=1500cm/min,使用輪子的方案風險相對較高、不適合在松軟的田間路面行駛,因為使用輪子的情況下,小車對地的接觸點相對較少,這就使得小車在行駛的時候容易晃動而且容易陷入松軟路面中,從而出現各種不可控的因素,影響機器人接下來的各種調試和播種時的準確性甚至不能正常行駛,因此經過認真的分析,決定使用履帶式的配置,使裝置與路面接觸面積增大,從而讓機器人工作時更加平穩和能夠適應各種復雜路面。

所述驅動??榘ǖ緇ピ?1、第一電機12和第二電機13,第一電機12和第二電機13左右設置,且第一電機12用于帶動履帶底盤2的左車輪轉動,并與第一測速???連接,第二電機用于帶動履帶底盤2的右車輪轉動,并與第二測速???0連接,本實施例的第一電機12和第二電機13選用GM25-370-24140-75-14.5D10型號的直流電機,其負載轉速為100+10%rpm;所述電機驅動單元11與主控單元5連接,并分別與第一電機12、第二電機13連接,本實施例的電機驅動單元11的驅動芯片采用L298N雙H橋直流電機驅動芯片,要實現小功率的信號控制需要大功率運行的第一電機12和第二電機13,主控單元5輸出的信號為3.3V電信號,達不到電機驅動單元11的高電平所需要的最低值,故需如圖4所示的電路放大???,通過兩輸入端口的電平不同組合,實現控制第一電機12和第二電機13的狀態,具體地,通過調整主控單元5的PWM參數以產生特定的PWM波控制電機驅動單元11,進一步控制第一電機12和第二電機13的輸入電壓,以控制第一電機12和第二電機13的轉速,其中輸入電平與電機的狀態如下表1所示。

使能端口 IN1 IN2 電機狀態 低電平 X X 停止 高電平 低電平 低電平 停止 高電平 低電平 高電平 正轉 高電平 高電平 低電平 反轉 高電平 高電平 高電平 停止

表1輸入電平與電機的狀態表

優選地,本實施例的田間智能播種機器人還包括頂板14和底板15,頂板14和底板15上下設置,底板15采用亞巧克力材料,并與履帶底盤2連接,用于承載機器人除履帶底盤2、第一電機12和第二電機13外的其他部分。

在本實施例中,所述主控單元5、降壓單元6、電源單元8和電機驅動單元11設置在底板15上,所述第一舵機3和電路放大單元7設置在頂板14上;優選地,頂板14和底板15之間通過四根銅柱16連接,使得頂板14和底板15更穩固。

所述紅外傳感器可以將實時監測到的田壟表面的信息的采集,當遇到播種位置時,紅外傳感器接收到信號,傳送回主控單元5,為能夠更準確識別位置,本實施例的田間智能播種機器人采用兩個紅外傳感器,兩個紅外傳感器分別為第一紅外傳感器17和第二紅外傳感器18,優選地,第一紅外傳感器17和第二紅外傳感器18設置在播種裝置1的兩側,當主控單元5接收到兩個低電平信號時,表明已到達播種位置,開始對種子的定點播放。

所述超聲波傳感器有三組,每組超聲波傳感器包括超聲波發射器和超聲波接收器,超聲波發射器向某一方向發射超聲波,在發射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時,主控單元5通過對時間的讀取計算出相應的距離,并根據實際的距離對履帶底盤2的行駛方向進行控制,超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據計時器記錄的時間t,就可以計算出發射點距障礙物的距離(s),即:s=340t/2。

優選地,三組超聲波傳感器分別為第一超聲波傳感器19、第二超聲波傳感器20和第三超聲波傳感器21,第一超聲波傳感器19和第二超聲波傳感器20左右相對設置在底板15上,第三超聲波傳感器21設置在履帶底盤2的前方,具體地,第三超聲波傳感器21通過第二舵機22設置在底板15的最前方,第二舵機22與第三超聲波傳感器21連接,用于帶動第三超聲波傳感器21水平旋轉,實現第三超聲波傳感器21的多方向距離檢測。

如圖1~圖3、圖5~圖8所示,所述播種裝置1包括排種器23、播種管24和第三舵機25,播種管24分為上下兩部分,上下兩部分均具有等間距的第一凹槽26,且上下兩部分的第一凹槽26等距錯開,排種器23與播種管24的其中一端固定連接,通過排種器23對種子的分粒作用,將種子由群體化為個體、化為連續的單粒種子并依次送入播種管,排種器23上設有第二凹槽27,以進行排鐘;第三舵機25與控制??榱?,用于帶動排種器23和播種管24垂直旋轉,使得種子在播種管24每旋轉180度后能向前推進一格,保證最前的一格凹槽有種子,需要播種時,播種管24不斷旋轉180度,使種子快速下落。

優選地,所述排種器23內設有毛刷28,確保下種準確,同時不損壞種子。

本實施例的田間智能播種機器人工作原理如下:

通過第三超聲波傳感器21測出機器人距離田壟壁的距離,根據這個距離,保證機器人直線行駛,當所測距離小于設定距離時,機器人往遠離田壟壁的方向行駛,當所測距離大于設定距離時,機器人往靠近田壟壁的方向行駛?;魅死玫諞壞緇?2和第二電機13差速的方法實現轉向:即當所測得的距離偏小時,遠離田壟壁的一側的電機轉速減小,另一電機保持不變,直到所測距離在設定范圍內;當前方的第三超聲波傳感器21和左右兩邊的第一超聲波傳感器19、第二超聲波傳感器20都檢測到設定大距離時,同理,利用差速法實現拐彎。

為了克服使用延時轉彎不能做到精準轉彎、受環境因素影響大的問題,本實施例的田間智能播種機器人使用程序的條件判讀,從而決定了機器人的行進的條件和播種的條件;拐彎時,第三超聲波傳感器21加快檢測速度,直到所測距離達到設定距離時,拐彎動作停止,進入下一直走動作;當剛進入新壟道時,開始端加大差速,使機器人更快擺正行駛方向。

第一超聲波傳感器19、第二超聲波傳感器20和第三超聲波傳感器21測得的距離采用二次判定,即當所測得的距離滿足動作變換條件時,采用再次判定,當兩次都滿足條件時才繼續執行下一動作,避免電波抖動帶來程序的錯誤執行,提高機器人的工作穩定性。

機器人有兩種播種方式:其一,定點播種:事先設定好播種位置,當機器人的第一紅外傳感器17和第二紅外傳感器18識別到特定的播種位置后才停下播種,靈活性較大;其二,定距離播種,即每行駛一定距離(該距離可以通過主控單元5修改)后停下播種,再啟動、播種,以此類推,適合流水工作。

測速??橥ü舳釁骱吐肱灘馕齙緇?、行駛距離、行駛速度作為裝置行駛田壟的參照條件,確定機器人在田壟中的位置和作為裝置定向轉向的依據,碼盤每轉過一圈,會產生兩個脈沖,采集單位時間內脈沖個數,再由車輪的半徑得知車輪的周長,可計算出機器人行駛的速度;此外,還可以通過控制脈沖的個數來實現機器人行駛一定距離,進而實現定距離播種方式。

根據測出的各個方面的距離調整主控單元5的PWM參數以產生特定的PWM波控制電機驅動單元11進一步控制第一電機12和第二電機13的輸入電壓以控制電機的轉速,實現裝置行駛田壟的功能;當機器人即將到達播種位置時,通過改變PWM參數,使機器人減慢速度,較慢的速度能減少機器人動量,減小停車距離,使識別到播種位置時停下來更快、更穩,從而提高播種準確率;當播完種后以全速行駛,減少機器人的行駛時間,提高播種的整體工作效率。

通過中斷功能進入播種階段,當遇到觸發條件時,程序進入中斷,開始優先級更高的動作。當中斷程序完成后控制部件會跳出中斷程序回到原程序繼續執行下一行的指令,控制部件不斷重復地對距離和程序設定值進行比較和對中斷的判斷來完成裝置行駛田壟和進行精準播種的功能。

綜上所述,本實用新型通過紅外傳感器識別播種裝置在播種板上的位置以實現精確播種,而且根據特定播種裝置能實現種子分粒及快速播種,通過履帶底盤上左右車輪的測速??檳芄皇迪侄ň嗬氬ブ?,通過超聲波傳感器測距識別機器人到壟壁的距離,能夠自動調整機器人的前進方向,保證不碰壁,通過超聲波測得的距離判斷機器人是否需要拐彎,拐彎過程中,控制超聲波快速測距,直到達到設定的距離時才停止拐彎動作,繼續行駛;此外,由于田間土地松軟,輪子容易下陷,故本實用新型采用了履帶底盤的結構,使機器人的行駛過程更平穩;本實用新型是集機械、電子、控制、計算機、傳感器等多學科先進技術于一體的現代制造業重要的自動化裝備。

以上所述,僅為本實用新型專利較佳的實施例,但本實用新型專利的?;し段Р⒉瘓窒抻詿?,任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型專利所公開的范圍內,根據本實用新型專利的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變,都屬于本實用新型專利的?;し段?。

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