一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统论文和设计-杨洋

全文摘要

本实用新型的一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统，属于植保机技术领域，包括底盘、转向闭环控制系统和速度闭环控制系统，转向闭环控制系统和速度闭环控制系统安装于底盘上，转向闭环控制系统控制底盘的转向角度，速度闭环控制系统控制底盘的行走速度，底盘前方安装的工业相机实时获取前方环境信息，通过对转角的数学模型计算出底盘行走的预测轨迹，并将预测轨迹实时加载到工业相机获取的环境视频内形成辅助视频信息，底盘上设有网桥B，网桥B与外界网桥A无线连接，网桥A通过交换机与PC主板连接形成远距离辅助视频信息及反馈指令高速传播，本实用新型的一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统能够实时获取环境信息并预加载行走轨迹，具有远程精确操作，作业安全高，植保效率高效果好的优点。

主设计要求

1.一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统，其特征在于：包括底盘(100)、转向闭环控制系统(200)和速度闭环控制系统(300)，所述转向闭环控制系统(200)和速度闭环控制系统(300)安装于底盘(100)上，所述转向闭环控制系统(200)包括控制器(210)、伺服电机一(220)、全液压转向器(230)、转向油缸(240)和位移传感器(250)，所述伺服电机驱动全液压转向器(230)，所述全液压转向器(230)与转向油缸(240)连接，所述全液压转向器(230)控制转向油缸(240)的位移量，所述位移传感器(250)与转向油缸(240)连接并检测转向油缸(240)的位移量，所述位移传感器(250)与控制请电性连接；所述速度闭环控制系统(300)包括软轴(310)、变量泵(320)、扇形齿轮(330)、伺服电机二(340)和转速传感器(350)，所述变量泵(320)和扇形齿轮(330)之间采用软轴(310)连接，所述伺服电机二(340)与变量泵(320)转动连接，所述转速传感器(350)与控制器(210)电性连接，所述底盘(100)上设有网桥B(410)，所述网桥B(410)与控制器(210)电性连接，所述网桥B(410)与外界网桥A(400)无线连接，所述网桥A(400)通过交换机与PC主板连接。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统，其特征在于：所述转向闭环控制系统(200)控制前轮转向，所述前轮前方安装工业相机(260)，所述速度闭环控制系统(300)控制后轮(510)转速。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于植保机领域，更具体来说，涉及一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统。

背景技术

高地隙底盘主要用于田间植保，驾驶员操纵高地隙植保机田间农药喷雾作业，由于农药雾滴飘移，驾驶员身体易受到农药化学物质损伤，甚至发生中毒事故。此外，驾驶员长时间暴露在田间恶劣环境中，也容易过早疲劳，严重影响驾驶员的身心健康。远程控制技术可以实现远距离的机器作业控制，已在军事、工业、医疗等领域广泛应用。将远程控制技术与农业生产结合，实现人-机-环分离生产作业，有效降低操作者劳动强度，提高作业安全性。目前遥控操作技术在农业领域已有一些应用，但是针对高地隙底盘田间对行行走的遥控驾驶研究较少，且缺乏遥控驾驶辅助方面的研究。由于高地隙底盘离地间隙普遍超过1m，田间作业存在极大的侧翻隐患，同时驾驶员体重也增加了底盘的负载，因此有必要开展高地隙底盘的遥控驾驶技术研究。

经检索，发明创造的名称为：一种植保无人机系统(申请号：201810430134.5，申请公布日：2018.10.09)。该申请案公开了一种植保机用无人驾驶系统，可以在不需要驾驶员的条件下进行植保机作业，一定程度上解决了当前植保机需要额外配置驾驶员带来的危害，但是该系统的反馈与控制不够完善，同时该系统无法实时加载行走轨迹，不利于植保机田间对行行走操纵，导致远程操作不够准确，操纵效率较低，进而产生压苗现象。

实用新型内容

1.实用新型要解决的技术问题

本实用新型的目的在于解决现有技术中对于田间作业时，驾驶员容易发生农药中毒或者疲劳操作的现象，损害驾驶员身心健康，提供一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统，能够实时获取环境信息并预加载行走轨迹，具有远程精确操作，作业安全高，植保效率高效果好的优点。

2.技术方案

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型的一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统，包括底盘、转向闭环控制系统和速度闭环控制系统，转向闭环控制系统和速度闭环控制系统安装于底盘上，转向闭环控制系统包括控制器、伺服电机一、全液压转向器、转向油缸和位移传感器，伺服电机驱动全液压转向器，全液压转向器与转向油缸连接，全液压转向器控制转向油缸的位移量，位移传感器与转向油缸连接并检测转向油缸的位移量，位移传感器与控制请电性连接；速度闭环控制系统包括软轴、变量泵、扇形齿轮、伺服电机二和转速传感器，变量泵和扇形齿轮之间采用软轴连接，伺服电机二与变量泵转动连接，所述转速传感器与控制器电性连接，底盘上设有网桥B，网桥B与控制器电性连接，网桥B与外界网桥A无线连接，网桥A通过交换机与 PC主板连接。

优选的，转向闭环控制系统控制前轮转向，前轮前方安装工业相机，速度闭环控制系统控制后轮转速。

3.有益效果

采用本实用新型提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本实用新型的一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统，包括底盘、转向闭环控制系统和速度闭环控制系统，转向闭环控制系统和速度闭环控制系统安装于底盘上，转向闭环控制系统包括控制器、伺服电机一、全液压转向器、转向油缸和位移传感器，伺服电机驱动全液压转向器，全液压转向器与转向油缸连接，全液压转向器控制转向油缸的位移量，位移传感器与转向油缸连接并检测转向油缸的位移量，位移传感器与控制请电性连接；速度闭环控制系统包括软轴、变量泵、扇形齿轮、伺服电机二和转速传感器，变量泵和扇形齿轮之间采用软轴连接，伺服电机二与变量泵转动连接，所述转速传感器与控制器电性连接，底盘上设有网桥B，网桥B与控制器电性连接，网桥B与外界网桥A无线连接，网桥A通过交换机与PC主板连接，本实用新型的辅助驾驶系统，实现了对于植保机的远距离控制，解决了传统植保机需要操作人员的缺陷，提高了作业的安全性，同时进一步降低了底盘的负载，提高效率。

(2)本实用新型的一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统，转向闭环控制系统控制前轮转向，前轮前方安装工业相机，速度闭环控制系统控制后轮转速，此设计，通过工业相机实时获取底盘前方信息，使得远程操控能够及时变更与调整。

附图说明

图1为本实用新型的一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统的结构示意图；

图2为本实用新型的一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统的总体设计框架图

图3为本实用新型的一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统的转向闭环控制系统框图；

图4为本实用新型的一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统的转向闭环控制系统结构示意图；

图5为本实用新型的一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统的速度闭环控制系统框图；

图6为本实用新型的一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统的速度闭环控制系统结构示意图；

图7为本实用新型的一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统的底盘运动学模型图；

图8为本实用新型的一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统的指令信号传流程图。

示意图中的标号说明：

100、底盘；

200、转向闭环控制系统；210、控制器；220、伺服电机一；230、全液压转向器；240、转向油缸；250、位移传感器；260、工业相机；

300、速度闭环控制系统；310、软轴；320、变量泵；330、扇形齿轮；340、伺服电机二；350、转速传感器；

400、网桥A；410、网桥B；

500、前轮；510、后轮。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述，附图中给出了本实用新型的若干实施例，但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件；当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件；本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型；本文所使用的术语“及\/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

参照附图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本实施例的一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统，包括底盘100、转向闭环控制系统200和速度闭环控制系统300，转向闭环控制系统200和速度闭环控制系统300安装于底盘100上，转向闭环控制系统200包括控制器210、伺服电机一220、全液压转向器230、转向油缸240和位移传感器250，伺服电机驱动全液压转向器230，全液压转向器230与转向油缸240连接，全液压转向器230控制转向油缸240的位移量，位移传感器250与转向油缸240连接并检测转向油缸240的位移量，位移传感器250与控制请电性连接；速度闭环控制系统300包括软轴310、变量泵320、扇形齿轮330、伺服电机二340和转速传感器350，变量泵320和扇形齿轮330之间采用软轴310连接，伺服电机二340与变量泵320转动连接，所述转速传感器350与控制器210电性连接，底盘100上设有网桥B410，网桥B410与控制器210电性连接，网桥B410与外界网桥A400 无线连接，网桥A400通过交换机与PC主板连接，如果不采用本设计的植保机而采用传统植保机进行作业，需要在植保机上配备驾驶员，长期作用使得驾驶员劳累，导致工作效率不高，同时在喷洒农药时会引发驾驶员中毒，有生命危险，而采用了本设计的植保机，远程遥控驾驶，安全可靠，不需要驾驶员，避免上述危险。

本实施例的转向闭环控制系统200控制前轮500转向，前轮500前方安装工业相机260，速度闭环控制系统300控制后轮510转速，如果不安装工业相机260，在遇到特殊情况时，远程操作人员无法及时更改植保机的工作线路，危险性高，而安装了工业相机260，远程操作人员通过工业相机260及时获取植保机的工作环境与工作线路，遇到需要调整时，可及时发现并调整，方便操作。

本实用新型利用高地隙远程操控辅助驾驶系统总体设计框架，对于通信模块，遥控操作端通过一对网桥实现指令和视频传输，并在用户界面上显示，操作者根据视频信息和预测轨迹感知高地隙底盘100田间工作环境，进而给出转向和行走速度控制指令；对于自动转向系统，主要是在原有转向系统基础上并联全液压转向器230，通过伺服电机控制全液压转向器 230工作，实现底盘100根据操控者发出指令自动转向；对于自动行走系统，柴机油通过皮带与静液压驱动器(HST)连接，通过电机控制柱塞泵倾斜角度实现底盘100前进\/后退以及车速控制。

为实现上述意图，本实用新型提供的转向控制系统实施例结构如图二所示，该实例包括由伺服电机驱动装置、全液压转向器230、转向油缸240、控制器210构成的控制单元；以及直线位移传感器250构成的转向测量单元；各器件的连接关系为：直线位移传感器250的输出端经过滤波和轮胎转角变换与控制器210的输入端相连，经过控制器210的带死区的变速积分PID控制算法判断控制伺服电机，伺服电机与全液压转向装置相连，全液压转向阀与转向油缸240相连，转向油缸240与直线位移传感器250相连构成闭环系统。底盘100自动转向系统采用上述算法设计控制器210，控制参数：k_{p<\/sub>＝100、k_{i<\/sub>＝0.1、k_{d<\/sub>＝0.01；A＝0.4、B＝0.6；ξ_{0<\/sub>＝0.05，给定车轮目标转角10°的阶跃信号，控制效果如图4所示，平均超调量小于14％，峰值响应时间小于1s。}}}}

本实用新型采用的带死区的变速积分PID控制算法说明：当转向系统长时间维持转向轮中位时，由于测试噪声、轮胎阻力、液压等众多影响因素干扰，伺服电机一220会始终保持频繁工作，严重情况下甚至导致电机堵转，自动转向系统丧失转向功能。自动转向系统既需要有效减小超调量、缩短系统稳定时间，又要避免控制过于频繁，消除由于频繁动作引起的振荡，因此提出采用带死区的变速积分PID控制算法。采用带死区的变速积分PID控制算法的数学描述如式所示：

式中，e(k)和e(k-1)分别为第k-1次和第k次时刻所得的偏差信号；k为采样序号(k＝1,2,3,…)；T为采样时间；k_{p<\/sub>、k_{i<\/sub>、k_{d<\/sub>分别为比例系数、积分系数和微分系数；f[e(k)] 为变速积分系数，根据公式(2)确定；β为死区调节系数，根据公式(3)确定。}}}

变积分PID算法的基本思想是通过改变积分项的累加速度，系统偏差大时积分作用应减小，降低超调量；系统偏差小时，增大积分作用，消除静差。

基于此设定变速积分系数f[e(k)]，数学描述：

式中，f[e(k)]在[0,1]区间范围内变化，由A和B值确定分离区间。当|e(k)|大于分离点A+B 时，f[e(k)]＝0，不再对当前值e(k)进行累加；当|e(k)|小于所给分离点B时，此时f[e(k)]＝1，完全加入积分作用，此时积分项变为设计图

一种高地隙植保机远程遥控辅助驾驶系统论文和设计

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