专利名称:一种关于农田实现无人化管理的方法及其装置的制作方法
一种关于农田实现无人化管理的方法及其装置
技术领域
本发明属于农业机器人领域背景技术
随着石油能源的日渐枯竭,水资源供应日趋紧张,人口老龄化不断加重,农业生产未来面临严峻挑战。传统的农业机械越来越不适应未来的农业生产,未来农业需要一种能节水灌溉,使用电力化生产,自动化水平高的农业生产方式。
目前大多数国家积极研制无人驾驶拖拉机为作业平台以实现农业生产自动化,但是由于缺乏大容量蓄电池而很难实现电力化生产,对节水灌溉也无能为力,再加上目前自动识别技术还很不成熟,定位系统的精度还不够高以及定位系统的使用费用等原因,农业自动化作业很难实现。
还有一种农场化作业机器人王伟。日本农用机器人的研究成果与趋势J,农业机械,1994,(11)。,它是一种以农田中心为轴心,以旋臂为旋转半径的旋转式生产作业系统。它适宜于电力化、自动化生产,有利于实施节水灌溉,但是它的作业范围固定,自由度不高,难于重复使用,无法进行大面积管理,因此不能进入实用阶段。发明内容
本发明解决的技术问题是针对旋转式农场化作业机器人存在的作业范围固定,自由度不高等问题,进行改进和完善,目的是提供一种关于农田实现无人化管理的方法及其装置以改变上述不足。
本发明的技术解决方案是一种关于农田实现无人化管理的方法,由一旋臂(2) 携带农机具以农田的固定点(I)为轴心,以所述旋臂为半径进行旋转式作业,其特征是在农田中有规律地设置多个固定点(1),相邻两固定点(I)的距离为所述旋臂的旋转半径,在所述各固定点的位置上都设置中心固定装置(6)。
所述旋臂两端分别设置有与所述中心固定装置相对接的对接机构(3)。
旋臂两端分别设为A端和B端,A端的对接机构与一中心固定装置对接,并以此为轴心携带自走式农业机械以顺时针方向进行旋转式作业,直至B端的对接机构靠近相对应的中心固定装置并完成对接,此时A端的对接机构分开,旋臂又以B端所对接的中心固定装置为轴心以逆时针方向进行旋转作业,直至A端与相对应的中心固定装置对接,B端对接机构分离,旋臂又以A端为轴心,以顺时针方向进行旋转作业……。
就这样,所述旋臂两端的对接机构(3)交替与相应各中心固定装置(6)对接,以所对接的中心固定装置(6)为轴心旋转作业,旋臂(2)的旋转方向随所对接的中心固定装置(6)的改变而以顺时针方向和逆时针方向交替变化,从而使旋臂始终保持向前行进。作业机械从而可不断改变作业场地,实现大面积管理。
一种关于农田实现无人化管理的装置,包括旋臂(2)、中心固定装置(6)和配套设施,连接机构把所述旋臂和所述中心固定装置连接起来,在负载机的推动下,所述旋臂以中心固定装置(6)为轴心通过安置在其上的牵引臂带动作业机械进行旋转作业,其特征是所述旋臂两端各设置一个可与中心固定装置(6)自由连接的对接机构(3)。
所述中心固定装置(6)为一个由埋入地下的基座所固定的基桩(6),相邻两基桩的距离为所述旋臂的旋转半径。
本发明的优点是本发明不仅有利与农田管理实现电气化、自动化以及节水灌溉而且可使作业机械很方便地转移工作场地,从而大大提高了工作效率,可以管理更大面积的农田,从而避免了农机的闲置浪费,提高了利用率,大大降低了投资成本。
图I是无人农场示意7是弧形钳手装置放大2是无人农场局部不意8是基粧(中心固定装置)示意3是无人农场机械装置平台示意9是独立节俯视4是无人农场机械装置平台侧视10是连接节侧视5是对接机构示意11是连接节局部放大6是伸缩臂内筒放大12是牵引臂结构示意图其中I一固定点,2—旋臂,3—对接机构,4一过渡固定点,5—死角区,6—中心固定装置(基桩)210—独立节,211—纵向桥架,212—横梁,213—短轴220—连接节,221—心轴,222—横支架,223—辅助杆,224—滚子,225—压力传感器,226—转盘轴承支承体 310—伸缩臂,311—齿条,312一压力传感器 320一升降臂,321—卷扬机,322—轴套 330—转盘轴承340—弧形钳手装置,341—滑杆,342—滑架,343—丝杠,344—差速器,345—空心锥杆350一机械臂601—锥形孔,602—凹槽,603—弧形缺口710—“ [”型框架,720—杠杆,730—弹簧,740—压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图叙述本发明的一个实施例。在一片平坦、开阔的田野里,按一定距离间隔设置好各固定点(1),由于旋臂(2)会先后以各固定点为轴心进行旋转作业,这样这些固定点就有了先后顺序;本发明所述的一种关于农田实现无人化管理的方法,其特征是所述固定点中的起始点和终点重合。这样可使旋臂能够循环作业。
本发明所述的一种关于农田实现无人化管理的方法,其特征是所述固定点(I)分成数行呈蛇形排列,每行大致成一直线,且各行大致相互平行,相邻两行的行尾和行首之间有一过渡固定点(4),该过渡固定点与所述行尾和行首所在的两个固定点(I)处于同一直线上,该直线与相邻两行固定点(I)所在直线大致分别构成60°和120°夹角。这样可使相邻的三个圆形管理区域相切,从而达到最大有效管理率,避免更多的土地闲置浪费。
本发明所述的一种关于农田实现无人化管理的方法,其特征是水管道、电力线路、 通信线路铺设到各固定点(1),在中心固定装置(6)和旋臂(2)的对接机构(3)上设置水、 电、信接口,旋臂(2)上铺设上述水、电、信线路,使农机实现电气化,同样也可实现农田节水喷灌甚至是播灌,各种作业农机经电器化改造后,可大大简化结构,利于自动化作业,从而可使农业生产摆脱对石油的依赖,有利于改善环境。
本发明所述的一种关于农田实现无人化管理的方法,其特征是所述旋臂上设置固体物料输送装置,在所述中心固定装置附近可以集中供给作业机械所需要的种子、固体肥料,也可集中收集收获的农作物。可以安排专用的运输车辆来往于物资管理中心与各固定点之间,进行运送物资。
本发明所述的一种关于农田实现无人化管理的方法,其特征是在死角区(5)设置通往各固定点(I)的道路,用以运送物资。另外,死角区(作业机械无法管理到的区域)也可作为排涝的渠道。
平整好固定点连线一带的地面,保持好此处的地面地貌,有利于对接机构与中心固定装置顺利对接。
本发明所述的一种关于农田实现无人化管理的装置,其特征是所述对接机构包括伸缩臂(310 )、升降臂(320 )、转盘轴承(330 )和钳手装置(340 );所述伸缩臂为固定于所述旋臂末端的一个伸缩套筒,所述伸缩套筒的内筒外壁开有一浅槽,槽内安装有一齿条(311),所述齿条前后两端各通过一个压力传感器(312)固定在浅槽两端;与一制动轮同轴连接的一齿轮与所述齿条相啮合,在电机的驱动下,所述伸缩套筒的内外筒可相对滑动,所述伸缩套筒上设置有测量伸缩长度的电位计。
伸缩臂的作用及工作原理因地面的起伏度、气候等多种因素影响,旋臂的直线长度会发生改变,它的旋转半径也随之变化,与相邻两中心固定装置的距离难以完全相等, 为了实现顺利对接,旋臂的长度需要能够适当伸长或缩短,它是通过伸缩臂(310)的伸长或缩短来完成的,在电机的驱动下,伸缩套筒可伸长或缩短,伸缩套筒上安装的电位计可检测出伸缩套筒的伸缩长度,在对接机构与中心固定装置完成对接进入旋转作业过程后,需要恢复伸缩套筒原来的长度,以免影响下一次对接,这样也可避免造成单一方向的伸缩积累。
在旋臂旋转作业期间,由于各负载机的前进速度比例不协调或地表起伏度过大, 会造对接机构对中心固定装置的冲击,齿条两端的压力传感器(312)就会测出这种冲击力的大小和方向,如果冲击力超出了规定值,可以通过调节各负载机的前进速度来消除这种冲击。
本发明所述升降臂一端与所述伸缩套筒的内筒末端绞接,一卷扬机(321)安置在所述伸缩臂内筒末端上面的一支架上,所述卷扬机的钢丝绳末端系在所述升降臂上,所述升降臂末端连有一带“U”型双吊耳结构的轴套(322)。
本发明所述转盘轴承上部水平对称固定着两短轴,分别卡在所述轴套的双吊耳内,所述转盘轴承上安装有测量旋转角度的电位计;所述转盘轴承下部水平对称固定着两滑杆(341),竖直固定着两个立柱,所述立柱下端固定着一水平放置的“卄”型滑架(342), 一对弧形钳手装置(340)相对穿于滑架(342)和滑杆(341)上,形成合拢之势,两丝杠(343)作为一个差速器(344)的两输出轴,相对穿于所述两弧形钳手装置上,所述两丝杠的螺纹方向相反,电机带动差速器运转,从而使所述两丝杠旋转,带动所述两弧形钳手装置向中间合拢或远离,从而可抱紧或脱离所述中心固定装置,所述弧形钳手装置内侧有手指状弧形突起,在其中一弧形钳手装置(340)的掌心位置固定的一空心锥杆(345)内设有电连接插头, 在另一弧形钳手装置(340)的掌心位置固定的另一空心锥杆(345)内设有水管接头和电信插头,从而可方便接通或断开电源、水源和电信回路;所述转盘轴承的中心线位置上固定一旋转底座,一“ 7 ”字型机械臂(350 )安装在所述旋转底座上,所述机械臂末端固定一激光测距器。在对接机构与中心固定装置准备对接时,利用激光测距器可以测出弧形钳手装置的中心是否处在中心固定装置的竖直中心线上。
本发明所述基桩下部为一长方体,而其上部与所述弧形钳手装置相吻合,为一圆柱体;所述圆柱体两侧有手指状弧型凹槽(602),另外两侧各开有一个锥形孔(601),所述的其中一个锥形孔内安有电连接插座,另一个锥形孔内安有水管接口、电信插座;所述圆柱体顶部为圆形凹槽,所述圆形凹槽边沿有与“卄”型滑架(342)相吻合的弧形缺口(603),这会使对接机构与中心固定装置对接后更加紧固。
本发明所述的一种关于农田实现无人化管理的装置,其特征是所述旋臂由多节构成,其中包括独立节(210)和连接节(220);所述独立节和连接节间次连接在一起,独立节均为“H”型框架,由两个纵向桥架(211) 和一个横梁(212)构成,所述纵向桥架由轮式或履带式负载机承载,所述横梁的一端与其中一侧的纵向桥架(211)固定连接,另一端连接一短轴(213),该短轴插入安置在另一侧纵向桥架(211)上的轴承内,并轴向固定;所述连接节为两个对称设置的“ P’型结构通过一转盘轴承支承体(226)连接在一起, 形成一“H”形,所述“ K’型结构为一设置在纵向桥架(211)的一心轴(221)和一横支架 (222)铰接构成的,所述横支架两侧各固定一辅助杆(223),所述辅助杆压在设置于所述心轴上的一滚子(224)上,通过压力传感器(225)与所述心轴固定连接。
通过两辅助杆连接的压力传感器(225)测得的压力大小,可判断此处负载机的运动速度与其他各负载机是否协调,以此来调节此处负载机的速度,以使各负载机运动速度比例协调地进行圆周运动。
在地面非常平整或旋臂较短的情况下,旋臂可由一整节构成,但往往地面不够平整,旋臂又较长,这时候旋臂适于采用多节(比如每节长10米,共10节, 旋臂长L=IO米/节*10节=100米)。
本发明所述的一种关于农田实现无人化管理的装置,其特征是旋臂(2)通过所述牵引臂连接了一个与之结构相同的副旋臂,所述固体物料输送装置设置在所述副旋臂上。
在收获季节、播种季节或施用固体肥料时,在旋臂上可以设置固体物料输送装置, 来完成输送功能,但这会使得旋臂的结构强度需要加强,惯性力也会相应增加,负载机的动力会相应增加。在旋臂前进时,因负载机速度的不协调或是地面起伏过大等原因会对中心固定装置产生很大冲击力,同时控制难度也会增加,为此可设置一个专门担负物料运输任务的副旋臂可以隔离这类冲击;同时因工作需要可方便地对副旋臂进行挂接和拆卸。
本发明所述的一种关于农田实现无人化管理的装置,其特征是所述固体物料输送装置为螺旋式输送机或带式输送机,所述螺旋式输送机的输送槽下部有可启闭的出料口。 螺旋输送机适合于运输种子、颗粒肥料,关闭出料口,也可运送收获的小麦和谷物等小颗粒作物,但对于玉米用皮带输送机较为合适。
本发明所述的一种关于农田实现无人化管理的装置,其特征是所述牵引臂由“[” 型框架(710)、杠杆(720)和弹簧(730)构成,所述“[”型框架的左下角铰接在所述旋臂上, 左上角通过压力传感器(740)与所述旋臂固定连接,杠杆(720)的支点转轴设置在所述“[” 型框架的右下端,所述杠杆的上端通过弹簧(730)系在所述“[”型框架顶侧,所述杠杆的下端开有挂接机械用的轴销孔。
牵引臂既可连接副旋臂,也可连接经电气化改造的自走式专用作业机械,自走式专用作业机械有左右两个牵引杆分别与两个牵引臂相连,通过牵引臂上的压力传感器 (740)测得的压力值大小就可判断作业机械行进速度是否与旋臂保持一致,也可判断作业机械左右两侧的行进速度是否协调,以此来调整作业机械左右两侧驱动轮的行进速度,使作业机械按规定的路线和适当的速度行进。
本发明所述的一种关于农田实现无人化管理的装置,其特征是所述旋臂上安装有监视机械运作情况的监视器。有了这些监视器,工作人员在远方就可监视对接机构与基桩(6)的对接情况,各作业机械工作是否正常,以及农作物的生长情况,这样完全可以做到无人现场操作而昼夜安全作业,实现人类“千里之外管理万亩田园”的梦想。
工作流程要使整个机械装置自动完成农田作业,还需要把其工作流程编写成计算机程序存入到控制器其中,下面简单介绍一下本机械装置的整个工作流程。
把各固定点的基桩(中心固定装置)按顺序依次编号0、1、2、3……N (O)(起始点和终点重合);把每个基桩分别与其相邻的另两个基桩的连线构成的夹角(也就是旋臂围绕该基桩旋转的角度,也称之为该基桩的旋转角)存入到控制器中。
把旋臂两端分别设为A端和B端。
初始状态首先设定旋臂A端对接机构与O号基桩处于对接状态,旋臂正围绕O 号基桩旋转作业,此时,伸缩臂、旋臂连接节、牵引臂上安装的压力传感器(分别为312、225、 740)会不断测量出这些压力的大小,通过综合分析,可分别调节各负载机的运动速度使得各负载机协调一致地运行以减轻对接机构对基桩的冲击力;通过调节各作业机械的运动速度可使各作业机械与旋臂同步运行。
在旋臂进行旋转作业的同时,转盘轴承(330)上的电位计会测量出旋臂旋转的角度,当测量值接近于该基桩的旋转角度时,说明B端对接机构已接近I号基桩,此时降低旋臂的前进速度,并且控制机械臂(350)摆动,使激光测距器处于I号基桩正前方,开始测量与基桩的距离,当测量值与预设值一致时,说明整个旋臂已处于O号和I号基桩的连线上, B端弧形钳手装置(340)已处于I号基桩上方,这时应立即制动,使旋臂停止前进。
此后控制机械臂摆动,使激光测距器旋转至I号基桩侧面,开始测量与基桩的距离,如果测量值与预设值相等,可以得知弧形钳手装置的中心在I号基桩的竖直中心线上, 如果不相等,可调节伸缩臂的长度直至相等,此时伸缩臂上的电位计也测量出伸缩臂的伸缩长度。
此后控制升降臂(320)落下,控制弧形钳手装置合拢,直至紧固,此时B端的水、 电、信线路接口对接完成,之后使A端接口线路通过相应各开关与旋臂上的各相应母线线路断开,使B端接口线路通过相应各开关与旋臂上的各相应母线线路接通,也就是,供应由A端切换到了 B端。
之后,控制A端钳手装置与O号基桩分离,抬起升降臂,转盘轴承摆至原位。
随后旋臂又围绕I号基桩旋转作业,在行进过程中,使B端伸缩臂逐渐恢复至原长度,这样可避免伸缩臂产生单一方向的伸缩积累,影响以后的对接,甚至使各负载机脱离原规定的行进路线。
与此同时,安置在伸缩臂、旋臂连接节、牵引臂上的各压力传感器(312、225、740) 又不断地进行测量各压力值,通过分析、调整使整个作业机械各部分协调一致运行……。
之后,旋臂两端的对接机构会先后分别与2、3、4…N (O)号基桩对接,往复循环上述工作。
权利要求
1.一种关于农田实现无人化管理的方法,由一旋臂(2)携带农机具以农田的固定点 (I)为轴心,以所述旋臂为半径进行旋转式作业,其特征是在农田中有规律地设置多个固定点(1),相邻两固定点(I)的距离为所述旋臂的旋转半径,在所述各固定点的位置上都设置中心固定装置(6);所述旋臂两端分别设置有与所述中心固定装置相对接的对接机构(3);所述旋臂两端的对接机构(3)交替与相应各中心固定装置(6)对接,以所对接的中心固定装置(6 )为轴心旋转作业,旋臂(2 )的旋转方向随所对接的中心固定装置(6 )的改变而以顺时针方向和逆时针方向交替变化,从而使所述旋臂始终保持向前行进。
2.如权利要求I所述的一种关于农田实现无人化管理的方法,其特征是所述固定点中的起始点和终点重合。
3.如权利要求2所述的一种关于农田实现无人化管理的方法,其特征是所述固定点(I)分成数行呈蛇形排列,每行大致成一直线,且各行大致相互平行,相邻两行的行尾和行首之间有一过渡固定点(4),该过渡固定点与所述行尾和行首所在的两个固定点(I)处于同一直线上,该直线与相邻两行固定点(I)所在直线大致分别构成60°和120°夹角。
4.如权利要求I或3所述的一种关于农田实现无人化管理的方法,其特征是水管道、电力线路、通信线路铺设到各固定点(1),在中心固定装置(6)和旋臂(2)的对接机构(3)上设置水、电、信接口,旋臂(2)上铺设上述水、电、信线路,使农机实现电气化。
5.如权利要求4所述的一种关于农田实现无人化管理的方法,其特征是所述旋臂上设置固体物料输送装置,在所述中心固定装置附近可以集中供给作业机械所需要的种子、固体肥料,也可集中收集收获的农作物。
6.如权利要求5所述的一种关于农田实现无人化管理的方法,其特征是在死角区(5) 设置通往各固定点(I)的道路,用以运送物资。
7.一种关于农田实现无人化管理的装置,包括旋臂(2)、中心固定装置(6)和配套设施,连接机构把所述旋臂和所述中心固定装置连接起来,在负载机的推动下,所述旋臂以中心固定装置(6)为轴心通过安置在其上的牵引臂带动作业机械进行旋转作业,其特征是所述旋臂两端各设置一个可与中心固定装置(6)自由连接的对接机构(3);所述中心固定装置(6)为一个由埋入地下的基座所固定的基桩(6),相邻两基桩的距离为所述旋臂的旋转半径。
8.如权利要求7所述的一种关于农田实现无人化管理的装置,其特征是所述对接机构包括伸缩臂(310)、升降臂(320)、转盘轴承(330)和钳手装置(340);所述伸缩臂为固定于所述旋臂末端的一个伸缩套筒,所述伸缩套筒的内筒外壁开有一浅槽,槽内安装有一齿条(311),所述齿条前后两端各通过一个压力传感器(312)固定在所述浅槽两端;与一制动轮同轴连接的一齿轮与所述齿条相啮合,在电机的驱动下,所述伸缩套筒的内外筒可相对滑动,所述伸缩套筒上设置有测量伸缩长度的电位计;所述升降臂一端与所述伸缩套筒的内筒末端绞接,一卷扬机(321)安置在所述伸缩套筒的内筒末端上面的一支架上,所述卷扬机的钢丝绳末端系在所述升降臂上,所述升降臂末端连有一带“U”型双吊耳结构的轴套(322);所述转盘轴承上部水平对称固定着两短轴,分别卡在所述轴套的双吊耳内,所述转盘轴承上安装有测量旋转角度的电位计;所述转盘轴承下部水平对称固定着两滑杆(341),竖直固定着两个立柱,所述立柱下端固定着一水平放置的“卄”型滑架(342),一对弧形钳手装置(340)相对穿于滑架(342)和滑杆(341)上,形成合拢之势,两丝杠(343)作为一个差速器(344)的两输出轴,相对穿于所述两弧形钳手装置上,所述两丝杠的螺纹方向相反,电机带动差速器运转,从而使所述两丝杠旋转,带动所述两弧形钳手装置向中间合拢或远离, 从而可抱紧或脱离所述中心固定装置,所述弧形钳手装置内侧有手指状弧形突起,在其中一弧形钳手装置(340)的掌心位置固定的一空心锥杆(345)内设有电连接插头,在另一弧形钳手装置(340)的掌心位置固定的另一空心锥杆(345)内设有水管接头和电信插头,从而可方便接通或断开电源、水源和电信回路;所述转盘轴承的中心线位置上固定一旋转底座,一 “7”字型机械臂(350)安装在所述旋转底座上,所述机械臂末端固定一激光测距器;所述基桩下部为一长方体,而其上部与所述弧形钳手装置相吻合,为一圆柱体;所述圆柱体两侧有手指状弧型凹槽(602),另外两侧各开有一个锥形孔(601),所述的其中一个锥形孔内安有电连接插座,另一个锥形孔内安有水管接口、电信插座;所述圆柱体顶部为圆形凹槽,所述圆形凹槽边沿有与“卄”型滑架(342)相吻合的弧形缺口(603)。
9.如权利要求7或8所述的一种关于农田实现无人化管理的装置,其特征是所述旋臂由多节构成,其中包括独立节(210)和连接节(220 );所述独立节和连接节间次连接在一起,独立节均为“H”型框架,由两个纵向桥架(211) 和一个横梁(212)构成,所述纵向桥架由轮式或履带式负载机承载,所述横梁的一端与其中一侧的纵向桥架(211)固定连接,另一端连接一短轴(213),该短轴插入安置在另一侧纵向桥架(211)上的轴承内,并轴向固定;所述连接节为两个对称设置的“ P’型结构通过一转盘轴承支承体(226)连接在一起, 形成一“H”形,所述“ K’型结构为一设置在纵向桥架(211)的一心轴(221)和一横支架 (222)铰接构成的,所述横支架两侧各固定一辅助杆(223),所述辅助杆压在设置于所述心轴上的一滚子(224)上,通过压力传感器(225)与所述心轴固定连接。
10.如权利要求9所述的一种关于农田实现无人化管理的装置,其特征是旋臂(2)通过所述牵引臂连接了一个与之结构相同的副旋臂,所述固体物料输送装置设置在所述副旋臂上。
11.如权利要求10所述的一种关于农田实现无人化管理的装置,其特征是所述固体物料输送装置为螺旋式输送机或带式输送机,所述螺旋式输送机的输送槽下部有可启闭的出料口。
12.如权利要求11所述的一种关于农田实现无人化管理的装置,其特征是所述牵引臂由“[”型框架(710)、杠杆(720)和弹簧(730)构成,所述“[”型框架的左下角铰接在所述旋臂上,左上角通过压力传感器(740)与所述旋臂固定连接,杠杆(720)的支点转轴设置在所述“[”型框架的右下端,所述杠杆的上端通过弹簧(730)系在所述“[”型框架顶侧,所述杠杆的下端开有挂接机械用的轴销孔。
13.如权利要求12所述的一种关于农田实现无人化管理的装置,其特征是所述旋臂上安装有监视机械运作情况的监视器。
全文摘要
一种关于农田实现无人化管理的方法及其装置属农业机器人领域,它是在农田中设置多个固定点(1),利用旋臂(2)两端的对接机构(3)交替与各固定点上设置的中心固定装置(6)对接,并以此为轴心进行旋转式作业,它不仅解决了传统农场机器人无法转移工作场地的问题,而且有利于农业实现电力化、自动化生产,有利于节水喷灌甚至播灌,是人们彻底摆脱“日出而作,日落而息”、“面朝黄土,背朝天”的生产局面,实现人类“千里之外管理万亩田园”的梦想。
文档编号B25J15/08GK102934544SQ20121039337
公开日2013年2月20日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者贾相征 申请人:贾相征