一种北斗导航无人驾驶全液压多功能拖拉机及其控制方法与流程

本发明涉及农用机械技术领域，特别涉及一种北斗导航无人驾驶全液压多功能拖拉机及其控制方法。

背景技术：

拖拉机是目前应用最广泛的农业机械，由于地形因素的影响，南方众多丘陵地方难以实现大型农业器械的普及，传统的拖拉机是人工操作、轮式行走结构，对道路和农田的要求较高，下了雨后，几乎难以作业，而且人工机器很难做到行走线路笔直均匀、影响了播种的均匀和数量、增大了作物风阻力，使作物易倒伏，从而影响了产量。

随着农民外出打工的浪潮兴起，农民朋友对传统的农耕方式提出了新的要求。他们需要一种能够轻松作业的耕整机。这样遥控耕整机就有了市场前景。遥控耕整机在拥有了上述手扶式耕整机的特点外，摒弃手扶式耕整机劳动强度大，可持续生产能力差以及受环境因素影响大的缺点。

目前也有一些无人驾驶农业机械的结构报道，但是这些机械结构普遍存在结构复杂、制造成本高以及使用范围小、使用要求高等缺点，为改善这些问题，中国《农业无人驾驶耕整机》申请号：201420053908.4，公布了一种农业无人驾驶耕整机，整耕机上的各个操控功能都有相应的电机以及电动推杆实现相应的操作动作，所有的电动推杆都能通过遥控器实现伸缩功能，从而实现对耕整机的遥控控制，但在避开障碍物方面却没有对应的功能，而且人工通过遥控器遥控，难以做到精准导航牵引，且只能在白天使用。

为改善操作精准和提高机器利用率，中国专利《一种无人驾驶拖拉机电控系》申请号为：201220718117.X，公布了采用将DGPS导航和电子地图相结合，通过，自动规划出合理行驶路径的无人驾驶拖拉机电控系可实现昼夜连续作业，使农机驾驶员摆脱单调重复的劳动，农机使用人员可同时操作多台无人驾驶拖拉机，提高了生产效率，但这种控制系统的装置的控制精度不高，难以实用，且如何改造拖拉机也没有说明。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种北斗导航无人驾驶全液压多功能拖拉机，结构简单，能够厘米级精准导航，生成行走路径，在无人驾驶的情况下在不同地形、地貌安全行驶。

为实现上述目的，本发明提供了一种北斗导航无人驾驶全液压拖拉机，包括：拖拉机本体，液压系统，其安装在所述拖拉机本体中，用于为所述拖拉机本体传递动力和运动；传感器集成系统，用于感知采集并传递所述拖拉机本体所位置、行驶速度、行驶方向以及作业状况的数据信息；控制系统以及北斗GPS导航系统；

其中，所述北斗GPS导航系统，其用于测量所述拖拉机本体的厘米级精准位置，将位置信息发送到所述控制系统存储和处理，以指引所述拖拉机进行行走或转向；

所述控制系统，接收所述传感器集成系统传递的数据信息、北斗GPS系统传递的位置信息以及地面站下达的控制数据，解析成所述拖拉机的控制信息，存储，以控制所述液压系统动力输送的大小和方向，来控制所述拖拉机本体执行行走、转向、避障及作业。

优选地，上述技术方案中，所述液压系统为一个封闭的系统，其包括：发动机、至少1个液压变量泵、多路分流器、至少2个液压行走马达、液压缸、工作液压马达、液压油箱、散热器、油路控制阀门组以及多条液压管；

所述液压变量泵与所述发动机连接，所述液压变量泵，可选闭式液压变量泵，其出油口分别通过所述液压管直接连接到液压行走马达的进油口，其进油口与所述油箱或所述液压行走马达的出油口连接，所述液压变量泵另一路出油口连接所述多路分流器的输入口，所述多路分流器的各路输出口分别连接所述油路控制阀门组的输入端，所述油路控制阀门组的输出端分别与所述工作液压马达以及所述液压缸的入油口连接，所述工作液压马达、以及所述液压缸的出油口与所述散热器连接，所述散热器与所述液压油箱连接，所述液压油箱的出油口经过滤后与所述液压变量泵和所述液压定量泵的进油口连接。

优选地，上述技术方案中，所述北斗GPS导航系统包括：地面站、通信单元、卫星基站、数传电台、卫星移动接收站；

所述地面站实时通过所述通信单元传送控制数据至所述控制系统，并接收所述控制系统发送的位置、速度、方向角、运行参数数据，分析，储存，以控制所述拖拉机的运行；

所述基站将接收到的卫星数据通过所述通信单元直接发送至所述拖拉机上安置的所述卫星移动接收站远程数传单元接收，所述卫星移动接收站将接收到的卫星数据解析出精度达到厘米级位置数据信息传递至所述控制系统，使控制系统实时精确得到拖拉机所在位置和方向。

优选地，卫星移动接收站为双天线的矢量卫星移动接收站

优选地，上述技术方案中，所述拖拉机本体包括：机架、行走机构、后悬挂单元以及测速编码器；

所述机架的下方设置有包括履带或车轮的所述行走机构，所述测速编码器安置在所述行走机构的转动轴上，用于测量所述行走机构的转动轴的脉冲数，并传输至所述控制系统，计算出所述拖拉机的所述行走机构的行走速度、行走距离和左右行走偏差；

所述机架的后方设置有可控的高低后悬挂单元，用于悬挂农用机具。

优选地，上述技术方案中，所述控制系统将所述北斗GPS导航系统和所述拖拉机本体中的测速编码器分别测定出的所述拖拉机左右履带在地块行走的距离并传递至所述控制系统，所述控制系统根据左右履带在地块行走的距离计算出左右履带的速度并进行比较得出相差值来确定拖拉机行驶方向；所述控制系统将获得的左右履带在地块行走的距离和确定的方向与所述北斗GPS导航系统测出的距离和方向互为参照，当拖拉机行走的距离或方向发生偏差时，所述控制系统控制调整所述发动机、液压系统的动力输出大小和方向，以改变拖拉机的行驶的速度和方向来纠偏拖拉机本体位置。

本发明的另一个目的在于提供一种北斗导航无人驾驶全液压多功能拖拉机的控制方法，实现拖拉机能够24小时在不同地形、地貌的情况下自主行走、避障、转向、作业。

为实现上述目的，北斗导航无人驾驶全液压拖拉机的控制方法包括如下步骤：

步骤1，利用北斗卫星系统，通过人工北斗测量杆或人工测量获取作业地块的大小、形状和障碍物位置数据，连同地块编号、作业内容、业主信息一起录入到安装有控制软件的电脑地面站或手机APP的控制终端中，生成作业要求并储存；

步骤2，拖拉机行驶至作业地块的起点，通过北斗GPS导航系统获取拖拉机所在起点位置的经纬度、方位角，并结合步骤1中的作业地块的大小、形状、障碍物位置输入到控制终端，以生成地块的行走路径和作业要求，传输至所述控制系统存储；

步骤3，发动拖拉机，所述控制系统自动控制拖拉机按照作业要求和生成地块的行走路径执行直走、转向、避障和作业，直至完成。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的北斗导航无人驾驶全液压多功能拖拉机，结构简单，能够精准导航，生成行走路径，在无人驾驶的情况下在不同地形、地貌安全行驶，适用于各种面积的地块，适用面广，无人驾驶后，空出的驾驶室空间可改为储物箱放置种子或农药或肥料，与后悬挂单元结合，可悬挂不同的农用工具实现深耕深松、种植、施肥、土地平整、田间管理等多种功能，灵活方便、满足用户的不同需求。

2、将北斗GPS导航系统和传感器集成系统应用到无人驾驶拖拉机，结合控制系统可实现拖拉机作业播行端直、接行准确、转弯半径小，1000米播行偏差不超过3厘米，24小时全天候作业，有效提高了作业质量，缩短了作业周期。还可以通过设定农田边界和行驶路径避免重复和遗漏作业，同时可记录行驶路径和测量不同地形、不同地貌的农田，适用于各种面积的地块，而且能够大幅提高作业精确度。在甘蔗、棉花、番茄、甜菜和花生等农作物的精细整地、精准播种、精确植保和机械化收获等农机作业环节中具有明显优势。

附图说明

图1是根据本发明北斗导航无人驾驶全液压多功能拖拉机的结构图。

图2是根据本发明控制系统的结构图。

图3是根据本发明基站的结构图。

图4是根据本发明控制系统的架构图。

主要附图标记说明：

1-履带，2-机架，3-散热器，4-发动机，5-油路控制阀门组，6-多路分流器，7-液压变量泵，8-液压油箱，9-控制系统，10-卫星移动接收站，11-卫星基站，12-储物箱，13-工作液压马达，14-液压缸，15-后悬挂单元，16-液压行走马达，17-测速编码器，18-通信单元，19-控制终端，20-连接轴，21-主动轮，23-从动轮；

100-基站卫星接收天线，101-卫星基站接收器，102-基站数传电台；

901-动力控制单元，902-数据处理单元，903-数据控制单元，904-作业控制单元，905-安全保护单元，906-远程数传单元，907-远程通信单元。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

图1显示了根据本发明优选实施方式的北斗导航无人驾驶全液压多功能拖拉机的结构示意图。

本发明的一种北斗导航无人驾驶全液压多功能拖拉机，包括：拖拉机本体、液压系统、传感器集成系统、控制系统9以及北斗GPS导航系统。

参照图1，拖拉机本体包括：机架2、行走机构、储物箱12、后悬挂单元15、测速编码器17以及支撑架20，其中行走机构为履带1或是车轮，本实施例中行走机构优选为履带1，行走机构的转动轴为公知常识，在图中未标识出来。

如图1所示机架2上安装有储物箱12，机架2的下方设置有履带1、连接轴20以及测速编码器17，机架2的后方设置有后悬挂单元15。更具体的是履带1的后端设置有主动轮21，前端设置有从动轮23，主动轮21通过支撑架20与从动轮23连接。主动轮21经转动轴与液压行走马达16连接，主动轮21在液压行走马达16的带动下转动，进而牵引履带1向前或向后运动。拖拉机左右两侧履带1的主动轮21的转动轴上各自安装有1个测速编码器17，用于测量左右两侧履带1的转动轴的脉冲数并传输至控制系统9，控制系统9计算出拖拉机的左右两侧履带1行走速度和距离，同时比较左右两侧履带1的脉冲数得出差值以确定拖拉机的行走方向。后悬挂单元15设置在机架2的后方，其位置的高低可调节，后悬挂单元15与液压工作马达13连接，后悬挂单元15可更换不同的农用工具以满足拖拉机作业的需要，拖拉机的作业包括：深耕、深松、种植、施肥、土地平整以及田间管理，深耕深松时更换为深耕深松刀具，种植时换成插秧植苗组件，播种时换成条播或穴播组件，土地平整时换成平整机，储物箱12用于存放种子、肥料可方便田间管理。进一步的，为扩大拖拉机的适用方位，还可在机架2的前端设置悬挂单元，以满足农用收割、除草的需要。

液压系统安装在拖拉机本体中，用于为拖拉机本体传递动力和运动；液压系统为一个封闭的系统，其包括：发动机4、两个液压变量泵7、液压定量泵，多路分流器6、2个液压行走马达16、液压缸14、工作液压马达13、液压油箱8、散热器3、油路控制阀门组5以及按所需配置的多条液压管，两个液压变量泵7和液压定量泵与发动机4连接，液压变量泵7可选闭式液压变量泵，其出油口分别通过液压管直接连接到液压行走马达16的进油口，其进油口与液压油箱8或液压行走马达16的出油口连接，液压定量泵的出油口连接多路分流器6的输入口，多路分流器6的各路输出口分别连接油路控制阀门组5的输入端，油路控制阀门组5的输出端分别与工作液压马达13以及所述液压缸14的入油口连接，工作液压马达13、以及液压缸14的出油口与散热器3连接，散热器3与液压油箱8连接，液压油箱8的出油口经过滤后与液压变量泵7和液压定量泵的进油口连接。为更好使得拖拉机行驶，2个液压行走马达16分别安装在拖拉机的两侧，更具体的是2个液压行走马达16分别安装在连接两侧履带1的主动轮21上，液压行走马达16工作后牵动主动轮21进而带动履带1运动。

传感器集成系统由温度传感器、压力传感器、超声测障传感器、深度传感器以及测距传感器组成，用于感知拖拉机本体所在位置的路面和机器作业状况信息，并传递信息数据；如公知常识，更具体的是温度传感器用于测量液压系统的温度和环境温度，压力传感器用于测量液压系统的压力大小，超声测障传感器用于探测地面障碍物状况，深度传感器用于在深耕深松时测量深耕深松的深度。

参照图2，控制系统9由远程通信单元907、远程数传单元906、动力控制单元901、作业控制单元904、安全保护单元905、数据处理单元902以及数据控制单元903组成来完成对拖拉机的行走、避障、转向或作业的控制。其中，远程通信单元907用于与地面站传输数据信息，远程数传单元906用于与基站传输数据信息，动力控制单元901与油路控制阀门组5连接用于控制发动机4和液压系统的动力输出，以调节控制拖拉机的行走速度，作业控制单元904用于根据不同的作业要求设置对应的作业参数及控制拖拉机的作业方式，数据处理单元902和数据控制单元903将传感器集成系统采集的实时数据信息进行解析，分析出拖拉机的即时速度、位置以及行走方向，从而自动调整控制参数，输出至液压系统和拖拉机本体执行，来完成对拖拉机的行走、避障、转向或作业的控制。

控制系统9接收超声测障传感器探测地面障碍物状况，拖拉机在行驶的过程中超声测障传感器实时将距离数据自动传输至控制系统9中的数据处理单元902存储，动力控制单元901从数据处理单元902获取障碍物的距离数据，转换成动力控制信号发送至液压变量泵7，液压变量泵7接收控制信号后自动调节流量，使得液压系统的动力输出改变，进而改变液压行走马达16的动力输出，以此来调节拖拉机的行驶速度和急停。实现拖拉机的安全避障。

拖拉机首次在田间行驶前，先人工对障碍物位置作记录标识，输入控制终端存储记录，为生成行走路径提供参考。

北斗GPS导航系统用于确定拖拉机本体位置和方向信息，将信息发送到控制系统9存储，以指引拖拉机进行行走、避障、转向或作业。

北斗GPS导航系统为厘米级北斗GPS导航系统，其包括：地面站、卫星移动接收站10、卫星基站11、以及通信单元18；其中，如图4所示地面站包括通信单元18和控制终端19，为方便人为遥控拖拉机，还可在地面站设置模拟驾驶台，通过模拟模拟驾驶台遥控拖拉机行驶和作业；控制终端19是安装有无人驾驶控制软件的电脑或手机、PDA等移动终端；卫星移动接收站10为双天线的矢量卫星移动接收站，包括：卫星移动接收天线、移动北斗GPS接收机、远程数传单元906；卫星移动接收天线与移动北斗GPS接收机连接，移动北斗GPS接收机与远程数传单元906连接，移动北斗GPS接收机与控制系统9连接；如图3所示基站11包括：基站卫星接收天线100、基站接收器101和基站数传电台102；基站卫星接收天线100与基站接收器101连接，基站数传电台102与基站接收器101连接。基站11可自建或使用公共基站，为公知常识。

其中，地面站实时通过通信单元18传送控制数据至控制系统9，并接收控制系统9发送的位置、速度、方向角、运行参数数据，分析和处理，储存和进行自动控制拖拉机的运行；

基站11将接收到的卫星数据通过数传电台102直接发给拖拉机上安置的远程数传单元906接收，远程数传单元906将接收到的卫星数据传送给卫星移动接收站10解析出精度达到厘米级位置数据信息传递至控制系统9，使控制系统9实时精确得到拖拉机所在位置；

本发明还提供一种北斗导航无人驾驶全液压多功能拖拉机的控制方法，实现拖拉机能够24小时在不同地形、地貌的情况下自主避障、转向、作业。

本发明的北斗导航无人驾驶全液压拖拉机的控制方法，包括如下步骤：

步骤1，利用北斗卫星系统，通过人工北斗测量杆或人工测量获取作业地块的大小、形状和障碍物位置数据，连同地块编号、作业内容、业主信息一起录入到安装有控制软件的地面站的控制终端中或手机APP的控制终端中，生成作业要求，传输至所述控制系统存储；

步骤2，将拖拉机行驶至作业地块的起点，通过北斗GPS导航系统获取拖拉机所在起点位置的经纬度、方位角，并结合步骤1中的作业地块的大小、形状、障碍物位置，输入到控制终端，以生成地块的行走路径和作业要求，传输至所述控制系统存储；

步骤3，发动拖拉机，所述控制系统控制拖拉机按照作业要求和生成地块的行走路径执行直走、壁障、换向或作业，直至完成。

更具体的是，直行时，拖拉机通过厘米级的GPS测得的经纬度数据或左右履带编码器数据感知所在位置与储存的路径数据进行比较是否直行，如有误差，则调整左右履带驱动力的大小，让其修正后直行，转向时，也是通过厘米级的GPS测得的方向角数据或左右履带编码器的数据，和从储存取出的该点目标转角，进行比较得到最终方位角或转动数据，由控制系统向动力控制单元901输出变速或变向指令，使左右履带一正走一反走，拖拉机相应的原地转向，到达目标的方向角。

在拖拉机直走、壁障、换向行驶的过程中，地面站实时地通过拖拉机控制系统9内置的通信单元获取拖拉机的运行数据，当拖拉机所在位置与地块行走路径发生偏差或作业变更时，地面站可以人工修正数据，发给控制系统9，以调整拖拉机的速度、行驶方向或作业要求。

本发明的工作原理包括：

一、拖拉机直线行驶或换向原理

通过调节拖拉机左右两侧履带或车轮的行驶速度来实现直线行驶或换向。当拖来机左右两侧履带速度一致时，拖拉机进行直线行驶；当拖来机左右两侧履带速度不一致时，拖来机朝速度慢的那一侧偏向，从而实现换向。

二、拖来机调速原理

控制系的数据处理单元根据将左右两侧履带的速度差值解析出改变动力输出指令传至动力控制单元，动力控制单元转换成减少或增加液压变量泵流量输出的指令信息，液压变量泵接收减少或增加流量输出的指令信息后自动调节流量，从改变左右两侧履带的液压行走马达的动力输出，以使得履带的行驶速度改变。

三、位置纠偏原理及过程

控制系统9根据从GPS得到的经纬度和方向角或从左右履带1在地块行走的距离计算出左右履带1的差值来确定拖拉机行驶方向是否与原要求的路径发生偏差；当拖拉机行走的距离或方向发生偏差时，控制系统9控制调整所述液压系统的动力输出大小和方向，以改变拖拉机的行驶的速度和方向来纠偏拖拉机本体位置。

综上所述，本发明的拖拉机一种北斗导航无人驾驶全液压多功能拖拉机，将储物箱和后悬挂单元结合，可悬挂不同的农用工具实现深耕深松、种植、施肥、土地平整、田间管理等多种功能，灵活方便、满足用户的不同需求。而且将北斗GPS导航系统和传感器集成系统应用到拖拉机，结合控制系统可实现实现拖拉机在无人驾驶的作业，播行端直、接行准确，1000米播行偏差不超过3厘米，24小时全天候作业，有效提高了作业质量，缩短了作业周期。还可以通过设定农田边界和行驶路径避免重复和遗漏作业，同时可记录行驶路径和测量农田面积，能够大幅提高作业精确度。在甘蔗、棉花、番茄、甜菜和花生等农作物的精细整地、精量播种、精确植保和机械化收获等农机作业环节中具有明显优势。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。