一種作業裝置的曲線軌跡控制方法及系統

2024-04-15 20:03:05 1

1.本發明涉及機械控制技術領域，具體涉及一種作業裝置的曲線軌跡控制方法及系統。


背景技術：

2.在重載的工況下，作業裝置一般通過液壓系統進行驅動控制，不同於電力驅動，重載工況下難以對執行機構按某一規律進行調控。目前已有的作業裝置，如3d印表機、雷射切割機、數字工具機等，可以實現對執行機構的曲線軌跡控制，但是在重載和作業平臺移動的工況下，暫無針對執行機構的曲線軌跡控制方法，使得在某些特殊場景下作業裝置難以完成作業。且現存裝置，如除草機的避障裝置，雖可以滿足曲線作業，但對其運動規律無法進行調控。


技術實現要素：

3.本發明的目的是提供一種作業裝置的曲線軌跡控制方法及系統，面向重載工況，實現作業裝置運動狀態調控的作業要求。
4.本發明要解決的技術問題：如何在重載的工況下實現作業裝置的運動軌跡的精準控制。
5.為了實現上述目的，本發明提供了如下技術方案：一種作業裝置的曲線軌跡控制方法，其特徵在於：作業裝置由作業平臺17和執行機構18組成；作業裝置在工作過程中，其中一個運動為執行機構18隨作業平臺的縱向運動，另一運動為執行機構18橫向伸縮；通過環境感知模塊13精準定位目標物26；定位後，主控系統2控制執行機構橫向伸縮；作業平臺17的縱向運動與執行機構橫向伸縮運動合成曲線軌跡；該方法至少包括以下步驟或措施：（1）作業平臺17在縱向上始終保持勻速直線運動，同時執行機構18在縱向上始終隨作業平臺17運動；在環境感知模塊13未檢測到目標物26時，執行機構18在橫向上保持設定的初始位置靜止不動；（2）環境感知模塊13精準定位目標物26；（3）環境感知模塊13檢測到目標物26時，主控系統2根據設定的軌跡及相應的運動規律，控制執行機構18在橫向上運動；（4）執行機構18的橫向運動與隨作業平臺17的縱向上的勻速直線運動合成，形成執行機構18的曲線軌跡；所述的曲線軌跡由目標物26以及與下一個相鄰目標物26之間的間距為依據實時規劃；（5）執行機構18橫向運動到設定位移後，主控系統2根據設定的軌跡及相應的運動規律，控制執行機構18橫向返回初始位置保持靜止；（6）重複步驟（2）~（5）。
6.所述的一種作業裝置的曲線軌跡控制方法，其特徵在於：作業平臺17運動方向與
執行機構18橫向伸縮的運動方向相互垂直，且兩個方向的運動均為直線運動；執行機構18隨作業平臺17縱向運動為勻速直線運動，執行機構18的橫向伸縮為變速直線運動，其運動狀態根據曲線軌跡改變。
7.所述的一種作業裝置的曲線軌跡控制方法，其特徵在於：執行機構18為伸縮結構，裝配於作業平臺17，由平行於伸縮方向布置的液壓缸6驅動其橫向伸縮，適應重載工況。
8.所述的一種作業裝置的曲線軌跡控制方法，其特徵在於：由環境感知模塊13精準定位目標物，並生成驅動液壓缸6的觸發信號，以控制執行機構18橫向伸縮。
9.所述的一種作業裝置的曲線軌跡控制方法，其特徵在於：所述的目標物是作業對象，或位置點，或障礙物；所述的目標物26成行排列。
10.一種作業裝置的曲線軌跡控制系統，其特徵在於：由主控系統2和電液比例方向閥調速迴路1組成；主控系統2控制電液比例方向閥調速迴路1完成曲線軌跡作業；電液比例方向閥調速迴路1驅動液壓缸6，帶動執行機構18的橫向伸縮運動；所述電液比例方向閥調速迴路1至少包括發動機8、液壓缸6、溢流閥4、液壓泵7、油箱3、電液比例方向閥5；所述發動機8驅動液壓泵7，為電液比例方向閥調速迴路1提供動力；所述溢流閥4並聯安裝於液壓泵7的輸出管路；所述電液比例方向閥5的進油口連接液壓泵6的輸出管路，出油口連接油箱3，工作油口a、b分別與液壓缸6進出油口相連；通過控制電液比例方向閥5的閥口開度及通流方向，調節液壓迴路流量及方向，進而調節液壓缸6運動狀態，從而控制執行機構18橫向伸縮運動狀態；所述的液壓缸6的橫向運動是變速運動，與隨作業平臺17的縱向上的勻速直線運動合成，形成曲線軌跡；所述的曲線軌跡由目標物26以及與下一個相鄰目標物26之間的間距為依據實時規劃；所述的一種作業裝置的曲線軌跡控制系統，其特徵在於：通過主控系統2實現信號傳遞與處理；主控系統2至少包括單片機15、環境感知模塊13、位移傳感器10、遙控器14、電壓轉換模塊12、電液比例方向閥驅動模塊11、鋰電池16；所述環境感知模塊13與單片機15通信連接，生成並傳輸觸發信號；所述單片機15通過adc通道採集所述位移傳感器10的電壓值，並轉換為數字電信號，用於計算液壓缸6位移量；所述單片機15根據位移傳感器10實時採集的位移量與設定位移量的偏差，通過閉環pid算法求得輸出量，並轉換為pwm波的形式輸出；通過調節pwm波的佔空比改變電平信號的絕對值，經電壓轉換模塊12驅動電液比例方向閥11，改變電液比例方向閥5的閥口開度；根據控制量正負號判斷電液比例方向閥5通流方向；所述遙控器14通過紅外線與單片機15通信連接，用於人機互動；所述鋰電池16為各模塊提供工作電壓與工作電流。
11.所述的一種作業裝置的曲線軌跡控制系統，其特徵在於：設置位移傳感器10實時監測執行機構18的橫向位移，通過反饋的位移量來實現執行機構18橫向伸縮運動規律的閉環控制。
12.所述的一種作業裝置的曲線軌跡控制系統，其特徵在於：適應重載工況下執行機
構18的曲線軌跡的精準控制，特別適用於農業環境中的避障除草作業、環溝施肥作業，不排除應用於工業環境中作業裝置的曲線軌跡控制。
13.所述的一種作業裝置的曲線軌跡控制系統，其工作原理如下：在進行曲線作業時，首先利用遙控器啟動作業裝置，輸入作業參數，軌跡半徑參數；然後，作業平臺開始保持勻速直線行駛，當機械觸杆碰觸到目標物時，機械觸杆受目標物作用力，向後旋轉直至碰觸到觸發開關為止，產生目標物位置信號；作業平臺依然保持勻速直線行駛，單片機接收到目標物位置信號後，產生pwm波信號，並實時接收位移傳感器的位移信號，利用pid算法構成閉環控制系統，控制液壓缸的運動方向與速度，完成繞目標物的曲線作業；作業平臺繼續保持勻速直線行駛，到達下一目標物的位置，繼續重複上述作業。
14.與現有技術相比，本發明的有益效果在於：本發明設計的控制系統，提供了一種用小型單片機控制液壓缸運動狀態的控制方式，大大減少了開發成本，同時運行簡單可靠，提高了作業裝置的工作效率，可適應重載工況；通過對執行機構的軌跡進行控制，達到實現精準作業的要求，例如可滿足精準施肥要求；本發明設計的遙控器控制方式，方便用戶根據不同作業要求輸入作業參數，同時可以對整個系統進行重啟，防止誤差累計，並可以隨時啟停系統，防止出現問題，安全性和實用性較高；本發明設計的控制系統包括有pid閉環控制算法，可提高軌跡控制精度，魯棒性強；本發明設計的控制系統可基於現有拖拉機或履帶車進行改造，移值性強，簡單方便，適用於其他適用於重載場合作業裝置的曲線軌跡控制。
15.附圖標記：1.電液比例方向閥調速迴路2.主控系統3.油箱4.溢流閥5.電液比例方向閥6.液壓缸7.液壓泵8.發動機9.執行機構10.位移傳感器11.電液比例方向閥驅動模塊12.電壓轉換模塊13.環境感知模塊14.遙控器15.單片機16.鋰電池17.作業平臺18.執行機構19.觸發開關20.機械觸杆21.伸縮架22.固定架23.銷24.施肥車25.環溝施肥裝置26.目標物。
附圖說明
16.圖1是一種作業裝置的曲線軌跡控制系統總體系統結構框圖圖2是一種作業裝置的作業平臺與執行機構安裝位置示意圖圖3是一種作業裝置的執行機構結構及環境感知模塊安裝示意圖圖4是一種作業裝置的曲線軌跡控制系統運行方向與液壓缸伸縮距離示意圖圖5是一種作業裝置的執行機構中液壓缸安裝示意圖圖6是一種作業裝置的曲線軌跡控制系統部件布置位置俯視圖圖7是一種作業裝置的具體實施例的環溝施肥裝置示意圖圖8是一種作業裝置的曲線軌跡控制系統的曲線軌跡及與目標物位置關係示意圖圖9是一種作業裝置的曲線軌跡控制系統的程序邏輯控制流程圖。
具體實施方式
17.以下結合附圖對本發明進一步詳細說明：本實施例是在矮砧蘋果園中機械化環溝施肥作業過程中控制環溝施肥裝置以樹
幹為中心，在樹冠投影邊緣開闢一寬約0.3m
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深0.4m的連續環狀溝，並將肥料與土壤混合，完成施肥。
18.如圖7所示，環溝施肥裝置25通過四連杆連接方式掛載於配套的施肥車24後方，配套有三個地輪以及送肥裝置等，裝置動力來自於配套的施肥車頭部的柴油發動機。
19.如圖3和圖5所示，本實施例中的執行機構為滑套式伸縮機構，環境感知模塊由觸發開關19和機械觸杆20組成，位移傳感器10用於檢測固定架與伸縮架之間的相對距離；所述液壓缸6缸體通過銷23固定在所述固定架22上，活塞杆通過銷23固定在所述伸縮架21上。
20.如圖4和圖8所示，本實施例中，施肥車運行方向與環溝施肥裝置伸縮方向相互垂直，其中l1代表伸縮架伸縮距離，在本實例中最大為1m；x方向代表作業平臺運動方向，y方向代表執行機構運行方向；本實施例中，所述目標物26為果樹樹幹，曲線軌跡為環溝施肥軌跡；所述目標物所在行，即果樹樹行，與作業平臺移動方向平行。
21.所述液壓缸5缸體通過銷固定在所述固定架6後方，活塞杆通過銷固定在所述伸縮架4前方，通過液壓缸的運動帶動開溝施肥器運動；因為液壓缸驅動環溝施肥裝置的運行方向與施肥車運行方向相互垂直，由於施肥車速度不變，改變液壓缸的運行速度，便可實現曲線軌跡，達到環溝施肥目的。
22.所述單片機15晶片選用型號為stm32f103zet6，板載有紅外接收器，用於接收遙控器所發射的紅外信號；晶片內部有adc轉換功能，將位移傳感器的模擬電信號轉換為數字電信號，用於pid控制算法的反饋。
23.所述控制系統採用增量式pid控制算法，通過如下公式計算規劃軌跡：式中：x為施肥裝置的位移量，m；v為施肥車的車速，m/s；r為果樹之間株距，m；t為行駛時間，s；所述單片機通過上述軌跡公式，產生不同的電信號，驅動電液比例方向閥改變流量，從而控制液壓缸的運行速度；所述位移傳感器10選用型號為wps拉繩位移傳感器，最大行程1250mm，輸出0~5v的電平信號。
24.所述遙控器14上有10個數字按鍵以及3個功能按鍵，通過輸入不同的數字組合輸入不同的株距值，功能按鍵則分別不同控制系統的啟停與重啟。
25.所述電壓轉換模塊12選用型號為lm2596s，可調輸入電壓範圍為4~40v，輸出電壓範圍可調為1.25~37v。
26.所述電液比例方向閥驅動模塊11選用型號為rt-psdm2，其工作電壓為8~32v，通過不同電平信號對所述電液比例方向閥的電磁鐵進行控制，從而達到控制流入所述液壓缸的流量大小，進而控制液壓缸的運動狀態。
27.所述電液比例方向閥5選用型號為4wra6e30-2x/g24n9k4/m，其中位機能為o型，保證液壓缸換向時的穩定動作。
28.所述溢流閥4與所述液壓泵7布置在配套的施肥車的頭部，所述液壓泵與發動機相連，所述溢流閥並聯安裝在液壓泵的輸出管路上；所述電液比例方向閥7串聯安裝在液壓泵的輸出管路上，用於控制液壓缸運動方向及運動速度；所述油箱串聯安裝在所述電液比例方向閥的出油口處；所述液壓缸5進油口與所述電液比例方向閥的a工作油口相連，出油口與電液比例方向閥的b工作油口相連。
29.環溝施肥機在工作過程中，其中一個運動環溝施肥裝置為25隨施肥車24的縱向運動，另一運動為環溝施肥裝置25橫向伸縮；通過機械觸杆13精準定位果樹樹幹；定位後，主控系統2控制環溝施肥裝置橫向伸縮；施肥車的縱向運動與環溝施肥裝置橫向伸縮運動合成曲線軌跡；該方法至少包括以下步驟或措施：（1）施肥車24在縱向上始終保持勻速直線運動，同時環溝施肥裝置在縱向上始終隨作業平臺運動；在機械觸杆20未檢測到目標物時，環溝施肥裝置在橫向上保持設定的初始位置靜止不動；（2）機械觸杆20精準定位果樹樹幹；（3）機械觸杆檢測到果樹樹幹時，主控系統2根據設定的軌跡及相應的運動規律，控制執行機構在橫向上運動；（4）環溝施肥裝置的橫向運動與隨施肥車的縱向上的勻速直線運動合成，環溝施肥裝置的末端軌跡形成曲線軌跡；（5）環溝施肥裝置橫向運動到設定位移後，主控系統根據設定的軌跡及相應的運動規律，控制環溝施肥裝置橫向返回初始位置保持靜止；（6）重複步驟2~5。
30.以下3點需要特別說明：1.本發明的目的是提供一種作業裝置的曲線軌跡控制方法及系統，採用電液比例方向閥結合單片機的控制方式，以及位移傳感器，提供了一種電液伺服控制系統的構成方法，解決了液壓缸變速運動的問題。
31.2.本發明的一種作業裝置的曲線軌跡控制系統除了可掛載於配套的施肥車外，仍適用於其他可掛載機架的作業平臺。
32.3.本發明的說明書以及附圖為了清楚說明技術方案，給出了一些技術方案細節，這些細節並非對本發明權利要求書的限定。任何對這些細節所做的變形或修改，均不超出本發明權利要求保護範圍。