一种基于北斗导航定位系统的无人驾驶植保机的制作方法

1.本发明涉及农业机械自动化技术领域，具体为一种基于北斗导航定位系统的无人驾驶植保机。


背景技术：

2.中国作为农业大国，拥有18亿亩基本农田，每年需要大量的农业植保作业；与此同时，农村劳动力逐渐稀缺，人力成本日益增加；由于农药对人体伤害较大，因此，植保环节无人化应运而生；目前农作物进行机器自动化植保方面主要使用：自走式植保机械和航空植保机械；前者机体贴近人体，在喷洒作业的时候雾化的药液容易被呼吸进体内，对人体造成危害，难以精准作业，且操作人员在高强度的工作状态下容易产生疲劳驾驶，作业效率不高；后者喷药作业中因续航、载重、药剂要求对使用人员专业性要求较高，致使作业依赖于专业技术人员，而且难以固态肥料植保作业支持性不足，对设备推广普及造成一定的困难；随着精准农业和智慧农业的提出与发展，自动导航和自动作业成为农业机械发展的趋势，这样能够减轻操作人劳动强度的同时提高作业效率、作业精度和土地利用率。因此，如何利用现代科技提高粮食产量，提高农民收入，实现增产增收，是本领域技术人员需要解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于北斗导航定位系统的无人驾驶植保机，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于北斗导航定位系统的无人驾驶植保机，植保机包括植保机主体、北斗导航定位系统、行走控制系统、植保控制系统、数据处理器、无线信号接收装置、流量控制系统；北斗导航定位系统、行走控制系统、植保控制系统、数据处理器、无线信号接收装置、流量控制系统均与植保机主体连接；
5.北斗导航定位系统，用于接收卫星信号并根据卫星信号向数据处理器输出定位导航信息；
6.无线信号接收装置，用于接收控制信号并将控制信号发送至数据处理器；
7.数据处理器，用于根据定位导航信息对植保机主体进行位置修正；用于根据接收到的控制信号生成转向信号和植保作业信号，并将转向信号和植保作业信号发送至行走控制系统和植保控制系统；
8.行走控制系统，用于执行转向信号控制植保机主体进行转向；行走控制系统包括第一控制器；第一控制器用于实现对植保机的行走控制；
9.流量控制系统，用于结合行走控制系统执行植保作业信号控制植保机主体在进行植保作业过程中的喷药流量；
10.植保控制系统包括喷药作业控制系统和施肥作业控制系统，植保控制系统用于结合行走控制系统执行植保作业信号控制植保机完成喷药作业和施肥作业；
11.通过上述系统的组合使得本发明具有结构简单、作业效率高、通用性的特点。
12.进一步的，北斗导航定位系统包括北斗gnss天线和北斗gnss板卡；北斗gnss天线和北斗gnss板卡之间相互连接；北斗gnss天线用于接收定位信号，并将接收到的定位信号传输至北斗gnss板卡，北斗gnss板卡根据定位信号对植保机主体进行定位和导航；
13.本发明中设置北斗导航定位系统是为了实现对植保机位置的精确定位，还可以采用现有的gps定位系统替代或者采用其它的定位系统替代，本发明对此不作限定。
14.进一步的，无线信号接收装置无线连接有遥控器，遥控器通过无线信号接收装置发送控制信号，控制植保机主体进行喷药和施肥操作；
15.操作人员通过遥控器可以实现远程在室内进行操控，降低了劳动强度，提高了劳动效率。
16.进一步的，数据处理器连接有作业路径规划装置，作业路径规划装置用于根据北斗导航定位系统定位的植保机主体的所在区域、植保机主体的待植保区域、植保机主体的外形参数自动规划植保机主体的行走路线；
17.通过作业路径规划装置，工作人员可以设定本次的植保区域范围，喷药流量，施肥密度，植保机行走速度，转向区域等，即可实现无人植保，提高植保作业效率。
18.进一步的，行走控制系统包括第一推杆电机、电动方向盘、行走推杆；
19.第一推杆电机与行走推杆连接共同实现对植保机的行走操控；第一推杆电机上设置有电位传感器；电位传感器用于检测拉杆行程并通过第一控制器反馈植保机当前行走操作的有效性；第一控制器控制第一推杆电机运动牵拉行走推杆的档位；当档位推杆被第一推杆电机的拉杆推出，植保机主体向前运动；当档位推杆被第一推杆电机的拉杆收回，植保机主体向后运动。
20.进一步的，喷药作业控制系统包括驱动喷杆、液压电磁阀组、喷雾阀、流量控制阀组、第二控制器、喷药装置；喷药装置包括药箱、药箱水泵、喷药水路；
21.液压电磁阀组、喷雾阀、流量控制阀组、第二控制器位于植保机主体的左右展臂上；喷雾阀与药箱水泵连接；流量控制阀组与喷药水路相连。
22.进一步的，施肥作业控制系统包括第二推杆电机、旋转电机、螺旋施肥装置；第二推杆电机用于协助控制植保机主体的下肥口大小；螺旋施肥装置包括肥料箱，用于存储施肥作业过程中的肥料；旋转电机与螺旋施肥装置连接。
23.进一步的，遥控器连接有显示器，显示器用于显示包括植保机主体的运行参数、位置信息、已植保作业面积以及未植保作业面积；
24.通过与遥控连接的显示器，工作人员可以及时获取植保机信息反馈，提高植保精确度，提高对无人植保机的监控程度。
25.进一步的，流量控制阀组上设置有流量传感器；用于监测流量控制阀组的流量使用情况；药箱内设置有剩余药液检测装置，用于监测药箱内的剩余药液；植保机主体的左右展臂上设置有若干位置传感器，用于检测驱动喷杆和植保机左右展臂的位置状态，反馈当前控制操作的有效性；
26.第一控制器根据控制信号通过控制液压电磁阀组的油路通断，对驱动喷杆的高度、植保机主体的左右展臂的开合进行调节；
27.第一控制器根据控制信号通过控制喷雾阀，对药箱水泵进行开关操作；第二控制
器根据控制信号控制流量控制阀组动作，流量控制阀组加大，喷药量增大；流量控制阀组减小，喷药量减小；第一控制器可对当前流量操作的有效性进行反馈；
28.由于在植保作业过程中，每次植保机携带的药液有限，上述剩余药液检测装置的设置可以实现对药液进行及时的补充，从而使得植保机能够减少对药液进行补充的时间，不影响植保机的正常工作运行；且通过设置若干位置传感器和流量传感器，通过传感器与第一控制器或者第二控制器之间的连接关系实现对植保机运行操作过程中的相关参数进行监测和反馈。
29.进一步的，旋转电机上设置有转速传感器，用于检测旋转电机的转速；第二推杆上设置有电位传感器，用于检测拉杆行程；肥料箱内设置剩余肥料检测装置，用于监测肥料箱内的剩余肥料量；
30.第一控制器根据控制信号通过控制第二推杆电机运动牵拉行走推杆的档位，当档位推杆被第二推杆电机的拉杆推出，植保机主体的下肥口扩大；当档位推杆被第二推杆电机的拉杆收回，植保机主体下肥口缩小；
31.第一控制器根据控制信号通过控制旋转电机运动驱动螺旋施肥装置，旋转电机的转速加大，植保机主体的抛肥距离加大；旋转电机的转速减小，植保机主体的抛肥距离减小；
32.第一控制器可对当前肥口控制的有效性、当前抛肥距离控制的有效性进行反馈；
33.由于在植保作业过程中，每次植保机携带的肥料量有限，上述剩余肥料检测装置的设置可以实现对肥料量进行及时的补充，从而使得植保机能够减少对肥料量进行补充的时间，不影响植保机的正常工作运行；且通过设置转速传感器和电位传感器，通过转速传感器和电位传感器与第一控制器和第二推杆之间的连接关系实现对植保机运行操作过程中的相关参数进行监测和反馈。
34.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过在植保机主体连接设置的北斗导航定位系统、行走控制系统、植保控制系统、流量控制系统、数据处理器和无线信号接收装置，对植保机主体进行定位、转向以及无人驾驶植保；本发明中的基于北斗导航定位系统的无人驾驶植保机，可以是采用预设的方式，在无人驾驶植保机到达需要植保作业的区域之间，将植保的位置以及植保的参数等设置好，在达到植保区域之后，自动进行植保作业，工作人员无需进行操作；另外可自动或者手动控制无人植保机达到指定区域，然后将具体的植保参数等发送到无人植保机，实现自动植保作业，或者是其它的方式，本发明对此不作限定；本发明具有使用简单、作业效率高、通用性的特点，操作人员可以远程在室内进行操控，降低了劳动强度，提高了劳动效率。
附图说明
35.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
36.图1是本发明一种基于北斗导航定位系统的无人驾驶植保机的系统结构示意图；
37.图2是本发明一种基于北斗导航定位系统的无人驾驶植保机的侧视图；
38.图3是本发明一种基于北斗导航定位系统的无人驾驶植保机的俯视图。
39.图中：1
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左展臂传感器；2
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右展臂传感器；3
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喷杆高度传感器；4
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喷雾阀；5
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行走推
杆；6
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电动方向盘；7
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北斗gnss板卡；8
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北斗gnss天线；9
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驱动喷杆；10
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流量控制系统；11
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剩余药液检测装置；12
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剩余肥料检测装置；13
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肥料箱；14
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转速传感器；15
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旋转电机；16
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药箱水泵；17
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第二推杆电机；18
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第一推杆电机；19
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流量传感器；20
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药箱。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.请参阅图1
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3，本发明提供技术方案：一种基于北斗导航定位系统的无人驾驶植保机，植保机包括植保机主体、北斗导航定位系统、行走控制系统、植保控制系统、数据处理器、无线信号接收装置、流量控制系统；北斗导航定位系统、行走控制系统、植保控制系统、数据处理器、无线信号接收装置、流量控制系统均与植保机主体连接；
42.北斗导航定位系统，用于接收卫星信号并根据卫星信号向数据处理器输出定位导航信息；其中，北斗导航定位系统包括北斗gnss天线8和北斗gnss板卡7；北斗gnss天线和北斗gnss板卡7之间相互连接；北斗gnss天线8用于接收定位信号，并将接收到的定位信号传输至北斗gnss板卡7，北斗gnss板卡7根据定位信号对植保机主体进行定位和导航；上述北斗gnss天线8可以选用双天线结构也可以选择单天线结构；选择双天线结构的gnss天线的天线分别设置在植保机主体的驾驶座顶棚的左端、右端；选择单天线结构的gnss天线的天线设置在植保机主体的驾驶座顶棚的中央；
43.无线信号接收装置，用于接收控制信号并将控制信号发送至数据处理器；其中，无线信号接收装置无线连接有遥控器，遥控器通过无线信号接收装置发送控制信号，控制植保机主体进行喷药和施肥操作；遥控器连接有显示器，显示器用于显示包括植保机主体的运行参数、位置信息、已植保作业面积以及未植保作业面积；
44.数据处理器，用于根据定位导航信息对植保机主体进行位置修正；用于根据接收到的控制信号生成转向信号和植保作业信号，并将转向信号和植保作业信号发送至行走控制系统和植保控制系统；其中，数据处理器连接有作业路径规划装置，作业路径规划装置用于根据北斗导航定位系统定位的植保机主体的所在区域、植保机主体的待植保区域、植保机主体的外形参数自动规划植保机主体的行走路线；数据处理器，可以采用现有的电子计算机，也可以采用工控机等实现数据处理功能；
45.行走控制系统，用于执行转向信号控制植保机主体进行转向；行走控制系统包括第一控制器；第一控制器用于实现对植保机的行走控制；
46.其中，行走控制系统包括第一推杆电机18、电动方向盘6、行走推杆5；
47.第一推杆电机18与行走推杆5连接共同实现对植保机的行走操控；第一推杆电机18上设置有电位传感器；电位传感器用于检测拉杆行程并通过第一控制器反馈植保机当前行走操作的有效性；第一控制器控制第一推杆电机18运动牵拉行走推杆5的档位；当档位推杆被第一推杆电机18的拉杆推出，植保机主体向前运动；当档位推杆被第一推杆电机18的拉杆收回，植保机主体向后运动；
48.流量控制系统10，用于结合行走控制系统执行植保作业信号控制植保机主体在进
行植保作业过程中的喷药流量；
49.植保控制系统包括喷药作业控制系统和施肥作业控制系统，用于结合行走控制系统执行植保作业信号控制植保机完成喷药作业和施肥作业。
50.其中，喷药作业控制系统包括驱动喷杆9、液压电磁阀组、喷雾阀4、流量控制阀组、第二控制器、喷药装置；喷药装置包括药箱20、药箱水泵16、喷药水路；
51.液压电磁阀组、喷雾阀4、流量控制阀组、第二控制器位于植保机主体的左右展臂上；喷雾阀4与药箱水泵16连接；流量控制阀组与喷药水路相连；
52.流量控制阀组上设置有流量传感器19；用于监测流量控制阀组的流量使用情况；药箱20内设置有剩余药液检测装置11，用于监测药箱20内的剩余药液，本实施例中采用浮标传感器监测药箱20内的剩余药液；植保机主体的左右展臂上设置有若干位置传感器，包括图中展示的左展臂传感器1，右展臂传感器2，喷杆高度传感器3；各位置传感器是用于检测驱动喷杆9和植保机左右展臂的位置状态，反馈当前控制操作的有效性；
53.第一控制器根据控制信号通过控制液压电磁阀组的油路通断，对驱动喷杆9的高度、植保机主体的左右展臂的开合进行调节；第一控制器根据控制信号通过控制喷雾阀4，对药箱水泵16进行开关操作；第二控制器根据控制信号控制流量控制阀组动作，流量控制阀组加大，喷药量增大；流量控制阀组减小，喷药量减小；第一控制器可对当前流量操作的有效性进行反馈。
54.其中，施肥作业控制系统包括第二推杆电机17、旋转电机15、螺旋施肥装置；第二推杆电机17用于协助控制植保机主体的下肥口大小；螺旋施肥装置包括肥料箱13，用于存储施肥作业过程中的肥料；旋转电机15与螺旋施肥装置连接；
55.旋转电机15上设置有转速传感器14，用于检测旋转电机15的转速；第二推杆上设置有电位传感器，用于检测拉杆行程；肥料箱13内设置剩余肥料检测装置12，用于监测肥料箱13内的剩余肥料量；本实施例中采用红外传感器监测肥料箱13内的剩余肥料量；第一控制器根据控制信号通过控制第二推杆电机17运动牵拉行走推杆5的档位，当档位推杆被第二推杆电机17的拉杆推出，植保机主体的下肥口扩大；当档位推杆被第二推杆电机17的拉杆收回，植保机主体下肥口缩小；第一控制器根据控制信号通过控制旋转电机15运动驱动螺旋施肥装置，旋转电机15的转速加大，植保机主体的抛肥距离加大；旋转电机15的转速减小，植保机主体的抛肥距离减小；第一控制器可对当前肥口控制的有效性、当前抛肥距离控制的有效性进行反馈。
56.本发明公开的基于北斗导航系统的无人驾驶植保机，在无人驾驶的作业模式下分为喷药作业和施肥作业，以下以为喷药作业例，说明其操作方式：
57.步骤1：通过作业路径规划装置设置规划植保机的植保作业路线图，形成一植保作业行驶路线；北斗导航系统事先获取田地地理信息和作业喷幅设置来自动规划导航植保机的行驶路径，具体地，操作人员先在田间标点，安装在植保机上的北斗导航定位装置根据田间标点形成直线行驶路线，同时在数据处理器设置植保机的作业幅距，最终形成完整的田间喷药行驶路线。
58.步骤2：获取植保机当前位置信息，准备进入预喷药状态；通过北斗导航定位系统来获取植保机当前航向与位置信息；具体地，对称设置在植保机顶棚两端的北斗gnss天线8将接收到gps信号并发送给北斗gnss板卡7，北斗gnss板卡7计算出植保机的实时位置信息；
例如所述植保机通过北斗导航定位装置判断当前是否进入了田间作业的范围，植保机当前航向与位置和目标位置是否一致。
59.步骤3：分析植保机需要做出的状态变化，形成所需路径跟踪控制信息。通过数据处理器对北斗gnss板卡7获取的数据进行分析与处理，然后对植保机的行驶路线进行实时跟踪。植保机在行驶过程中位置和航向被实时更新，数据处理器发送给控制器的控制信息也对应地被更新，便于及时做出相应的控制。
60.进一步，步骤3具体包括：
61.植保机根据当前行驶状态做出所需的作业控制。
62.例如，当前植保机沿规划的路线直线行驶，根据行驶环境信息，所述植保机下一行驶状态为进入农作物喷药规划路线。基于当前位置，数据处理器给第一控制器发送控制指令，第一控制器驱动喷杆液压电磁阀，使驱动喷杆9打开并根据农作物高度动作至合理高度，下一时刻打开喷药阀药箱水泵16开始动作，数据处理器接收到第一控制器状态完成指令后，给第二控制器发送控制指令，第二控制器驱动流量控制阀组进行流量控制；进入喷药状态后，植保机要实时跟踪事先规划好的路线，当跟踪路线稍有偏差，数据处理器实时将方向调整发送给电动方向盘6，电动方向盘6做出相应的调整。
63.步骤4：获取所述植保机所需的转向信息，形成转向状态相关控制信息。根据植保机当前行驶状态与下一行驶状态，数据处理器会生成转向控制信息。
64.例如，植保机机完成一行喷药进入转向状态时，假设为右转，数据处理器发送转向控制信息给第一控制器和电动方向盘6，第一控制器控制第一推杆电机18动作带动行走推杆5减少推出距离，使得车体减速，同时电动方向盘6向右动作带动轮转向向右动作，使得车体完成转向。
65.步骤5：获取所述植保机喷药完成的信息，形成停止工作的控制信息。
66.具体地，当植保机完成最后一行农作物喷药后，数据处理器发送停止指令给第一控制器，第一控制器控制第一推杆电机18动作带动推杆电机回到停止位，车体停止行驶，下一时刻控制喷药阀关闭，再下一时刻控制喷杆液压电磁阀收回驱动喷杆9并动作至卡杆高度。
67.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
68.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。