一种基于温室内精确定位的单轨物流车及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及设施农业机械领域，尤其是一种基于温室内精确定位的单轨物流车， 用于日光温室内物流车精确定位与物料自动化运输作业。 技术背景
[0002] 我国是设施农业生产大国，面积和产量稳居世界第一。我国特有的日光温室能充 分利用太阳光热资源、节约能源和投入成本、减少环境污染，已成为我国设施农业产业中的 主体，是农业种植中效益最高的产业之一。现有物流车大多采用人力推动或驾驶掌握行进 方向、速度和停靠位置，因此需人工干预，生产效率低，浪费劳动力，没有合适的专用运输工 具，物料运输已成为温室中最耗工费力的生产环节之一。
[0003] 经对现有技术的文献检索发现，现有的日光温室运输机械种类少、功能少、效率 低，如中国发明专利"冬暖式大棚用轨道电动运输车"专利申请号201310023085.0,提供了 一种自行沿着导轨前进的适合冬暖式大棚使用的运输车辆，该专利实现了温室内物料自动 运输，但是只能单向自动行驶，难以实现不同条件下温室内运输需要物流车来回行驶的目 的，而且智能化程度低，无法实现物流车在轨道上的精确定位和自动行驶。
[0004] 受限于现阶段我国设施农业发展特点，在温室内工作的物流车技术一直未得到很 好的创新，特别是温室地面不平整，可用于运输作业的空间狭小，目前国内并没有太多适合 自动运输物料的物流车。因此，迫切需要发明一种轻便化、高效化、精确化和自动化的轨道 物流车以完成日光温室内的运输工作，对减少日光温室物流作业的工作量，降低生产成本， 降低劳动力的使用，提高温室作物的品质，具有重大的经济和社会意义。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术的缺陷，解决日光温室自动运输系统缺乏、现有物流车工作 方式单一且低效的问题而发明了一种基于温室内精确定位的单轨物流车及其控制方法，具 有在单轨轨道导引下准确定位物流车所在位置并标示在电子地图，遇障自动停止并报警， 依据电子地图发出控制指令，自动运行至指定工作地点等多种复合功能。
[0006] 本发明所采用的技术方案：
[0007] -种基于温室内精确定位的单轨物流车，包括导向轨道、驱动系统、控制系统和蓄 电池。所述的导向轨道用于支撑物流车并实现物流车的导向和辅助定位功能;所述的驱动 系统用于驱动物流车沿单轨轨道前进、后退和停止;所述的控制系统用于物流车的精确定 位并上传电子地图、控制物流车自动避障并报警、控制物流车自动运行至指定工作地。所述 的蓄电池为驱动系统和控制系统提供动力能源。
[0008] 所述的导向轨道是通过多段角铁和多个固定定位锚组成的单轨轨道。所述的角铁 选用等边角铁，其几何形状为直线形和四分之一圆形两种。通过组合不同形状的角铁形成 直线型、弯道型，甚至是封闭型单轨轨道;所述的固定定位锚由中间固定定位锚、角铁联接 定位锚和端部固定定位锚组成。所述的中间固定定位锚是通过角铁两边下缘沿垂直于角铁 长度方向将角铁固定锚片上，进而通过两侧锚片固定在温室地面上。所述的角铁联接定位 锚是通过角铁两边下缘将两段角铁沿垂直于角铁长度方向将角铁固定锚片上，进而通过两 侧锚片固定在温室地面上。所述的端部固定定位锚是通过角铁两边下缘和端部在角铁长度 方向和垂直于长度方向将角铁固定锚片上，进而通过两侧锚片固定在温室地面上。
[0009 ]所述的驱动系统包括底盘、驱动轮、行走电机、差速桥、鼓式制动器、继电器开关、U 型螺栓和随动导向轮装置。所述的底盘分上下两层用于固定和支撑控制系统和蓄电池;所 述的差速桥为鼓式制动差速桥，通过U型螺栓固定在底盘下层底部的中间位置，差速桥两端 分别安装有鼓式制动器;所述的鼓式制动器两端的外壳上分别安装有驱动轮;所述的行走 电机固定在差速桥中央;所述的继电器开关固定在底盘下层底部，控制鼓式制动器紧急制 动;所述的随动导向轮装置为两个并分别布置在底盘前后部，随动导向轮装置由导向轮、固 定架、连接螺栓、锁紧螺母、减震弹簧、滚珠轴承和固定轴组成;所述的固定架为两个并通过 连接螺栓和锁紧螺母分别固定在底盘下部前后两端的支撑管下方;所述的支撑管内部安装 有减震弹簧，支撑管的上下两端分别安装有滚珠轴承;所述的滚珠轴承为两个并固定在连 接螺栓上;所述的固定轴安装在固定架内，固定轴下端安装有导向轮。所述的导向轮设计有 三角形内凹结构，依靠自重压在导向轨道上。
[0010] 所述的控制系统包括控制箱、无线路由器、单片机、Wi-Fi模块、行走电机控制器、 超声波传感器、接近开关、光电编码器、警示灯、支架和智能手机;所述的控制箱固定安装在 底盘内部，用于放置单片机、Wi-Fi模块和行走电机控制器;无线路由器固定在温室后墙上； 所述的行走电机控制器接收单片机PWM信号控制行走电机的启动、停止和运转速度;所述的 超声波传感器为两个并分别固定在底盘前后沿两侧，超声波传感器串接到单片机的模拟量 信号输入接口，检测物流车行进前方是否有障碍信号，若有障碍时，单片机输出高电平将警 示灯打开;所述的接近开关为两个并分别安装在底盘左右两侧对应于固定定位锚的锚片位 置，接近开关串接到单片机上，用于检测固定定位锚锚片的金属信号;所述的光电编码器为 两个并分别安装在两个驱动轮轮毂内侧，光电编码器串接到单片机上，用于确定驱动轮的 转动角度，进而计算物流车的当前位置;所述的警示灯布置在底盘前端的支架上;所述的 Wi-Fi模块串接到单片机，与无线路由器进行通讯，实现与智能手机信号的收发功能。
[0011] 本发明还提供了一种基于温室内单轨物流车的精确定位方法，具体方法如下：
[0012] 1)温室单轨物流车直线运行时精确室内定位:物流车在轨运动过程中，接近开关 一直检测轨道两侧固定定位锚的金属锚片信号，将检测到的信号发送到单片机进行处理并 记录检测到的信号数η;当物流车正向行走时，一侧接近开关检测金属锚片信号的上升沿， 反向行走时检测金属锚片信号的下降沿。此时，单片机记录光电编码器的旋转角度作为物 流车的当前位置，再利用光电编码器记录物流车行走产生的脉冲增量，以获得角位移Θ，从 而可得物流车在单位时间内行走的距离，计算出物流车的当前位置的坐标XSI:
[0014] 式中，r为驱动轮半径，L为固定定位锚的间距；单片机将该坐标通过Wi-Fi模块与 智能手机通信，标示在智能手机显示的温室平面电子地图上。
[0015] 2)温室单轨物流车弯道运行时精确室内定位:温室内轨道在四分之一圆弧起点和 终点处各设有固定定位锚和金属锚片;温室单轨物流车在轨运动过程中，当接近开关检测 到圆弧起点处的金属锚片信号时，单片机控制光电编码器开始工作，光电编码器记录下两 个驱动轮上光电编码器在弯道的转弯角度与行走距离，计算获得单轨物流车中心在弯道位 置的坐标(X^t，Y^t):
[0017] 式中，ri、r；^别为转弯近侧和远侧驱动轮的转弯半径，别为转弯近侧和远 侧驱动轮的转弯角度;单片机将该坐标通过Wi-Fi模块与智能手机通信，标示在智能手机显 示的温室平面电子地图上。
[0018] 本发明还提供了一种基于温室内单轨物流车的自动化物流控制方法，具体方法如 下：
[0019] 1)温室单轨物流车开始工作控制：当Wi-Fi模块接受到智能手机发来的作业指令 时，由单片机控制物流车的行走电机运动到作业起始位置;在物流车在轨运动过程中，通过 单片机控制行走电机转速调节物流车行进速度。
[0020] 2)温室单轨物流车自动避障控制:温室单轨物流车在轨运动过程中，当超声波传 感器检测到障碍物信号并将其传递到单片机，单片机控制行走电机使物流车减速至停止， 并同时发出报警信号，直至处理完障碍物后，超声波传感器检测不到障碍物信号后，单片机 控制行走电机使物流车继续运动。
[0021 ] 3)温室单轨物流车的精确定位控制:温室单轨物流车在轨运动过程中，单片机通 过接近开关和光电编码器记录温室单轨物流车行走距离以精确定位，形成温室单轨物流车 位置坐标并上传到温室电子地图。
[0022] 4)温室单轨物流车工作位置转换控制:温室单轨物流