一种无人驾驶插秧机主变速手柄自动换挡装置及其控制方法与流程

本发明涉及农机主变速手柄换挡装置领域，主要涉及一种无人驾驶插秧机主变速手柄自动换挡装置及其控制方法。

背景技术：
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目前水田土壤条件多变，作业环境恶劣，易陷易滑，生产上水稻插秧机完全由人工操纵，劳动强度大，作业效率低，而且作业质量过分依赖操作者的操作技能，驾驶员长时间枯燥乏味的跟踪驾驶对插秧作业的准确性产生很大影响，易产生重行、漏行、插秧作业质量不稳定等缺陷，难以达到精准作业要求，造成减产，而且成本高。实现水稻插秧机的自动化、智能化，将操作人员从恶劣的水田生产环境中解放出来，是解决水稻插秧现有问题的重要技术手段。

无人驾驶插秧机是综合运用计算机、电子通信、控制等技术，用于解决土壤条件多变、作业环境艰苦、人工驾驶劳动强度大等问题。无人驾驶插秧机的主变速手柄自动换挡装置是在工作过程中提高无人驾驶插秧机工作效率，提高行驶精度的重要部分。而现有的自动换挡机构多为机械结构，不能精确地控制档位运动，使无人驾驶插秧机运动时的速度出现较大的偏差。因此，研发无人驾驶插秧机主变速手柄自动换挡装置及控制方法，有利于水稻精准插秧作业，保证行距均匀，直线成行，减轻了劳动强度，并且能够实现夜间连续作业，提高作业效率及水稻产量，增加水稻生产抗灾能力，节约作业成本，保证作业质量，降低能耗，增加农民收入，有利于水稻插秧机的推广应用。

技术实现要素：
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本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种成本低、结构简单、能够精确换挡的无人驾驶插秧机主变速手柄自动换挡装置及其控制方法，使无人驾驶插秧机主变速手柄的结构不被破坏，拆除时不需要拆除电磁铁，只需要拆除其他辅助配件，具有一定的通用性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种无人驾驶插秧机主变速手柄自动换挡装置，包括纵向驱动装置和横向驱动装置，所述的纵向驱动装置包括控制器、伺服电机、驱动器、编码器、减速器、直齿轮，所述控制器与编码器通过缆线连接，编码器安装在伺服电机轴后端，伺服电机轴与减速器输入轴通过键相连，减速器输出轴上安装有直齿轮，直齿轮与安装在插秧机主变速手柄转轴上的从动直齿轮相啮合，转轴连接着换档支撑杆；所述的横向驱动装置包括控制器和推拉式电磁铁，控制器通过缆线与两个推拉式电磁铁相连。

所述的纵向运动驱动装置包括有与换挡支撑杆上端部连接的固定板，固定板安装在插秧机主变速手柄转轴的一端，转轴通过固定支架上的孔，其一端与换挡支撑杆相连，另一端上安装有从动直齿轮，从动直齿轮与减速器输出轴上的直齿轮啮合，所述固定支架安装在方向轴支架上。

所述换挡支撑杆上套装有Z字形导向板，Z字形导向板上设有Z字形导向槽，Z字形导向板上铰接有导向铁片，换档支撑杆下部在导向板中做Z字形运动， Z字形导向槽的两侧下方分别对称安装推拉式电磁铁，支撑杆的底端部表面设有匙形凹槽，推拉式电磁铁的推拉头正对着匙形凹槽。

所述的无人驾驶插秧机主变速手柄自动换挡装置的控制方法，通过编码器检测当前伺服电机的转角位置，并通过编码器缆线将信号传递给控制器，推算出主变速手柄换挡支撑杆的位置；当控制器得到速度改变指令时，控制器计算出伺服电机对应的运动角度和方向，并向伺服电机控制器发出指令，控制伺服电机转动的角度和方向；当换档支撑杆运动到Z字形导向板的中点时，控制器发出指令控制推拉式电磁铁中的一个推拉头做伸出动作，推拉头推动换挡支撑杆横向运动，使换挡支撑杆推动导向铁片运动，并且伺服电机继续转动，推拉式电磁铁通过弹簧作用使其推拉头经过匙形凹槽退回，完成Z字形换挡。

本发明的优点是：

1、本发明以伺服电机为动力，经减速器减速后，转速减小，且扭矩增大，在转动支柱和减速器之间以直齿轮连接，保证了结构的简单性和传递的稳定性，能够提供较为精确的转角运动和较大的转矩。

2、本发明采用对称分布的推拉式电磁铁作为主变速手柄横向运动的执行机构，推拉式电磁铁可以提供较大的推力，推动主变速手柄的换挡支撑杆横向运动，对主变速手柄机构改变较少，控制速度和执行速度快。

3、本发明在主变速手柄的换挡支撑杆上有对称分布的两个匙形凹槽，使推拉式电磁铁的推拉头在与换挡支撑杆接触时有足够大的接触面积，在推拉式电磁铁收回推拉头时，可以通过匙形孔退出，保证了主变速手柄横向运动对纵向运动不干涉。

附图说明：

图1为本发明换挡装置结构图。

图2为本发明电磁铁安装位置结构图。

图3为本发明Z字形导向板结构图。

图4为本发明换档支撑杆上匙形凹槽的结构图。

图5为本发明自动换挡流程图。

图中编号：1.主变速手柄，2.换挡支撑杆 ，3.匙形凹槽，4. Z字形导向板，5.电磁铁连接线，6.控制器，7.方向轴支架，8.固定支架，9.转轴，10.导向铁片，11.推拉式电磁铁，12.直齿轮，13.减速器，14.伺服电机，15.编码器，16.编码器缆线，17.伺服电机驱动器，18.从动直齿轮，19.驱动器连接线，20.铰链，21.固定板。

具体实施方式：

参见附图。

一种无人驾驶插秧机主变速手柄自动换挡装置，包括纵向驱动装置和横向驱动装置，所述的纵向驱动装置包括控制器6、伺服电机14、伺服电机驱动器17、编码器15、减速器13、直齿轮18，所述控制器6与编码器15通过编码器缆线16连接，编码器15安装在伺服电机轴后端，伺服电机轴与减速器13输入轴通过键相连，减速器13输出轴上安装有直齿轮12，直齿轮12与安装在插秧机主变速手柄1转轴上的从动直齿轮18相啮合，转轴连接着换档支撑杆2；所述的横向驱动装置包括控制器6和推拉式电磁铁11，控制器6通过电磁铁连接线5与两个推拉式电磁铁11相连。

所述的纵向运动驱动装置包括有与换挡支撑杆2上端部连接的固定板21，固定板21安装在插秧机主变速手柄转轴9的一端，转轴9通过固定支架8上的孔，其一端与换挡支撑杆2相连，另一端上安装有从动直齿轮18，从动直齿轮18与减速器输出轴上的直齿轮18啮合，所述固定支架8安装在方向轴支架7上。

所述换挡支撑杆上套装有Z字形导向板4，Z字形导向板4上设有Z字形导向槽，Z字形导向板上铰接有导向铁片10，导向铁片10通过铰链20安装在Z字形导向板4上，换档支撑杆下部在导向板中做Z字形运动， Z字形导向槽的两侧下方分别对称安装推拉式电磁铁11，支撑杆的底端部表面设有匙形凹槽3，推拉式电磁铁11的推拉头正对着匙形凹槽。

所述的无人驾驶插秧机主变速手柄自动换挡装置的控制方法，通过编码器15检测当前伺服电机14的转角位置，并通过编码器缆线16将信号传递给控制器，推算出主变速手柄换挡支撑杆2的位置；当控制器6得到速度改变指令时，控制器计算出伺服电机对应的运动角度和方向，并向伺服电机控制器发出指令，控制伺服电机转动的角度和方向；当换档支撑杆2运动到Z字形导向板4的中点时，控制器发出指令控制推拉式电磁铁11中的一个推拉头做伸出动作，推拉头推动换挡支撑杆横向运动，使换挡支撑杆2推动导向铁片10运动，并且伺服电机继续转动，推拉式电磁铁11通过弹簧作用使其推拉头经过匙形凹槽退回，完成Z字形换挡。

参见附图1，本发明以伺服电机14为主变速手柄纵向运动驱动机构，以减速器13为减小转速、增大转矩机构，以直齿轮13、18为传动机构,以编码器15为检测电机转角机构，以伺服电机驱动器17作为伺服电机的驱动装置，以推拉式电磁铁11作为换档支撑杆的运动装置，以换挡支撑杆上的匙形凹槽3为电磁铁推拉头作用和推拉头退出区域。当主变速手柄需要换挡时，控制器发出指令，伺服电机使主变速手柄纵向运动，推拉式电磁铁推动换挡支撑杆横向运动，以驱动导向铁片，完成Z 字形的换挡动作。

参见附图2、3、4，本发明的匙形凹槽是电磁铁推拉头在换档支撑杆上作用区域和推拉头退出区域，当换档支撑杆向上运动时，电磁铁推拉头在与换挡支撑杆匙形凹槽接触后，从凹槽的下部分矩形区域退出，当换档支撑杆向下运动时，电磁铁推拉头在与换档支撑杆匙形接触后，从凹槽的上部分矩形区域退出。

参见附图5，本发明实现主变速手柄自动换挡的过程是在无人驾驶的模式时，通过编码器15检测当前伺服电机14的位置并通过缆线16将信号传递给控制器6，推算出主变速手柄1和换挡支撑杆3的位置；当控制器6得到上位机发出速度增加指令时，控制器6计算出伺服电机应该转动的角度和方向，发出指令通过缆线19传递给伺服电机驱动器17，控制伺服电机14正转；当伺服电机运动到Z形导向板4的Z字形中点时，控制器6发出指令控制电磁铁11中的A进行工作，使其推拉头与换挡支撑杆2发生作用，推动换挡支撑杆2向电磁铁推拉头运动的方向运动，换挡支撑杆推动导向铁片运动，并且伺服电机继续转动，电磁体11通过弹簧作用使其推拉头经过匙形凹槽退回；当控制器6得到上位机发出速度减少指令时，控制器6计算出伺服电机应该转动的方向和角度，发出指令通过缆线19传递给伺服电机驱动器17，控制伺服电机14反转；当伺服电机运动到Z字形导向板4的Z字形横向运动点时，控制器6发出指令控制电磁铁11中的B进行工作，使其推拉头与换挡支撑杆2发生作用，推动换挡支撑杆2向电磁铁推拉头运动的方向运动，换挡支撑杆推动导向铁片运动，并且伺服电机继续转动，电磁体11通过弹簧作用使其推拉头经过匙形凹槽退回，完成换挡。