一种用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构的制作方法

本发明涉及园林设备领域，尤其涉及一种用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构。

背景技术：

国家农业发展迅速，作为农业发展中的重要一环，果园行业也发展迅速，而在果园的日常维护中，杂草的清除日益重要，但由于果园环境复杂，存在多种不同类型的障碍物，因此，在日常除草作业中会受到一定程度的影响。

目前果园常用的除草工具主要有背负式汽油除草机、乘坐式割草机、遥控式割草机等，但这些都需要人工操作才能完成，不仅效率低，也增加了人工成本，所以，近些年果园除草逐渐向智能化发展。

果园中传统用于障碍物检测的方式主要以激光雷达、超声波等传感器为主，虽然能实现检测障碍物的目的，但也受到诸如光照、路面不平等多种因素的影响，这就影响了传感器的检测精度。因此，针对果园环境复杂多变的特点，采用机械式避障更能满足日常障碍物的检测需求，并且受外界环境较小，能有效提高割草机器的通用性。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构，该避障机构主要包括与障碍物直接接触的接触装置、能够左右摆动的摆转装置、可前后伸缩的伸缩装置、以及将避障机构固定到车体上的连接支架和用于判断障碍物大小和方向的控制器。所述连接支架设置在车体上。所述伸缩装置安装在连接支架上，其伸缩端与摆转装置连接。所述摆转装置的摆动端与接触装置固定连接。所述接触装置和摆转装置分别与控制器电连接。工作时，当接触装置碰到前方障碍物，其内部的触点会触发压力信号，并将该信号发送给控制器；与此同时，摆转装置在车体前进的情况下与障碍物触碰并发生摆转，其内部的角度传感器便将摆转角度发送给控制器，控制器根据压力信号和角度信号来判断前方障碍物的方位和大小，从而驱动车体改变行驶轨迹来避开障碍物。

具体的，所述接触装置设置在车头方向，位于车体的最前方，该接触装置设为若干组，等间距地安装在摆转装置上，其结构包括与障碍物直接接触的接触横板、用于检测压力信号的信号传感器和压力点、行程轴、用于接触横板复位的第一回位弹簧、行程固定板、以及行程固定滑槽。所述行程固定滑槽安装在摆转装置上。所述行程轴的一端插入行程固定滑槽内并穿过摆转装置后，与行程固定板固定连接，另一端与接触横板固定连接。所述第一回位弹簧套设在行程轴上，一端抵住接触横板，另一端抵住摆转装置。所述信号传感器安装在摆转装置上，位于行程轴之间。所述压力点固定在接触横板内侧，与信号传感器相对。工作时，当障碍物触碰到接触横板时，会将接触横板向里推，从而使接触横板内侧的压力点与弧形臂上的信号传感器接触并施压，该信号传感器便会将压力信号传送给控制器做进一步分析。

具体的，所述摆转装置用于安装接触装置并根据障碍物的位置而转动，其结构主要包括旋转中心轴、用于测量摆转角度的角度传感器、弧形臂、弧形臂固定装置、用于拉着弧形臂固定装置复位的第二回位弹簧、以及用于调节拉力的调节螺栓；所述接触装置间隔地分布在弧形臂上。所述弧形臂固定装置的两端固定在弧形臂内侧。所述旋转中心轴安装在伸缩装置上，实现旋转中心轴的自转，其顶端与角度传感器固定连接，底部与弧形臂固定装置的中部固定。所述第二回位弹簧设为两根，分别位于弧形臂固定装置的两侧，第二回位弹簧的一端与弧形臂固定装置的端部连接，另一端与连接支架固定。所述调节螺栓设置在弧形臂固定装置的端部，与第二回位弹簧连接。工作时，当障碍物与接触装置接触的同时，由于车体在前进，所以摆转装置会在障碍物的作用力下发生偏转，偏转的角度会被角度传感器实时记录下来并发送给控制器，控制器可根据角度信号判断障碍物的方位，从而实现避障。

具体的，所述伸缩装置为避障机构在碰到障碍物时提供一定的缓冲，其结构主要包括第一连接横杆、伸缩滑槽、减震弹簧、第二连接横杆、以及固定竖杆。所述伸缩滑槽和第二连接横杆均设为两根，且第二连接横杆的一端插入伸缩滑槽内，另一端与旋转中心轴固定。所述第一连接横杆的两端分别与两根伸缩滑槽固定。所述固定竖杆的两端分别与两根第二连接横杆固定。所述减震弹簧设置在伸缩滑槽内，其一端抵住伸缩滑槽内壁，另一端抵住第二连接横杆端部。工作时，当障碍物与接触装置接的同时，摆转装置在障碍物和车体前进的作用下发生偏转，同时，由于车体还在继续前进，为了避免避障机构于障碍物之间发生硬性碰撞而损坏，伸缩装置在避震弹簧的作用下向后缩回，直到控制器驱动车体避开障碍物后才恢复原位，从而为车体的避障提供足够的时间。

作为本发明的优选方案，为了便于安装和调试伸缩机构的行程和力度，本发明所述伸缩滑槽上还设有便于观察和调整减震弹簧的观察窗。所述观察窗位于伸缩滑槽末端。

作为本发明的的优选方案，所述第一回位弹簧和减震弹簧采用压簧，第二回位弹簧采用压簧。

作为本发明的优选方案，为了尽可能覆盖车体前方的障碍物检测，本发明所述接触装置设为九组，每组相距10度安装。

作为本发明的优选方案，为了使障碍物的检测精度更高，本发明所述信号传感器采用压力传感器。

本发明的工作过程和原理是：控制器驱动车体向前运动，当障碍物与车体前方的接触装置接触时，其内部的压力点在车体继续前进的作用下与信号传感器接触并向其施压，压力信号随之传送到控制器；同时在障碍物的压迫下伸缩装置压缩避震弹簧，从而为避障机构提供缓冲，而摆转装置在障碍物的作用下带着接触装置转动，同时将转动角度实时发送至控制器；最后控制器根据压力信号和角度信号判断出前方障碍物的大小、距离和方位，从而驱动车体转动避开障碍物。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构采用机械式避障机构对障碍物进行检测，可有效克服传统传感器检测影响因素多，检测精准度易受影响的不足。

(2)本发明所提供的用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构通过前伸式弧形臂的旋转及接触信号判断障碍物相对于车体中心的位姿信息，从而控制车体，实施自动避障，既实现了避障割草的要求，也减少了人工成本。

(3)本发明所提供的用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构具有结构简单、成本低、维护方便、可靠性高等优点，具有很强的实用性且易于推广。

附图说明

图1是本发明所提供的用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构的俯视图。

图2是本发明所提供的用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构的整体结构等轴测图。

图3为本发明所提供的用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构的等轴视图；

图4为本发明所提供的用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构的主视图；

图5为本发明所提供的用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构的左视图；

图6为本发明所提供的用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构的俯视图；

图7为本发明所提供的接触装置的结构示意图；

图8为本发明所提供的用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构运动学分析图；

上述附图中的标号说明：

1-车体(割草机车体)，2-固定支架座3-避障机构连接装置，4-弧形臂，5-第一连接横杆(连接横杆a)，6-伸缩滑槽，7-减震弹簧，8-第二连接横杆(连接横杆b)，9-固定竖杆，10-旋转中心轴，11-角度传感器，12-弧形臂固定装置，13-第二回位弹簧(回位弹簧a)，14-调节螺栓，15-接触装置，16-接触横板，17-压力点，18-信号传感器，19-行程轴，20-第一回位弹簧(回位弹簧b)，21-行程固定板，22-行程固定滑槽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1至图8所示，本发明公开了一种用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构，该避障机构主要包括与障碍物直接接触的接触装置15、能够左右摆动的摆转装置、可前后伸缩的伸缩装置、以及将避障机构固定到车体1上的连接支架和用于判断障碍物大小和方向的控制器。所述连接支架设置在车体1上。所述伸缩装置安装在连接支架上，其伸缩端与摆转装置连接。所述摆转装置的摆动端与接触装置15固定连接。所述接触装置15和摆转装置分别与控制器电连接。工作时，当接触装置15碰到前方障碍物，其内部的触点会触发压力信号，并将该信号发送给控制器；与此同时，摆转装置在车体1前进的情况下与障碍物触碰并发生摆转，其内部的角度传感器11便将摆转角度发送给控制器，控制器根据压力信号和角度信号来判断前方障碍物的方位和大小，从而驱动车体1改变行驶轨迹来避开障碍物。

具体的，所述接触装置15设置在车头方向，位于车体1的最前方，该接触装置15设为若干组，等间距地安装在摆转装置上，其结构包括与障碍物直接接触的接触横板16、用于检测压力信号的信号传感器18和压力点17、行程轴19、用于接触横板16复位的第一回位弹簧20、行程固定板21、以及行程固定滑槽22。所述行程固定滑槽22安装在摆转装置上。所述行程轴19的一端插入行程固定滑槽22内并穿过摆转装置后，与行程固定板21固定连接，另一端与接触横板16固定连接。所述第一回位弹簧20套设在行程轴19上，一端抵住接触横板16，另一端抵住摆转装置。所述信号传感器18安装在摆转装置上，位于行程轴19之间。所述压力点17固定在接触横板16内侧，与信号传感器18相对。工作时，当障碍物触碰到接触横板16时，会将接触横板16向里推，从而使接触横板16内侧的压力点17与弧形臂4上的信号传感器18接触并施压，该信号传感器18便会将压力信号传送给控制器做进一步分析。

具体的，所述摆转装置用于安装接触装置15并根据障碍物的位置而转动，其结构主要包括旋转中心轴10、用于测量摆转角度的角度传感器11、弧形臂4、弧形臂固定装置12、用于拉着弧形臂固定装置12复位的第二回位弹簧13、以及用于调节拉力的调节螺栓14；所述接触装置15间隔地分布在弧形臂4上。所述弧形臂固定装置12的两端固定在弧形臂4内侧。所述旋转中心轴10安装在伸缩装置上，实现旋转中心轴10的自转，其顶端与角度传感器11固定连接，底部与弧形臂固定装置12的中部固定。所述第二回位弹簧13设为两根，分别位于弧形臂固定装置12的两侧，第二回位弹簧13的一端与弧形臂固定装置12的端部连接，另一端与连接支架固定。所述调节螺栓14设置在弧形臂固定装置12的端部，与第二回位弹簧13连接。工作时，当障碍物与接触装置15接触的同时，由于车体1在前进，所以摆转装置会在障碍物的作用力下发生偏转，偏转的角度会被角度传感器11实时记录下来并发送给控制器，控制器可根据角度信号判断障碍物的方位，从而实现避障。

具体的，所述伸缩装置为避障机构在碰到障碍物时提供一定的缓冲，其结构主要包括第一连接横杆5、伸缩滑槽6、减震弹簧7、第二连接横杆8、以及固定竖杆9。所述伸缩滑槽6和第二连接横杆8均设为两根，且第二连接横杆8的一端插入伸缩滑槽6内，另一端与旋转中心轴10固定。所述第一连接横杆5的两端分别与两根伸缩滑槽6固定。所述固定竖杆9的两端分别与两根第二连接横杆8固定。所述减震弹簧7设置在伸缩滑槽6内，其一端抵住伸缩滑槽6内壁，另一端抵住第二连接横杆8端部。工作时，当障碍物与接触装置15接的同时，摆转装置在障碍物和车体1前进的作用下发生偏转，同时，由于车体1还在继续前进，为了避免避障机构于障碍物之间发生硬性碰撞而损坏，伸缩装置在避震弹簧的作用下向后缩回，直到控制器驱动车体1避开障碍物后才恢复原位，从而为车体1的避障提供足够的时间。

作为本发明的优选方案，为了便于安装和调试伸缩机构的行程和力度，本发明所述伸缩滑槽6上还设有便于观察和调整减震弹簧7的观察窗。所述观察窗位于伸缩滑槽6末端。

作为本发明的的优选方案，所述第一回位弹簧20和减震弹簧7采用压簧，第二回位弹簧13采用压簧。

作为本发明的优选方案，为了尽可能覆盖车体1前方的障碍物检测，本发明所述接触装置15设为九组，每组相距10度安装。

作为本发明的优选方案，为了使障碍物的检测精度更高，本发明所述信号传感器18采用压力传感器。

本发明的工作过程和原理是：控制器驱动车体1向前运动，当障碍物与车体1前方的接触装置15接触时，其内部的压力点17在车体1继续前进的作用下与信号传感器18接触并向其施压，压力信号随之传送到控制器；同时在障碍物的压迫下伸缩装置压缩避震弹簧，从而为避障机构提供缓冲，而摆转装置在障碍物的作用下带着接触装置15转动，同时将转动角度实时发送至控制器；最后控制器根据压力信号和角度信号判断出前方障碍物的大小、距离和方位，从而驱动车体1转动避开障碍物。本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。

实施例2：

如图1-3所示，本实施例公开了一种用于果园障碍物检测的前伸式机械避障机构，包括割草机车体1、固定支架座2、可伸缩式避障机构连接装置3及前伸式弧形检测装置4。

所述割草机车体1上设置有固定支架座2，用于放置控制系统并连接避障机构3。

所述可伸缩式避障机构连接装置3由连接横杆5、竖向伸缩滑槽6和减震弹簧7组成。

所述竖向伸缩滑槽6内装有避障机构连接横杆8，横杆8之间通过两根竖杆9分别进行位置固定及安装旋转中心轴10。

所述旋转中心轴10顶端装有角度传感器11，底端与弧形臂固定装置12连接，弧形臂固定装置12两端装有可使弧形臂旋转后回到起始位置的回位弹簧a13及可调节弧形臂弧度大小的调节螺栓14。

所述弧形臂4上装有分布均匀的九组信号传感器18，且对应安装障碍物接触装置15，通过接触装置15的前后运动触碰信号传感器18检测障碍物。

所述接触装置15由接触横板16、压力点17、行程轴19、回位弹簧b20、行程固定板21及行程固定滑槽22组成，通过回位弹簧b20保证接触装置15压缩后可以回到起始位置。

所述机械避障机构工作原理如下：

车体在前进过程中通过接触装置接触障碍物，促使接触装置向后运动，触发信号传感器，同时弧形臂会在障碍物的作用力下发生旋转，由角度传感器确定旋转角度，最后根据预设的角度与距离关系可判定障碍物相对于车体中心的详细位姿，从而实施避障。

(1)障碍物方位角的确定：

如图8所示，θ1为已知的接触装置与车体中心的夹角，接触装置接触到障碍物后会绕中心轴旋转，在角度传感器的作用下，接触装置由A1位置运动到A2位置，以O1、O2连线为中心线，只需测出旋转角度θ2即可判断出障碍物的方向信息，即位于中心线O1O2的(θ1+θ2)的角度方向上。

(2)障碍物距离的确定：

因弧形臂检测范围在100°左右，所以在误差允许的范围内，可分角度范围提前多次测量求O1A2的平均距离，即可得到障碍物相对于车体中心O1的距离(接触装置高度忽略不计)。根据接触装置的布置情况，在误差允许的范围内，可每10°设置一个分界点，提前测量在0～10°范围内O1A2的平均长度(多次测量求平均值，减少误差)，然后测量10～20°范围内O1A2的平均长度，依此类推，这样便可以根据弧形臂的旋转角度θ2所处的角度范围对应得出O1A2相应的平均长度。在确定障碍物方位角以及距离中心O1的距离后，即能精确定位障碍物的位置，从而进行避障。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。