一种土壤硬度测定机器人

摘要

本发明涉及土壤检测技术领域，公开了一种土壤硬度测定机器人，其包括：行走单元，用来实现机器人的自主移动及越障；检测单元，安装于所述行走单元上用于检测所述土壤硬度；中央控制单元，安装于所述行走单元上与所述行走单元及检测单元电连接。本发明主要用于田间土壤数据精准调查，可以到达条件非常差，空间狭小，灌木作物等人不容易到达农田环境。

权利要求

1.一种土壤硬度测定机器人，其特征在于，包括：

行走单元，用来实现机器人的自主移动及越障；

检测单元，安装于所述行走单元上用于检测所述土壤硬度；

中央控制单元，安装于所述行走单元上与所述行走单元及检测单元电连接；

其中所述检测单元包括液压动力装置及其驱动的升降油缸及钻探油缸，所述液压动力装置固定在所述行走单元的行走底盘上，所述升降油缸的升降油缸活动杆可沿升降油缸伸缩；所述升降油缸活动杆固定连接钻探油缸，所述钻探油缸的活塞可沿所述钻探油缸伸缩；

所述钻探油缸的活塞端部安装有土壤检测件，土壤检测件的顶端设置有土壤硬度传感器，所述土壤检测件上设置有第一深度刻度及第二深度刻度；

所述钻探油缸上安装有GPS定位装置，用于探测土壤硬度测定位置的地理坐标，与所述中央控制单元电连接，每采集一个点的硬度数据后，所述中央控制单元同时采集该点的经纬度坐标，将所述经纬度坐标与所述硬度数据一一对应，组成唯一性的代码。

2.如权利要求1所述的土壤硬度测定机器人，其特征在于，所述行走单元包括行走底盘及固定于行走底盘上的两个减速行走电机，所述两个减速行走电机分别通过减速箱经传动链条驱动两侧车轮，同侧车轮通过车轮架串联并固定于所述行走底盘下方，所述同侧车轮之间通过传动链条传动；

所述行走底盘的前端及后端设置有超声波传感器；

所述两个减速行走电机及所述超声波传感器电连接到所述中央控制单元。

3.如权利要求2所述的土壤硬度测定机器人，其特征在于，所述车轮的个数为6个。

4.如权利要求2所述的土壤硬度测定机器人，其特征在于，所述升降油缸与所述行走底盘之间连接有立柱，所述立柱可在竖直方向与水平方向之间旋转。

5.如权利要求2所述的土壤硬度测定机器人，其特征在于，所述行走底盘的侧端还设置有红外传感器，其与所述中央控制单元电连接。

6.如权利要求2所述的土壤硬度测定机器人，其特征在于，所述行走底盘的上方还设置有可360度旋转的摄像头，其与所述中央控制单元电连接。

7.如权利要求1至6中任一项所述的土壤硬度测定机器人，其特征在于，所述土壤硬度测定机器人还包括遥控终端，其与所述中央控制单元无线通讯，所述遥控终端包括显示设备；所述遥控终端包括机器人行走方向手动控制开关。

说明书

一种土壤硬度测定机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及土壤检测技术领域，特别是涉及一种土壤硬度测定机器人。

背景技术

[0002] 土壤硬度检测对于现代农业、土地规划、土壤环境保护有重大的研究意义，但现有技术中对土壤硬度检测通常为人工操作，其缺点是劳动量大，户外工作环境恶劣，工作人员采集到的数据量大统计困难，且由于人工记录存在操作误差等，使得目前对土壤硬度检测无法得到待采样地区整体的准确信息。需要一种可以代替人工自动按照预定路线进行土壤硬度测定的设备。

发明内容

[0003] (一)要解决的技术问题

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种土壤硬度测定机器人，可以自动按照预定路线进行土壤硬度测定从而克服人工测定存在的缺陷。

[0005] (二)技术方案

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种土壤硬度测定机器人，其特征在于，包括：

[0007] 行走单元，用来实现机器人的自主移动及越障；

[0008] 检测单元，安装于所述行走单元上用于检测所述土壤硬度；

[0009] 中央控制单元，安装于所述行走单元上与所述行走单元及检测单元电连接。

[0010] 作为上述技术方案的优选，所述行走单元包括行走底盘及固定于其上的两个减速行走电机，所述两个减速行走电机分别通过减速箱经传动链条驱动两侧车轮，所述同侧车轮通过车轮架串联并固定于所述行走底盘下方，所述同侧车轮之间通过传动链条传动；

[0011] 所述行走底盘的前端及后端设置有超声波传感器；

[0012] 所述两个减速行走电机及所述超声波传感器电连接到所述中央控制单元。

[0013] 作为上述技术方案的优选，所述车轮的个数为6个。

[0014] 作为上述技术方案的优选，所述检测单元包括液压动力装置及其驱动的升降油缸及钻探油缸，所述液压动力装置固定在行走底盘上，所述升降油缸的升降油缸活动杆可沿升降油缸伸缩；所述升降油缸活动杆固定连接钻探油缸，所述钻探油缸的活塞可沿所述钻探油缸伸缩；所述钻探油缸的活塞端部安装有土壤检测件，其顶端设置有土壤硬度传感器。

[0015] 作为上述技术方案的优选，所述升降油缸与所述行走底盘之间连接有立柱，所述立柱可在竖直方向与水平方向之间旋转。

[0016] 作为上述技术方案的优选，所述钻探油缸上安装有GPS定位装置，用于探测土壤硬度测定位置的地理坐标，其与所述中央控制单元电连接。

[0017] 作为上述技术方案的优选，所述土壤检测件上设置有第一深度刻度及第二深度刻度。

[0018] 作为上述技术方案的优选，所述行走底盘的侧端还设置有红外传感器，其与所述中央控制单元电连接。

[0019] 作为上述技术方案的优选，所述行走底盘的上方还设置有可360度旋转的摄像头，其与所述中央控制单元电连接。

[0020] 作为上述技术方案的优选，所述土壤硬度测定机器人还包括遥控终端，其与所述中央控制单元无线通讯，所述遥控终端包括显示设备；所述遥控终端包括机器人行走方向手动控制开关。

[0021] (三)有益效果

[0022] 上述技术方案所提供的土壤硬度测定机器人，其包括：行走单元，用来实现机器人的自主移动及越障；检测单元，安装于所述行走单元上用于检测所述土壤硬度；中央控制单元，安装于所述行走单元上与所述行走单元及检测单元电连接。本发明主要用于田间土壤数据精准调查，可以到达条件非常差，空间狭小，灌木作物等人不容易到达农田环境。

附图说明

[0023] 图1是本发明实施例土壤硬度测定机器人的结构示意图；

[0024] 图2是本发明实施例土壤硬度测定机器人的遥控终端结构示意图；

[0025] 图3是本发明实施例土壤硬度测定机器人的工作流程示意图；

[0026] 其中：1：立柱；2：转动轴；3：平台；4：液压油箱；5：超声传感器；6：液压马达；7：液压油过滤器；8：支架；9：电动液压阀；10：转动摄像头；11：信号采集模块；12：中央控制单元；13：行走电机；14：报警灯；15：信号接收天线；16：红外传感器；17：减速箱；18：传动链条；19：连接螺栓；20：车轮架；21：车轮；22：稳压模块；23：蓄电池；24：转动轴；25：电池固定卡子；26：土壤硬度传感器；27：第一深度刻度；28：第二深度刻度；29：钻探油缸；
30：活塞；31：升降油缸活动杆；32：升降油缸；33：升降座；36：GPS天线；37：串口；38：终端箱；39：液晶触摸屏；40：底座；41：方向按键；42：开关按钮；43：GIS选择按钮；44：视频按钮。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

[0028] 如图1所示，图1是本发明实施例土壤硬度测定机器人的结构示意图；其包括：行走单元，用来实现机器人的自主移动及越障；检测单元，安装于行走单元上用于检测土壤硬度；中央控制单元12，安装于行走单元上与行走单元及检测单元电连接。该土壤硬度测定机器人包括的中央控制单元12，用来控制土壤采样时的行走动作和位置信息计算。预设的轨迹信息储存在中央控制单元中，控制器控制机器人按照程序进行行走。

[0029] 行走单元包括行走底盘及固定于其上的两个减速行走电机13，两个减速行走电机13分别通过减速箱17经传动链条18驱动两侧车轮21，同侧车轮21通过车轮架20串联并固定于行走底盘下方，同侧车轮21之间通过传动链条18传动；行走底盘的前端及后端设置有超声波传感器5；两个减速行走电机13及超声波传感器5电连接到中央控制单元12。
机器人的行走底盘，用来实现田间的自主移动和越障。该底盘采用两个减速行走电机13驱动，驱动经传动链条进行传动。两个行走电机13分别用四根用连接螺栓19固定在行走底盘上，减速行走电机13和减速箱17连接，用来将减速行走电机13的速度减小同时增大扭矩，提供低速稳定的动力输出。

[0030] 超声波传感器5固定在行走底盘的前端及后端两侧，用来在行驶过程中获取前方障碍物的远近，以便行驶过程中进行有效的避障，也用于硬度测量操作过程中移动障碍物的靠近提前做出预警。

[0031] 本实施例中车轮21的个数优选为6个，采用6个车轮21，在行走的过程中，四个车轮6用来行走，2个车轮6可以用来解决地面凸凹不平摩擦力的补充。车轮6分别安装在两侧，用来在农田中过高的起伏时也保持稳定，使行走单元具有较好的田间越障能力。

[0032] 检测单元包括液压动力装置及其驱动的升降油缸32及钻探油缸29，液压动力装置固定在行走底盘上，升降油缸32的升降油缸活动杆31可沿升降油缸32伸缩；升降油缸活动杆31固定连接钻探油缸29，钻探油缸29的活塞30可沿钻探油缸29伸缩；钻探油缸29的活塞30端部安装有土壤检测件，其顶端设置有土壤硬度传感器26。土壤检测件上设置有第一深度刻度27及第二深度刻度28。

[0033] 结合图1中所示，液压动力装置具体的包括液压油箱4、液压马达6、液压油过滤器7及用于调节液压驱动的电动液压阀9，通过控制电动液压阀9用于调节液压动力装置对升降油缸32或钻探油缸29的驱动切换。

[0034] 升降油缸32的上下动作会带动固定在升降油缸活动杆31上面的升降座33，升降座33的上下动作会带动固定在升降座33上的钻探油缸29用来实现土壤硬度测量。当土壤地表有凹陷时，钻探油缸29可以到达地表，用来保证第一深度刻度27的准确性。当钻探油缸29到达地表时，土壤硬度传感器26将信号发送到中央控制单元12，其驱动钻探油缸29内部的活塞30下降，根据升序预设的深度对土壤硬度数据进行测量。第一深度刻度27和第二深度刻度28用于初始化时校准采样深度，以便获得准确深度的硬度数据。

[0035] 为进一步结构优化，升降油缸32与行走底盘之间连接有立柱1，立柱1可在竖直方向与水平方向之间旋转。该立柱1通过转动轴2连接在平台3上，立柱1可以绕转动轴3顺时针旋转90度，从而平放在平台3上面，可以有效地用来降低机器人行走过程中及存放时的轮廓高度，便于机器人的行走及运输，平台3通过支架8固定与行走地盘上。

[0036] 钻探油缸29上安装有GPS定位装置，用于探测土壤硬度测定位置的地理坐标，其与中央控制单元12电连接。钻探油缸29上放固定了一个GPS天线36，每采集一个点的硬度数据后，中央控制单元12同时采集一个GPS经纬度坐标，将坐标同采集的硬度数据一一对应。保存在中央控制单元12中，便于对硬度数据的统计及用于后期的研究。

[0037] 行走底盘的侧端还设置有红外传感器16，其与中央控制单元12电连接。红外传感器16用来实现测量机器人进行走时的障碍物报警，用来实现行走过程中不会碰撞。

[0038] 行走底盘的上方还设置有可360度旋转的摄像头10，其与中央控制单元12电连接。上述可转动的摄像头10，可以实时获取土壤硬度测量时的工作图像，便于操作者后期对机器人工作状态、探测地点周围环境的了解及远程监控。为便于操作者的观察，土壤硬度测定机器人其上方还设置有报警灯14。用于为机器人提供电力的蓄电池23通过电池固定卡子25固定在行走地盘上，及其输出端连接有稳压模块22，再通入中央控制单元12及其它电子器件。

[0039] 结合图2所示，土壤硬度测定机器人还包括遥控终端，其与中央控制单元12无线通讯，中央控制单元12将采集到的土壤数据及地理位置信息数据实时打包发送回遥控终端。行走底盘上还设置有与遥控终端信号发送接收用的信号接收天线15。

[0040] 该遥控终端具体包括终端箱38，设置其上的液晶触摸屏39，底部的底座40，用于和上位机连接的串口37，其面板上还设置有用于遥控行走单元运动方向的方向按键41，方向按键41是触摸式面板PVC按钮，用来在手动模式下控制机器人的行走电机动作，实现行走方向的手动控制；终端的电源开关按钮42，开关按钮42用来控制遥控终端断电，同时也可通过出发信号遥控机器人断电；用于查看地理信息分布图的GIS选择按钮43，用来切换实现系统自动调用采集的历史数据并生成相对的地理信息分布图或显示历史采集的轨迹连线和剩余的采集点数量、位置等信息；切换查看视频的视频按钮44，可用来将液晶触摸屏39显示为当前视频信息。

[0041] 结合图3，该土壤硬度测定机器人的具体工作过程是：

[0042] 土壤硬度测定机器人行走到待测田间，人工将立柱1调整到竖直状态，并将转动轴2锁定。通过遥控终端启动液压动力装置，电源接通，个设备初始化并处于工作待命阶段，通过串口下载规划文件后，可以开始工作。机器人开始按照规划文件的信息在田间行走，当到达预定位置时，遥控终端就会有提示信息，此时，通过遥控终端操作机器人液压动力装置动作，采集硬度信息后，土壤硬度传感器26上升到安全位置，此时采集到的硬度信息和GPS位置信息同时保存，开始寻找下一个位置点测量，循环工作，直到采样工作结束。

[0043] 工作原理是：位于行走底盘上的蓄电池23给液压动力装置提供动力。通过液压动力装置驱动升降油缸32和钻探油缸29，钻探油缸29下降时，带动硬度传感器26进入土壤中。测得对应位置的土壤数据，并发送给中央控制单元12。

[0044] 中央控制单元12同时控制电动液压阀9根据程序切换开关，通过电动液压阀9实现对液压动力装置的准确快速控制。同时中央控制单元12在采样的同时，采集GPS定位装置发送的经纬度坐标信息，同土壤硬度信息组成唯一性的代码，代码数据经过处理后，通过无线发送方式给遥控终端，实时的显示在触摸液晶屏39上。中央控制单元12在每个点采样结束后，自动控制减速行走电机13动作，实现田间移动，使行走底盘到达下一个目标点。所有采样设备同行走底盘共同移动，实现一体化作业。结束后，机器人可通过遥控终端手动操作返回，还可以通过转动摄像头10通过视频监控田间的地表信息。

[0045] 由以上实施例可以看出，本发明实施例提供的土壤硬度测定机器人，其包括：行走单元，用来实现机器人的自主移动及越障；检测单元，安装于所述行走单元上用于检测所述土壤硬度；中央控制单元12，安装于所述行走单元上与所述行走单元及检测单元电连接。本发明主要用于田间土壤数据精准调查，可以到达条件非常差，空间狭小，灌木作物等人不容易到达农田环境。

[0046] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。