本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)智能裝備技術領域，尤其涉及一種弓棚智能插架覆膜一體機的設計與控制。

背景技術：

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，弓棚在蔬菜栽培、育苗等方面的應用越來越廣泛。利用竹木、鋼材等材料作為棚架，并覆蓋塑料薄膜，搭成拱形棚，能夠提早或延遲蔬菜供應，特別是北方地區(qū)能在早春和晚秋淡季供應鮮嫩蔬菜，從而提高蔬菜供應量和新鮮度，同時有利于減少病蟲害，防御自然災害，增加經(jīng)濟效益。

弓棚建造成本較低，土地利用率高，可以保證較好的經(jīng)濟效益，是保護土地的蔬菜栽培的重要類型，發(fā)展?jié)摿薮?。目前國?nèi)弓棚插架覆膜機還處于萌芽階段，還沒有很成熟的產(chǎn)品應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。弓棚技術仍是人工建造，用米尺量具量出固定距離后進行兩側(cè)打孔，然后將彎好的竹坯插孔掩埋，這樣不僅種植誤差大，使整體抗風效果變差，而且浪費大量勞動力，勞動效率低下。種植完成后，利用人工覆膜，包括固定裙膜、頂膜等，覆膜效果差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對目前弓棚插架覆膜人工作業(yè)勞動強度大、效率低、工作繁瑣，弓棚插架距離不均勻、需手動進桿、壓桿、插桿等問題，發(fā)明了一種弓棚智能插架覆膜一體機及其控制方法，可實現(xiàn)弓棚插架覆膜機自主走直、全自動插架覆膜作業(yè)，提高插架、覆膜效率和準確度，確保了弓棚的結(jié)構(gòu)強度。

為達到上述要求，本發(fā)明采用以下技術方案，提供一種弓棚智能插架覆膜一體機，包括智能覆膜裝置、自主走直裝置，以及控制所述自主走直裝置的智能控制裝置，所述自主走直裝置包括車體，以及設置在所述車體上的兩個前車輪和兩個后車輪，所述車體的一端安裝所述的智能覆膜裝置，另一端安裝有智能插架裝置；

所述的兩個后車輪均連接有固定在車體上的驅(qū)動電機，且兩個后車輪上均安裝有編碼器，所述驅(qū)動電機和編碼器分別與所述智能控制裝置連接，所述智能控制裝置還連接有安裝在車體上的電子指南系統(tǒng)。

本方案將智能覆膜裝置和智能插架裝置安裝在同一個車體上，由車體帶動實現(xiàn)位置移動，實現(xiàn)了智能插架和覆膜的一體化，車體移動時，智能控制裝置通過編碼器、電子指南系統(tǒng)對車體的移動進行控制，實現(xiàn)了車體走直、插架間距控制，自動化程度高，大幅降低了工人勞動強度。

作為優(yōu)選，所述智能控制裝置包括固定在所述車體上且與所述驅(qū)動電機、編碼器、電子指南系統(tǒng)連接的stm32單片機模塊，以及通過wifi串口模塊與所述stm32單片機模塊通信的智能通訊設備。

本優(yōu)選方案將智能控制系統(tǒng)中的智能通訊設備作為人機交互平臺，wifi通信stm32單片機，可以預設插架距離、運動航向、運行速度、大田長度等參數(shù)，同時顯示當前行走的距離、插架數(shù)量，便于及時了解插架情況；此外，stm32可以采用pid閉環(huán)算法控制行走電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)小車行進速度，通過編碼器和電子指南系統(tǒng)得到當前瞬時速度和實時角度，計算出單位時間內(nèi)弓棚機沿設定航向行進的直線路程，從而方便對插架間距的控制，減少了插架和種植誤差，提高了弓棚的整體強度。

作為優(yōu)選，所述智能插架裝置包括自動進桿裝置和安裝于所述自動進桿裝置一側(cè)的自動壓插桿裝置，所述自動進桿裝置包括與所述車體固接的棚桿架、位于所述棚桿架下方的棚桿座，以及可將所述棚桿座推至所述自動壓插桿裝置下方且安裝在棚桿架上的推送裝置，所述棚桿架的側(cè)架上穿設有兩個上下布置的擋塊，兩個所述擋塊之間的距離與棚桿的外徑適配，兩個擋塊分別連接有帶動其進出棚桿架的驅(qū)動裝置，所述驅(qū)動裝置安裝在棚桿架上。

本優(yōu)選方案中，通過兩個擋塊交替伸入和伸出棚桿架，實現(xiàn)棚桿架內(nèi)棚桿的逐一順次落下，通過推送裝置來回推動棚桿座，實現(xiàn)棚桿的逐個進桿，整個進桿過程自動化程度高，在棚桿架內(nèi)可預存多根棚桿，提高了進桿效率，從而保證了整個插架過程的效率。

作為優(yōu)化，還包括沿棚架桿內(nèi)的棚桿長度方向布置的至少兩根處于拉伸狀態(tài)的彈簧，所述彈簧的下端與棚桿架固接，彈簧的上端均與壓在棚桿上的壓板固接。彈簧往下的拉力通過壓板傳遞給棚桿，使棚桿在往下掉落時更加順暢，保證了進桿的可靠性。

作為優(yōu)化，所述自動壓插桿裝置包括彎折裝置和滑接在所述棚架桿上的壓桿裝置，所述彎折裝置包括沿棚桿座上棚桿的長度方向布置的兩個滾輪，所述棚桿架上固定有分別帶動所述兩個滾輪轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)電機，滾輪的旋轉(zhuǎn)平面豎直且與棚桿座上的棚桿平行，兩個滾輪上相遠離的一側(cè)分別固定有彎折手臂；所述壓桿裝置包括位于所述兩個滾輪中間上方且與棚桿架豎直滑接的壓桿，以及安裝在棚桿架上且?guī)铀鰤簵U上下移動的下壓裝置。

本優(yōu)化方案中，滾輪轉(zhuǎn)動時，帶動彎折手臂轉(zhuǎn)動，從而對棚桿兩端進行施壓，棚桿的彎曲程度通過旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)過的角度進行調(diào)節(jié)，彎曲后的棚桿由下壓裝置壓入土壤，不僅實現(xiàn)了棚桿彎曲程度的可調(diào)，而且保證了棚桿彎曲的一致性，同時大大降低了勞動強度。

作為優(yōu)選，所述壓桿為向上凸起的弧形桿，壓桿底面中間位置固定有開口朝下且開口尺寸與棚桿適配的主固定槽，所述主固定槽兩側(cè)對稱固定有開口朝下且開口尺寸與棚桿適配的側(cè)固定槽。

本優(yōu)選方案將壓桿設為弧形桿，對棚桿的包裹性更強，增加了與棚桿的接觸面積，避免下壓時棚桿出現(xiàn)偏移，在棚桿上設置固定槽，進一步防止棚桿在下壓過程中偏出壓桿，保證插架的可靠性。

弓棚智能插架覆膜一體機的控制方法，包括如下步驟：

（1）將智能通訊設備通過wifi與stm32單片機模塊連接，并選擇自動控制模式或手動控制模式；

（2）通過選擇的控制模式啟動驅(qū)動電機，stm32單片機模塊采集編碼器的距離脈沖信息、電子指南系統(tǒng)的航向信號，并與預設值比較后，通過雙電機差速控制，從而實現(xiàn)控制車體自主走直；

（3）車體行走距離與設定的插架間距一致時，驅(qū)動電機停止轉(zhuǎn)動，自動進桿裝置啟動，完成進桿過程；

（4）自動壓插桿裝置啟動，彎折裝置將進桿到位的棚桿兩端向下彎折，壓桿裝置將彎折的棚桿壓入土壤，壓桿裝置和彎折裝置復位；

（5）驅(qū)動電機重新啟動，重復步驟（3）和（4），直至壓插的棚桿數(shù)量達到預設值。

（6）stm32單片機模塊控制驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)，并啟動智能覆膜裝置，直至所有棚桿被全部覆膜。

本控制方法簡單，易操作，通過設置航向、插架數(shù)量、弓棚插架間距、行駛速度等參數(shù)后，即可實現(xiàn)自動插架覆膜，大大節(jié)省了勞動力。

作為優(yōu)選，所述步驟（3）中的進桿過程具體為，下方的擋塊初始位置為伸至棚桿架內(nèi)，棚桿落至下方的擋塊上，然后上方的擋塊伸至棚桿架內(nèi)，下方的擋塊移動出棚桿架，其支撐的棚桿掉落至棚桿座上，推送裝置將棚桿座推至自動壓插桿裝置下方，同時，下方的擋塊伸至棚桿架內(nèi)，上方的擋塊移動出棚桿架，下一根棚桿落至下方擋塊上，重復以上動作，實現(xiàn)棚桿順次下落和進桿。此種進桿過程順序性強，進桿可靠，充分保證了插架過程的效率。

本發(fā)明的有益效果為：

（1）可以實現(xiàn)設備的自主走直，通過雙電機差速控制，可高精度實現(xiàn)弓棚插架覆膜機的直線前進插桿、直線后退覆膜等功能；

（2）可實現(xiàn)自動插架和覆膜的一體化作業(yè)，在無人操作的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)進桿、壓桿、插桿、覆膜工序，大大節(jié)省了人力、物力；

（3）采用人機交互系統(tǒng)，便于工作人員設定工作模式、航向、插架數(shù)量、弓棚插架間距、行駛速度等，為防止突發(fā)狀況，可強行控制機器停止等功能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明中智能插架裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明中自動進桿裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明中驅(qū)動裝置和推送裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明自動進桿原理圖；

圖6為本發(fā)明彎折裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明進桿完成狀態(tài)示意圖；

圖8為本發(fā)明棚桿彎折狀態(tài)示意圖；

圖9為本發(fā)明棚桿被下壓狀態(tài)示意圖；

圖10為本發(fā)明控制原理圖；

圖11為瞬時位移示意圖；

圖12為自主導航控制示意圖；

圖中所示：

1、車體，2、前車輪，3、后車輪，4、智能覆膜裝置，5、智能控制裝置，6、自動進桿裝置，6.1、棚桿架，6.2、棚桿座，6.3、推送裝置，6.4、擋塊，6.5、驅(qū)動裝置，6.6、彈簧，7、自動壓插桿裝置，7.1、彎折手臂，7.2、壓桿，7.3、下壓裝置，7.4、主固定槽，7.5、側(cè)固定槽，8、驅(qū)動電機，9、棚桿，10、滾輪。

具體實施方式

為能清楚說明本方案的技術特點，下面通過具體實施方式，對本方案進行闡述。

如圖1所示一種弓棚智能插架覆膜一體機，包括智能覆膜裝置4、自主走直裝置，以及控制所述自主走直裝置的智能控制裝置5。自主走直裝置包括車體1，以及設置在車體上的兩個前車輪2和兩個后車輪3，所述車體1的一端安裝所述的智能覆膜裝置4，另一端安裝有智能插架裝置。

車體1上的兩個后車輪3均連接有固定在車體上的驅(qū)動電機8，兩后車輪3通過各自連接的驅(qū)動電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)車體的前進和后退。兩個后車輪上均安裝有編碼器，用于檢測車體移動距離，為實現(xiàn)等距插架提供數(shù)據(jù)。驅(qū)動電機8和編碼器分別與所述智能控制裝置5連接，所述智能控制裝置5還連接有安裝在車體上的電子指南系統(tǒng)，電子指南系統(tǒng)用于檢測車體的航向信號。

智能控制裝置5包括固定在所述車體1上且與所述驅(qū)動電機8、編碼器、電子指南系統(tǒng)連接的stm32單片機模塊，以及通過wifi串口模塊與所述stm32單片機模塊通信的智能通訊設備，stm32單片機模塊接收智能通訊設備的信號、航向信號以及距離脈沖信號，并進行運算分析，閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)后輸出信號，通過控制兩個驅(qū)動電機的差速行駛，實現(xiàn)自主走直、全自動等距插架、覆膜等智能化作業(yè)。

將智能通訊設備作為人機交互平臺，在智能通訊設備上設計安裝app軟件，軟件界面包含工作模式、wifi開關、強制停止開關，啟動安裝在智能通訊設備上的軟件，點擊控制界面上的“打開wifi”按鈕，成功與弓棚插架覆膜機的智能控制裝置上的wifi連接之后，點擊“手動控制”按鈕，系統(tǒng)進入手動控制模式，用戶可以通過手機來控制前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止；點擊“自動模式”按鈕，進入工作參數(shù)設定，其中工作參數(shù)包括：航向、大田長度、弓棚插架間距、行駛速度等，設定完成后不需要用戶控制，實現(xiàn)等距離插架覆膜作業(yè)。

其中智能通訊設備可以為智能手機，或者具有wifi通信功能平板電腦設備。

智能插架裝置包括自動進桿裝置6和安裝于自動進桿裝置6一側(cè)的自動壓插桿裝置7，自動進桿裝置6用于棚桿進給，自動壓插桿裝置7則是將進給到位的棚桿壓入土中，完成插架操作。

自動進桿裝置6包括與車體1固接的棚桿架6.1、位于棚桿架6.1下方的棚桿座6.2，以及可將棚桿座6.2推至所述自動壓插桿裝置7下方的推送裝置6.3，推送裝置6.3安裝在棚桿架上，此處推送裝置可以為氣缸，也可以為齒輪齒條機構(gòu)。

棚桿架6.1的側(cè)架上穿設有兩個上下布置的擋塊6.4，兩個所述擋塊6.4之間的距離與棚桿9的外徑適配，兩個擋塊6.4分別連接有帶動其進出棚桿架的驅(qū)動裝置6.5，驅(qū)動裝置6.5安裝在棚桿架6.1上，此處的驅(qū)動裝置可以為氣缸，也可以為由電機驅(qū)動的齒輪齒條機構(gòu)。

本實施例還包括沿棚架桿6.1內(nèi)的棚桿長度方向布置的兩根處于拉伸狀態(tài)的彈簧6.6，彈簧6.6的下端與棚桿架6.1固接，彈簧6.6的上端均與壓在棚桿上壓板固接，彈簧往下的拉力通過壓板傳遞給棚桿，使棚桿9在往下掉落時更加順暢，保證了進桿的可靠性。

自動壓插桿裝置7包括彎折裝置和滑接在所述棚架桿上的壓桿裝置，所述彎折裝置包括沿棚桿座上棚桿的長度方向布置的兩個滾輪10，棚桿架上固定有分別帶動兩個滾輪10轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)電機，滾輪10的旋轉(zhuǎn)平面豎直且與棚桿座上的棚桿平行，兩個滾輪上相遠離的一側(cè)分別固定有彎折手臂7.1，旋轉(zhuǎn)電機帶動滾輪10轉(zhuǎn)動時，帶動彎折手臂7.1對棚桿的兩端施加彎折力。

壓桿裝置包括位于所述兩個滾輪10中間上方且與棚桿架6.1豎直滑接的壓桿7.2，以及安裝在棚桿架上且?guī)铀鰤簵U上下移動的下壓裝置7.3。其中壓桿7.2為向上凸起的弧形桿，壓桿7.2底面中間位置固定有開口朝下且開口尺寸與棚桿適配的主固定槽7.4，主固定槽7.4兩側(cè)對稱固定有開口朝下且開口尺寸與棚桿適配的側(cè)固定槽7.5。下壓裝置7.3可以是液壓缸、氣缸、電機驅(qū)動的齒輪齒條機構(gòu)中的任意一種，本實施例采用液壓缸作為下壓裝置，動力足，并且利于控制。

下面是以智能手機作為智能通訊設備的弓棚智能插架覆膜一體機的控制方法，具體如下：

（1）工作人員在打開智能通訊設備的app，選擇wifi開關打開狀態(tài)，智能手機與stm32單片機模塊通過wifi串口模塊通信，若選擇手動模式，則通過方向鍵控制；若選擇自動模式，則智能控制裝置中stm32單片機模塊智能控制弓棚插架覆膜機作業(yè)。

（2）通過選擇的控制模式啟動驅(qū)動電機，stm32單片機模塊采集編碼器的距離脈沖信息、電子指南系統(tǒng)的航向信號，根據(jù)手機的航向、行駛速度設置，控制自主走直裝置的驅(qū)動電機，驅(qū)動后輪差速前進。

自主走直裝置具體的控制如下：通過兩后車輪上的編碼器測得脈沖數(shù)值轉(zhuǎn)換為當前的瞬時速度為，得出弓棚覆膜機的速度，通過電子指南針測出當前的實時角度θ0。假設當前單位時間內(nèi)弓棚機走過的位移相對于上一次單位時間內(nèi)y軸的偏移量為δy，過的角度偏差為δθ，則兩次單位時間內(nèi)弓棚機沿設定角度行進的直線路程為：δx=δy*tanθ。通過與期望的位置和角度對比做差，得出相對路程偏差和角度偏差，將這兩組數(shù)據(jù)輸入到控制器中，經(jīng)pid調(diào)節(jié)，得出兩后車輪各自的速度值，進而達到控制弓棚覆膜機直線行走的效果。

（3）車體行走時，stm32單片機模塊采集兩個后車輪上編碼器的距離脈沖信息，以及電子指南系統(tǒng)的航向信號，計算出單位時間內(nèi)車體沿設定航向行進的直線路程，車體行走距離與設定的插架間距一致時，stm32單片機模塊控制驅(qū)動電機停止轉(zhuǎn)動，并啟動自動進桿裝置開始進桿，進桿過程具體為：

下方的擋塊初始位置為伸至棚桿架內(nèi)，棚桿落至下方的擋塊上，進桿時，驅(qū)動裝置動作，將上方的擋塊伸至棚桿架內(nèi)，將下方的擋塊移動出棚桿架，下方擋塊支撐的棚桿掉落至棚桿座上，推送裝置將棚桿座推至自動壓插桿裝置下方，同時，驅(qū)動裝置將下方的擋塊伸至棚桿架內(nèi)，將上方的擋塊移動出棚桿架，下一根棚桿落至下方擋塊上，重復以上動作，實現(xiàn)棚桿順次下落和進桿。

（4）當棚桿座將棚桿送至指定位置后，推送裝置將棚桿座拉回至棚桿架下方，此時自動壓插桿裝置中的旋轉(zhuǎn)電機啟動，帶動滾輪轉(zhuǎn)動，從而帶動彎折手臂對進桿到位的棚桿兩端向下彎折，彎折角度通過控制旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)過的角度實現(xiàn)，然后液壓缸向下伸出，將彎折的棚桿壓入土壤，壓入后，液壓缸收回，旋轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)相同的角度，將彎折手臂恢復原位。

（5）stm32單片機模塊重新啟動驅(qū)動電機，重復步驟（3）和（4），直至壓插的棚桿數(shù)量達到預設值。

（6）stm32單片機模塊控制驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)，并啟動智能覆膜裝置，直至所有棚桿被全部覆膜，覆膜作業(yè)期間編碼器和電子指南系統(tǒng)依舊采集實時速度與角度，在車體偏移航向時及時修正。由于智能覆膜裝置屬于現(xiàn)有技術，其具體工作過程在此不再贅述。

當然，上述說明也并不僅限于上述舉例，本發(fā)明未經(jīng)描述的技術特征可以通過或采用現(xiàn)有技術實現(xiàn)，在此不再贅述；以上實施例及附圖僅用于說明本發(fā)明的技術方案并非是對本發(fā)明的限制，參照優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，本技術領域的普通技術人員在本發(fā)明的實質(zhì)范圍內(nèi)所做出的變化、改型、添加或替換都不脫離本發(fā)明的宗旨，也應屬于本發(fā)明的權利要求保護范圍。