适用于狭窄作物行间作业的农业移动机器人及其集群作业系统

本申请涉及农业自动化，特别是涉及一种适用于狭窄作物行间作业的农业移动机器人及其集群作业系统。

背景技术：

1、随着农业现代化和智能化的发展，移动机器人逐渐被引入农田环境，用于巡检、植保、采摘、播种及运输等作业。然而，相较于工厂、仓储等结构规则、地面平整的标准化作业场景，农田具有开放性强、环境复杂、作物种植方式多样且时空分布不均匀等特点，传统的农业移动机器人在农田，特别是狭窄作物行间的应用仍存在以下不足：机体宽度较大，难以适应狭窄作物行间的通行与作业需求，这是由于：农业移动机器人多采用四轮或履带式底盘结构，为保证行驶稳定性和承载能力，通常设计较大的机体宽度和轮距，在玉米、高粱等高茎秆作物种植场景中，作物行距可窄至50～60 cm，当农业移动机器人的机体宽度接近或大于作物行距时，农业移动机器人在作物行间通行受限，极易与植株茎秆和叶片发生干涉甚至将其压倒，造成作物损伤，严重影响作业效果和作物产量。因此，传统采用四轮或履带式底盘结构的农业移动机器人难以满足狭窄作物行间的近距离、精细化作业需求。

2、如果单纯减小机体宽度和轮距，农业移动机器人的抗侧翻能力将显著降低，在农田不平整或坡度较大的地面上更易发生侧倾或侧翻。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种适用于狭窄作物行间作业的农业移动机器人及其集群作业系统，可在减小机体宽度的前提下，提高抗侧翻能力，能够安全地在狭窄作物行间进行作业。

2、为实现上述目的，本申请提供了如下方案。

3、第一方面，本申请提供了一种适用于狭窄作物行间作业的农业移动机器人，包括：机器人主体以及安装在机器人主体上的传感部件、控制部件和平衡执行机构；

4、机器人主体包括机架、前轮组件和后轮组件，前轮组件和后轮组件均安装在机架下方，且前轮组件和后轮组件沿机器人行进方向前后布置，使机器人主体的宽度小于目标作物行距；

5、传感部件用于采集机体运动参数；机体运动参数包括机体侧倾角、机体侧倾角速度、机体横摆角速度、机体行驶速度、机体转向角、机体转向角速度、机体转向执行机构电流、机体驱动执行机构电流、机体横向加速度和机体垂向加速度；

6、控制部件用于基于机体运动参数，计算得到控制补偿力矩，并基于控制补偿力矩对平衡执行机构进行控制；

7、平衡执行机构用于基于控制补偿力矩工作，使得机器人主体保持平衡。

8、第二方面，本申请提供了一种集群作业系统，包括多台上述的农业移动机器人；

9、集群作业系统的作业模式包括：单机独立作业模式、刚性组合跨垄作业模式和柔性通信集群作业模式；单机独立作业模式是指每一台农业移动机器人独立作业，刚性组合跨垄作业模式是指多台农业移动机器人并排共同作业，且相邻两台农业移动机器人通过机械连接结构进行刚性机械连接，柔性通信集群作业模式是指多台农业移动机器人共同作业，且多台农业移动机器人通过无线通信网络实现信息互联。

10、根据本申请提供的具体实施例，本申请具有了以下技术效果：

11、本申请提供了一种适用于狭窄作物行间作业的农业移动机器人及其集群作业系统，该农业移动机器人包括：机器人主体以及安装在机器人主体上的传感部件、控制部件和平衡执行机构，机器人主体包括机架、前轮组件和后轮组件，前轮组件和后轮组件均安装在机架下方，且前轮组件和后轮组件沿机器人行进方向前后布置，使机器人主体的宽度小于目标作物行距，传感部件用于采集机体运动参数，机体运动参数包括机体侧倾角、机体侧倾角速度、机体横摆角速度、机体行驶速度、机体转向角、机体转向角速度、机体转向执行机构电流、机体驱动执行机构电流、机体横向加速度和机体垂向加速度，控制部件用于基于机体运动参数，计算得到控制补偿力矩，并基于控制补偿力矩对平衡执行机构进行控制，平衡执行机构用于基于控制补偿力矩工作，使得机器人主体保持平衡。本申请通过设计机器人主体采用前后两轮纵向布局，使机器人主体的宽度（即机体宽度）小于目标作物行距，能够减小机体宽度，适用于狭窄作物行间作业，同时，通过设计传感部件采集机体运动参数，控制部件基于机体运动参数，计算得到控制补偿力矩，并基于控制补偿力矩对平衡执行机构进行控制，此时平衡执行机构基于控制补偿力矩工作，使得机器人主体保持平衡，能够提高抗侧翻能力，提高安全性，从而可在减小机体宽度的前提下，提高抗侧翻能力，能够安全地在狭窄作物行间进行作业。

1.一种适用于狭窄作物行间作业的农业移动机器人，其特征在于，包括：机器人主体以及安装在机器人主体上的传感部件、控制部件和平衡执行机构；

2.根据权利要求1所述的适用于狭窄作物行间作业的农业移动机器人，其特征在于，在基于机体运动参数，计算得到控制补偿力矩方面，控制部件具体用于：

3.根据权利要求2所述的适用于狭窄作物行间作业的农业移动机器人，其特征在于，无偏载基准机体侧倾角的计算公式为：

4.根据权利要求2所述的适用于狭窄作物行间作业的农业移动机器人，其特征在于，前轮组件和后轮组件均包括驱动执行机构和转向执行机构，驱动执行机构用于实现机器人主体的前进、后退和速度调节，转向执行机构用于实现机器人主体的行进方向修正、地头转弯和姿态微调；

5.根据权利要求4所述的适用于狭窄作物行间作业的农业移动机器人，其特征在于，稳定裕度的计算公式为：

6.根据权利要求1所述的适用于狭窄作物行间作业的农业移动机器人，其特征在于，机架的侧面设置侧面工作部件模组安装区，机架的顶面设置顶面工作部件模组安装区，侧面工作部件模组安装区和顶面工作部件模组安装区均用于安装工作部件模组，工作部件模组包括作业机具和功能模块；

7.根据权利要求6所述的适用于狭窄作物行间作业的农业移动机器人，其特征在于，侧面工作部件模组安装区用于安装模组安装部件，模组安装部件包括工作部件外壳、工作部件挂架、上摆臂、下摆臂和电缸，上摆臂分别与工作部件外壳和工作部件挂架铰接，下摆臂分别与工作部件外壳和工作部件挂架铰接，构成平行四边形机构，电缸与工作部件挂架驱动连接，电缸用于驱动工作部件挂架上下运动；

8.根据权利要求1所述的适用于狭窄作物行间作业的农业移动机器人，其特征在于，机架的顶面设置机械连接结构安装区，机械连接结构安装区用于安装机械连接结构，机械连接结构用于实现不同农业移动机器人之间的刚性机械连接；

9.根据权利要求8所述的适用于狭窄作物行间作业的农业移动机器人，其特征在于，机械连接结构包括连接梁、第一连接支架、第二连接支架、第一快速锁止机构和第二快速锁止机构，第一快速锁止机构安装在第一农业移动机器人的机架的顶面的机械连接结构安装区，第一连接支架的第一端与第一快速锁止机构相连接，第一连接支架的第二端与连接梁的第一端相连接，第二快速锁止机构安装在第二农业移动机器人的机架的顶面的机械连接结构安装区，第二连接支架的第一端与第二快速锁止机构相连接，第二连接支架的第二端与连接梁的第二端相连接。

10.一种集群作业系统，其特征在于，包括多台权利要求1-9中任一项所述的农业移动机器人；