技术领域
[0001] 本发明涉及农用导航履带车技术领域，具体是一种基于前馈补偿控制的防侧滑农用小型导航履带车。
相关背景技术
[0002] 小型履带车采用履带式行走机构，履带与地面直接接触，具有接地面积大、农田土壤破坏力小、爬坡越障能力强和制动转向性能强等优点，是应用于设施大棚、丘陵山地零散农田和果园等作业场合的重要农用动力机械；随着农业智能装备的研究发展，自动导航控制系统已广泛应用于小型履带车以提高其作业质量和作业效率；但当搭载有自动导航系统的导航履带车在坡陡路窄、湿滑泥泞的丘陵山地作业时，由于地形复杂易发生履带侧滑的情况，导致导航履带车的路径追踪控制精度降低，不能按照预期的作业路线行驶，影响其作业质量和作业效率，严重时还会造成侧翻事故。
[0003] 在导航履带车主动位姿补偿方面，中国专利CN113341985A公开了一种高质量作业插秧机及其导航控制方法，主要是利用横移机构运动配合导航控制系统进行插秧机作业路径纠偏，解决了插秧机对行种植不均匀的问题；中国专利CN115792999A公开了一种多信息融合导航的牵引式农机具路径跟踪装置及控制方法，主要是通过多传感器信息采集进行路径决策，同时配合液压缸活塞调控作业机具横向位移实现农机具作业时的自主对行；以上两项专利均针对农用作业机械，采用了横向位移方式对作业机具进行路径纠偏，然而小型履带车在复杂地形条件下受到侧滑影响时，采用上述专利的液压系统进行横向位移具有滞后性，且采用电动推杆进行横移时惯性冲击大，因此上述专利所述装置和方法对不同复杂地形条件下产生的不同侧滑量的自适应能力和稳定性较差。
[0004] 基于此，亟需发明一种基于前馈补偿控制的防侧滑农用小型导航履带车，以解决在复杂地形作业时导航履带车易发生履带侧滑的情况。
具体实施方式
[0022] 如图1所示，一种基于前馈补偿控制的防侧滑农用小型导航履带车，包括履带车车体1、基于前馈补偿控制的自动导航控制系统2和变量旋转装置3；自动导航控制系统2装配于履带车车体1的上部，变量旋转装置3安装于履带车车体1的前部；所述自动导航控制系统2用于指引履带车车体1按照规划好的作业路径自动行驶；
如图8所示，所述自动导航控制系统2包括位姿传感器21、基于前馈补偿控制的导
航控制器22和人机交互终端23；位姿传感器21、人机交互终端23均与导航控制器22电性连接；所述人机交互终端23用于提前规划履带车车体1的作业路径，所述位姿传感器21实时获取履带车车体1的位置、姿态和速度信息，所述导航控制器22接收位姿传感器21获取到的信息，并判别履带车车体1是否存在侧滑趋势且位姿偏差是否发生扩大；当履带车车体1存在侧滑趋势且位姿偏差发生扩大时，导航控制器22辅助常规导航算法对履带车车体1进行位姿纠偏；当履带车车体1存在侧滑趋势且位姿偏差未发生扩大时，导航控制器22只利用常规导航算法对履带车车体1进行位姿纠偏；所述变量旋转装置3是一种可同时调节分体式配重轮311转速和质量分布从而实时调节其角动量的装置，导航控制器22控制变量旋转装置3运转；
如图2‑图6所示，所述变量旋转装置3包括底座31、拨叉37、拨齿型中心轴310、分体式配重轮311和环形剪叉机构312；底座31上安装有伺服电机驱动器32、直线推杆电机驱动器33、伺服电机34、直线推杆电机35和轴承座36，且轴承座36位于伺服电机34的正前方；伺服电机驱动器32与伺服电机34电性连接，直线推杆电机驱动器33与直线推杆电机35电性连接；所述拨叉37上开设有安装孔A371和安装孔B372；所述拨齿型中心轴310上套设有开孔套管39；拨齿型中心轴310的一端沿环向均匀固定设有若干个连接片3101，拨齿型中心轴310的轴身沿环向均匀固定设有若干个插杆3102，开孔套管39的一端沿环向均匀固定设有若干个连接片I391，开孔套管39的管壁沿环向均匀开设有若干个长条孔392，且若干个所述连接片3101与连接片I391的数量相等，若干个所述插杆3102与长条孔392的数量相等，若干个插杆3102一一对应地插于若干个长条孔392内；每个所述连接片3101上均开设有连接孔，每个所述连接片I391上均开设有连接孔I；拨齿型中心轴310远离若干个连接片3101的一端转动支撑于轴承座36上且与伺服电机34的输出轴连接，拨齿型中心轴310的另一端通过若干个连接片3101和对应的连接孔安装于环形剪叉机构312的内圈前端；开孔套管39远离若干个连接片I391的一端装配有推力轴承38，开孔套管39的另一端通过若干个连接片I391和对应的连接孔I安装于环形剪叉机构312的内圈后端；所述分体式配重轮311装配于环形剪叉机构312的外圈；所述拨叉37通过安装孔A371套设于拨齿型中心轴310上，拨叉37通过安装孔B372与直线推杆电机35固定连接，拨叉37位于推力轴承38与轴承座36之间，且拨叉37与推力轴承38固定连接；
伺服电机驱动器32、直线推杆电机驱动器33均与导航控制器22电性连接。
[0023] 所述履带车车体1可挂接不同的小型农用作业机具进行作业。
[0024] 当履带车车体1存在侧滑趋势且位姿偏差发生扩大，在常规导航算法对履带车车体1位姿纠偏不足的情况下，自动导航控制系统2通过变量旋转装置3对履带车车体1进行主动位姿补偿。
[0025] 所述导航控制器22可根据农田土壤条件和地形特征对变量旋转装置3进行角动量的实时在线调节，使履带车车体1可以适应不同的作业场景。
[0026] 变量旋转装置3通过底座31固定安装于履带车车体1的前部。
[0027] 如图7所示，所述分体式配重轮311包括六个60°扇形配重块；分体式配重轮311包括三种规格型号，其三种规格型号的配重轮半径依次为150mm、175 mm、200 mm。所述分体式配重轮311的六个扇形配重块可根据履带车车体1所挂接小型农用作业机具的质量不同，进行轻简化离线更换，用来保持履带车车体1整体的平衡。
[0028] 当导航控制器22通过伺服电机驱动器32驱动伺服电机34时，伺服电机34经拨齿型中心轴310和环形剪叉机构312带动分体式配重轮311做旋转运动；当导航控制器22通过直线推杆电机驱动器33驱动直线推杆电机35时，直线推杆电机35通过拨叉37和推力轴承38带动开孔套管39在拨齿型中心轴310上沿轴向运动；开孔套管39在沿轴向运动过程中，环形剪叉机构312做剪叉伸缩运动，从而实现分体式配重轮311质量分布的调节；当履带车车体1存在侧滑趋势且位姿偏差发生扩大时，且常规导航算法对履带车车体1位姿纠偏不足的情况下，由自动导航控制系统2根据履带车车体1的位置、姿态、速度信息，并结合履带车车体1运动学模型和动力学模型计算其角动量补偿量，根据计算所得的角动量补偿量，导航控制器22通过伺服电机驱动器32和直线推杆电机驱动器33对应控制伺服电机34和直线推杆电机
35的运转，从而实时在线调节分体式配重轮311的转速和质量分布，准确调节分体式配重轮
311的旋转角动量，进而前馈矫正履带车车体1的异常运动状态，确保在履带车车体1存在侧滑趋势且位姿偏差发生扩大时，其位姿偏差处于设定范围内，使得履带车车体1按照规划好的作业路径自动行驶。
[0029] 所述履带车车体1存在侧滑趋势且位姿偏差发生扩大是指履带车车体1符合横向偏差>2 cm、航向偏差> 2°、横向偏差的变化率>1 cm/s、航向偏差的变化率> 1°/s四项条件中的任意一项；所述履带车车体1存在侧滑趋势且位姿偏差未发生扩大是指履带车车体1同时符合横向偏差<2 cm、航向偏差< 2°、横向偏差的变化率<1 cm/s且航向偏差的变化率< 1°/s四项条件。
[0030] 所述履带车车体1运动学模型是包括履带车车体1轨迹、位移、速度、加速度、转动角速度、转动角加速度在内的运动参数；所述履带车车体1动力学模型是包括履带车车体1侧滑状态时所受到的离心力、摩擦力、制动力等与履带车车体1运动参数间的综合作用模型。
[0031] 在具体的实施过程中，拨叉37采用圆角长金属板制成。
[0032] 在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0033] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
