基于北斗導(dǎo)航的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動駕駛控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種自動駕駛控制系統(tǒng)及方法，特別涉及一種農(nóng)業(yè)機(jī)械自動駕駛控制 系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 農(nóng)業(yè)是國家基礎(chǔ)，關(guān)系著國家政治、經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定性，隨著我國農(nóng)業(yè)化的發(fā)展，會由 分散型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式逐漸向集中型農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。農(nóng)業(yè)的機(jī)械化是衡量一個國家農(nóng)業(yè)發(fā)展的重 要指標(biāo)，伴隨著三農(nóng)政策的不斷推進(jìn)，對農(nóng)業(yè)機(jī)械化提出了迫切的要求。
[0003] 農(nóng)業(yè)機(jī)械具有人工無法比擬的勞動效率，不僅降低了勞動強(qiáng)度，而且還可解放很 大一部分勞動力，進(jìn)而從事其他行業(yè)，因此發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械利國利民。農(nóng)業(yè)機(jī)械主要用于完成 土地的耕耘、播種、收割等作業(yè)，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機(jī)械絕大部分均為人工駕駛，對于大面積的田 地來說，駕駛?cè)藛T需要長時間的駕駛作業(yè)，十分容易疲勞。而且，最為重要的是，農(nóng)業(yè)機(jī)械的 使用均是階段性的，只有在耕耘、播種、收割的時間段才需要，這樣，在外工作或從事其他行 業(yè)的駕駛員，不得不在農(nóng)忙季節(jié)返鄉(xiāng)，或者是大型土地承包者不等不在農(nóng)忙時節(jié)雇傭大量 的駕駛?cè)藛T，進(jìn)行農(nóng)活作業(yè)，這無疑會帶來加大的人員使用成本。
[0004]隨著衛(wèi)星定位技術(shù)(如我國的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)）、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以自動控制 技術(shù)的成熟，根據(jù)接收的衛(wèi)星信號可準(zhǔn)確確定出車輛的位置信息，通過對車輛當(dāng)前狀態(tài)的 檢測和分析，制定出合理的自動駕駛方案，而且具有自主規(guī)避障礙物的功能;現(xiàn)有技術(shù)中， 車輛遇到障礙物時，農(nóng)機(jī)會根據(jù)周圍環(huán)境做出決策是否啟動自主換道模式，進(jìn)入自主換道 模式后，車輛會自主換道，這種技術(shù)也可用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中，但是農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)情況與普通 車輛不一樣，需要考慮如何在自主避開障礙物的同時保證農(nóng)機(jī)耕作時的耕作質(zhì)量，現(xiàn)有技 術(shù)無法滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械自動駕駛的條件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提 供一種基于北斗導(dǎo)航的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動駕駛控制系統(tǒng)及方法，此系統(tǒng)保證農(nóng)機(jī)在規(guī)避障礙物 的同時減少農(nóng)機(jī)的漏耕情況，提高農(nóng)機(jī)的耕作質(zhì)量。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：基于北斗導(dǎo)航的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動駕駛控制系統(tǒng)，包括 差分基準(zhǔn)站、自動駕駛儀和視覺傳感器，所述差分基準(zhǔn)站包括測量天線一，測量天線一上連 接有測量接收機(jī)一，測量接收機(jī)一通過RS232接口連接有發(fā)射電臺，所述自動駕駛儀包括車 載導(dǎo)航儀、車載顯示控制器、電動方向盤控制器和導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)向角度傳感器，所述車載導(dǎo)航儀 與車載顯示控制器連接，所述電動方向盤控制器和導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)向角度傳感器的輸出口分別與 車載顯示控制器連接，所述車載顯示控制器包括圖像處理模塊，所述視覺傳感器與圖形處 理模塊連接。
[0007] 本發(fā)明工作時，測量天線一接收BDS、GPS星座的導(dǎo)航信號，導(dǎo)航信號傳輸給測量接 收機(jī)一，測量接收機(jī)一對接收到的導(dǎo)航信號進(jìn)行捕獲跟蹤和定位解算，并獲得高精度的偽 距與載波相位觀測數(shù)據(jù)，定位解算結(jié)果、偽距和載波相位觀測數(shù)據(jù)通過RS232接口傳送給發(fā) 射電臺，發(fā)射電臺將數(shù)據(jù)向外部廣播，廣播處的數(shù)據(jù)被接受電臺接收，測量接收機(jī)二接收 BDS星座的導(dǎo)航信號，測量接收機(jī)二對接收到的導(dǎo)航信號進(jìn)行捕獲跟蹤、定位解算，進(jìn)行捕 獲跟蹤、定位解算，定位解算后與從基準(zhǔn)站上傳輸過來的數(shù)據(jù)做融合解算，獲取農(nóng)機(jī)自身精 確位置速度信息，通過三軸姿態(tài)傳感器獲取農(nóng)機(jī)自身的三向姿態(tài)信息，車載導(dǎo)航儀將農(nóng)機(jī) 的位置速度信息發(fā)送給車載顯示控制器，車載顯示控制器將農(nóng)機(jī)的位置與原來設(shè)定好的路 徑作對比，車載顯示控制器通過電動方向盤控制器控制電動方向盤的轉(zhuǎn)向，電動方向盤的 轉(zhuǎn)動帶動導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)動，通過導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角傳感器檢測導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)向角，導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角傳感器 將導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)向角信號傳輸給車載顯示控制器，車載顯示控制器根據(jù)轉(zhuǎn)向角信號繼續(xù)通過 轉(zhuǎn)向驅(qū)動控制器控制電動方向盤的轉(zhuǎn)動，循環(huán)以上動作，直至農(nóng)機(jī)位置與原先設(shè)定的路徑 一致，電動方向盤和導(dǎo)向輪不再做調(diào)整動作，視覺傳感器掃描農(nóng)機(jī)前方和未耕作區(qū)是否存 在障礙物，并將信息傳送至圖像處理模塊，圖像處理模塊處理視覺傳感器發(fā)送過來的信息， 車載顯示控制器做出決策指令;本發(fā)明使用基準(zhǔn)站和車載導(dǎo)航儀獲取農(nóng)機(jī)精確的位置速度 信息，提高農(nóng)機(jī)的定位精度，通過視覺傳感器掃描出障礙物的邊界線，圖像處理模塊根據(jù)障 礙物邊界線擬合出農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)彎最優(yōu)圓弧路徑，減少漏耕，保證農(nóng)機(jī)耕作質(zhì)量，解決了本領(lǐng)域內(nèi) 技術(shù)人員一直想解決的技術(shù)問題，可用于農(nóng)業(yè)機(jī)械耕作時的控制工作中。
[0008] 為了進(jìn)一步提高擬合遇到障礙物時的最優(yōu)轉(zhuǎn)彎路徑的準(zhǔn)確性，所述視覺傳感器設(shè) 有兩個，視覺傳感器分別安裝在農(nóng)機(jī)最前端機(jī)架的左右兩側(cè)。為了進(jìn)一步獲得農(nóng)機(jī)更精確 的位置速度信息，所述車載導(dǎo)航儀包括測量天線二、三軸姿態(tài)傳感器和接收電臺，測量天線 二上連接有測量接收機(jī)二，所述三軸姿態(tài)傳感器和接收電臺均通過RS232接口與測量接收 機(jī)二的輸入口連接，測量接收機(jī)二的輸出口與車載顯示控制器連接。
[0009] 為了進(jìn)一步提高方向盤的可控性，所述方向盤轉(zhuǎn)向控制器包括電動方向盤、轉(zhuǎn)向 控制驅(qū)動器和方向盤角度傳感器，所述車載顯示控制器與電動方向盤連接，電動方向盤與 方向盤角度傳感器的輸入口連接，方向盤角度傳感器的輸出口與轉(zhuǎn)向控制驅(qū)動器連接。
[0010] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述電動方向盤與導(dǎo)向輪相對連接，導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角傳感 器安裝在導(dǎo)向輪上。
[0011] 基于北斗導(dǎo)航的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動駕駛控制方法，具體包括以下步驟： (1) 預(yù)先在車載顯示控制器中存儲有分散決策單元的知識源和中央決策單元的知識 源，中央決策單元的知識源存儲分散決策單元的先驗(yàn)知識和經(jīng)驗(yàn)，每個分散決策單元的局 部決策結(jié)果有一個優(yōu)先級，中央決策單元根據(jù)多個分散決策結(jié)果做出最終決策； (2) 自動導(dǎo)航儀和基準(zhǔn)站獲取農(nóng)機(jī)的位置坐標(biāo)和速度信息，位置坐標(biāo)和速度信息傳輸 給車載顯示控制器； (3) 視覺傳感器用來掃描拖拉機(jī)前方和拖拉機(jī)兩側(cè)是否有障礙物;若農(nóng)機(jī)前方和側(cè)面 均無障礙物時，農(nóng)機(jī)按照原先設(shè)定的路徑行進(jìn);若農(nóng)機(jī)前方有障礙物、障礙物高度高于車輪 半徑且側(cè)面無障礙物時，農(nóng)機(jī)先按照原先設(shè)定的路徑行走，視覺傳感器掃描出障礙物的邊 界線，車載顯示控制器中的圖像處理模塊用來擬合出沿著邊界線轉(zhuǎn)彎的最短圓弧路徑，換 算出農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)角增量，農(nóng)機(jī)到圓弧路徑出發(fā)點(diǎn)時，農(nóng)機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)彎模式;若農(nóng)機(jī)前方有障礙物、 障礙物高度低于車輪半徑且側(cè)面無障礙物時，農(nóng)機(jī)先按照原先設(shè)定的路徑行走;若農(nóng)機(jī)前 方有障礙物、障礙物高度高于車輪半徑且前方障礙物在未耕作方向的一邊也存在障礙物， 障礙物間的距離大于車身最大寬度時，中央決策單元做出繞過障礙物的指令，視覺傳感器 掃描出農(nóng)機(jī)前方障礙物的邊界線，車載顯示控制器中的圖像處理模塊用來擬合出沿著邊界 線轉(zhuǎn)彎的圓弧路徑，根據(jù)圓弧路徑換算出農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)角變化量并發(fā)送至車載顯示控制器，當(dāng)障 礙物間的距離小于車身最大寬度時時，中央決策單元做出最終決策結(jié)果為停止，即系統(tǒng)斷 電，農(nóng)機(jī)停止作業(yè)。
[0012] 為了進(jìn)一步提高耕作質(zhì)量，步驟(3)中，車載顯示控制器根據(jù)已存儲的路徑判別農(nóng) 機(jī)已耕作區(qū)域和未耕作區(qū)域，在規(guī)避障礙物時，農(nóng)機(jī)向未耕作區(qū)域方向轉(zhuǎn)彎。
[0013] 為了進(jìn)一步提高在規(guī)避障礙物時導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)角的可控性，建立規(guī)避障礙物運(yùn)動學(xué)模 型：
假設(shè)農(nóng)機(jī)2轉(zhuǎn)彎時速度變化很小，看成