CN107992049B - 水稻直播机模块化自动驾驶控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种水稻直播机模块化自动驾驶控制装置及其控制方法，包括：作业管理终端系统、导航定位系统、主控制系统、无线通讯管理系统、转向控制及执行系统、速度控制及执行系统和档位控制及执行系统。本发明该装置便于用户根据实际情况灵活组态选用，能够让水稻直播机在复杂水田环境里无需输入播种土地大小而自动生成行走路径，提供厘米级精准按预定轨迹直线、曲线及拐弯、前进后退自动驾驶及自主作业。可实现水稻直播机能够在24小时在不同地形、地貌的复杂水田环境中自动行走、转向和作业。

Description

水稻直播机模块化自动驾驶控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种农业机械领域的技术，具体是一种水稻直播机模块化自动驾驶控制装置及其控制方法。

背景技术

水稻直播机因其节省人工和成本的优点，已被越来越多的农户接受。但原有的水稻直播机仍然是人工操作的方式，至少需要一人完成水稻直播机的驾驶，自动化程度不高，不能实现无人驾驶。水稻直播机的驾驶员要克服高温日照等恶劣的野外环境，播种质量受到驾驶员的经验影响，效率低，不利于农业现代化、无人化、智能化。同时，改革开放以来，农民大量进城，农村普遍遭遇劳动力流失和老龄化的尴尬处境。因此，水稻播种无人化是水稻种植业的发展趋势。

发明内容

本发明针对现有无人驾驶农机自适应能力较差，需要提前预设众多参数或借由无人机提供数据才能实现无人驾驶的缺陷，提出一种水稻直播机模块化自动驾驶控制装置及其控制方法，该装置便于用户根据实际情况灵活组态选用，能够让水稻直播机在复杂水田环境里无需输入播种土地大小而自动生成行走路径，提供厘米级精准按预定轨迹直线、曲线及拐弯、前进后退自动驾驶及自主作业。可实现水稻直播机能够在24小时在不同地形、地貌的复杂水田环境中自动行走、转向和作业。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种水稻直播机模块化自动驾驶控制装置，包括：作业管理终端系统、导航定位系统、主控制系统、无线通讯管理系统、转向控制及执行系统、速度控制及执行系统和档位控制及执行系统，其中：作业管理终端系统通过无线通讯管理系统向主控制系统输出规划路径作业信息并接收运行状态信息，导航定位系统输出水稻直播机方位信息至主控制系统，主控制系统分别从转向控制及执行系统、速度控制及执行系统和档位控制及执行系统接收方向盘角度、油门位置、换挡拨杆位置并输出输出转向控制量、速度控制量和档位控制量。

所述的作业管理终端系统包括：作业监控模块、路径规划模块以及由服务器远程通讯单元和主控器无线通讯单元组成的数据通讯模块，其中：作业监控模块接收来自数据通讯模块的主控器无线通讯单元的作业状况实时监控信息，路径规划模块接收来自主控器无线通讯单元的作业地块的位置信息并接收来自服务器远程通讯模块的作业GIS信息，生成作业路径并通过主控器无线通讯单元发送给主控器；路径规划模块另外通过手动设置作业路径并通过主控器无线通讯单元发送给主控制系统。

所述的导航定位系统中国北斗卫星导航系统，使用RTK差分全球定位，用于测量水稻直播机本体的厘米级精准位置，将位置信息发给所述的主控制系统进行分析和处理，以控制所述的水稻直播机行走或者转向。

所述的主控制系统包括：主处理单元以及分别与之相连的两个分别用于接收北斗导航定位信息和数据通讯的RS232接口、SD卡数据存储接口和用于对各动作执行单元的控制及位置姿态检测的CAN总线接口，其中：两个RS232接口、SD卡数据存储接口、CAN总线接口通过内部数据总线与主处理单元进行数据交换与通讯；主处理单元根据来自北斗导航系统提供的位置信息、路径规划系统提供的路径信息、转角传感器和车身倾角传感器的信息解析成用于控制转向控制及执行系统、速度控制及执行系统和档位控制及执行系统的运动的控制信息，实现水稻直播机的自动行走、转向、避障和作业。

所述的无线通讯管理系统包括：RS232接口，无线数传电台组，蓝牙通讯模块。通过RS232与主控制系统的第二RS232接口连接，将作业数据无线数传电台模组、蓝牙通讯模块发送给作业管理终端。

所述的转向控制及执行系统包括：车轮转角传感器、车身姿态传感器、CAN总线步进电机驱动器、减速步进电机、同步带传动系统、花键式方向盘运动传递系统，其中：用于检测车轮转角的车轮转角传感器设置于车轮轴处并通过CAN总线向主控制系统输出转角反馈信号，用于检测车身侧倾角的车身姿态传感器设置于车身上并通过CAN总线向主控制系统输出车身姿态反馈信号，CAN总线步进电机驱动器接收来自主控制系统的转向系统动作信号并驱动减速步进电机带动花键式方向盘运动传递系统转动，实现水稻直播机转向控制与轨迹跟踪，高路径跟踪精度。

所述的车身姿态传感器为两轴倾角传感器。

所述的速度控制及执行系统包括：速度控制器和分别与之相连的带有位置反馈的第一电动推杆和油门踏板连接器，其中：第一电动推杆设置于车身上且其伸出端与通过油门踏板连接器与油门踏板连接，速度控制器通过CAN总线接收主控制系统发出的直播机速度命令信号，将当前速度指令转换为电动推杆位移，并实时采集第一电动推杆的当前位置，通过闭环反馈实现对第一电动推杆给定位置的高精度控制，速度控制器另外输出踏板控制指令至油门踏板连接器以控制油门踏板位置，实现直播机行进速度的自主控制。

所述的档位控制及执行系统包括：位置控制器和分别与之相连的带有位置反馈的第二电动推杆和档位拨叉连接器，其中：第二电动推杆与档位手柄杠杆铰接以进行档位自动控制，当档位手柄处于空挡位置卡槽内固定，第二电动推杆伸出端与档位拨叉连接器相连，位置控制器通过CAN总线接收主控制系统发出的直播机档位命令信号，将当前速度指令转换为电动推杆位移，并实时采集第一电动推杆的当前位置，通过闭环反馈实现第一电动推杆给定位置的高精度控制，位置控制器另外输出换挡指令至档位拨叉连接器以控制档位拨叉位置，实现直播机作业的档位控制。

所述的速度控制及执行系统和档位控制及执行系统中均设有用于接收主控制系统信号的CAN总线收发器。

技术效果

与现有技术相比，本发明方案明确，方便基于现有传统水稻直播机改造，极大地降低了成本；能在复杂的水田环境下实现自动行走和转向，适合水稻直播机使用；通信方式以性能可靠、易用的CAN通信为主，可以很好的实现各模块之间实时通信，保证控制算法的实时性和可靠性；控制算法高效可靠，可实现厘米级的跟踪精度；水稻直播机的位置和运动参数可以实时显示在用户可视化终端上，更加人性化。

附图说明

图1为根据本发明水稻直播机自动驾驶控制装置的示意图；

图2为本发明中速度控制及执行系统的示意图；

图3为本发明中转向控制及执行系统的示意图；

图4为本发明中档位控制及执行系统的示意图；

图5为本发明中作业管理终端系统的示意图；

图6为本发明中无线通讯管理系统的示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例涉及的一种水稻中搏击自动驾驶控制装置，包括：作业管理终端系统1、导航定位系统2、无线通讯管理系统4、主控制系统5、CAN收发器3、转向控制及执行系统7、速度控制及执行系统8和档位控制及执行系统9，其中：作业管理终端系统1获取作业地块的位置信息和作业GIS信息并生成作业路径；或根据用户输入的作业地块等信息规划作业路径；作业管理终端系统1规划生成的作业路径通过无线通讯管理系统4发送给主控制系统5并接收主控制系统发送的水稻直播机运行状态信息供用户监控，用于测量水稻直播机本体的厘米级精准位置的导航定位系统2为中国北斗导航系统，其将位置信息通过CAN总线输出至主控制系统进行分析和处理以控制所述的水稻直播机行走或者转向，转向控制及执行系统7接收主控制系统5通过CAN总线发送的转向控制报文，解析报文并融合车身姿态信息和车轮转角等信息通过分析处理得出步进电机控制量，通过CAN收发器发送给步进电机驱动机，控制方向盘706转动，实现精确转向；速度控制及执行系统8接收主控制系统5通过CAN总线发送的速度控制报文，计算出油门位置和电动推杆的位移，通过电动推杆驱动器驱动电动推杆运动，调节油门位置，实现速度控制；档位控制及执行系统9接收主控制系统5通过CAN总线发送的控制报文，调节换挡拨杆档位，实现前进、倒车和空挡调节。

优选地，所述的CAN收发器使用NXP的TJA1050T收发模块。

如图2所示，所述的速度控制及执行系统8包括：速度控制控制器801、一个ADC模块802、电动推杆驱动器803和带位置反馈的电动推杆804，其中：电动推杆通过油门踏板连接器807和油门踏板805相连，电动推杆前进时拉动油门踏板805下压，水稻直播机加速；电动推杆后退时，在弹簧806的作用下，油门踏板805上升，水稻直播机减速，所述的主控制系统5根据水稻直播机在地块中的方位和规划路径计算出水稻直播机应有的速度后，发送速度控制的CAN报文给速度控制及执行系统8的速度控制器801，速度控制器801计算得出电动推杆位移后，根据ADC实时测得的电动推杆804的位置反馈，即油门位置，通过闭环控制驱动器实现推杆的前进和后退，从而带动油门下压或上升，直到到达指定的油门位置，从而控制水稻直播机的速度，自动行走。

优选地，速度控制及执行系统主控801使用STM的STM8S208S6T6C。

如图3所示，所述的转向控制及执行系统7包括：方向盘执行系统主控701、带编码器702的步进电机704、步进电机驱动器703、同步带705、花键式方向盘运动传递系统706、两轴倾角传感器、车轮转角传感器708和CAN收发器710，其中：主控制系统5根据水稻直播机在地块中的方位和规划路径计算出水稻直播机应有的车轮转角后，发送转向控制的CAN报文给速度控制及执行系统7的转向控制器701，两轴倾角传感器707与水稻直播机车身709固定连接，实时测量车身姿态，通过CAN总线发送给转向控制器701，车轮转角传感器708安装在转向车轮轴处，实时测量车轮转角，通过CAN总线发送给转向控制器701，转向控制器融合处理编码器702反馈的步进电机转角、两轴倾角传感器707反馈的车身姿态、车轮转角传感器708反馈的车轮转角，计算出步进电机应有的转角和转速后，通过步进电机驱动器703控制步进电机704的转速和角度，通过同步带705带动花键式方向盘706运动，从而控制方向盘的转角和转速，实现自动转弯。

如图4所示，所述的档位控制及执行系统9包括：方向盘执行系统主控901，一个ADC模块902，电动推杆驱动器903和带位置反馈的电动推杆904，档位拨叉连接器906，变速箱连杆907和换挡拨杆905，换挡拨杆905有3个档位：前进挡、空挡和倒车档，在各个档位有对应的档位卡槽，运动到特定档位位置后，换挡拨杆905可自动被卡槽卡住，电动推杆904末端与档位拨叉连接器906固定连接，档位拨叉连接器906和变速箱连杆907都与换挡拨杆905铰接，变速箱连杆907末端与水稻直播机变速箱连接，所述的主控制系统5根据水稻直播机在地块中的方位和规划路径判断水稻直播机需要前进还是倒车后，发送档位控制的CAN报文给换挡执行系统主控901，主控模块901解析出目标档位后，根据ADC测量的推杆位置反馈，闭环控制电动推杆驱动器903驱动电动推杆904运动，带动换挡拨杆905转动到指定档位卡槽卡住，换挡拨杆905带动变速箱连杆907实现换挡。

优选地，档位控制及执行系统主控801使用STM的STM8S208S6T6C。

如图5所示，所述的作业管理终端系统1包括：用户监控模块101、路径规划模块102、数据通讯模块103，数据通讯模块103包括：服务器远程通讯单元104和主控器无线通讯单元105两部分，使得作业管理终端系统1可与存储作业地块信息的云服务器和主控制系统5通讯，其中：主控制系统5通过无线通讯管理系统4和主控器无线通讯单元105与作业管理终端系统1通信，发送水稻直播机作业状况，通过作业监控模块101供用户监控；路径规划模块102可通过主控器无线通讯单元105获取作业地块的位置信息，通过服务器远程通讯模块104从云服务器获取作业GIS信息，生成作业路径，并通过主控器无线通讯单元105和无线通讯管理系统4发送给主控制系统5以自动驾驶；同时也可通过作业监控模块101手动设置地块信息、作业路径需要的相关参数，路径规划模块102规划出作业路径后，通过主控器无线通讯单元105和无线通讯管理系统发送给主控制系统5。

如图6所示，所述的无线通讯管理系统4包括：RS232接口401、蓝牙通讯模块402、无线数传电台模组403，该无线通讯管理系统4通过RS232接口401与主控制系统的第二RS232接口连接，将主控制系统提供的作业数据通过蓝牙通讯模块402和无线数传电台模组403发送给作业管理终端系统1。

优选地，所述的无线通讯管理系统4的蓝牙通讯模块使用TI的CC2541模块。

本实施例涉及上述水稻直播机自动驾驶装置的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1，通过作业管理终端系统1的作业监控模块101结合北斗导航系统2确定作业地块的方位和尺寸，设置播种间距等作业参数。路径规划模102根据作业地块方位尺寸信息用全覆盖路径规划算法规划出水稻直播机的作业路径后，发送给主控制系统保存和执行。

步骤2，水稻直播机行驶至作业地块的起点，通过作业管理终端系统1开启自动驾驶模式。

步骤3，主控制系统5结合北斗导航定位系统2提供的水稻直播机的经纬度和方位角，通过坐标转换算法转换为作业地块坐标系里的坐标，结合预先规划的作业路径执行直行，转向和作业，直至完成。

在步骤1中，路径规划模块102采用Ω型路径规划算法规划地头转向路径，地头外的作业区路径使用直线路径规划算法。路径规划模块102所需的作业地块信息可通过服务器远程通讯单元获取云服务器提供的GIS信息得到，也可通过作业监控模块101用户输入得到。

在步骤3中，主控制系统5根据北斗导航定位系统2得到的水稻直播机方位信息和储存的作业路径数据比较，判断是否需要转向。在直行路径段，当水稻直播机方位与作业路径存在横向偏差或航向角偏差且超过精度要求，则通过滑模控制算法控制转向控制及执行系统7进行转向，调整水稻直播机方位，减小跟踪误差；当误差在精度接受范围内，则水稻直播机保持此航向角直行。在地头路径段，主控制系统5根据规划的转向路径及北斗导航定位系统2提供的水稻直播机方位，通过PID控制算法控制水稻直播机速度和转向进行路径跟踪。

在步骤3中，当主控制系统5根据北斗定位导航系统2得到的水稻直播机方位信息和储存的作业路径数据，判断水稻直播机到达作业路径终点，则停止播种和行走，并通过作业管理终端系统1中的作业监控模块101通知用户。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种基于水稻直播机模块化自动驾驶控制装置的控制方法，其特征在于，所述的水稻直播机模块化自动驾驶控制装置包括：作业管理终端系统、导航定位系统、主控制系统、无线通讯管理系统、转向控制及执行系统、速度控制及执行系统和档位控制及执行系统，其中：作业管理终端系统通过无线通讯管理系统向主控制系统输出规划路径作业信息并接收运行状态信息，导航定位系统输出水稻直播机方位信息至主控制系统，主控制系统分别从转向控制及执行系统、速度控制及执行系统和档位控制及执行系统接收方向盘角度、油门位置、换挡拨杆位置并输出转向控制量、速度控制量和档位控制量；

所述的作业管理终端系统包括：作业监控模块、路径规划模块以及由服务器远程通讯单元和主控器无线通讯单元组成的数据通讯模块，其中：作业监控模块接收来自数据通讯模块的主控器无线通讯单元的作业状况实时监控信息，路径规划模块接收来自主控器无线通讯单元的作业地块的位置信息并接收来自服务器远程通讯模块的作业GIS信息，生成作业路径并通过主控器无线通讯单元发送给主控器；路径规划模块另外通过手动设置作业路径并通过主控器无线通讯单元发送给主控制系统；

所述的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，通过作业管理终端系统的作业监控模块结合导航定位系统确定作业地块的方位和尺寸，设置播种间距，路径规划模块根据作业地块方位尺寸信息用全覆盖路径规划算法规划出水稻直播机的作业路径后，发送给主控制系统；

所述的路径规划模块采用Ω型路径规划算法规划地头转向路径，地头外的作业区路径使用直线路径规划算法；路径规划模块所需的作业地块信息通过服务器远程通讯单元获取云服务器提供的GIS信息或作业监控模块用户输入得到；

步骤2，水稻直播机行驶至作业地块的起点，通过作业管理终端系统开启自动驾驶模式；

步骤3，主控制系统结合导航定位系统提供的水稻直播机的经纬度和方位角，通过坐标转换算法转换为作业地块坐标系里的坐标，结合预先规划的作业路径执行直行、转向和作业，直至完成所有作业路径；

所述的主控制系统根据导航定位系统得到的水稻直播机方位信息和储存的作业路径数据比较，判断是否需要转向：

在直行路径段，当水稻直播机方位与作业路径存在横向偏差或航向角偏差且超过精度要求，则通过滑模控制算法控制转向控制及执行系统进行转向，调整水稻直播机方位，减小跟踪误差；当误差在精度接受范围内，则水稻直播机保持此航向角直行；

在地头路径段，主控制系统根据规划的转向路径及导航定位系统提供的水稻直播机方位，通过PID控制算法控制水稻直播机速度和转向进行路径跟踪；

当主控制系统根据北斗定位导航系统得到的水稻直播机方位信息和储存的作业路径数据，判断水稻直播机到达作业路径终点，则停止播种和行走，并通过作业管理终端系统中的作业监控模块通知用户。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是，所述的导航定位系统采用中国北斗卫星导航系统，使用RTK差分全球定位，用于测量水稻直播机本体的厘米级精准位置，将位置信息发给所述的主控制系统进行分析和处理，以控制所述的水稻直播机行走或者转向。

3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是，所述的主控制系统包括：主处理单元以及分别与之相连的两个分别用于接收北斗导航定位信息和数据通讯的RS232接口、SD卡数据存储接口和用于对各动作执行单元的控制及位置姿态检测的CAN总线接口，其中：两个RS232接口、SD卡数据存储接口、CAN总线接口通过内部数据总线与主处理单元进行数据交换与通讯；主处理单元根据来自北斗导航系统提供的位置信息、路径规划系统提供的路径信息、转角传感器和车身倾角传感器的信息解析成用于控制转向控制及执行系统、速度控制及执行系统和档位控制及执行系统的运动的控制信息，实现水稻直播机的自动行走、转向、避障和作业。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是，所述的无线通讯管理系统通过RS232与主控制系统的第二RS232接口连接，将作业数据无线数传电台模组、蓝牙通讯模块发送给作业管理终端。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是，所述的转向控制及执行系统包括：车轮转角传感器、车身姿态传感器、CAN总线步进电机驱动器、减速步进电机、同步带传动系统、花键式方向盘运动传递系统，其中：用于检测车轮转角的车轮转角传感器设置于车轮轴处并通过CAN总线向主控制系统输出转角反馈信号，用于检测车身侧倾角的车身姿态传感器设置于车身上并通过CAN总线向主控制系统输出车身姿态反馈信号，CAN总线步进电机驱动器接收来自主控制系统的转向系统动作信号并驱动减速步进电机带动花键式方向盘运动传递系统转动，实现水稻直播机转向控制与轨迹跟踪，高路径跟踪精度。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征是，所述的速度控制及执行系统包括：速度控制器和分别与之相连的带有位置反馈的第一电动推杆和油门踏板连接器，其中：第一电动推杆设置于车身上且其伸出端通过油门踏板连接器与油门踏板连接，速度控制器通过CAN总线接收主控制系统发出的直播机速度命令信号，将当前速度指令转换为电动推杆位移，并实时采集第一电动推杆的当前位置，通过闭环反馈实现对第一电动推杆给定位置的高精度控制，速度控制器另外输出踏板控制指令至油门踏板连接器以控制油门踏板位置，实现直播机行进速度的自主控制。

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