CN108260401A - 一种基于ros无人驾驶联合收割机激光导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统，主要包括激光传感器、托盘、IMU惯性测量单元、步进电机、PC机和自动转向装置。所述托盘安装在步进电机的输出轴上，所述激光传感器固定在托盘上、安装于联合收割机前沿，并通过网线接口与PC机相连，所述IMU惯性测量单元安装在托盘上、激光传感器后端，并通过RS232串口与PC机相连，所述PC机放在联合收割机驾驶室内，所述自动转向装置包括ARM控制器、电机驱动器及方向盘控制电机。本发明基于ROS构建无人驾驶联合收割机激光导航系统，将激光传感器装于车前沿，由步进电机带动其对小麦边界进行上下扫描，可以实现高效作业，减轻劳动强度。

Description

一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统

技术领域

本发明涉及一种无人驾驶联合收割机的自动导航系统，具体涉及一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统，属于农业机械领域。

背景技术

自动导航技术是精准农业的一项核心技术，农业机械自动导航广泛应用于耕作、播种、施肥、喷药、收获等农业生产过程。通过导航系统对周围环境的感知，机器人能按照优化的作业路径工作，减少重复作业区和遗漏作业区的面积，提高农业机械的田间作业质量和效率、降低驾驶员劳动强度。

随着自动导航技术领域的快速发展，为农业机器人编写软件这一工作也变得越来越复杂繁重，代码的复用性和模块化的需求越来越强烈，而我国对于自动导航技术的研究还局限于使用单片机、嵌入式系统的封闭式开发结构。

机器人操作系统ROS作为一个开源软件，宗旨在于构建一个能够整合不同研究成果，实现算法发布、代码重用的机器人软件平台。如今基于ROS进行软件开发的机器人已达到95种，其范围涵盖移动机器人、机械手、类人机器人、无人车和无人飞行器等热点领域，而且大部分传感器在ROS上都得到了比较好的支持。

目前我国无人驾驶联合收割机的自动导航技术大多基于全球定位系统导航，但因为基于全球定位系统的自动导航收割机是通过接收四颗不同卫星信号来决定车辆的位置，由于一些环境的影响，如障碍物、远离差分信号基站、多路径干扰等，因此有时GPS即全球定位系统会出现无法达到自动导航要求的最小偏差。

基于以上原因，需要开发一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统，通过激光测距原理探测农作物边界，以拟合后的小麦收割线为导航基准线对收割机车轮左右转角进行控制，实现无人驾驶联合收割机的自动导航。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统，来弥补目前基于全球定位系统的自动导航技术的不足和国内农机自动导航系统多使用单片机、嵌入式系统的封闭式开发结构的不足。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统，主要包括激光传感器1、托盘2、IMU惯性测量单元3、步进电机4、PC机5、自动转向装置6。其特征在于：所述托盘2安装在步进电机4的输出轴上，所述激光传感器1固定在托盘2上、安装于联合收割机前沿，并通过网线接口与PC机5相连，所述IMU惯性测量单元3安装在托盘2上、激光传感器1后端，并通过RS232串口与PC机5相连，所述PC机5放在联合收割机驾驶室内，所述自动转向装置6包括ARM控制器、电机驱动器及方向盘控制电机。

所述激光传感器采用日本HOKUYO公司的激光测距传感器UST-20LX，它可通过对小麦地的扫描确定已收割小麦和未收割小麦的边界点。

所述PC机采用戴尔笔记本，装有Ubuntu 12.04系统和Hydro版本ROS，编译功能包完成对激光和IMU数据采集处理和小麦收割作业线的拟合。

所述自动转向装置包括ARM控制器、电机驱动器和方向盘控制电机，ARM控制器接收PC机传来的导航指令，启动电机驱动器转动方向盘控制电机，实现收割机车轮左右转角大小的控制。

所述IMU惯性测量单元采用北京星网宇达科技公司XW-IMU5220，通过对联合收割机三轴姿态角以及加速度的计算确定激光传感器扫描过程中俯仰角和行进过程中航向角。

上述的一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统。通过步进电机4带动托盘2转动，控制激光传感器1上下扫描获取麦田信息，IMU惯性测量单元3对托盘转动角度和联合收割机位姿数据进行采集，共同确定小麦的边界位置。PC机5接收激光传感器1和IMU惯性测量单元3信息，做出导航路径规划，给微处理器发送导航参数信号，ARM控制器经过分析计算发出指令，电机驱动器转动方向盘控制电机，从而实现车轮的左右转角大小的控制。

该基于激光导航技术的无人驾驶小麦收割的工作步骤主要是：

首先，步进电机上固定的托盘带动激光传感器上下转动，对小麦边界进行扫描，获取边界点。

其次，启动ROS功能包完成对激光和IMU数据采集处理、拟合小麦收割作业线，得到车轮需要调整的理想角度和方向。

最后，ARM控制器根据PC机传来的导航参数，采用模糊控制，以联合收割机的横向偏差和航向偏差为输入量，理论前轮转角的调整量为输出量，并与实际前轮转角求差，得到前轮转角的实际调整量。

本发明一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统的有益效果是：基于ROS设计联合收割机自动导航系统，可以有效解决现有的农机自动导航系统使用单片机、嵌入式系统的封闭式开发结构的问题；通过改进了的基于激光导航技术的无人驾驶联合收割机可以实现高效作业，减轻了劳动强度；相比于全球定位系统，基于激光的无人驾驶联合收割机，通过激光测距原理和相关算法寻找小麦的边界，抗干扰能力强，可以实现小麦边沿的精准定位。

附图说明

图1为本发明一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统左视图。

图2为本发明一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统俯视图。

图3为本发明一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统激光传感器转动装置放大图。

图4为本发明一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统ROS节点图。

图5为本发明一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统的系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图1、5对本发明作更进一步的说明：

一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统，主要包括激光传感器1、托盘2、IMU惯性测量单元3、步进电机4、PC机5、自动转向装置6。其特征在于：所述托盘2安装在步进电机4的输出轴上，所述激光传感器1安装在托盘2上，并通过网线接口与PC机5相连，所述IMU惯性测量单元3安装在托盘2上、激光传感器1后端，并通过RS232串口与PC机5相连，所述PC机5放在联合收割机驾驶室内，所述自动转向装置6包括ARM控制器、电机驱动器及方向盘控制电机。

上述一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统，把激光传感器安装在联合收割机前沿，随着步进电机上下转动，周期性地对农作物边界进行扫描，将获得的距离信息传给PC机；PC机中ROS功能包根据得到的小麦边界点和IMU惯性测量单元的数据，拟合小麦收割作业线，得到车轮需要调整的理想角度和方向；ARM控制器接收PC机传来的导航参数，经过分析计算发出指令，电机驱动器转动方向盘控制电机，从而实现车轮的左右转角大小的控制。

下面结合附图4对本发明作更进一步的说明：

一种基于ROS无人驾驶联合收割机激光导航系统，机器人操作系统ROS需要完成联合收割机对周围环境的感知、导航路径的规划和导航参数的确定。激光传感器节点和IMU节点将处理好的传感器数据发布，由路径规划节点订阅后，拟合出小麦收割线，最后导航控制节点通过订阅路径规划节点的拟合结果确定导航参数传输给下位机。

Claims (5)

1.一种无人驾驶联合收割机的激光导航系统，包括包括激光传感器(1)、托盘(2)、IMU惯性测量单元(3)、步进电机(4)、PC机(5)、自动转向装置(6)。其特征在于所述托盘(2)安装在步进电机(4)的输出轴上，所述激光传感器(1)固定在托盘(2)上，并通过网线接口与PC机(5)相连，所述IMU惯性测量单元(3)固定在联合收割机顶部，并通过RS232串口与PC机(5)相连，所述PC机(5)放在联合收割机驾驶室内，所述自动转向装置(6)包括电机驱动器及方向盘控制电机。

2.根据权利要求1所述的无人驾驶联合收割机的激光导航系统，其特征在于：所述激光传感器采用日本HOKUYO公司的激光测距传感器UST-20LX，它可通过对小麦地的扫描确定已收割小麦和未收割小麦的边界。

3.根据权利要求1所述PC机采用戴尔笔记本，装有Ubuntu 12.04系统和Hydro版本ROS，编译功能包完成对激光和IMU数据采集处理和小麦收割作业线的拟合。

4.根据权利要求1所述自动转向装置包括ARM控制器、电机驱动器和方向盘控制电机，ARM控制器接收PC机传来的导航指令，启动电机驱动器转动方向盘控制电机，实现收割机车轮左右转角大小的控制。

5.根据权利要求1所述的无人驾驶联合收割机的激光导航系统，其特征在于：所述IMU惯性测量单元采用北京星网宇达科技公司XW-IMU5220，它可以通过对联合收割机三轴姿态角以及加速度的计算确定联合收割机的航向角。