CN109115223A - 一种面向智能农机的全地形全源组合导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向智能农机的全地形全源组合导航系统，涉及农业机械作业领域，包括激光雷达导航模块、北斗卫星导航模块、惯性导航模块、视觉导航模块、路径规划系统、数据管理模块、综合环境感知模块和导航模式切换模块；其中综合环境感知模块获取激光雷达导航系统与视觉导航系统提供的环境数据构建一个高精度电子地图，与导航数据进行地形匹配；数据管理模块其具体包括：数据处理单元、数据同步单元、数据发送单元、数据融合单元，提供高精度、高质量、优于单一传感器的导航数据；导航模式切换模块主要由光照强度传感器、卫星信号检测传感器与作业环境数据等构成，为导航模式切换的决策提供参考。

Description

一种面向智能农机的全地形全源组合导航系统

技术领域

本发明属于农机组合导航技术领域，具体涉及一种面向智能农机的全地形全源组合导航系统。

背景技术

目前农机导航存在导航模式单一、导航模式难以适应全地形等问题。我国智能农机目前大多采用IMU与GPS的组合模式。传统组合导航产品因天气、地形、精度等因素难以应用于农机领域。目前该组合模式在无遮挡的大田情况下已得到应用，但是在山区丘陵以及密植果园，由于植被作物以及地形原因，GPS信号易受遮挡，存在导航盲区，导致导航结果出错。且传统高精度惯性导航产品存在初始化时间较长、滤波方法有待提高、实际使用过程中存在跳变、不适用于长时间导航等问题，单一导航模式难以适应我国目前智能农业的要求。

目前我国农用机具难以适应全地形要求。为适应全地形要求，导航装置应具备提供全源数据的功能，根据环境因素与作业状况进行导航模式切换与导航数据融合，具备自动分析、综合，完成作业所需的估计与决策，实现作业全过程无人化要求。针对不同导航模式中的传感器，导航装置应具备数据纠错、数据同步能力。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种面向智能农机的全地形全源组合导航系统。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种面向智能农机的全地形全源组合导航系统，包括激光雷达导航模块、北斗导航模块、惯性导航模块、视觉导航模块、路径规划模块、数据管理模块、综合环境感知模块和导航模式切换模块；

所述激光雷达导航模块、北斗导航模块、惯性导航模块和视觉导航模块的输出端并列设置且均与数据管理模块相连接；数据管理模块将接收到的信号处理后传递给导航模式切换模块进行模式切换；同时，激光雷达导航模块与视觉导航模块将采集到的环境感知数据传递给综合环境感知模块，综合环境感知模块对作业空间信息进行分析，并将数据传递给路径规划模块，路径规划模块将规划路径信息传出。

进一步的，所述激光雷达导航模块采用三维多线激光雷达，用于空间定位与障碍物检测，并提供相关作业环境参数，从而获得综合环境感知数据；北斗导航模块包括卫星天线与卫星信号接收机，采用单点北斗进行经纬度信息定位；惯性导航模块包含IMU和电子罗盘；所述惯性导航模块提供航向角度信息与磁偏角信息；视觉导航模块包括双目摄像头，双目摄像头进行被动信息导航且对环境无损，用于自然环境感知与视觉空间同步定位；视觉导航模块、激光雷达导航模块将采集到的环境感知数据传递给综合环境感知模块；综合环境感知模块生成高精度三维地图。

进一步的，所述数据管理模块包括数据处理单元、数据同步单元、数据发送单元和数据融合单元；数据管理模块针对各个传感器数据传输速率不统一、存在错误数据帧的情况进行数据速率的统一与错误数据帧的处理，针对组合导航模式中的多传感器进行有效数据融合。

进一步的，所述激光雷达导航模块、北斗导航模块、惯性导航模块、视觉导航模块为即插即用的便携组合，且具有统一的硬件与软件接口；综合环境感知模块进行作业区域的高精度电子地图生成；导航模式切换模块自主作业模式的选择与作业模式的切换；数据管理模块进行数据的同步、纠错、融合、发送。

进一步的，所述数据融合单元进行数据融合的步骤包括：首先对多个传感器信号平均值计算，随后对平均值信号方差估计；权系数计算后融合值计算。

进一步的，所述组合导航模式选择包括：

在地形匹配为大田环境时，针对卫星信号稳定且强的信号，选择单一的北斗导航系统；

在地形匹配为大田环境时，针对卫星信号弱的情况选取北斗导航与惯性导航组合模式；

在地形匹配为丘陵环境时，针对光线良好的情况下选取视觉导航与惯性导航组合模式；

在地形匹配为丘陵环境时，针对光线较差情况下选取激光雷达导航与惯性导航组合模式；

在地形匹配为密植环境时，针对结构化种植采取视觉导航；

在地形匹配为密植环境时，针对非结构化种植采取激光雷达导航与视觉导航组合模式。

进一步的，所述数据管理模块的工作步骤：识别激光雷达导航模块、北斗导航模块、惯性导航模块、视觉导航模块的ID，确定数据源；读取数据至缓冲区进行数据同步处理；进行数据可靠性检测、数据异常判断、数据纠错；数据打包校验发送。

本发明的有益效果是：采用全源导航，北斗卫星导航模块、惯性导航模块、激光雷达导航模块、视觉导航模块，进行多种导航方式组合，适用于全地形环境。数据管理模块对原始数据进行滤波处理与异常数据处理，对不同步数据进行同步打包处理并根据规定协议格式进行发送。综合环境感知系统与导航模式切换系统实现导航模式与导航算法的选取，避免出现由于导航错误导致作业失败，提高导航系统的准确性与智能化。

附图说明

图1本发明的全地形全源组合导航系统框图

图2本发明的全地形全源组合导航组合模式选择流程图

图3本发明的综合环境感知系统流程图

图4本发明的数据融合算法的流程图

具体实施方法

下面结合附图和实例对本发明做进一步详细说明。

本发明中的导航系统主要包含激光雷达导航模块、北斗卫星导航模块、惯性导航模块、视觉导航模块、数据管理模块、数据传输模块、综合环境感知模块、路径规划模块、导航模式切换模块。

北斗卫星导航定位精度高，但是在野外作业中信号易被遮挡，存在导航盲区。本套系统在设备选择上选取北斗星通的单点定位模块，包含：卫星天线、接收机，单点定位精度达到厘米级别。针对卫星导航存在盲区问题，通常采用组合导航进行解决。本发明首先进行高精度电子地图生成。高精度电子地图包含参考地形的各种空间信息。

综合环境感知模块工作流程图如图3所示：在上电进行初始化之后，系统会检查激光雷达与双目摄像头是否正常工作。系统采用嵌入式硬件设备，设备搭载Linux系统，在该操作系统上基于ROS平台进行作业区域激光雷达的构图，同时双目摄像头对环境进行特征提取与判定，与预设的大田、丘陵、密植地形进行匹配，判断所处环境特征。视觉系统与激光雷达系统数据融合，进行作业边界提取与作业区域障碍物标定，针对作业区域生成高精度电子地图。

综合环境感知模块将生成数据作为参考地形数据进行存储，也用于作业机具的导航路径规划。在生成的高精度电子地图中针对不同作业机具的作业习惯进行作业路径规划，针对地图已探测到的障碍物，路径规划进行避障，选择最优避障路径。路径规划的空间坐标信息与综合环境感知模块生成的参考地形数据存储在板载硬件内存中。

如图1所示：在生成作业的路径规划之后，导航模式切换模块开始进行工作。导航模式切换模块获得作业环境数据之后根据地形与光照因素对导航组合方式进行决策。具体决策方式如图2：进入导航模式切换工作首先进行作业环境匹配，不同作业环境对应不同导航组合模式。

若在地形匹配为大田环境时，目前大田环境导航的成熟方式为卫星定位导航与高精度惯性设备的组合导航。惯性导航设备存在初始化时间长、易受磁场干扰、存在跳变等情况，惯性导航设备不能作为长期导航方式。北斗卫星导航设备定位精度高但可能存在遮挡物导致卫星定位信号受到干扰的情况，此时若卫星定位信号受到干扰，在本系统中导航模式可切换为激光雷达导航与惯性导航的组合方式。在卫星信号稳定时在进行卫星信号强弱的检测，针对卫星信号稳定且强的信号，选择单一的北斗卫星导航系统，针对卫星信号弱的情况选取北斗卫星导航与惯性导航组合模式。在使用北斗卫星导航系统时，北斗卫星导航系统中报文数据可能存在粘包、数据帧断裂、报文错误等情况，数据处理单元对北斗导航系统数据首先进行数据完整性检测；若数据完整则进入数据可靠性检测，经过数据可靠性检测，若数据正常则输出数据；若数据完整性出现异常，进入异常数据处理步骤，判断异常情况，针对不同数据异常情况，进行数据的分离或拼接后读取报文数据再进行数据可靠性检测。在可靠性检测中若一帧数据判定异常则舍弃数据，若出现连续多次数据异常，判定此时北斗卫星导航系统失效，应进行导航模式切换，既在大田作业环境下将导航模式切换为激光雷达导航与惯性导航组合模式。

若在地形匹配为丘陵环境时，丘陵地带遮挡较多，北斗卫星导航信号较差，针对我国丘陵地带作物种植习惯，在光线良好的情况下选取视觉导航与惯性导航组合模式。视觉导航易受光线干扰，在光线良好情况下导航效果较好。在丘陵地带常见的茶园、果园中，作物种植按行有序种植，视觉导航中的双目摄像头对采集到的图像进行特征提取，将视觉图像进行空间坐标转换，确定机具空间位置信息。在光线较差情况下，双目摄像头易受到干扰，此时导航模式切换为激光雷达导航与惯性导航组合模式。通过机具作业前得到的高精度电子地图，与激光雷达实时扫描获取的局部点数据进行地形匹配确定机具空间位置。在光线良好的情况下，在进行作物结构化检测，利用系统中的双目摄像头进行作物特征信息提取，判断作物种植是否结构化。在作物种植结构化的情况下采用视觉导航的方式，在作物种植非结构化情况下采用视觉导航与惯性导航的组合模式。

若在地形匹配为密植环境时，针对密植环境特征首先进行作物种植结构化的判断。针对结构化种植采取视觉导航，针对非结构化种植的情况，导航切换模块将导航模式切换为激光雷达导航与视觉导航组合模式。在该模式下，两者数据进行融合，空间定位数据与电子地图提供的参考地形数据进行匹配。

惯性导航设备在导航系统中主要作用是用来提供机具载体的航向角信息，主要包含电子罗盘与IMU，在丘陵地带需配合气压计。IMU用于实时测量机具载体的角速度与加速度，电子罗盘用于测量机具载体的磁向角。陀螺仪将角速度与加速度进行积分运算，解算出姿态角并进行固定增益滤波，平滑稳定输出载体姿态信息。卡尔曼滤波器将机具载体位置姿态、气压高度、磁向角进行融合滤波，得到可靠稳定的机具载体航向角。

如图1所示：导航系统中得到的导航参数将会经过数据传输协议传送到数据管理模块，数据管理模块将导航参数进行同步处理与数据可靠性检测。数据可靠性检测包含：卫星颗是否大于等于7颗、姿态航向偏差小于20度、地磁最大偏差小于10000Nt、经纬度坐标信息最后两位变化情况。通过数据可靠性检测避免导航系统出错。数据管理模块将导航数据按照协议格式进行打包校验，实时位置信息与路径规划的轨迹进行偏差计算生成纠偏数据，纠偏数据发送给机具执行机构进行纠偏。

针对各导航模式中传感器数据不同步问题，数据管理模块为每种导航模式分配大容量缓冲区，且为每种导航模式分配独立的ID，导航模式切换模块进行模式选择，当切换为该模式时，数据管理模块通过ID判断分别数据源，针对不同传感器数据进行上述的数据处理、数据可靠性检测等。

如图4所示：本发明采用加权数据融合算法，首先通过某个时刻传感器的测量值计算多传感器信号的平均值，在根据信号的平均值估计平均值信号的方差，方差估计值为实际方差的无偏估计，根据方差估计值进行权系数的计算。

尽管本发明的实施方案已经公布如上，但其并不局限于农业领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现修改。因此在不背离权利要求及同等范围所限定的一般概念之下，本发明并不局限于特定的细节和本文的应用对象。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种面向智能农机的全地形全源组合导航系统，其特征在于，包括激光雷达导航模块、北斗导航模块、惯性导航模块、视觉导航模块、路径规划模块、数据管理模块、综合环境感知模块和导航模式切换模块；

所述激光雷达导航模块、北斗导航模块、惯性导航模块和视觉导航模块的输出端并列设置且均与数据管理模块相连接；数据管理模块将接收到的信号处理后传递给导航模式切换模块进行模式切换；同时，激光雷达导航模块与视觉导航模块将采集到的环境感知数据传递给综合环境感知模块，综合环境感知模块对作业空间信息进行分析，并将数据传递给路径规划模块，路径规划模块将规划路径信息传出。

2.根据权利要求1所述的面向智能农机的全地形全源组合导航系统，其特征在于，所述激光雷达导航模块采用三维多线激光雷达，用于空间定位与障碍物检测，并提供相关作业环境参数，从而获得综合环境感知数据；北斗导航模块包括卫星天线与卫星信号接收机，采用单点北斗进行经纬度信息定位；惯性导航模块包含IMU和电子罗盘；所述惯性导航模块提供航向角度信息与磁偏角信息；视觉导航模块包括双目摄像头，双目摄像头进行被动信息导航且对环境无损，用于自然环境感知与视觉空间同步定位；视觉导航模块、激光雷达导航模块将采集到的环境感知数据传递给综合环境感知模块；综合环境感知模块生成高精度三维地图。

3.根据权利要求1所述的面向智能农机的全地形全源组合导航系统，其特征在于，所述数据管理模块包括数据处理单元、数据同步单元、数据发送单元和数据融合单元；数据管理模块针对各个传感器数据传输速率不统一、存在错误数据帧的情况进行数据速率的统一与错误数据帧的处理，针对组合导航模式中的多传感器进行有效数据融合。

4.根据权利要求1所述的面向智能农机的全地形全源组合导航系统，其特征在于，所述激光雷达导航模块、北斗导航模块、惯性导航模块、视觉导航模块为即插即用的便携组合，且具有统一的硬件与软件接口；综合环境感知模块进行作业区域的高精度电子地图生成；导航模式切换模块自主作业模式的选择与作业模式的切换；数据管理模块进行数据的同步、纠错、融合、发送。

5.根据权利要求3所述的面向智能农机的全地形全源组合导航系统，其特征在于，所述数据融合单元进行数据融合的步骤包括：首先对多个传感器信号平均值计算，随后对平均值信号方差估计；权系数计算后融合值计算。

6.根据权利要求3所述的面向智能农机的全地形全源组合导航系统，其特征在于，所述组合导航模式选择包括：

在地形匹配为大田环境时，针对卫星信号稳定且强的信号，选择单一的北斗导航系统；

在地形匹配为大田环境时，针对卫星信号弱的情况选取北斗导航与惯性导航组合模式；

在地形匹配为丘陵环境时，针对光线良好的情况下选取视觉导航与惯性导航组合模式；

在地形匹配为丘陵环境时，针对光线较差情况下选取激光雷达导航与惯性导航组合模式；

在地形匹配为密植环境时，针对结构化种植采取视觉导航；

在地形匹配为密植环境时，针对非结构化种植采取激光雷达导航与视觉导航组合模式。

7.根据权利要求1所述的面向智能农机的全地形全源组合导航系统，其特征在于，所述数据管理模块的工作步骤：识别激光雷达导航模块、北斗导航模块、惯性导航模块、视觉导航模块的ID，确定数据源；读取数据至缓冲区进行数据同步处理；进行数据可靠性检测、数据异常判断、数据纠错；数据打包校验发送。