CN103155758B - 无人驾驶联合收割机的激光导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人驾驶的联合收割机的激光导航系统。它包括激光传感器和角度传感器、微处理器、GPRS模块和自动转向装置，激光传感器安装在联合收割机的切割器的右侧支架上，并通过总线与微处理器相连；角度传感器安装在支撑激光传感器的支架上，测量其转动的角度，它通过总线与微处理器相连；GPRS模块直接和微处理器通过总线相连进行数据交换和通讯；自动转向装置包含电磁换向阀、全液压转向器、转向油缸和车轮，电磁换向阀和全液压转向器通过总线和微处理器相连，另一端和转向油缸相连；微处理器安装在联合收割机的驾驶舱内。本发明实现了农作物收割领域的自动化、智能化和精细化，减轻劳动强度，提高农作物收割的效率、操作精度和驾驶安全性。

Description

无人驾驶联合收割机的激光导航系统

技术领域

本发明涉及一种无人驾驶联合收割机的激光导航系统，通过激光测距原理来实现对农作物边界的探测，并将信息通过总线传送给负责信号分析处理的微控制器。由微控制器对执行器件发出指令，实现联合收割机的无人驾驶下的自动导航。

背景技术

我国是农业大国，农业机械装备自动化和智能化是实现我国现代农业耕作规模化的前提和根本，具有广阔的发展前景。虽然我国在农业装备机械化方面取得了显著成就，但在自动化、信息化和智能化方面还处在起步阶段。自主导航的无人驾驶技术是农机装备自动化和智能化建设的重要内容之一。如果农业机械无人驾驶可以实现的话，不仅可以解放劳动力，减轻劳动强度，而且可以大大提高农作物收割的效率，提高驾驶安全性等。

无人驾驶联合收割机的自动导航技术有全球定位系统导航、机器视觉导航、无线电导航、超声波导航、激光导航和电缆导航等。我国福田雷沃重工在欧美自动导航技术的基础上，结合国内农业生产的具体情况，采用三维技术优化设计，集全球卫星定位、GPS自动导航、电控液压自动转向、作业机具自动升降、油门开度自动调节和紧急遥控熄火等多项自动化功能于一体，能够保证直线导航跟踪精度小于5cm，自动对行精度小于10cm，转向轮偏角控制精度小于1度，实现了拖拉机自动控制精密播种、施肥、起垄及洒药等作业，大大提高了拖拉机作业的标准化。但是基于全球定位系统的自动导航收割机是通过接受四颗不同卫星信号以决定车辆的位置，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。

国外在该领域最新发展状况是德国的CALSS公司提供的一种在收获时沿作物边沿行走的基于激光导航的联合收割机，以及荷兰的CNH Global公司开发的一种自动推进的料堆摊平机的导航系统。以上都是基于激光导航技术，通过激光发射与接收来判断并控制农业机械的前进方向，实现自动导航下的无人驾驶。我国的现有导航技术存在如下不足：

1.在小麦联合收割领域，农机装备的自动化和智能化程度低。

2.基于GPRS组合导航的无人驾驶联合收割机成本高，原理复杂，实现难度大。

3.自动导航精度较低，抗干扰能力差，不能高效地自动寻找小麦边界。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人驾驶联合收割机的激光导航系统，来弥补我国在该领域的技术空白以及国外已使用的基于全球定位系统的自动导航技术的不足。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明主要构成是一个自动行进的联合收割机，其上安装有激光传感器和角度传感器、微处理器、GPRS模块、自动转向装置。它通过激光传感器对小麦边界的探测，确定小麦的边界位置，这个是通过激光传感器和转轴上的角度传感器共同确定的。之后将边界的位置信息通过总线传送给为微处理器，微处理器经过分析计算发出指令，控制全液压转向器和电磁换向阀一同控制转向油缸，实现进油量和左右油缸进油量多少的控制，从而实现车轮的左右转角大小的控制。该调节调整过程是闭环控制，可以不断地将车轮的角度情况反馈给微处理器，使联合收割机的前进方向不断调整，稳定性强。通过GPRS模块将收割机的各种数据传输给远程控制平台，同理，远程控制平台也可以通过无线发射控制指令，实现双向控制。相比基于GPS/GPRS技术的农机装备自动导航系统，该发明实现的自动导航系统精度高，成本低，稳定性强。

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，激光传感器工作，对小麦边界进行横向扫描。通过发射和接收信号，根据已收割小麦和未收割小麦距激光传感器的距离不同，从而发射和接收信号的时间会有差别，最终可判断出小麦的边界信息，该边界信息是一个角度值，表示小麦边界和联合收割机前进角度之间的夹角。

其次，由微处理器对角度传感器传输过来的角度信息进行判断分析，计算得到收割机车轮需要调整的角度和方向。

最后，微处理器根据处理得到的调整角度和方向，对电液驱动的全液压控制阀和电磁阀发出信号，控制左右油缸进油量，控制联合收割机车轮的转动角的大小，从而实现联合收割机的自主导航。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种无人驾驶联合收割机的激光导航系统，包括激光传感器和角度传感器、微处理器、GPRS模块和自动转向装置，其特征在于：所述激光传感器安装在联合收割机的切割器的右侧支架上，并通过总线与微处理器相连；所述角度传感器安装在支撑激光传感器的支架上，测量其转动的角度，它通过总线与微处理器相连；所述GPRS模块直接和微处理器通过排线相连进行数据交换和通讯；所述自动转向装置包含电磁换向阀、全液压转向器、转向油缸和车轮，所述电磁换向阀和全液压转向器通过总线和微处理器相连，另一端和转向油缸相连；所述微处理器安装在联合收割机的驾驶舱内；所述激光传感器探测出农作物边界，并将边界位置以角度传感器输出的角度信号发送给微处理器进行储存和计算，向联合收割机发出指令，控制全液压转向器中液体的流向和流量，最终达到控制联合收割机左右前进的效果，从而实现自动导航；所述微处理器可以通过GPRS模块和远程控制终端实现通讯，保证了数据传输和指令控制的实时性。

所述激光传感器是采用DIMETIX AG公司的激光测距传感器DLS-B(H)，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。

所述微处理器是采用三星公司的ARM9系列微处理器S3C2440A，该微处理器接受各模块发送过来的信号，进行计算分析后，对各个模块发送控制指令。

所述GPRS模块是所述ARM9系列微处理器S3C2440A上自带的一个常用的GPRS模块，通过总线直接连接到微处理器接口，通过该模块和远程控制中心实现无线数据传输，便于对联合收割机实现远程控制。

所述角度传感器是采用瑞普REP绝对值编码器JSP3806旋转编码器，用于测量传送农作物的边界信息，角度测量精度很高，使用串口通信。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.在联合收割领域实现作业的自动化和智能化，达到联合收割机的无人驾驶。

2.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。

3.相比于全球定位系统，该发明基于激光技术的无人驾驶联合收割机实现成本低，算法相对简单，技术容易掌握。

4.该联合收割机上安装的是激光传感器，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确定位。

5.对小麦的边界定位精度可以达到5cm，转向轮偏角控制精度小于1度，精度极高。

6.该发明中应用了GPRS模块，可以将微处理器获得的信息随时发送给远程控制中心，同时该模块也可接受远程控制中心的控制信号，实现在线实时控制。

附图说明

图1 基于激光导航技术的无人驾驶联合收割机俯视图

图2 无人驾驶的联合收割机的激光导航控制系统框图

图3 激光测距的原理图

图4 无人驾驶的联合收割机的激光导航的原理图

图5 无人驾驶联合收割机的激光导航系统原理框图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明：

实施例一：

参见图1～图5，本无人驾驶联合收割机的激光导航系统，包括激光传感器和角度传感器、微处理器、GPRS模块和自动转向装置，其特征在于：所述激光传感器安装在联合收割机的切割器的右侧支架上，并通过总线与微处理器相连；所述角度传感器安装在支撑激光传感器的支架上，测量其转动的角度，它通过总线与微处理器相连；所述GPRS模块直接和微处理器通过排线相连进行数据交换和通讯；所述自动转向装置包含电磁换向阀、全液压转向器、转向油缸和车轮，所述电磁换向阀和全液压转向器通过总线和微处理器相连，另一端和转向油缸相连；所述微处理器安装在联合收割机的驾驶舱内；所述激光传感器探测出农作物边界，并将边界位置以角度传感器输出的角度信号发送给微处理器进行储存和计算，向联合收割机发出指令，控制全液压转向器中液体的流向和流量，最终达到控制联合收割机左右前进的效果，从而实现自动导航；所述微处理器可以通过GPRS模块和远程控制终端实现通讯，保证了数据传输和指令控制的实时性。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述激光传感器是采用DIMETIX AG公司的激光测距传感器DLS-B(H)，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。

所述微处理器是采用三星公司的ARM9系列微处理器S3C2440A，该微处理器接受各模块发送过来的信号，进行计算分析后，对各个模块发送控制指令。

所述GPRS模块是所述ARM9系列微处理器S3C2440A上自带的一个常用的GPRS模块，通过总线直接连接到微处理器接口，通过该模块和远程控制中心实现无线数据传输，便于对联合收割机实现远程控制。

所述角度传感器是采用瑞普REP绝对值编码器JSP3806旋转编码器，用于测量传送农作物的边界信息，角度测量精度很高，使用串口通信。

实施例三：

本无人驾驶的联合收割机的激光导航系统结构和工作原理如下：

如图1所示，带有微处理器5和自动转向装置7的小麦收割机1在麦田间收割小麦。小麦收割机1上安装着切割器2， 激光传感器3通过支架安装在切割器2的右端，使其收割时尽量靠近小麦的边界，这样可以保证激光传感器3的扫描光线的中心轴是和小麦边界8的方向是一致的，就可以使微处理器5在控制车轮的自动转向的过程有很大的优势，并且会简化几何关系。联合收割机的后轮4用来驱动。

基于激光导航技术的无人驾驶联合收割机1是普通的联合收割机，其行驶在小麦田里。本例中的激光传感器3采用DIMETIX AG公司的激光测距传感器DLS-B(H)，它通过发射和接受信号10，来探测已收割和未收割农作物的边界，通过两者的高度不同，到激光传感器的距离不同，得到输出电压高低的差异，当得到传感器输出电压跳变时，我们便获得农作物的边界位置，该位置以中断信号触发微处理器记录此时的角度值。该专利中使用的是三星公司的ARM9系列微处理器S3C2440A，其外围电路丰富、引脚多。通过微处理器5对小麦边界的判定，发出控制信号，控制车轮的转动角度和转动方向，进而控制电动全液压转向器7，控制转向油缸两侧的进油量，进而控制车轮4的左右转角。

图2是激光导航控制系统框图，把激光传感器安装在联合收割机的切割器的固定转轴上，周期性地对农作物边界进行扫描，将获得的距离信息。本专利中应用的激光传感器的输出是电压输出，电压和距离是成正比，即激光测得的距离越大，输出的电压越大。通过设计的控制算法将距离转化为高低电平即“0”、“1”电平。当扫描到未收割的农作物时，微处理器得到的是“0”电平，当扫描到已收割的农作物时，微处理器显示的是“1”。微处理器对接收到的信号进行处理分析，探测出当下的农作物边界，之后对步进电机发出相应指令，步进电机和电磁转向阀共同对全液压转向器实现高精度的控制，进而可以控制转向油缸，控制左右油箱进油量的多少，最终实现联合收割机左右轮的转向和行进速度。

图3是激光传感器的工作原理图，和是激光传感器发射的光和遇到障碍物后返回的光线，图中δ表示了激光从发射器出来到接收器的时间间隔。通过这个时间可以计算出障碍物到激光传感器的距离。基于距离突变，判断小麦的边界，再通过电信号的形式传送给微处理器进行处理。

图4是无人驾驶的联合收割机的激光导航的原理图，从图中可以看到激光传感器3安装在切割器2的右侧（同理，可以将其安装在左侧），它发出的定位光束10对小麦边界8的两侧（即已收割和未收割的区域）进行扫描。11是激光传感器的转轴，激光传感器绕该轴对麦田横向扫描。12是激光传感器和水平面的夹角。在激光传感器扫描过的区域可以看到扫到小麦穗上的光线和的长度是一样的，因而从发射到返回的时间和是一样的，但是当激光传感器扫描到未收割的小麦时，扫描光线就比和短，即从发出到接受它发射的时间就比和短，可以通过时间的长短来确定小麦的边界。当时间发生突变时，此时产生一个中断信号，微处理器记录下此时的角度信息即小麦边界的位置信息，最后发出控制指令控制执行机构进行相应的动作。

图5是无人驾驶的联合收割机的激光导航系统的工作原理框图，微处理器接收激光传感器测得的小麦边界信号a，通过计算获得联合收割机相应的调整角度，将信号b传送给液压控制阀，再通过液压控制阀来控制车轮，实现联合收割机的自动导航行进。在微处理器接收信号和发送命令的同时，将联合收割机上的行进速度等相关参数通过总线传输给GPRS模块，GPRS模块再与控制中心进行双向的数据传输，实现对联合收割机的远程实时地操控。

值得提出的是通过安装在切割器2上的定位装置的定位信号10，可以探测出小麦边界的位置，从而可以获得小麦边界8和小麦收割机的纵轴9的角度，最终应用到自动转向的控制中。这样可以使小麦收割机的纵轴9和小麦边界8保持平行。最终处理器3可以有效地控制上述提到的转角，最理想的情况是使转角为0度，即不用调整小麦收割机1的轮子的转角，直接沿着直线行进。既减少了操作的复杂度，又有效地提高了小麦的收割的速度。

另外，可以将传感器3测得的小麦边界8和联合收割机的角度信息不断地存储到处理器3的内存中，进而通过处理器3来控制自动转向系统即液压控制阀，实现小麦收割机1的自动导航。值得注意的是扫描得到的小麦边界线的平均值是在一个特定时间段内得到的扫描数据的滑动平均值，根据这个滑动平均值可以提高对小麦边界探测的可靠性。

Claims (5)

1.一种无人驾驶联合收割机的激光导航系统，包括激光传感器(3) 和角度传感器(6)、微处理器(5)、GPRS 模块和自动转向装置(7)，其特征在于：所述激光传感器（3）安装在联合收割机（1）的切割器（2）的右侧支架上，并通过总线与微处理器（5）相连；所述角度传感器（6）安装在支撑激光传感器（3）的支架上，测量其转动的角度，它通过总线与微处理器（5）相连；所述GPRS 模块直接和微处理器（5）通过总线相连进行数据交换和通讯；所述自动转向装置（7）包含电磁换向阀、全液压转向器、转向油缸和车轮（4），所述电磁换向阀和全液压转向器通过总线和微处理器（5）相连，另一端和转向油缸相连；所述微处理器（5）安装在联合收割机（1）的驾驶舱内；所述激光传感器(3) 探测出农作物边界(8)，并将边界位置以角度传感器（6）输出的角度信号发送给微处理器（5）进行储存和计算，向联合收割机(1) 发出指令，控制全液压转向器中液体的流向和流量，最终达到控制联合收割机左右前进的效果，从而实现自动导航；所述微处理器（5）可以通过GPRS 模块和远程控制终端实现通讯，保证了数据传输和指令控制的实时性。

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（3）是采用DIMETIX AG公司的激光测距传感器DLS-B(H)，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所述的无人驾驶联合收割机的激光导航系统，其特征在于：所述微处理器（5）是采用三星公司的ARM9系列微处理器S3C2440A，该微处理器接受各模块发送过来的信号，进行计算分析后，对各个模块发送控制指令。

4.根据权利要求3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GPRS模块是所述ARM9系列微处理器S3C2440A上自带的一个常用的GPRS模块，通过总线直接连接到微处理器接口，通过该模块和远程控制中心实现无线数据传输，便于对联合收割机实现远程控制。

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：所述角度传感器（6）是采用瑞普REP绝对值编码器JSP3806旋转编码器，用于测量传送农作物的边界信息，角度测量精度很高，使用串口通信。