CN105700406A - 基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台 - Google Patents

基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台 Download PDF

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张欣欣
范博文
卫瑶瑶
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Abstract

本发明公开一种基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台，包括进行农田作业的农业机械，该操作平台还包括通过无线网络与农业机械进行通信的遥操作系统；遥操作系统包括遥操作计算机、用于显示农业机械所处环境与状态的图形显示装置、用于实现人机交互的操纵装置，其中，遥操作计算机与图形显示装置、操纵装置均通信互联，同时遥操作计算机与农业机械通信互联。本发明将遥操作技术应用于农业机械自动化领域，在并不显著增加农业机械的成本的前提下，实现了对农业机械的远程监控与操纵，有利于自主式农业机械智能化程度的提高，能够有力地推进中国的农业现代化进程。

Description

基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台
技术领域
本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台。
背景技术
我国人口众多，但近年来农业人口不断减少，为了适应这种社会结构的调整，目前多采用操作人员驾驶农业机械进行作业的方式，但是当农业机械在大面积家庭农场或国营农场内耕作、种植、植保或收获时，驾驶员经常因长时间工作而疲惫，会影响作业质量与作业效率。而完全自主的农业机械将因传感器、执行器与控制单元的增加而大大增加成本，且因农业环境的复杂性与非结构化特点，农业机械的自主性受到了限制，行驶与作业的安全性不能得到保证。
遥操作模式就是将机器智能与人的高级智能和快速反应能力相结合，最终实现优势互补，达到较高的作业质量和效率。国内外学者从实践中逐步认识并明确，在追求智能化时应该利用并发挥人类与机器各自的长处，人与机器共同作用、共同协作采取“人机交互、人机结合”的方法，才能使机器向更加智能的目标发展，但是目前遥操作技术主要被应用在航空及医疗领域，在农业领域仍然未进行系统的构建。
为了适应这种农业人口不断减少、农田规模化经营日益明显的农业发展趋势，本领域技术人员亟需提供一种能够对农业机械的行驶与作业进行远程监视与操控，而并不显著增加农业机械的成本的基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供了一种对农业机械的行驶与作业进行远程监视与操控、成本较低的基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台。本发明将遥操作技术应用于农业机械自动化领域，在并不显著增加农业机械的成本的前提下，实现了对农业机械的远程监控与操纵，有利于自主式农业机械智能化程度的提高，能够有力地推进中国的农业现代化进程。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台，包括进行农田作业的农业机械，还包括通过无线网络与农业机械进行通信的遥操作系统；
所述遥操作系统包括遥操作计算机、用于显示农业机械所处环境与状态的图形显示装置、用于实现人机交互的操纵装置，所述遥操作计算机分别与图形显示装置、操纵装置通信。
优选的，所述操纵装置包括方向盘，所述方向盘的输出轴末端连接有路感电机及方向盘转角力矩传感器，所述方向盘转角力矩传感器的信号输出端通过控制器与遥操作计算机通信，所述路感电机的信号输入端通过控制器与遥操作计算机通信。
进一步的，所述农业机械上设置有用于采集所处环境与自身状态数据的探测装置，探测装置包括视觉探测装置、状态探测装置、为操作人员提供路感的力探测装置，所述探测装置通过无线网络与遥操作计算机通信。
进一步的，所述视觉探测装置包括设置在农业机械上正前方的前置摄像头、设置在农业机械顶部的顶置摄像头，所述前置摄像头、顶置摄像头均通过无线网络与遥操作计算机通信。
进一步的，所述状态探测装置包括在农业机械上安装的用于获取运行时车速的光电编码器、用于获取运行时航向与位姿的数字罗盘与陀螺仪；光电编码器、数字罗盘与陀螺仪均通过无线网络与遥操作计算机通信。
进一步的，所述力探测装置包括设置在车轮上的轮力传感器和/或设在方向盘输出轴上的转向阻力矩传感器，轮力传感器、转向阻力矩传感器均通过无线网络与遥操作计算机通信。
进一步的，所述遥操作计算机内置有控制农业机械车辆运动的运动控制模块、用于实时环境远程显示的图形显示模块、用于对实时环境进行图像处理的图像处理模块、用于实现远程数据通信的通信控制模块、用于对农业机械实时监测的状态监测模块；
遥操作计算机中的图像处理模块、图形显示模块通过通信控制模块与视觉探测装置通信；遥操作计算机中的运动控制模块通过通信控制模块与力探测装置通信；遥操作计算机中的状态监测模块通过通信控制模块与状态探测装置通信。
进一步的，所述农业机械中内置有水温计、油温计、燃油量计、播种量计和/或施肥量计和/或喷药量计；所述水温计、油温计、燃油量计、播种量计和/或施肥量计和/或喷药量计均通过无线网络与遥操作计算机通信。
进一步的，所述无线网络为3G、4G、GPRS、wifi中的任一种。
一种基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台的控制方法，包括以下步骤：
1)所述遥操作计算机通过无线网络获取力探测装置采集的农业机械车轮力信号或转向阻力矩信号；
2)遥操作计算机通过控制器输出指令给路感电机，使操作人员具有实际驾驶的路感；
3)方向盘转角力矩传感器将转角与力矩信号输出给控制器，控制器将信号输出给遥操作计算机，遥操作计算机向农业机械提供控制反馈信号；
4)视觉探测装置的数据通过无线网络传递给通信控制模块，经遥操作计算机进行分析后，通过图像处理模块及图形显示模块进一步处理，最终在图形显示装置中还原出现场图像；
5)所述状态探测装置的数据通过无线网络传递给通信控制模块，再经遥操作计算机进行分析后，通过状态监测模块的处理，对农业机械的工作状态进行实时监测；
6)所述力探测装置的数据通过无线网络传递给通信控制模块，再经遥操作计算机进行分析后，通过控制器输出指令至路感电机，使操纵人员具有驾驶的路感，操纵人员根据路感操纵方向盘，再经运动控制模块的处理，对农业机械输出操作指令接着转化为农业机械的转向动作。
本发明的有益效果在于：
1)本发明将操作人员智能融入自主式农业机械控制的最高层，使操作者的控制指令与农业机械自主控制指令在控制系统中进行融合，具体的，操作人员对现场状态预判断后给出遥操作指令，遥操作计算机对现场状态反馈的数据进行处理后与遥操作指令进行协调，然后控制农业机械进行自主运作，进一步提高自主式农业机械的智能水平、增强农业机械适应复杂多变的农业环境的能力，提高农业机械的自主性能与智能化程度。
2)本发明遥操作系统向远程农业机械发送包括车辆的目标速度与目标航向、图像数据设定标志与其它附件控制如发动机启动/熄火指令的命令数据；农业机械端发送至遥操作端的数据主要包括车辆位姿、车辆状态、视频数据等，经过数据的交换，操作人员可通过显示屏实时了解大田中农业机械所处环境、运行状态、作业状态等，并根据自己的感知、知识、判断与决策，再通过遥操作计算机输出指令，实现对农业机械的远程操纵。
3)本发明通过视觉探测装置让操作人员直接观察到机械所处的农田环境，并通过图像处理增强视觉场景；状态探测装置让操作人员实时了解农业机械的工作状态(速度、位姿等)；而力探测装置则让操作人员感受到远端农业机械与农田土壤的相互作用力，从而更好地操纵农业机械。
附图说明
图1为本发明的结构简示图。
图2为本发明农业机械的结构简示图。
图3位本发明操纵装置的简式图。
图中标注符号的含义如下：
10-遥操作计算机11-操纵装置110-方向盘
111-路感电机112-方向盘转角力矩传感器
113-控制器12-图形显示装置
20-农业机械21-视觉探测装置210-前置摄像头
211-顶置摄像头22-状态探测装置23-力探测装置
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，为一种基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台，包括进行农田作业的农业机械20，还包括通过无线网络与农业机械20进行通信的遥操作系统；遥操作系统包括遥操作计算机10、用于显示农业机械所处环境与状态的图形显示装置12、用于实现人机交互的操纵装置11，遥操作计算机10分别与图形显示装置12、操纵装置11通信。
如图3所示，操纵装置11包括方向盘110，方向盘110的输出轴末端连接有路感电机111及方向盘转角力矩传感器112，方向盘转角力矩传感器112的信号输出端通过控制器113与遥操作计算机10通信，路感电机111的信号输入端通过控制器113与遥操作计算机10通信。
同时，农业机械20上设置有用于采集所处环境与自身状态数据的探测装置，探测装置包括视觉探测装置21、状态探测装置22、为操作人员提供路感的力探测装置23，探测装置通过无线网络与遥操作计算机10通信。
如图2所示，视觉探测装置21包括设置在农业机械上正前方的前置摄像头210、设置在农业机械顶部的顶置摄像头211，前置摄像头210、顶置摄像头211均通过无线网络与遥操作计算机10通信。
状态探测装置22包括在农业机械20上安装的用于获取运行时车速的光电编码器、用于获取运行时航向与位姿的数字罗盘与陀螺仪；光电编码器、数字罗盘与陀螺仪均通过无线网络与遥操作计算机10通信。
力探测装置23包括设置在车轮上的轮力传感器和/或设在方向盘输出轴上的转向阻力矩传感器，轮力传感器、转向阻力矩传感器均通过无线网络与遥操作计算机10通信。
遥操作计算机10内置有控制农业机械车辆运动的运动控制模块、用于实时环境远程显示的图形显示模块、用于对实时环境进行图像处理的图像处理模块、用于实现远程数据通信的通信控制模块、用于对农业机械实时监测的状态监测模块；遥操作计算机10中的图像处理模块、图形显示模块通过通信控制模块与视觉探测装置21通信；遥操作计算机10中的运动控制模块通过通信控制模块与力探测装置23通信；遥操作计算机10中的状态监测模块通过通信控制模块与状态探测装置22通信。
本发明中无线网络为3G、4G、GPRS、wifi中的任一种。
作为改进，农业机械20中内置有水温计、油温计、燃油量计；水温计、油温计、燃油量计均通过无线网络与遥操作计算机10通信，以获取拖拉机工作时的水温、油温与燃油余量等信息。
农业机械20还可内置GPS传感器、激光雷达传感器，结合现有技术中的多传感器融合技术进行自主导航；在作业环境并不复杂的情况下，操作人员未给出人工指令的时段农业机械20可自主导航，当给出人工指令后，农业机械20根据遥操作计算机10的输出指令给出相应动作；
还可改造使遥操作的农业机械20具有遥控点火、熄火、制动功能；改造原机农机具升降操纵装置实现电动遥控升降，以监控农业自主作业机械，更好的实现远程操纵。
一种基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台的控制方法，包括以下步骤：
1)遥操作计算机10通过无线网络获取力探测装置23采集的农业机械20车轮力信号或转向阻力矩信号；
2)遥操作计算机10通过控制器输出指令给路感电机，使操作人员具有实际驾驶的路感；
3)方向盘转角力矩传感器112将转角与力矩信号输出给控制器，控制器将信号输出给遥操作计算机10，遥操作计算机10向农业机械20提供控制反馈信号，使农业机械相应的做出转向动作；
4)视觉探测装置21的数据通过无线网络传递给通信控制模块，经遥操作计算机10进行分析后，通过图像处理模块及图形显示模块进一步处理，最终在图形显示装置12中还原出现场图像；
5)状态探测装置22的数据通过无线网络传递给通信控制模块，再经遥操作计算机10进行分析后，通过状态监测模块的处理，对农业机械20的工作状态进行实时监测；
6)力探测装置23的数据通过无线网络传递给通信控制模块，再经遥操作计算机10进行分析后，通过控制器113输出指令至路感电机111，使操纵人员具有驾驶的路感，操纵人员根据路感操纵方向盘110，再经运动控制模块的处理，对农业机械20输出操作指令从而转化为农业机械20的转向动作。
下面结合附图对本发明的实际应用过程作出如下的进一步说明。
结合图1、2、3，农业机械20上的正前方装有前置摄像头210，获取农业机械20正前方一定范围内的农田环境图像信息后，该图像信息可以指导农业机械20进行视觉自主导航；农业机械20上方安装有顶置摄像机211(为全景摄像机，如鱼眼摄像头)，获取农业机械20周围的农田环境信息后，特别是周围是否有其他作业机械、庄稼、人、电线杆(架)等障碍物，操作人员根据所获取的环境信息进行路径规划、避障、调头等。这两部分视频图像信息(即视觉探测装置21采集到的信息)与其它的诸如运行状态、作业状态的信息(即状态探测装置22、力探测装置23采集到的信息)一起以TCP/IP通信协议传输至遥操作系统，经遥操作计算机10处理后反馈至图形显示装置12，操作人员根据显示图像可直观地感知农业机械周围环境及正前方待作业区环境，同时可以对农业机械的作业状态进行感知并监控，待需要人的智能参与时操作操纵装置11的方向盘110，操纵装置11再将该操作指令传递给遥操作计算机10进行计算分析，最后经无线网络传递至农业机械20做出相应的输出动作指令。
其中，视觉探测装置21传递的信息让操作人员直接观察到机械所处的农田环境，并通过图像处理增强视觉场景；状态探测装置22传递的信息让操作人员实时了解农业机械的工作状态(速度、位姿等)，而力探测装置23传递的信息则让操作人员感受到远端农业机械与农田土壤的相互作用力，从而更好地操纵农业机械。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台，包括进行农田作业的农业机械(20)，其特征在于：还包括通过无线网络与农业机械(20)进行通信的遥操作系统；
所述遥操作系统包括遥操作计算机(10)、用于显示农业机械所处环境与状态的图形显示装置(12)、用于实现人机交互的操纵装置(11)，所述遥操作计算机(10)分别与图形显示装置(12)、操纵装置(11)通信。
2.根据权利要求1所述的基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台，其特征在于：所述操纵装置(11)包括方向盘(110)，所述方向盘(110)的输出轴末端连接有路感电机(111)及方向盘转角力矩传感器(112)，所述方向盘转角力矩传感器(112)的信号输出端通过控制器(113)与遥操作计算机(10)通信，所述路感电机(111)的信号输入端通过控制器(113)与遥操作计算机(10)通信。
3.根据权利要求2所述的基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台，其特征在于：所述农业机械(20)上设置有用于采集所处环境与自身状态数据的探测装置，探测装置包括视觉探测装置(21)、状态探测装置(22)、为操作人员提供路感的力探测装置(23)，所述探测装置通过无线网络与遥操作计算机(10)通信。
4.根据权利要求3所述的基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台，其特征在于：所述视觉探测装置(21)包括设置在农业机械上正前方的前置摄像头(210)、设置在农业机械顶部的顶置摄像头(211)，所述前置摄像头(210)、顶置摄像头(211)均通过无线网络与遥操作计算机(10)通信。
5.根据权利要求3所述的基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台，其特征在于：所述状态探测装置(22)包括在农业机械(20)上安装的用于获取运行时车速的光电编码器、用于获取运行时航向与位姿的数字罗盘与陀螺仪；光电编码器、数字罗盘与陀螺仪均通过无线网络与遥操作计算机(10)通信。
6.根据权利要求3所述的基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台，其特征在于：所述力探测装置(23)包括设置在车轮上的轮力传感器和/或设在方向盘输出轴上的转向阻力矩传感器，轮力传感器、转向阻力矩传感器均通过无线网络与遥操作计算机(10)通信。
7.根据权利要求3所述的一种基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台，其特征在于：所述遥操作计算机(10)内置有控制农业机械车辆运动的运动控制模块、用于实时环境远程显示的图形显示模块、用于对实时环境进行图像处理的图像处理模块、用于实现远程数据通信的通信控制模块、用于对农业机械实时监测的状态监测模块；
遥操作计算机(10)中的图像处理模块、图形显示模块通过通信控制模块与视觉探测装置(21)通信；遥操作计算机(10)中的运动控制模块通过通信控制模块与力探测装置(23)通信；遥操作计算机(10)中的状态监测模块通过通信控制模块与状态探测装置(22)通信。
8.根据权利要求1～7任一项所述的一种基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台，其特征在于：所述农业机械(20)中内置有水温计、油温计、燃油量计、播种量计和/或施肥量计和/或喷药量计；所述水温计、油温计、燃油量计、播种量计和/或施肥量计和/或喷药量计均通过无线网络与遥操作计算机(10)通信。
9.根据权利要求8所述的一种基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台，其特征在于：所述无线网络为3G、4G、GPRS、wifi中的任一种。
10.一种基于无线网络的大田农业机械遥操作控制平台的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)所述遥操作计算机(10)通过无线网络获取力探测装置(23)采集的农业机械(20)车轮力信号或转向阻力矩信号；
2)遥操作计算机(10)通过控制器输出指令给路感电机，使操作人员具有实际驾驶的路感；
3)方向盘转角力矩传感器(112)将转角与力矩信号输出给控制器，控制器将信号输出给遥操作计算机(10)，遥操作计算机(10)向农业机械(20)提供控制反馈信号；
4)视觉探测装置(21)的数据通过无线网络传递给通信控制模块，经遥操作计算机(10)进行分析后，通过图像处理模块及图形显示模块进一步处理，最终在图形显示装置(12)中还原出现场图像；
5)所述状态探测装置(22)的数据通过无线网络传递给通信控制模块，再经遥操作计算机(10)进行分析后，通过状态监测模块的处理，对农业机械(20)的工作状态进行实时监测；
6)所述力探测装置(23)的数据通过无线网络传递给通信控制模块，再经遥操作计算机(10)进行分析后，通过控制器(113)输出指令至路感电机(111)，使操纵人员具有驾驶的路感，操纵人员根据路感操纵方向盘(110)，再经运动控制模块的处理，对农业机械(20)输出操作指令接着转化为农业机械(20)的转向动作。
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