CN106043295A - 一种电动山地果园运输机自动停泊系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动山地果园运输机自动停泊系统及其控制方法，系统硬件包括轮速检测模块、转向角度检测模块、超声波探测模块、摄像头循迹辅助模块、电推杆及电机控制模块、以及微控制单元(MCU)，所述微控制单元(MCU)通过对节气门开度的检测数据、转向角度的检测数据以及轮速检测模块的检测数据的综合分析，对车辆的行驶状况进行判断，然后发出命令，通过继电器的动作，切断电磁阀，继电器对电推杆控制，电推杆控制制动油泵，制动油泵实现制动减速。本发明为适用于果园纯电动运输机的自动停泊车，先将运输机大致停于启动区，随后运输机将自动循迹并识别判断后调整车身偏差，在整个过程实时修正车速及路线以达到准确停车的目的。

Description

一种电动山地果园运输机自动停泊系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种自动控制系统，具体是一种电动山地果园运输机自动停泊系统及其控制方法。
背景技术
根据柑橘果园建造的地形，一般有2种：一种是以缓坡或平坦地区为主要种植区域，建设标准高，生产规模化；另一种是以坡地为主要种植区域，需要采用专用的丘陵山地果园运输机进行作业。而我国的柑橘种植区在地形上属于后者，传统柑橘的种植缺乏规划且立地条件差，柑橘生长在难以形成较为完善交通运输网络，甚至是呈陡坡梯田状的山地上，这导致传统的机械很难进入山地果园开展作业，果实和农资的运送主要依靠人工肩担和背篓背负运送搬运，造成运输成本高、效率低等困难。
为了提高山地果园的运输效率与经济效益，降低劳动强度和成本，随着国内外对山地果园运输机的研究和设计，农用运输机械确实能有效地解决果农运输问题。在山地果园轮式运输机的发展领域，山地果园的轻简化轮式运输机，其专利号为ZL 2012 10459945.0；山地果园运输机主动控制系统，其专利号为ZL 2015 1 0250733.5；所述的运输机具有车身轻简化、升降自卸一体化以及运行过程中能进行动力控制等优点。另一方面，农产品的装卸自动化是未来运输机的发展趋势之一，运输机实现准确的停泊在很大程度上可以提高装卸效率。但在现有技术中，山地果园运输机在整个过程中不能较好实时修正车速及路线，且停车精度不高。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种电动山地果园运输机自动停泊系统及其控制方法，实现自主精准停泊功能的运输机控制系统，以利于自动化卸载的开发与运用。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种电动山地果园运输机自动停泊系统，包括轮速检测模块、转向角度检测模块、超声波探测模块、摄像头循迹辅助模块、电推杆及电机控制模块、以及微控制单元(MCU)，所述轮速检测模块、转向角度检测模块、超声波探测模块、摄像头循迹辅助模块、电推杆及电机控制模块均与微控制单元(MCU)连接；所述轮速检测模块用于检测山地果园运输机运输过程中的轮速，所述转向角度检测模块用于检测并计算转向角度的大小，所述摄像头循迹辅助模块在人为启动后进行循迹行走，所述超声波探测模块会不断探测下方车位是否允许停车；所述电推杆及电机控制模块采用继电器控制电推杆从而控制转向部分齿轮啮合分离，同时，电机正反转及转速调整也通过继电器实现；所述微控制单元(MCU)通过对节气门开度的检测数据、转向角度的检测数据以及轮速检测模块的检测数据的综合分析，对车辆的技术状况进行判断，然后发出命令，通过继电器的动作，切断电磁阀，继电器对电推杆控制，电推杆控制制动油泵，制动油泵实现制动减速。
作为优选的技术方案，所述微控制单元(MCU)包括STM32处理器、16通道的A/D转换器、4个16位定时器以及2个16位的6通道高级控制定时器，每个16位定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器，每个16位的6通道高级控制定时器最多有6个通道可用于PWM输出和2通道12位D/A转换器；所述微控制单元(MCU)片上集成32-512KB的Flash存储器、6-64KB的SRAM存储器，并具有串行调试和JTAG接口。
作为优选的技术方案，所述摄像头循迹辅助模块采用像素为664×492数字型CMOS摄像头OV7725循迹，采集参数后反馈到所述微控制单元(MCU)处理，微控制单元(MCU)驱动电动机、所述轮速检测模块、转向角度检测模块，在行车过程中对行进路线进行修正，并进行转向控制。
作为优选的技术方案，轮速检测模块包括第一轮速检测模块和第二轮速检测模块；所述第一轮速检测模块和第二轮速检测模块均包括检测轮速的霍尔传感器和磁钢，所述霍尔传感器安装在车轮的轮毂外侧，所述的磁钢安装在轮毂的顶部；霍尔传感器把驱动轮转速信号转化成感应电压信号，传送到微控制单元(MCU)。
作为优选的技术方案，在每个车轮上等90度角安装4组磁钢。
根据权利要求1所述的电动山地果园运输机自动停泊系统，其特征在于，所述转向角度检测模块包括转向把柄和方向盘转角传感器，所述方向盘转角传感器安装于转向把柄上，方向盘转角传感器为微控制单元(MCU)提供车辆转向角度信号。
作为优选的技术方案，所述电推杆及电机控制模块采用继电器控制电推杆从而控制转向部分齿轮啮合分离，同时，电机正反转及转速调整也是通过继电器实现；电推杆采用12V直流电压、行程50mm、额定载荷6kN及运动速度5mm/s；电推杆电源来源于运输机的直流12V蓄电池，并利用稳压电路来保证电推杆工作稳定性；电推杆推力由直流电机提供，通过改变电机工作电流方向从而改变推杆的伸展与收缩，而一个电机的工作电流方向由一组继电器控制I/O接口的D46与D48控制左边电推杆的电流方向，D50与D52控制右边电推杆的电流方向；一组继电器模块包含两个5脚继电器，两个继电器均为常闭接地，常开接入直流+12V，继电器受高电平触发，电推杆的两条电源线分别接入两个继电器的通用口COM；通过两个继电器开闭的交换，改变电推杆电流方向。
作为优选的技术方案，所述电磁阀包括第一电磁阀和第二电磁阀，所述第一电磁阀和第二电磁阀均为二位二通阀，当山地果园运输机正常工作时，两个电磁阀均处于左位，此时由制动手柄控制的制动油泵与制动钳的油路连通。
本发明还提供了一种电动山地果园运输机自动停泊系统的控制方法，包括下述步骤：
(1)将运输机开进人为停车区域后开启自动停泊，所述微控制单元(MCU)所控制的摄像头循迹辅助模块开始循迹行走，通过CMOS摄像头OV7725采集路上轨迹参数，传送到微控制单元(MCU)，判断出运输机正位与轨迹的偏差角度，所述微控制单元(MCU)发出指令，对转向角度检测模块进行控制，进而对运输机进行摆正；
(2)将摄像头初始化为YUY制式的灰度值模式，0-255代表不同的灰度值，在运行过程中，由于不同位置的光照条件及路面信息有差别，采用最优阈值法对灰度值图像进行处理，结合320×240高清液晶显示屏调试选择，最终确定灰度值43为分割点将采集的图像处理为0/1数据矩阵；
(3)所述转向角度检测模块接收命令后，电推杆推动步进电机，携带圆柱齿轮与转向杆齿轮啮合，旋转相应所需角度；
(4)运输机行进过程中，所述微控制单元(MCU)所控制的超声波探测模块对下方车位进行是否具有泊车条件判断，超声波探测模块检测相应车位是否具有物体，并将判断信号发给所述微控制单元(MCU)，若具有停车条件，则所述微控制单元(MCU)对所述转向角度检测模块下达转向命令；
(5)转向完成后，到达停车线，OV7725摄像头对停车线轨迹进行判断，对所述微控制单元(MCU)进行信号反馈，接收到停车信号后，所述MUC控制系统对所述制动系统发出命令，电推杆推动油泵进行制动，停在停车线上。
作为优选的技术方案，所述步骤S1中：摄像头循迹辅助模块采集识别的二值化路径图像进行横向扫描，获得二维矩阵经主控核心计算路径偏差，采用中线提取算法，计算得出路径偏移量后对运输机的行进路线进行修正，在本控制系统中预先标定导引线位置与控制步进电机转角信号的二维映射表，运输机自动停泊过程中，系统实时采集导引线的位置信息，通过查表给出当前控制步进电机转角信号，调整步进电机转向角度实现方向控制。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1.本发明以高性能微处理器STM32系列芯片为核心MCU，芯片与扩展的外设相结合，MCU智能检测车轮的轮速，综合转向角度模块返回的信息进行处理，经处理器处理数据后，与系统中的控制程序进行对比，从而实现自主停泊系统的控制。
2.本发明的电推杆推力由直流电机提供，改变电流方向改变推杆的伸展与收缩，从而控制转向部分齿轮啮合分离。
3.本发明采用循迹辅助算法，使用OV7725摄像头，通过程序将摄像头初始化为YUY制式的灰度值模式，在运行过程中，采用最优阈值法对灰度值图像进行处理，结合320×240高清液晶显示屏调试选择，计算得出路径偏移量后对运输机的行进路线进行修正，调整步进电机转向角度实现方向控制。
4.本发明的整个电动山地果园运输机自动停泊系统具有成本低、效率高等优点。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
图2是本发明的自主停泊路线规划方案；
图3是本发明的自主停泊步骤流程图；
图4是本发明的轮速检测电路图；
图5是本发明的角度检测电路图；
图6是本发明的电推杆控制电路图；
图7(a)、图7(b)是本发明的摄像头采集灰度值图像及二值化图像；
图8是本发明的中线提取法示意图；
图9是本发明的系统控制流程框图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，本发明所设计的系统主要测量参数分为两类，分别为轮速和转向角度，需要系统控制的参数为电动机转速和步进电机角度。本实施例的电动山地果园运输机自动停泊系统，包括轮速检测模块、转向角度检测模块、超声波探测模块、摄像头循迹辅助模块、电推杆及电机控制模块、以及微控制单元(MCU)，所述轮速检测模块、转向角度检测模块、超声波探测模块、摄像头循迹辅助模块、电推杆及电机控制模块均与微控制单元(MCU)连接；所述轮速检测模块用于检测山地果园运输机运输过程中的轮速，所述转向角度检测模块用于检测并计算转向角度的大小，所述摄像头循迹辅助模块在人为启动后进行循迹行走，所述超声波探测模块会不断探测下方车位是否允许停车；所述微控制单元(MCU)通过对节气门开度的检测数据、转向角度的检测数据以及轮速检测模块的检测数据的综合分析，对车辆的技术状况进行判断，然后发出命令，通过继电器的动作，切断电磁阀，继电器对电推杆控制，电推杆控制制动油泵，制动油泵实现制动减速。
如图2、图3所示，本实施例的自主停泊系统旨在通过简单的一键按钮即可完成泊车过程。首先应将运输机大致停于启动区，随后运输机将自动循迹并识别判断后调整车身偏差，在整个过程实时修正车速及路线以达到最高的停车精度。停车结束，由机械臂等自动卸载装置将果品直接输送至生产线上进行下一步筛选及加工等。简而言之，其主要执行步骤分为：启动区→按下启动按钮→电推杆推动步进电机与转向齿轮啮合→前进→调整车身(调整距离)→识别车位→转向→倒车→调整→停车。
如图4所示，四个车轮轮速的检测采用霍尔传感器，在每个车轮上等90度角安装4组磁钢，当磁钢产生的磁墙触发霍尔传感器产生电压，再经过由LM393电压比较器组成的放大电路，将电压信号送至STM32，信号检测引脚为I/O接口的D22、D24、D26、D28。霍尔传感器由单片机供入5V电压，常态情况下，霍尔传感器信号端输出高电平信号，发生磁感应后输出低电平信号供单片机检测。
如图5所示，本电动山地果园运输机自动停泊系统需要检测转向把柄的转向角度。5V的电位器滑动产生的变化电压信号送至控制核心，计算出角度的大小，信号检测引脚为AD接口的A0、A1，A0接收检测转向角度的电位器的电压信号。电源器电源来源于运输机的直流12V蓄电池，为了保证电位器输出的电压信号稳定性，需要通过降压稳压电路稳定电位器的5V输入电压。电位器量程为150°，最大阻值为50kΩ，电压信号初始值最大值为1024。转向角度范围为－30～30°。
如图6所示，本发明的自动停泊系统采用电推杆控制制动油管的油压大小达到控制轮速的目的，此外，控制转向步进电机与转向杆齿轮的啮合及分离同样采用电推杆。电推杆采用12V直流电压、行程50mm、额定载荷6kN及运动速度5mm/s。电推杆电源来源于运输机的直流12V蓄电池，利用稳压电路来保证电推杆工作稳定性。电推杆推力由直流电机提供，通过改变电机工作电流方向从而改变推杆的伸展与收缩，而一个电机的工作电流方向由一组继电器控制I/O接口的D46与D48控制左边电推杆的电流方向，D50与D52控制右边电推杆的电流方向。一组继电器模块包含两个5脚继电器，两个继电器均为常闭接地，常开接入直流+12V，继电器受高电平触发，电推杆的两条电源线分别接入两个继电器的通用口COM。通过两个继电器开闭的交换，改变电推杆电流方向。
如图7(a)、图7(b)所示，图为液晶显示效果，本发明系统中采用的OV7725摄像头，其具有多种图像模式可选，通过程序将摄像头初始化为YUY制式的灰度值模式，0-255代表不同的灰度值，在运行过程中，由于不同位置的光照条件及路面信息有差别，因此需采用最优阈值法对灰度值图像进行处理，结合320×240高清液晶显示屏调试选择，最终确定灰度值43为分割点将采集的图像处理为0/1数据矩阵。
如图8所示，本发明系统通过摄像头采集识别的二值化路径图像进行横向扫描，获得二维矩阵经主控核心计算路径偏差，其中运用的方法为中线提取算法。另外，为了排除一些随机杂质的影响，路径识别处理算法中包含滤波除噪部分，可使图像数据稳定可靠。计算得出路径偏移量后对运输机的行进路线进行修正，在本控制系统中预先标定导引线位置与控制步进电机转角信号的二维映射表，运输机自动停泊过程中，系统实时采集导引线的位置信息，通过查表给出当前控制步进电机转角信号，调整步进电机转向角度实现方向控制。为增强运输机在不同目标速度下的稳定性和平顺性，可根据当前目标车速状态对输出的转向控制信号进行调节。
如图9所示，本发明运用循迹辅助算法，利用摄像头采集信息具有数据量大的特点，合理地使用数据提取算法，本发明电动山地果园运输机自动停泊系统的控制方法包括下述步骤：
(1)将运输机开进人为停车区域后开启自动停泊，所述微控制单元(MCU)所控制的摄像头循迹辅助模块开始循迹行走，通过CMOS摄像头OV7725采集路上轨迹参数，传送到微控制单元(MCU)，判断出运输机正位与轨迹的偏差角度，所述微控制单元(MCU)发出指令，对转向角度检测模块进行控制，进而对运输机进行摆正；
(2)将摄像头初始化为YUY制式的灰度值模式，0-255代表不同的灰度值，在运行过程中，由于不同位置的光照条件及路面信息有差别，采用最优阈值法对灰度值图像进行处理，结合320×240高清液晶显示屏调试选择，最终确定灰度值43为分割点将采集的图像处理为0/1数据矩阵；
(3)所述转向角度检测模块接收命令后，电推杆推动步进电机，携带圆柱齿轮与转向杆齿轮啮合，旋转相应所需角度；
(4)运输机行进过程中，所述微控制单元(MCU)所控制的超声波探测模块对下方车位进行是否具有泊车条件判断，超声波探测模块检测相应车位是否具有物体，并将判断信号发给所述微控制单元(MCU)，若具有停车条件，则所述微控制单元(MCU)对所述转向角度检测模块下达转向命令；
(5)转向完成后，到达停车线，OV7725摄像头对停车线轨迹进行判断，对所述微控制单元(MCU)进行信号反馈，接收到停车信号后，所述MUC控制系统对所述制动系统发出命令，电推杆推动油泵进行制动，停在停车线上。
所述步骤(1)中：摄像头循迹辅助模块采集识别的二值化路径图像进行横向扫描，获得二维矩阵经主控核心计算路径偏差，采用中线提取算法，计算得出路径偏移量后对运输机的行进路线进行修正，在本控制系统中预先标定导引线位置与控制步进电机转角信号的二维映射表，运输机自动停泊过程中，系统实时采集导引线的位置信息，通过查表给出当前控制步进电机转角信号，调整步进电机转向角度实现方向控制。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动山地果园运输机自动停泊系统，其特征在于，包括轮速检测模块、转向角度检测模块、超声波探测模块、摄像头循迹辅助模块、电推杆及电机控制模块、以及微控制单元MCU，所述轮速检测模块、转向角度检测模块、超声波探测模块、摄像头循迹辅助模块、电推杆及电机控制模块均与微控制单元MCU连接；所述轮速检测模块用于检测山地果园运输机运输过程中的轮速，所述转向角度检测模块用于检测并计算转向角度的大小，所述摄像头循迹辅助模块在人为启动后进行循迹行走，所述超声波探测模块会不断探测下方车位是否允许停车；所述电推杆及电机控制模块采用继电器控制电推杆从而控制转向部分齿轮啮合分离，同时，电机正反转及转速调整也通过继电器实现；所述微控制单元MCU通过对节气门开度的检测数据、转向角度的检测数据以及轮速检测模块的检测数据的综合分析，对车辆的技术状况进行判断，然后发出命令，通过继电器的动作，切断电磁阀，继电器对电推杆控制，电推杆控制制动油泵，制动油泵实现制动减速。
2.根据权利要求1所述的电动山地果园运输机自动停泊系统，其特征在于，所述微控制单元MCU包括STM32处理器、16通道的A/D转换器、4个16位定时器以及2个16位的6通道高级控制定时器；所述微控制单元MCU片上集成32-512KB的Flash存储器、6-64KB的SRAM存储器，并具有串行调试和JTAG接口。
3.根据权利要求1所述电动山地果园运输机自动停泊系统，其特征在于，所述摄像头循迹辅助模块采用像素为664×492数字型CMOS摄像头OV7725循迹，采集参数后反馈到所述微控制单元MCU处理，微控制单元MCU驱动电动机、轮速检测模块、转向角度检测模块，在行车过程中对行进路线进行修正，并进行转向控制。
4.根据权利要求1所述的电动山地果园运输机自动停泊系统，其特征在于，轮速检测模块包括第一轮速检测模块和第二轮速检测模块；所述第一轮速检测模块和第二轮速检测模块均包括检测轮速的霍尔传感器和磁钢，所述霍尔传感器安装在车轮的轮毂外侧，所述的磁钢安装在轮毂的顶部；霍尔传感器把驱动轮转速信号转化成感应电压信号，传送到微控制单元MCU。
5.根据权利要求4所述的山地果园运输机动力主动控制系统，其特征在于，在每个车轮上等90度角安装4组磁钢。
6.根据权利要求1所述的电动山地果园运输机自动停泊系统，其特征在于，所述转向角度检测模块包括转向把柄和方向盘转角传感器，所述方向盘转角传感器安装于转向把柄上，方向盘转角传感器为微控制单元MCU提供车辆转向角度信号。
7.根据权利要求1所述电动山地果园运输机自动停泊系统，其特征在于，所述电推杆及电机控制模块采用继电器控制电推杆从而控制转向部分齿轮啮合分离，同时，电机正反转及转速调整也是通过继电器实现；电推杆采用12V直流电压、行程50mm、额定载荷6kN及运动速度5mm/s；电推杆电源来源于运输机的直流12V蓄电池，并利用稳压电路来保证电推杆工作稳定性；电推杆推力由直流电机提供，通过改变电机工作电流方向从而改变推杆的伸展与收缩，而一个电机的工作电流方向由一组继电器控制I/O接口的D46与D48控制左边电推杆的电流方向，D50与D52控制右边电推杆的电流方向；一组继电器模块包含两个5脚继电器，两个继电器均为常闭接地，常开接入直流+12V，继电器受高电平触发，电推杆的两条电源线分别接入两个继电器的通用口COM；通过两个继电器开闭的交换，改变电推杆电流方向。
8.根据权利要求1所述的电动山地果园运输机自动停泊系统，其特征在于，所述电磁阀包括第一电磁阀和第二电磁阀，所述第一电磁阀和第二电磁阀均为二位二通阀，当山地果园运输机正常工作时，两个电磁阀均处于左位，此时由制动手柄控制的制动油泵与制动钳的油路连通。
9.根据权利要求1-8中任一项所述电动山地果园运输机自动停泊系统的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)将运输机开进人为停车区域后开启自动停泊，所述微控制单元MCU所控制的摄像头循迹辅助模块开始循迹行走，通过CMOS摄像头OV7725采集路上轨迹参数，传送到微控制单元MCU，判断出运输机正位与轨迹的偏差角度，所述微控制单元MCU发出指令，对转向角度检测模块进行控制，进而对运输机进行摆正；
(2)将摄像头初始化为YUY制式的灰度值模式，0-255代表不同的灰度值，在运行过程中，由于不同位置的光照条件及路面信息有差别，采用最优阈值法对灰度值图像进行处理，结合320×240高清液晶显示屏调试选择，最终确定灰度值43为分割点将采集的图像处理为0/1数据矩阵；
(3)所述转向角度检测模块接收命令后，电推杆推动步进电机，携带圆柱齿轮与转向杆齿轮啮合，旋转相应所需角度；
(4)运输机行进过程中，所述微控制单元MCU所控制的超声波探测模块对下方车位进行是否具有泊车条件判断，超声波探测模块检测相应车位是否具有物体，并将判断信号发给所述微控制单元MCU，若具有停车条件，则所述微控制单元MCU对所述转向角度检测模块下达转向命令；
(5)转向完成后，到达停车线，OV7725摄像头对停车线轨迹进行判断，对所述微控制单元MCU进行信号反馈，接收到停车信号后，所述MUC控制系统对所述制动系统发出命令，电推杆推动油泵进行制动，停在停车线上。
10.根据权利要求9所述的电动山地果园运输机自动停泊系统的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中：摄像头循迹辅助模块采集识别的二值化路径图像进行横向扫描，获得二维矩阵经主控核心计算路径偏差，采用中线提取算法，计算得出路径偏移量后对运输机的行进路线进行修正，在本控制系统中预先标定导引线位置与控制步进电机转角信号的二维映射表，运输机自动停泊过程中，系统实时采集导引线的位置信息，通过查表给出当前控制步进电机转角信号，调整步进电机转向角度实现方向控制。
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