CN106527450A - 一种无轨道导航系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种无轨道导航系统及方法，该系统包括：导航单元、避障单元、驱动单元和执行单元；所述导航单元，用于采集导航信息；所述避障单元，用于采集障碍物及路面状况信息；所述驱动单元，用于获取所述导航信息、障碍物及路面状况信息，并根据所述导航信息、障碍物及路面状况信息向所述执行单元发送驱动信号；所述执行单元，用于根据所述驱动信号进行导航。该系统采用导航单元采集小车的导航信息，利用避障单元对路径的测距避障，通过驱动单元将驱动信号发送执行单元，实现小车的自动导航识别，解决了小车无轨道自主导航的问题，给农业带来了便捷。

Description

一种无轨道导航系统及方法
技术领域
本发明涉及农业智能化技术领域，尤其涉及一种无轨道导航系统及方法。
背景技术
随着社会不断的发展，农田无人化管理发展起来。许多控制装备技术在农田的智能管理上能基本满足农艺要求，无人化管理不仅能大幅度节约人力物力，还能有效地提高肥料的利用率和抑制杂草的生长。
现在的农业技术，采用轨道式的智能装备对于大面积种植的农业而言，轨道的成本高。
发明内容
本发明实施例提供一种无轨道导航系统及方法，解决了小车无轨道自主导航的问题，给农业种植带来了便捷。
第一方面，本发明实施例提供一种无轨道导航系统，包括：导航单元、避障单元、驱动单元和执行单元；
所述导航单元，用于采集导航信息；
所述避障单元，用于采集障碍物及路面状况信息；
所述驱动单元，用于获取所述导航信息、障碍物及路面状况信息，并根据所述导航信息、障碍物及路面状况信息向所述执行单元发送驱动信号；
所述执行单元，用于根据所述驱动信号进行导航。
可选的，所述导航单元包括：ARM开发板、惯导GPS模块和惯导GPS模块有源天线。
可选的，所述导航单元还包括安装在所述ARM开发板上的散热片和风扇。
可选的，所述执行单元包括：履带导航车底盘。
可选的，所述避障单元包括：激光传感器和红外传感器，所述激光传感器安装在待导航车的车头中间，所述红外传感器安装在所述待导航车的车头两侧。
可选的，所述驱动单元包括：电机驱动模块和马达。
可选的，所述系统还包括：识别单元和注肥单元；
所述识别单元，用于识别定位数据，将所述定位数据发送至所述注肥单元；
所述注肥单元，用于根据所述定位数据进行灌溉施肥。
可选的，所述识别单元包括激光位移传感器。
可选的，所述注肥单元包括：施肥管、白卡、施肥箱、输肥管、施肥电机和离合机构。
第二方面，本发明还提供了一种基于上述的无轨道导航系统的导航方法，所述方法包括：
导航单元采集导航信息；
避障单元采集障碍物及路面状况信息；
驱动单元获取所述导航信息、障碍物及路面状况信息，并根据所述导航信息、障碍物及路面状况信息向所述执行单元发送驱动信号；
执行单元根据所述驱动信号进行导航。
本发明实施例提供一种无轨道导航系统及方法，采用导航单元采集小车的导航信息，利用避障单元对路径的测距避障，通过驱动单元将驱动信号发送执行单元，实现小车的自动导航识别，解决了小车无轨道自主导航的问题，给农业带来了便捷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的一种无轨道导航系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例提供的一种无轨导航系统的原理框图；
图3为本发明一实施例提供的施肥管的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的无轨道导航系统的导航方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明实施例保护的范围。
本发明提供了一种实施例提供的一种无轨道导航系统，该系统包括：
导航单元、避障单元、驱动单元和执行单元；
所述导航单元，用于采集导航信息；
所述避障单元，用于采集障碍物及路面状况信息；
所述驱动单元，用于获取所述导航信息、障碍物及路面状况信息，并根据所述导航信息、障碍物及路面状况信息向所述执行单元发送驱动信号；
所述执行单元，用于根据所述驱动信号进行导航。
上述系统采用导航单元采集小车的导航信息，利用避障单元对路径的测距避障，通过驱动单元将驱动信号发送执行单元，实现小车的自动导航识别，解决了小车无轨道自主导航的问题，给农业带来了便捷。
下面通过具体的实施例对上述系统进行详细说明。
如图1和图2所示，上述导航单元包括ARM开发板1、惯导GPS模块2和惯导GPS模块有源天线3。惯导GPS模块2的接口VCC(红色)、TX(黄色)、RX(绿色)、GND(黑色)分别和ARM开发板1的VCC、GND、TX、RX串口用杜邦线11对应连接起来，GPS模块有源天线3安装在惯导GPS模块1上；惯导GPS模块采集信息进行处理，利用采集到的地理信息解算处姿态角，根据各轴的加速度方向和重力方向夹角计算出倾斜角，陀螺仪测量出各角速率经过对时间的积分得出各轴的旋转角度，利用各轴磁场强度计算出方位角，模块经过数据解算处理将信号输入ARM开发板1，ARM开发板1接收信号，实现小车的自主导航，GPS对模块导航进行校正作用。
所述的ARM开发板1上安装有两个散热片15，风扇14接ARM开发板1的4、6接口，红色线接4接口，黑色线接6接口(4是5V电源、6是GND接口)；保护壳16安装在ARM开发板1外，保护其不受到损坏。
所述ARM开发板1采用树莓派3代B型，Raspberry Pi Model 3B，提供多方面的硬件接口和软件平台支持；
所述的惯导GPS模块2采用君悦九轴jy901b,配套有GPS模块有源天线3。
上述驱动单元包括：电机驱动模块4和马达7。将马达7接上电线13，红色线接为正极，黑色线接为负极；马达的红色正极线接电机驱动模块4的正极，黑色线接负极。用四根杜邦线11连接ARM开发板1和电机驱动模块4，将杜邦线11的四个接口连接到电机驱动模块4的四个串口in1、in2、in3、in4，分别连接到ARM开发板1串口的11、12、13、15口；小车电机驱动需要前进，ARM开发板1in1接口和in3接口输出高电平，in2接口和in4接口输出低电平，小车左侧电机和右侧电机同时正转；小车需要后退，ARM开发板1in1接口和in3接口输出低电平，in2接口和in4接口输出高电平，小车左侧电机和右侧电机同时反转；当小车需要右转的时候，ARM开发板1in1接口输出高电平，in2接口输出低电平，in3接口和in4接口不输出，右侧电机反转，左侧电机正转；当小车需要左转的时候，ARM开发板1in1接口和in2接口不输出，in3接口输出高电平，in4接口输出低电平。将ARM开发板1的2接口和电机驱动模块4的+5V电源口连接；ARM开发板1的6口和的GND接口连接；电机驱动模块4的+12V接口连接电源(电源为12V以上)，黑色负极接GND。将ARM开发板1的2接口和电机驱动模块4的+5V电源口连接；ARM开发板1的6口和的GND接口连接；电机驱动模块4的+12V接口连接电源(电源为12V以上)，黑色负极接GND，电机驱动模块采用的是L298N驱动模块。
上述避障单元包括：激光传感器5和红外传感器6，所述激光传感器安装在待导航车的车头中间，所述红外传感器安装在所述待导航车的车头两侧。激光传感器5测量小车前方障碍物到激光传感器的距离和速度，红外传感器6安装在小车车头两侧，探测障碍物的具体，小于一定的距离，输出高电平(距离可调)，ARM开发板1接收信号，按照输入好的路径规划，对小车的轨迹进行调整。激光传感器的输出高低电平口和ARM开发板1的GPIO端口用杜邦线11连接，GND共地，VCC口和电机驱动模块4输出的5v电源口连接；红外传感器6输出高低电平口和ARM开发板的GPIO端口连接，GND共地，VCC口和电机驱动模块4输出的5v电源口连接；使用ARM开发板1的VCC接口可能会导致烧坏开发板，所以连接电机驱动模块4的电源接口；激光传感器5和红外传感器6将采集到的障碍物及路面状况信息发送到ARM开发板1，经过信息处理分析，控制调整小车的行驶状态，实现小车的避障。所述的激光传感器5采用LDM302激光传感器(可根据实际情况要求，选择激光传感器)；所述的红外传感器6采用K8/86LG-C2型号的红外开关(具体情况具体分析，可采用高精度红外传感器)
上述执行单元包括：履带导航车底盘17。ARM开发板1接收各路发送的信号，对小车的行驶状态进行调整控制，小车的执行机构进而改变小车的行驶状态。
为了使得无轨道导航系统能够应用于田间进行灌溉施肥，所述系统还包括：识别单元和注肥单元；所述识别单元，用于识别定位数据，将所述定位数据发送至所述注肥单元；所述注肥单元，用于根据所述定位数据进行灌溉施肥。
所述识别单元包括激光位移传感器20，如图3所示，所述注肥单元包括：施肥管18、白卡19、施肥箱21、输肥管22、施肥电机23和离合机构24。将特定的白卡19固定标定在施肥管18口，施肥管18位处农作物根部周围，按依次固定的距离位置埋于地下，管口高于地面5CM，施肥箱21安装在运输车上，施肥电机23与ARM开发板连接，输肥管22连接施肥箱21，激光位移传感器20安装在小车的车头，通过发射的红外激光，发射到特定的白卡18上，白卡通过漫反射方式将红外激光反射回去，激光位移传感器通过识别定位，将数据输出到控制单位，控制单位将发出指令，施肥电机23将施肥箱21中的肥料输送到施肥管18口，输送完定量的肥料后，离合机构24自动断开，控制下肥量，进行灌溉施肥。所述的激光位移传感器20型号为LT7PIDO，白卡19采用90％反射率的白卡标定。
上述系统的工作原理：
小车的惯导GPS模块利用采集到的地理信息解算处姿态角，根据各轴的加速度方向和重力方向夹角计算出倾斜角，陀螺仪测量出各角速率经过对时间的积分得出各轴的旋转角度，利用各轴磁场强度计算出方位角，模块经过数据解算处理将信号输入ARM开发板1，ARM开发板1接收信号，实现小车的自主导航，GPS对模块导航进行校正作用；
小车电机驱动需要前进，ARM开发板1in1接口和in3接口输出高电平，in2接口和in4接口输出低电平，小车左侧电机和右侧电机同时正转；小车需要后退，ARM开发板1in1接口和in3接口输出低电平，in2接口和in4接口输出高电平，小车左侧电机和右侧电机同时反转；当小车需要右转的时候，ARM开发板1in1接口输出高电平，in2接口输出低电平，in3接口和in4接口不输出，右侧电机反转，左侧电机正转；当小车需要左转的时候，ARM开发板1in1接口和in2接口不输出，in3接口输出高电平，in4接口输出低电平；
激光传感器5测量小车前方障碍物到激光传感器的距离和速度，红外传感器6安装在小车车头两侧，探测障碍物的具体，小于一定的距离，输出高电平(距离可调)，ARM开发板1接收信号，按照输入好的路径规划，对小车的轨迹进行调整。
将特定的白卡19固定标定在施肥管18口，施肥管18位处农作物根部周围，按依次固定的距离位置埋于地下，管口高于地面5CM，激光位移传感器20安装在小车的车头，通过发射的红外激光，发射到特定的白卡18上，白卡通过漫反射方式将红外激光反射回去，激光位移传感器通过识别定位，将数据输出到控制单位，控制单位将发出指令，施肥电机23将施肥箱21中的肥料输送到施肥管18口，输送完定量的肥料后，离合机构24自动断开，控制下肥量，进行灌溉施肥。
图4示出了本发明实施例提供的一种基于上述的无轨道导航系统的导航方法的流程示意图，如图4所示，所述方法包括：
401、导航单元采集导航信息；
402、避障单元采集障碍物及路面状况信息；
403、驱动单元获取所述导航信息、障碍物及路面状况信息，并根据所述导航信息、障碍物及路面状况信息向所述执行单元发送驱动信号；
404、执行单元根据所述驱动信号进行导航。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种无轨道导航系统，其特征在于，包括：导航单元、避障单元、驱动单元和执行单元；
所述导航单元，用于采集导航信息；
所述避障单元，用于采集障碍物及路面状况信息；
所述驱动单元，用于获取所述导航信息、障碍物及路面状况信息，并根据所述导航信息、障碍物及路面状况信息向所述执行单元发送驱动信号；
所述执行单元，用于根据所述驱动信号进行导航。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述导航单元包括：ARM开发板、惯导GPS模块和惯导GPS模块有源天线。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述导航单元还包括安装在所述ARM开发板上的散热片和风扇。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述执行单元包括：履带导航车底盘。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述避障单元包括：激光传感器和红外传感器，所述激光传感器安装在待导航车的车头中间，所述红外传感器安装在所述待导航车的车头两侧。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述驱动单元包括：电机驱动模块和马达。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：识别单元和注肥单元；
所述识别单元，用于识别定位数据，将所述定位数据发送至所述注肥单元；
所述注肥单元，用于根据所述定位数据进行灌溉施肥。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述识别单元包括激光位移传感器。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述注肥单元包括：施肥管、白卡、施肥箱、输肥管、施肥电机和离合机构。
10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的无轨道导航系统的导航方法，其特征在于，所述方法包括：
导航单元采集导航信息；
避障单元采集障碍物及路面状况信息；
驱动单元获取所述导航信息、障碍物及路面状况信息，并根据所述导航信息、障碍物及路面状况信息向所述执行单元发送驱动信号；
执行单元根据所述驱动信号进行导航。
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