CN106950987A - 一种基于uwb雷达的甘蔗收割机地形跟随系统及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于UWB雷达的甘蔗收割机地形跟随系统，其包括UWB雷达和与UWB雷达相连接的雷达数据处理模块，以及控制器，与控制器相连接的显示器、方向机和电液控制系统，控制器连接UWB雷达；显示器设置在驾驶室内；UWB雷达用于获取甘蔗地垄面高度、地形轨迹形状、甘蔗束密度和甘蔗高度，控制器用于根据UWB雷达获取的信息输出控制信号。本发明提高了甘蔗收割机对复杂地形的适应性、甘蔗的收割质量，降低了收割器械的损坏率，在系统自动调节的同时，可以进行人为干预，实现自动控制与人为操作的协同工作。

Description

一种基于UWB雷达的甘蔗收割机地形跟随系统及实现方法

技术领域

本发明涉及农业自动化领域，具体涉及一种基于UWB雷达的甘蔗收割机地形跟随系统及实现方法。

背景技术

目前，我国作为一个人口大国，农业是我国的基础产业，农业的生产力与综合竞争力直接关系着我国经济发展的稳定性与持久性。农业机械化是农业生产发展的必然要求，不仅能提升农业的综合竞争力，并且实现农民效益的增收，改变我国农民的生活。目前，我国现有的甘蔗种植区域地形多为丘陵地区，地势不平，少有大片平整地块，且连片种植规模较小，这些问题造成大型甘蔗收割机械不能更好的收割和处理甘蔗。

再者，我国传统甘蔗种植行距受各地地形条件及当地农民传统习惯影响，种植行距不完全统一，并且单行的准直性差，存在随地形的弯曲现象，目前的甘蔗收获机无法应对这样的种植情况。

三是，甘蔗是多年生宿根作物，宿根面积占全年种植面积的60%左右，所以甘庶收割跟其它农作物如玉米、小麦收割不一样，要在考虑收割效率的同时也要考虑机收对蔗蔸质量的影响，以及收割对来年的宿根蔗的产量和管理的影响。蔗蔸留茬高度和破蔸率是衡量收割质量高低的最重要的参数。甘蔗收割机对倒伏甘蔗的收割适用性差，破蔸率明显比不倒伏的高。机械收割造成破兜率高的原因主要是收获机械的切割器的工作性能良好与否决定的，例如收割机在地面不平整的庶地作业时，切割器离地面的高度不定，割台的适应性不好，造成破蔸率高。

四是，我国的农机服务队的收割机机手是从开农用拖拉机或是挖掘机转行过来的，以前操作的农机使用简单、维护便捷，而现在的甘蔗收割机操作复杂。机手在操作收割机时需要凭借经验观察甘蔗田的情况，其中包括蔗蔸留茬高度、地势变化等。甘蔗田的遮蔽性高，不易观察。因此如何对甘蔗田的地势、甘蔗生长密度进行探测，并将获得信息反馈给控制系统，对甘蔗收割机进行智能化控制是目前我国甘蔗机械化的瓶颈。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于UWB雷达的甘蔗收割机地形跟随系统及实现方法解决了现有甘蔗收割机智能化低，在地形复杂、存在种植行距差距时收割质量低，容易损坏器械的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种基于UWB雷达的甘蔗收割机地形跟随系统，其包括UWB雷达和与UWB雷达相连接的雷达数据处理模块，以及控制器，与控制器相连接的显示器、方向机和电液控制系统，控制器连接UWB雷达；显示器设置在驾驶室内；

UWB雷达，用于获取甘蔗地垄面高度信息、地形轨迹形状信息、甘蔗束密度信息和甘蔗高度信息，并发送至雷达数据处理模块；

雷达数据处理模块，用于将UWB雷达输出的甘蔗地垄面高度信息和地形轨迹形状信息处理转换为地形信息图像，同时将蔗束密度信息和甘蔗高度信息处理转换为甘蔗行走势信息，并将地形信息图像和甘蔗行走势信息发送给控制器；

控制器，用于根据雷达数据处理模块输出的甘蔗行走势信息判断甘蔗收割机前进方向是否和甘蔗行走势信息相同，若相同，则向方向机输出保持直行信号，若不同，则根据甘蔗收割机当前前进方向与甘蔗行走势的角度差向方向机发送方向调整信号；同时，控制器还根据地形信息图像判断甘蔗收割机前收拢机构和切割机距离地面的高度是否与地形高度相符合，若符合，则输出保持高度信号，若不符合，则根据甘蔗收割机前收拢机构和切割机距离地面的高度与地形高度的高度差向电液控制系统输出高度调整信号；

电液控制系统，用于根据控制器输出的高度调整信号调节甘蔗收割机的前收拢机构和切割机构的高度；

方向机，用于根据控制器输出的方向调整信号调节甘蔗收割机的运动方向；

显示器，用于显示地形信息图像和甘蔗收割机的调节信息。

进一步地，控制器，还用于配置UWB雷达参数。

提供一种基于UWB雷达的甘蔗收割机地形跟随系统的实现方法，其包括以下步骤：

S1、UWB雷达通过回波信息获取甘蔗地垄面高度、地形轨迹形状、甘蔗束密度和甘蔗高度，并将该回波信息发送至雷达数据处理模块；

S2、雷达数据处理模块接收UWB雷达所发送的回波信息，根据甘蔗地垄面高度和地形轨迹形状生成地形信息图像，根据甘蔗束密度和甘蔗高度生成甘蔗行走势信息，并将该地形信息图像和甘蔗行走势信息发送至控制器；

S3、控制器接收雷达数据处理模块所发送的地形信息图像和甘蔗行走势信息，控制器根据地形信息图像和甘蔗行走势信息分别向电液控制系统和方向机输出控制信号；同时，控制器将地形信息图像、甘蔗收割机的前收拢机构高度、切割机构高度和运动方向的调节信息发送至显示器；

S4、电液控制系统根据控制器所输出的控制信号调节甘蔗收割机的前收拢机构和切割机构的高度；

方向机根据控制器所输出的控制信号调节甘蔗收割机的运动方向；

显示器接收并根据控制器的输出信号显示地形信息和甘蔗收割机的前收拢机构高度、切割机构高度和运动方向的调节信息。

S5、返回步骤S1。

进一步地，控制器根据地形信息图像分别向电液控制系统和方向机输出控制信号的方法为：

控制器根据甘蔗行走势信息判断甘蔗收割机前进方向是否与甘蔗行走势相同，若相同则向方向机输出保持直行信号，若不同则根据甘蔗收割机当前前进方向与甘蔗行走势的角度差向方向机发送方向调整信号，调整甘蔗收割机的前进方向与甘蔗行的走势相同；

控制器根据地形信息图像判断甘蔗收割机前收拢机构和切割机距离地面的高度是否与地形高度相符合，若符合则输出保持高度信号，若不符合则根据甘蔗收割机前收拢机构和切割机距离地面的高度与地形高度的高度差向电液控制系统输出高度调整信号。

进一步地，在步骤S1前通过控制器配置UWB雷达参数。

本发明的有益效果为：

1、本发明利用UWB雷达技术实时探测甘蔗地形信息和甘蔗行的走势，自动并精确控制甘蔗收割机的刀台高度、切梢高度和行进方向，提高了甘蔗收割机对复杂地形的适应性、甘蔗的收割质量，降低了收割器械的损坏率，同时将地形信息图像和收割机调整情况通过显示器显示出来，有利于车手监控甘蔗收割机的工作，在系统自动调节的同时，可以进行人为干预，实现自动控制与人为操作的协同工作。

2、本发明的雷达发送功率谱密度相对较低，对其他电磁系统的干扰小，具有很强的抗干扰能力，保证本系统的稳定性，同时由于雷达发射脉冲的时间段，可以使目标不同区域的响应分离，使目标的特性突出，同时，借助信号的宽谱特征，可以激励目标的众多响应模式，从而进行目标的准确、快速识别。

3、本发明能够实现对介质（土壤、混凝土、森林、植被或淡水）中隐蔽的目标进行高分辨率探测成像，当雷达探测到隐蔽目标时，将显示在显示器中，车手可以手动调节甘蔗收割机，避免刀台受到损伤，延长机械的使用寿命。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为地形跟随的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1和图2所示，该基于UWB雷达的甘蔗收割机地形跟随系统包括UWB雷达和与UWB雷达相连接的雷达数据处理模块，以及控制器，与控制器相连接的显示器、方向机和电液控制系统，控制器连接UWB雷达；显示器设置在驾驶室内；

UWB雷达，用于获取甘蔗地垄面高度信息、地形轨迹形状信息、甘蔗束密度信息和甘蔗高度信息，并发送至雷达数据处理模块；

雷达数据处理模块，用于将UWB雷达输出的甘蔗地垄面高度信息和地形轨迹形状信息处理转换为地形信息图像，同时将蔗束密度信息和甘蔗高度信息处理转换为甘蔗行走势信息，并将地形信息图像和甘蔗行走势信息发送给控制器；

控制器，用于根据雷达数据处理模块输出的甘蔗行走势信息判断甘蔗收割机前进方向是否和甘蔗行走势信息相同，若相同，则向方向机输出保持直行信号，若不同，则根据甘蔗收割机当前前进方向与甘蔗行走势的角度差向方向机发送方向调整信号；同时，控制器还根据地形信息图像判断甘蔗收割机前收拢机构和切割机距离地面的高度是否与地形高度相符合，若符合，则输出保持高度信号，若不符合，则根据甘蔗收割机前收拢机构和切割机距离地面的高度与地形高度的高度差向电液控制系统输出高度调整信号；

电液控制系统，用于根据控制器输出的高度调整信号调节甘蔗收割机的前收拢机构和切割机构的高度；

方向机，用于根据控制器输出的方向调整信号调节甘蔗收割机的运动方向；

显示器，用于显示地形信息图像和甘蔗收割机的调节信息。

该基于UWB雷达的甘蔗收割机地形跟随系统的实现方法包括以下步骤：

S1、UWB雷达通过回波信息获取甘蔗地垄面高度、地形轨迹形状、甘蔗束密度和甘蔗高度，并将该回波信息发送至雷达数据处理模块；

S2、雷达数据处理模块接收UWB雷达所发送的回波信息，根据甘蔗地垄面高度和地形轨迹形状生成地形信息图像，根据甘蔗束密度和甘蔗高度生成甘蔗行走势信息，并将该地形信息图像和甘蔗行走势信息发送至控制器；

S3、控制器接收雷达数据处理模块所发送的地形信息图像和甘蔗行走势信息，控制器根据地形信息图像和甘蔗行走势信息分别向电液控制系统和方向机输出控制信号；同时，控制器将地形信息图像、甘蔗收割机的前收拢机构高度、切割机构高度和运动方向的调节信息发送至显示器；

S4、电液控制系统根据控制器所输出的控制信号调节甘蔗收割机的前收拢机构和切割机构的高度；

方向机根据控制器所输出的控制信号调节甘蔗收割机的运动方向；

显示器接收并根据控制器的输出信号显示地形信息和甘蔗收割机的前收拢机构高度、切割机构高度和运动方向的调节信息。

S5、返回步骤S1。

控制器根据地形信息图像分别向电液控制系统和方向机输出控制信号的方法为：

控制器根据甘蔗行走势信息判断甘蔗收割机前进方向是否与甘蔗行走势相同，若相同则向方向机输出保持直行信号，若不同则根据甘蔗收割机当前前进方向与甘蔗行走势的角度差向方向机发送方向调整信号，调整甘蔗收割机的前进方向与甘蔗行的走势相同；

控制器根据地形信息图像判断甘蔗收割机前收拢机构和切割机距离地面的高度是否与地形高度相符合，若符合则输出保持高度信号，若不符合则根据甘蔗收割机前收拢机构和切割机距离地面的高度与地形高度的高度差向电液控制系统输出高度调整信号。

在步骤S1前通过控制器配置UWB雷达参数。

在本发明的具体实施过程中，本发明在使用前，可以先测试UWB雷达系统的参数配置，校正自动控制系统的驱动。UWB雷达系统利用不同波长的雷达波的穿透性特征，对甘蔗地垄面高度、地形轨迹形状、甘蔗束密度和甘蔗高度进行探测，并通过反射波分别进行信息提取与处理，其中甘蔗行走势信息包括甘蔗束密度和甘蔗高度数据，地形信息图像包括甘蔗地垄面高度和地形轨迹形状。

本发明的UWB雷达发射的功率谱密度相对较低，对其它电磁系统的干扰小。UWB脉冲具有极高的宽带，持续时间短至ns级，有很强的时间分辨能力，测距精度能达到厘米级，并且探测速度快，探测过程持续，操作方便灵活，探测费用低，范围广。且运用UWB雷达受外界条件影响较小，可在复杂条件下使用。

综上所述，本发明利用UWB雷达技术实时探测甘蔗地形信息和甘蔗行的走势，自动并精确控制甘蔗收割机的刀台高度、切梢高度和行进方向，提高了甘蔗收割机对复杂地形的适应性、甘蔗的收割质量，降低了收割器械的损坏率，同时将地形信息图像和收割机调整情况通过显示器显示出来，有利于车手监控甘蔗收割机的工作，在系统自动调节的同时，可以进行人为干预，实现自动控制与人为操作的协同工作。

Claims (5)

1.一种基于UWB雷达的甘蔗收割机地形跟随系统，其特征在于：包括UWB雷达和与所述UWB雷达相连接的雷达数据处理模块，以及控制器，与所述控制器相连接的显示器、方向机和电液控制系统，所述控制器连接所述UWB雷达；所述显示器设置在驾驶室内；

所述UWB雷达，用于获取甘蔗地垄面高度信息、地形轨迹形状信息、甘蔗束密度信息和甘蔗高度信息，并发送至雷达数据处理模块；

所述雷达数据处理模块，用于将UWB雷达输出的所述甘蔗地垄面高度信息和地形轨迹形状信息处理转换为地形信息图像，同时将蔗束密度信息和甘蔗高度信息处理转换为甘蔗行走势信息，并将所述地形信息图像和甘蔗行走势信息发送给控制器；

所述控制器，用于根据雷达数据处理模块输出的所述甘蔗行走势信息判断甘蔗收割机前进方向是否和甘蔗行走势信息相同，若相同，则向方向机输出保持直行信号，若不同，则根据甘蔗收割机当前前进方向与甘蔗行走势的角度差向方向机发送方向调整信号；同时，控制器还根据地形信息图像判断甘蔗收割机前收拢机构和切割机距离地面的高度是否与地形高度相符合，若符合，则输出保持高度信号，若不符合，则根据甘蔗收割机前收拢机构和切割机距离地面的高度与地形高度的高度差向电液控制系统输出高度调整信号；

所述电液控制系统，用于根据控制器输出的高度调整信号调节甘蔗收割机的前收拢机构和切割机构的高度；

所述方向机，用于根据控制器输出的方向调整信号调节甘蔗收割机的运动方向；

所述显示器，用于显示地形信息图像和甘蔗收割机的调节信息。

2.根据权利要求1所述的基于UWB雷达的甘蔗收割机地形跟随系统，其特征在于：所述控制器，还用于配置UWB雷达参数。

3.一种基于UWB雷达的甘蔗收割机地形跟随系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、UWB雷达通过回波信息获取甘蔗地垄面高度、地形轨迹形状、甘蔗束密度和甘蔗高度，并将该回波信息发送至雷达数据处理模块；

S2、雷达数据处理模块接收UWB雷达所发送的回波信息，根据甘蔗地垄面高度和地形轨迹形状生成地形信息图像，根据甘蔗束密度和甘蔗高度生成甘蔗行走势信息，并将该地形信息图像和甘蔗行走势信息发送至控制器；

S3、控制器接收雷达数据处理模块所发送的地形信息图像和甘蔗行走势信息，控制器根据地形信息图像和甘蔗行走势信息分别向电液控制系统和方向机输出控制信号；同时，控制器将地形信息图像、甘蔗收割机的前收拢机构高度、切割机构高度和运动方向的调节信息发送至显示器；

S4、电液控制系统根据控制器所输出的控制信号调节甘蔗收割机的前收拢机构和切割机构的高度；

方向机根据控制器所输出的控制信号调节甘蔗收割机的运动方向；

显示器接收并根据控制器的输出信号显示地形信息和甘蔗收割机的前收拢机构高度、切割机构高度和运动方向的调节信息；

S5、返回步骤S1。

4.根据权利要求3所述的基于UWB雷达的甘蔗收割机地形跟随系统的实现方法，其特征在于，控制器根据地形信息图像分别向电液控制系统和方向机输出控制信号的方法为：

控制器根据甘蔗行走势信息判断甘蔗收割机前进方向是否与甘蔗行走势相同，若相同则向方向机输出保持直行信号，若不同则根据甘蔗收割机当前前进方向与甘蔗行走势的角度差向方向机发送方向调整信号，调整甘蔗收割机的前进方向与甘蔗行的走势相同；

控制器根据地形信息图像判断甘蔗收割机前收拢机构和切割机距离地面的高度是否与地形高度相符合，若符合则输出保持高度信号，若不符合则根据甘蔗收割机前收拢机构和切割机距离地面的高度与地形高度的高度差向电液控制系统输出高度调整信号。

5.根据权利要求3所述的基于UWB雷达的甘蔗收割机地形跟随系统的实现方法，其特征在于：在步骤S1前通过控制器配置UWB雷达参数。