CN107710994A - 一种基于无人驾驶技术的谷物条播播种机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人驾驶技术的谷物条播播种机，包括多个置于待处理农田的边角处的边界标记发射器；多个置于待处理农田的障碍区域的障碍标记发射器；安装于无人驾驶谷物条播播种机的图像获取单元、地形声呐检测单元、信号接收器、信号处理模块、执行部件；信号处理模块用于根据接收到的位置信号构建待处理农田的边界区域、障碍区域及实时更新的待处理农田区域三维地形模型，并根据播种边界位置规划行车路线，并将行车路线发送给所述执行部件。本发明通过实时构建待处理农田前景区域的三维地形模型和播种区域及非播种区域的播种边界指导控制执行部件进行播种作业，科学准确的规划行车路线及速度，保证了播种的稳定性和播种效率。

Description

一种基于无人驾驶技术的谷物条播播种机

技术领域

本发明属于农机领域，尤其涉及一种基于无人驾驶技术的谷物条播播种机。

背景技术

目前的农作物谷物条播播种机需要驾驶人在舱内进行现场操作，长时间的操作不仅会使驾驶员疲惫，造成机械伤人事故，而且影响作业效率，目前已经出现遥控作业的农作物谷物条播播种机械，但是由于地形条件不一样，播种区域边界不能实时确定，不能根据地形对车辆实现实时准确的控制，操作者难以保证稳定的播种工况，播种时间及质量难以保证。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于无人驾驶技术的谷物条播播种机。

本发明是这样实现的，一种基于无人驾驶技术的谷物条播播种机包括：

多个置于待处理农田的边角处的边界标记发射器；

多个置于待处理农田的障碍区域的障碍标记发射器；

安装于无人驾驶谷物条播播种机的图像获取单元、地形声呐检测单元、声音采集模块、信号接收器、信号处理模块、执行部件；

所述边界标记发射器和障碍标记发射器用于将各自的位置信号发送给所述信号接收器；所述边界标记发射器和障碍标记发射器均包括GPS定位系统和信号发射模块；所述GPS定位系统用于得到所述边界标记发射器和障碍标记发射器所在的位置信号，并通过所述信号发射模块将所述位置信号发射出去；

所述信号接收器用于接收到每一个边界标记发射器和障碍标记发射器的位置信号并发送给所述信号处理模块；

所述图像获取单元用于获取播种区域和非播种区域图像并生成播种边界位置数据发送给信号处理模块；

所述地形声呐检测单元用于通过多波束同时获得回波图像和地形高程数据，根据地形高程数据构建地形高程模型；

所述声音采集处理模块用于实时采集谷物条播播种机运行时的声音信号，并将当前声音信号与正常播种时的标定声音信号作比对；若当前声音信号与标定声音信号在阈值范围外，则向所述信号处理模块发送谷物条播播种机未播种信号；若当前声音信号与标定声音信号在阈值范围内，则向所述信号处理模块发送谷物条播播种机正常播种信号；

所述信号处理模块用于根据接收到的边界标记发射器发送的位置信号、障碍标记发射器发射的位置信号、地形声呐检测单元发送的地形高程数据构建待处理农田的边界区域、障碍区域及实时更新的待处理农田区域三维地形模型，并根据播种边界位置规划行车路线，并将行车路线发送给所述执行部件；

所述执行部件根据行车路线及车辆位置控制车辆运行，并且控制播种机的种子箱开启或关闭；

在车辆运行过程中，所述信号处理模块根据谷物条播播种机未播种信号或谷物条播播种机正常播种信号调整谷物条播播种机是否停止播种。

进一步，所述图像获取单元通过以下方法获取获取播种区域和非播种区域图像并生成播种边界位置：

步骤一、播种过程中实时拍摄待处理处理农田，获取源图像；

步骤二、建立灰度直方图统计图像灰度分布，通过分段灰度线性变换增强图像对比度后，使用高斯滤波进行平滑处理，完成图像的预处理；

步骤三、获取源图像的每个像素点的灰度值以及图像的灰度区间；

步骤四、根据每个像素点的灰度值、灰度区间和所述确定的个数，计算每个分割阈值的数值，根据每个分割阈值的数值，确定位于前景图像的边界上的像素点，以确定图像中的前景图像的图像边界；

步骤五、使用Canny算子完成图像边缘特征点的提取；

步骤六、通过地形声呐检测单元建立的地形高程模型和图像边缘特征点确定精细图像边界。

进一步，所述执行部件包括与信号处理模块电性连接的车辆方向控制单元、车辆油门控制单元、车辆刹车控制单元和种子箱控制单元；

所述车辆方向控制单元具有一方向控制模块及由该方向控制模块控制的车辆转向机构，该方向控制模块与信号处理模块连接，用于根据图像获取单元生成的播种边界位置及信号处理模块构建的待处理农田的边界区域和障碍区域控制车辆转向机构动作；

所述车辆油门控制单元包括一车辆油门控制模块及与该车辆油门控制模块连接的节气门行程检测模块、节气门执行机构，所述车辆油门控制模块与信号处理模块连接，所述油门控制模块用于获取节气门行程检测模块的检测结果，根据图像获取单元生成的播种边界位置及信号处理模块构建的待处理农田的边界区域、障碍区域、待处理农田区域三维地形模型控制节气门执行机构动作；

所述车辆刹车控制单元包括一制动单元及与该制动单元连接的燃油控制阀、刹车器，所述制动单元与信号处理模块连接，用于根据信号处理模块构建的待处理农田的边界区域、障碍区域、待处理农田区域三维地形模型控制燃油控制阀的开合及刹车器的动作；

所述种子箱控制单元用于接收信号处理模块发送的种子箱开启或关闭信号，控制种子箱的开启或关闭。

一种无人驾驶播种方法，包括：

步骤一、信号处理模块根据接收到的边界标记发射器发送的位置信号、障碍标记发射器发射的位置信号构建待处理农田的边界区域和障碍区域；

步骤二、信号处理模块根据接收到的地形声呐检测单元发送的地形高程数据实时构建待处理农田前景区域的三维地形模型；

步骤三、信号处理模块根据待处理农田的边界区域面积设定无人驾驶谷物条播播种机的基准播种速度，并根据三维地形模型设定速度极限阈值；

步骤四、信号处理模块根据边界标记发射器和障碍标记发射器的位置信号规划行车路线，并根据基准播种速度和速度极限阈值控制执行部件进行播种作业；

步骤五、信号处理模块根据播种区域和非播种区域图像生成的播种边界位置，控制执行部件由播种完成区域转向非播种区域，信号处理模块重新规划行车路线并控制执行部件进行播种作业。

本发明通过多个置于待处理农田的边角处的边界标记发射器和多个置于待处理农田的障碍区域的障碍标记发射器确定播种区域及避障区域，信号处理模块根据实时构建待处理农田前景区域的三维地形模型和播种区域及非播种区域的播种边界指导控制执行部件进行播种作业，科学准确的规划行车路线及速度，减小了劳动前度，保证了播种的稳定性和播种效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的无人驾驶谷物条播播种机的结构框图；

图中：1、边界标记发射器；2、障碍标记发射器；3、图像获取单元；4、地形声呐检测单元；5、信号接收器；6、信号处理模块；7、执行部件；8、声音采集处理模块。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

一种基于无人驾驶技术的谷物条播播种机包括：

多个置于待处理农田的边角处的边界标记发射器1；

多个置于待处理农田的障碍区域的障碍标记发射器2；

安装于无人驾驶谷物条播播种机的图像获取单元3、地形声呐检测单元4、信号接收器5、信号处理模块6、声音采集处理模块8、执行部件7；

所述边界标记发射器1和障碍标记发射器2用于将各自的位置信号发送给所述信号接收器5；

所述信号接收器5用于接收到每一个边界标记发射器1和障碍标记发射器2的位置信号并发送给所述信号处理模块6；

在本发明实施例中，各标记发射器可以采用GPS定位系统，GPS定位系统获取各个标记发射器的GPS位置信号，然后通过信号发射器发送给信号接收器5。

当然，各标记发射器可采用基于蓝牙Beacon的定位方案，由于Beacon定位是一种短距离低功耗的无线传输技术，在安装适当的蓝牙局域网接入点后，将网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微网络的主设备，这样通过检测信号强度就可以获得农田内各标记发射器的位置信息。

所述图像获取单元3用于获取播种区域和非播种区域图像并生成播种边界位置数据发送给信号处理模块6；

在本发明实施例中，图像获取单元通过以下方法获取获取播种区域和非播种区域图像并生成播种边界位置：

步骤一、播种过程中实时拍摄待处理处理农田，获取源图像；

步骤二、建立灰度直方图统计图像灰度分布，通过分段灰度线性变换增强图像对比度后，使用高斯滤波进行平滑处理，完成图像的预处理；

步骤三、获取源图像的每个像素点的灰度值以及图像的灰度区间；

步骤四、根据每个像素点的灰度值、灰度区间和所述确定的个数，计算每个分割阈值的数值，根据每个分割阈值的数值，确定位于前景图像的边界上的像素点，以确定图像中的前景图像的图像边界；

步骤五、使用Canny算子完成图像边缘特征点的提取；

步骤六、通过地形声呐检测单元建立的地形高程模型和图像边缘特征点确定精细图像边界。

所述地形声呐检测单元4用于通过多波束同时获得回波图像和地形高程数据，根据地形高程数据构建地形高程模型；

所述信号处理模块6用于根据接收到的边界标记发射器1发送的位置信号、障碍标记发射器2发射的位置信号、地形声呐检测单元4发送的地形高程数据构建待处理农田的边界区域、障碍区域及实时更新的待处理农田区域三维地形模型，并根据播种边界位置规划行车路线，并将行车路线发送给所述执行部件7；

所述执行部件7根据所述行车路线及车辆位置控制车辆运行，该执行部件包括与信号处理模块电性连接的车辆方向控制单元、车辆油门控制单元、车辆刹车控制单元；

所述车辆方向控制单元具有一方向控制模块及由该方向控制模块控制的车辆转向机构，该方向控制模块与信号处理模块连接，用于根据图像获取单元生成的播种边界位置及信号处理模块构建的待处理农田的边界区域和障碍区域控制车辆转向机构动作；

种子箱控制单元用于接收信号处理模块发送的种子箱开启或关闭信号，控制种子箱的开启或关闭。具体地，播种机在正常播种时，种子从种子箱中匀速落入到开好的沟槽内。当播种机移动到路线重复地域或者播种机播种结束后，信号处理模块向种子箱控制单元发送关闭信号。种子箱控制单元根据该关闭信号，关闭种子箱，从而停止播种。

在本发明实施例中，初次播种可根据农田边界导航方向，谷物条播播种机沿农田边界进行播种，运行至农田地头时调转方向，以播种边界为导航基础控制谷物条播播种机沿播种边界作业；

所述车辆油门控制单元包括一车辆油门控制模块及与该车辆油门控制模块连接的节气门行程检测模块、节气门执行机构，所述车辆油门控制模块与信号处理模块连接，所述油门控制模块用于获取节气门行程检测模块的检测结果，根据图像获取单元生成的播种边界位置及信号处理模块构建的待处理农田的边界区域、障碍区域、待处理农田区域三维地形模型控制节气门执行机构动作；

对于声音采集处理模块8，声音采集处理模块在谷物条播播种机开始播种后，采集谷物条播播种机播种时的声音信号，并将该声音信号作为标定声音信号。由于谷物条播播种机按照行车路线运行，一旦声音采集处理模块采集的声音信号与标定声音信号进行对比超过阈值时，则可以判断谷物条播播种机播种任务完成，此时可停机。

在本发明实施例中车辆油门控制单元以农田边界和农田三维地形模型为依据控制节气门的开度，例如，当图像获取单元检测到农田边界时，车辆油门控制模块控制节气门执行机构减小气门开度，降低车辆速度，还可根据三维地形模型设定速度预警值，当某一区域的高程图中高程差别较大时，说明该区域地形不平坦，车辆油门控制模块控制节气门执行机构减小气门开度，降低车辆速度；

所述车辆刹车控制单元包括一制动单元及与该制动单元连接的燃油控制阀、刹车器，所述制动单元与信号处理模块连接，用于根据信号处理模块构建的待处理农田的边界区域、障碍区域、待处理农田区域三维地形模型控制燃油控制阀的开合及刹车器的动作。

在本发明实施例中，车辆刹车控制单元以农田边界和农田三维地形模型为依据控制燃油控制阀、刹车器的动作，例如，当图像获取单元检测到农田边界时，制动单元控制燃油控制阀减小开度，同时刹车器动作，降低车辆速度，还可根据三维地形模型设定速度预警值，当某一区域的高程图中高程差别较大时，说明该区域地形不平坦，制动单元控制燃油控制阀减小开度，同时刹车器动作，降低车辆速度；

在本发明实施例中，边界标记发射器1至少为四个，每一个所述边界标记发射器置于待处理农田的边角处。

在本发明实施例中，障碍标记发射器2至少包括一组障碍标记发射器组，每组障碍标记发射器组包括至少三个障碍标记发射器；

待处理农田的每一个障碍处设置一组所述障碍标记发射器组；

每一组障碍处的周围均设置一组障碍标记发射器组的多个障碍标记发射器。

在本发明实施例中，执行部件7包括与信号处理模块电性连接的车辆方向控制单元、车辆油门控制单元、车辆刹车控制单元。

在本发明实施例中，无人驾驶播种方法包括：

S101、信号处理模块根据接收到的边界标记发射器发送的位置信号、障碍标记发射器发射的位置信号构建待处理农田的边界区域和障碍区域；

S102、信号处理模块根据接收到的地形声呐检测单元发送的地形高程数据实时构建待处理农田前景区域的三维地形模型；

S103、信号处理模块根据待处理农田的边界区域面积设定无人驾驶谷物条播播种机的基准播种速度，并根据三维地形模型设定速度极限阈值；

S104、信号处理模块根据边界标记发射器和障碍标记发射器的位置信号规划行车路线，并根据基准播种速度和速度极限阈值控制执行部件进行播种作业；

S105、信号处理模块根据播种区域和非播种区域图像生成的播种边界位置，控制执行部件由播种完成区域转向非播种区域，信号处理模块重新规划行车路线并控制执行部件进行播种作业。

本发明通过多个置于待处理农田的边角处的边界标记发射器1和多个置于待处理农田的障碍区域的障碍标记发射器2确定播种区域及避障区域，信号处理模块6根据实时构建待处理农田前景区域的三维地形模型和播种区域及非播种区域的播种边界指导控制执行部件7进行播种作业，科学准确的规划行车路线及速度，减小了劳动前度，保证了播种的稳定性和播种效率。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种基于无人驾驶技术的谷物条播播种机，其特征在于，包括：

多个置于待处理农田的边角处的边界标记发射器；

多个置于待处理农田的障碍区域的障碍标记发射器；

安装于无人驾驶谷物条播播种机的图像获取单元、地形声呐检测单元、声音采集处理模块、信号接收器、信号处理模块、执行部件；

所述边界标记发射器和障碍标记发射器用于将各自的位置信号发送给所述信号接收器；所述边界标记发射器和障碍标记发射器均包括GPS定位系统和信号发射模块；所述GPS定位系统用于得到所述边界标记发射器和障碍标记发射器所在的位置信号，并通过所述信号发射模块将所述位置信号发射出去；

所述信号接收器用于接收到每一个边界标记发射器和障碍标记发射器的位置信号并发送给所述信号处理模块；

所述图像获取单元用于获取播种区域和非播种区域图像并生成播种边界位置数据发送给信号处理模块；

所述地形声呐检测单元用于通过多波束同时获得回波图像和地形高程数据，根据地形高程数据构建地形高程模型；

所述声音采集处理模块用于实时采集谷物条播播种机运行时的声音信号，并将当前声音信号与正常播种时的标定声音信号作比对；若当前声音信号与标定声音信号在阈值范围外，则向所述信号处理模块发送谷物条播播种机未播种信号；若当前声音信号与标定声音信号在阈值范围内，则向所述信号处理模块发送谷物条播播种机正常播种信号；

所述信号处理模块用于根据接收到的边界标记发射器发送的位置信号、障碍标记发射器发射的位置信号、地形声呐检测单元发送的地形高程数据构建待处理农田的边界区域、障碍区域及实时更新的待处理农田区域三维地形模型，并根据播种边界位置规划行车路线，并将行车路线发送给所述执行部件；

所述执行部件根据行车路线及车辆位置控制车辆运行，并且控制播种机的种子箱开启或关闭；

在车辆运行过程中，所述信号处理模块根据谷物条播播种机未播种信号或谷物条播播种机正常播种信号调整谷物条播播种机是否停止播种。

2.如权利要求1所述基于无人驾驶技术的谷物条播播种机，其特征在于，所述图像获取单元通过以下方法获取获取播种区域和非播种区域图像并生成播种边界位置：

步骤一、播种过程中实时拍摄待处理处理农田，获取源图像；

步骤二、建立灰度直方图统计图像灰度分布，通过分段灰度线性变换增强图像对比度后，使用高斯滤波进行平滑处理，完成图像的预处理；

步骤三、获取源图像的每个像素点的灰度值以及图像的灰度区间；

步骤四、根据每个像素点的灰度值、灰度区间和所述确定的个数，计算每个分割阈值的数值，根据每个分割阈值的数值，确定位于前景图像的边界上的像素点，以确定图像中的前景图像的图像边界；

步骤五、使用Canny算子完成图像边缘特征点的提取；

步骤六、通过地形声呐检测单元建立的地形高程模型和图像边缘特征点确定精细图像边界。

3.如权利要求1所述基于无人驾驶技术的谷物条播播种机，其特征在于，所述执行部件包括与信号处理模块电性连接的车辆方向控制单元、车辆油门控制单元、车辆刹车控制单元和种子箱控制单元；

所述车辆方向控制单元具有一方向控制模块及由该方向控制模块控制的车辆转向机构，该方向控制模块与信号处理模块连接，用于根据图像获取单元生成的播种边界位置及信号处理模块构建的待处理农田的边界区域和障碍区域控制车辆转向机构动作；

所述车辆油门控制单元包括一车辆油门控制模块及与该车辆油门控制模块连接的节气门行程检测模块、节气门执行机构，所述车辆油门控制模块与信号处理模块连接，所述油门控制模块用于获取节气门行程检测模块的检测结果，根据图像获取单元生成的播种边界位置及信号处理模块构建的待处理农田的边界区域、障碍区域、待处理农田区域三维地形模型控制节气门执行机构动作；

所述车辆刹车控制单元包括一制动单元及与该制动单元连接的燃油控制阀、刹车器，所述制动单元与信号处理模块连接，用于根据信号处理模块构建的待处理农田的边界区域、障碍区域、待处理农田区域三维地形模型控制燃油控制阀的开合及刹车器的动作；

所述种子箱控制单元用于接收信号处理模块发送的种子箱开启或关闭信号，控制种子箱的开启或关闭。

4.一种无人驾驶播种方法，其特征在于，包括：

步骤一、信号处理模块根据接收到的边界标记发射器发送的位置信号、障碍标记发射器发射的位置信号构建待处理农田的边界区域和障碍区域；

步骤二、信号处理模块根据接收到的地形声呐检测单元发送的地形高程数据实时构建待处理农田前景区域的三维地形模型；

步骤三、信号处理模块根据待处理农田的边界区域面积设定无人驾驶谷物条播播种机的基准播种速度，并根据三维地形模型设定速度极限阈值；

步骤四、信号处理模块根据边界标记发射器和障碍标记发射器的位置信号规划行车路线，并根据基准播种速度和速度极限阈值控制执行部件进行播种作业；

步骤五、信号处理模块根据播种区域和非播种区域图像生成的播种边界位置，控制执行部件由播种完成区域转向非播种区域，信号处理模块重新规划行车路线并控制执行部件进行播种作业。