CN107972732A - 一种无人驾驶插秧机自动转向控制系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人驾驶插秧机自动转向控制系统及其控制方法，包括有主控制器、CAN总线通讯单元、全球定位系统GPS定位装置、上位机、传感器模块、转向控制模块；所述CAN总线通讯单元用于给所述主控制器提供上位机预设的转向参数、实时显示的插秧机位置、速度以及手柄位置等信息；所述GPS定位装置用于根据事先规划好的路径信息，确定插秧机当前位置并传输给上位机，由上位机比较当前位置与目标路径的偏差；所述传感器模块用于实时地将插秧机的作业信息发送给主控制器；本发明与现有技术相比：采取伺服电机控制转向、系统结构简单、进行了模块化设计、维修方便等特点。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械技术领域，尤其涉及一种无人驾驶插秧机自动转向控制系统及其控制方法。
背景技术
目前生产上现有农业机械一般都是采用人工驾驶和手工操作，在人工驾驶插秧机时，土壤条件多变，作业环境艰苦，驾驶员的驾驶水平以及长时间枯燥乏味的跟踪驾驶将对对行的准确性产生很大影响，易产生重行、漏行等缺陷，造成减产。
针对现有插秧机作业的单调、乏味的工作，国内外的研究者已经开始研究插秧机的自动驾驶技术。日本的国家农业研究中心也对插秧机原有系统进行了改造，开发出了由同步带、电磁离合器、 减速电动机组成的转向执行系统，并采用GPS和陀螺仪对插秧机行驶进行导航。国内研究机构在进行插秧机导航控制研究的同时，也进行了插秧机栽插作业的自动控制初步探索，对插秧机变速机构和栽插作业机构采用直流电动机进行电控改造，实现了转向机构、变速机构和机具升降机构的自动控制，但其电控操作时间比驾驶员操作时间长，操作不灵活，系统可靠性低，通用性较低且成本较高，还不能满足生产要求。因此，急需研发一种能够满足水稻生产实际要求的无人驾驶插秧机自动转向控制系统及其控制方法。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种无人驾驶插秧机自动转向控制系统及其控制方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种无人驾驶插秧机自动转向控制系统，包括有主控制器、CAN总线通讯单元、全球定位系统GPS定位装置、上位机、传感器模块、转向控制模块；
所述的主控制器通过CAN总线通讯单元分别与上位机和转向执行模块连接，传感器模块与主控制器连接，全球定位系统GPS定位装置与上位机连接；
所述的CAN总线通讯单元给所述主控制器提供上位机预设的转向参数、实时显示的插秧机位置、速度以及手柄位置信息；
所述的全球定位系统GPS定位装置根据事先规划好的路径信息，确定插秧机当前位置并传输给上位机，由上位机比较当前位置与目标路径的偏差；
所述的传感器模块实时将插秧机的作业信息发送给主控制器；
所述的转向控制模块根据插秧机田间作业要求控制其速度、秧箱升降以及方向盘进行减速并转向；
所述的主控制器实时接收由传感器模块发送的插秧机位姿信息，并进行及时处理，控制转向控制模块，实现路径跟踪和插秧机自动转向。
所述的传感器模块包括有速度传感器、转向角度传感器、主变速手柄传感器和插植手柄传感器。
所述的速度传感器采用光电增量式编码器并安装在驱动轮后轮的中心齿轮上，通过齿轮传递的转动信息来获取插秧机的行进速度；
所述的转向角度传感器采用绝对式编码器来对转向伺服电机进行反馈，在插秧机转向的绝对零位标定好之后，通过检测方向盘转向柱的转向角度来测得插秧机的实际转角；
所述的主变速手柄传感器通过检测控制主变速手柄移动的伺服电机的转动角度来获取插秧机的当前档位；
所述的插植手柄传感器通过检测插植手柄电机的转动角度来获得插秧机的秧箱是处于上升、中立或者下降状态。
所述的转向控制模块包括有转向驱动单元以及与转向驱动单元相连的转向伺服电机和直流电机驱动单元以及与直流电机驱动单元相连的主变速手柄电机、插植手柄电机，所述的转向驱动单元和直流电机驱动单元通过CAN总线通讯单元与主控制器连接。
所述的转向伺服电机控制插秧机行走方向，通过主控制器采集的当前角度信息与目标转角计算得出偏差角度，并将其输入给伺服电机控制其转向；
所述的主变速手柄电机控制插秧机的作业速度，根据路径信息通过主控制器采集的当前速度与上位机的预设速度进行比较，若当前速度大于预设速度，则需向直流驱动单元发送减速信号，控制电机反向旋转一个角度，来使其达到转向时的速度；
所述的插植手柄电机控制秧箱的升降，其根据主控制器采集电机的当前转动角度与上位机设定的值进行比较，若转动角度不同，则向下位机发送指令驱动直流电机使插植手柄处于上升状态。
一种无人驾驶插秧机自动转向控制系统的控制方法，具体包括以下步骤：
1）由全球定位系统GPS定位装置实时采集插秧机的当前位置信息，并发送给上位机；
2）上位机将当前位置信息与期望路径相比较，通过计算获得距离当前位置最近的跟踪路径点，确定插秧机的跟踪目标，获得插秧机的目标航向；
3）主控制器通过转向角度传感器采集的当前转向角度作为反馈值返回给上位机，上位机将计算出的实际航向和目标航向的偏差与实际的前轮转角的差值作为输入变量发送给主控制器，将主控制器决策出电机的目标转角与转向角度传感器检测的实际转角进行对比，并计算出偏差信号，最终将其转化成电机驱动电压信号驱动电机旋转；
4）电机的输出轴经过减速器减速增矩后，将动力传递给转向柱，实现转向控制。
本发明的优点是：
（1）本发明相对于传统的采用步进电机，伺服电机的稳定性较好，特别是在低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象；精度高，实现了位置、速度和力矩的闭环控制，克服了步进电机失步的问题；抗过载能力强以及动态相应时间短等优点。
（2）系统改造较小，模仿人工驾驶的方式进行改造，转向模块采用齿轮传动方式，由伺服电机带动齿轮使方向盘转动，既节省了安装空间也不影响原车驾驶性能，适用于具有各种不同大小的方向盘的机型。
（3）本发明采用模块化的设计，使其稳定性高、阅读性强，专业性高等优点，并且具有可扩展性。
（4）使用CAN总线将3个执行模块与下位机进行连接，能够实时可靠地采集多个传感器信息和传输控制指令，插秧机能够自主完成路径跟踪、转向、变速以及插秧等操作。
附图说明
图1为本发明插秧机自动转向控制结构示意框图。
图2为本发明插秧机转向控制流程图。
图3为主变速手柄控制流程图。
图4为插植手柄控制流程图。
图5为插秧机自动转向控制方法示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种无人驾驶插秧机自动转向控制系统，包括有主控制器5、CAN总线通讯单元3、全球定位系统GPS定位装置1、上位机2、传感器模块4、转向控制模块11；
所述的主控制器5通过CAN总线通讯单元3分别与上位机2和转向执行模块11连接，传感器模块4与主控制器5连接，全球定位系统GPS定位装置1与上位机2连接；
所述的CAN总线通讯单元3给所述主控制器5提供上位机2预设的转向参数、实时显示的插秧机位置、速度以及手柄位置信息；
所述的全球定位系统GPS定位装置1根据事先规划好的路径信息，确定插秧机当前位置并传输给上位机2，由上位机2比较当前位置与目标路径的偏差；
所述的传感器模块4实时将插秧机的作业信息发送给主控制器；
所述的转向控制模块11根据插秧机田间作业要求控制其速度、秧箱升降以及方向盘进行减速并转向；
所述的主控制器5实时接收由传感器模块4发送的插秧机位姿信息，并进行及时处理，控制转向控制模块11，实现路径跟踪和插秧机自动转向。
所述的传感器模块4包括有速度传感器、转向角度传感器、主变速手柄传感器和插植手柄传感器。
所述的速度传感器采用光电增量式编码器并安装在驱动轮后轮的中心齿轮上，通过齿轮传递的转动信息来获取插秧机的行进速度；
所述的转向角度传感器采用绝对式编码器来对转向伺服电机进行反馈，在插秧机转向的绝对零位标定好之后，通过检测方向盘转向柱的转向角度来测得插秧机的实际转角；
所述的主变速手柄传感器通过检测控制主变速手柄移动的伺服电机的转动角度来获取插秧机的当前档位；
所述的插植手柄传感器通过检测插植手柄电机的转动角度来获得插秧机的秧箱是处于上升、中立或者下降状态。
所述的转向控制模块11包括有转向驱动单元6以及与转向驱动单元6相连的转向伺服电机8和直流电机驱动单元7以及与直流电机驱动单元7相连的主变速手柄电机9、插植手柄电机10，所述的转向驱动单元6和直流电机驱动单元7通过CAN总线通讯单元3与主控制器连接。
所述的转向伺服电机8控制插秧机行走方向，通过主控制器采集的当前角度信息与目标转角计算得出偏差角度，并将其输入给伺服电机控制其转向；
所述的主变速手柄电机10控制插秧机的作业速度，根据路径信息通过主控制器采集的当前速度与上位机的预设速度进行比较，若当前速度大于预设速度，则需向直流驱动单元发送减速信号，控制电机反向旋转一个角度，来使其达到转向时的速度；
所述的插植手柄电机9控制秧箱的升降，其根据主控制器采集电机的当前转动角度与上位机设定的值进行比较，若转动角度不同，则向下位机发送指令驱动直流电机使插植手柄处于上升状态。
如图5所示，一种无人驾驶插秧机自动转向控制系统的控制方法，具体包括以下步骤：
1）由全球定位系统GPS定位装置1实时采集插秧机的当前位置信息，并发送给上位机；
2）上位机2将当前位置信息与期望路径相比较，通过计算获得距离当前位置最近的跟踪路径点，确定插秧机的跟踪目标，获得插秧机的目标航向；
3）主控制器5通过转向角度传感器采集的当前转向角度作为反馈值返回给上位机，上位机将计算出的实际航向和目标航向的偏差与实际的前轮转角的差值作为输入变量发送给主控制器，将主控制器决策出电机的目标转角与转向角度传感器检测的实际转角进行对比，并计算出偏差信号，最终将其转化成电机驱动电压信号驱动电机旋转；
4）电机的输出轴经过减速器减速增矩后，将动力传递给转向柱，实现转向控制。
图1是本发明插秧机自动转向控制系统结构示意框图，插秧机自动转向控制系统包括主控制器5、CAN总线通讯单元3、全球定位系统GPS定位装置1、上位机2、传感器模块4、转向控制模块11；
其中，CAN总线通讯单元3用于给所述主控制器5提供上位机预设的转向参数、实时显示的插秧机位置、速度以及手柄位置等信息；
GPS定位装置1用于根据事先规划好的路径信息，确定插秧机当前位置并传输给上位机，由上位机比较当前位置与目标路径的偏差；
所述传感器模块4用于实时地将插秧机的作业信息发送给主控制器；
所述转向控制模块11根据插秧机田间作业特点用于控制其速度、秧箱升降以及方向盘进行减速并转向；
所述主控制器5主要实现路径跟踪和转向执行机构的控制，因此需要实时接收速度传感器、转角传感器等的数据，同时需要实时接收CAN总线发送的插秧机位姿信息，并根据接收到的各类数据进行处理实现插秧机自动转向。
图2为插秧机根据规划路径进入转向区域开始转向时的状态检测。
图3和图4是插秧机进项转向时主变速手柄最先减速同时秧箱升起时，主变速手柄和插植手柄的工作状态。
Claims (6)
1.一种无人驾驶插秧机自动转向控制系统，其特征在于：包括有主控制器、CAN总线通讯单元、全球定位系统GPS定位装置、上位机、传感器模块、转向控制模块；
所述的主控制器通过CAN总线通讯单元分别与上位机和转向执行模块连接，传感器模块与主控制器连接，全球定位系统GPS定位装置与上位机连接；
所述的CAN总线通讯单元给所述主控制器提供上位机预设的转向参数、实时显示的插秧机位置、速度以及手柄位置信息；
所述的全球定位系统GPS定位装置根据事先规划好的路径信息，确定插秧机当前位置并传输给上位机，由上位机比较当前位置与目标路径的偏差；
所述的传感器模块实时将插秧机的作业信息发送给主控制器；
所述的转向控制模块根据插秧机田间作业要求控制其速度、秧箱升降以及方向盘进行减速并转向；
所述的主控制器实时接收由传感器模块发送的插秧机位姿信息，并进行及时处理，控制转向控制模块，实现路径跟踪和插秧机自动转向。
2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶插秧机自动转向控制系统，其特征在于：所述的传感器模块包括有速度传感器、转向角度传感器、主变速手柄传感器和插植手柄传感器。
3.根据权利要求2所述的一种无人驾驶插秧机自动转向控制系统，其特征在于：所述的速度传感器采用光电增量式编码器并安装在驱动轮后轮的中心齿轮上，通过齿轮传递的转动信息来获取插秧机的行进速度；
所述的转向角度传感器采用绝对式编码器来对转向伺服电机进行反馈，在插秧机转向的绝对零位标定好之后，通过检测方向盘转向柱的转向角度来测得插秧机的实际转角；
所述的主变速手柄传感器通过检测控制主变速手柄移动的伺服电机的转动角度来获取插秧机的当前档位；
所述的插植手柄传感器通过检测插植手柄电机的转动角度来获得插秧机的秧箱是处于上升、中立或者下降状态。
4.根据权利要求1所述的一种无人驾驶插秧机自动转向控制系统，其特征在于：所述的转向控制模块包括有转向驱动单元以及与转向驱动单元相连的转向伺服电机和直流电机驱动单元以及与直流电机驱动单元相连的主变速手柄电机、插植手柄电机，所述的转向驱动单元和直流电机驱动单元通过CAN总线通讯单元与主控制器连接。
5.根据权利要求4所述的一种无人驾驶插秧机自动转向控制系统，其特征在于：所述的转向伺服电机控制插秧机行走方向，通过主控制器采集的当前角度信息与目标转角计算得出偏差角度，并将其输入给伺服电机控制其转向；
所述的主变速手柄电机控制插秧机的作业速度，根据路径信息通过主控制器采集的当前速度与上位机的预设速度进行比较，若当前速度大于预设速度，则需向直流驱动单元发送减速信号，控制电机反向旋转一个角度，来使其达到转向时的速度；
所述的插植手柄电机控制秧箱的升降，其根据主控制器采集电机的当前转动角度与上位机设定的值进行比较，若转动角度不同，则向下位机发送指令驱动直流电机使插植手柄处于上升状态。
6.一种无人驾驶插秧机自动转向控制系统的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）由全球定位系统GPS定位装置实时采集插秧机的当前位置信息，并发送给上位机；
（2）上位机将当前位置信息与期望路径相比较，通过计算获得距离当前位置最近的跟踪路径点，确定插秧机的跟踪目标，获得插秧机的目标航向；
（3）主控制器通过转向角度传感器采集的当前转向角度作为反馈值返回给上位机，上位机将计算出的实际航向和目标航向的偏差与实际的前轮转角的差值作为输入变量发送给主控制器，将主控制器决策出电机的目标转角与转向角度传感器检测的实际转角进行对比，并计算出偏差信号，最终将其转化成电机驱动电压信号驱动电机旋转；
（4）电机的输出轴经过减速器减速增矩后，将动力传递给转向柱，实现转向控制。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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