CN109099925B - 一种无人农机导航路径规划与作业质量评估方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人农机导航路径规划与作业质量评估方法与装置，属于智能农机装备领域，本发明采用无人遥控飞机进行农田边界顶点的采集，实现复杂农田环境下的快速路径规划，并将规划后的预定义导航数据分别传输给农机自主导航平台与远端监控室；农机自主导航平台开始作业后，无人农机导航路径规划与作业质量评估装置切换到目标跟踪模式，实时传回作业质量图像至远端控制室。本发明将无人农机自主作业的路径规划环节、作业质量监测环节独立成单一的装置，易于无人农业系统的构建与实施。

Description

一种无人农机导航路径规划与作业质量评估方法与装置
技术领域
本发明涉及智能农机装备领域，尤其涉及一种无人农机导航路径规划与作业质量评估方法与装置。
背景技术
农机自主导航是智能农机装备发展的重要组成部分，随着微电子、软件以及北斗定位技术的发展，基于实时动态载波相位差分技术(RTK)的高精度卫星定位系统成本显著降低。现有的农机自主导航过程分为路径规划、导航控制两部分，其中路径规划一般分为田间连续采集定位信息、田块边界识别两种。近年来，开发基于北斗RTK的无人农机自主导航系统成为研究热点，但其田间作业质量评估装置尚未见报道。
田块边界识别一般需要人工采集矩形田块四角的地理信息，转换到当地平面坐标系下进行路径规划。罗锡文等在《东方红X-804拖拉机的DGPS自动导航控制系统》(农业工程学报,2009,25(11):139-145)中采用人工标定田块四顶点的方法确定农田的模型，该作者以地块长边作为路径规划的基准线。田间连续采集定位信息需要人工驾驶农机在田间行驶，记录行驶数据并确定导航路径的方向。刘刚等在《基于GNSS农田平整全局路径规划方法与试验》(农业机械化学报,2018,49(5):27-33)中披露了一种农田环境建模方法，其采用人工选择田块边界起点，并驾驶拖拉机绕田块边界一圈拟合农田边界。上述方法均将边界提取及路径规划作为农机自动驾驶导航系统的软件算法集成到农机作业平台上，且均需要进入田间人工采集地理信息数据，操作过程繁琐。
发明内容
为克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种无人农机导航路径规划与作业质量评估方法与装置，实现复杂农田环境下的快速路径规划、预定义路径数据的远程传输以及无人农机作业质量评估。
一种无人农机导航路径规划与作业质量评估方法，通过远端监控室、平台主控制器进行农田边界顶点的采集，在平台主控制器上进行导航路径规划，并将路径数据传输给农机自主导航平台和远端监控室，农机自主作业时，无人农机导航路径规划与作业质量评估装置切换到目标跟踪模式，实时传回作业质量图像至远端控制室。
进一步，所述农田边界顶点的采集平台为无人遥控飞机，RTK定位装置、视觉传感器以及远程通信模块，通过远程遥控无人飞机到达指定的田块，并按“左下”、“右下”、“右上”、“左上”采集田块的边界顶点位置信息，建立田块的坐标模型。
进一步，所述田块的坐标模型的建立过程为：
1)将农机驾驶至矩形田块作业起点处，确保农机行进方向与田块长边平行，开启RTK定位装置，记录此时的航向角θ；
2)依次将田块边界顶点转换到高斯平面坐标系oa，取田块原点b，以长边为y轴，短边为x轴，建立田块坐标系ob，则oa至ob的变换矩阵为：
Figure BDA0001785018430000021
设田块原点b至高斯平面坐标系原点a的向量为
Figure BDA0001785018430000022
则空间上任意一点P到点a的向量
Figure BDA0001785018430000023
与P到点b的向量
Figure BDA0001785018430000024
之间的关系为：
Figure BDA0001785018430000025
一种无人农机导航路径规划与作业质量评估装置，包括远程通信模块、RTK定位装置、DSP、视觉传感器、平台主控制器及ARM控制器，上述模块由电源模块进行统一供电，平台主控制器经由远程通信模块获取远程控制命令，到达指定的田块，DSP接收RTK定位装置、视觉传感器的输出，经由ARM控制器和数据缓冲装置将采集图像发送给平台主控制器，平台主控制器通过远程通信模块发送给远端监控室。
上述方案中，远程通信模块为4G无线通信模块，DSP的型号为TMS320F28335，视觉传感器采用摄像头，平台主控制器为CPU，型号为EPC9600，ARM控制器的型号为S3C2440。
相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明将导航路径规划从自主导航系统中分离，将导航路径规划模块化，有益于系统的集成与无人驾驶系统的推广，采用远程遥控对田块顶点进行地理信息采集，有利于减轻路径规划人工劳动强度，减少人工采点过程对农田土壤和作物的损坏。
本发明将作业质量评估与导航路径规划集成到一个移动平台上，利用远程监控和视觉目标跟踪实现无人作业的质量评估，有利于推广无人农机作业的示范应用。
附图说明
图1田块边界模型示意图；
图2路径跟踪装置结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图2所示，一种无人农机导航路径规划与作业质量评估装置，包括远程通信模块(4G无线通信模块)、RTK定位装置、DSP(TMS320F28335)、视觉传感器(摄像头)、平台主控制器(CPU，EPC9600)及ARM控制器(S3C2440)，上述模块由电源模块进行统一供电，平台主控制器经由远程通信模块获取远程控制命令，到达指定的田块，DSP接收RTK定位装置、视觉传感器的输出，经由ARM控制器和数据缓冲装置(FPGA，型号为CYCLONE IV EP4CE15F17C8)将采集图像发送给平台主控制器，平台主控制器通过远程通信模块发送给远端监控室，此时平台主控制器工作在监控模式下，远端监控室通过视频监控遥控无人机按“左下”、“右下”、“右上”、“左上”采集田块的边界顶点位置信息，建立田块的坐标模型。
一种无人农机导航路径规划与作业质量评估方法，具体过程如下：
(1)将无人农机导航路径规划与作业质量评估装置设于无人遥控飞机中，无人遥控飞机作为农田边界顶点的采集平台，搭载高精度的RTK定位装置、视觉传感器以及远程通信模块，通过远程遥控无人飞机到达指定的田块，RTK定位装置一直发送定位数据至DSP，视觉传感器经ARM控制器和数据缓冲装置将采集图像发送给平台主控制器，进而图像经远程通信模块传递给远端监控室，此时无人农机导航路径规划与作业质量评估装置一直工作在监控模式下，远端监控室遥控无人机采集田块的边界顶点位置信息，进而建立田块的坐标模型。
如图1所示，建立田块的坐标系模型，采用如下步骤：
1)将农机驾驶至矩形田块左下角作业起点处，确保农机行进方向与田块长边平行，开启RTK定位装置，记录此时的航向角输出θ，即田块短边与地球真北方向的夹角为θ；
2)依次将田块边界顶点转换到高斯平面坐标系oa，取田块的左下角b为原点，以长边为y轴，短边为x轴，建立田块坐标系ob,则oa至ob的变换矩阵为：
Figure BDA0001785018430000031
设田块左下角点b至高斯平面坐标系原点a的向量为
Figure BDA0001785018430000032
则空间上任意一点P到点a的向量
Figure BDA0001785018430000033
与P到点b的向量
Figure BDA0001785018430000034
之间的关系为：
Figure BDA0001785018430000041
(2)无人遥控飞机作为农机自主导航平台的路径规划装置，其工作流程如下：农机行驶至田块作业起点时，农机自主导航平台远程发送路径规划请求消息至远端控制室，消息格式中包含对应田块的地头位置信息，控制室首先在本地服务器上查找对应地块的预定义路径信息，如果找到对应文件直接发送给农机自主导航平台，如未找到，则发送配置命令至无人农机导航路径规划与作业质量评估装置。远端控制室放飞无人机至对应田块开始采点，田块四顶点采集完成后该装置按配置命令中作业机具、作业幅宽自动完成路径规划，路径规划完成后，该装置将预定义路径数据经远程通信模块发送至的远端控制室、农机自主导航平台，完成数据传送任务后，无人农机导航路径规划与作业质量评估装置自动切换到目标跟踪与识别模式，等待农机自主导航平台(上海联适导航AF300-T90)工作。
(3)当农机自主导航平台开始按预定义路径自主作业后，无人农机导航路径规划与作业质量评估装置开始检测作业机具运动状态，通过在机具上方跟踪农机动态过程，实现对其作业质量的监控，将视觉传感器提取出的作业环境图像经数据缓冲区缓存、ARM控制器采集与预处理传输至平台主控制器，主控制器经远程通信模块实时传送到远端控制室，供远程监控室人员实时评估农机作业效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种无人农机导航路径规划与作业质量评估方法，其特征在于：
通过远端监控室、平台主控制器进行农田边界顶点的采集，在平台主控制器上进行导航路径规划，并将路径数据传输给农机自主导航平台和远端监控室，农机自主作业时，无人农机导航路径规划与作业质量评估装置切换到目标跟踪模式，实时传回作业质量图像至远端控制室；
所述农田边界顶点的采集平台为无人遥控飞机，所述无人农机导航路径规划与作业质量评估装置设于无人遥控飞机中，无人农机导航路径规划与作业质量评估装置包括远程通信模块、RTK定位装置、DSP、视觉传感器、平台主控制器及ARM控制器；通过远程控制无人遥控飞机到达指定的田块，并按“左下”、“右下”、“右上”、“左上”采集田块的边界顶点位置信息，建立田块的坐标模型；
所述田块的坐标模型的建立过程为：
1)将农机驾驶至矩形田块作业起点处，确保农机行进方向与田块长边平行，开启RTK定位装置，记录此时的航向角θ；
2)依次将田块边界顶点转换到高斯平面坐标系oa，取田块原点b，以长边为y轴，短边为x轴，建立田块坐标系ob，则oa至ob的变换矩阵为：
Figure FDA0003030487870000011
设田块原点b至高斯平面坐标系原点a的向量为
Figure FDA0003030487870000012
则空间上任意一点P到点a的向量
Figure FDA0003030487870000013
与P到点b的向量
Figure FDA0003030487870000014
之间的关系为：
Figure FDA0003030487870000015
2.根据权利要求1所述的无人农机导航路径规划与作业质量评估方法，其特征在于：所述远程通信模块、RTK定位装置、DSP、视觉传感器、平台主控制器及ARM控制器，由电源模块进行统一供电，平台主控制器经由远程通信模块获取远程控制命令，到达指定的田块，DSP接收RTK定位装置、视觉传感器的输出，经由ARM控制器和数据缓冲装置将采集图像发送给平台主控制器，平台主控制器通过远程通信模块发送给远端监控室。
3.如权利要求2所述的无人农机导航路径规划与作业质量评估方法，其特征在于：所述远程通信模块为4G无线通信模块。
4.如权利要求2所述的无人农机导航路径规划与作业质量评估方法，其特征在于：所述DSP的型号为TMS320F28335。
5.如权利要求2所述的无人农机导航路径规划与作业质量评估方法，其特征在于：所述视觉传感器采用摄像头。
6.如权利要求2所述的无人农机导航路径规划与作业质量评估方法，其特征在于：所述平台主控制器为CPU，型号为EPC9600。
7.如权利要求2所述的无人农机导航路径规划与作业质量评估方法，其特征在于：所述ARM控制器的型号为S3C2440。
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