CN109283925A - 自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统，包括前端采集单元、处理单元以及后端执行单元；其中，前端采集单元，负责采集苗带信息、拖拉机行走信息，并将采集的信息传输至处理单元；处理单元，负责对接收的前端采集单元信息进行计算处理，计算出最佳行走路径、并传输至后端执行单元；后端执行单元与拖拉机控制器连接，负责根据接收处理单元信息、并控制拖拉机按照最佳行驶路径行走。本发明还提供了自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统的实现方法。本发明自动识别苗带位置信息，控制拖拉机安全通行双行苗带之间，实现了智能化控制，提高农业作业的效率；对各条路径的稳定性进行计算，避免了车辆发生侧翻或压苗的情况发生。
Description
技术领域
本发明属于农业自动控制领域，具体涉及自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统及实现方法。
背景技术
目前，近年来，随着计算机技术，传感器技术的迅速发展，给传统的农业机械带来了重大的变化。农业机械的装备化水平和智能水平的提高能有效地降低农业机械在农作过程中存在错误操作的问题，以及提高了能源利用率，降低了作业人员的负荷。而目前来说最热门的的智能技术为智能农业机械的路径规划系统与方法。如何设计出一种能识别苗带并进行路径规划的系统及方法是目前主要的研究对象。
发明内容
本发明的目的在于提供自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统，具体通过以下技术方案实现：
自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统，包括前端采集单元、处理单元以及后端执行单元；
其中，前端采集单元，负责采集苗带信息、拖拉机行走信息，并将采集的信息传输至处理单元；
处理单元，负责对接收的前端采集单元信息进行计算处理，计算出最佳行走路径、并传输至后端执行单元；
后端执行单元与拖拉机变速箱、转向器联接，负责控制拖拉机按照最佳行走路径行走。
进一步的，所述前端采集单元包括玉米苗带信息采集模块、定位采集模块、车速采集模块；
其中，玉米苗带信息采集模块内含深度相机，深度相机负责拍照记录当前时刻玉米苗带信息；
定位采集模块内含GPS、陀螺仪，GPS实时测定拖拉机位置信息，陀螺仪实时测定拖拉机的航向角；
车速采集模块设在拖拉机机体上，车速采集模块内含速度传感器，速度传感器实时测量拖拉机行走速度信息。
进一步的，前端采集单元电连接有蓄电池，蓄电池为处理单元以及后端执行单元供电。
进一步的，所述后端执行单元包括电机控制器、第一电机1、主动齿轮2、中间齿轮3、反馈齿轮6、第二电机7，电机控制器接收处理单元信息，第一电机1的电机轴上固接有第一齿轮2、第一齿轮2啮合有中间齿轮3，所述中间齿轮3外缘处设有圆孔，所述拖拉机变速箱5的液压拉杆4位于所述圆孔内；所述中间齿轮3外啮合有反馈齿轮6，反馈齿轮6上设有角度传感器，角度传感器反馈角度转动信息至电机控制器；所述第二电机7的电机轴与拖拉机的转向器8联接；
所述第一电机1、第二电机7根据接收的电机控制器运行指令工作。
本发明还提供了自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统的实现方法，包括以下步骤：
步骤一：开启深度相机，拍摄拖拉机工作区域内玉米苗带得到高清图片，在相机拍摄的当前帧时刻，定位采集模块记录拖拉机的位置；
步骤二：处理单元对高清图片进行分析处理，得到玉米主干位置、及相邻两行玉米苗带间隙；
步骤三：根据玉米当前位置、及玉米苗带间隙，处理单元计算出拖拉机当前位置行走至下一位置不同路径信息，并对路径信息的行驶距离、转弯角度以及车轮通过玉米行间时与玉米主干的最小距离进行计算；
步骤四：根据步骤三处理单元所得信息对拖拉机行走各条路径稳定性系数进行计算，判断车辆是否会转向不足或过多转向，发生侧翻或压苗现象，得出稳定性最高条件下的最短行走路径；
步骤五：处理单元将计算得出的行走路径信息传输至后端执行单元，后端执行单元控制拖拉机按照最佳行走路径行驶。
进一步的，在步骤三中采用人工势场法计算出拖拉机当前位置至下一个位置的路径，计算公式如下：
引力函数：
斥力函数：
式中，X表示拖拉机的当前位置，XG表示下一目标位置，XD表示玉米位置,KA为引力增益系数，KB为斥力增益系数，PO为影响距离；改变KA、KB、PO的大小，得到不同路径信息。
进一步的，步骤三中对路径行驶距离的计算包括拖拉机转弯的弧线距离的累加。
进一步的，步骤四中，首先将车辆简化为线性二自由度的模型，基于此模型计算稳定性系数；设用稳态的横摆角速度与前轮转角之比来评价稳定性，计算公式如下：
稳态时候，横摆角速度为定值，此时=0、=0，代入上式化解可得，
式中为车速，为转弯半径，为前轮转角，,为前、后轮的侧偏刚度，L为轴距，a为质心到前轴的距离，b为质心到后轴的距离。
本发明的有益效果是：
本发明能够自动识别苗带位置信息，并利用苗带位置信息规划行走路径，执行模块可根据规划行走路径控制拖拉机安全通行双行苗带之间，实现了智能化控制，提高了农业作业效率。
本发明对各条路径的稳定性进行计算，保证了车辆按照计算后的最佳规划路径行走时不会发生转向不足或过多转向的现象，避免了车辆发生侧翻或压苗的情况发生，极大的提高了作业的安全性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明连接示意图。
图2为本发明流程图。
图3为本发明后端执行单元与拖拉机联接示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统，包括前端采集单元、处理单元以及后端执行单元；
其中，前端采集单元，负责采集苗带信息、拖拉机行走信息，并将采集的信息传输至处理单元；
处理单元，负责对接收的前端采集单元信息进行计算处理，计算出最佳行走路径、并传输至后端执行单元；
后端执行单元与拖拉机变速箱、转向器联接，负责控制拖拉机按照最佳行走路径行走。
进一步的，所述前端采集单元包括玉米苗带信息采集模块、定位采集模块、车速采集模块；
其中，玉米苗带信息采集模块内含深度相机，深度相机负责拍照记录当前时刻玉米苗带信息；
定位采集模块内含GPS、陀螺仪，GPS实时测定拖拉机位置信息，陀螺仪实时测定拖拉机的航向角；
车速采集模块设在拖拉机机体上，车速采集模块内含速度传感器，速度传感器实时测量拖拉机行走速度信息。
进一步的，前端采集单元电连接有蓄电池，蓄电池为处理单元以及后端执行单元供电。
进一步的，参见图3，所述后端执行单元包括电机控制器、第一电机1、主动齿轮2、中间齿轮3、反馈齿轮6、第二电机7，电机控制器接收处理单元信息，第一电机1的电机轴上固接有第一齿轮2、第一齿轮2啮合有中间齿轮3，所述中间齿轮3外缘处设有圆孔，所述拖拉机变速箱5的液压拉杆4位于所述圆孔内；所述中间齿轮3外啮合有反馈齿轮6，反馈齿轮6上设有角度传感器，角度传感器反馈角度转动信息至电机控制器；所述第二电机7的电机轴与现有的液压转向器8的转子花键孔通过键联接；
通过液压拉杆4作用控制液压变速箱5，实现对拖拉机行驶速度的控制；通过第二电机对转向器8的作用，实现对拖拉机行驶角度的控制；反馈齿轮上的角度传感器反馈液压拉杆4的运动角度信息至电机控制器，使得电机控制器可根据接收的信息启闭第一电机1。
所述第一电机1、第二电机7根据接收的电机控制器运行指令工作。
参见图2，本发明还提供了自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统的实现方法，包括以下步骤：
步骤一：开启深度相机，拍摄拖拉机工作区域内玉米苗带得到高清图片，在相机拍摄的当前帧时刻，定位采集模块记录拖拉机的位置；
步骤二：处理单元对高清图片进行分析处理，得到玉米主干位置、及相邻两行玉米苗带间隙；
步骤三：根据玉米当前位置、及玉米苗带间隙，处理单元计算出拖拉机当前位置行走至下一位置不同路径信息，并对路径信息的行驶距离、转弯角度以及车轮通过玉米行间时与玉米主干的最小距离进行计算；
步骤四：根据步骤三处理单元所得信息对拖拉机行走各条路径稳定性系数进行计算，判断车辆是否会转向不足或过多转向，发生侧翻或压苗现象，得出稳定性最高条件下的最短行走路径；
步骤五：处理单元将计算得出的行走路径信息传输至后端执行单元，后端执行单元控制拖拉机按照最佳行走路径行驶。
进一步的，在步骤三中采用人工势场法计算出拖拉机当前位置至下一个位置的路径，计算公式如下：
引力函数：
斥力函数：
式中，X表示拖拉机的当前位置，XG表示下一目标位置，XD表示玉米位置,KA为引力增益系数，KB为斥力增益系数，PO为影响距离；改变KA、KB、PO的大小，得到不同路径信息。
进一步的，步骤三中对路径行驶距离的计算包括拖拉机转弯的弧线距离的累加。
进一步的，步骤四中，首先将车辆简化为线性二自由度的模型，基于此模型计算稳定性系数；设用稳态的横摆角速度与前轮转角之比来评价稳定性，计算公式如下：
稳态时候，横摆角速度为定值，此时=0、=0，代入上式化解可得，
式中为车速，为转弯半径，为前轮转角，,为前、后轮的侧偏刚度，L为轴距，a为质心到前轴的距离，b为质心到后轴的距离。
上式表明，以固定转向角作稳态转向运动的车辆，其转向半径随行驶速度是变化的；
当<0时，车辆的转向半径是随速度的增加而增大，此时想维持原有圆周路径行走，会导致转向角不足；随着车速增大而转向不足的特性，称之为不足转向，为了弥补转向不足，便会增大转向角，然而对于高地隙拖拉机，转向角越大，更容易发生侧翻。
当<0时，车辆的转向半径是随车速的增加而减小，为了维持原来的路径行走，需增大转向角，此时称之为过多转向，为防止车辆侧翻不改变转向角，会导致车辆驶出原有规划路径，发生车轮压苗现象。
当=0时，无论车速如何，转向半径总是为一定恒径，此时路径是最安全的行驶路径。
路径规划系统根据上述公式计算并规划出最优路径使高地隙拖拉机安全通过苗带而不会发生压苗和侧翻现象。
工作时，利用苗带位置信息规划行走路径，执行模块可根据规划行走路径控制拖拉机安全通行双行苗带之间，实现了智能化控制，提高农业作业的效率；本发明对各条路径的稳定性进行计算，保证了拖拉机行驶的安全性、稳定性，不会发生转向不足或过多转向的现象，避免了车辆发生侧翻或压苗的情况发生，完全满足实际作业需求。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统，其特征在于，包括前端采集单元、处理单元以及后端执行单元；
其中，前端采集单元，负责采集苗带信息、拖拉机行走信息，并将采集的信息传输至处理单元；
处理单元，负责对接收的前端采集单元信息进行计算处理，计算出最佳行走路径、并传输至后端执行单元；
后端执行单元与拖拉机变速箱、转向器联接，负责控制拖拉机按照最佳行走路径行走。
2.根据权利要求1所述的自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统，其特征在于，所述前端采集单元包括玉米苗带信息采集模块、定位采集模块、车速采集模块；
其中，玉米苗带信息采集模块内含深度相机，深度相机负责拍照记录当前时刻玉米苗带信息；
定位采集模块内含GPS、陀螺仪，GPS实时测定拖拉机位置信息，陀螺仪实时测定拖拉机的航向角；
车速采集模块设在拖拉机机体上，车速采集模块内含速度传感器，速度传感器实时测量拖拉机行走速度信息。
3.根据权利要求1所述的自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统，其特征在于，前端采集单元电连接有蓄电池，蓄电池为处理单元以及后端执行单元供电。
4.根据权利要求1所述的自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统，其特征在于，所述后端执行单元包括电机控制器、第一电机（1）、主动齿轮（2）、中间齿轮（3）、反馈齿轮（6）、第二电机（7），电机控制器接收处理单元信息，第一电机（1）的电机轴上固接有第一齿轮（2）、第一齿轮（2）啮合有中间齿轮（3），所述中间齿轮（3）外缘处设有圆孔，所述拖拉机变速箱（5）的液压拉杆（4）位于所述圆孔内；所述中间齿轮（3）外啮合有反馈齿轮（6），反馈齿轮（6）上设有角度传感器，角度传感器反馈角度转动信息至电机控制器；所述第二电机（7）的电机轴与拖拉机的转向器（8）联接；
所述第一电机（1）、第二电机（7）根据接收的电机控制器运行指令工作。
5.根据权利要求1-4任一所述的自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：开启深度相机，拍摄拖拉机工作区域内玉米苗带得到高清图片，在相机拍摄的当前帧时刻，定位采集模块记录拖拉机的位置；
步骤二：处理单元对高清图片进行分析处理，得到玉米主干位置、及相邻两行玉米苗带间隙；
步骤三：根据玉米当前位置、及玉米苗带间隙，处理单元计算出拖拉机当前位置行走至下一位置不同路径信息，并对路径信息的行驶距离、转弯角度以及车轮通过玉米行间时与玉米主干的最小距离进行计算；
步骤四：根据步骤三处理单元所得信息对拖拉机行走各条路径稳定性系数进行计算，判断车辆是否会转向不足或过多转向，发生侧翻或压苗现象，得出稳定性最高条件下的最短行走路径；
步骤五：处理单元将计算得出的行走路径信息传输至后端执行单元，后端执行单元控制拖拉机按照最佳行走路径行驶。
6.根据权利要求5所述的自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统的实现方法，其特征在于，在步骤三中采用人工势场法计算出拖拉机当前位置至下一个位置的路径，计算公式如下：
引力函数：
斥力函数：
式中，X表示拖拉机的当前位置，XG表示下一目标位置，XD表示玉米位置,KA为引力增益系数，KB为斥力增益系数，PO为影响距离；改变KA、KB、PO的大小，得到不同路径信息。
7.根据权利要求5所述的自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统的实现方法，其特征在于，步骤三中对路径行驶距离的计算包括拖拉机转弯的弧线距离的累加。
8.根据权利要求5所述的自走式高地隙拖拉机苗带识别与路径规划系统的实现方法，其特征在于，步骤四中，首先将车辆简化为线性二自由度的模型，基于此模型计算稳定性系数；设用稳态的横摆角速度与前轮转角之比来评价稳定性，计算公式如下：
稳态时候，横摆角速度为定值，此时=0、=0，代入上式化解可得，
式中为车速，为转弯半径，为前轮转角，,为前、后轮的侧偏刚度，L为轴距，a为
质心到前轴的距离，b为质心到后轴的距离。
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| 刘法勇: "基于改进人工势场法的车道保持系统研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（工程科技Π辑）》 * |
| 王元良，等: "《太阳能电动车的设计研究与实践》", 30 June 2018 * |
| 鲁植雄等: "串联式混合动力拖拉机驱动系统设计匹配与牵引试验", 《南京农业大学学报》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112298178A (zh) * | 2020-11-09 | 2021-02-02 | 江苏悦达集团有限公司 | 一种无人拖拉机控制系统 |
| CN112298177A (zh) * | 2020-11-09 | 2021-02-02 | 江苏悦达集团有限公司 | 一种无人拖拉机控制系统及其控制方法 |
| CN113093750A (zh) * | 2021-04-01 | 2021-07-09 | 山东五征集团有限公司 | 具有智能双模式对行作业功能的动力底盘 |
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