CN109491395A - 温室自主作业导航控制装置、方法及控制器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种温室自主作业导航控制装置、方法及控制器，定位模块包括标签、定位传感器和阅读器，定位标签设置在移动工作台上，定位传感器包括多个，分别设置在温室的边角位置，标签用于向定位传感器发送超宽带脉冲信号，通信模块包括多个，阅读器将定位传感器接收到的超宽带脉冲信号进行解析并以数据包的形式将标签发送的超宽带脉冲信号和超宽带脉冲信号到达的时间点发送给所述控制器；控制器接收阅读器发送的数据包，控制数据包中的超宽带脉冲携带的标签对应的移动工作台。控制器根据接收到的信号识别信号对应的标签，控制标签对应的移动工作台。采用超宽带脉冲信号可以提高定位精度，进而实现可对移动工作台的精确控制。
Description
技术领域
本申请涉及温室作业控制技术领域，具体涉及一种温室自主作业导航控制装置、方法及控制器。
背景技术
在世界设施园艺发达国家向信息化、智能化加速升级的大背景下，我国温室面积持续快速增加，园艺装备产业跨越式发展的要求也越来越迫切。受设施装备匹配性差、装备制造业整体水平低等因素制约，我国设施园艺装备在作业效率、智能化水平等方面与发达国家存在较大差距，尤其是缺乏基于设施园艺主要生产门类的自主作业导航控制装置，导致在实际应用中效率无法充分发挥，设施园艺智能化整体水平仅为30％，在耕、种、收、环、控等环节上无法实现自主作业导航控制，制约了园艺产业竞争力和效益提升。
温室自主作业导航控制装置的开发首先要解决的就是温室内作业移动平台的定位问题。传统的定位方式如GPS(Global Positioning System，全球定位系统)、红外线、蓝牙等。但是上述定位方式的定位精度不高，加上温室范围较小，无法满足定位的精度要求，因此无法对移动平台进行准确的控制。
发明内容
本申请为了解决上述技术问题，提出了如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供了一种温室自主作业导航控制装置，包括：定位模块、通信模块、控制器和移动工作台，其中：所述定位模块包括标签、定位传感器和阅读器，所述定位标签设置在移动工作台上，所述定位传感器包括多个，分别设置在温室的边角位置，所述标签用于向所述定位传感器发送超宽带脉冲信号，不同所述标签发出的超宽带脉冲信号携带不同的编码标识，所述编码标识用于确定不同的移动工作台；所述通信模块包括多个，且所述通信模块分别用于所述定位模块和所述控制器之间的通信、所述标签与所述定位传感器以及所述定位传感器与所述阅读器之间的通信；所述阅读器将所述定位传感器接收到的所述超宽带脉冲信号进行解析并以数据包的形式将所述标签发送的超宽带脉冲信号和所述超宽带脉冲信号到达的时间点发送给所述控制器；所述控制器接收所述阅读器发送的数据包，控制所述数据包中的超宽带脉冲携带的标签对应的所述移动工作台。
采用上述实现方式，设置在移动工作台上的标签发送超宽带脉冲信号给定位传感器，定位传感器将接收到的脉冲信号处理后发送给控制器，控制器根据接收到的信号识别信号对应的标签，控制标签对应的移动工作台。采用超宽带脉冲信号可以提高定位精度，进而实现可对移动工作台的精确控制。
结合第一方面，在第一方面第一种可能的实现方式中，所述定位传感器包括：天线阵列和超宽带信号接收器，所述天线阵列和超宽带信号接收器电连接，所述超宽带信号接收器用于接收所述标签发送的超宽带脉冲信号，所述天线阵列用于将所述超宽带脉冲信号传输到所述阅读器上。
结合第一方面，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述定位传感器设置在温室的边角位置距离温室地面2-3米位置，且多个所述定位传感器覆盖所述移动工作台的移动范围。
结合第一方面第二种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述通信模块包括电源、通信串口、无线芯片，所述电源分别与所述标签和所述定位传感器电连接，用于向所述标签和所述定位传感器供电；所述通信串口为MODBUS-RTU通信协议的串口，实现所述定位传感器与所述控制器之间的通信；所述无线芯片包括：UTC1212无线数传模块和超宽带脉冲通信模块，所述UTC1212无线数传模块用于所述控制器与所述移动工作台之间的通信；所述超宽带脉冲通信模块用于为所述控制器与所述定位传感器、所述定位传感器与所述标签提供传输链路。
结合第一方面第三种可能的实现方式，在第一方面第四种可能的实现方式中，所述控制器包括：系统配置文件单元、标签位置解算单元、标签位置显示单元、跟踪轨迹实时显示单元和工作场景实时显示单元，其中：所述系统配置文件单元导入定位初始配置文件，所述配置文件包括：所述阅读器的编号、阅读器坐标、标签发送信息时间间隔以及校正时间；所述标签位置解算单元用于对标签位置信息进行解析，以确定所述移动工作台的位置信息；所述对标签位置信息进行解析包括：对于温室内存在的非视距误差进行消除，计算标签发出的信号到达不同定位传感器的时间差，计算标签到定位传感器间的距离之差，根据标签到定位传感器的距离差建立方程，根据多个定位传感器建立方程组求解来得到标签的坐标；所述标签位置显示模块用于实时显示标签在温室中的位置；所述跟踪轨迹实时显示模块用于记录标签在不同时刻工作点并以平滑连接方式绘制轨迹图并保存；所述工作场景实时显示模块通过移动工作台上的摄像头实时显示当前工作状态。
结合第一方面第四种可能的实现方式，在第一方面第五种可能的实现方式中，所述移动工作台包括：车架、驱动模块、控制设备、驱动电源，所述车架包括分两层，底层设置电路板、驱动模块和驱动电源，上层设置摄像头和超声波测距仪；所述驱动模块为电机且包括4个，4个电机分别与所述移动工作台的四个轮子驱动相连，所述电机为24伏直流电动机；所述控制设备包括STM32F03C8T6微控制器、稳压电路、串口通信模块、红外避障传感器、液晶显示屏等；所述驱动电源为18650锂电池，分别与所述驱动模块和所述控制器电连，用于向所述驱动模块和所述控制器供电。
结合第一方面第三种可能的实现方式，在第一方面第六种可能的实现方式中，所述电源还包括电压转换器，用于将24V的电压信号转换为5V的电压。
结合第一方面或第一方面第一至六种任一可能的实现方式，在第一方面第七种可能的实现方式中，还包括：同步分配器，所述时间同步器用于同步标签发射的各路信号到达所述定位传感器的时间，所述同步分配器包括时钟和时间同步器。
第二方面，本申请实施例提供了一种温室自主作业导航控制方法，所述方法包括：绘制温室电子地图，所述温室电子地图上标记目标工作点并将温室电子地图导入到控制器；定位传感器接收移动工作台上的标签发出的信号并发送给控制器；所述控制器根据所述定位传感器发送的信号解析所述移动工作台的位置，并将所述移动工作台的位置转换为所述温室电子地图中的坐标点；所述移动工作台的位置坐标点在所述控制器上显示，并将所述坐标钱发送给所述移动工作台，所述移动工作台将接收到的坐标点作为起始点；所述控制器不断向所述移动工作台发送新的作标签控制所述移动工作台调整移动，直至所述移动工作台到达目标工作点。
第三方面，本申请实施例提供了一种控制器，包括：处理器；存储器，用于存储计算机可执行指令；当所述处理器执行所述计算机可执行指令时，所述处理器控制所述控制器解析标签的位置信息和对移动工作台的控制。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种温室自主作业导航控制装置的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种多个定位传感器与控制器的连接示意图；
图3为本申请实施例提供的一种标签的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种定位传感器的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种移动工作台的结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种温室自主作业导航控制方法的流程示意图；
图7为本申请实施例提供的一种控制器的结构示意图；
图1-7中，符号表示为：1-标签，11-数据存储器，12-超宽带信号发射器，13-双工射频传输设备，2-定位传感器，21-超宽带信号接收器，22-天线阵列。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本方案进行阐述。
图1为申请实施例提供的一种温室自主作业导航控制装置的结构示意图。参见图1，本实施例提供的温室自主作业导航控制装置包括定位模块、通信模块、控制器和移动工作台。
所述定位模块包括标签、定位传感器和阅读器，所述定位标签设置在移动工作台上，所述定位传感器包括多个，分别设置在温室的边角位置，所述标签用于向所述定位传感器发送超宽带脉冲信号。本实施例中，所述定位传感器设置在温室的边角位置距离温室地面2-3米位置，且多个所述定位传感器覆盖所述移动工作台的移动范围。参见图2，多个定位传感器分为主定位传感器和从定位传感器，从定位传感器接收到标签的超宽带脉冲信号经处理后会一并发送给主定位传感器一起发送给阅读器。
温室中的移动工作台设置有多个，多个不同的移动工作台上设置的标签不同，不同所述标签发出的超宽带脉冲信号携带不同的编码标识，所述编码标识用于确定不同的移动工作台。标签与定位传感器之间还设置有同步分配器，所述同步分配器包括时钟和时间同步器，所述时间同步器用于同步标签发射的各路信号到达所述定位传感器的时间。
参见图3，标签1包括数据存储器11、超宽带信号发射器12以及双工射频传输设备13，标签1的作用是向定位传感器发送超宽带脉冲信号，每一个标签1都有一个特定的编码，可以通过特定的编码确定不同移动工作台的位置；数据存储器11用来存储识别码等数据，超宽带信号发射器12用于发出超宽带脉冲信号，所述双工射频传输设备13用来传输定位传感器与标签1之间的控制信息。
参见图4，所述定位传感器2包括：超宽带信号接收器21和天线阵列22，所述天线阵列22与所述定位传感器2的壳体活动连接，所述超宽带信号接收器21设置在所述壳体内部，所述天线阵列22和超宽带信号接收器21电连接，所述超宽带信号接收器21用于接收所述标签发送的超宽带脉冲信号，所述天线阵列22用于将所述超宽带脉冲信号传输到所述阅读器上。
所述通信模块包括多个，且所述通信模块分别用于所述定位模块和所述控制器之间的通信、所述标签与所述定位传感器以及所述定位传感器与所述阅读器之间的通信。
所述通信模块包括电源、通信串口、无线芯片，所述电源分别与所述标签和所述定位传感器电连接，用于向所述标签和所述定位传感器供电。所述电源还包括电压转换器，用于将24V的电压信号转换为5V的电压。所述通信串口为MODBUS-RTU通信协议的串口，实现所述定位传感器与所述控制器之间的通信。所述无线芯片包括：UTC1212无线数传模块和超宽带脉冲通信模块，所述UTC1212无线数传模块用于所述控制器与所述移动工作台之间的通信；所述超宽带脉冲通信模块用于为所述控制器与所述定位传感器、所述定位传感器与所述标签提供传输链路。
所述阅读器将所述定位传感器接收到的所述超宽带脉冲信号进行解析并以数据包的形式将所述标签发送的超宽带脉冲信号和所述超宽带脉冲信号到达的时间点发送给所述控制器；
所述控制器接收所述阅读器发送的数据包，控制所述数据包中的超宽带脉冲携带的标签对应的所述移动工作台。所述控制器包括：系统配置文件单元、标签位置解算单元、标签位置显示单元、跟踪轨迹实时显示单元和工作场景实时显示单元。
所述系统配置文件单元导入定位初始配置文件，所述配置文件包括：所述阅读器的编号、阅读器坐标、标签发送信息时间间隔以及校正时间；所述标签位置解算单元用于通过TDOA算法和Chan算法对标签位置信息进行解析，以确定所述移动工作台的位置信息。所述对标签位置信息进行解析包括：对于温室内存在的非视距误差采用有偏卡尔曼滤波与扩展卡尔曼滤波算法对其进行消除，TDOA算法是接收标签发出的信号到达不同定位传感器的时间差，由此计算标签到定位传感器间的距离之差，根据标签到定位传感器的距离差能建立方程，根据多个定位传感器建立的方程组求解来得到标签坐标。Chan算法是非递归双曲线方程组解法，通过该算法可提高系统定位精度。所述标签位置显示单元用于实时显示标签在温室中的位置。所述跟踪轨迹实时显示单元用于记录标签在不同时刻工作点并以平滑连接方式绘制轨迹图并保存。所述工作场景实时显示单元通过移动工作台上的摄像头实时显示当前工作状态。
参见图5，所述移动工作台包括：车架、驱动模块、控制设备、驱动电源，所述车架包括分两层，底层设置电路板、驱动模块和驱动电源，上层设置摄像头和超声波测距仪。
所述驱动模块为电机且包括4个，4个电机分别与所述移动工作台的四个轮子驱动相连，所述电机为24伏直流电动机。
所述控制设备包括微控制器、稳压电路、串口通信模块、红外避障传感器、液晶显示屏，所述稳压电路、串口通信模块、红外避障传感器和液晶显示屏均与所述微控制器电连接。所述驱动电源为锂电池，分别与所述驱动模块和所述控制器电连，用于向所述驱动模块和所述控制器供电。
移动工作台通过航向控制算法进行导航控制，所述航向控制算法是以目标航向角和实际航向角的差值为控制变量，对移动工作台下一步的移动方向进行调整的算法，应用此算法来确定移动工作台的移动方向。所述目标航向角是温室预设方向和目标工作点与移动工作台的连线的夹角，所述实际航向角是温室预设方向与移动工作台实际行进方向之间的夹角。
由上述实施例可知，本实施例提供的温室自主作业导航控制装置，设置在移动工作台上的标签发送超宽带脉冲信号给定位传感器，定位传感器将接收到的脉冲信号处理后发送给控制器，控制器根据接收到的信号识别信号对应的标签，控制标签对应的移动工作台。采用超宽带脉冲信号可以提高定位精度，进而实现可对移动工作台的精确控制。
与上述实施例提供的一种温室自主作业导航控制装置相对应，本申请还提供了一种温室自主作业导航控制方法的实施例。参见图6，所述方法包括：
S101，绘制温室电子地图，所述温室电子地图上标记目标工作点并将温室电子地图导入到控制器。
S102，定位传感器接收移动工作台上的标签发出的信号并发送给控制器。
S103，所述控制器根据所述定位传感器发送的信号解析所述移动工作台的位置，并将所述移动工作台的位置转换为所述温室电子地图中的坐标点。
S104，所述移动工作台的位置坐标点在所述控制器上显示，并将所述坐标钱发送给所述移动工作台，所述移动工作台将接收到的坐标点作为起始点。
S105，所述控制器不断向所述移动工作台发送新的作标签控制所述移动工作台调整移动，直至所述移动工作台到达目标工作点。
本申请实施例还提供了一种控制器，参见图7，所述控制器20包括：处理器201、存储器202和通信接口203。
在图7中，处理器201、存储器202和通信接口203可以通过总线相互连接；总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图7中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
处理器201通常是控制控制器20的整体功能，例如控制器的启动、以及控制器启动后对移动工作台进行控制等。此外，处理器201可以是通用处理器，例如，中央处理器(英文：central processing unit，缩写：CPU)，网络处理器(英文：network processor，缩写：NP)或者CPU和NP的组合。处理器也可以是微处理器(MCU)。处理器还可以包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路(ASIC)，可编程逻辑器件(PLD)或其组合。上述PLD可以是复杂可编程逻辑器件(CPLD)，现场可编程逻辑门阵列(FPGA)等。
存储器202被配置为存储计算机可执行指令以支持控制器20数据的操作。存储器201可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。
启动控制器20后，处理器201和存储器202上电，处理器201读取并执行存储在存储器202内的计算机可执行指令，以完成上述温室自主作业导航控制方法实施例中的全部或部分步骤。
通信接口203用于控制器20传输数据，例如实现与定位模块和移动工作台之间的数据通信。通信接口203包括有线通信接口，还可以包括无线通信接口。其中，有线通信接口包括USB接口、Micro USB接口，还可以包括以太网接口。无线通信接口可以为WLAN接口，蜂窝网络通信接口或其组合等。
在一个示意性实施例中，本申请实施例提供的控制器20还包括电源组件，电源组件为控制器20的各种组件提供电力。电源组件可以包括电源管理系统，一个或多个电源，及其他与为控制器20生成、管理和分配电力相关联的组件。
通信组件，通信组件被配置为便于控制器20和其他设备之间有线或无线方式的通信。控制器20可以接入基于通信标准的无线网络，如WiFi，2G或3G，或它们的组合。通信组件经由广播信道接收来自外部广播管理系统的广播信号或广播相关信息。通信组件还包括近场通信(NFC)模块，以促进短程通信。例如，在NFC模块可基于射频识别(RFID)技术，红外数据协会(IrDA)技术，超宽带(UWB)技术，蓝牙(BT)技术和其他技术来实现。
在一个示意性实施例中，控制器20可以被一个或多个应用专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、控制器、微控制器、处理器或其他电子元件实现。
本申请说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于方法及控制器实施例而言，由于其中的涉及的装置基本相似于装置的实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例中的说明即可。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
当然，上述说明也并不仅限于上述举例，本申请未经描述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述；以上实施例及附图仅用于说明本申请的技术方案并非是对本申请的限制，如来替代，本申请仅结合并参照优选的实施方式进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，本技术领域的普通技术人员在本申请的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换都不脱离本申请的宗旨，也应属于本申请的权利要求保护范围。
Claims (10)
1.一种温室自主作业导航控制装置，其特征在于，包括：定位模块、通信模块、控制器和移动工作台，其中：
所述定位模块包括标签、定位传感器和阅读器，所述定位标签设置在移动工作台上，所述定位传感器包括多个，分别设置在温室的边角位置，所述标签用于向所述定位传感器发送超宽带脉冲信号，不同所述标签发出的超宽带脉冲信号携带不同的编码标识，所述编码标识用于确定不同的移动工作台；
所述通信模块包括多个，且所述通信模块分别用于所述定位模块和所述控制器之间的通信、所述标签与所述定位传感器以及所述定位传感器与所述阅读器之间的通信；
所述阅读器将所述定位传感器接收到的所述超宽带脉冲信号进行解析并以数据包的形式将所述标签发送的超宽带脉冲信号和所述超宽带脉冲信号到达的时间点发送给所述控制器；
所述控制器接收所述阅读器发送的数据包，控制所述数据包中的超宽带脉冲携带的标签对应的所述移动工作台。
2.根据权利要求1所述温室自主作业导航控制装置，其特征在于，所述定位传感器包括：天线阵列和超宽带信号接收器，所述天线阵列与所述定位传感器的壳体活动连接，所述超宽带信号接收器设置在所述壳体内部，所述天线阵列和超宽带信号接收器电连接，所述超宽带信号接收器用于接收所述标签发送的超宽带脉冲信号，所述天线阵列用于将所述超宽带脉冲信号传输到所述阅读器上。
3.根据权利要求1所述温室自主作业导航控制装置，其特征在于，所述定位传感器设置在温室的边角位置距离温室地面2-3米位置，且多个所述定位传感器覆盖所述移动工作台的移动范围。
4.根据权利要求3所述温室自主作业导航控制装置，其特征在于，所述通信模块包括电源、通信串口、无线芯片，所述电源分别与所述标签和所述定位传感器电连接，用于向所述标签和所述定位传感器供电；
所述通信串口为MODBUS-RTU通信协议的串口，实现所述定位传感器与所述控制器之间的通信；
所述无线芯片包括：UTC1212无线数传模块和超宽带脉冲通信模块，所述UTC1212无线数传模块用于所述控制器与所述移动工作台之间的通信；所述超宽带脉冲通信模块用于为所述控制器与所述定位传感器、所述定位传感器与所述标签提供传输链路。
5.根据权利要求4所述温室自主作业导航控制装置，其特征在于，所述控制器包括：系统配置文件单元、标签位置解算单元、标签位置显示单元、跟踪轨迹实时显示单元和工作场景实时显示单元，其中：
所述系统配置文件单元导入定位初始配置文件，所述配置文件包括：所述阅读器的编号、阅读器坐标、标签发送信息时间间隔以及校正时间；
所述标签位置解算单元用于对标签位置信息进行解析，以确定所述移动工作台的位置信息；所述对标签位置信息进行解析包括：对于温室内存在的非视距误差进行消除，计算标签发出的信号到达不同定位传感器的时间差，计算标签到定位传感器间的距离之差，根据标签到定位传感器的距离差建立方程，根据多个定位传感器建立方程组求解来得到标签的坐标；
所述标签位置显示模块用于实时显示标签在温室中的位置；
所述跟踪轨迹实时显示模块用于记录标签在不同时刻工作点并以平滑连接方式绘制轨迹图并保存；
所述工作场景实时显示模块通过移动工作台上的摄像头实时显示当前工作状态。
6.根据权利要求5所述温室自主作业导航控制装置，其特征在于，所述移动工作台包括：车架、驱动模块、控制设备、驱动电源，所述车架包括分两层，底层设置电路板、驱动模块和驱动电源，上层设置摄像头和超声波测距仪；
所述驱动模块为电机且包括4个，4个电机分别与所述移动工作台的四个轮子驱动相连，所述电机为24伏直流电动机；
所述控制设备包括微控制器、稳压电路、串口通信模块、红外避障传感器、液晶显示屏，所述稳压电路、串口通信模块、红外避障传感器和液晶显示屏均与所述微控制器电连接；
所述驱动电源为锂电池，分别与所述驱动模块和所述控制器电连，用于向所述驱动模块和所述控制器供电。
7.根据权利要求4所述温室自主作业导航控制装置，其特征在于，所述电源还包括电压转换器，用于将24V的电压信号转换为5V的电压。
8.根据权利要求1-7任一项所述温室自主作业导航控制装置，其特征在于，还包括：同步分配器，所述同步分配器包括时钟和时间同步器，所述时间同步器用于同步标签发射的各路信号到达所述定位传感器的时间。
9.一种温室自主作业导航控制方法，其特征在于，所述方法包括：
绘制温室电子地图，所述温室电子地图上标记目标工作点并将温室电子地图导入到控制器；
定位传感器接收移动工作台上的标签发出的信号并发送给控制器；
所述控制器根据所述定位传感器发送的信号解析所述移动工作台的位置，并将所述移动工作台的位置转换为所述温室电子地图中的坐标点；
所述移动工作台的位置坐标点在所述控制器上显示，并将所述坐标签发送给所述移动工作台，所述移动工作台将接收到的坐标点作为起始点；
所述控制器不断向所述移动工作台发送新的作标签控制所述移动工作台调整移动，直至所述移动工作台到达目标工作点。
10.一种控制器，其特征在于，包括：
处理器；
存储器，用于存储计算机可执行指令；
当所述处理器执行所述计算机可执行指令时，所述处理器控制所述控制器解析标签的位置信息和对移动工作台的控制。
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