CN110915335A - 一种自动耕作系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动耕作系统和方法，所述系统包括多个作业区域限定装置和微耕机，所述作业区域限定装置用于通过相互感应所形成的连接来划定作业区域，并对所述作业区域的边界进行物体探测，所述微耕机用于在所述作业区域内按照耕作路径进行自动耕作，当所述作业区域限定装置探测到物体时，对所述耕作路径进行调整；调整后的所述耕作路径折返所述作业区域内部。本发明不受耕作地形或环境限制，可根据实际地形来安排作业区域限定装置的个数以及分布方式，从而划定不同的作业区域，具有很大的灵活性，对零碎、分散、不规则的作业区域具有很强的适应性，能够提高耕作效率。本发明广泛应用于自动控制技术领域。

Description

一种自动耕作系统和方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，尤其是一种自动耕作系统和方法。

背景技术

自动耕作技术可以提高农业生产力。现有的自动耕作技术是在农具上安装GPS或北斗等导航设备来进行定位和导航，从而确定农具的耕作路径，然后控制农具沿着耕作路径进行播种、施肥、除草、除虫、收割以及土壤的耕、耙、锄等耕作活动。现有的自动耕作技术适用于大规模进行农业作业的地区，因为这些地区有足够广阔的地理空间以及专业化的作业团队提供支持，使得通过卫星实现的定位和导航技术能够正常运行。但是，我国以及世界上仍然有许多小规模的农业生产存在自动耕作的需求，例如我国南方丘陵地带的小块土地耕作等，这些情景下，可能因地理环境的因素限制现有自动耕作技术的应用。例如，在实际使用情景下，卫星导航系统的信号可能被农作物或地势干扰，或者因作业区形状不规则导致定位和导航的精度过低等。

发明内容

为了解决上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种自动耕作系统和方法。

一方面，实施例中包括一种自动耕作系统，包括：

多个作业区域限定装置，用于通过相互感应所形成的连接来划定作业区域，并对所述作业区域的边界进行物体探测；

微耕机，用于在所述作业区域内按照耕作路径进行自动耕作，当所述作业区域限定装置探测到物体时，对所述耕作路径进行调整；调整后的所述耕作路径折返所述作业区域内部。

另一方面，实施例中还包括一种自动耕作系统，包括：

多个作业区域限定装置，用于通过相互感应所形成的连接来划定作业区域，并对所述作业区域的边界进行物体探测；

微耕机，用于在所述作业区域内按照耕作路径进行自动耕作，当所述作业区域限定装置探测到物体时，如果检测到自身位置处于所述作业区域的边界上，则对所述耕作路径进行调整；调整后的所述耕作路径折返所述作业区域内部。

进一步地，各所述作业区域限定装置分布设置在一个多边形区域的各顶点上，任一所述作业区域限定装置分别与相邻所述作业区域限定装置相互感应。

进一步地，各所述作业区域限定装置分别包括：

激光发射器，用于向相邻的所述作业区域限定装置发射激光；

激光探测器，用于探测相邻的所述作业区域限定装置发射出的激光；

处理器，用于监测所述激光探测器的工作状态，在所述激光探测器未探测到激光的情况下，生成警报信号；

信号发射器，用于接收所述处理器生成的警报信号，发射所述警报信号。

进一步地，所述微耕机包括：

驱动机构，用于为微耕机整体提供驱动力；

转向机构，用于控制微耕机整体的行驶方向；

导航仪，用于获取微耕机整体的自身位置；

控制器，用于在根据所述自身位置和所述耕作路径来控制所述驱动机构和/或转向机构，从而使得微耕机整体按照所述耕作路径进行耕作。

进一步地，所述微耕机还包括信号接收器；所述信号接收器用于侦测所述作业区域限定装置发射的警报信号；所述控制器还用于在获取到所述警报信号的情况下对所述耕作路径进行调整，控制所述驱动机构和/或转向机构，从而使得微耕机整体按照调整后的所述耕作路径进行耕作。

进一步地，所述微耕机还包括三轴加速度传感器；所述三轴加速度传感器用于采集所述微耕机在耕作过程中的振动数据；所述控制器还用于将所述振动数据转换为耕地松软度数据。

进一步地，所述控制器还用于在所述耕地松软度数据未达到预设标准的情况下，控制所述驱动机构和/或转向机构，从而使得微耕机整体按照所述耕作路径的相反路径进行耕作。

另一方面，实施例中还包括一种自动耕作方法，包括以下步骤：

划定作业区域，并对所述作业区域的边界进行物体探测；

使用微耕机在所述作业区域内按照耕作路径进行自动耕作；

当探测到所述作业区域的边界存在物体时，对所述微耕机的耕作路径进行调整。

另一方面，实施例中还包括一种自动耕作方法，包括以下步骤：

划定作业区域，并对所述作业区域的边界进行物体探测；

使用微耕机在所述作业区域内按照耕作路径进行自动耕作；

当探测到所述作业区域的边界存在物体，而且所述微耕机正处在所述作业区域的边界时，对所述微耕机的耕作路径进行调整。

本发明的有益效果是：使用多个作业区域限定装置来限定微耕机的作业区域，引导微耕机的耕作路径，使得微耕机无需借助卫星导航系统即可完成自动耕作，不受耕作地形或环境限制；在作业区域限定装置的引导下，只需要对微耕机的耕作路径进行初始化设置，即可使微耕机的耕作路径覆盖整个作业区域，可为使用者提供简便的使用方式；使用者可根据实际地形来安排作业区域限定装置的个数以及分布方式，从而划定不同的作业区域，具有很大的灵活性，对零碎、分散、不规则的作业区域具有很强的适应性，能够提高耕作效率。

附图说明

图1为实施例中自动耕作系统的结构示意图；

图2为实施例中自动耕作系统的一种使用方法原理图。

具体实施方式

本实施例中，所述自动耕作系统由微耕机和多个作业区域限定装置组成。其中，特定的作业区域限定装置之间可以通过激光、红外线、射频或者声波等信号进行相互感应，从而在进行相互感应的两个作业区域限定装置之间建立连接。建立连接的两个作业区域限定装置可以分别视为一个端点，它们之间形成一条边。

将三个或以上的作业区域限定装置分布设置在农田等地域上，使得多条边形成一个封闭的多边形作业区域。此时，各所述作业区域限定装置分别位于多边形作业区域的顶点上。优选地，如图1所示，使用四个作业区域限定装置，可以划定一个矩形的作业区域。

本实施例中，每个作业区域限定装置都是由激光发射器、激光探测器、处理器和信号发射器等部件组成。其中，一个作业区域限定装置中的激光发射器用于向外界发射激光，其激光探测器用于探测其他作业区域限定装置发射的激光，从而使得这两个作业区域限定装置之间进行感应。参照图1，四个作业区域限定装置分别设在一个矩形的四个顶点上，每个作业区域限定装置中的激光发射器的发射方向和激光探测器的探测方向都被设置，使得每一作业区域限定装置可以向其中一个相邻的作业区域限定装置发射激光，同时探测另一作业区域限定装置发射出的激光。四个作业区域限定装置所发射出的激光束所在位置就是矩形作业区域的边界。

由于激光具有良好的单色性和相干性，作业区域限定装置在实现作业区域划定功能的同时，还能够对作业区域的边界进行物体探测。所述“物体”是指具有足够大的体积和不透明度的物件，当这样的物体出现在作业区域的边界处时，会遮挡激光束，使得相应的作业区域限定装置无法探测到激光，因此作业区域限定装置可以感知到作业区域的边界处存在障碍物。

作业区域限定装置中的处理器监听激光探测器探测到的激光信号强度，当激光信号强度突然大幅度减弱时，表明作业区域的边界处存在障碍物，处理器即生成警报信号，并将警报信号通过信号发射器发射出去。所述警报信号中包含编号信息，可以从编号信息识别出警报信号是由哪个作业区域限定装置发出的。

所述微耕机由驱动机构、转向机构、导航仪、控制器和信号接收器等部件组成。其中，驱动机构和转向机构组成微耕机的动力系统，在控制器的控制下，驱动结构使得微耕机整体具有向前或向后行驶的动力；转向机构可以控制微耕机的行驶方向，使得微耕机可以曲线或折线行驶。

本实施例中，所述导航仪是基于QMC5883芯片的电子罗盘，通过每50ms向控制器发送一次微耕机的行进方向直线偏移值，使得控制器能够感知到微耕机当前位置以及前进方向，然后控制驱动机构和/或转向机构，使得微耕机的行驶方向被不断地修正以趋向于设定的耕作路径。微耕机上还安装有旋耕轮等耕作功能部件，当微耕机沿着耕作路径行驶时，旋耕轮等功能部件进行耕作，从而实现自动耕作。

微耕机中的信号接收器对各个作业区域限定装置发射的警报信号进行侦测，如果侦测到警报信号，就立即将警报信号发送到控制器。

控制器在接收到警报信号后，可以分析警报信号是由哪个作业区域限定装置发出的，从而感知到作业区域的哪条边界上存在障碍物，此时，控制器将原先的耕作路径进行调整，使得耕作路径由指向作业区域外部，变为折返到作业区域内部。这样，微耕机的耕作路径就发生了变化，使得微耕机可以按照新的耕作路径来对原来耕作路径未覆盖到的部分进行耕作。

本实施例中所述的微耕机的一种使用方法原理如图2所示，包括以下步骤：

(1)确定一个需要进行作业的矩形区域。

(2)将四个作业区域限定装置分别设置在这个矩形区域的四个顶点上，调整着四个作业区域限定装置中激光发射器的发射方向以及激光探测器的探测方向，所形成的四道激光围成一个矩形的作业区域。

(3)对每个作业区域限定装置中的激光发射器发射强度以及激光探测器灵敏度进行设置，使得它们处于一个恰当的水平，也就是如果有小动物或者杂物等体积较小的物体穿过激光束时，不会导致作业区域限定装置判定为接收不到激光信号，而微耕机到达作业区域的边界并阻挡激光束时，则会导致作业区域限定装置判定为接收不到激光信号，从而触发作业区域限定装置发出报警信号。

(4)在启动微耕机前，先对其耕作路径进行初始化，将耕作路径设定为直线前进，并将微耕机的前进方向设置为与作业区域的一条边界平行。

(5)启动微耕机，使得微耕机沿着耕作路径前进，并对耕作路径所经过的作业区域进行耕作。

(6)微耕机沿着初始的耕作路径前进，直至到达作业区域的其中一条边界，阻挡激光束。

(7)检测到激光束被阻挡的作业区域限定装置向微耕机发出报警信号。

(8)微耕机接收到报警信号后，对耕作路径进行调整，调整后的耕作路径变为折返到作业区域内部。

(9)微耕机沿着调整后的耕作路径进行耕作，再次到达作业区域的其中一条边界，阻挡激光束，即循环执行步骤(7)-(9)，直至微耕机接收到停机指令。

本实施例中的自动耕作系统，使用多个作业区域限定装置来限定微耕机的作业区域，引导微耕机的耕作路径，使得微耕机无需借助卫星导航系统即可完成自动耕作，不受耕作地形或环境限制；在作业区域限定装置的引导下，只需要对微耕机的耕作路径进行初始化设置，即可使微耕机的耕作路径覆盖整个作业区域，可为使用者提供简便的使用方式；使用者可根据实际地形来安排作业区域限定装置的个数以及分布方式，从而划定不同的作业区域，具有很大的灵活性，对零碎、分散、不规则的作业区域具有很强的适应性，能够提高耕作效率。

进一步作为优选的实施方式，所述微耕机还包括三轴加速度传感器。所述三轴加速度传感器采集微耕机在耕作过程中产生的三个维度的加速度，分别计算每个维度上的加速度在半个振动周期内的二次积分，从而得到每个维度上的振动位移。三个维度上的振动位移累加得到总的振动数据。

控制器将振动数据的数值分为10个等级，每个等级分别对应一个耕地松软度数据。控制器根据查表的方式，查找出耕地松软度数据，可感知耕作路径所经过区域的耕地松软程度。

由于耕地松软程度与耕作的效果有关，即耕作的效果越好，耕地越松软，如果耕地松软度数据未达到预设标准，则表明微耕机对耕作路径所经过区域耕作效果未达标准，此时控制器控制所述驱动机构和/或转向机构，使得微耕机按照所经过的耕作路径的相反路径进行耕作，实现对已耕作区域的重复作业，增强耕作效果。

本实施例中，所述自动耕作方法包括以下步骤：

S1A.划定作业区域，并对所述作业区域的边界进行物体探测；

S2A.使用微耕机在所述作业区域内按照耕作路径进行自动耕作；

S3A.当探测到所述作业区域的边界存在物体时，对所述微耕机的耕作路径进行调整。

所述自动耕作方法也可以包括以下步骤：

S1B.划定作业区域，并对所述作业区域的边界进行物体探测；

S2B.使用微耕机在所述作业区域内按照耕作路径进行自动耕作；

S3B.当探测到所述作业区域的边界存在物体，而且所述微耕机正处在所述作业区域的边界时，对所述微耕机的耕作路径进行调整。

所述自动耕作方法可以由本实施例中所述自动耕作系统来执行，能够取得与自动耕作系统相同的技术效果。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本文所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但对本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种自动耕作系统，其特征在于，包括：

多个作业区域限定装置，用于通过相互感应所形成的连接来划定作业区域，并对所述作业区域的边界进行物体探测；

微耕机，用于在所述作业区域内按照耕作路径进行自动耕作，当所述作业区域限定装置探测到物体时，对所述耕作路径进行调整；调整后的所述耕作路径折返所述作业区域内部。

2.一种自动耕作系统，其特征在于，包括：

多个作业区域限定装置，用于通过相互感应所形成的连接来划定作业区域，并对所述作业区域的边界进行物体探测；

微耕机，用于在所述作业区域内按照耕作路径进行自动耕作，当所述作业区域限定装置探测到物体时，如果检测到自身位置处于所述作业区域的边界上，则对所述耕作路径进行调整；调整后的所述耕作路径折返所述作业区域内部。

3.根据权利要求1或2所述的自动耕作系统，其特征在于，各所述作业区域限定装置分布设置在一个多边形区域的各顶点上，任一所述作业区域限定装置分别与相邻所述作业区域限定装置相互感应。

4.根据权利要求1或2所述的自动耕作系统，其特征在于：各所述作业区域限定装置分别包括：

激光发射器，用于向相邻的所述作业区域限定装置发射激光；

激光探测器，用于探测相邻的所述作业区域限定装置发射出的激光；

处理器，用于监测所述激光探测器的工作状态，在所述激光探测器未探测到激光的情况下，生成警报信号；

信号发射器，用于接收所述处理器生成的警报信号，发射所述警报信号。

5.根据权利要求4所述的自动耕作系统，其特征在于，所述微耕机包括：

驱动机构，用于为微耕机整体提供驱动力；

转向机构，用于控制微耕机整体的行驶方向；

导航仪，用于获取微耕机整体的自身位置；

控制器，用于在根据所述自身位置和所述耕作路径来控制所述驱动机构和/或转向机构，从而使得微耕机整体按照所述耕作路径进行耕作。

6.根据权利要求5所述的自动耕作系统，其特征在于，所述微耕机还包括信号接收器；所述信号接收器用于侦测所述作业区域限定装置发射的警报信号；所述控制器还用于在获取到所述警报信号的情况下对所述耕作路径进行调整，控制所述驱动机构和/或转向机构，从而使得微耕机整体按照调整后的所述耕作路径进行耕作。

7.根据权利要求6所述的自动耕作系统，其特征在于，所述微耕机还包括三轴加速度传感器；所述三轴加速度传感器用于采集所述微耕机在耕作过程中的振动数据；所述控制器还用于将所述振动数据转换为耕地松软度数据。

8.根据权利要求7所述的自动耕作系统，其特征在于，所述控制器还用于在所述耕地松软度数据未达到预设标准的情况下，控制所述驱动机构和/或转向机构，从而使得微耕机整体按照所述耕作路径的相反路径进行耕作。

9.一种自动耕作方法，其特征在于，包括以下步骤：

划定作业区域，并对所述作业区域的边界进行物体探测；

使用微耕机在所述作业区域内按照耕作路径进行自动耕作；

当探测到所述作业区域的边界存在物体时，对所述微耕机的耕作路径进行调整。

10.一种自动耕作方法，其特征在于，包括以下步骤：

划定作业区域，并对所述作业区域的边界进行物体探测；

使用微耕机在所述作业区域内按照耕作路径进行自动耕作；

当探测到所述作业区域的边界存在物体，而且所述微耕机正处在所述作业区域的边界时，对所述微耕机的耕作路径进行调整。

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