CN111220978B - 一种冬虫夏草探测车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冬虫夏草探测车，包括履带车探测主程序、虫草检测算法、自主导航控制系统、虫草检测算法仿真和履带车机体结构。本发明的有益效果是：以AGV式履带车为探测平台，选取履带车作为搭载平台，履带承受履带车及负载全部重量，能提供足够的牵引力；基于FPGA的探地雷达信号处理系统，实现于冻土层的冬虫夏草实现无人全覆盖自主式全天候探测，对草类根部的信号进行采集，再由构建好的FPGA平台来实现对探测接收到的信号的处理，再经过算法识别来判断出真实的冬虫夏草信号，相应的实现了对冬虫夏草探测的功能；通过互相关运算来建立探地雷达的探测信号与实测根系特征量之间的回归模型,将其运用于估测植物根径大小和根的生物量。

Description

一种冬虫夏草探测车
技术领域
本发明涉及一种探测车，具体为一种冬虫夏草探测车，属于探地雷达检测技术领域。
背景技术
探地雷达是一种高效的浅层地球物理探测技术，随着计算机和微电子技术的飞速发展，探地雷达无论是在仪器设备还是数据处理等方面都得到普遍提高。同时，探地雷达具有识别率高、抗干扰性强、无损性探测和场地适应能力强等方面的优势，应用广泛。
冬虫夏草别称冬虫草，是冬虫夏草菌和蝙蝠蛾科幼虫的复合体，在探测冬虫夏草的生长位置时，现有装置无法准确的定位冬虫夏草位置，进而容易导致人工经验误判，导致冻土被无效率挖掘，使搜寻效率交底，且不利于环保。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种冬虫夏草探测车。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种冬虫夏草探测车，包括履带车探测主程序、虫草检测算法、自主导航控制系统、虫草检测算法仿真和履带车机体结构；所述履带车探测主程序调动自主导航控制系统使探测车按照设定路线行走，所述履带车探测主程序调动虫草检测算法收集探地雷达系统探测到的信息，所述虫草检测算法仿真确定虫草检测算法所获得时延变量的对应值，所述履带车机体结构设置在该探测车的车身上；
所述履带车机体结构由杆臂减速齿轮、杆臂直流减速电机、摄像头、杆臂轴、连轴器、第一杆臂轴、第一直流驱动电机、第一驱动伞齿轮组、电源、充电口、开关、第二杆臂轴、第二驱动伞齿轮组和第二直流驱动电机构成，所述杆臂减速齿轮安装在杆臂轴上探测车的车身前端中心处，所述杆臂直流减速电机的转动轴与杆臂减速齿轮进行咬合连接，且所述杆臂直流减速电机固定安装在探测车的车身上，所述摄像头安装在探测车的车身前端中心处，所述杆臂轴的一端与探测车的一侧履带前端转轮进行连接，所述杆臂轴的另一端通过连轴器与探测车的另一侧履带前端转轮进行连接，所述第一驱动伞齿轮组安装在与探测车一侧履带后端转轮进行连接的第一杆臂轴上，且所述第一驱动伞齿轮组与第一直流驱动电机的转动轴进行咬合连接，所述第一直流驱动电机固定安装在探测车的车身上，所述第二驱动伞齿轮组，所述第二驱动伞齿轮组安装在与探测车另一侧履带后端转轮进行连接的第二杆臂轴上，且所述第二驱动伞齿轮组与第二直流驱动电机的转动轴进行咬合连接，所述第二直流驱动电机固定安装在探测车的车身上，所述第一直流驱动电机与第二直流驱动电机之间的探测车的车身上通过螺丝安装有电，所述电源上设置有充电口和开关。
作为本发明进一步的方案：所述虫草检测算法先对雷达回波信号进行收集，然后对收集到的信号进行采集、量化，做随时延变量的互相关，找到取最大值时的对应量，进行归一化处理。
作为本发明进一步的方案：所述虫草检测算法用于收集探测信息的探地雷达系统由信号量化前级A/D、控制模板、储存器组、乘法器组、Σ以及峰值查找确定时延τ组件组成，且探地雷达系统的工作流程包括以下步骤：
一、信号量化前级A/D收集探地雷达发射信号的回波，包括冬虫夏草以及其他含杂波的模拟信号，并与控制模板将收集的模拟信号处理转化为数字信号；
二、储存器组、乘法器组以及∑是整个系统的核心组件，将转化过后的数字信号进行互相关运算，对其他含杂波信号进行采集、量化，并做随时延τ的互相关；
三、用Matlab对互相关的结果进行归一化处理，并确定和虫草回波信号一致的相关系数。
作为本发明进一步的方案：所述虫草检测算法采用数字互相关器，并用现场可编程门阵列(FPGA)构建，采用加法器级联RAM实现乘积的随加随存,多时钟控制时序.低速时钟复位高速计数器以及设定时钟占空比，节约乘法器，仿真结果表明16点复数的互相关运算仅用178个LE(LogicEI-ements)和662个MB(MemoryBirs)。
作为本发明进一步的方案：所述自主导航控制系统包括四个子系统：感知系统、路径规划系统、路径跟踪系统和底层控制系统，其中路径跟踪系统和底层控制系统构成了履带车运动控制系统；感知系统通过多个传感器感知履带车自身运动状态以及周围环境信息；路径规划系统通过感知系统提供的信息规划出一条履带车当前位置到目标位置的可行路径；路径跟踪系统的任务是通过确定自身的位置信息和运动状态准确跟踪规划出的路径；路径跟踪系统的任务是：履带车在感知自身所在位置的情况下，将路径规划出的目标序列点作为子目标点，通过设计跟踪控制律使履带车准确跟踪子目标点，最终完成期望的运动。
作为本发明进一步的方案：所述履带车机体结构使履带车满足直线前进、后退、转弯及速度变化要求，且不易发生倾覆。
本发明的有益效果是：该冬虫夏草探测车设计合理：
1、以AGV式履带车为探测平台，选取履带车作为搭载平台，履带承受履带车及负载全部重量，能提供足够的牵引力；
2、基于FPGA的探地雷达信号处理系统，实现于冻土层的冬虫夏草实现无人全覆盖自主式全天候探测，对草类根部的信号进行采集，再由构建好的FPGA平台来实现对探测接收到的信号的处理，再经过算法识别来判断出真实的冬虫夏草信号，相应的实现了对冬虫夏草探测的功能；
3、通过互相关运算来建立探地雷达的探测信号与实测根系特征量之间的回归模型,将其运用于估测植物根径大小和根的生物量。
附图说明
图1为本发明履带车探测主程序示意图；
图2为本发明虫草检测算法流程示意图；
图3为本发明自主导航程序流程示意图；
图4为本发明虫草探测仿真流程示意图；
图5为本发明履带车机体结构示意图。
图中：1、杆臂减速齿轮，2、杆臂直流减速电机，3、摄像头，4、杆臂轴，4.1第一杆臂轴，4.2第二杆臂轴，5、连轴器，6、第一直流驱动电机，7、第一驱动伞齿轮组，8、电源，9、充电口，10、开关，11、第二驱动伞齿轮组和12、第二直流驱动电机。
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。
请参阅图1～5，一种冬虫夏草探测车，包括履带车探测主程序、虫草检测算法、自主导航控制系统、虫草检测算法仿真和履带车机体结构；所述履带车探测主程序调动自主导航控制系统使探测车按照设定路线行走，所述履带车探测主程序调动虫草检测算法收集探地雷达系统探测到的信息，所述虫草检测算法仿真确定虫草检测算法所获得时延变量的对应值，所述履带车机体结构设置在该探测车的车身上；
所述履带车机体结构由杆臂减速齿轮1、杆臂直流减速电机2、摄像头3、杆臂轴4、连轴器5、第一杆臂轴4.1、第一直流驱动电机6、第一驱动伞齿轮组7、电源8、充电口9、开关10、第一杆臂轴4.2、第二驱动伞齿轮组11和第二直流驱动电机12构成，所述杆臂减速齿轮1安装在杆臂轴4上探测车的车身前端中心处，所述杆臂直流减速电机2的转动轴与杆臂减速齿轮1进行咬合连接，且所述杆臂直流减速电机2固定安装在探测车的车身上，所述摄像头3安装在探测车的车身前端中心处，所述杆臂轴4的一端与探测车的一侧履带前端转轮进行连接，所述杆臂轴4的另一端通过连轴器5与探测车的另一侧履带前端转轮进行连接，所述第一驱动伞齿轮组7安装在与探测车一侧履带后端转轮进行连接的第一杆臂轴4.1上，且所述第一驱动伞齿轮组7与第一直流驱动电机6的转动轴进行咬合连接，所述第一直流驱动电机6固定安装在探测车的车身上，所述第二驱动伞齿轮组11，所述第二驱动伞齿轮组11安装在与探测车另一侧履带后端转轮进行连接的第二杆臂轴4.2上，且所述第二驱动伞齿轮组11与第二直流驱动电机12的转动轴进行咬合连接，所述第二直流驱动电机12固定安装在探测车的车身上，所述第一直流驱动电机6与第二直流驱动电机12之间的探测车的车身上通过螺丝安装有电源8，所述电源8上设置有充电口9和开关10。
进一步的，在本发明实施例中，所述虫草检测算法先对雷达回波信号进行收集，然后对收集到的信号进行采集、量化，做随时延变量的互相关，找到取最大值时的对应量，进行归一化处理，能确定与虫草回波信号一致的相关系数。
进一步的，在本发明实施例中，所述虫草检测算法用于收集探测信息的探地雷达系统由信号量化前级A/D、控制模板、储存器组、乘法器组、∑以及峰值查找确定时延τ组件组成，且探地雷达系统的工作流程包括以下步骤：
一、信号量化前级A/D收集探地雷达发射信号的回波，包括冬虫夏草以及其他(含杂波)的模拟信号，并与控制模板将收集的模拟信号处理转化为数字信号；
二、储存器组、乘法器组以及∑是整个系统的核心组件，将转化过后的数字信号进行互相关运算，对其他含杂波信号进行采集、量化，并做随时延τ的互相关；
三、用Matlab对互相关的结果进行归一化处理，并确定和虫草回波信号一致的相关系数。
进一步的，在本发明实施例中，所述虫草检测算法采用数字互相关器，并用现场可编程门阵列(FPGA)构建，采用加法器级联RAM实现乘积的随加随存,多时钟控制时序.低速时钟复位高速计数器以及设定时钟占空比，节约乘法器，仿真结果表明16点复数的互相关运算仅用178个LE(LogicEI-ements)和662个MB(MemoryBirs),节省了硬件资源降低了复杂度，从而有效解决了探求信号处理中普遍存在的未知信息与已知信息相似性。
进一步的，在本发明实施例中，所述自主导航控制系统包括四个子系统：感知系统、路径规划系统、路径跟踪系统和底层控制系统，其中路径跟踪系统和底层控制系统构成了履带车运动控制系统；感知系统通过多个传感器感知履带车自身运动状态以及周围环境信息；路径规划系统通过感知系统提供的信息规划出一条履带车当前位置到目标位置的可行路径；路径跟踪系统的任务是通过确定自身的位置信息和运动状态准确跟踪规划出的路径；路径跟踪系统的任务是：履带车在感知自身所在位置的情况下，将路径规划出的目标序列点作为子目标点，通过设计跟踪控制律使履带车准确跟踪子目标点，最终完成期望的运动。
进一步的，在本发明实施例中，所述履带车机体结构使履带车满足直线前进、后退、转弯及速度变化要求，且不易发生倾覆，在藏区冻土层复杂的环境下，履带车较轮转车有更好的适应性。
工作原理：在使用该冬虫夏草探测车时，以AGV式履带车为探测平台，基于FPGA的探地雷达信号处理系统，实现于冻土层的冬虫夏草实现无人全覆盖自主式全天候探测，将探测植物根系含水量的互相关算法输送入探地雷达，再借由可自主移动的平台搭载此雷达便可准确的定位冬虫夏草位置，能够极大程度上避免了人工经验误判，导致冻土被无效率挖掘，有着较高的搜寻效率和环保意义；另外，此项目能够有效的帮助偏远地区贫困民解决生产生活问题，为藏区珍稀药材的探测与采集提供了一个新的思路，具有支援偏远地区现代农业建设，振兴乡村经济，助力农村发展等的一系列积极意义。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种冬虫夏草探测车，包括履带车探测主程序、虫草检测算法、自主导航控制系统、虫草检测算法仿真和履带车机体结构；其特征在于：所述履带车探测主程序调动自主导航控制系统使探测车按照设定路线行走，所述履带车探测主程序调动虫草检测算法收集探地雷达系统探测到的信息，所述虫草检测算法仿真确定虫草检测算法所获得时延变量的对应值，所述履带车机体结构设置在该探测车的车身上；
所述虫草检测算法用于收集探测信息的探地雷达系统由信号量化前级A/D、控制模板、储存器组、乘法器组、加法器组以及峰值查找确定时延组件组成；
所述虫草检测算法先对雷达回波信号进行收集，然后对收集到的信号进行采集、量化，做随时延变量的互相关，找到取最大值时的对应量，进行归一化处理；
所述履带车机体结构由杆臂减速齿轮（1）、杆臂直流减速电机（2）、摄像头（3）、杆臂轴（4）、连轴器（5）、第一杆臂轴（4.1）、第一直流驱动电机（6）、第一驱动伞齿轮组（7）、电源（8）、充电口（9）、开关（10）、第二杆臂轴（4.2）、第二驱动伞齿轮组（11）和第二直流驱动电机（12）构成，所述杆臂减速齿轮（1）安装在杆臂轴（4）上探测车的车身前端中心处，所述杆臂直流减速电机（2）的转动轴与杆臂减速齿轮（1）进行咬合连接，且所述杆臂直流减速电机（2）固定安装在探测车的车身上，所述摄像头（3）安装在探测车的车身前端中心处，所述杆臂轴（4）的一端与探测车的一侧履带前端转轮进行连接，所述杆臂轴（4）的另一端通过连轴器（5）与探测车的另一侧履带前端转轮进行连接，所述第一驱动伞齿轮组（7）安装在与探测车一侧履带后端转轮进行连接的第一杆臂轴（4.1）上，且所述第一驱动伞齿轮组（7）与第一直流驱动电机（6）的转动轴进行咬合连接，所述第一直流驱动电机（6）固定安装在探测车的车身上，所述第二驱动伞齿轮组（11），所述第二驱动伞齿轮组（11）安装在与探测车另一侧履带后端转轮进行连接的第二杆臂轴（4.2）上，且所述第二驱动伞齿轮组（11）与第二直流驱动电机（12）的转动轴进行咬合连接，所述第二直流驱动电机（12）固定安装在探测车的车身上，所述第一直流驱动电机（6）与第二直流驱动电机（12）之间的探测车的车身上通过螺丝安装有电源（8），所述电源（8）上设置有充电口（9）和开关（10）。
2.根据权利要求1所述的一种冬虫夏草探测车，其特征在于：探地雷达系统的工作流程包括以下步骤：
一、信号量化前级A/D收集探地雷达发射信号的回波，包括冬虫夏草以及其他含杂波的模拟信号，并与控制模板将收集的模拟信号处理转化为数字信号；
二、储存器组、乘法器组以及加法器组是整个系统的核心组件，将转化过后的数字信号进行互相关运算，对其他含杂波信号进行采集、量化，并做随时延的互相关；
三、用Matlab对互相关的结果进行归一化处理，并确定和虫草回波信号一致的相关系数。
3.根据权利要求1所述的一种冬虫夏草探测车，其特征在于：所述虫草检测算法采用数字互相关器，并用现场可编程门阵列(FPGA)构建，采用加法器级联RAM实现乘积的随加随存，多时钟控制时序，低速时钟复位高速计数器以及设定时钟占空比，节约乘法器，仿真结果表明16点复数的互相关运算仅用178个LE和662个MB。
4.根据权利要求1所述的一种冬虫夏草探测车，其特征在于：所述自主导航控制系统包括四个子系统：感知系统、路径规划系统、路径跟踪系统和底层控制系统，其中路径跟踪系统和底层控制系统构成了履带车运动控制系统；感知系统通过多个传感器感知履带车自身运动状态以及周围环境信息；路径规划系统通过感知系统提供的信息规划出一条履带车当前位置到目标位置的可行路径；路径跟踪系统的任务是通过确定自身的位置信息和运动状态准确跟踪规划出的路径；路径跟踪系统的任务是：履带车在感知自身所在位置的情况下，将路径规划出的目标序列点作为子目标点，通过设计跟踪控制律使履带车准确跟踪子目标点，最终完成期望的运动。
5.根据权利要求1所述的一种冬虫夏草探测车，其特征在于：所述履带车机体结构使履带车满足直线前进、后退、转弯及速度变化要求，且不易发生倾覆。
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