CN112006004A - 一种基于rtk-gps高精度定位的智能喷雾小车及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于RTK‑GPS高精度定位的智能喷雾小车及控制方法，包括总装车架，所述总装车架内装有液晶显示屏和中控柜，所述总装车架前进方向一侧装有激光雷达，所述总装车架内装有喷雾系统，所述总装车架内部安装有药品瓶存取架，所述总装车架的四周设置四个行走机构，在两个平行方向的行走机构之间安装有轮间距调节系统和车轮间距调节驱动装置。本发明具有低操作频率、精度高、自动化水平高的智能移动的特点。
Description
技术领域
本发明涉及田间智能喷雾移动平台技术领域，特别涉及一种基于RTK-GPS高精度定位的智能喷雾小车及控制方法。
背景技术
传统GPS定位过程中由于接收机热噪声和多径效应导致的多重误差，使得测码距的码元宽度较大，测量精度不高，无法满足精细农业对高精度的要求。实时动态载波相位差分(Real time kinematic，RTK)GPS定位能够显著提高定位精度，可以达到厘米级。在本系统中以农田实际导航应用为目的，智能喷雾小车作为移动站，在小车运动过程中，基准站通过数据通信链将载波相位信息和坐标值等发送给小车移动站，小车接收数据后利用静态相对测量的方式对基线求解，然后计算待测点的位置坐标，可实现厘米级的高精度定位。
当前田间喷施方式多以人力劳动为主，尽管出现了更为省时省力的大型喷灌机和无人机喷施方式，但大型喷灌机作业精度不高，没有解决药、水、肥等资源浪费的问题，而无人机精准喷施过程对人员的技术要求高，大大增加了培训成本，且无法实时处理数据，因此急需开发设计一种低操作频率、精度高、自动化水平高的智能移动喷施设备，以满足现代精准农业的要求。
发明内容
为了解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种基于RTK-GPS高精度定位的智能喷雾小车及控制方法，具有低操作频率、精度高、自动化水平高的智能移动的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于RTK-GPS高精度定位的智能喷雾小车，包括总装车架13，所述总装车架13内装有液晶显示屏1和中控柜2，所述总装车架13前进方向一侧装有激光雷达4，所述总装车架13内装有喷雾系统，所述总装车架13内部安装有药品瓶存取架11，所述总装车架13的四周设置四个行走机构，在两个平行方向的行走机构之间安装有轮间距调节系统12和车轮间距调节驱动装置3，定位系统与中控柜2相连，所述定位系统包含GPS天线板7和定位导航模块。
所述喷雾系统包含电动喷雾器9、液体储存罐8和雾滴喷头17，电动喷雾器9上端安装有太阳能电池组件6，所述太阳能电池组件6通过中控柜2控制为整个系统供电，所述电动喷雾器9与液体储存罐8相连，电动喷雾器9内部的水泵通过负压将液体储存罐中8中的液体抽出，所述液体储存罐8中存放的液体类型有除草剂、病虫害农药和水肥营养液，所述电动喷雾器9通过可伸缩喷雾杆与雾滴喷头17相连。
所述雾滴喷头17上端与可伸缩喷雾杆26相连，可伸缩喷雾杆26上部与喷雾杆连接机构25相接，喷雾杆连接机构25固定在电动喷雾器9的下部。
所述中控柜2外部连接液晶显示屏1、无线通信天线5和GPS天线板7，所述中控柜2还与激光雷达4、太阳能电池组件6、电动喷雾器9和伺服电机13相连，所述中控柜2与车轮间距调节驱动装置3相连；
所述中控柜2连接液晶显示屏1，可实时显示小车位置、喷施路径、喷雾量和工作时长，激光雷达4获取的田间作物表型信息经中控柜2中处理器分析后显示在液晶显示屏1上，实现人机交互。
所述行走机构包括固定块20、车轮连接杆14、车轮支撑架15、伺服电机16、防滑车轮胎19，总装车架13上设置有固定块20，固定块20连接车轮连接杆14一端，车轮连接杆14另一端与车轮支撑架15相连，车轮支撑架15用于固定伺服电机16和防滑车轮胎19。
所述车轮支撑架15的周围有3个钢丝压缩螺旋弹簧(压簧)，分别是第一直立弹簧21、第二直立弹簧23和底部弹簧22，第一直立弹簧21和第二直立弹簧23平行设置，底部弹簧22位于第一直立弹簧21和第二直立弹簧23下方之间设置。
所述液体储存罐8外部设置有防护罩体，内部是罐体，所述液体储存罐8外部防护罩体下端有液体储存罐罩体排污口24。
所述药品瓶存取架11安装在总装车架13中间部位的下方，用于储存、固定药品瓶10。
所述车轮间距调节驱动装置3固定在轮间距调节系统12上，车轮间距调节驱动装置3由调距齿轮外壳28包裹，所述车轮间距调节驱动装置3内部连接有调距主动齿轮29和调距传动齿轮30，调距传动齿轮30位于调距主动齿轮29四周设置，所述调距传动齿轮30有4个，调距主动齿轮29和调距传动齿轮30相啮合，在轮间距调节系统12内部，距传动齿轮30与间距调节杆27相啮合，间距调节杆27固定在固定块20上。
一种基于RTK-GPS高精度定位的智能喷雾小车的控制方法，包括以下步骤：
激光雷达4发出激光束对田间表型信息进行主动扫描，经中控柜2的视觉处理单元解析后，判断是否为障碍信息、杂草信息或病虫害信息，并得出相应的距离信息，相应的信息传输至中控柜2，中控柜2依据相应的信息进行决策；
如果得到障碍信息，则驱动相应的伺服电机16，进行转向或后退等操作；如果获得病虫草害信息，利用距离信息进行位置测算和估计目标位置，驱动电动喷雾器9从液体储存罐8中抽取喷施混合液，经喷雾杆连接机构25和可伸缩喷雾杆26后，通过雾滴喷头17喷洒在目标物上；
如果需要改变车轮间距，则相应的轮间距调节系统12驱动相应的装置，改变车轮间的距离；
所述轮间距调节系统12包括轮间距调节驱动装置3，轮间距调节驱动装置3是车轮间距调节系统的动力装置，轮间距调节驱动装置3由与中控柜2内部电源供电，并接受中控柜内部的控制器指令，轮间距调节驱动装置作为本方案的优选可以利用小型伺服电机实现；同时轮间距调节驱动装置内部与调距主动齿轮29相连，调距主动齿轮29与调距传动齿轮30(共4个)相啮合，4个调距传动齿轮分别与间距调节杆相连。车轮间距调节的实施方式为，在轮间距调节驱动装置3的动力带动下，与之相连的调距主动齿轮转动，与之相啮合的调距传动齿轮也相应转动，然后带动传动杆的移动，传动杆通过固定块20使车轮的连接杆向外或向内改变距离，实现车轮间距的调整。当主动齿轮29转动时，带动调距传动齿轮30转动，同时调节杆27作相应移动，实现车轮之间距离的调整。
本发明的有益效果：
本发明相比于普通田间移动平台具有显著的作业效率和精度，能够利用视觉导航和GPS模块实现高精度定位。
本装置车身车架结构轻巧，便于组装设计，本装置的行走机构采用轮式结构，在田间运行时易于控制，车轮驱动功率较小时也能够保持平稳运行的特性。
小车的定位模块采用动态载波相位差分(Real time kinematic，RTK)GPS定位方法，可以达到厘米级的定位，能够满足高精度定位的作业需求。
本装置中，利用激光雷达可以获取田间作业时的障碍物、作物、杂草等信息，经视觉处理单元解析后可以实现自动避障，判断喷施目标，以实现智能化喷雾作业的目标。本系统中的轮间距调节装置可以根据作业环境及时调整车轮间的距离，大大提高了小车的应用范围。
另外，本系统的整个控制过程采用高效率的太阳能组件供电，具有绿色、清洁、无污染的效果，在田间作业时可以随时充放电，应用效率高。将液晶显示屏安装在控制柜上，可以实时显示作业参数等信息，用户能够及时获取信息进行人机交互，并能够通过中控柜上的操作按钮对本系统进行人工干预控制。智能喷雾系统装置中的喷雾杆为可调节结构，能够应对不同高度的喷施目标，提高喷雾效果。喷雾小车系统中加装药品瓶存取架，可以存放多余的药品或肥料，提高作业效率。
附图说明
图1为智能喷雾小车及其控制系统结构组成图。
图2为智能喷雾小车整体机构示意图。
图3为智能喷雾小车行走机构示意图。
图4为智能喷雾小车的喷雾系统机构及实施效果图。
图5为智能喷雾小车轮间距调节系统示意图。
图6为智能喷雾小车轮间距调节动力机构示意图。
图7为智能喷雾小车控制系统结构图
图8为智能喷雾小车行走间喷雾实施原理结构图
图9为智能喷雾小车RTK-GPS高精度定位原理结构图
液晶显示屏1、中控柜2、车轮间距调节驱动装置3、激光雷达4、无线通信天线5、太阳能电池组件6、GPS接收天线板7、液体储存罐8、电动喷雾器9、药品瓶10、药品瓶存取架11、轮间距调节系统12、总装车架13、车轮连接杆14、车轮支撑架15、伺服电机16、雾滴喷头17、换装机构18、防滑小车轮19、固定块20、第一直立弹簧21、第二直立弹簧23、底部弹簧22、液体储存罐罩体排污口24、喷雾杆连接机构25、可伸缩喷雾杆26、间距调节杆27、调距齿轮外壳28、调距主动齿轮29、调距传动齿轮30。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1-图9所示，本发明提供了一种基于RTK-GPS高精度定位的智能喷雾小车及其控制系统，在图1中描述了该智能喷雾小车及其控制系统的整体结构，主要包含车身车架、行走机构、车轮间距调节系统、喷雾系统、肥/药罐存储装置、供电系统、RTK-GPS定位系统、控制系统、视觉系统、人机交互控制面板和无线通信等部分。
所述中控柜2与GPS天线板7相连，GPS天线板7设置在中控柜2内部，GPS天线板7的接收机采用美国Swift公司的Piksi模块，该模块具有低成本、高精度的单频RTK，在大田环境中经RTK固定解得到动态水平定位精度可以达到2cm，且其配套软件的用户界面开源可进行二次开发。
请参阅图2，所述车身车架为总装车架13，作用是固定智能喷雾小车的各个机构和系统，其可以根据不同的需求和场景设定不同的大小和尺寸。
请参阅图2和图3，所述行走机构与总装车架15相连，所述行走机构包括车轮连接杆14、车轮支撑架15、伺服电机16、防滑小车轮19(共4个)、第一直立弹簧21、第二直立弹簧23和底部弹簧22，车轮连接杆14上方通过固定块20与总装车架13相连，具体的，与总装车架中的轮间距调节系统12直接相连。
弹簧可承受轴向压力，具有减震功能，可避免因在不平整田间地面行走导致的大幅度晃动，增强了小车在多种地形条件下行走的适应性。
请参阅图2、图5和图6，所述车轮间距调节系统12，主要包括间距调节杆27、调距齿轮外壳28、调距主动齿轮29、调距传动齿轮30、轮间距调节驱动装置3，轮间距调节驱动装置3是车轮间距调节系统的动力装置，轮间距调节驱动装置3由与中控柜2内部电源供电，并接受中控柜内部的控制器指令，轮间距调节驱动装置作为本方案的优选可以利用小型伺服电机实现；同时轮间距调节驱动装置内部与调距主动齿轮29相连，调距主动齿轮29与调距传动齿轮30(共4个)相啮合，4个调距传动齿轮分别与间距调节杆相连。车轮间距调节的实施方式为，在轮间距调节驱动装置3的动力带动下，与之相连的调距主动齿轮转动，与之相啮合的调距传动齿轮也相应转动，然后带动传动杆的移动，传动杆通过固定块20使车轮的连接杆向外或向内改变距离，实现车轮间距的调整。当主动齿轮29转动时，带动调距传动齿轮30转动，同时调节杆27作相应移动，实现车轮之间距离的调整。
请参阅图2和图4，所述喷雾系统包括液体储存罐8、电动喷雾器9、雾滴喷头17、液体储存罐罩体排污口24、喷雾杆连接机构25和可伸缩喷雾杆26，液体储存罐8由内部罐体和外部罩体组成，主要用于存放水肥药液，可根据不同的喷施需求进行配比，外部罩体有排污口，当液体储存罐罩内部积液时可以由排污口排出。
所述液体储存罐8外部设置有防护罩体，内部是罐体，外部罩体可防止因受到硬物撞击或磕碰时药液或肥液泄露导致滴落至不该喷施的作物上，也可以防止环境污染和人身安全事故的发生，所述液体储存罐8外部防护罩体下端有液体储存罐罩体排污口24，可将罩体内的残留液集中排出。
请参阅图2，所述肥/药罐存储装置包括药品瓶10和药品瓶存取架11，药品瓶为喷雾小车工作过程中所需要的药品或料，药品瓶存取架固定在小车总装车架13上，位于液体储存罐的下侧，所述药品瓶存取架主要用于存放药品瓶，可以满足长时间作业的要求。
作为对本方案中图2智能喷雾小车整体机构的控制实施，请参阅图7，智能喷雾小车的控制系统包含供电系统、中央控制电路、驱动系统、人机交互、无线模块和视觉系统。
请参阅图1、图2和图7，所述供电系统为喷雾小车的运行和控制提供电源，主要包括太阳能电池组件6、太阳能控制器以及中控柜2内部的蓄电池组、电量检测模块和稳压模块。所述太阳能电池组件6固定在电动喷雾器上端，太阳能电池组件6吸收太阳光后经太阳能控制器将光能转化为电能，并储存在中控柜2内部的蓄电池组中，经稳压模块后可将直流电给整个系统供电。
所述供电系统中的太阳能电池组件和控制器，作为本方案的优选，选择上海威锐电子科技股份有限公司的H-power(高率)系列的太阳能电池板和太阳能控制器，适用于无线通信应用和离网供电的场景。所述供电系统中的蓄电池连接有电量检测模块，可以随时获取蓄电池组中电压，在电量低于10％的情况下可以发出预警，保持充电状态且降低使用，保护蓄电池。所述蓄电池组选择电压为24V，电流为6000mA的蓄电池，使得系统续航时间＞140小时，可以保证小车整个系统具有较长的续航时间和较大的动力。
请参阅图1、图2和图7，所述视觉系统主要包含激光雷达4和控制系统中的视觉处理单元。激光雷达4安装在总装车架13前进方向一侧，激光雷达的作用在于，在小车行走过程中主动发射激光束，探测田间的路障、杂草、病虫害信息，经视觉处理单元分析解析后，可为智能喷雾小车自动避障、位置识别以及田间作物病虫草害进行决策为行进过程和智能喷雾实施提供依据。
作为本方案的进一步，激光雷达4采用HOKUYO公司最新推出的2D激光雷达产品UST-05LX，可实现5m，270°的测量范围，高精度、高分辨率、宽视场，采用直流12V/24V输入，扫描时间仅为25ms，防护等级为IP65，在小车行走过程中可实现自动避障、位置识别以及田间作物的表型信息获取，为智能喷施提供依据。
进一步的，所述视觉处理单元采用英特尔Movidius Myriad视觉处理单元英
MovidiusTMVPU可高效支持严苛的计算机视觉和边缘人工智能工作负载。通过在将数据移动最小化的独特架构中将高度并行的可编程计算与面向特定工作负载的硬件加速相结合，Movidius视觉处理单元可以在电源效率和计算性能间实现平衡。
请参阅图1、图2和图7，所述驱动系统包含实现小车行走功能的车轮驱动模块及伺服电机，包含轮间距调节的驱动及装置，包含喷雾系统实施的喷雾驱动及喷雾电机，所述车轮驱动、轮间距调节驱动以及喷雾驱动均与中央控制电路通过接口的形式相连，中央控制电路发出控制指令信号后，输出到相应极性的驱动模块，伺服电机、驱动装置和喷雾电机等执行相应的工作。
请参阅图2、图4和图8，智能喷雾小车行走间喷雾系统的实施方式为，激光雷达4发出激光束对田间表型信息进行主动扫描，经中控柜2的视觉处理单元解析后，判断是否为障碍信息、杂草信息或病虫害信息，并得出相应的距离信息，相应的信息传输至中控柜2，中控柜2依据相应的信息进行决策；
如果得到障碍信息，则驱动相应的伺服电机16，进行转向或后退等操作；如果获得病虫草害信息，利用距离信息进行位置测算和估计目标位置，驱动电动喷雾器9从液体储存罐8中抽取喷施混合液，经喷雾杆连接机构25和可伸缩喷雾杆26后，通过雾滴喷头17喷洒在目标物上；
如果需要需要改变车轮间距，则相应的轮间距调节系统12驱动相应的装置，改变车轮间的距离。
请参阅图2和图7，所述人机交互包含中控柜2上的人机交互控制面板和液晶显示屏1，在智能控制的基础上可以实现对小车的手动控制和工作状态显示。智能喷雾小车的液晶显示屏1固定安装在中控柜2上，并有辅助按钮，可以实时显示小车位置、喷施路径、喷雾量和工作时长，实现人机交互。
请参阅图1、图2、图7和图9，所述定位系统包含GPS天线板7和定位导航模块，定位导航模块利用RTK-GPS方式进行定位，其具体的定位原理及实施方式为，智能喷雾小车为移动站，在小车运动过程中，固定基站通过数据通信链将载波相位信息和坐标值等发送给小车移动站，小车接收数据后利用静态相对测量的方式对基线求解，然后计算待测点的位置坐标，可实现厘米级的高精度定位。
Claims (10)
1.一种基于RTK-GPS高精度定位的智能喷雾小车，其特征在于，包括总装车架(13)，所述总装车架(13)内装有液晶显示屏(1)和中控柜(2)，所述总装车架(13)前进方向一侧装有激光雷达(4)，所述总装车架(13)内装有喷雾系统，所述总装车架(13)内部安装有药品瓶存取架(11)，所述总装车架(13)的四周设置四个行走机构，在两个平行方向的行走机构之间安装有轮间距调节系统(12)和车轮间距调节驱动装置(3)，定位系统与中控柜(2)相连，所述定位系统包含GPS天线板(7)和定位导航模块。
2.根据权利要求1所述的一种基于RTK-GPS高精度定位的智能喷雾小车，其特征在于，所述喷雾系统包含电动喷雾器(9)、液体储存罐(8)和雾滴喷头(17)，电动喷雾器(9)上端安装有太阳能电池组件(6)，所述太阳能电池组件(6)通过中控柜(2)控制为整个系统供电，所述电动喷雾器(9)与液体储存罐(8)相连，电动喷雾器(9)内部的水泵通过负压将液体储存罐中(8)中的液体抽出，所述液体储存罐(8)中存放的液体类型有除草剂、病虫害农药和水肥营养液，所述电动喷雾器(9)通过可伸缩喷雾杆与雾滴喷头(17)相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于RTK-GPS高精度定位的智能喷雾小车，其特征在于，所述雾滴喷头(17)上端与可伸缩喷雾杆(26)相连，可伸缩喷雾杆(26)上部与喷雾杆连接机构(25)相接，喷雾杆连接机构(25)固定在电动喷雾器(9)的下部。
4.根据权利要求1所述的一种基于RTK-GPS高精度定位的智能喷雾小车，其特征在于，所述中控柜(2)外部连接液晶显示屏(1)、无线通信天线(5)和GPS天线板(7)，所述中控柜(2)还与激光雷达(4)、太阳能电池组件(6)、电动喷雾器(9)和伺服电机(13)相连，所述中控柜(2)与车轮间距调节驱动装置(3)相连；
所述中控柜(2)连接液晶显示屏(1)，可实时显示小车位置、喷施路径、喷雾量和工作时长，激光雷达(4)获取的田间作物表型信息经中控柜(2)中处理器分析后显示在液晶显示屏(1)上，实现人机交互。
5.根据权利要求1所述的一种基于RTK-GPS高精度定位的智能喷雾小车，其特征在于，所述行走机构包括固定块(20)、车轮连接杆(14)、车轮支撑架(15)、伺服电机(16)、防滑车轮胎(19)，总装车架(13)上设置有固定块(20)，固定块(20)连接车轮连接杆(14)一端，车轮连接杆(14)另一端与车轮支撑架(15)相连，车轮支撑架(15)用于固定伺服电机(16)和防滑车轮胎(19)。
6.根据权利要求5所述的一种基于RTK-GPS高精度定位的智能喷雾小车，其特征在于，所述车轮支撑架(15)的周围有3个钢丝压缩螺旋弹簧，分别是第一直立弹簧(21)、第二直立弹簧(23)和底部弹簧(22)，第一直立弹簧(21)和第二直立弹簧(23)平行设置，底部弹簧(22)位于第一直立弹簧(21)和第二直立弹簧(23)下方之间设置。
7.根据权利要求1所述的一种基于RTK-GPS高精度定位的智能喷雾小车，其特征在于，所述液体储存罐(8)外部设置有防护罩体，内部是罐体，所述液体储存罐(8)外部防护罩体下端有液体储存罐罩体排污口(24)。
8.根据权利要求1所述的一种基于RTK-GPS高精度定位的智能喷雾小车，其特征在于，所述药品瓶存取架(11)安装在总装车架(13)中间部位的下方，用于储存、固定药品瓶(10)。
9.根据权利要求1所述的一种基于RTK-GPS高精度定位的智能喷雾小车，其特征在于，所述车轮间距调节驱动装置(3)固定在轮间距调节系统(12)上，车轮间距调节驱动装置(3)由调距齿轮外壳(28)包裹，所述车轮间距调节驱动装置(3)内部连接有调距主动齿轮(29)和调距传动齿轮(30)，调距传动齿轮(30)位于调距主动齿轮(29)四周设置，所述调距传动齿轮(30)有4个，调距主动齿轮(29)和调距传动齿轮(30)相啮合，在轮间距调节系统(12)内部，距传动齿轮(30)与间距调节杆(27)相啮合，间距调节杆(27)固定在固定块(20)上。
10.一种基于RTK-GPS高精度定位的智能喷雾小车的控制方法，其特征在于，包括以下步骤；
激光雷达(4)发出激光束对田间表型信息进行主动扫描，经中控柜(2)的视觉处理单元解析后，判断是否为障碍信息、杂草信息或病虫害信息，并得出相应的距离信息，相应的信息传输至中控柜(2)，中控柜(2)依据相应的信息进行决策；
如果得到障碍信息，则驱动相应的伺服电机(16)，进行转向或后退等操作；如果获得病虫草害信息，利用距离信息进行位置测算和估计目标位置，驱动电动喷雾器(9)从液体储存罐(8)中抽取喷施混合液，经喷雾杆连接机构(25)和可伸缩喷雾杆(26)后，通过雾滴喷头(17)喷洒在目标物上；
如果需要改变车轮间距，则相应的轮间距调节系统(12)驱动相应的装置，改变车轮间的距离；
所述轮间距调节系统(12)包括轮间距调节驱动装置(3)，轮间距调节驱动装置(3)是车轮间距调节系统的动力装置，轮间距调节驱动装置(3)由与中控柜(2)内部电源供电，并接受中控柜内部的控制器指令，轮间距调节驱动装置作为本方案的优选可以利用小型伺服电机实现；同时轮间距调节驱动装置内部与调距主动齿轮(29)相连，调距主动齿轮(29)与调距传动齿轮(30)相啮合，4个调距传动齿轮分别与间距调节杆相连，车轮间距调节的实施方式为，在轮间距调节驱动装置(3)的动力带动下，与之相连的调距主动齿轮转动，与之相啮合的调距传动齿轮也相应转动，然后带动传动杆的移动，传动杆通过固定块(20)使车轮的连接杆向外或向内改变距离，实现车轮间距的调整，当主动齿轮(29)转动时，带动调距传动齿轮(30)转动，同时调节杆(27)作相应移动，实现车轮之间距离的调整。
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