CN112298177A - 一种无人拖拉机控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人拖拉机控制方法，包括以下步骤：S1、环境感知模块获取车辆位置信息和环境信息；S2、决策控制模块根据环境信息和车辆位置信息规划行进路径和目标行进速度；S3、决策控制模块根据目标行进速度进行速度控制，同时决策控制模块根据行进路径和车辆位置信息进行转向控制。这种无人拖拉机控制方法先根据车辆位置信息和环境信息规划行进路线，再基于行进路线和目标行进速度对车辆进行转向控制和速度控制，使无人拖拉机在复杂环境下能够以更加安全的行驶速度和更加精准的行驶路线工作，提高了无人拖拉机在复杂环境下的自主作业能力。

Description

一种无人拖拉机控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及农业机械技术领域，尤其涉及一种无人拖拉机控制系统及其控制方法。

背景技术

拖拉机是一种用于牵引和驱动作业机械完成各项移动式作业的自走式动力机。传统的拖拉机一般需要工人手动控制速度和移动的方向，这就需要增加额外的人力成本，而且拖拉机的工作环境一般比较恶劣，工人很容易出现拖拉机控制不当的情况，这会导致拖拉机的行驶方向和行驶速度出现偏差，影响拖拉机工作的效率和质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决人工控制拖拉机成本高和效率低的问题，本发明提供了一种无人拖拉机控制系统及其控制方法来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无人拖拉机控制方法，包括以下步骤：

S1、环境感知模块获取车辆位置信息和环境信息；

S2、决策控制模块根据环境信息和车辆位置信息规划行进路径，决策控制模块根据行进路径的曲率信息和预设的最高行进速度规划目标行进速度；

S3、底层控制模块根据目标行进速度进行速度控制，同时底层控制模块根据行进路径和车辆位置信息按照以下步骤进行转向控制：

S301、路径跟踪单元根据车辆位置信息和行进路径计算前轮目标转角；

S302、转角传感器获取车辆的前轮实际转角；

S303、转向控制器根据前轮目标转角和前轮实际转角计算偏差输出转矩值，转向控制器根据偏差输出转矩值控制转向电机工作；

S304、转向电机驱动转向器工作，转向器控制车辆的前桥转动，进入步骤S301。

作为优选，在步骤S3中，速度控制具体包括以下步骤：

S311、速度规划单元将目标行进速度发送至纵向控制器；

S312、速度传感器获取车辆的实际行进速度，速度传感器将实际行进速度发送至纵向控制器；

S313、纵向控制器根据目标行进速度和实际行进速度计算速度差值，纵向控制器判断速度差值是否为0，若速度差值为0则进入步骤S312，否则纵向控制器判断速度差值是否为正数；

若速度差值不为正数则进入步骤S314；否则进入步骤S315；

S314、纵向控制器控制行走驱动控制器工作，行走驱动控制器控制行走单元工作，行走单元提高车辆的实际行进速度，进入步骤S312；

S315、纵向控制器控制制动执行控制器工作，制动执行控制器控制制动单元工作，制动单元降低车辆的实际行进速度，进入步骤S312。

本发明还提供了一种无人拖拉机控制系统，包括：

环境感知模块，所述环境感知模块被配置为获取车辆位置信息和环境信息；

决策控制模块，所述决策控制模块与环境感知模块连接，所述决策控制模块被配置为根据车辆位置信息和环境信息规划行进路径，所述决策控制模块还被配置为根据行进路径规划目标行进速度；

底层控制模块，所述底层控制模块与决策控制模块连接，所述底层控制模块被配置为根据进行路径和车辆位置信息进行转向控制，所述底层控制模块还被配置为根据目标行进速度进行速度控制；

所述决策控制模块包括路径跟踪单元，所述路径跟踪单元用于根据车辆位置信息和环境信息规划行进路径，所述路径跟踪单元还用于根据车辆位置信息和行进路径计算前轮目标转角；

所述底层控制模块包括转向控制器和转向单元，所述转向单元包括转向电机、转向器和转角传感器；所述转角传感器用于获取车辆的前轮实际转角，所述转向控制器用于根据前轮目标转角和前轮实际转角计算偏差输出转矩值，所述转向控制器还用于根据偏差输出转矩值控制转向电机工作，所述转向电机用于驱动转向器工作，所述转向器用于控制车辆的前桥转动；

所述决策控制模块还包括速度规划单元，所述速度规划单元用于根据行进路径的曲率信息和预设的最高行进速度规划车辆的目标行进速度；

所述底层控制模块还包括纵向控制器、行走驱动控制器、行走单元、制动执行控制器、制动单元和速度传感器；

所述速度传感器用于获取车辆的实际行进速度，所述纵向控制器与速度规划单元连接，所述速度规划单元能够将目标行进速度传输至纵向控制器，所述纵向控制器用于根据目标行进速度和实际行进速度计算速度差值，所述纵向控制器还用于根据速度差值控制行走驱动控制器和制动执行控制器工作；所述行走驱动控制器用于在所述速度差值为负时对行走单元进行控制，所述行走单元用于提高车辆的实际行进速度；所述制动执行控制器用于在所述速度差值为正时对制动单元进行控制，所述制动单元用于降低车辆的实际行进速度。

作为优选，所述环境感知模块包括定位单元和环境监测单元；

所述定位单元用于获取车辆位置信息，所述定位单元包括GPS、惯性导航模块和里程计；

所述环境监测单元用于获取环境信息，所述环境监测单元包括激光雷达和摄像头。

作为优选，还包括通信模块，所述通信模块被配置为建立决策控制模块和底层控制模块之间的数据联系，所述纵向控制器通过通信模块与速度规划单元连接；

所述通信模块还被配置为建立纵向控制器与行走驱动控制器、制动执行控制器和速度传感器之间的数据联系。

本发明的有益效果是，这种无人拖拉机控制方法先根据车辆位置信息和环境信息规划行进路线，再基于行进路线对车辆进行转向控制和速度控制，使无人拖拉机在复杂环境下能够以更加安全的行驶速度和更加精准的行驶路线工作，提高了无人拖拉机在复杂环境下的自主作业能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一种无人拖拉机控制系统的最优实施例的系统结构图。

图2是本发明一种无人拖拉机控制系统的最优实施例的结构示意图。

图3是本发明一种无人拖拉机控制系统的最优实施例的结构示意图。

图4是本发明一种无人拖拉机控制方法的最优实施例的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

如图1~3所示，本发明提供了一种无人拖拉机控制系统，包括：

环境感知模块，环境感知模块包括定位单元和环境监测单元。

定位单元包括GPS、惯性导航模块和里程计，定位单元能够获取车辆位置信息，GPS能够精确的获取拖拉机所在的位置，惯性导航模块能够在GPS信号弱的地方辅助GPS确定拖拉机的位置，里程计能够获取拖拉机的行驶距离，能够辅助GPS更加精确的确定拖拉机的位置。

环境监测单元能够获取环境信息，环境监测单元包括激光雷达和摄像头，激光雷达能够获取拖拉机周围的障碍物的分布情况，摄像头能够获取拖拉机周围的实景图像，有利于其他模块精确的确定拖拉机周围的障碍物的分布位置。

决策控制模块，决策控制模块与环境感知模块连接，在本实施例中，决策控制模块与环境感知模块通过基于UDP协议的网络通信方式连接。

决策控制模块包括路径跟踪单元和速度规划单元。路径跟踪单元能够根据车辆位置信息和环境信息规划行进路径，路径跟踪单元还能够根据车辆位置信息和行进路径计算前轮目标转角，速度规划单元能够根据行进路径的曲率信息和预设的最高行进速度规划一段连续时间内车辆的目标行进速度。

底层控制模块，底层控制模块与决策控制模块连接。

底层控制模块包括转向控制器和转向单元，转向单元包括转向电机、转向器和转角传感器。

转角传感器能够获取车辆的前轮实际转角，转向控制器能够根据前轮目标转角和前轮实际转角计算偏差输出转矩值，偏差输出转矩值与前轮目标转角和前轮实际转角的差值相关。转向控制器还能够根据偏差输出转矩值控制转向电机工作，转向电机能够驱动转向器工作，转向器能够控制车辆的前桥转动。

底层控制模块还包括纵向控制器、行走驱动控制器、行走单元、制动执行控制器、制动单元和速度传感器。

速度传感器能够获取车辆的实际行进速度，纵向控制器能够根据目标行进速度和实际行进速度计算速度差值，在本实施例中，速度差之为实际行进速度减去目标行进速度所获得的差值。纵向控制器还能够根据速度差值控制行走驱动控制器和制动执行控制器工作，行走驱动控制器能够在速度差值为负时对行走单元进行控制，行走单元能够提高车辆的实际行进速度，制动执行控制器能够在速度差值为正时对制动单元进行控制，制动单元能够降低车辆的实际行进速度。

通信模块，通信模块被配置为建立决策控制模块和底层控制模块之间的数据联系，通信模块还被配置为建立纵向控制器与行走驱动控制器、制动执行控制器和速度传感器之间的数据联系，速度规划单元能够将目标行进速度传输至纵向控制器。在本实施例中，通信模块为决策控制模块和底层控制模块之间、纵向控制器与行走驱动控制器之间以及制动执行控制器和速度传感器之间提供的通讯方式为多种，例如串口通讯和网络通讯。

基于以上所说的一种无人拖拉机控制系统，如图4所示，本发明还提供了一种无人拖拉机控制方法的实施例，包括以下步骤：

S1、定位单元获取车辆位置信息，定位单元将车辆位置信息发送至决策控制模块；环境监测单元获取环境信息，环境监测单元将环境信息发送至决策控制模块；

S2、路径跟踪单元根据环境信息和车辆位置信息规划行进路径，速度规划单元根据行进路径的曲率信息和预设的最高行进速度规划一段连续时间内拖拉机的目标行进速度；

S3、底层控制模块根据行进路径和车辆位置信息按照以下步骤进行转向控制：

S301、路径跟踪单元根据车辆位置信息和行进路径计算前轮目标转角，路径跟踪单元将前轮目标转角发送至转向控制器；

S302、转角传感器获取车辆的前轮实际转角，转角传感器将前轮实际转角发送至转向控制器；

S303、转向控制器根据前轮目标转角和前轮实际转角计算偏差输出转矩值，转向控制器根据偏差输出转矩值控制转向电机工作；

S304、转向电机驱动转向器工作，转向器控制车辆的前桥转动，进入步骤S301。

同时，底层控制模块根据行进路径和目标行进速度按照以下步骤进行速度控制：

S311、速度规划单元将目标行进速度发送至纵向控制器，纵向控制器获取目标行进速度；

S312、速度传感器获取车辆的实际行进速度，速度传感器将实际行进速度发送至纵向控制器；

S313、纵向控制器根据目标行进速度和实际行进速度计算速度差值，纵向控制器判断速度差值是否为0，若速度差值为0则进入步骤S312，否则纵向控制器判断速度差值是否为正数；

若速度差值不为正数则纵向控制器控制行走驱动控制器工作，进入步骤S314；否则纵向控制器控制制动执行控制器工作，进入步骤S315；

S314、行走驱动控制器控制行走单元工作，行走单元提高车辆的实际行进速度，进入步骤S312；

S315、制动执行控制器控制制动单元工作，制动单元降低车辆的实际行进速度，进入步骤S312。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对所述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (5)

1.一种无人拖拉机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、环境感知模块获取车辆位置信息和环境信息；

S2、决策控制模块根据环境信息和车辆位置信息规划行进路径，决策控制模块根据行进路径的曲率信息和预设的最高行进速度规划目标行进速度；

S3、底层控制模块根据目标行进速度进行速度控制，同时底层控制模块根据行进路径和车辆位置信息按照以下步骤进行转向控制：

S301、路径跟踪单元根据车辆位置信息和行进路径计算前轮目标转角；

S302、转角传感器获取车辆的前轮实际转角；

S303、转向控制器根据前轮目标转角和前轮实际转角计算偏差输出转矩值，转向控制器根据偏差输出转矩值控制转向电机工作；

S304、转向电机驱动转向器工作，转向器控制车辆的前桥转动，进入步骤S301。

2.如权利要求1所述的一种无人拖拉机控制方法，其特征在于：

在步骤S3中，速度控制具体包括以下步骤：

S311、速度规划单元将目标行进速度发送至纵向控制器；

S312、速度传感器获取车辆的实际行进速度，速度传感器将实际行进速度发送至纵向控制器；

S313、纵向控制器根据目标行进速度和实际行进速度计算速度差值，纵向控制器判断速度差值是否为0，若速度差值为0则进入步骤S312，否则纵向控制器判断速度差值是否为正数；

若速度差值不为正数则进入步骤S314；否则进入步骤S315；

S314、纵向控制器控制行走驱动控制器工作，行走驱动控制器控制行走单元工作，行走单元提高车辆的实际行进速度，进入步骤S312；

S315、纵向控制器控制制动执行控制器工作，制动执行控制器控制制动单元工作，制动单元降低车辆的实际行进速度，进入步骤S312。

3.一种无人拖拉机控制系统，其特征在于，包括：

环境感知模块，所述环境感知模块被配置为获取车辆位置信息和环境信息；

决策控制模块，所述决策控制模块与环境感知模块连接，所述决策控制模块被配置为根据车辆位置信息和环境信息规划行进路径，所述决策控制模块还被配置为根据行进路径规划目标行进速度；

底层控制模块，所述底层控制模块与决策控制模块连接，所述底层控制模块被配置为根据进行路径和车辆位置信息进行转向控制，所述底层控制模块还被配置为根据目标行进速度进行速度控制；

所述决策控制模块包括路径跟踪单元，所述路径跟踪单元用于根据车辆位置信息和环境信息规划行进路径，所述路径跟踪单元还用于根据车辆位置信息和行进路径计算前轮目标转角；

所述底层控制模块包括转向控制器和转向单元，所述转向单元包括转向电机、转向器和转角传感器；所述转角传感器用于获取车辆的前轮实际转角，所述转向控制器用于根据前轮目标转角和前轮实际转角计算偏差输出转矩值，所述转向控制器还用于根据偏差输出转矩值控制转向电机工作，所述转向电机用于驱动转向器工作，所述转向器用于控制车辆的前桥转动；

所述决策控制模块还包括速度规划单元，所述速度规划单元用于根据行进路径的曲率信息和预设的最高行进速度规划车辆的目标行进速度；

所述底层控制模块还包括纵向控制器、行走驱动控制器、行走单元、制动执行控制器、制动单元和速度传感器；

所述速度传感器用于获取车辆的实际行进速度，所述纵向控制器与速度规划单元连接，所述速度规划单元能够将目标行进速度传输至纵向控制器，所述纵向控制器用于根据目标行进速度和实际行进速度计算速度差值，所述纵向控制器还用于根据速度差值控制行走驱动控制器和制动执行控制器工作；所述行走驱动控制器用于在所述速度差值为负时对行走单元进行控制，所述行走单元用于提高车辆的实际行进速度；所述制动执行控制器用于在所述速度差值为正时对制动单元进行控制，所述制动单元用于降低车辆的实际行进速度。

4.如权利要求3所述的一种无人拖拉机控制系统，其特征在于：

所述环境感知模块包括定位单元和环境监测单元；

所述定位单元用于获取车辆位置信息，所述定位单元包括GPS、惯性导航模块和里程计；

所述环境监测单元用于获取环境信息，所述环境监测单元包括激光雷达和摄像头。

5.如权利要求4所述的一种无人拖拉机控制系统，其特征在于：

还包括通信模块，所述通信模块被配置为建立决策控制模块和底层控制模块之间的数据联系，所述纵向控制器通过通信模块与速度规划单元连接；

所述通信模块还被配置为建立纵向控制器与行走驱动控制器、制动执行控制器和速度传感器之间的数据联系。

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