CN112925242B - 一种无人作业农机智能网联终端系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人作业农机智能网联终端系统，包括：核心处理单元，用于为智能网联终端网云协同数据处理提供车载计算平台，核心处理单元分别对多元通信、图像及点云数据解析、多元整机状态信息解析、多元整机控制信息的解析及下发和进程调度管理进行处理，核心处理单元对图像数据进行节带化处理，用于在后续数据发送中节约无线信道资源，核心处理单元对收集到激光雷达探测的点云数据进行解析及点云压缩，本无人作业农机智能网联终端系统可以有效的减少信息传递错误，降低网云协同控制信息的排队时延，为农机无人作业提供各区域的通信模式需求，实现各种地区的无人农机作业。

Description

一种无人作业农机智能网联终端系统

技术领域

本发明涉及农机技术领域，具体为一种无人作业农机智能网联终端系统。

背景技术

目前通过车载终端实现农机的无人作业方式主要有两种：一种通过安装大量传感器、摄像头以及激光雷达等，通过车载智能终端实现对作业农机近距离外部信息的准确获取，实现农机自主控制；另外一种是通过对车载监控终端远程下发定位及控制数据，进行网联远程控制。

通过传感器、摄像头以及激光雷达等感知设备对终端的计算能力要求很高，容易出现错误信息的传输，通过对车载监控终端远程下发定位及控制数据进行控制完全依赖于既定的控制及定位信息，受限于网络带宽、时延性能以及网络覆盖限制，该方式存在智能化不高、作业范围受限，限定了智能农机的有效工作区域，同时容易出现信息传输排队延迟的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种无人作业农机智能网联终端系统，可以有效的减少信息传递错误，降低网云协同控制信息的排队时延，为农机无人作业提供各区域的通信模式需求，实现各种地区的无人农机作业，可以有效解决背景技术中的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无人作业农机智能网联终端系统，包括：

核心处理单元，用于为智能网联终端网云协同数据处理提供车载计算平台；

多元数据模组，用于与核心处理单元实现数据交互；

多模通信模组，根据不同的通信环境选用适合的通信信道；

电源模块，用于对核心处理单元、多元数据模组和多模通信模组提供稳定的供电电压。

作为本发明的一种优选技术方案，所述核心处理单元分别对多元通信、图像及点云数据解析、多元整机状态信息解析、多元整机控制信息的解析及下发和进程调度管理进行处理，核心处理单元对图像数据进行节带化处理，用于在后续数据发送中节约无线信道资源，核心处理单元对收集到激光雷达探测的点云数据进行解析及点云压缩，多元整机状态信息通过核心处理单元对四路CAN通道的数据进行实时采样和解析，并将解析后的数据上传云平台进行大数据分析，整机控制信息是核心处理单元对通过多元通信接收到的来自网云平台的控制数据进行解析，通过CAN模块下发整机控制信息，进程调度管理是通过核心处理单元采用LLF调度算法设置控制数据处理进程低松弛度，减小控制数据在核心处理单元中的等待处理时间。

作为本发明的一种优选技术方案，所述多元数据模组包括利用硬件平台获得的360°全景高清视频、激光雷达数据、多元整机信息以及工作环境数据。

作为本发明的一种优选技术方案，所述360°全景高清视频通过五目摄像机对周边的现场作业环境进行采集，通过以太网口发送给终端，终端完成对视频数据进行节带化处理。

作为本发明的一种优选技术方案，所述激光雷达对周边环境的三维信息进行感知，将三维点云数据通过以太网的形式发送给终端。

作为本发明的一种优选技术方案，所述多元整机信息通过终端CAN模块实现，在软硬件上对整机状态信息和整机控制信息分别设计了独立的CAN通道，避免一条CAN通信造成的整机状态信息对CAN通道的占用权竞争，减小控制信息的排队时延，每一条CAN通道进行硬件上的双冗余设计，使得整机状态信息和整机控制信息冗余CAN通道与主CAN收发的数据完全相同。

作为本发明的一种优选技术方案，所述多模通信模组包括硬件平台搭建的5G模块、专网基站模块和卫星通信模块。

作为本发明的一种优选技术方案，所述5G模块用于在通用运营商环境下的5G覆盖区域的车载终端。

作为本发明的一种优选技术方案，所述专网基站模块通过专网信道实现车云协同，该信道通过专用无线1.4GHz或1.8GHz频段。

作为本发明的一种优选技术方案，所述卫星通信模块用于在偏远作业地区与卫星通信。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本无人作业农机智能网联终端系统通过整机状态信息获取与控制信息下发信道分离的设计，降低网云协同控制信息的排队时延，核心处理单元采用LLF调度算法，设置控制数据处理进程低松弛度，减小控制数据在核心处理单元中的等待处理时间，多模通信通过硬件中搭载5G模块、专网基站模块和卫星通信模块组成通信模组，软件平台根据不同的通信环境，使用通信信道的最优路径进行通讯：在偏远的农机作业地区，可选择卫星通讯信道，保证无人农机的远程监控；在有专网基站搭建的中试基地，通过专网信道实现车云协同；通用运营商网络环境下，通过5G通信，为农机无人作业提供高带宽、低时延的无缝覆盖网络，有效的提高了无人农机的终端控制便利化和智能化。

附图说明

图1是本发明整体构架方案示意图；

图2是本发明终端硬件方案示意图；

图3是本发明电源模块设计示意图；

图4是本发明软件平台组成示意图；

图5是本发明应用层软件结构示意图。

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。

实施例1：请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种无人作业农机智能网联终端系统，包括：

核心处理单元，用于为智能网联终端网云协同数据处理提供车载计算平台，核心处理单元分别对多元通信、图像及点云数据解析、多元整机状态信息解析、多元整机控制信息的解析及下发和进程调度管理进行处理，核心处理单元对图像数据进行带化处理，用于在后续数据发送中节约无线信道宽带，核心处理单元对收集到激光雷达探测的点云数据进行解析及点云压缩，多元整机状态信息通过核心处理单元对两路冗余CAN通道的数据进行实时采样和解析，并将解析后的数据上传云平台进行大数据分析，整机控制信息是核心处理单元对通过多元通信接收到的来自网云平台的控制数据进行解析，通过CAN模块下发整机控制信息，核心处理单元同时接收来自AD转换模块采集的工作环境数据如深松、应力等模拟量数据，并通过多模通信传输，进程调度管理是通过核心处理单元采用LLF调度算法设置控制数据处理进程低松弛度，减小控制数据在核心处理单元中的等待处理时间，通过选用适用于高速移动智能终端的SOC，该SOC具有主频高，处理速度快，能够处理图像、点云数据等多种数据的特点。

核心处理单元选取龙芯中科的2K1000双核处理器芯片，集成两个GS264处理器核、主频1GHz，能够对大规模多元采集数据进行的快速处理，片内集成GPU，快速实现图像数据的节带化处理，同时，芯片外围具有接口包括两路PCIE2.0、UART、RGMII接口及其它多种接口，满足终端对数据的采集和交互的要求，通过以太网接口采集视频、激光雷达数据进行降维处理，CAN通信采集多元整机信息。

龙芯系列处理器使用PMON作为BIOS，本系统采用兆易的GD25VQ16C 16Mbit的NORFLASH来存放PMON固件，采用SPI方式与LS2K1000通信，龙芯2K1000处理器集成1路SATA2.0接口，SSD选用国产biwin的BGA封装的eSSD BWS3BTCDC，容量32GB，最高写速率350MB/s，用于安装软件平台和终端运行软件，BGA封装的eSSD相比金手指的固态硬盘，在振动和冲击环境下更可靠。

多元数据模组，用于与核心处理单元实现数据交互，所述多元数据模组包括利用硬件平台获得的360°全景高清视频、激光雷达数据、多元整机信息以及工作环境数据，360°全景高清视频通过五目摄像机对周边的现场作业环境进行采集，通过以太网口发送给终端，终端完成对视频数据的解析，激光雷达对周边环境的三维信息进行感知，将三维点云数据通过以太网的形式发送给终端，多元整机信息通过终端CAN模块实现，针对控制信息时延问题，在软硬件上对整机状态信息和整机控制信息分别设计了独立的CAN通道，避免一条CAN通信造成的整机状态信息对CAN通道的占用权竞争，减小控制信息的排队时延，每一条CAN通道进行硬件上的双冗余设计，使得整机状态信息和整机控制信息冗余CAN通道与主CAN收发的数据完全相同，双冗余的设计保证其中一路CAN通道出现问题时，另外一路CAN仍然能够工作，保证了多元整机信息数据传输的可靠性和安全性。

多元数据包括360°全景高清视频、激光雷达数据、来源于CAN的多元整机信息以及深松、土壤环境、应力等数据。通过硬件平台的设计，实现对上述信息的采集，传入LS2K1000协同计算，360°全景高清视频、激光雷达数据通过以太网口进行传输，本设计选取了成都承芯科技的CX9221QNI国产PHY芯片作为以太网接口芯片，芯片速率100M，通过RGMII接口与LSZK1000连接，满足360°全景高清视频及激光雷达数据采集需求。

多元整机信息通过CAN通信模块实现数据采集，智能控制信息也通过CAN发送，因此，需要稳定可靠的国产CAN通信模块，CAN通信模块选择金升阳TD3USPCAN隔离UART/SPI转CAN模块，该模块通过UART与LS2K1000连接，实现终端的CAN数据收发，通过ADC转换模块进行深松、土壤环境、应力等传感器模拟量数据的采集，并将采集的模拟信号转换为数字信号传输给LS2K1000，ADC模块选用天微电子的TM7705 16bit ADC转换芯片，该芯片通过SPI总线与LS2K1000连接，能够将0-20mA或0-2.5V的模拟信号转换为16bit数字信号通过SPI总线方式传输给核心处理单元，采样频率可达250Hz，能够满足终端对深松、土壤环境、应力等数据的实时采集。

多模通信模组通过硬件中搭载5G模块、专网基站模块和卫星通信模块组成通信模组，软件平台根据不同的通信环境，选用通信信道的最优路径进行通讯，在偏远的农机作业地区，可选择卫星通讯信道，卫星通讯模块选用中科晶上DX-S301的基带芯片，能够与天通卫星直接通信，为作业农机提供数据通信的同时，支持北斗定位功能，该信道与天通卫星直接通信，保证偏远地区农机无人作业的远程监控，在有专网基站搭建的中试基地，通过专网信道实现车云协同，选取中兴ME3760无线数据终端，能够与1.4G/1.8GHz基站进行无线通信，最大速率可达112Mbps，时延最大在50ms，通过PCIE与核心处理单元连接，支持低延时、大带宽的高可靠网络通信，在通用运营商网络环境，使用终端搭载的5G车载模块，为无人作业农机实现空地一体化无缝网络覆盖。

电源模块，用于对核心处理单元、多元数据模组和多模通信模组提供稳定的供电电压，电源模块先采用森立威尔的SL3036D DC-DC降压芯片将8-60V范围内的电压降为5V，5V提供给ADC转换芯片TM7705供电。

实施例2：与实施例1的不同之处在于，5G模块包括向下兼容的4G/3G模式，通过USB接口与LS2K1000通信，没有5G覆盖的区域进行4G/3G通信。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种无人作业农机智能网联终端系统，其特征在于：包括：

核心处理单元，用于为智能网联终端网云协同数据处理提供车载计算平台；

多元数据模组，用于与核心处理单元实现数据交互；

多模通信模组，根据不同的通信环境选用适合的通信信道；

电源模块，用于对核心处理单元、多元数据模组和多模通信模组提供稳定的供电电压；

所述核心处理单元分别对多元通信、图像及点云数据解析、多元整机状态信息解析、多元整机控制信息的解析及下发和进程调度管理进行处理，核心处理单元对图像数据进行节带化处理，用于在后续数据发送中节约无线信道资源，核心处理单元对收集到激光雷达探测的点云数据进行解析及点云压缩，多元整机状态信息通过核心处理单元对四路CAN通道的数据进行实时采样和解析，并将解析后的数据上传云平台进行大数据分析，整机控制信息是核心处理单元对通过多元通信接收到的来自网云平台的控制数据进行解析，通过CAN模块下发整机控制信息，进程调度管理是通过核心处理单元采用LLF调度算法设置控制数据处理进程低松弛度，减小控制数据在核心处理单元中的等待处理时间。

2.根据权利要求1所述的一种无人作业农机智能网联终端系统，其特征在于：所述多元数据模组包括利用硬件平台获得的360°全景高清视频、激光雷达数据、多元整机信息以及工作环境数据。

3.根据权利要求2所述的一种无人作业农机智能网联终端系统，其特征在于：所述360°全景高清视频通过五目摄像机对周边的现场作业环境进行采集，通过以太网口发送给终端，终端完成对视频数据进行节带化处理。

4.根据权利要求2所述的一种无人作业农机智能网联终端系统，其特征在于：所述激光雷达对周边环境的三维信息进行感知，将三维点云数据通过以太网的形式发送给终端。

5.根据权利要求2所述的一种无人作业农机智能网联终端系统，其特征在于：所述多元整机信息通过终端CAN模块实现，在软硬件上对整机状态信息和整机控制信息分别设计了独立的CAN通道，使得整机状态信息和整机控制信息冗余CAN通道与主CAN收发的数据完全相同。

6.根据权利要求1所述的一种无人作业农机智能网联终端系统，其特征在于：所述多模通信模组包括硬件平台搭建的5G模块、专网基站模块和卫星通信模块。

7.根据权利要求6所述的一种无人作业农机智能网联终端系统，其特征在于：所述5G模块用于在通用运营商环境下的5G覆盖区域的车载终端。

8.根据权利要求6所述的一种无人作业农机智能网联终端系统，其特征在于：所述专网基站模块通过专网信道实现车云协同，该信道通过专用无线1.4GHz或1.8GHz频段。

9.根据权利要求6所述的一种无人作业农机智能网联终端系统，其特征在于：所述卫星通信模块用于在偏远作业地区与卫星通信。

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