CN113183943A - 一种农用装备的智能驾驶系统及其作业方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种农用装备的智能驾驶系统及其作业方法，包括UWB定位标签（1）、UWB路侧固定支架（2）、UWB车端固定支架（3）、农场作业场地（4）、农场作业车辆（5）、设置在农场作业车辆（5）前端的激光雷达（6）和设置在农场作业车辆（5）内部的智驾控制器；所述UWB定位标签（1）通过所述UWB路侧固定支架（2）固定在所述农场作业场地（4）边缘外侧；所述UWB车端固定支架（3）上设有两个UWB定位标签（1），所述农场作业车辆（5）在所述农场作业场地（4）区域内作业，智驾控制器通过UWB定位标签（1）获得所述农场作业车辆（5）的位置和航向角信息。农场作业车辆（5）按照规划路径完成作业行驶任务，降低了成本，提高适应性。

Description

一种农用装备的智能驾驶系统及其作业方法
技术领域
本发明属于农用智能装备技术领域，尤其涉及一种农用装备的智能驾驶系统及其作业方法。
背景技术
随着人工智能的发展，农业智能化和自动化已经成为了农业设备的发展趋势，大量的企业和高校开展了有关于无人驾驶农机作业的研究。区别于传统农机，智能化农机需要配备智能驾驶系统，且农机需要具备线控底盘系统，如：线控驱动、线控转向、线控制动。为提高农机在作业过程中的安全性，农业机械将搭载部分目标检测传感器，如RGB相机、红外相机、激光雷达和毫米波雷达等，能够自动感知周围的工作人员，从而避免发生安全事故。
智能驾驶农用装备近年已经提出多种智能驾驶形式，包括辅助驾驶和自动驾驶。其中辅助驾驶主要人工驾驶员在驾驶农机过程中，利用传感器数据辅助驾驶员完整对周边车辆的环境感知，例如盲区检测、夜间成像、碰撞提醒等功能；自动驾驶能够使农机自动完成工作区域的行驶，从而代替人工驾驶和人工作业，提高作业效率。目前农用装备的智能驾驶系统主要存在如下不足：
(1)室外GPS定位主要依靠与卫星的通信而获取在地球上的经纬度信息，通常在地面上会建设辅助基站，形成差分GPS定位，从而定位信号更加精确，但在雨雪等恶劣天气下，由于信号的折射影响，定位精度较差，甚至出现定位信号无法使用的现象，另外偏远农场区域通常不在差分GPS覆盖范围，增加GPS定位难度；激光建图定位主要依靠激光雷达预先建好稠密的点云地图，在行驶过程中通过当前激光点云与地图之间的匹配，从而获得准确的定位，但是农场环境通常类似于平原，存在较少的立体纹理，从而很难通过立体点云的匹配而完成高精定位。
(2)通常在农场作业的自动驾驶农用装备，均通过循迹的方式完成自动驾驶，即先由工作人员驾驶农用装备完成整个作业线路的行驶，并记录行驶过程中的位置轨迹信息。启动自动驾驶模式时，车辆自动沿着所设定的轨迹行驶，从而完整自动驾驶的功能，但该方式需要保存所有作业线路的地图而存在局限性，即在陌生作业环境下，无法自动规划行驶路径，从而无法完成作业。
(3)配备有多个传感器的农用装备通常成本较高，红外热像仪和多线激光雷达目前还处于比较高的生产成本，而RGB相机容易受到光照影响，在夜间无法正常工作。这些导致在农业场景中很难实现大批量的产品落地，从而影响智能驾驶农用装备的应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种农用装备的智能驾驶系统及其作业方法。
本发明的技术方案是一种农用装备的智能驾驶系统，包括UWB定位标签(1)、 UWB路侧固定支架(2)、UWB车端固定支架(3)、农场作业场地(4)、农场作业车辆(5)、设置在农场作业车辆(5)前端的激光雷达(6)和设置在农场作业车辆(5)内部的智驾控制器；所述UWB定位标签(1)通过所述UWB路侧固定支架(2)固定在所述农场作业场地(4)边缘外侧；所述UWB车端固定支架(3) 上设有两个UWB定位标签(1)，所述农场作业车辆(5)在所述农场作业场地(4) 区域内作业，智驾控制器通过UWB定位标签(1)获得所述农场作业车辆(5)的位置和航向角信息。
一种农用装备的智能驾驶系统作业方法，包括下列步骤：
2.1通过UWB路侧固定支架(2)将3个或以上的UWB定位标签(1)均匀固定于农场作业场地(4)的边缘外侧；
2.2将农场作业车辆(5)人工驾驶至农场作业场地(4)的边缘内侧，初始化定位系统，在路侧端建立局部定位坐标系，此时，农场作业车辆(5)在局部坐标系的位置能被实时获取；
2.3人工驾驶农场作业车辆(5)沿农场作业场地(4)的边缘内侧行驶一圈，将所有工作区域包含在圈内；
2.4农场作业车辆(5)在智驾控制器中自动规划其余工作行驶路径；
2.5农场作业车辆(5)跟随所规划的路径并完成整个区域内的作业行驶任务。
进一步地，步骤2.2中，建立局部定位坐标系主要是智驾系统在初始化系统时，根据UWB定位标签(1)的位置分布和相互之间的通讯，而确定的局部坐标系，具体内容为：
设定1号标签作为局部坐标系的原点，1号标签指向2号标签的方向为X轴方向，3号标签位于Y的正半轴方向；则3号标签在局部坐标系的坐标可有下列公式计算：
Figure RE-GDA0003130050160000031
根据公式可得3号标签的坐标值：
Figure RE-GDA0003130050160000032
对于其他第k个标签，坐标可通过下列公式计算：
Figure RE-GDA0003130050160000033
对于两个yk值，可以通过公式(x3-xk)2+(y3-yk)2是否等于L3k 2进一步确定yk的值。式中，(xi,yi)为第i个标签的坐标(i＝1,2,3,4…)，Lij为第i个标签到第j个标签的距离，计算公式为：
Figure RE-GDA0003130050160000034
式中，vs为无线信号传播速度，Tij为无线信号发送和接受的时间差。
进一步地，步骤2.3为通过人工驾驶所述农场作业车辆(5)沿所述农场作业场地(4)的边缘内侧行驶一圈，保证所有工作区域均处于圈内，且行驶过程中采集行驶轨迹的位姿信息，并按照固定距离进行轨迹点的采样。
进一步地，步骤2.4先将所述农场作业车辆(5)行驶至人工驾驶的轨迹某一位置作为起始点，再启动自动路径规划算法，在智驾控制器中自动规划其余工作行驶路径，考虑车辆动力学和运动学性能，以保证所有的区域都能够被覆盖。
进一步地，步骤2.5为启动所述农场作业车辆(5)的自动驾驶功能，此时车辆可自动沿着步骤2.4所规划的路径行驶；在行驶过程中，所述农场作业车辆(5) 通过智驾控制器内置的UWB定位系统实时获取自车的位姿，并通过运动控制算法沿着规划路径的预瞄点行驶，同时启动农机作业设备，从而完成行驶过程中的作业任务。
进一步地，所述UWB定位系统主要是通过车端固定的所述UWB定位标签(1) 与路侧固定的所述UWB定位标签(1)实时通讯，从而获取所述农场作业车辆(5) 在步骤2.2建立的局部坐标系的自车横坐标和纵坐标；农场作业车辆(5)的坐标可通过求解道路环境中所构造的复合概率分布中的概率最大点获取，其所对应的计算公式为：
Figure RE-GDA0003130050160000041
式中，(xU,yU)表示通过UWB获取的自车横纵坐标，max为最大值函数，Π为连乘函数，Φ为标准正态分布函数，Lj为自车与第j个道路定位标签的估算距离，σj为定位标签的标准差。
进一步地，步骤2.5在作业行驶任务中，采用所述激光雷达(6)检测前方的行驶区域的障碍物情况，尤其是行人检测；所述激光雷达(6)采用低线束激光雷达，并在智驾控制器中集成有激光点云滤波和目标检测算法，在雨天和浓雾天气下正常工作。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用UWB定位标签完成高精定位。路侧固定的若干个UWB定位标签，数量大于等于3个，能够自动形成局部坐标系，并确定各标签和农用装备在局部坐标系中的坐标，该形式可极大缩短路侧场地传感器布置成本，且完成农场作业后，路侧传感器可快速移动至其他区域，提高传感器的利用率，而使得技术更加容易实现落地。
(2)本发明提出封闭区域内的自动作业方法，只需要作业人员沿着作业区域的边缘人工驾驶一圈，系统可自动生成剩余作业路径，且生成路径过程中充分考虑车辆动力学和运动学性能，以保证农用装备可有效沿着该路径行驶，且所有的区域都能够被覆盖。
(3)本发明利用单线或4线的低线激光雷达点云数据对前方行驶区域的障碍物进行检测，从而降低传感器成本。智驾控制器中集成有激光点云滤波和目标检测算法，可在雨天和浓雾天气下正常工作，以保证本发明的智能驾驶系统可应用于全天候环境下的农业场景。
附图说明
图1为本发明一种农用装备的智能驾驶系统工作场景结构图；
图2为本发明一种农用装备的智能驾驶系统架构图；
图3为本发明一种农用装备的智能驾驶系统作业方法流程图；
图4为本发明一种农用装备的智能驾驶系统UWB局部坐标定位图；
图5为本发明一种农用装备的智能驾驶系统路径规划示意图，图中内圈虚线为自动规划路径、外圈虚线为人工采集路径。
附图标记：1、UWB定位标签；2、UWB路侧固定支架；3、UWB车端固定支架；4、农场作业场地；5、农场作业车辆；6、激光雷达。
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供的一种农用装备的智能驾驶系统，主要包括UWB定位标签(1)、UWB路侧固定支架(2)、UWB车端固定支架(3)、农场作业场地 (4)、农场作业车辆(5)、设置在农场作业车辆(5)前端的激光雷达(6)和设置在农场作业车辆(5)内部的智驾控制器；所述UWB定位标签(1)通过所述UWB 路侧固定支架(2)固定在所述农场作业场地(4)边缘外侧；所述UWB车端固定支架(3)上设有两个UWB定位标签(1)，所述农场作业车辆(5)在所述农场作业场地(4)区域内作业，智驾控制器通过UWB定位标签(1)获得所述农场作业车辆(5)的位置和航向角信息。
如图2所示，智驾控制器内部集成有软件算法，可分别完成定位信号处理、前方障碍物检测、路径规划和运动控制等功能，运动控制模块分别与驱动电机、转向电机和制动电机连接；激光雷达(6)和前方障碍物检测模块连接。
一种农用装备的智能驾驶系统作业方法，如图3、图4所示，首先通过UWB 路侧固定支架(2)将3个或以上的UWB定位标签(1)均匀固定于农场作业场地 (4)的边缘外侧；然后将农场作业车辆(5)人工驾驶至农场作业场地(4)的边缘内侧，启动定位系统初始化程序，此时农场作业车辆(5)搭载的UWB定位标签(1)接收其他路侧UWB定位标签(1)之间相互通讯的信号，在路侧端将建立局部定位坐标系。农场作业车辆(5)在该局部坐标系的位置也能被实时获取。
如图5所示，定位系统初始化完成后，由作业人员人工驾驶农场作业车辆(5) 沿农场作业场地(4)的边缘内侧行驶一圈，将所有工作区域包含在内。智驾系统将自动记录行驶轨迹，并等距离采样获取离散轨迹点。所有轨迹点将形成一个封闭的区域。当人工驾驶农场作业车辆(5)回到起始点后，系统自动在封闭区域内，规划出其余作业行驶的路径，且规划的路径充分考虑车辆动力学和运动学特性，以保证车辆沿规划路径行驶，可完全覆盖作业区域。
待路径规划程序完成计算后，可启动自动驾驶功能，使农场作业车辆(5)沿所规划的路径行驶，并启动作业设备，最终完成整个区域内的作业任务。
总之，本发明通过UWB定位系统、激光雷达目标检测系统、路径规划系统和运动控制系统构造了一种农用装备的智能驾驶系统，采用移动式UWB定位标签和自适应定位系统，在路侧端自动建立局部坐标系，完成高精定位功能，提高传感器的利用率，充分降低路侧端传感器布置成本；且提出封闭区域内的自动作业方法，只需要作业人员沿着作业区域的边缘人工驾驶一圈，系统可自动生成剩余的有效作业路径，提高应用场景的泛化性；利用单线或4线的低线激光雷达、点云滤波算法和目标检测算法，可在雨雾等恶劣天气下使用，适用于全天候环境下的农场作业。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种农用装备的智能驾驶系统，其特征在于，包括UWB定位标签(1)、UWB路侧固定支架(2)、UWB车端固定支架(3)、农场作业场地(4)、农场作业车辆(5)、设置在农场作业车辆(5)前端的激光雷达(6)和设置在农场作业车辆(5)内部的智驾控制器；所述UWB定位标签(1)通过所述UWB路侧固定支架(2)固定在所述农场作业场地(4)边缘外侧；所述UWB车端固定支架(3)上设有两个UWB定位标签(1)，所述农场作业车辆(5)在所述农场作业场地(4)区域内作业，智驾控制器通过UWB定位标签(1)获得所述农场作业车辆(5)的位置和航向角信息。
2.一种农用装备的智能驾驶系统作业方法，包括权利要求1所述的一种农用装备的智能驾驶系统，其特征在于，包括下列步骤：
2.1通过UWB路侧固定支架(2)将3个或以上的UWB定位标签(1)均匀固定于农场作业场地(4)的边缘外侧；
2.2将农场作业车辆(5)人工驾驶至农场作业场地(4)的边缘内侧，初始化定位系统，在路侧端建立局部定位坐标系，此时，农场作业车辆(5)在局部坐标系的位置能被实时获取；
2.3人工驾驶农场作业车辆(5)沿农场作业场地(4)的边缘内侧行驶一圈，将所有工作区域包含在圈内；
2.4农场作业车辆(5)在智驾控制器中自动规划其余工作行驶路径；
2.5农场作业车辆(5)跟随所规划的路径并完成整个区域内的作业行驶任务。
3.根据权利要求2所述的一种农用装备的智能驾驶系统作业方法，其特征在于，步骤2.2中，建立局部定位坐标系主要是智驾系统在初始化系统时，根据UWB定位标签(1)的位置分布和相互之间的通讯，而确定的局部坐标系，具体内容为：
设定1号标签作为局部坐标系的原点，1号标签指向2号标签的方向为X轴方向，3号标签位于Y的正半轴方向；则3号标签在局部坐标系的坐标可有下列公式计算：
Figure FDA0003099032470000021
根据公式可得3号标签的坐标值：
Figure FDA0003099032470000022
对于其他第k个标签，坐标可通过下列公式计算：
Figure FDA0003099032470000023
对于两个yk值，可以通过公式(x3-xk)2+(y3-yk)2是否等于L3k 2进一步确定yk的值。式中，(xi,yi)为第i个标签的坐标(i＝1,2,3,4…)，Lij为第i个标签到第j个标签的距离，计算公式为：
Figure FDA0003099032470000024
式中，vs为无线信号传播速度，Tij为无线信号发送和接受的时间差。
4.根据权利要求2所述的一种农用装备的智能驾驶系统作业方法，其特征在于，步骤2.3为通过人工驾驶所述农场作业车辆(5)沿所述农场作业场地(4)的边缘内侧行驶一圈，保证所有工作区域均处于圈内，且行驶过程中采集行驶轨迹的位姿信息，并按照固定距离进行轨迹点的采样。
5.根据权利要求2所述的一种农用装备的智能驾驶系统作业方法，其特征在于，步骤2.4先将所述农场作业车辆(5)行驶至人工驾驶的轨迹某一位置作为起始点，再启动自动路径规划算法，在智驾控制器中自动规划其余工作行驶路径，考虑车辆动力学和运动学性能，以保证所有的区域都能够被覆盖。
6.根据权利要求2所述的一种农用装备的智能驾驶系统作业方法，其特征在于，步骤2.5为启动所述农场作业车辆(5)的自动驾驶功能，此时车辆可自动沿着步骤2.4所规划的路径行驶；在行驶过程中，所述农场作业车辆(5)通过智驾控制器内置的UWB定位系统实时获取自车的位姿，并通过运动控制算法沿着规划路径的预瞄点行驶，同时启动农机作业设备，从而完成行驶过程中的作业任务。
7.根据权利要求6所述的一种农用装备的智能驾驶系统作业方法，其特征在于，所述UWB定位系统主要是通过车端固定的所述UWB定位标签(1)与路侧固定的所述UWB定位标签(1)实时通讯，从而获取所述农场作业车辆(5)在步骤2.2建立的局部坐标系的自车横坐标和纵坐标；农场作业车辆(5)的坐标可通过求解道路环境中所构造的复合概率分布中的概率最大点获取，其所对应的计算公式为：
Figure FDA0003099032470000031
式中，(xU,yU)表示通过UWB获取的自车横纵坐标，max为最大值函数，Π为连乘函数，Φ为标准正态分布函数，Lj为自车与第j个道路定位标签的估算距离，σj为定位标签的标准差。
8.根据权利要求6所述的一种农用装备的智能驾驶系统作业方法，其特征在于，步骤2.5在作业行驶任务中，采用所述激光雷达(6)检测前方的行驶区域的障碍物情况，尤其是行人检测；所述激光雷达(6)采用低线束激光雷达，并在智驾控制器中集成有激光点云滤波和目标检测算法，在雨天和浓雾天气下正常工作。
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