CN114371699B - 面向中小农田的便携少基站组式农机uwb导航系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种面向中小农田的便携少基站组式农机UWB导航系统与方法，涉及农机装备及导航控制技术领域。所述系统包括L形三UWB基站组、双UWB标签、反射式田头距离测距装置、三维电子罗盘和控制器，控制器通过同基站组定位方式完成纵向直线目标作业路径航位偏差解算，实现牛耕式往复型的自适应换行导航作业；控制器通过变基站组定位方式分别完成纵向和横向直线目标作业路径航位偏差解算，实现绕圈式回字型的自适应换行导航作业。本发明采用少UWB基站的便捷布置实现频繁跨区无人作业，具有成本低，系统构成简单、精度高、稳定性和实时性好等特点，广泛适用于各种农机在中小型田块的自主导航和无人驾驶作业，具有实用推广价值。
Description
技术领域
本发明属于农机装备及导航控制技术领域，特别涉及一种面向中小农田的便携少基站组式农机UWB导航系统与方法。
背景技术
我国大田农业是大型农场、中小型农业生产合作社和个体农户等多种生产经营模式并存，其中小型农业生产合作社和个体农户属于分布零散和区域化的中小型非结构化农田种植模式，单亩地种植面积在0～0.35公顷之间，占我国大田农业生产的90％以上，且中小型田块多位于我国南方丘陵地区，不利于大型农机的生产作业。近年来农机导航技术快速发展，无人农机研究也开始受到重视，农业机械的自主导航成为无人驾驶研发的重点。但目前主流的基于北斗、GPS的农业机械自主导航技术仍存在不足：
(1)采用全球坐标绝对定位技术，需要在预建农田地图规划作业路径下进行自主导航作业，且在面对非结构化农田时的预建农田地图过程复杂，因此在面对分布零散的数量众多中小型田块，无法满足频繁跨区无人作业需求。
(2)卫星定位导航农机在丘陵山区易出现信号丢失造成农机自主导航失效，且多组卫星差分基站同区域工作易出现无法避免的带宽干扰，同样造成农机自主导航失效。
近年来，UWB定位导航技术发展迅速，目前以伪卫星法在作业区域内对多UWB基站进行高精度布置，对农机采用相对定位方式进行局部自主导航作业，已在设施农业环境内得到良好的研究应用。但设施封闭环境固定设置多组基站的定位导航方式，无法满足中小田块需要频繁跨田块作业的需求。
中国专利(CN110927667A)和中国专利(CN112954585A)均提出了大田农机UWB定位系统和方法，但仍是采用高精度布置多UWB基站方式在田间进行自主导航作业，并未解决上述提到的多UWB基站定位导航技术方式面对室外大田农业不足问题。因此，面对大田农机UWB导航系统和方法需要满足便捷布置少量UWB基站的定位导航要求，并对非结构化农田自主导航的自动换行具有良好适应性，同时可以实现中小型农田绕圈式回字型作业路径模式的自主导航。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种面向中小农田的便携少基站组式农机UWB导航系统与方法，将UWB定位技术用于大田农机的中小型田块内自主导航驾驶中，实现自适应非结构化农田的牛耕式往复型作业路径模式自主导航作业和绕圈式回字型作业路径模式的收获自主导航作业，并且有望实现分布式多机并行作业和集组式主从协同作业技术的突破。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种面向中小农田的便携少基站组式农机UWB导航方法，所述导航方法基于L形三UWB基站组实现，所述L形三UWB基站组包括UWB基站一、UWB基站二和UWB基站三，UWB基站一和UWB基站二组成UWB基站组一，UWB基站组一平行纵向目标作业路径布置，且距平行田埂水平距离为d1，所述UWB基站一和UWB基站二的中心间距为dj1；在绕圈式回字型作业路径模式中，UWB基站二和UWB基站三组成UWB基站组二，UWB基站组二平行横向目标作业路径布置，且距平行田埂水平距离为d2，所述UWB基站二和UWB基站三的中心间距为dj2；
所述导航方法具体为：
控制器实时解析双UWB标签、反射式田头距离测距装置和三维电子罗盘的数据，实现拖拉机本体或收割机本体的全局自主导航；所述拖拉机本体的全局自主导航包括同基站组定位的直线路径航位偏差测量、反射式-自适应换行作业以及全局自主导航作业，收割机本体的全局自主导航包括变基站组定位的直线路径航位偏差测量、收获边界距离计算、变换行收获边界距离阈值计算以及全局主导航作业；
所述同基站组定位的直线路径航位偏差测量，包括：
首先判断拖拉机本体所在实际作业行，计算理论目标作业路径距离x；
根据实时距离d11、d12、d21和d22，实时求解UWB标签一与UWB基站组一的水平垂直距离D1、UWB标签二与UWB基站组一的水平垂直距离D2；
根据理论目标作业路径距离x、双UWB标签的中心间距db以及距离D1和D2，实时求解拖拉机本体与目标作业路径的横向偏差X和航向偏差θ；
所述变基站组定位的直线路径航位偏差测量，包括：
计算中间量K1、K2、K3和K4的数值，控制器判断K1为0或正整数有效时，认定收割机本体在沿纵向目标作业路径正方向91+行走，判断K2＝1为0或正整数有效时，认定收割机本体在沿横向目标作业路径反方向92-行走，判断K3＝2为0或正整数有效时，认定收割机本体在沿纵向目标作业路径反方向91-行走，判断K4＝3为0或正整数有效时，认定收割机本体在沿横向目标作业路径正方向92+行走；
根据K1、K2、K3和K4的有效性和数值大小计算理论目标作业路径x；
根据距离d11、d12、d21、d22、d31和d32，实时求解D1、D2、UWB标签一与UWB基站组二中心线的水平垂直距离D3、UWB标签二与UWB基站组二中心线的水平垂直距离D4；
判定K1和K3为0或正整数时有效，利用所述D1和D2、理论目标作业路径距离x、双UWB标签的中心间距db，求解收割机本体与纵向目标作业路径的横向偏差X和航向偏差θ以及收割机本体车头距所在行收获边界距离B；
判定K2和K4为0或正整数时有效，利用所述D3和D4、理论目标作业路径距离x、双UWB标签的中心间距db，求解收割机本体与横向目标作业路径的横向偏差X′和航向偏差θ′以及收割机本体车头距所在行收获边界距离B。
进一步地，所述横向偏差X和航向偏差θ通过如下公式计算获取：
其中： L1＝dj1+d11+d12，L2＝dj1+d21+d22，x为理论目标作业路径距离，KR为拖拉机本体所在实际作业行数，w1为拖拉机本体作业幅宽，L1为Δ2B11J11J2周长，L2为Δ2B21J11J2周长，D1G1为拖拉机本体中心点与UWB基站组一的实时水平垂直距离距离，d11为UWB标签一距UWB基站一的实时距离，d12为UWB标签一距UWB基站一的实时距离，d13为UWB标签一距UWB基站一的实时距离，d21为UWB标签二距UWB基站一的实时距离，d22为UWB标签二距UWB基站二的实时距离，d23为UWB标签二距UWB基站一的实时距离。
进一步地，所述横向偏差X′和航向偏差θ′通过如下公式计算获取：
其中： L3＝dj2+d12+d13，L4＝dj2+d22+d23，L3为Δ2B11J21J3周长，L4为Δ2B21J21J3周长，D1G2为收割机本体中心点与UWB基站组二的实时水平垂直距离距离，H为收获边界纵向最大长度，L为收获边界横向最大长度。
进一步地，所述反射式-自适应换行作业，具体为：
反射式田头距离测距装置触发；
控制拖拉机本体转弯并通过三维电子罗盘检测记录自动换行转弯起始航向角θ1；
实时检测记录拖拉机本体转弯过程中的实时航向角θ2；
实时计算拖拉机本体转弯角度θ3＝|θ2-θ1|，当θ3≥180°，认定换行作业完成，控制器检测航位偏差，进行直线自主导航作业。
进一步地，所述拖拉机本体的全局自主导航作业，具体为：
手动遥控拖拉机本体进入作业起始点拐角的第一行作业路径，并向控制器的人机交互界面输入dj1、d1、dj2、d2、db、w1以及农田横向作业长度W，待完成系统关键作业参数设置后，启动所述同基站组定位的直线路径航位偏差测量，控制器计算最大作业行数Kmax1≈(W/w1)-1，并取整；
控制器开始自主导航作业，进入直线导航作业模式并控制悬挂机具下降和连通后动力输出，控制器根据实时检测航位偏差控制调整农机转向沿目标作业路径行走，控制器按照所述同基站组定位的直线路径航位偏差测量控制拖拉机本体直线导航；当通过反射式田头距离测距装置检测到满足换行条件，控制器按照所述的反射式-自适应换行作业方法调整农机转弯换行；
当拖拉机本体开始换行转弯时，控制器控制悬挂机具抬升并切断动力输出，当控制器判断自动换行作业完成，控制器控制悬挂机具下降和连通动力输出，进入直线导航作业模式；
直至KR＞Kmax1时，控制器控制拖拉机本体自动停机，提示人为介入控制。
进一步地，所述K1、K2、K3和K4分别根据如下公式计算得到：
K1＝(KQ-1)/4
K2＝(KQ-2)/4
K3＝(KQ-3)/4
K4＝(KQ-4)/4
K1、K2、K3和K4的有效性根据如下方式进行判断：
其中：KQ为收割机本体实际转弯次数，w2为收割机本体作业幅宽。
进一步地，所述收获边界距离计算的具体过程为：
计算KQ除以4取余数，赋值于K′；
控制器根据双UWB标签在收割机本体上的布置特征参数、收割机本体所在实际作业情况和K′数值大小，计算收割机本体距前方收获边界的实时距离B；
所述K′＝[KQ/4]，[]表示取余数，
进一步地，所述变换行收获边界距离阈值计算的具体过程为：
K″预赋值为，当控制器判断K′等于3时，K″自加1，控制器根据K″数值判断收割机本体实际作业圈数；
控制器根据收割机本体作业幅宽w2和K″数值大小，计算单圈作业的变换行收获边界距离阈值B′；
所述
进一步地，收割机本体的全局主导航作业具体为：
手动遥控收割机本体进入作业起始点拐角的第一行作业路径，并向控制器的人机交互界面输入dj1、d1、dj2、d2、db、w1以及农田横向作业长度W，待完成系统关键作业参数设置后，控制器计算最大作业行数Kmax2≈(2H/w2)，并取整；控制器开始自主导航作业，进入直线导航作业模式并控制割台下降和连通拨禾轮动力输出，控制器根据实时检测航位偏差控制调整农机转向沿目标作业路径行走，通过收获边界距离计算方法和变换行收获边界距离阈值计算方法，检测到满足换行条件；
执行换行作业控制，仅改变收割机本体转弯角度，当θ3≥90°，认定换行作业完成；
当收割机本体开始换行转弯时，控制器控制割台抬升并切断拨禾轮动力输出，当控制器判断自动换行作业完成，控制器控制割台下降和连通拨禾轮动力输出，进入直线导航作业模式；
直至KQ＞Kmax2时，控制器控制收割机本体自动停机，并提示人为介入控制。
一种便携少基站组式农机UWB导航系统，包括L形三UWB基站组、双UWB标签、反射式田头距离测距装置、三维电子罗盘和控制器，L形三UWB基站组设置在作业起始点拐角处，双UWB标签设置在车身上，反射式田头距离测距装置安装在车头前部，L形三UWB基站组与双UWB标签通信，双UWB标签、反射式田头距离测距装置和三维电子罗盘均与控制器通信；所述反射式田头距离测距装置包括两个处于同一高度水平直线上的反射式测距传感器，两个反射式测距传感器位于车头最外侧，且关于车身本体的纵向中心轴线l1对称布置。
本发明的有益效果为：本发明以便携少基站组方式解决中小田块频繁跨区作业需求，通过同基站组定位的直线路径航位偏差测量方法和变基站组定位的直线路径航位偏差测量方法，分别实现农机完成牛耕式往复型作业路径模式自主导航作业、绕圈式回字型的自适应换行导航作业；便携少基站组式农机UWB导航系统具有成本低，系统构成简单、精度高、稳定性和实时性好等特点，广泛适用于各种农机在中小型田块的自主导航和无人驾驶作业，具有实用推广价值。
附图说明
图1为本发明实例中牛耕式往复型作业路径模式示意图；
图2为本发明实例中绕圈式回字型作业路径模式示意图；
图3(a)为本发明牛耕式往复型作业路径模式中农机UWB导航系统基站布置方案示意图；
图3(b)为本发明绕圈式回字型作业路径模式中农机UWB导航系统基站布置方案示意图；
图4(a)为本发明实例中拖拉机本体UWB标签-电子罗盘布置示意图；
图4(b)为本发明实例中收割机本体UWB标签-电子罗盘布置示意图；
图5为本发明实例中反射式田头距离测量装置3维示意图；
图6为本发明实例中反射式田头距离测量装置安装方案侧视示意图；
图7为本发明实例中反射式田头距离测量装置安装方案俯视示意图；
图8为本发明实例中系统组成架构图；
图9为本发明实例中同基站组定位的直线路径航位偏差测量示意图；
图10为本发明实例中同基站组定位的直线路径航位偏差测量算法流程图；
图11为本发明实例中反射式-自适应换行作业方法示意图；
图12为本发明实例中反射式-自适应换行作业方法流程图；
图13为本发明实例中牛耕式往复型作业路径模式的自主导航作业方法流程图；
图14为本发明实例中变基站定位自主导航航位偏差和收获边界距离测量算法示意图；
图15为本发明实例中变基站定位自主导航航位偏差测量算法流程图；
图16为本发明实例中收获边界距离测量示意图；
图17为本发明实例中收获边界距离测量算法流程图；
图18为本发明实例中变换行收获边界距离阈值测量算法流程图；
图19为本发明实例中绕圈式回字型作业路径模式的自动换行作业示意图；
图20为本发明实例中绕圈式回字型作业路径模式的自主导航作业方法流程图；
图21为本发明实例中牛耕式往复型作业路径模式的农机UWB导航模式3维示意图；
图22为本发明实例中绕圈式回字型作业路径模式的农机UWB导航模式3维示意图；
图中：1.L形三UWB基站组，1J1.UWB基站一，1J2.UWB基站二，1J3.UWB基站三，1G1.UWB基站组一，1G2.UWB基站组二，2.农机车身双UWB标签，2B1.UWB标签一，2B2.UWB标签二，3.反射式田头距离测距装置，31.反射式测距传感器，311.左侧位置测距传感器一，312.右侧位置测距传感器三，4.三维电子罗盘，5.控制器，6.拖拉机本体，7.收割机本体，8.农机本体自主导航参照路径，91.纵向目标作业路径，92.横向目标作业路径，91+.纵向目标作业路径正方向，91-.纵向目标作业路径反方向，92+.横向目标作业路径正方向，92-.横向目标作业路径反方向，10.农田田埂，11.田面。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，拖拉机本体6按照牛耕式往复型作业路径模式进行自主导航作业时，行走工况交替分为：沿纵向目标作业路径正方向91+行走和沿纵向目标作业路径反方向91-行走。
如图2所示，收割机本体7按照绕圈式回字型作业路径模式进行自主导航作业时，行走工况顺序依次分为：沿纵向目标作业路径正方向91+行走、沿横向目标作业路径反方向92-行走、沿纵向目标作业路径反方向91-行走和沿横向目标作业路径正方向92+行走。
如图1所示，为大田农机耕播管收作业的牛耕式往复型作业路径模式自主导航方案，拖拉机本体6第一行作业沿纵向目标作业路径正方向91+行走，待控制器5通过反射式田头距离测距装置3判断拖拉机本体6到达田头后，控制器5控制拖拉机本体6完成180°转弯掉头，拖拉机本体6沿纵向目标作业路径反方向91-行走，直至拖拉机本体6完成最后一行的直线导航作业，控制器5控制拖拉机本体6自动停机。
如图2、图16所示，为大田农机收获作业的绕圈式回字型作业路径模式自主导航方案，收割机本体7第一行作业从农田作业起点拐角开始沿纵向目标作业路径正方向91+行走，依次按照沿横向目标作业路径反方向92-行走、沿纵向目标作业路径反方向91-行走、沿横向目标作业路径正方向92+行走、纵向目标作业路径正方向91+行走的顺序进行作业，待控制器5通过收割机本体7车头位置距收获边界距离B≤B′时，控制器5控制收割机本体7完成90°转弯，进入下一行的直线导航作业，至收割机本体7完成最后一行的直线导航作业，控制器5控制收割机本体7自动停机。
如图8、图20和图21所示，本发明用于回字形收获作业的农机UWB导航系统由L形三UWB基站组1、双UWB标签2、反射式田头距离测距装置3、三维电子罗盘4、控制器5、拖拉机本体6和收割机本体7构成。
如图3(a)、3(b)所示，L形三UWB基站组1布置在作业起点拐角处，由UWB基站一1J1、UWB基站二1J2和UWB基站三1J3构成；在牛耕式往复型作业路径模式和绕圈式回字型作业路径模式中，UWB基站一1J1和UWB基站二1J2组成UWB基站组一1G1，UWB基站组一1G1平行纵向目标作业路径91布置，UWB基站一1J1和UWB基站二1J2的中心间距为dj1，UWB基站组一1G1距平行田埂水平距离为d1，作为拖拉机本体6和收割机本体7沿纵向目标作业路径91行走时求解航位偏差参照路径；在绕圈式回字型作业路径模式中，UWB基站二1J2和UWB基站三1J3组成UWB基站组二1G2，UWB基站组二1G2平行横向目标作业路径92布置，UWB基站二1J2和UWB基站三1J3的中心间距为dj2，UWB基站组二1G2距平行田埂水平距离为d2，作为拖拉机本体6和收割机本体7沿横向目标作业路径92行走时求解航位偏差参照路径。
如图4(a)、4(b)、图9所示，双UWB标签2由UWB标签一2B1、UWB标签二2B2构成，UWB标签一2B1、UWB标签二2B2位于拖拉机本体6或收割机本体7的纵向中心轴线l1，UWB标签一2B1和UWB标签二2B2关于拖拉机本体6或收割机本体7的横向中心轴线l2对称布置，UWB标签一2B1和UWB标签二2B2的中心间距为db，且UWB标签一2B1布置在车头位置附近，UWB标签二2B2布置在车尾位置附近；如图9所示，在拖拉机本体6上，UWB标签一2B1实时获取与UWB基站一1J1的距离d11、UWB标签一2B1实时获取与UWB基站二1J2的距离d12、UWB标签二2B2实时获取与UWB基站一1J1的距离d21、UWB标签二2B2实时获取与UWB基站二1J2的距离d22；如图14所示，在收割机本体7上，UWB标签一2B1实时获取与UWB基站一1J1的距离d11、UWB标签一2B1实时获取与UWB基站二1J2的距离d12、UWB标签二2B2实时获取与UWB基站一1J1的距离d21、UWB标签二2B2实时获取与UWB基站二1J2的距离d22、UWB基站三1J3实时获取与UWB基站一1J1的距离d31、UWB基站三1J3实时获取与UWB基站二1J2的距离d32，所述距离d11、d12、d21、d22、d31和d32，传递给控制器5，作为实时求解航位偏差中横向偏差X、航向偏差θ和换行边界距离B依据。
如图20和图21所示，L形三UWB基站组1中所有的UWB基站和双UWB标签2中所有的UWB标签必须保证在同一水平高度垂直水平地面安装。
如图5、图6和图7(示意的为拖拉机本体6)所示，反射式田头距离测距装置3由2个处于同一高度水平直线上的安装在农机车头前部的反射式测距传感器31构成，2个反射式测距传感器31分别为左侧位置测距传感器一311、右侧位置测距传感器三312，左侧位置测距传感器一311和右侧位置测距传感器三312关于拖拉机本体6或收割机本体7的纵向中心轴线l1对称，布置在拖拉机本体6或收割机本体7车头最外侧，用于自适应测量农机车头距田埂的实时距离；当任意一个反射式测距传感器被触发，控制器5认为拖拉机本体6满足自动换行条件，控制器5启动自主换行作业程序，实现非结构化农田的自适应换行控制。
如图6所示，反射式测距传感器31探测头向前下方成固定夹角安装，2个反射式测距传感器31与农田田埂10平面水平成固定夹角单位：°，其中拖拉机本体6或收割机本体7车头距换行转弯的水平垂直田头距离是Dt，农田田埂10高度是H2，2个反射式测距传感器测距探头距田面11高度是H1，则3个反射式测距传感器测距探头距田埂10高度是H3＝H1-H2，单位：m。
如图4、12所示，用于控制拖拉机本体6和收割机本体7自主换行作业的三维电子罗盘4水平安装在拖拉机本体6或收割机本体7纵向中心轴线上，实时测量换行转弯时拖拉机本体6或收割机本体7的起始航向角θ1、农机转弯过程中拖拉机本体6或收割机本体7的实时航向角θ2(在图中未标出)，用于控制拖拉机本体6或收割机本体7的自动换行作业停止。
如图8所示，控制器5与双UWB标签2、反射式田头距离测距装置3和三维电子罗盘4建立数据通信连接，实时解析双UWB标签2、反射式田头距离测距装置3和三维电子罗盘4的数据，实现拖拉机本体6或收割机本体7的全局自主导航；拖拉机本体6的全局自主导航包括同基站组定位的直线路径航位偏差测量、反射式-自适应换行作业以及全局自主导航作业，收割机本体7的全局自主导航包括变基站组定位的直线路径航位偏差测量、收获边界距离计算、变换行收获边界距离阈值计算以及全局主导航作业。
如图1、图2和图8所示，用于中小农田的农机UWB导航系统，包括牛耕式往复型作业路径和绕圈式回字型作业路径等两种自主导航作业模式；对于牛耕式往复型作业路径模式，拖拉机本体6始终沿纵向目标作业路径91行走，控制器5仅使用UWB基站组一1G1求解拖拉机本体6的航位偏差，控制器5利用反射式田头距离测距装置3测量拖拉机本体6车头距田埂的水平垂直距离Dt；对于绕圈式回字型作业路径模式，收割机本体7沿纵向目标作业路径91行走，控制器5使用UWB基站组一1G1求解收割机本体7的航位偏差，控制器5使用UWB基站组二1G2求解收割机本体7车头距收获边界的水平垂直距离B；收割机本体7沿横向目标作业路径92行走，控制器5使用UWB基站组二1G2求解收割机本体7的航位偏差，控制器5使用UWB基站组一1G1求解收割机本体7车头距收获边界的水平垂直距离B。
如图9和图10所示，所述同基站组定位的直线路径航位偏差测量包括以下步骤：
步骤一，控制器5首先判断拖拉机本体6所在实际作业行，计算理论目标作业路径距离x；
步骤二，控制器5根据双UWB标签2与UWB基站组一1G1的实时距离(d11、d12、d21和d22)，实时求解UWB标签一2B1、UWB标签二2B2分别与UWB基站组一1G1的水平垂直距离D1、D2；
步骤三，控制器5根据理论目标作业路径距离x、双UWB标签中心间距db以及距离D1、D2，实时求解拖拉机本体6与目标作业路径9的横向偏差X和航向偏差θ，利用如式(1)所示的方程组进行求解：
式中，x为理论目标作业路径距离，KR为拖拉机本体6所在实际作业行数(第一行作业时KR为0，完成一次换行作业KR值自加1)，w1为拖拉机本体6作业幅宽，L1为Δ2B11J11J2周长，L2为Δ2B21J11J2周长，D1G1为拖拉机本体6中心点与UWB基站组一1G1的实时水平垂直距离距离。
如表1所示，为同基站组定位的直线路径航位偏差方向判定表，以偏离农机目标作业路径向左为负，偏离农机目标作业路径向右为正。
表1
如图11和图12所示，所述的反射式-自适应换行作业包括以下步骤：
步骤一，控制器5检测反射式田头距离测距装置3触发，进入自动换行控制程序；
步骤二，控制器5控制拖拉机本体6转弯并通过三维电子罗盘4检测记录自动换行转弯起始航向角θ1；
步骤三，控制器5实时检测记录拖拉机本体6转弯过程中的实时航向角θ2，并同时执行步骤四；
步骤四，控制器5实时计算拖拉机本体6转弯角度θ3＝|θ2-θ1|，当θ3≥180°，认定换行作业完成，控制器5检测航位偏差，进行直线自主导航作业。
如图13所示，所述牛耕式往复型全局自主导航作业流程包括如下步骤：
步骤一，手动遥控拖拉机本体6进入作业起始点的第一行作业路径，并向控制器5的人机交互界面输入dj1、d1、dj2、d2、db、w1以及农田横向作业长度W，待完成系统关键作业参数设置后，启动同基站组定位的直线路径航位偏差测量，控制器5计算最大作业行数Kmax1≈(W/w1)-1，并取整；
步骤二，控制器5开始自主导航作业，进入直线导航作业模式并控制悬挂机具下降和连通后动力输出，控制器5根据实时检测航位偏差控制调整农机转向沿目标作业路径行走，控制器5按照所述同基站组定位的直线路径航位偏差(包括横向偏差和航向偏差)测量控制拖拉机本体6直线导航；当控制器5通过反射式田头距离测距装置3检测到满足换行条件，控制器5按照所述的反射式-自适应换行作业方法调整农机转弯换行，并进入步骤三；
步骤三，当拖拉机本体6开始换行转弯时，控制器5控制悬挂机具抬升并切断动力输出，当控制器5判断自动换行作业完成，控制器5控制悬挂机具下降和连通动力输出，进入直线导航作业模式；
步骤四，根据步骤二～三如此往复，直至KR＞Kmax1时，控制器5认为作业完成，控制器5控制拖拉机本体6自动停机，并通过声光报警提示人为介入控制。
如图14和图15所示，所述变基站组定位的直线路径航位偏差测量包括以下步骤：
步骤一，控制器5计算中间变量K1、K2、K3和K4的数值，控制器5判断K1为0或正整数有效时，控制器5认定收割机本体7在沿纵向目标作业路径正方向91+行走，控制器5判断K2＝1为0或正整数有效时，控制器5认定收割机本体7在沿横向目标作业路径反方向92-行走，控制器5判断K3＝2为0或正整数有效时，控制器5认定收割机本体7在沿纵向目标作业路径反方向91-行走，控制器5判断K4＝3为0或正整数有效时，控制器5认定收割机本体7在沿横向目标作业路径正方向92+行走；
步骤二，控制器5根据K1、K2、K3和K4的有效性和数值大小计算理论目标作业路径x；
步骤三，控制器5根据双UWB标签2与L形三UWB基站组1的距离(d11、d12、d21、d22、d31和d32)实时求解UWB标签一2B1与UWB基站组一1G1中心线的水平垂直距离D1、UWB标签二2B2与UWB基站组一1G1中心线的水平垂直距离D2、UWB标签一2B1与UWB基站组二1G2中心线的水平垂直距离D3、UWB标签二2B2与UWB基站组二1G2中心线的水平垂直距离D4；
步骤四，控制器5判定K1和K3为0或正整数时有效，控制器5使用双UWB标签2与UWB基站组一1G1中心线的水平垂直距离D1和D2、理论目标作业路径距离x、双UWB标签间距db，求解收割机本体7与纵向目标作业路径91的横向偏差X和航向偏差θ以及收割机本体7车头距所在行收获边界距离B；控制器5判定K2和K4为0或正整数时有效，控制器5使用双UWB标签2与UWB基站组二1G2中心线的水平垂直距离D3和D4、理论目标作业路径距离x、双UWB标签间距db求解收割机本体7与横向目标作业路径92的横向偏差X和航向偏差θ以及收割机本体7车头距所在行收获边界距离B。
收割机本体7所在实际作业行状态判断方程、变基站组定位的直线路径航位偏差方程组，如式(2)、式(3′)和式(3″)所示：
式中，KQ为收割机本体7实际转弯次数(第一行作业时KQ为1，完成一次换行作业KQ值自加1)，w2为收割机本体7作业幅宽，L3为Δ2B11J21J3周长，L4为Δ2B21J21J3周长，D1G2为收割机本体7中心点与UWB基站组二1G2的实时水平垂直距离距离，H为收获边界纵向最大长度，L为收获边界横向最大长度，其余公式中符号定义见式(1)说明。
如表2和表3所示，为绕圈式回字型作业路径模式的自主导航方法的变基站定位的自主导航航位偏差方向判定表，以偏离农机目标作业路径向左为负，偏离农机目标作业路径向右为正。
表2
表3
如图16所示，收割机本体7在沿纵向目标作业路径正方向91+行走时，控制器5计算收割机本体7距横向目标作业路径反方向92-距离作为收获边界距离；收割机本体7在沿横向目标作业路径反方向92-行走时，控制器5计算收割机本体7距纵向目标作业路径反方向91-距离作为收获边界距离；收割机本体7在沿纵向目标作业路径反方向91-行走时，控制器5计算收割机本体7距横向目标作业路径正方向92+距离作为收获边界距离；收割机本体7在沿横向目标作业路径正方向92+行走时，控制器5计算收割机本体7距纵向目标作业路径正方向91+距离作为收获边界距离。
如图17所示，所述的收获边界距离计算方法包括如下步骤：
步骤一，控制器5计算KQ除以4取余数，赋值于K′(只会等于正整数0、1、2和3)；
步骤二，控制器5根据双UWB标签2在收割机本体7上的布置特征参数、收割机本体7所在实际作业情况和K′数值大小计算收割机本体7距前方收获边界的实时距离B。
其中收割机本体7所在实际作业行距前方收获边界的实时距离如式4所示：
式中，K′为收割机本体7所在的作业行工况状态，B为收割机本体7距收获边界距离，l为收割机本体7纵向长度。
如图18所示，所述的变换行收获边界距离阈值计算方法包括如下步骤：
步骤一，控制器5中K″预赋值为1，当控制器5判断K′等于3时，K″自加1，控制器5根据K″数值判断收割机本体7实际作业圈数；
步骤二，控制器5根据收割机本体7作业幅宽w2和K″数值大小计算单圈作业的变换行收获边界距离阈值B′。
其中收割机本体7所在实际作业行的变换行收获边界距离阈值计算如式5所示：
式中，K″为收割机本体7实际作业圈数，B′为变换行收获边界距离阈值。
如图18和图20所示，所述的绕圈式回字型全局自主导航作业流程，具体包括如下步骤：
步骤一，手动遥控收割机本体7进入作业起点拐角处的第一行作业路径，并向控制器5的人机交互界面输入dj1、d1、dj2、d2、db、w1以及农田横向作业长度W，待完成系统关键作业参数设置后，控制器5计算最大作业行数Kmax2≈(2H/w2)，并取整，启动绕圈式回字型作业路径自主导航作业模式，控制器5开始自主导航作业，进入直线导航作业模式并控制割台下降和连通拨禾轮动力输出，控制器5根据变基站组定位的直线路径航位偏差测量方法实时控制调整农机转向沿目标作业路径行走，控制器5通过收获边界距离计算方法和变换行收获边界距离阈值计算方法检测到满足换行条件进入步骤二；
步骤二，按照所述的反射式-自适应换行作业方法的步骤二～四执行换行作业控制，仅改变收割机本体7转弯角度，当θ3≥90°，认定换行作业完成，并进入步骤三；
步骤三，当收割机本体7开始换行转弯时，控制器5控制割台抬升并切断拨禾轮动力输出，当控制器5判断自动换行作业完成，控制器5控制割台下降和连通拨禾轮动力输出，进入直线导航作业模式；
步骤四，根据步骤二～三如此往复，直至KQ＞Kmax2时，控制器5认为作业完成，控制器5控制收割机本体7自动停机，并通过声光报警提示人为介入控制。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.面向中小农田的便携少基站组式农机UWB导航方法，其特征在于，所述导航方法基于L形三UWB基站组(1)实现，所述L形三UWB基站组(1)包括UWB基站一(1J1)、UWB基站二(1J2)和UWB基站三(1J3)，UWB基站一(1J1)和UWB基站二(1J2)组成UWB基站组一(1G1)，UWB基站组一(1G1)平行纵向目标作业路径(91)布置，且距平行田埂水平距离为d1，所述UWB基站一(1J1)和UWB基站二(1J2)的中心间距为dj1；在绕圈式回字型作业路径模式中，UWB基站二(1J2)和UWB基站三(1J3)组成UWB基站组二(1G2)，UWB基站组二(1G2)平行横向目标作业路径(92)布置，且距平行田埂水平距离为d2，所述UWB基站二(1J2)和UWB基站三(1J3)的中心间距为dj2；
所述导航方法具体为：
控制器(5)实时解析双UWB标签(2)、反射式田头距离测距装置(3)和三维电子罗盘(4)的数据，实现拖拉机本体(6)或收割机本体(7)的全局自主导航；所述拖拉机本体(6)的全局自主导航包括同基站组定位的直线路径航位偏差测量、反射式-自适应换行作业以及全局自主导航作业，收割机本体(7)的全局自主导航包括变基站组定位的直线路径航位偏差测量、收获边界距离计算、变换行收获边界距离阈值计算以及全局主导航作业；
所述同基站组定位的直线路径航位偏差测量，包括：
首先判断拖拉机本体(6)所在实际作业行，计算理论目标作业路径距离x；
根据实时距离d11、d12、d21和d22，实时求解UWB标签一(2B1)与UWB基站组一(1G1)的水平垂直距离D1、UWB标签二(2B2)与UWB基站组一(1G1)的水平垂直距离D2；
根据理论目标作业路径距离x、双UWB标签的中心间距db以及距离D1和D2，实时求解拖拉机本体(6)与目标作业路径(9)的横向偏差X和航向偏差θ；
所述变基站组定位的直线路径航位偏差测量，包括：
计算中间量K1、K2、K3和K4的数值，控制器(5)判断K1为0或正整数有效时，认定收割机本体(7)在沿纵向目标作业路径正方向91+行走，判断K2＝1为0或正整数有效时，认定收割机本体(7)在沿横向目标作业路径反方向92-行走，判断K3＝2为0或正整数有效时，认定收割机本体(7)在沿纵向目标作业路径反方向91-行走，判断K4＝3为0或正整数有效时，认定收割机本体(7)在沿横向目标作业路径正方向92+行走；
根据K1、K2、K3和K4的有效性和数值大小计算理论目标作业路径x；
根据距离d11、d12、d21、d22、d31和d32，实时求解D1、D2、UWB标签一(2B1)与UWB基站组二(1G2)中心线的水平垂直距离D3、UWB标签二(2B2)与UWB基站组二(1G2)中心线的水平垂直距离D4；
判定K1和K3为0或正整数时有效，利用所述D1和D2、理论目标作业路径距离x、双UWB标签的中心间距db，求解收割机本体(7)与纵向目标作业路径(91)的横向偏差X和航向偏差θ以及收割机本体(7)车头距所在行收获边界距离B；
判定K2和K4为0或正整数时有效，利用所述D3和D4、理论目标作业路径距离x、双UWB标签的中心间距db，求解收割机本体(7)与横向目标作业路径(92)的横向偏差X′和航向偏差θ′以及收割机本体(7)车头距所在行收获边界距离B；
所述横向偏差X和航向偏差θ通过如下公式计算获取：
其中： L1＝dj1+d11+d12，L2＝dj1+d21+d22，x为理论目标作业路径距离，KR为拖拉机本体(6)所在实际作业行数，w1为拖拉机本体(6)作业幅宽，L1为Δ2B11J11J2周长，L2为Δ2B21J11J2周长，D1G1为拖拉机本体(6)中心点与UWB基站组一(1G1)的实时水平垂直距离距离，d11为UWB标签一(2B1)距UWB基站一(1J1)的实时距离，d12为UWB标签一(2B1)距UWB基站一(1J2)的实时距离，d13为UWB标签一(2B1)距UWB基站一(1J3)的实时距离，d21为UWB标签二(2B2)距UWB基站一(1J1)的实时距离，d22为UWB标签二(2B2)距UWB基站二(1J2)的实时距离，d23为UWB标签二(2B2)距UWB基站一(1J3)的实时距离；
所述横向偏差X′和航向偏差θ′通过如下公式计算获取：
其中： L3＝dj2+d12+d13，L4＝dj2+d22+d23，L3为Δ2B11J21J3周长，L4为Δ2B21J21J3周长，D1G2为收割机本体(7)中心点与UWB基站组二(1G2)的实时水平垂直距离距离，H为收获边界纵向最大长度，L为收获边界横向最大长度；
所述K1、K2、K3和K4分别根据如下公式计算得到：
K1＝(KQ-1)/4
K2＝(KQ-2)/4
K3＝(KQ-3)/4
K4＝(KQ-4)/4
K1、K2、K3和K4的有效性根据如下方式进行判断：
其中：KQ为收割机本体(7)实际转弯次数，w2为收割机本体(7)作业幅宽。
2.根据权利要求1所述的便携少基站组式农机UWB导航方法，其特征在于，所述反射式-自适应换行作业，具体为：
反射式田头距离测距装置(3)触发；
控制拖拉机本体(6)转弯并通过三维电子罗盘(4)检测记录自动换行转弯起始航向角θ1；
实时检测记录拖拉机本体(6)转弯过程中的实时航向角θ2；
实时计算拖拉机本体(6)转弯角度θ3＝|θ2-θ1|，当θ3≥180°，认定换行作业完成，控制器(5)检测航位偏差，进行直线自主导航作业。
3.根据权利要求2所述的便携少基站组式农机UWB导航方法，其特征在于，所述拖拉机本体(6)的全局自主导航作业，具体为：
手动遥控拖拉机本体(6)进入作业起始点拐角的第一行作业路径，并向控制器(5)的人机交互界面输入dj1、d1、dj2、d2、db、w1以及农田横向作业长度W，待完成系统关键作业参数设置后，启动所述同基站组定位的直线路径航位偏差测量，控制器(5)计算最大作业行数Kmax1≈(W/w1)-1，并取整；
控制器(5)开始自主导航作业，进入直线导航作业模式并控制悬挂机具下降和连通后动力输出，控制器(5)根据实时检测航位偏差控制调整农机转向沿目标作业路径行走，控制器(5)按照所述同基站组定位的直线路径航位偏差测量控制拖拉机本体(6)直线导航；当通过反射式田头距离测距装置(3)检测到满足换行条件，控制器(5)按照所述的反射式-自适应换行作业方法调整农机转弯换行；
当拖拉机本体(6)开始换行转弯时，控制器(5)控制悬挂机具抬升并切断动力输出，当控制器(5)判断自动换行作业完成，控制器(5)控制悬挂机具下降和连通动力输出，进入直线导航作业模式；
直至KR＞Kmax1时，控制器(5)控制拖拉机本体(6)自动停机，提示人为介入控制。
4.根据权利要求1所述的便携少基站组式农机UWB导航方法，其特征在于，所述收获边界距离计算的具体过程为：
计算KQ除以4取余数，赋值于K′；
控制器(5)根据双UWB标签(2)在收割机本体(7)上的布置特征参数、收割机本体(7)所在实际作业情况和K′数值大小，计算收割机本体(7)距前方收获边界的实时距离B；
所述K′＝[KQ/4]，[]表示取余数，
5.根据权利要求4所述的便携少基站组式农机UWB导航方法，其特征在于，所述变换行收获边界距离阈值计算的具体过程为：
K″预赋值为(1)，当控制器(5)判断K′等于3时，K″自加1，控制器(5)根据K″数值判断收割机本体(7)实际作业圈数；
控制器(5)根据收割机本体(7)作业幅宽w2和K″数值大小，计算单圈作业的变换行收获边界距离阈值B′；
所述
6.根据权利要求5所述的便携少基站组式农机UWB导航方法，其特征在于，收割机本体(7)的全局主导航作业具体为：
手动遥控收割机本体(7)进入作业起始点拐角的第一行作业路径，并向控制器(5)的人机交互界面输入dj1、d1、dj2、d2、db、w1以及农田横向作业长度W，待完成系统关键作业参数设置后，控制器(5)计算最大作业行数Kmax2≈(2H/w2)，并取整；控制器(5)开始自主导航作业，进入直线导航作业模式并控制割台下降和连通拨禾轮动力输出，控制器(5)根据实时检测航位偏差控制调整农机转向沿目标作业路径行走，通过收获边界距离计算方法和变换行收获边界距离阈值计算方法，检测到满足换行条件；
执行换行作业控制，仅改变收割机本体(7)转弯角度，当θ3≥90°，认定换行作业完成；
当收割机本体(7)开始换行转弯时，控制器(5)控制割台抬升并切断拨禾轮动力输出，当控制器(5)判断自动换行作业完成，控制器(5)控制割台下降和连通拨禾轮动力输出，进入直线导航作业模式；
直至KQ＞Kmax2时，控制器(5)控制收割机本体(7)自动停机，并提示人为介入控制。
7.一种实现权利要求1-6任一项所述的便携少基站组式农机UWB导航方法的系统，其特征在于，包括L形三UWB基站组(1)、双UWB标签(2)、反射式田头距离测距装置(3)、三维电子罗盘(4)和控制器(5)，L形三UWB基站组(1)设置在作业起始点拐角处，双UWB标签(2)设置在车身上，反射式田头距离测距装置(3)安装在车头前部，L形三UWB基站组(1)与双UWB标签(2)通信，双UWB标签(2)、反射式田头距离测距装置(3)和三维电子罗盘(4)均与控制器(5)通信；所述反射式田头距离测距装置(3)包括两个处于同一高度水平直线上的反射式测距传感器(31)，两个反射式测距传感器(31)位于车头最外侧，且关于车身本体的纵向中心轴线l1对称布置。
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| CN114371699A (zh) | 2022-04-19 |
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| GR01 | Patent grant | ||
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