CN117075485A - 一种农机自动驾驶导航设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种农机自动驾驶导航设备，属于机器人控制领域和导航领域。该自动驾驶导航设备包括主计算平台工控机、获取定位信息的GNSS、获取姿态信息的IMU、用于操作人员监控和操作的触摸显示器、控制转向的电动方向盘、获取轮角的角度传感器。本发明通过高精度的RTK定位模块、平板界面的工作区域规划，自动生成规划好的路径，并结合主计算平台工控机、GNSS、IMU、触摸显示器、电动方向盘和角度传感器等多个组件，实现了对农机行驶的精确控制。通过读取GNSS定位信息并进行坐标转换，系统能够获取农机当前的位置，并自动生成行驶路径和转弯路径。最后，通过MPC算法对农机进行引导和控制，实现了农机的自动化行驶。
Description
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，同时涉及导航技术领域，具体涉及一种农机自动驾驶导航设备。
背景技术
传统农机需要人工操控和操作，包括驾驶、操作控制等。这对农民来说需要投入大量时间和体力，并且受限于农民的技能水平和经验，操作精度有一定的波动性。由于传统农机的操作需要人工参与，其作业速度较慢且存在重复作业的情况。相比之下，自动驾驶农机能够根据预设路径和规划好的作业方式进行高效的自主作业，提高了作业效率。传统农机在进行作业时，受到人为因素以及视觉限制的影响，难以达到高精度的作业需求。而自动驾驶农机通过利用先进的导航技术和传感器系统，能够实现精准的作业操作，避免了人为误差。传统农机操作过程中，驾驶员可能会疲劳、分心或出现其他安全隐患，容易导致事故发生。而自动驾驶农机具备自主感知和避障能力，能够更好地保障作业安全。传统农机在进行施肥、喷洒农药等操作时，往往无法准确控制投入品的用量，容易造成资源的浪费和环境污染。而自动驾驶农机借助先进的传感器和技术，可以实现精确的用药用肥，最大限度地减少资源浪费。对于自动驾驶农机而言，导航系统是实现自动化引导和控制的基础，因此导航系统的性能对自动驾驶农机的功能和控制精度具有直接影响。目前，常规导航设备的导航实现方法相对局限，而且在控制精度方面也有待改善。
发明内容
本发明旨在针对现有技术的技术缺陷，提供一种农机自动驾驶导航设备，以解决常规导航设备的导航实现方法相对局限的技术问题。
本发明要解决的另一技术问题是，如何提升农机自动驾驶导航设备的控制精度。
为实现以上技术目的，本发明采用以下技术方案：
一种农机自动驾驶导航设备，包括主计算平台工控机、获取定位信息的GNSS、获取姿态信息的IMU、用于操作人员监控和操作的触摸显示器、控制转向的电动方向盘、获取轮角的角度传感器。
作为优选，本导航系统运行在工控机上，通过GNSS接收器接收卫星信号以获取位置和导航信息。
作为优选，GNSS接收器与GPS系统、GLONASS系统、Galileo系统、北斗系统兼容。
作为优选，导航控制器将读取到的GNSS数据的经纬度信息转换为可以用于控制计算的xyz，通过一个将经纬度坐标转换为MGRS格式的函数；它接受输入参数为经度和纬度，并返回一个包含MGRS格式字符串、东向坐标和北向坐标的元组。
作为优选，本导航系统使用mpc算法进行控制农机行驶；首先建立系统的数学模型，包括系统的状态方程和输出方程；然后根据控制需求，将控制问题转化为一个优化问题；定义目标函数，由控制效果指标和约束条件组成；利用系统的数学模型进行预测模型构建；根据当前系统状态和已知的控制指令，预测未来一段时间内的状态轨迹；在每个时间步上，通过优化方法求解优化问题，选择最优控制指令；考虑目标函数和约束条件，使得预测模型产生的状态轨迹尽可能接近期望的轨迹；根据优化得到的最优控制指令，将其应用于实际系统；在下一个时间步上，重新进行系统状态观测和MPC算法计算，以实现闭环控制。
作为优选，所述模型是线性的或非线性的，描述了系统状态如何随时间变化以及输出如何与状态相关联。
作为优选，导航设备在地块地头处生成掉头路径，该掉头路径生成功能采用曲线拟合算法，基于给定的参数和条件，使用曲线拟合的方法生成平滑的掉头路径。
作为优选，所述曲线拟合的方法为最小二乘法或多项式回归法。
作为优选，电动方向盘通过电动机驱动，农机根据规划好的路径由电动方向盘进行转弯操作，以实现预期的行驶路线。
作为优选，角度传感器实时监测和记录农机轮子的转角情况；通过读取转角数据，进行路径调整和控制。
本发明是基于高精度的RTK定位模块，通过该模块对农机进行精确定位。同时，利用平板界面作为工作区域的规划工具，可以方便地进行路径规划操作，并自动生成规划好的路径。为了实现这一目标，本发明包括多个关键组件和设备。首先，主计算平台工控机作为核心设备之一，用于处理和控制整个系统的运行。它承担着数据处理、路径规划以及控制指令发送等重要功能。工控机的高性能处理能力保证了系统的实时性和稳定性。其次，GNSS（全球导航卫星系统）是获取农机定位信息的组件之一。通过读取GNSS的定位信息，我们可以获得农机当前的准确位置。这个位置信息可以被进一步转换成经纬度坐标或者MGRS（军事网格参考系统）坐标，以便进行后续的路径规划和控制。另外，IMU（惯性测量单元）用于获取农机的姿态信息，包括倾斜角度、方向等参数。这些信息对于精确控制农机的行驶方向和角度非常重要。在操作和监控方面，本发明采用了触摸显示器作为农机操作人员的交互界面。通过这个触摸显示器，操作人员可以实时监控农机的位置、路径以及其他相关信息，并进行必要的操作和调整。此外，控制转向的电动方向盘是系统中的另一个关键部件。它通过电动机驱动，实现对农机的转向控制。凭借这个电动方向盘，农机可以根据规划好的路径进行精确的转弯操作，以实现预期的行驶路线。还有一个获取轮角的角度传感器，用于实时监测和记录农机轮子的转角情况。通过读取这些转角数据，系统可以更准确地掌握农机在道路上的行驶情况，从而进行路径调整和控制。
综上所述，本发明通过高精度的RTK定位模块、平板界面的工作区域规划，自动生成规划好的路径，并结合主计算平台工控机、GNSS、IMU、触摸显示器、电动方向盘和角度传感器等多个组件，实现了对农机行驶的精确控制。通过读取GNSS定位信息并进行坐标转换，系统能够获取农机当前的位置，并自动生成行驶路径和转弯路径。最后，通过MPC（模型预测控制）算法对农机进行引导和控制，实现了农机的自动化行驶。这项发明在提高农业生产效率、降低劳动强度以及优化作业质量等方面具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的架构图。
图2为本发明的mpc求解示意图。
图3为本发明的掉头路径规划步骤流程示意图。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行详细描述。为了避免过多不必要的细节，在以下实施例中对属于公知的结构或功能将不进行详细描述。以下实施例中所使用的近似性语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。除有定义外，以下实施例中所用的技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员普遍理解的相同含义。
1）如图1所示，本发明是为农机提供自动驾驶功能的导航设备，其包括主计算平台工控机、获取定位信息的GNSS、获取姿态信息的IMU、用于操作人员监控和操作的触摸显示器、控制转向的电动方向盘、获取轮角的角度传感器。
2）本导航系统运行在工控机上，通过GNSS接收器接收卫星信号以获取准确的位置和导航信息。GNSS接收器与GPS、GLONASS、Galileo、北斗等系统兼容。为了方便用户查看地图和操作菜单，通常需要连接一个适合的显示屏（例如平板电脑或触摸屏显示器）。此外，还可以使用鼠标、键盘或触摸屏等输入设备进行操作。根据具体需求，需要连接额外的控制模块和传感器来实现自动驾驶功能。例如，电动液压阀控制模块用于控制农业机械的转向系统，而车速传感器则用于测量车辆的实际速度。
3）导航控制器将读取到的GNSS数据的经纬度信息转换为可以用于控制计算的xyz，通过一个将经纬度坐标转换为MGRS（Military Grid Reference System）格式的函数。它接受输入参数为经度（lon）和纬度（lat），并返回一个包含MGRS格式字符串、东向坐标（easting）和北向坐标（northing）的元组。具体的代码逻辑如下，首先声明了一些变量，包括UTM坐标的x和y值、MGRS格式的东向坐标和北向坐标、UTM区域号等。然后调用getUtmZoneNumber函数获取给定经纬度的UTM区域号，然后调用latlon2utm函数将经纬度坐标转换为UTM坐标，latlon2utm函数接受输入的纬度和经度值作为参数，并使用引用来输出UTM坐标x和y。它检查纬度是否在有效范围内（-80 度到 84 度之间），以及经度是否在有效范围内（-180 度到 180 度之间）。它计算了各种三角函数和变量，用于转换，如将纬度转换为弧度，计算纬度的正切，并根据纬度确定UTM区域号码和字母。它计算给定UTM区域的中央经度。它计算转换所需的其他变量，包括比例因子（n）、系数（c）和经度与中央经度之间的差的各个幂次（a）。它使用预定义的常量计算子午圈弧长（m）。最后，它使用提供的公式计算UTM坐标x和y，考虑到参考椭球体参数、纬度和之前计算的值。如果纬度小于0，则对最终的y值进行调整。并将结果赋给utm_x和utm_y。对于特殊情况，当纬度小于等于0且utm_x等于1.0e7时，将纬度设置为0，northing设置为0。根据区域号的奇偶性来确定MGRS格式中第二个字母和格网模式的偏移量。计算northing（以米为单位）：先取northing对2000000.0取余，然后加上相应的模式偏移量（pattern_offset），最后如果northing大于等于2000000.0，则减去2000000.0。计算经度对应的字母：根据不同的纬度范围，确定第一个字母。对于特殊情况，当letters[0]等于21且区域号等于31且easting等于500000.0时，将easting减1.0。创建mgrs_code字符串，并通过ostringstream将其他变量转换为字符串并拼接到mgrs_code中。将mgrs_code、easting和northing作为元组返回。
4）如图2所示，本导航系统使用mpc（Model Predictive Control，模型预测控制）算法进行控制农机行驶,首先建立系统的数学模型，包括系统的状态方程和输出方程。这些模型可以是线性的或非线性的，描述了系统状态如何随时间变化以及输出如何与状态相关联。然后根据控制需求，将控制问题转化为一个优化问题。定义目标函数，通常由控制效果指标和约束条件组成，例如最小化误差、最大化性能等。利用系统的数学模型进行预测模型构建。根据当前系统状态和已知的控制指令，预测未来一段时间内的状态轨迹。在每个时间步上，通过优化方法求解优化问题，选择最优控制指令。考虑目标函数和约束条件，使得预测模型产生的状态轨迹尽可能接近期望的轨迹。根据优化得到的最优控制指令，将其应用于实际系统。在下一个时间步上，重新进行系统状态观测和MPC算法计算，以实现闭环控制。
5）根据下面状态方程（1），其中，x(k)是系统在时间步k的状态向量，u(k)是在时间步k的控制输入。输出方程（2），其中，y(k)是系统在时间步k的输出向量。
根据优化问题的目标函数：
J是优化目标函数，Q表示状态误差的权重，R表示控制输入的权重。通过调整Q和R的权重可以实现对状态和控制输入的优化。
根据优化问题的约束条件：
其中，g(x(k))表示状态约束条件，h(x(k), u(k))表示输入约束条件。这些约束条件可以包括系统状态、控制输入的上下限等。
6）如图3所示，导航设备会在地块地头处自动生成掉头路径，只需要操作人员在软件界面上选择需要进行掉头的地块或区域。在软件的路径规划功能中，找到掉头选项，会有一个掉头按钮或相关设置。点击掉头按钮或进行相关设置，根据需要选择所需的掉头类型。常见的掉头类型包括90度掉头、180度掉头或自定义角度的掉头。根据软件提示和操作指南，调整掉头的位置和角度。就可以在地块边界或其他指定位置设置掉头点。确认掉头设置后，软件将自动生成掉头路线。可以在地图上看到掉头路线的示意图，并对其进行调整和优化。该掉头路径生成功能采用曲线拟合算法，基于给定的参数和条件，使用曲线拟合的方法生成平滑的掉头路径。这种方法可以通过数学模型和优化算法来确定最佳曲线的形状和参数。曲线拟合算法是一种通过数学模型和统计方法来逼近一组离散数据点的曲线。具体的计算过程会根据所采用的拟合方法而有所不同。以下是一种常见的曲线拟合算法——最小二乘法的简要步骤：首先将需要拟合的离散数据点作为输入。每个数据点都由横坐标和纵坐标（或多维坐标）构成。根据数据的特征和需求，选择一个合适的函数模型来表示拟合曲线。常见的函数模型包括线性函数、多项式函数、指数函数等。将拟合函数模型与数据点之间的误差进行描述，并构建一个目标函数，目标函数的值越小表示拟合效果越好。最常使用的是平方误差作为目标函数。针对构建的目标函数，使用最小二乘法或其他优化方法，找到使目标函数取得最小值的拟合参数。最小二乘法通常涉及对目标函数进行偏导数计算和求解最优参数的线性方程组。根据拟合参数，生成最终的拟合曲线。可以通过计算残差（实际数据点与拟合曲线之间的差异）来评估拟合结果的好坏。
7）多项式回归是一种曲线拟合方法，用于将离散的数据点拟合为多项式函数曲线。它的拟合函数模型可以表示为：
其中，y代表因变量（也称为响应变量或目标变量），x代表自变量（也称为特征变量或解释变量），a0、a1、a2等代表拟合参数，n表示多项式的阶数。具体来说，给定一组二维离散数据点的横坐标和纵坐标(xi, yi)，多项式回归的目标是找到一条多项式曲线，使得曲线上的点与实际数据点的距离最小（即最小化误差）。为了达到这个目标，通过最小二乘法或其他优化算法，需要求解出最优的拟合参数a0、a1、a2等。
例如，当采用二次多项式回归时（n=2），拟合函数模型为：
其中，a0、a1、a2代表要求解的拟合参数，分别表示截距、一次项系数和二次项系数。通过拟合过程，我们可以得到在二维平面上的一条抛物线曲线，使得曲线上的点与数据点之间的误差最小。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明的申请范围内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种农机自动驾驶导航设备，其特征在于，包括主计算平台工控机、获取定位信息的GNSS、获取姿态信息的IMU、用于操作人员监控和操作的触摸显示器、控制转向的电动方向盘、获取轮角的角度传感器。
2.根据权利要求1所述的一种农机自动驾驶导航设备，其特征在于，本导航系统运行在工控机上，通过GNSS接收器接收卫星信号以获取位置和导航信息。
3.根据权利要求2所述的一种农机自动驾驶导航设备，其特征在于，GNSS接收器与GPS系统、GLONASS系统、Galileo系统、北斗系统兼容。
4.根据权利要求1所述的一种农机自动驾驶导航设备，其特征在于，导航控制器将读取到的GNSS数据的经纬度信息转换为可以用于控制计算的xyz，通过一个将经纬度坐标转换为MGRS格式的函数；它接受输入参数为经度和纬度，并返回一个包含MGRS格式字符串、东向坐标和北向坐标的元组。
5.根据权利要求1所述的一种农机自动驾驶导航设备，其特征在于，本导航系统使用mpc算法进行控制农机行驶；首先建立系统的数学模型，包括系统的状态方程和输出方程；然后根据控制需求，将控制问题转化为一个优化问题；定义目标函数，由控制效果指标和约束条件组成；利用系统的数学模型进行预测模型构建；根据当前系统状态和已知的控制指令，预测未来一段时间内的状态轨迹；在每个时间步上，通过优化方法求解优化问题，选择最优控制指令；考虑目标函数和约束条件，使得预测模型产生的状态轨迹接近期望的轨迹；根据优化得到的最优控制指令，将其应用于实际系统；在下一个时间步上，重新进行系统状态观测和MPC算法计算，以实现闭环控制。
6.根据权利要求5所述的一种农机自动驾驶导航设备，其特征在于，所述模型是线性的或非线性的，描述了系统状态如何随时间变化以及输出如何与状态相关联。
7.根据权利要求1所述的一种农机自动驾驶导航设备，其特征在于，导航设备在地块地头处生成掉头路径，该掉头路径生成功能采用曲线拟合算法，基于给定的参数和条件，使用曲线拟合的方法生成平滑的掉头路径。
8.根据权利要求7所述的一种农机自动驾驶导航设备，其特征在于，所述曲线拟合的方法为最小二乘法或多项式回归法。
9.根据权利要求1所述的一种农机自动驾驶导航设备，其特征在于，电动方向盘通过电动机驱动，农机根据规划好的路径由电动方向盘进行转弯操作，以实现预期的行驶路线。
10.根据权利要求1所述的一种农机自动驾驶导航设备，其特征在于，角度传感器实时监测和记录农机轮子的转角情况；通过读取转角数据，进行路径调整和控制。
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