CN211454364U - 一种无人驾驶拖拉机控制系统 - Google Patents

Abstract

一种无人驾驶拖拉机控制系统，包括：卫星定位模块、环境感知模块、遥控干预模块、云平台模块、路径规划模块、决策控制模块和安全模块；卫星定位模块、环境感知模块、遥控干预模块、云平台模块和路径规划模块分别与决策控制模块连接；卫星定位模块、环境感知模块、遥控干预模块和云平台模块分别与安全模块连接；卫星定位模块和路径规划模块连接。由于采用激光雷达、毫米波雷达、机器视觉相机的多传感器，可靠性高，更准确快速地识别出障碍物的类型和距离。有遥控干预模块、云平台模块，极大地提高了无人驾驶拖拉机的安全性和易用性。开发了套行模式和梭行模式两种路径规划模式，方便灵活，提高效率，能满足多机协同作业要求。

Description

一种无人驾驶拖拉机控制系统

技术领域

本实用新型属于拖拉机领域，涉及一种无人驾驶拖拉机控制系统。

背景技术

目前，随着市场对拖拉机产品质量、智能化程度要求的不断提高，对拖拉机控制系统的技术要求也越来越高，尤其大型农场和农机合作社对拖拉机的智能化需求更加强烈。由于拖拉机作业工况复杂，作业环境恶劣，而现有的拖拉机大部分是人工操作，人工操作不仅作业效率低，作业质量差，而且对机手的身体健康也容易造成威胁。无人驾驶拖拉机的应运而生，为大型农场和农机合作社的智能化和精细化作业提供了重要的支撑。控制系统则是无人驾驶拖拉机的关键技术部位。

国家知识产权局2016年8月31日公布的发明专利申请“基于北斗导航的农业机械自动驾驶控制装置”，专利申请号： 2016102528622，专利申请日：2016年4月22日，公告号为：CN105911985A。该申请与本专利申请内容较为接近。该发明申请实际上只是一种农业机械辅助驾驶技术，仅能自动控制拖拉机的转向，使拖拉机能够笔直地行驶。但是，在拖拉机行进中遇到障碍物、地头调头、控制农具等工况时，在需要改变拖拉机的动力挡位、前后换向、刹车、油门等的状态时，驾驶员仍需要进入拖拉机驾驶室内操作，难以满足解放人工劳动力，提高作业效率的需要。

国家知识产权局2018年7月31日公布的发明专利申请“一种农机自动驾驶系统”，专利申请号: 2018102956802，专利申请日：2018年4月4日，公告号为：CN108345310A。该申请与本专利申请内容较为接近。该发明申请可以实现避障和自动调头，但在避障时需要提前采集障碍物坐标点，并以此作为避障的依据。但是，在有人、车、动物等动态的障碍物时，拖拉机将无法识别容易发生危险。在农田中静态障碍物情况发生变化时，还需要重新采集障碍物坐标点，不仅无法进行动态障碍物的避障，安全性差，还需要事先采集障碍物坐标点，增加了用户的工作负担。该发明申请的自动调头虽能满足基本需求，但拖拉机转弯半径过大，调头时如果只控制转向，不减速，不倒车，调头的效果将会很差，无法快速对齐第二垄。并且拖拉机在实际作业时，后部挂有农具，在调头时需要通过悬挂装置提起农具，然后再进行调头。单一的调头功能并不能满足拖拉机生产实际的需要。换言之，该发明申请仍需要驾驶员在驾驶室内进行操作，难以满足解放人工劳动力，提高作业效率的需要。

国家知识产权局2017年8月18日授权的实用新型专利“一种基于北斗的农机自动驾驶控制装置”，专利申请号为2017200804416，专利申请日为：2017年1月22日，公告号为：CN206421229U，与本专利申请内容较为接近。该实用新型通过卫星定位模块输出定位结果并发送给导航控制模块，通过由毫米波雷达和机器视觉相机组成的环境感知模块感应农机前方和四周的环境信息，并将识别结果发送给导航控制模块，导航控制模块根据接收到的农机位置信息和周围环境信息规划出农机要执行的动作，并将农机动作指令发送给农机主控端，农机主控端控制农机的换向、刹车和悬挂机具的升降。该实用新型虽然满足了无人驾驶拖拉机的一部分需求，但是，该实用新型的环境感知模块中的毫米波雷达由于波长原因，探测距离有限，无法对周边所有障碍物实现精确的建模，机器视觉相机受环境因素影响较大，夜间可靠性不高，无法满足全天候工作的需要。最重要的是，该实用新型的所有控制功能均通过将动作指令发给主机厂的农机主控端来最终实现，极大地依赖了主机厂农机主控端的性能和控制逻辑，难以满足无人驾驶车辆最基本的性能——安全性。并且，只能控制换向、刹车、悬挂升降，存在较大局限性，难以满足无人驾驶拖拉机的作业实际需要。

总而言之，现有技术中的拖拉机智能驾驶解决方案，更多的是一种自动辅助驾驶，在一定程度上减轻了农机驾驶员的工作强度，在真正的拖拉机实际作业过程中，仍需要驾驶员在驾驶室内进行较多操作。

实用新型内容

针对目前的拖拉机智能驾驶解决方案的的缺陷，本实用新型实现了一种无人驾驶拖拉机控制系统。通过该系统，拖拉机可以远程一键启动、远程一键急停，拖拉机的左右转向、前后换向、动力挡位、刹车、发动机转速、悬挂升降、后动力输出、液压输出、差速、四驱等状态均可自动控制，并且可以多机协同作业。

同时，在无人驾驶拖拉机作业过程中，可远程在手机或电脑上观看拖拉机周围的实时状态，监测拖拉机工作的各项工作参数，并可随时对拖拉机的各项工作状态进行干预调整，在必要时还可进行远程急停，全方位保证无人驾驶拖拉机的安全性。

为了实现本实用新型所述的目的，采用以下技术方案：一种无人驾驶拖拉机控制系统，包括：卫星定位模块、环境感知模块、遥控干预模块、云平台模块、路径规划模块、决策控制模块和安全模块；卫星定位模块、环境感知模块、遥控干预模块、云平台模块和路径规划模块分别与决策控制模块连接；同时，卫星定位模块、环境感知模块、遥控干预模块和云平台模块分别与安全模块连接；卫星定位模块和路径规划模块连接。

所述卫星定位模块，包括:卫星导航箱、电台天线、卫星导航天线、车载显示器和差分基准站；卫星导航箱分别与电台天线、卫星导航天线和车载显示器通过有线连接，电台天线与差分基准站通过无线连接。

所述环境感知模块，包括:雷达相机数据计算处理器、激光雷达、毫米波雷达和机器视觉相机；激光雷达、毫米波雷达、机器视觉相机分别与雷达相机数据计算处理器通过有线连接。

所述遥控干预模块，包括：由遥控发射器和车载遥控接收机；遥控发射器与车载遥控接收机通过无线连接。

所述云平台模块，包括:摄像头、车载信息采集控制终端、服务器和客户端；八个摄像头与车载信息采集控制终端通过有线连接，车载信息采集控制终端与服务器通过无线连接，服务器与客户端通过无线连接。

所述路径规划模块，包括：路径规划算法模块和车载显示器；路径规划算法模块和车载显示器通过有线连接。

所述安全模块，包括：防陷车模块、防碰撞模块和急停模块；三个模块之间无连接关系。

无人驾驶拖拉机控制系统的控制方法如下：

【1】操作者在距拖拉机20km内架设差分基准站，选择某一信道，在车载显示器上选择相同的信道，等待10秒后，车载显示器上通讯成功指示灯显示绿色；

【2】操作者进入驾驶室，关闭仪表台上的无人驾驶开关，手动驾驶拖拉机至待作业地块四个角，每到一个角，在车载显示器上点击录入，卫星定位模块完成当前地块位置信息的录入，重复该步骤，卫星定位模块可以储存多个地块的位置信息；

【3】操作者在车载显示器上选择待作业的地块，输入农具的作业幅宽L，同时作业的农机数量N和农机最小转弯半径R，并选择路径规划模式：梭行模式或套行模式；

【4】操作者打开仪表台上的无人驾驶开关然后下车，在遥控发射器或客户端上，点击远程一键启动按钮，决策控制模块控制拖拉机远程启动；

【5】操作者在遥控发射器或客户端上，打开相应的农具开关，打开无人驾驶开关，决策控制模块控制拖拉机进入无人驾驶模式，拖拉机自动挂接挡位，放下农具，发动机转速升高，沿规划路径开始作业；

【6】拖拉机无人驾驶模式过程中，操作者可在客户端上监控拖拉机周围的视频信息，和各项运行参数，如无意外，操作者无需做任何操作，拖拉机将自动进行地头调头、避障、控制农具等操作；

【7】拖拉机无人驾驶模式过程中，如因地面湿滑松软等原因，拖拉机原地打滑陷车，安全模块的防陷车模块将控制拖拉机自动空挡，防止无人拖拉机原地越刨越深发生陷车；

【8】拖拉机无人驾驶模式过程中，如因未知原因，决策控制模块失效无法避障，安全模块的防碰撞模块将控制拖拉机在障碍物前刹车；

【9】拖拉机无人驾驶模式过程中，如有危险情况发生，操作者可在遥控发射器或客户端上，按下急停按钮，拖拉机发动机熄火。

由于采用以上所述的技术方案，本实用新型可达到以下有益效果：

1、本实用新型由于采用激光雷达、毫米波雷达、机器视觉相机的多传感器融合环境感知方案，三种传感器优劣互补，可靠性高，可以更准确快速地识别出障碍物的类型和障碍物的距离。

2、本实用新型由于有遥控干预模块、云平台模块，极大地提高了无人驾驶拖拉机的安全性和易用性。

3、本实用新型开发了套行模式和梭行模式两种路径规划模式，方便灵活，提高效率，且能满足多机协同作业的要求。

4、本实用新型针对水田、沙地等易打滑陷车的作业环境，开发了防打滑功能。

5、本实用新型有独立的安全模块，可靠性高，安全性强。

6、本实用新型后动力输出设置有悬挂高度工作区间，保护了拖拉机的动力输出轴和农具。

7、本实用新型在无危险情况发生时，作业过程全程无需人工干预，真正解放了人工劳动力，提高了作业效率。

附图说明

图1为本实用新型一种无人驾驶拖拉机控制系统的整体架构示意图；

图2为本实用新型一种无人驾驶拖拉机控制系统的卫星定位模块架构示意图；

图3为本实用新型一种无人驾驶拖拉机控制系统的环境感知模块架构示意图；

图4为本实用新型一种无人驾驶拖拉机控制系统的遥控干预模块架构示意图；

图5为本实用新型一种无人驾驶拖拉机控制系统的云平台模块架构示意图；

图6为本实用新型一种无人驾驶拖拉机控制系统的路径规划模块架构示意图；

图7为本实用新型一种无人驾驶拖拉机控制系统的安全模块架构示意图；

图8为本实用新型一种无人驾驶拖拉机控制系统的拖拉机梭行路径示意图；

图9为本实用新型一种无人驾驶拖拉机控制系统的两台拖拉机同时无人驾驶套行路径最小单元图；

图10为本实用新型一种无人驾驶拖拉机控制系统的四台拖拉机同时无人驾驶套行路径最小单元图。

附图中：1，卫星定位模块；2，环境感知模块；3，遥控干预模块；4，云平台模块；5，路径规划模块；6，决策控制模块；7，安全模块；1.1，卫星导航箱；1.2，电台天线；1.3，卫星导航天线；1.4，车载显示器；1.5，差分基准站；2.1，雷达相机数据计算处理器；2.2，激光雷达；2.3，毫米波雷达；2.4，机器视觉相机；3.1，遥控发射器；3.2，车载遥控接收机；4.1，摄像头；4.2，车载信息采集控制终端；4.3，服务器；4.4，客户端；5.1，路径规划算法模块；7.1，防陷车模块；7.2，防碰撞模块；7.3，急停模块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的描述。如图1-10所示，一种无人驾驶拖拉机控制系统，包括：卫星定位模块1、环境感知模块2、遥控干预模块3、云平台模块4、路径规划模块5、决策控制模块6和安全模块7；卫星定位模块1输出拖拉机的位置、速度和姿态信息；环境感知模块2输出障碍物类型和距离信息；遥控干预模块3和云平台模块4输出动作干预指令；路径规划模块5输出规划的路径信息；决策控制模块6接收上述信息，进行综合分析，自动控制拖拉机的动作，实现无人作业；安全模块7根据卫星定位模块1输出的拖拉机的速度信息、环境感知模块2输出的障碍物距离信息、遥控干预模块3输出的急停指令进行综合分析，控制拖拉机及时停车，保证拖拉机在各种极端情况下都能够被停下来。同时，云平台模块4还接收由决策控制模块6输出的拖拉机各状态信息，以及安全模块7输出的遇险警示。

卫星定位模块1包括：卫星导航箱1.1、电台天线1.2、卫星导航天线1.3、车载显示器1.4和差分基准站1.5。卫星导航箱1.1通过卫星导航天线1.3接收GNSS（全球导航卫星系统）信号并进行处理，通过电台天线1.2与差分基准站1.5通信获取差分参考数据，进行RTK（实时动态差分）解算，利用卫星导航箱1.1中惯导模块的数据与GNSS（全球导航卫星系统）数据进行组合导航，获取高精度、低噪声、高稳定性的位置、速度和姿态信息，并最终将位置、速度和姿态信息通过CAN总线传输给决策控制模块6，将速度信息通过CAN总线传输给安全模块7。

环境感知模块2包括：雷达相机数据计算处理器2.1、激光雷达2.2、毫米波雷达2.3和机器视觉相机2.4。激光雷达2.2对拖拉机周围进行扫描，获取点云数据，由雷达相机数据计算处理器2.1对不同的点云数据进行特征提取和分类，实现对人、动物、树木等动静态障碍物的识别。毫米波雷达2.3向外发射毫米波，接收目标反射信号，检测到拖拉机周围的障碍物。机器视觉相机2.4同时对上述毫米波雷达2.3检测到的障碍物进行确认，经雷达相机数据计算处理器2.1处理得到更准确的障碍物距离信息。环境感知模块2最终将障碍物的类型和距离信息通过CAN总线传输给决策控制模块6，将障碍物距离信息通过CAN总线传输给安全模块7。

遥控干预模块3包括：遥控发射器3.1和车载遥控接收机3.2。遥控发射器3.1的正面板上有无人驾驶开关、农具选择开关旋耕机和整地机、后动力输出开关、换向拨杆、悬挂提升和下降按钮、刹车按钮、油门旋钮、转向摇杆，左侧面有升档按钮、降档按钮、后液压输出按钮，右侧面有遥控器电源开关、远程一键启动按钮、调频按钮和急停蘑菇头。遥控发射器3.1和车载遥控接收机3.2之间通过无线通信，通信距离大于1Km，车载遥控接收机3.2和决策控制模块6之间通过CAN总线通信，车载遥控接收机3.2和安全模块7通过线束直接连接。操作者正常操作遥控发射器3.1时，经车载遥控接收机3.2，决策控制模块6即可通过CAN总线接收到相应的动作干预指令。操作者在遥控发射器3.1上按下急停蘑菇头时，经车载遥控接收机3.2，安全模块7即可直接接收到急停指令。

云平台模块4包括：摄像头4.1、车载信息采集控制终端4.2、服务器4.3和客户端4.4。八个摄像头4.1均匀分布在拖拉机驾驶室顶棚一周，对拖拉机周围的工作环境进行360°的拍摄，并通过专用局域网络传输至服务器4.3，服务器4.3对八个摄像头4.1的画面进行拼接，形成360°全景式的视频，监控人员可通过客户端4.4，实时观看无人驾驶拖拉机周围的环境。车载信息采集控制终端4.2与与决策控制模块6通过CAN总线通信，与服务器4.3之间通过4G通信，未来也可通过5G通信。决策控制模块6将拖拉机的各项工作状态，经车载信息采集控制终端4.2，传输至服务器4.3，并最终显示在客户端4.4的监控页面上。同时，监控人员依据实时的视频信息和监控页面显示的工作状态信息，可以通过客户端4.4下达相应的动作干预指令，经服务器4.3、车载信息采集控制终端4.2，传输至决策控制模块6。

路径规划模块5包括：路径规划算法模块5.1和车载显示器1.4。首先由驾驶员驾驶拖拉机，绕待作业的地块一周，卫星定位模块1将同时记录下该地块的位置信息，并将位置信息存储在卫星导航箱1.1中，卫星导航箱1.1可储存多个地块的位置信息。驾驶员在车载显示器1.4上选择待作业的地块，输入农具的作业幅宽L，同时作业的农机数量N和农机最小转弯半径R，并选择路径规划模式：梭行模式或套行模式。车载显示器1.4将上述信息传输至路径规划算法模块5.1，路径规划算法模块5.1根据上述信息进行自动路径规划。

梭行模式即拖拉机到地头后，自动调头后紧贴上一垄，进行下一垄作业，如图8所示，梭行模式在人工驾驶拖拉机作业时被广泛使用。套行模式即拖拉机由作业幅宽、农机数量和农机最小转弯半径，计算出拖拉机机本次作业的最小套行单元，并以此最小套行单元进行复制拼接，最终覆盖整块田块的作业方式。

最小套行单元的计算方法为：设最小套行单元地头调头时需跨越的最小距离为X，则X=⌈2R/NL⌉NL。⌈⌉为向上取整函数，即取比自己大的最小整数。例如，有两台最小转弯半径R =6.5M的拖拉机带幅宽L=2.8M的农具同时作业时，N=2，则X=⌈2×6.5÷2.8÷2⌉×2×2.8=16.8M，即最小需要跨越16.8M转向，实现如图9所示的最小路径单元，并以此单元拼接，直至整个地块作业完成。再如，当有四台上述拖拉机同时作业时，N=4，则X=⌈2×6.5÷2.8÷4⌉×4×2.8=22.4M，即最小需要跨越22.4M转向，实现如图10所示的最小路径单元，并以此单元拼接，直至整个地块作业完成。最终规划出的套行路径是以农场管理人员输入的不同的L、R、N值的变化而变化的，并不局限于图9、图10的情况，图9、图10只是一个说明性的实施例而已。

决策控制模块6通过CAN总线通信，接收到来自卫星定位模块1的实时位置、速度和姿态数据，来自环境感知模块2的障碍物的类型和距离信息，来自遥控干预模块3、云平台模块4的动作干预指令，并结合路径规划模块5规划出的路径信息，以遥控干预模块3的优先级最高，云平台模块4的优先级次之，决策控制模块6自身的优先级最低，进行综合分析后，计算出拖拉机和农具应做出的动作，然后通过CAN总线通信、数字或模拟量输出口控制拖拉机和农具的具体动作。

安全模块7包括：防陷车模块7.1、防碰撞模块7.2和急停模块7.3。防陷车模块7.1：在水田、沙地等土质松软容易打滑陷车的作业区域，当卫星定位模块1测算出拖拉机的速度几乎为0，但发动机却正常运转，且拖拉机动力挡位和方向挡位均不为空挡时，防陷车模块7.1即判断拖拉机发生了原地打滑陷车，则立即将拖拉机动力切换为空挡，关闭后动力输出装置和液压输出装置并刹车，并通过云平台模块4向监控人员发送遇险警示。防碰撞模块7.2：自动变速箱控制单元是直接控制拖拉机方向和动力挡位的控制单元，在无人驾驶拖拉机工作过程中，其以通过CAN总线通信接收决策控制模块6指令的工作方式为主，但同时其也通过CAN总线通信直接接收来自环境感知模块2的障碍物距离信息。当障碍物距离拖拉机小于3米，但决策控制模块6由于某些未知原因，仍未作出刹车或绕行动作指令时，自动变速箱控制单元将直接进入保护模式，立即将拖拉机动力切换为空挡，关闭后动力输出装置和液压输装置出并刹车，并通过云平台模块4向监控人员发送遇险警示。急停模块7.3：如果决策控制模块6和防碰撞模块7.2同时由于某些未知原因失效时，监控人员仍可在遥控发射器3.1上按下急停蘑菇头，经车载遥控接收机3.2，急停模块7.3直接接收到急停指令，驱动继电器断开发动机控制单元的电源，实现可靠快速的急停。

最后应当说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，但对于本领域的技术人员来说，其应知的技术知识依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行非实质性区别的修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。因此，凡在本实用新型的思路启示之内所作出的任何非实质性改进或者等同替换等，均应包含在本实用新型的权利保护范围之内。

Claims (2)

1.一种无人驾驶拖拉机控制系统，包括：卫星定位模块（1）、环境感知模块（2）；卫星定位模块（1）包括:卫星导航箱（1.1）、电台天线（1.2）、卫星导航天线（1.3）、车载显示器（1.4）和差分基准站（1.5）；其特征在于：卫星导航箱（1.1）分别与电台天线（1.2）、卫星导航天线（1.3）和车载显示器（1.4）通过有线连接，电台天线（1.2）与差分基准站（1.5）通过无线连接。

2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶拖拉机控制系统，其特征在于：所述环境感知模块（2）包括:雷达相机数据计算处理器（2.1）、激光雷达（2.2）、毫米波雷达（2.3）和机器视觉相机（2.4）；激光雷达（2.2）、毫米波雷达（2.3）、机器视觉相机（2.4）分别与雷达相机数据计算处理器（2.1）通过有线连接。

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