CN215769481U - 一种基于北斗导航的农机自动驾驶系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于北斗导航的农机自动驾驶系统，包括车载主机、方向盘电机、前轮角度传感器、显示终端、机具深度传感器、机具姿态传感器、摄像头和卫星接收天线，通过对使用双卫星接收天线、机具深度传感器、机具姿态传感器、前轮角度传感器获取农机和机具的实时姿态信息，实现农机在土壤表面松软不同、坡地等复杂地貌环境耕地下农机自动驾驶控制和农机作业质量监测。系统通过安装在农机上的摄像头对作业地面进行图像采集，实现对农机作业质量的全程监测，提高农机作业完成质量。

Description

一种基于北斗导航的农机自动驾驶系统

技术领域

本实用新型涉及农机导航与农机自动驾驶技术领域，尤其涉及一种基于北斗导航的农机自动驾驶系统。

背景技术

农业生产是人类社会生存与发展的基础，农业机械化使机械代替了人类的劳动，减轻了人类在农业活动中反复、机械的体力劳动。劳动生产率的提高及传感器技术与信息技术的飞速发展，将更有利于现代农业的自动化、智能化发展。

近年来，随着社会劳动生产率的提高，在农业生产过程中，农用机械越来越趋于大型化、精细化的要求发展。为满足现代农业对作业速度、作业幅度、作业质量越来越高的要求，希望人们在依赖大型农机具快速作业的同时，最大限度地提高工作效率。农业作业中耕作、喷药、播种等单一性的工作在操作过程中需要消耗大量的人力心力，而现代农业要求驾驶员在操作机械的同时完成大量繁琐的田间作业，而在如喷药等污染较大的作业环境中工作时，对操作人员的身体损害更大。导航技术研究的必要性就在于可以提高机械的利用率、优化作业质量、减轻驾驶与操作人员的工作负担，满足现代农业精准化、智能化的作业需求农机自动导航系统的设计重点在于使农机车辆利用导航定位系统完成自动定位的同时可以按照预定义的路径实现自行走作业。其中，车辆通过导航信息判断实时位姿信息，利用控制算法，控制车辆的转向系统实现车辆的自动转向，最终实现路径规划行驶，完成农机作业。

目前市场是农机自动驾驶产品较多，但也存在一些不足之处。大部分产品只能实现农机的直线行驶，并没有对作业质量进行监测，无法保证农机作业是否达到农耕作业标准，作业质量全凭驾驶员经验判断；在坡地等复杂地貌下自动驾驶系统容易出现偏差较大等情况发生。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是提供一种基于北斗导航的农机自动驾驶系统，通过安装在农机与机具上的传感器，获取农机和机具作业的实时姿态数据，控制农机按照预定轨迹自动行驶，并实时监测机具的作业状态。

为了解决现有技术存在的问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于北斗导航的农机自动驾驶系统，包括车载主机、方向盘电机、前轮角度传感器、显示终端、机具深度传感器、机具姿态传感器、摄像头和卫星接收天线，所述方向盘电机安装在农机的方向盘上，方向盘电机通过控制线与车载主机连接；所述前轮角度传感器安装在农机前轮转向轴处，通过数据线与车载主机连接；所述显示终端安装在驾驶室的右侧，通过通信总线与车载主机连接；所述机具深度传感器安装于农机的下拉杆位置，通过总线与车载主机连接；所述机具姿态传感器安装于机具上，通过总线与车载主机连接；所述摄像头安装于农机驾驶室外侧，通过总线与车载主机连接；所述卫星接收天线安装于农机驾驶室外侧顶部，通过馈线与车载主机连接。

其中，所述车载主机包括RKT模块、存储单元、4/5G模块、通信总线、AD采集单元、电机控制单元、电源和CPU；所述RTK模块通过天线接口与卫星接收天线连接，RTK模块通过串口与CPU连接，所述存储单元通过数据总线与CPU连接；所述4/5G模块通过串口与CPU进行通信；所述通信总线用于连接显示终端、机具深度传感器、机具姿态传感器；所述AD采集单元用于连接前轮角度传感器，AD采集单元连接到单片机IO引脚，将采集到的角度数据发送给CPU；所述电机控制单元与方向盘电机连接，用于控制方向盘电机，电机控制单元通过串口与CPU连接，接收CPU的控制指令；所述电源的输入端与农机电瓶连接。

进一步地，所述存储单元采用16G容量的TF内存卡。

进一步地，所述电源通过整流为系统提供所需的12V、5V、3.8V、3.3V电压。

本实用新型所具有的优点与有益效果是：

本实用新型一种基于北斗导航的农机自动驾驶系统的车载主机通过角度传感器、机具深度传感器、机具姿态传感器实时监测农机的车身行驶状态与机具姿态，通过双卫星天线获取卫星定位信息，车载主机内部集成了RTK定位模块，可以获取厘米级定位信息和车身姿态信息。车载主机根据获取到的多种参数对农机的行驶轨迹进行控制，保证农机按照预设路径自动行驶。通过实时监测农机和机具的姿态，保证农机在起伏较大、土壤松软、斜坡等多种复杂耕地环境作业时对农机自动控制和机具作业深度进行动态补偿，解决常见自动驾驶产品在复杂地貌作业时容易出现行驶偏移和作业监测不准等问题。通过获取安装在农机下拉杆和机具上的传感器数据，对采集到机具状态进行解析，达到监测农机作业的目的。监测到作业质量结果通过显示终端实时显示反馈给农机驾驶员，驾驶员通过根据监测结果对机具做出调整，保证作业质量满足农业生产要求，降低对驾驶员的经验要求和劳动强度。车载主机通过内部集成的4/5G通信模块将采集到的实时作业数据上传至服务端，再通过服务端对农业生产进行科学的指导，提高作物产量。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详述：

图1为本实用新型一种基于北斗导航的农机自动驾驶系统结构框图；

图2为车载主机结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。需要说明的是，本系统中涉及到的相关模块均为硬件系统模块或者为现有技术中计算机软件程序或协议与硬件相结合的功能模块，该功能模块所涉及到的计算机软件程序或协议的本身均为本领域技术人员公知的技术，其不是本系统的改进之处；本系统的改进为各模块之间的相互作用关系或连接关系，即为对系统的整体的构造进行改进，以解决本系统所要解决的相应技术问题。

如图1所示，本实用新型一种基于北斗导航的农机自动驾驶系统，包括：包括车载主机1、方向盘电机2、前轮角度传感器3、显示终端4、机具深度传感器5、机具姿态传感器6、摄像头7和卫星接收天线8。

如图2所示，所述车载主机1内部设置有RKT模块9、存储单元10、4/5G模块11、通信总线12、AD采集单元13、电机控制单元14、电源15和CPU16。其中CPU16 采用STM32F407系列arm处理器，用于处理系统的采集数据与控制方向盘电机。RKT模块9通过天线接口与卫星接收天线8连接，通过串口与CPU进行通信，用于获取农机的定位、横滚、航向姿态信息，将采集到位置、横滚等信息发送给CPU。存储单元10采用16G容量的TF内存卡，用于存储系统运行参数与作业数据，存储单元通过数据总线与CPU连接。4/5G模块11用于网络通信，4/5G模块通过串口与CPU进行通信，将车载主机监测到的作业数据与机具的作业状态等信息上报到服务器。通信总线12用于连接显示终端、机具深度传感器、机具姿态传感器。AD采集单元13用于连接前轮角度传感器。AD采集单元连接到单片机IO引脚，将采集到的角度数据发送给CPU。电机控制单元14与方向盘电机连接，用于控制方向盘电机。电机控制单元通过串口与CPU连接，接收CPU的控制指令。电源15输入端与农机电瓶连接，通过整流为系统提供所需的12V、5V、3.8V、3.3V电压。

所述方向盘电机2安装在农机的方向盘上，通过控制电机控制车辆的方向盘，达到控制车辆转向的目的。方向盘电机2与车载主机通过数据线连接，接收车载主机的控制信号，通过方向盘电机的转动带动方向盘一起转动，实现车辆的转向控制。在方向盘电机未启动自动驾驶模式时，电机处于解锁状态，驾驶员可以通过方向盘正常操作车辆的转向，方向盘电机不会影响正常的农机驾驶。

所述前轮角度传感器3安装在农机前轮转向轴处，通过数据线与车载主机连接，车载主机对角度传感器返回的数据进行解析转换。所述前轮角度传感器用于监测农机前轮的转向角，当农机转向转动时前轮角度传感器与农机前轮转向轴同轴联动，获取准确的转向角度，为系统提供控制的反馈参考数据。角度传感器通过数据线与主机连接，车载主机负责对角度传感器返回的数据进行解析转换。

所述的显示终端4为智能交互式显示终端，显示终端通过通信总线12与车载主机1连接。所述显示终端安装在驾驶室的右侧机手可操作的位置，驾驶员可通过显示终端对系统进行控制和设置，完成驾驶员和系统的人机交互。显示终端还可以显示机具的作业状态，驾驶员可以根据显示提示对机具进行调整，保证农机作业符合相关农耕标准。

所述的机具深度传感器5安装于农机的下拉杆位置，通过总线与主机连接，机具深度传感器通过下拉杆姿态对机具的作业深度以及作业状态进行实时监测。

所述的机具姿态传感器6安装于机具上，通过总线与主机连接，用于监测农机具的姿态，机具姿态传感器会将机具的实时姿态信息上报给车载主机，车载主机根据机具姿态对耕深进行实时校正。避免耕地土壤松软度不一致和地面起伏等对作业耕深监测产生的干扰。

所述摄像头7安装于农机驾驶室外侧，通过通信总线与车载主机连接。用于拍摄农机作业地块正前方地面的图像信息，并通过车载主机将图像信息上传至云管理平台。

所述的卫星接收天线8通过连接线与车载主机的RTK模块9连接，天线安装在农机驾驶室的外侧，用于接收卫星信号。

本实用新型的工作过程如下：

本实用新型一种基于北斗导航的农机自动驾驶系统在工作时，首先，通过卫星接收天线接收卫星信号，卫星信号通过RTK模块解算后，得到农机的实时定位信息、航向、横滚等信息。依据农机的实时定位信息对比预设轨迹进行比较，判断农机的行驶轨迹是否发生偏航。开启自动驾驶模式后，根据农机的轨迹偏差、航向偏差、横滚角度、前轮转角、机具姿态等参数，通过控制方向盘电机控制农机的转向轮角度，进而实现对农机行驶航线的调整，保证农机按照规划路径自动行驶。

系统在启动自动驾驶模式时，通过实时采集安装在下拉杆上的深度传感器和机具上的姿态传感器，对机具的作业参数进行监测。监测结果通过显示终端实时显示作业质量的评估结果，驾驶员根据作业监测结果调整 机具状态，保证机具作业质量符合耕作要求。系统通过摄像头采集作业现场图像数据，通过车载主机内的4/5G模块，将图像数据与作业其他参数一起发送到服务平台。

本系统通过定位模块和传感器获取农机作业时的位置、航向、横滚角度、转向角度、作业深度、机具姿态等多种参数，用于解决农机在复杂地貌耕地环境下作业时容易发生作业监测不准和自动驾驶功能偏差较大等问题。通过对农机作业参数的全面监测，在农机在土壤松软程度不一致、地势起伏较大、斜坡等复杂耕地情况作业时，对行驶路线和作业质量监测进行补偿，提高自动驾驶模式的作业精度和作业质量监测精度。弥补同类产品行驶在复杂地貌情况下作业精度下降和不能对作业质量进行评估的缺点。

Claims (4)

1.一种基于北斗导航的农机自动驾驶系统，其特征在于：包括车载主机（1）、方向盘电机（2）、前轮角度传感器（3）、显示终端（4）、机具深度传感器（5）、机具姿态传感器（6）、摄像头（7）和卫星接收天线（8），所述方向盘电机（2）安装在农机的方向盘上，方向盘电机通过控制线与车载主机连接；所述前轮角度传感器（3）安装在农机前轮转向轴处，通过数据线与车载主机连接；所述显示终端（4）安装在驾驶室的右侧，通过通信总线与车载主机连接；所述机具深度传感器（5）安装于农机的下拉杆位置，通过总线与车载主机连接；所述机具姿态传感器（6）安装于机具上，通过总线与车载主机连接；所述摄像头（7）安装于农机驾驶室外侧，通过总线与车载主机连接；所述卫星接收天线安装于农机驾驶室外侧顶部，通过馈线与车载主机连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于北斗导航的农机自动驾驶系统，其特征在于：所述车载主机（1）包括RTK模块（9）、存储单元（10）、4/5G模块（11）、通信总线(12)、AD采集单元(13)、电机控制单元(14)、电源(15)和CPU(16)；所述RTK模块(9)通过天线接口与卫星接收天线（8）连接，RTK模块通过串口与CPU连接，所述存储单元通过数据总线与CPU连接；所述4/5G模块（11）通过串口与CPU进行通信；所述通信总线（12）用于连接显示终端、机具深度传感器、机具姿态传感器；所述AD采集单元（13）用于连接前轮角度传感器，AD采集单元连接到单片机IO引脚，将采集到的角度数据发送给CPU；所述电机控制单元(14)与方向盘电机连接，用于控制方向盘电机，电机控制单元通过串口与CPU连接，接收CPU的控制指令；所述电源（15）的输入端与农机电瓶连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于北斗导航的农机自动驾驶系统，其特征在于：所述存储单元（10）采用16G容量的TF内存卡。

4.根据权利要求2所述的一种基于北斗导航的农机自动驾驶系统，其特征在于：所述电源（15）通过整流为系统提供所需的12V、5V、3.8V、3.3V电压。

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