多傳感器融合的拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)及其定位、控制方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開(kāi)了多傳感器融合的拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)及其定位、控制方法，包括上位機(jī)、下位機(jī)，上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)串口通信模塊相互連接，上位機(jī)連接觸摸屏、北斗定位接收模塊、圖像采集模塊、位姿檢測(cè)模塊、串口通信模塊；下位機(jī)連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、壓力檢測(cè)模塊、CAN通信模塊、換向閥控制模塊、電壓檢測(cè)模塊、車速檢測(cè)模塊、車輪轉(zhuǎn)角檢測(cè)模塊、電源模塊、報(bào)警及緊急處理模塊和串口通信模塊，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分別與壓力檢測(cè)模塊和換向閥控制模塊相連接，電壓檢測(cè)模塊還與換向閥控制模塊相連接。本發(fā)明專利技術(shù)還提供了該系統(tǒng)的定位、控制方法，具有精確的車輛定位和路徑跟蹤性能。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航領(lǐng)域，具體地講，是多傳感器融合的拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)及其定位、控制方法。
技術(shù)介紹
目前的農(nóng)業(yè)作業(yè)中，通常由駕駛員獨(dú)自操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大且重復(fù)單調(diào)，容易使人疲勞并產(chǎn)生誤操作。農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)是精細(xì)農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)重要技術(shù)，該技術(shù)可以自動(dòng)獲得導(dǎo)航路徑并控制農(nóng)業(yè)機(jī)械沿著目標(biāo)路徑行駛，輔助駕駛員操作農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行作業(yè)。拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航可以讓農(nóng)業(yè)作業(yè)者降低工作強(qiáng)度，并且能顯著地提高農(nóng)機(jī)的作業(yè)精度，提高農(nóng)田的土地利用率，降低生產(chǎn)成本，提高作物產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益，將勞動(dòng)者從繁重的農(nóng)田作業(yè)中解放出來(lái)。拖拉機(jī)導(dǎo)航技術(shù)在北美、日本和歐洲一些國(guó)家中研究起步較早，并取得了較多研究成果，國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者也做了廣泛的研究，取得了一定的成果。如申請(qǐng)?zhí)枮?014101751440的專利技術(shù)專利公開(kāi)了一種對(duì)射式激光拖拉機(jī)輔助導(dǎo)航控制系統(tǒng)，授權(quán)號(hào)101833334A的專利技術(shù)專利公開(kāi)了一種拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)及其方法，申請(qǐng)?zhí)枮?04656647A的專利技術(shù)專利公開(kāi)了一種低矮作物田間自走拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)等。可以看出，采用的都是單一導(dǎo)航定位技術(shù)，比如GPS導(dǎo)航、激光發(fā)射導(dǎo)航技術(shù)等，每種導(dǎo)航方式各有優(yōu)點(diǎn)，但是因單一導(dǎo)航技術(shù)受條件限制都存在一定的使用條件，很難能夠提供連續(xù)、穩(wěn)定高質(zhì)量的定位信息；另外，目前拖拉機(jī)路徑跟蹤控制算法中，大多都僅僅將拖拉機(jī)航向角和偏移量做為被控量或參考量，但沒(méi)有考慮到選取了拖拉機(jī)預(yù)估路徑曲度和當(dāng)前行駛速度；導(dǎo)致現(xiàn)有的技術(shù)方案往往只能保證直線行駛時(shí)的控制效果，而很難保證曲線行駛或拐彎時(shí)的路徑跟蹤效果。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供多傳感器融合的拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)及其定位、控制方法，具有精確的車輛定位和路徑跟蹤性能。本專利技術(shù)采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)專利技術(shù)目的：一種多傳感器融合的拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)和下位機(jī)，所述的上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)串口通信模塊相互連接，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)位置的精準(zhǔn)定位和設(shè)定路徑的精確跟蹤；上位機(jī)連接觸摸屏、北斗定位接收模塊、圖像采集模塊、位姿檢測(cè)模塊、串口通信模塊；下位機(jī)連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、壓力檢測(cè)模塊、CAN通信模塊、換向閥控制模塊、電壓檢測(cè)模塊、車速檢測(cè)模塊、車輪轉(zhuǎn)角檢測(cè)模塊、電源模塊、報(bào)警及緊急處理模塊和串口通信模塊。(1)本技術(shù)方案中導(dǎo)航控制系統(tǒng)通過(guò)采用北斗定位和機(jī)器視覺(jué)定位相結(jié)合的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)兩種導(dǎo)航技術(shù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以避免使用單一定位造成的車輛位置誤差；組合導(dǎo)航功能既可以用在有作物的農(nóng)田作業(yè)中也可以用在無(wú)作物的農(nóng)田中，組合導(dǎo)航定位技術(shù)在可靠性、準(zhǔn)確性等方面都較單獨(dú)導(dǎo)航情況要好。(2)采用雙天線的北斗信號(hào)接收裝置，并且采用位姿檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)對(duì)北斗定位信息進(jìn)行修正，得到的拖拉機(jī)位置數(shù)據(jù)更精確；(3)不僅選取了拖拉機(jī)當(dāng)前航線偏移量、當(dāng)前航向角偏移量，而且選取了拖拉機(jī)預(yù)估路徑曲度和參考車速進(jìn)行處理，使導(dǎo)航控制系統(tǒng)具有良好的路徑控制效果。拖拉機(jī)當(dāng)前航線偏移量、當(dāng)前航向角偏移量、拖拉機(jī)預(yù)估路徑曲度值由上位機(jī)通過(guò)北斗導(dǎo)航數(shù)據(jù)或圖像數(shù)據(jù)計(jì)算輸出；拖拉機(jī)參考車速VU(s)由上位機(jī)發(fā)送的車速VR(s)和車速采集VM(s)決定，按照如下公式確定：因拖拉機(jī)在低速行駛時(shí)，通過(guò)北斗導(dǎo)航獲得的行駛速度其準(zhǔn)確度低于車速檢測(cè)模塊獲得的車速，所以在確定車速時(shí)，如果車速檢測(cè)模塊采集的車速VM(s)小于等于2公里/秒或接收的上位機(jī)的車速VR(s)等于0時(shí)，則確定的參考車速為VM(s)，這樣可以避免因北斗導(dǎo)航在低速或故障時(shí)造成的速度誤差；當(dāng)車速檢測(cè)模塊采集的車速VM(s)大于2公里/秒或車速檢測(cè)模塊出現(xiàn)故障時(shí)，確定參考車速為上位機(jī)發(fā)送車速VR(s)。作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定：換向閥控制模塊分別與電壓檢測(cè)模塊和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電連接。壓力檢測(cè)模塊還與液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電連接。上位機(jī)采用EPCS-8980型工控機(jī)。觸摸屏選用四線電阻式觸摸屏SV0804S-03。北斗定位接收模塊采用UM220模塊。圖像采集模塊由OKAC1310CCD攝像頭和信號(hào)調(diào)理電路組成。位姿檢測(cè)模塊選用AHRS-3000小型航姿測(cè)量模塊。下位機(jī)采用16位飛思卡爾單片機(jī)MC9S12XS128MAL。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用兩片32MB的SDRAMMT48LC4M32B2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片。壓力檢測(cè)模塊由壓力傳感器MBS1250和信號(hào)調(diào)理電路組成。CAN通信模塊由TJA1043T芯片與其外圍電路組成，通過(guò)該模塊，下位機(jī)能夠?qū)⒏鶕?jù)預(yù)估行駛距離和預(yù)估路徑曲度確定的拖拉機(jī)期望速度發(fā)送給拖拉機(jī)控制器，確保在拖拉機(jī)行駛至終點(diǎn)或拐彎時(shí)的控制效果，特別在當(dāng)前航線偏移量OR(s)超過(guò)可允許最大航線偏移量OM時(shí)，通過(guò)該模塊給拖拉機(jī)控制器發(fā)送停車信號(hào)。換向閥控制模塊由D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832、運(yùn)算放大器LM358N及外圍電路組成。電壓檢測(cè)模塊由運(yùn)算放大器AD741和外圍電路組成。通過(guò)設(shè)計(jì)電壓檢測(cè)模塊，能夠?qū)Q向閥控制模塊的輸出電壓實(shí)施閉環(huán)控制，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出電壓，避免輸出電壓失控現(xiàn)象發(fā)生。車速檢測(cè)模塊由測(cè)速傳感器VB-Z9400及信號(hào)調(diào)理電路組成。車輪轉(zhuǎn)角檢測(cè)模塊由線位移傳感器HPS-M1和信號(hào)調(diào)理電路組成。電源模塊由產(chǎn)生24V電壓芯片LT4356IS、產(chǎn)生5V電壓芯片LM7805、產(chǎn)生正負(fù)15電壓芯片MD20-12D15、產(chǎn)生10V電壓芯片AD581及外圍電路組成。串口通信模塊由串口通信芯片MAX232芯片及其外圍電路組成。報(bào)警及緊急處理模塊由喇叭、發(fā)光燈、光耦和繼電器等組成。報(bào)警和緊急處理模塊能夠在液壓閥運(yùn)行至最大或當(dāng)曲線路徑彎度過(guò)大時(shí)發(fā)出報(bào)警信息并啟動(dòng)相應(yīng)的緊急響應(yīng)動(dòng)作。上位機(jī)通過(guò)串口通信模塊發(fā)送給下位機(jī)用于路徑跟蹤的數(shù)據(jù)包括：當(dāng)前航線偏移量、當(dāng)前航向角偏移量、預(yù)估行駛距離、當(dāng)前行駛速度、預(yù)估路徑曲度。多傳感器融合的拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的定位方法，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行拖拉機(jī)定位，包括如下步驟：(1)通過(guò)觸摸屏設(shè)定拖拉機(jī)工作田間模式：無(wú)農(nóng)作物田地，有農(nóng)作物田地；(2)采用雙天線的北斗接收裝置，用北斗定位接收模塊獲取拖拉機(jī)的絕對(duì)位置、行駛速度和航向角信息；(3)采用位姿檢測(cè)模塊獲取拖拉機(jī)的航向角、橫滾角、俯仰角數(shù)據(jù)，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)北斗定位信息進(jìn)行修正；(4)如果田間模式設(shè)定為無(wú)農(nóng)作物田地，則關(guān)閉圖像采集模塊，不采用機(jī)器視覺(jué)定位方式；如果田間模式設(shè)定為有農(nóng)作物田地，則開(kāi)啟圖采集模塊，對(duì)采集圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并生成導(dǎo)航基準(zhǔn)線、獲取表征農(nóng)作物特征的基本點(diǎn)。(5)如果田間模式設(shè)定為無(wú)農(nóng)作物田地，則完全采用經(jīng)過(guò)位姿信息修正的北斗定位和路徑數(shù)據(jù)；如果田間模式設(shè)定為有農(nóng)作物田地，則采用模糊自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波器對(duì)北斗定位數(shù)據(jù)和機(jī)器視覺(jué)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，其中北斗定位提供拖拉機(jī)的絕對(duì)位置坐標(biāo)、航向角度和行駛速度，機(jī)器視覺(jué)提供導(dǎo)航路徑中已知點(diǎn)的相對(duì)位置坐標(biāo)，北斗定位系統(tǒng)和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)坐標(biāo)統(tǒng)一后，由濾波器對(duì)北斗提供的位置數(shù)據(jù)和機(jī)器視覺(jué)提供的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，得到精確的位置數(shù)據(jù)和路徑數(shù)據(jù)。與目前多傳感器融合技術(shù)中常用的擴(kuò)展卡爾曼濾波器和無(wú)跡卡爾曼濾波器相比，模糊自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波算法能夠通過(guò)實(shí)時(shí)得到的測(cè)量新息方差和理論方差的比值，并利用模糊自適應(yīng)控制器不斷調(diào)整量測(cè)噪聲協(xié)方差陣的加權(quán)系數(shù)，減少校正位置誤差，提高拖拉機(jī)定位數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。一種多傳感器融合的拖拉機(jī)導(dǎo)航控制本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種多傳感器融合的拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)和下位機(jī)，其特征在于：所述的上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)串口通信模塊相互連接，共同實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)位置精準(zhǔn)定位和設(shè)定路徑的精確跟蹤；上位機(jī)連接觸摸屏、北斗定位接收模塊、圖像采集模塊、位姿檢測(cè)模塊、串口通信模塊；下位機(jī)連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、壓力檢測(cè)模塊、CAN通信模塊、換向閥控制模塊、電壓檢測(cè)模塊、車速檢測(cè)模塊、車輪轉(zhuǎn)角檢測(cè)模塊、電源模塊、報(bào)警及緊急處理模塊和串口通信模塊；所述的換向閥控制模塊分別與電壓檢測(cè)模塊和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電連接；所述的壓力檢測(cè)模塊還與液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電連接。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種多傳感器融合的拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，包括上位機(jī)和下位機(jī)，其特征在于：所述的上位機(jī)和下位機(jī)通過(guò)串口通信模塊相互連接，共同實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)位置精準(zhǔn)定位和設(shè)定路徑的精確跟蹤；上位機(jī)連接觸摸屏、北斗定位接收模塊、圖像采集模塊、位姿檢測(cè)模塊、串口通信模塊；下位機(jī)連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、壓力檢測(cè)模塊、CAN通信模塊、換向閥控制模塊、電壓檢測(cè)模塊、車速檢測(cè)模塊、車輪轉(zhuǎn)角檢測(cè)模塊、電源模塊、報(bào)警及緊急處理模塊和串口通信模塊；所述的換向閥控制模塊分別與電壓檢測(cè)模塊和液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電連接；所述的壓力檢測(cè)模塊還與液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多傳感器融合的拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，其特征在于：所述的上位機(jī)通過(guò)串口通信模塊發(fā)送給下位機(jī)用于路徑跟蹤的數(shù)據(jù)包括：當(dāng)前航線偏移量、當(dāng)前航向角偏移量、預(yù)估行駛距離、當(dāng)前行駛速度、預(yù)估路徑曲度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多傳感器融合的拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的定位方法，其特征在于：通過(guò)上位機(jī)對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行定位，包括如下步驟：(1)通過(guò)觸摸屏設(shè)定拖拉機(jī)工作田間模式：無(wú)農(nóng)作物田地，有農(nóng)作物田地；(2)采用雙天線的北斗接收裝置，用北斗定位接收模塊獲取拖拉機(jī)的絕對(duì)位置、行駛速度和航向角信息；(3)采用位姿檢測(cè)模塊獲取拖拉機(jī)的航向角、橫滾角、俯仰角數(shù)據(jù)，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)對(duì)北斗定位信息進(jìn)行修正；(4)如果田間模式設(shè)定為無(wú)農(nóng)作物田地，則關(guān)閉圖像采集模塊，不采用機(jī)器視覺(jué)定位方式；如果田間模式設(shè)定為有農(nóng)作物田地，則開(kāi)啟圖采集模塊，對(duì)采集圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并生成導(dǎo)航基準(zhǔn)線、獲取表征農(nóng)作物特征的基本點(diǎn)；(5)如果田間模式設(shè)定為無(wú)農(nóng)作物田地，則完全采用經(jīng)過(guò)位姿信息修正的北斗定位和路徑數(shù)據(jù)；如果田間模式設(shè)定為有農(nóng)作物田地，則采用模糊自適應(yīng)擴(kuò)展卡爾曼濾波器對(duì)北斗定位數(shù)據(jù)和機(jī)器視覺(jué)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，生成精確的拖拉機(jī)位置數(shù)據(jù)和路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多傳感器融合的拖拉機(jī)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，控制方法為路徑跟蹤控制，包括如下步驟：(1)路徑跟蹤控制系統(tǒng)采用串級(jí)控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中主回路采...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：尹成強(qiáng)，孫群，高潔，武健，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：聊城大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：山東;37