一種主－從機協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種主-從機協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)。主機采用半自動導航方式，從機采用全自動導航方式，主－從機協(xié)同工作控制模式包括命令型和跟隨型兩種。主機和從機采用無線方式進行通訊，傳輸?shù)男畔?、狀態(tài)和請求三種信號格式。該系統(tǒng)在大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，既可提高作業(yè)效率和作業(yè)精度，也提高了導航系統(tǒng)的安全性。
【專利說明】—種主一從機協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種導航技術(shù)，特別涉及一種主一從機協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]農(nóng)業(yè)機械自動導航技術(shù)是實施精細農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它具有以下優(yōu)點，一是可以使農(nóng)機駕駛員從單調(diào)重復、高強度的勞動中解放出來；二是可以提高作業(yè)精度；三是可提高農(nóng)業(yè)資源利用率，降低生產(chǎn)成本，提高投入產(chǎn)出比；四是有利于實現(xiàn)農(nóng)田規(guī)?；a(chǎn)。美國農(nóng)業(yè)部在2011年對精細農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的應用情況調(diào)查報告中，農(nóng)業(yè)機械自動導航系統(tǒng)被排在第二位。在此調(diào)查報告中，15% -35%的玉米、大S.和冬小麥種植過程中采用了自動導航系統(tǒng)。在歐洲，隨著農(nóng)業(yè)勞動力的不斷減少、勞動成本的不斷增加，基于GNSS(Global Navigation Satellite System)的自動導航產(chǎn)品被越來越多的用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中。我國隨著土地規(guī)模的不斷擴大及勞動力的逐漸短缺，對農(nóng)業(yè)機械自動導航系統(tǒng)的需求不斷增加。另一方面，自動導航系統(tǒng)技術(shù)上雖可以代替駕駛員進行田間無人作業(yè)，但受到法律法規(guī)限制及安全因素的影響，尚不能完全取代駕駛員。在此背景下，主-從協(xié)同作業(yè)農(nóng)機自動導航系統(tǒng)表現(xiàn)出更大的優(yōu)越性，受到了越來越多的關(guān)注。
[0003]主-從協(xié)同作業(yè)農(nóng)機自動導航系統(tǒng)中，通常以一臺農(nóng)業(yè)機械作為主，一臺或多臺為輔，構(gòu)建復合作業(yè)系統(tǒng)，在未知環(huán)境中協(xié)同作業(yè)完成田間任務。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中很多屬于復合作業(yè)，在這種場合采用主-從協(xié)同作業(yè)方式，由一名農(nóng)機操作人員控制多臺農(nóng)機共同完成復合作業(yè)任務更體現(xiàn)出優(yōu)越性，提高了作業(yè)效率；另外，緊急情況下，主機駕駛員可以遠程控制從機進行緊急制動，系統(tǒng)的安全性也有了很大提高，具有良好的應用前景。
[0004]在主-從結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)中，主機和從機均可獨立實現(xiàn)智能導航，需要協(xié)同工作時才構(gòu)建主-從結(jié)構(gòu)，共同完成工作任務與獨立智能導航系統(tǒng)相比，主-從協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)除了要解決各自的定位和控制問題外，還需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問題:主-從機協(xié)同作業(yè)工作模式設計、主-從機間的通訊模式和通訊協(xié)議、從機導航動態(tài)避障等問題，從而提高導航系統(tǒng)的可靠性和實用性。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種主一從機協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)，包括I個主機、I個或多個從機，主-從機中都包括定位單元、控制單元和通信單元，工作時，由定位單元采集位置，主機和從機上都以工控機作為智能終端，用于數(shù)據(jù)的采集、分析及控制指令的發(fā)送，
[0006]主機采用半自動導航方式，從機采用全自動導航方式，
[0007]主機和從機采用無線方式進行通訊，傳輸?shù)男畔?、狀態(tài)和請求三種信號格式。
[0008]優(yōu)選地，主一從機協(xié)同作業(yè)的控制模式包括命令型和跟隨型兩種:[0009]命令型主一從機協(xié)同作業(yè)，從機具有路徑規(guī)劃和動態(tài)避障能力；
[0010]跟隨型主一從機協(xié)同作業(yè)，從機具有動態(tài)避障能力；
[0011]主一從機協(xié)同作業(yè)共同完成復合作業(yè)任務。
[0012]優(yōu)選地，主機在直線作業(yè)時，處于自動導航模式；在地頭拐彎或遇到
[0013]障礙物時，可切換至人工操作模式。
[0014]優(yōu)選地，從機在整個作業(yè)過程中，一直處于自動導航模式，或者跟隨主機作業(yè)，或者按照主機的指令到達某一位置；主機可控制從機緊急制動。
[0015]優(yōu)選地，采用高精度GNSS系統(tǒng)來導航定位，可提供厘米級的導航定位精度。
[0016]優(yōu)選地，其采用的導航定位傳感器包括高精度GNSS系統(tǒng)和激光系統(tǒng)，其中GNSS系統(tǒng)用于提供從機的絕對位置信息，激光系統(tǒng)在作業(yè)時用于障礙物的檢測。
[0017]優(yōu)選地，定位時，可接收美國GPS衛(wèi)星信號，也可接收中國北斗衛(wèi)星信號。
[0018]優(yōu)選地，主機和從機采用WiFi802.1ln協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0019]優(yōu)選地，傳輸?shù)男畔?
[0020]命令型信息，為主機向從機發(fā)送的具體動作命令；
[0021]狀態(tài)型信息，為主機根據(jù)必要性，在作業(yè)過程中要求從機報告目前作業(yè)狀況；
[0022]請求型信息，為主機根據(jù)從機的要求，將當時的作業(yè)狀況傳送給從機。
[0023]優(yōu)選地，對于命令型模式，即主機發(fā)送命令信息，通知從機到達某一指定位置，從機根據(jù)此目標位置信息和當前位置及航向進行路徑規(guī)劃及動態(tài)避障；
[0024]對于跟隨型模式，即從機跟隨主機進行作業(yè)，主機與從機間保持一定的橫向距離和縱向距離，從機建立跟蹤路徑，與主機協(xié)同工作。
[0025]優(yōu)選地，命令型信息、狀態(tài)型信息以及請求型信息，均由開始符、標識符、指令類型、數(shù)據(jù)位、校驗位和結(jié)束符構(gòu)成，其中，開始符共8位，均為I ;標識符為作業(yè)農(nóng)機編號，共4位；指令類型共4位，前2位分別表示跟隨型或命令型系統(tǒng)，后2位區(qū)分3種指令形式；數(shù)據(jù)位共64位，為傳輸?shù)挠行畔?；結(jié)束符8位，均為O ;
[0026]命令型信息的數(shù)據(jù)位包括從機要到達的目標點的位置信息；若是跟隨型系統(tǒng)，此數(shù)據(jù)位包括從機和主機應保持的橫向距離、縱向距離及從機的航向；
[0027]狀態(tài)型信息的數(shù)據(jù)位包括從機的絕對位置和航向信息；
[0028]請求型信息的數(shù)據(jù)位包括主機的絕對位置和航向信息。
[0029]優(yōu)選地，從機通過激光裝置進行障礙物檢測，當檢測到障礙物時，可進行動態(tài)環(huán)境建模及避障。
[0030]優(yōu)選地，障礙物包括靜態(tài)障礙物和動態(tài)障礙物兩種，其中，靜態(tài)障礙物多為農(nóng)田中的電線桿和樹，動態(tài)障礙物可為主機或其它在農(nóng)田中作業(yè)的機器或人。
[0031 ] 優(yōu)選地，從機動態(tài)環(huán)境建模的步驟包括:
[0032]第一步:從機的環(huán)境感知傳感器檢測到障礙物；
[0033]第二步:采用基于空間聚類的障礙分類算法，分析確定聚類障礙物的屬性參數(shù)并進行時間關(guān)聯(lián)；
[0034]第三步:若為動態(tài)障礙物，首先判斷是否為主機或其他從機，若是主機，從機向主機發(fā)出狀態(tài)型信息，提醒主機駕駛員采取相應措施避讓；若為其他從機，也向主機發(fā)出信息，請求主機向從機發(fā)出警報；若為其他障礙物，繼續(xù)第四步；[0035]第四步:建立包含障礙物類型及動態(tài)障礙物速度與方向的障礙物鏈表；
[0036]第五步:采用擴展卡爾曼濾波，對從機在運動過程中的自身位置估計信息、建立的障礙物鏈表信息以及與主機的位置交互信息進行分析處理，構(gòu)建增量式局部地圖，同時利用該地圖更新從機的定位。
[0037]優(yōu)選地，避開動態(tài)障礙物的方法包括:
[0038]第一步:根據(jù)所建立的障礙物鏈表及動態(tài)環(huán)境模型，獲取動態(tài)障礙物的位置、運動及狀態(tài)信息；
[0039]第二步:計算從機與障礙物的相對速度；
[0040]第三步:建立沖突區(qū)域，綜合考慮障礙物速度的動態(tài)變化、碰撞時間、碰撞距離因素；
[0041]第四步:建立從機可避免碰撞的速度空間，結(jié)合農(nóng)機實際作業(yè)的需求，對速度空間進行優(yōu)化，獲取最優(yōu)速度矢量，最終達到動態(tài)避障的目的。
[0042]本發(fā)明的主一從協(xié)同作業(yè)農(nóng)機智能導航系統(tǒng)工作模式及動態(tài)避障方法，一方面提高了農(nóng)業(yè)機械的作業(yè)效率和作業(yè)精度，另一方面，也提高了智能導航系統(tǒng)的可靠性和安全性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0043]圖1是根據(jù)本發(fā)明的主一從系統(tǒng)作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)示意圖。
[0044]圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例信號協(xié)議。
[0045]圖3是根據(jù)本發(fā)明的從機動態(tài)環(huán)境建模過程。
[0046]圖4是根據(jù)本發(fā)明的從機動態(tài)避障過程。
【具體實施方式】
[0047]下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明實施例的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0048]圖1為本發(fā)明實施例主一從協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)。主-從系統(tǒng)由I個主機、I個或多個從機構(gòu)成，主-從機中都包括定位單元、控制單元和通信單元。工作時，由定位單元采集位置。主機和從機上都以工控機作為智能終端，用于數(shù)據(jù)的采集、分析及控制指令的發(fā)送。
[0049]主機的導航定位傳感器為高精度GNSS系統(tǒng)，從機的導航定位傳感器包括高精度GNSS系統(tǒng)和激光系統(tǒng)，其中GNSS用于提供從機的絕對位置信息，激光系統(tǒng)在作業(yè)時用于障礙物的檢測。
[0050]主機采用半自動導航方式，直線行走時采用自動導航方式，遇到障礙物或在地頭轉(zhuǎn)彎時可切換為人工操作模式；從機采用全自動導航方式，緊急情況下主機可遠程控制從機制動。
[0051]主一從機協(xié)同工作控制模式包括命令型和跟隨型兩種，對于命令型系統(tǒng)，即主機發(fā)送命令信息，通知從機到達某一指定位置，從機根據(jù)此目標位置信息和當前位置及航向進行路徑規(guī)劃，此模式常用于；對于跟隨型系統(tǒng)，從機跟隨主機進行作業(yè)，主機與從機間保持一定的距離和速度，并行作業(yè)。[0052]激光掃描系統(tǒng)安裝在導航車輛前端，可以進行180度掃描，并以極坐標的形式獲得存在于掃描區(qū)域內(nèi)的物體的距離，而且同時也獲取了該物體移動的方向和速度。進行動態(tài)環(huán)境建模時，從機通過GNSS系統(tǒng)獲得自己的位置信息，通過激光掃描系統(tǒng)獲得移動障礙物與從機的相對位置信息，并將采集到的作業(yè)環(huán)境信息傳送至智能終端。采用基于空間聚類的障礙物分類算法，分析確定聚類障礙物的屬性參數(shù)并進行時間關(guān)聯(lián)，建立包含障礙物類型及動態(tài)障礙物速度與方向的障礙物鏈表；采用擴展卡爾曼濾波，對從機在運動過程中的自身位姿估計信息、建立的障礙物鏈表信息以及與主機的位置交互信息進行分析處理，構(gòu)建增量式局部地圖，同時利用該地圖更新從機的定位。
[0053]檢測到動態(tài)障礙物后，還需要采用適當?shù)幕乇軇幼鱽硖岣呦到y(tǒng)地安全性和可靠性。
[0054]圖2為本實施例信號協(xié)議格式。本實施例共包括命令、狀態(tài)和請求型三種類型的信息，均由開始符、標識符、指令類型、數(shù)據(jù)位、校驗位和結(jié)束符構(gòu)成。其中，開始符共8位，均為I ;標識符為作業(yè)農(nóng)機編號，共4位；指令類型共4位，前2位用于區(qū)分跟隨型和命令型系統(tǒng)，后2位用來區(qū)分3種指令形式；數(shù)據(jù)位共64位，為傳輸?shù)挠行畔?；結(jié)束符8位，均為0.[0055]命令型信息，若是命令型系統(tǒng)，此數(shù)據(jù)位包括從機要到達的目標點的位置信息；若是跟隨型系統(tǒng)，此數(shù)據(jù)位包括從機和主機應保持的橫向距離、縱向距離及從機的航向；
[0056]狀態(tài)型信息，數(shù)據(jù)位包括從機的絕對位置和航向信息。
[0057]請求型信息，數(shù)據(jù)位包括主機的絕對位置和航向信息。
[0058]圖3為從機檢測動態(tài)障礙物時的動態(tài)環(huán)境建模過程，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0059]S1:從機的環(huán)境感知傳感器檢測到障礙物；
[0060]S2:采用基于空間聚類的障礙分類算法，分析確定聚類障礙物的屬性參數(shù)并進行時間關(guān)聯(lián)。
[0061]S3:若為動態(tài)障礙物，首先判斷是否為主機或其他從機，若是主機，從機向主機發(fā)出狀態(tài)型信息，提醒主機駕駛員采取相應措施避讓；若為其他從機，也像主機發(fā)出信息，請求主機向從機發(fā)出警報；若為其他障礙物，繼續(xù)S4 ；
[0062]S4:建立包含障礙物類型及動態(tài)障礙物速度與方向的障礙物鏈表；
[0063]S5:采用擴展卡爾曼濾波，對從機在運動過程中的自身位置估計信息、建立的障礙物鏈表信息以及與主機的位置交互信息進行分析處理，構(gòu)建增量式局部地圖，同時利用該地圖更新從機的定位。
[0064]圖4為從機檢測動態(tài)障礙物時的避障方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0065]S1:根據(jù)所建立的障礙物鏈表及動態(tài)環(huán)境模型，獲取動態(tài)障礙物的位置、運動及狀態(tài)息；
[0066]S2:計算從機與障礙物的相對速度，
[0067]S3:建立沖突區(qū)域，綜合考慮障礙物速度的動態(tài)變化、碰撞時間、碰撞距離等因素對建立沖突區(qū)域的影響；
[0068]S4:建立從機可避免碰撞的速度空間，結(jié)合農(nóng)機實際作業(yè)的需求，對速度空間進行優(yōu)化，獲取最優(yōu)速度矢量，最終達到動態(tài)避障的目的。[0069]最后應說明的是:以上實施例僅用以說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案而非對其進行限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明實施例進行了詳細的說明，本領域的普通技術(shù)人員應當理解:其依然可以對本發(fā)明實施例的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而這些修改或者等同替換亦不能使修改后的技術(shù)方案脫離本發(fā)明實施例技術(shù)方案的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種主一從機協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)，包括I個主機、I個或多個從機，主-從機中都包括定位單元、控制單元和通信單元，工作時，由定位單元采集位置，主機和從機上都以工控機作為智能終端，用于數(shù)據(jù)的采集、分析及控制指令的發(fā)送，其特征在于: 主機采用半自動導航方式，從機采用全自動導航方式， 主機和從機采用無線方式進行通訊，傳輸?shù)男畔?、狀態(tài)和請求三種信號格式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主一從機協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)，其特征在于:主一從機協(xié)同作業(yè)的控制模式包括命令型和跟隨型兩種: 命令型主一從機協(xié)同作業(yè)，從機具有路徑規(guī)劃和動態(tài)避障能力； 跟隨型主一從機協(xié)同作業(yè)，從機具有動態(tài)避障能力； 主一從機協(xié)同作業(yè)共同完成復合作業(yè)任務。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主一從機協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)，其特征在于，主機采用的半自動導航方式包括主機在直線作業(yè)時，處于自動導航模式；在地頭拐彎或遇到障礙物時，可切換至人工操作模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主一從機協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)，其特征在于，從機采用全自動導航方式是指從機在整個作業(yè)過程中，一直處于自動導航模式，即跟隨主機作業(yè)，或者按照主機的指令到達某一位置；主機可控制從機緊急制動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的主一從機協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)，其特征在于:工作于全自動導航方式的從機，其采用的導航定位傳感器包括高精度GNSS系統(tǒng)和激光系統(tǒng)，其中GNSS系統(tǒng)用于提供從機的絕對位置信息，激光系統(tǒng)在作業(yè)時用于障礙物的檢測。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的主一從 機協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)，其特征在于: 對于命令型模式，即主機發(fā)送命令信息，通知從機到達某一指定位置，從機根據(jù)此目標位置信息和當前位置及航向進行路徑規(guī)劃及動態(tài)避障； 對于跟隨型模式，即從機跟隨主機進行作業(yè)，主機與從機間保持一定的橫向距離和縱向距離，從機建立跟蹤路徑，與主機協(xié)同工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主一從機協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)，其特征在于: 從機通過激光裝置進行障礙物檢測，當檢測到障礙物時，可進行動態(tài)環(huán)境建模及避障。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的主一從機協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)，其特征在于:障礙物包括靜態(tài)障礙物和動態(tài)障礙物兩種，其中，靜態(tài)障礙物可為農(nóng)田中的電線桿和樹，動態(tài)障礙物可為主機或其它在農(nóng)田中作業(yè)的機器或人。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的主一從機協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)，其特征在于，從機動態(tài)環(huán)境建模的步驟包括: 第一步:從機的環(huán)境感知傳感器檢測到障礙物； 第二步:采用基于空間聚類的障礙分類算法，分析確定聚類障礙物的屬性參數(shù)并進行時間關(guān)聯(lián)； 第三步:若為動態(tài)障礙物，首先判斷是否為主機或其他從機，若是主機，從機向主機發(fā)出狀態(tài)型信息，提醒主機駕駛員采取相應措施避讓；若為其他從機，也向主機發(fā)出信息，請求主機向從機發(fā)出警報；若為其他障礙物，繼續(xù)第四步； 第四步:建立包含障礙物類型及動態(tài)障礙物速度與方向的障礙物鏈表； 第五步:采用擴展卡爾曼濾波，對從機在運動過程中的自身位置估計信息、建立的障礙物鏈表信息以及與主機的位置交互信息進行分析處理，構(gòu)建增量式局部地圖，同時利用該地圖更新從機的定位。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的主一從機協(xié)同作業(yè)農(nóng)業(yè)機械智能導航系統(tǒng)，其特征在于，動態(tài)避障的方法包括: 第一步:根據(jù)所建立的障礙物鏈表及動態(tài)環(huán)境模型，獲取動態(tài)障礙物的位置、運動及狀態(tài)息； 第二步:計算從機與障礙物的相對速度； 第三步:建立沖突區(qū)域，綜合考慮障礙物速度的動態(tài)變化、碰撞時間、碰撞距離因素；第四步:建立從機可避免碰撞的速度空間，結(jié)合農(nóng)機實際作業(yè)的需求，對速度空間進行優(yōu)化，獲取最優(yōu)速度矢量，最 終達到動態(tài)避障的目的。
【文檔編號】G05D1/02GK103499973SQ201310462895
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】張漫, 李民贊, 劉剛, 郇海燕, 仇瑞承, 何潔 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學