CN104133192A - 一种应用于中小规模农田的农用机械导航***及导航方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于中小规模农田的农用机械导航***及方法，包括：测距设备、智能相机、车载计算机、田间靶标和显示设备。该导航***利用测距设备获得农业机械与田间靶标之间的距离，并通过车载计算机将距离信息转换为农业机械的实际位置与预定轨道的相对位置信息，最后将该信息传送给显示设备，农业机械操控者通过显示设备可以实时观测农业机械的相对位置，若偏离预定轨道则控制其回到预定位置。其具有结构简单，可维护性更加高、故障率更低、成本低等特点。

Description

一种应用于中小规模农田的农用机械导航***及导航方法

技术领域

本发明涉及一种农用机械导航装置，尤其涉及一种应用于中小规模农田的农用机械导航***及导航方法。

背景技术

我国是一个农业大国，近年来我国农业机械化水平虽有所提高，但相比智能化水平依然较低。在机械耕作时，往往凭借操作者的经验提高耕作质量，这不仅给操作者提出了更高的要求也增大了其劳动强度。因此采用农业机械田间作业导航装置能提高耕作质量，降低操作者工作强度。

农用机械的导航可定义为根据农用机械的实际位置和期望路径的误差确定车辆的转向角的大小，使其按照预定的路径行驶。农用机械的导航装置可以包括定位、路径规划、导航控制等。

其中定位主要是检测农用机械作业过程中的相对位置等信息，可以使用全球定位***(GPS)、机械视觉、激光等定位方法。路径规划是指确定农用机械的路径信息，包括路线的弯曲半径、长度、农用机械的航向角等信息。导航控制模块用于控制农用机械按照规划路线行驶。

现有农用机械导航***普遍结构复杂，价格高昂，无法应用于中小规模农田。

发明内容

本发明的目的在于提供一种试用于中小规模农田耕作的农用机械导航***及导航方法，该***通过测量机械***与靶标之间的距离确定机械***在农田中的相对位置，达到辅助操作者驾驶农用机械进行耕地作业的目的，完成对农用机械的导航。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种应用于中小规模农田的农用机械导航***，包括田间靶标、测距设备、显示设备和车载计算机，其中：测距设备、显示设备、车载计算机均设置在农用机械上；

所述田间靶标设置于农田一角，包括A靶标和B靶标，用于给测距设备提供定位；

所述的测距设备用于查找与识别靶标，并将靶标类型以及农用机械到靶标距离信息发送至车载计算机；

所述的车载计算机根据接收来自测距设备的靶标类型以及农用机械到靶标距离，对农用机械到靶标距离做几何运算，得到农用机械在田间的相对位置信息；

所述显示设备接收来自车载计算机的相对位置信息，将相对位置信息显示在显示设备上，操作人员通过观测显示设备提供的信息控制农用机械按预定轨迹行驶。

所述测距设备包括激光测距仪、智能相机和云台；云台转动在视野中查找与识别靶标，当检测到靶标后启动激光测距仪测量靶标到农用机械的距离，并将靶标类型以及农用机械到靶标距离信息发送至车载计算机。

所述车载计算机包括输入模块、输出模块和处理模块；输入模块用于接收来自测距设备的距离、靶标类型信息，并将信息送入处理模块；处理模块综合靶标类型、靶标距离，利用其间几何关系，计算得出农用机械与预轨迹间的偏离度，最后将此偏离度通过输出模块发送至显示设备。

一种应用于中小规模农田的农用机械的导航方法，包括以下步骤：

(1)首先，在农田一角间隔放置田间A靶标、B靶标，田地中划定与A靶标和B靶标的连线相垂直并且与田地一边相平行的若干直线，该若干直线为预定轨迹，田间A靶标、B靶标之间的距离等于每相邻两条预定轨迹间的距离；

(2)测距设备自动查询田间A靶标、B靶标，并测量农用机械到A靶标、B靶标的距离，记录靶标类型以及农用机械到靶标间的距离信息；

(3)车载计算机计算农用机械到A靶标、B靶标的距离间的关系，得出农用机械在农田中的相对位置信息；

(4)显示设备显示农用机械与预定轨迹的偏离度，农用机械操作者根据偏离度操作农用机械使其在预定轨迹上行驶，从而完成对农用机械的导航。

所述A靶标、B靶标的具***置为：A靶标、B靶标位于农用机械起始点C的一侧，并且A靶标、B靶标与农用机械的起始点C位于一条直线上，A靶标到B靶标之间的距离与B靶标到农用机械起始点C之间的距离相同。

所述步骤中农用机械到A靶标、B靶标的距离间的关系具体计算过程为：

当农用机械的位置O点在第n条预定轨迹上时，有AB²＝(OA²-OB²)/(2n+1)，n为距离B靶标开始的第几条预定轨迹，n的取值范围从1到100；

AB间的距离通过安置田间靶标时测量，OA和OB的距离用农用机械导航***测距设备测得；若农用机械偏离预定轨迹路线时有AB²*(2n+1)>OA²-OB²，或AB²*(2n+1)<OA²-OB²。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果：

第一，本发明的导航***利用测距设备获得农业机械与田间靶标之间的距离，并通过车载计算机将距离信息转换为农业机械***的实际位置与预定轨道的相对位置信息，最后将该信息传送给显示设备，农业机械操控者通过显示设备可以实时观测农业机械的相对位置，若偏离预定轨道则控制其回到预定位置。

本发明采用机器视觉、距离测量的方法来确定农业机械的相对位置，较现有技术中使用的GPS、陀螺仪、加速度计、通信基站等复杂设备，具有结构简单，可维护性更加高、故障率更低等特点，提高了其实用性。

第二，本发明通过测量田间靶标与设备间的距离，分析农用机械与预定轨道的偏离度提示农用机械操作者在偏离时将其驶预定位置，可以保证农业机械在耕作时，能够沿着笔直的路径行驶，从而保证了每一垄地的平直，垄与垄平行，垄间距离相等，可实现农业机械在预定轨迹上行驶，提高耕地质量。

现有技术使用了大量了传感设备，一套动辄十几万，对于中小规模的农户来说使用这样的设备是得不偿失的，而本发明仅仅采用了测距设备等简单设备即可提高中小规模田间耕作质量，降低了使用成本。同时，可维护性更加高、故障率更低。

附图说明

图1为本发明农用机械导航***工作示意图；

图2为本发明农用机械的运动示意图；

图3为本发明农用机械导航***测距设备示意图；

图4为本发明农用机械导航***智能相机示意图；

图5为本发明农用机械导航***车载计算机示意图；

图6为本发明农用机械导航***田间靶标示意图；

图7为本发明农用机械导航***显示设备示意图。

图中，1为田间靶标，2为智能相机，3为车载计算机，4为云台，5为显示设备。

具体实施方式

下面通过附图对本发明做进一步的详细描述。本发明中的中小规模的农田为矩形状，宽为200m，长为100～200m。本发明中的*表示乘号

本发明的应用于中小规模农田的农用机械导航***包括：田间靶标1、测距设备、显示设备和车载计算机，其中：测距设备、显示设备和车载计算机均设置于农用机械上，测距设备测得的测距设备与靶标之间的距离即为农用机械与靶标之间的距离。

所述田间靶标设置于农田一角，田间靶标包括A靶标和B靶标，用于给测距设备提供标识并测量A靶标、B靶标到农用机械的距离；靶标具***置为：A靶标、B靶标位于农用机械的起始点的一侧，并且A靶标、B靶标与农用机械的起始点C位于一条直线上，A靶标与B靶标之间的距离，与B靶标与农用机械起始点C之间的距离相同；

所述的测距设备包括激光测距仪、智能相机2和云台4；云台转动在视野中查找与识别靶标，当检测到靶标后启动激光测距仪测量靶标到测距设备的距离，并将靶标类型与测距设备到靶标距离信息发送至车载计算机3；测量靶标到测距设备的距离即为靶标到农用机械的距离。

所述的车载计算机根据接收来自测距设备的靶标类型与测距设备到靶标距离，对到靶标距离做几何运算，得到农用机械在田间的相对位置信息；

所述显示设备接收来自车载计算机3的相对位置信息，将相对位置信息显示在显示设备5上，操作人员通过观测显示设备提供的信息控制农用机械按预定轨迹行驶。导航精度由测距设备与靶标间的距离决定。

应用于中小规模农田的农用机械导航方法，包括以下步骤：

(1)参见图2，首先，划定预定轨迹，田间A靶标、B靶标间隔放置于田间一侧，A靶标、B靶标位于农用机械的起始点的一侧，并且A靶标、B靶标与农用机械的起始点位于一条直线上，A靶标与B靶标之间的距离，与B靶标与农用机械起始点之间的距离相同；

田地中划定与A靶标和B靶标的连线相垂直并且与田地一边相平行的线，如图2中的直线CD，EF，GH等为预定轨迹，且直线CD与EF，直线EF与GH之间的距离等于A靶标、B靶标之间的距离。即由所述的田间A靶标、B靶标间的距离确定预定轨迹间的距离。

(2)测距设备自动查询田间A靶标、B靶标，并测量测距设备到A靶标、B靶标的距离，记录靶标类型以及农用机械到A靶标、B靶标间的距离信息；

(3)车载计算机计算农用机械到A靶标、B靶标的距离间的关系，得出农用机械在农田中的相对位置信息；

(4)显示设备显示农用机械与预定路径的偏离度，农用机械操作者根据偏离度操作农用机械保证其在预定轨迹上行驶，从而完成对农用机械的导航。显示设备用于对偏离度按比例显示。

导航方法的具体过程如下：

参见图1，智能相机2在云台4的转动下，查找田间靶标1，并识别靶标类型，A靶标或B靶标，通过测距设备测量田间靶标1与农用机械设备之间的距离，将距离与靶标类型信息发送至车载计算机3，由车载计算机3计算获得农用机械与预定轨迹的偏离度，并将偏离度信息发送至显示设备显示。

参见图2，在图2中，表示出了搭载导航***的中小规模农用机械运动示意图。如图所示：A靶标、B靶标位于农用机械的起始点的一侧，并且A靶标、B靶标与农用机械的起始点位于一条直线上，A靶标与B靶标之间的距离，与B靶标与农用机械起始点之间的距离相同；

A、B为田间靶标，O为搭载导航***的农用机械，O1、O2为偏离预定路线时的可能位置，CD、EF、GH为预定路线。当A、B点的位置固定后，就可以保证O点农用机械按照C、D、E、F、G、H的预定路线行驶，且CD、FE、GH平行，CD、FE、GH之间的距离相等。CD为第一条预定轨迹，EF为第二条预定轨迹，GH为第三条预定轨迹。

当农用机械的位置O点在第一条预定轨迹CD上时，即n＝1时，由于AC与CD垂直，AB＝BC并且A、B、C在一条直线上，所以有OA²＝AC²+OC²，OB²＝BC²+OC²，进而可以得到3BC²＝OA²-OB²，BC²＝(OA²-OB²)/3，AB²＝(OA²-OB²)/3；

当农用机械的位置O点在第二条预定轨迹EF上时，即n＝2时，同样可以得到AB²＝(OA²-OB²)/5；

当农用机械的位置O点在第二条预定轨迹GH上时，即n＝3时，同样可以得到AB²＝(OA²-OB²)/7；

同理，当农用机械的位置O点在第n条预定轨迹上时，有AB²＝(OA²-OB²)/(2n+1)，其中，n为距离B靶标开始的第几条预定轨迹，n的取值范围从1到100。

AB间的距离可以通过安置田间靶标时测量，OA和OB的距离可以用农用机械导航***测距设备测得。若农用机械偏离预定路线位于O1位置则有AB²*(2n+1)>OA²-OB²，若位于O2位置则有AB²*(2n+1)<OA²-OB²。

具体的导航方法如下：

步骤1，寻找靶标并测量靶标与农用机械间的距离。在图3中，图3为农用机械导航***测距设备示意图。测距设备由激光测距仪、智能相机2和云台4组成。首先，通过智能相机查找视野范围内，是否存在田间靶标，若存在则判断靶标类型：A靶标或B靶标。在确定靶标类型后，智能相机利用靶标上的定位点使测距设备对准靶标，此时启动激光测距仪测得靶标离测距设备间的距离，最后将靶标类型和到靶标距离发送至车载计算机。智能相机再次查找与上次靶标类型不同的靶标，测量并上传靶标类型与到靶标距离。

参见图4，图4为车载计算机、智能相机连接示意图。智能相机由图像采集模块和图像处理模块组成。图像采集模块用于采集图像信息，并将图像传输至图像处理模块。图像处理模块首先通过基于模板匹配的目标识别算法，比对当前采集图像是否符合靶标特征，若符合靶标特征，则利用靶标上的定位点，确定智能相机与靶标的偏离度，将此偏移度传递至云台，云台根据偏离度转动相应角度，使智能相机对准靶标。

步骤2，处理靶标类型、距离等信息。参见图5，图5为车载计算机的结构示意图。车载计算机由输入模块、输出模块和处理模块组成。输入模块用于接受来自测距设备的距离、靶标类型等信息，并将信息送入处理模块。处理模块综合靶标类型、靶标距离，利用其间几何关系，计算得出农用机械与预定路线间的偏离度，最后将此偏离度通过输出模块发送至显示设备5。

参见图6，图6为田间靶标示意图。田间靶标分为A、B两种图案不同的靶标。靶标中的点为定位点。不同的图案可以使智能相机区分A、B靶标，定位点可以使相机准确对准靶标，提高测距的准确性。

步骤3，显示农用机械与预定路径间的偏移度。参见图7，图7为显示设备示意图。显示设备上的十字叉丝用于指示预定路线。中心A点为农用机械相对位置。操作者可以通过观测农用机械相对位置与预定路线的偏移来操作农用机械使其回到预定路线。从而保证了农用机械按照预定路线行进。

Claims (6)

1.一种应用于中小规模农田的农用机械导航***，其特征在于，包括田间靶标(1)、测距设备、显示设备和车载计算机(3)，其中：测距设备、显示设备、车载计算机(3)均设置在农用机械上；

所述田间靶标(1)设置于农田一角，包括A靶标和B靶标，用于给测距设备提供定位；

所述的测距设备用于查找与识别靶标，并将靶标类型以及农用机械到靶标距离信息发送至车载计算机(3)；

所述的车载计算机(3)根据接收来自测距设备的靶标类型以及农用机械到靶标距离，对农用机械到靶标距离做几何运算，得到农用机械在田间的相对位置信息；

所述显示设备接收来自车载计算机(3)的相对位置信息，将相对位置信息显示在显示设备(5)上，操作人员通过观测显示设备(5)提供的信息控制农用机械按预定轨迹行驶。

2.根据权利要求1所述的一种应用于中小规模农田的农用机械导航***，其特征在于，所述测距设备包括激光测距仪、智能相机(2)和云台(4)；云台(4)转动在视野中查找与识别靶标，当检测到靶标后启动激光测距仪测量靶标到农用机械的距离，并将靶标类型以及农用机械到靶标距离信息发送至车载计算机(3)。

3.根据权利要求1所述的一种应用于中小规模农田的农用机械导航***，其特征在于，所述车载计算机(3)包括输入模块、输出模块和处理模块；输入模块用于接收来自测距设备的距离、靶标类型信息，并将信息送入处理模块；处理模块综合靶标类型、靶标距离，利用其间几何关系，计算得出农用机械与预轨迹间的偏离度，最后将此偏离度通过输出模块发送至显示设备(5)。

4.一种基于权利要求1所述的应用于中小规模农田的农用机械的导航方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)首先，在农田一角间隔放置田间A靶标、B靶标，田地中划定与A靶标和B靶标的连线相垂直并且与田地一边相平行的若干直线，该若干直线为预定轨迹，田间A靶标、B靶标之间的距离等于每相邻两条预定轨迹间的距离；

(2)测距设备自动查询田间A靶标、B靶标，并测量农用机械到A靶标、B靶标的距离，记录靶标类型以及农用机械到靶标间的距离信息；

(3)车载计算机(3)计算农用机械到A靶标、B靶标的距离间的关系，得出农用机械在农田中的相对位置信息；

(4)显示设备(5)显示农用机械与预定轨迹的偏离度，农用机械操作者根据偏离度操作农用机械使其在预定轨迹上行驶，从而完成对农用机械的导航。

5.根据权利要求4所述的应用于中小规模农田的农用机械的导航方法，其特征在于，所述A靶标、B靶标的具***置为：A靶标、B靶标位于农用机械起始点C的一侧，并且A靶标、B靶标与农用机械的起始点C位于一条直线上，A靶标到B靶标之间的距离与B靶标到农用机械起始点C之间的距离相同。

6.根据权利要求5所述的应用于中小规模农田的农用机械的导航方法，其特征在于，所述步骤(3)中农用机械到A靶标、B靶标的距离间的关系具体计算过程为：

当农用机械的位置O点在第n条预定轨迹上时，有AB²＝(OA²-OB²)/(2n+1)，n为距离B靶标开始的第几条预定轨迹，n的取值范围从1到100；

AB间的距离通过安置田间靶标时测量，OA和OB的距离用农用机械导航***测距设备测得；若农用机械偏离预定轨迹路线时有AB²*(2n+1)>OA²-OB²，或AB²*(2n+1)<OA²-OB²。