CN105045280B - 一种基于卫星***的自走式喷施机导航***以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及农业机械装备领域，公开了一种基于卫星***的自走式喷施机导航***以及方法。其中，所述***包括：定位定向仪，安装于所述自走式喷施机中；以及控制装置，与所述定位定向仪连接。本发明通过获取所述自走式喷施机的位置信息，并根据所述位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息，然后，根据所述位置信息和航向角信息控制所述自走式喷施机自主行走，很大程度上减轻了工作人员的劳动强度，避免了工作人员与药液接触。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械装备领域，具体地，涉及一种基于卫星***的自走式喷施机导航***及方法。
背景技术
随着农场农机现代化进程的加快，如何提高标准化作业水平、如何减轻驾驶操作人员的劳动强度、如何充分发挥现代农机装备在保证国家粮食安全中的作用，是农机人面临的一个新的课题。
目前，用于果树或者农作物的喷施机主要有三种类型：人工背负式喷施机、车载式喷施机以及自走式喷施机。人工背负式喷施机自动化程度低，劳动强度高，作业效率低。此外，由于喷雾的药液一般对人体有害，人工背负式喷施机进行喷雾时会危害身体健康，而车载式喷施机和自走式喷施机虽然在自动化和作业效率上有一定程度的改善，但是存在以下问题：自动化程度不高，仍然需要人工进行驾驶。由于在车载式喷施机和自走式喷施机喷施药液的过程中药液雾滴漂移严重，从而使得作业人员的身体健康受药物的伤害。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于卫星***的自走式喷施机导航***以及方法。其中，所述***通过获取所述自走式喷施机的位置信息，并根据所述位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息，然后，根据所述位置信息和航向角信息控制所述自走式喷施机自主行走，很大程度上减轻了工作人员的劳动强度，避免了工作人员与药液接触。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于卫星***的自走式喷施机导航***。所述***包括：定位定向仪，安装于所述自走式喷施机中，用于从所述卫星***中获取所述自走式喷施机的位置信息，并根据所述位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息；以及控制装置，与所述定位定向仪连接，用于接收来自所述定位定向仪的位置信息和航向角信息，并根据所述位置信息和航向角信息控制所述自走式喷施机行走，以实现对所述自走式喷施机的导航。
优选地，所述控制装置根据所述位置信息计算所述自走式喷施机到预先设定的直线的距离，并判断所述距离是否大于预先设定的安全距离，在所述距离大于预先设定的安全距离的情况下，根据所述位置信息判断所述自走式喷施机的拐弯方向，再控制所述自走式喷施机，以使得所述自走式喷施机拐弯回到安全区域中。
优选地，所述控制装置在根据所述位置信息判断所述自走式喷施机的位置处于预先设定的垄头转弯点的区域范围的情况下，根据所述航向角信息和预先设定的转弯角度调整所述自走式喷施机的转弯角度，从而控制所述自走式喷施机进行转弯换垄作业。
优选地，所述定位定向仪包括：第一小盘天线，用于从所述卫星***中获取自身的位置信息；第二小盘天线，用于从所述卫星***中获取自身的位置信息；以及定位定向仪主机，与所述第一小盘天线和第二小盘天线连接，用于接收来自所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息，并以所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息中的任意一者为所述自走式喷施机的位置信息，以及根据所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息，其中，根据所述第一小盘天线的位置信息和第二小盘天线的位置信息所确定的直线与所述自走式喷施机的前进方向平行。
优选地，所述***还包括：GNSS接收机，与所述定位定向仪连接，用于从所述卫星***中获取自身的位置信息，并将所获取的位置信息与预先存储的实际位置信息进行比较以及根据比较结果向所述定位定向仪发送用于校正位置信息的差分信号。
优选地，所述GNSS接收机包括：基准站主机，用于从所述卫星***中获取所述GNSS接收机的位置信息；电台主机，与所述基准站主机连接，用于接收来自所述基准站主机的位置信息，并将所接收的位置信息与预先存储的实际位置信息进行比较以及根据比较结果得到用于校正位置信息的差分信号；以及电台天线，与所述电台主机连接，用于将所述差分信号发送至所述定位定向仪。
优选地，所述定位定向仪还包括：车载电台天线，与所述定位定向仪主机连接，用于接收来自所述电台天线的差分信号；定位定向仪主机还用于根据所述差分信号校正所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息，并以校正后的所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息中的任意一者为所述自走式喷施机的位置信息，以及根据校正后的所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息。
相应地，本发明还提供一种基于卫星***的自走式喷施机导航方法，所述方法包括：定位定向仪从所述卫星***中获取所述自走式喷施机的位置信息，并根据所述位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息；以及控制装置接收来自所述定位定向仪的位置信息和航向角信息，并根据所述位置信息和航向角信息控制所述自走式喷施机行走，以实现对所述自走式喷施机的导航。
优选地，所述方法还包括：所述控制装置根据所述位置信息计算所述自走式喷施机到预先设定的直线的距离，并判断所述距离是否大于预先设定的安全距离，在所述距离大于预先设定的安全距离的情况下，根据所述位置信息判断所述自走式喷施机的拐弯方向，再控制所述自走式喷施机，以使得所述自走式喷施机拐弯回到安全区域中。
优选地，所述方法还包括：所述控制装置根据所述位置信息判断所述自走式喷施机的位置是否处于预先设定的垄头转弯点的区域范围，在根据所述位置信息判断所述自走式喷施机的位置处于预先设定的垄头转弯点的区域范围的情况下，根据所述航向角信息和预先设定的转弯角度调整所述自走式喷施机的转弯角度，从而控制所述自走式喷施机进行转弯换垄作业。
通过上述技术方案，获取所述自走式喷施机的位置信息，并根据所述位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息，然后，根据所述位置信息和航向角信息控制所述自走式喷施机自主行走，不仅减轻了工作人员的劳动强度，而且还避免了工作人员与药液接触。
附图说明
图1是本发明提供的基于卫星***的自走式喷施机导航***的结构示意图；
图2是自走式喷施机在果园自主导航的路径规划图；以及
图3是本发明提供的基于卫星***的自走式喷施机导航方法的流程图。
附图标记说明
10 GNSS接收机 20 定位定向仪 30 控制装置
40 基准站主机 50 电台主机 60 锂电池
70 定位定向仪主机 80 电台天线 90 第一小盘天线
100 车载电台天线 110 第二小盘天线
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
车载式喷施机和自走式喷施机虽然在自动化和作业效率上有一定程度的改善，但是存在以下问题：自动化程度不高，仍然需要人工进行驾驶。由于在车载式喷施机和自走式喷施机喷施药液的过程中药液雾滴漂移严重，从而使得作业人员的身体健康受药物的伤害。因此，本发明特提供一种基于卫星***的自走式喷施机导航***。
图1是本发明提供的基于卫星***的自走式喷施机导航***的结构示意图。如图1所示，本发明提供的基于卫星***的自走式喷施机导航***包括：定位定向仪20，安装于所述自走式喷施机中，用于从所述卫星***中获取所述自走式喷施机的位置信息，并根据所述位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息；以及控制装置30，与所述定位定向仪20连接，用于接收来自所述定位定向仪的位置信息和航向角信息，并根据所述位置信息和航向角信息控制所述自走式喷施机行走，以实现对所述自走式喷施机的导航。具体地，所述控制装置30根据所述位置信息计算所述自走式喷施机到预先设定的直线的距离，并判断所述距离是否大于预先设定的安全距离，在所述距离大于预先设定的安全距离的情况下，根据所述位置信息判断所述自走式喷施机的拐弯方向，再控制所述自走式喷施机，以使得所述自走式喷施机拐弯回到安全区域中。所述控制装置30在根据所述位置信息判断所述自走式喷施机的位置处于预先设定的垄头转弯点的区域范围的情况下，根据所述航向角信息和预先设定的转弯角度调整所述自走式喷施机的转弯角度，从而控制所述自走式喷施机进行转弯换垄作业。藉此，能够解决自走式喷施机自动化程度低、喷药时对人体健康产生伤害以及工作效率低的问题。
在具体的实施方式中，所述控制装置30为ATmega128芯片。所述ATmega128芯片的存储容量为128K，具有高可靠性、功能强、高速度、低功耗等特点。所述ATmega128芯片安装于STK128+开发板上，ATmega128芯片通过STK128+开发板的串口与定位定向仪20连接，且STK128+开发板的串口通过RS232与定位定向仪20连接。藉此，STK128+开发板能够与ATmega128芯片相互匹配，从而有利于ATmega128芯片的开发。
可选择地，所述***还包括：GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星***)接收机10，与所述定位定向仪20连接，用于从所述卫星***中获取自身的位置信息，并将所获取的位置信息与预先存储的实际位置信息进行比较以及根据比较结果向所述定位定向仪发送用于校正位置信息的差分信号。藉此，定位定向仪可利用差分信号对自走式喷施机的位置信息进行校正，提高了定位定向仪的定位精度，其定位精度能够达到厘米级别，自走式喷施机能很好地满足果园自动行走作业的精度要求。
在具体的实施方式中，所述GNSS接收机10包括：基准站主机40，用于从所述卫星***中获取所述GNSS接收机的位置信息；电台主机50，与所述基准站主机40连接，用于接收来自所述基准站主机的位置信息，并将所接收的位置信息与预先存储的实际位置信息进行比较以及根据比较结果得到用于校正位置信息的差分信号；以及电台天线80，与所述电台主机50连接，用于将所述差分信号发送至所述定位定向仪。藉此，可方便得到用于校正位置信息的差分信号。具体地，差分信号能够对从卫星***中获取的位置信息进行校正以使得所述位置信息更接近物体的真实位置信息。藉此，有利于自走式喷施机获得更准确的位置信息。
优选地，所述GNSS接收机10还包括：锂电池60，与所述基准站主机40和电台主机50连接，用于为所述基准站主机和电台主机提供电源。藉此，基准站主机和电台主机能够获取能量进行正常的工作。
在一种可能的实施方式中，所述定位定向仪20包括：第一小盘天线90，用于从所述卫星***中获取自身的位置信息；第二小盘天线110，用于从所述卫星***中获取自身的位置信息；以及定位定向仪主机70，与所述第一小盘天线90和第二小盘天线110连接，用于接收来自所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息，并以所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息中的任意一者为所述自走式喷施机的位置信息，以及根据所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息，其中，根据所述第一小盘天线的位置信息和第二小盘天线的位置信息所确定的直线与所述自走式喷施机的前进方向平行。具体地，第一小盘天线的位置信息和第二小盘天线的位置信息分别为坐标信息。由于第一小盘天线与第二小盘天线的位置所确定的直线与自走式喷施机的前进方向平行，那么根据第一小盘天线和第二小盘天线的坐标信息中的坐标可以计算得到所确定直线的倾角，也就是自走式喷施机的的航向角。
优选地，所述定位定向仪还包括：车载电台天线100，与所述定位定向仪主机70连接，用于接收来自所述电台天线的差分信号；定位定向仪主机还用于根据所述差分信号校正所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息，并以校正后的所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息中的任意一者为所述自走式喷施机的位置信息，以及根据校正后的所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息。藉此，自走式喷施机能够获得更高精度的位置信息和航向角信息。
在具体的应用中，需要对自走式喷施机的导航路径进行规划。图2是自走式喷施机在果园自主导航的路径规划图。如图2所示，附带两个小圆圈的黑色矩形代表自走式喷施机，树状物代表果树，带箭头的实线代表自走式喷施机的行走理想路线，点0、点1、点2、点3、点4以及点5代表垄头转弯点，点A为自走式喷施机实际行走中的任意一点，点A到行走理想路线的距离为D，D0为自走式喷施机不撞到果树的安全距离。自走式喷施机到行走理想路线的距离D小于D0的区域定义为安全区域。当自走式喷施机在垄间行走作业时，在自走式喷施机到行走理想路线距离D大于安全距离D0的情况下，控制装置30控制自走式喷施机自动拐弯回到安全区域。当自走式喷施机到达垄头转弯点的区域范围时，控制装置30控制自走式喷施机自动转弯一定的角度，实现换垄作业。
在具体的实施方式中，本发明提供的基于卫星***的自走式喷施机导航***由ATmega128芯片(AVR单片机)作为核心处理器。自走式喷施机的气动传动单元的电磁阀用于执行核心处理器的控制。很显然，气动传动单元的电磁阀与ATmega128芯片连接。在使用自走式喷施机导航***前，工作人员控制自走式喷施机的行走方向以使得自走式喷施机沿着图2中规划的行走理想路线进行行走。然后，定位定向仪20从北斗卫星***中采集自走式喷施机在果园垄间直线行走的若干点的坐标、垄头转弯点坐标以及转弯时的航向角。在自走式喷施机走完理想路线后，将定位定向仪连接到电脑，通过串口助手读取定位定向仪所采集的数据信息。通过自走式喷施机在果园垄间直线行走的若干点的坐标能够拟合得到直线的轨迹方程，也即是控制装置30预先设定的直线。如图2所示，控制装置30预先设定的直线包括点0和点1所在的直线、点2和点3所在的直线、点4和点5所在的直线。此外，控制装置30预先设定的安全距离为自走式喷施机不撞到果树的安全距离D0，控制装置30预先设定的转弯角度为定位定向仪所采集的自走式喷施机转弯时的航向角。在具体的应用中，当自走式喷施机行走在果园垄间时，定位定向仪20将自走式喷施机的位置信息和航向角信息以数据包的格式实时发送给ATmega128芯片，ATmega128芯片根据自走式喷施机的位置信息(位置坐标)计算出所述自走式喷施机到所述拟合直线(预先设定的直线)的距离。当距离大于预先设定的安全距离时，ATmega128芯片再根据位置坐标判断自走式喷施机的位置是在理想直线的左方还是右方(用于控制自走式喷施机左拐或右拐)，继而控制气动转向单元的电磁阀动作，气动电磁阀控制气缸动作，气缸带动转向离合器动作，控制喷施机左拐或右拐，从而控制喷施机拐弯回到安全区域。当自走式喷施机行走到预先设定的垄头转弯点的区域范围时，ATmega128芯片控制自走式喷施机换垄转向。ATmega128芯片实时获取定位定向仪发送的航向角信息，ATmega128芯片根据所获取的航向角信息和预先设定的转弯角度调整自走式喷施机转弯角度，从而控制自走式喷施机转弯换垄作业。在这个过程中，ATmega128芯片控制气动转向单元的电磁阀动作，气动电磁阀控制气缸动作，气缸带动转向离合器动作，从而实现自走式喷施机转弯角度的调整。
相应地，本发明还提供一种基于卫星***的自走式喷施机导航方法。图3是本发明提供的基于卫星***的自走式喷施机导航方法的流程图。如图3所示，本发明提供的基于卫星***的自走式喷施机导航方法包括：在进行步骤S101之前，定位定向仪从所述卫星***中获取所述自走式喷施机的位置信息，并根据所述位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息；在步骤S101中，控制装置接收来自定位定向仪的位置信息和航向角信息；在步骤S102中，控制装置根据所述位置信息计算所述自走式喷施机到预先设定的直线的距离；在步骤S103中，控制装置判断所述距离是否大于预先设定的安全距离；若所述距离不大于预先设定的安全距离，则继续检测所述距离是否大于预先设定的安全距离；若所述距离大于预先设定的安全距离，在步骤S104中，控制装置根据所述位置信息判断所述自走式喷施机的拐弯方向，再控制所述自走式喷施机，以使得所述自走式喷施机拐弯回到安全区域中。在步骤S105中，控制装置根据所述位置信息判断所述自走式喷施机的位置是否处于预先设定的垄头转弯点的区域范围；若根据所述位置信息判断所述自走式喷施机的位置不处于预先设定的垄头转弯点的区域范围，则继续检测所述自走式喷施机的位置是否处于预先设定的垄头转弯点的区域范围；若根据所述位置信息判断所述自走式喷施机的位置处于预先设定的垄头转弯点的区域范围，在步骤S106中，控制装置根据所述航向角信息和预先设定的转弯角度调整所述自走式喷施机的转弯角度，从而控制所述自走式喷施机进行转弯换垄作业。总的来说，上述步骤S102至上述步骤S106可以概括为控制装置根据所述位置信息和航向角信息控制所述自走式喷施机行走，以实现对所述自走式喷施机的导航。以上各步骤中还涉及的细节，已在本发明提供的基于卫星***的自走式喷施机导航***中作了详细的说明，在此不再赘述。
本发明能够使自走式喷施机在果园垄间不撞到果树的安全区域内自动行走进行喷施作业以及在垄头转弯换垄区域自动转向换垄，自动智能化程度高，效率很高。基于本发明提供的基于卫星***的自走式喷施机导航***，工作人员只需启动自走式喷施机，自走式喷施机自主完成行走喷施作业，自动换垄，很大程度减轻了工作人员劳动强度，避免工作人员与药液接触。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (9)
1.一种基于卫星***的自走式喷施机导航***，其特征在于，所述***包括：
定位定向仪，安装于所述自走式喷施机中，用于从所述卫星***中获取所述自走式喷施机的位置信息，并根据所述位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息；以及
控制装置，与所述定位定向仪连接，用于接收来自所述定位定向仪的位置信息和航向角信息，并根据所述位置信息和航向角信息控制所述自走式喷施机行走，以实现对所述自走式喷施机的导航；
其中，所述定位定向仪包括：
第一小盘天线，用于从所述卫星***中获取自身的位置信息；
第二小盘天线，用于从所述卫星***中获取自身的位置信息；以及
定位定向仪主机，与所述第一小盘天线和第二小盘天线连接，用于接收来自所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息，并以所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息中的任意一者为所述自走式喷施机的位置信息，以及根据所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息，
其中，根据所述第一小盘天线的位置信息和第二小盘天线的位置信息所确定的直线与所述自走式喷施机的前进方向平行。
2.根据权利要求1所述的基于卫星***的自走式喷施机导航***，其特征在于，所述控制装置根据所述自走式喷施机的位置信息计算所述自走式喷施机到预先设定的直线的距离，并判断所述距离是否大于预先设定的安全距离，在所述距离大于预先设定的安全距离的情况下，根据所述自走式喷施机的位置信息判断所述自走式喷施机的拐弯方向，再控制所述自走式喷施机，以使得所述自走式喷施机拐弯回到安全区域中。
3.根据权利要求2所述的基于卫星***的自走式喷施机导航***，其特征在于，所述控制装置在根据所述自走式喷施机的位置信息判断所述自走式喷施机的位置处于预先设定的垄头转弯点的区域范围的情况下，根据所述航向角信息和预先设定的转弯角度调整所述自走式喷施机的转弯角度，从而控制所述自走式喷施机进行转弯换垄作业。
4.根据权利要求1所述的基于卫星***的自走式喷施机导航***，其特征在于，所述***还包括：
GNSS接收机，与所述定位定向仪连接，用于从所述卫星***中获取自身的位置信息，并将所获取的位置信息与预先存储的实际位置信息进行比较以及根据比较结果向所述定位定向仪发送用于校正位置信息的差分信号。
5.根据权利要求4所述的基于卫星***的自走式喷施机导航***，其特征在于，所述GNSS接收机包括：
基准站主机，用于从所述卫星***中获取所述GNSS接收机的位置信息；
电台主机，与所述基准站主机连接，用于接收来自所述基准站主机的位置信息，并将所接收的位置信息与预先存储的实际位置信息进行比较以及根据比较结果得到用于校正位置信息的差分信号；以及
电台天线，与所述电台主机连接，用于将所述差分信号发送至所述定位定向仪。
6.根据权利要求5所述的基于卫星***的自走式喷施机导航***，其特征在于，所述定位定向仪还包括：
车载电台天线，与所述定位定向仪主机连接，用于接收来自所述电台天线的差分信号；
定位定向仪主机还用于根据所述差分信号校正所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息，并以校正后的所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息中的任意一者为所述自走式喷施机的位置信息，以及根据校正后的所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息。
7.一种基于卫星***的自走式喷施机导航方法，其特征在于，所述方法包括：
定位定向仪从所述卫星***中获取所述自走式喷施机的位置信息，并根据所述位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息；以及
控制装置接收来自所述定位定向仪的位置信息和航向角信息，并根据所述位置信息和航向角信息控制所述自走式喷施机行走，以实现对所述自走式喷施机的导航；
其中，所述定位定向仪包括：
第一小盘天线，用于从所述卫星***中获取自身的位置信息；
第二小盘天线，用于从所述卫星***中获取自身的位置信息；以及
定位定向仪主机，与所述第一小盘天线和第二小盘天线连接，用于接收来自所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息，并以所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息中的任意一者为所述自走式喷施机的位置信息，以及根据所述第一小盘天线的位置信息和所述第二小盘天线的位置信息计算得到所述自走式喷施机的航向角信息，
其中，根据所述第一小盘天线的位置信息和第二小盘天线的位置信息所确定的直线与所述自走式喷施机的前进方向平行。
8.根据权利要求7所述的基于卫星***的自走式喷施机导航方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述控制装置根据所述自走式喷施机的位置信息计算所述自走式喷施机到预先设定的直线的距离，并判断所述距离是否大于预先设定的安全距离，在所述距离大于预先设定的安全距离的情况下，根据所述自走式喷施机的位置信息判断所述自走式喷施机的拐弯方向，再控制所述自走式喷施机，以使得所述自走式喷施机拐弯回到安全区域中。
9.根据权利要求8所述的基于卫星***的自走式喷施机导航方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述控制装置根据所述自走式喷施机的位置信息判断所述自走式喷施机的位置是否处于预先设定的垄头转弯点的区域范围，在根据所述自走式喷施机的位置信息判断所述自走式喷施机的位置处于预先设定的垄头转弯点的区域范围的情况下，根据所述航向角信息和预先设定的转弯角度调整所述自走式喷施机的转弯角度，从而控制所述自走式喷施机进行转弯换垄作业。
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