CN106737693A - 基于gps和惯导的插秧机器人控制***和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于GPS和惯导的插秧机器人控制***和控制方法，控制***包括CAN总线通信模块、上位机、导航定位模块、变速模块、插植模块、转向模块、电源管理模块。上位机通过CAN总线通信模块与导航定位模块、变速模块、插植模块、转向模块和电源管理模块相连。本发明中上位机通过CAN总线通信模块获取其他各个模块的信息，实现对其他各模块工作状态的监控以及参数的读取，上位机还向相应的模块传送控制信息，接收到控制信息的其他模块根据控制信息控制插秧机器人执行相应的动作。本发明具有成本低、耦合度低、可靠性强、精度高，效率高的优点。

Description

基于GPS和惯导的插秧机器人控制***和控制方法

技术领域

本发明涉及插秧机器人领域，具体是一种基于GPS和惯导的插秧机器人控制***和控制方法。

背景技术

目前生产上水稻插秧机行驶和作业完全由人工操纵，劳动强度大，作业效率低，而且行驶直线度完全依赖操作者的操作技能，驾驶员长时间枯燥乏味的跟踪驾驶对插秧机行驶准确性和作业质量产生很大影响。实现水稻插秧机的自动化、智能化，将操作人员从恶劣的水田生产环境中解放出来，是解决水稻插秧现有问题的重要技术手段。

无人驾驶插秧机是综合运用计算机、电子通信、控制等技术，用于解决人工驾驶插秧机劳动强度大等问题。自主导航是无人驾驶插秧机主要功能之一，主要控制行驶方向和速度。目前采用GPS导航在一定条件下实现了无人驾驶插秧机实现了自主行走的功能，但控制***的容错性比较低，直线行驶精度比较低，误差比较大，导航精度还难以满足插秧作业精度要求。因此，研究低成本、高精度插秧机器人控制***及其控制方法对提高插秧机器人自主行走精度具有重要意义。

发明内容 本发明的目的是提供一种基于GPS和惯导的插秧机器人控制***和控制方法，以解决现有技术GPS导航实现插秧机自主工作存在的容错性低、直线行驶精度低、误差大、导航精度还难以满足插秧作业精度要求的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于GPS和惯导的插秧机器人控制***，其特征在于：包括CAN总线通信模块、上位机、导航定位模块、变速模块、插植模块、转向模块、电源管理模块，所述上位机通过CAN总线通信模块分别与导航定位模块、变速模块、插植模块、转向模块、电源管理模块通信连接，所述电源管理模块还通过CAN总线通信模块分别与导航定位模块、变速模块、插植模块、转向模块通信连接，其中：

所述导航定位模块包括安装于插秧机器人中的GPS导航定位模块和惯性导航定位模块，导航定位模块实现插秧机器人的定位，并将位置、航向角度信息通过CAN总线通信模块发送至上位机；

所述变速模块包括插秧机器人的电机驱动模块、插秧机器人的行走速度检测模块，变速模块通过CAN总线通信模块获取上位机发出的位置、航向角度信息以及行走指令，当变速模块接收到上位机发出的行走指令及位置、航向角度信息时，变速模块驱动插秧机器人的电机按位置、航向角度信息工作以执行行走指令，同时变速模块将检测到的插秧机器人的行走速度信息通过CAN总线模块发送至上位机；

所述转向模块包括插秧机器人的方向盘驱动模块、安装于插秧机器人中的角度位移传感器，转向模块通过CAN总线通信模块将角度位移传感器采集的转角信息传递至上位机，并且上位机发出的转角指令通过CAN总线通信模块传递至转向模块，由转向模块中的方向盘驱动模块根据转角指令驱动方向盘转动相应的角度，以实现插秧机器人的转向；

所述插植模块包括插秧机器人中秧箱的控制模块，该秧箱的控制模块包括控制秧箱升降的插植手柄的控制模块，以及秧爪的控制模块，插植模块通过CAN总线通信模块获取上位机发出的秧机执行插秧作业指令，并根据秧机执行插秧作业指令驱动插植手柄控制秧箱升降，以及控制秧爪插秧作业的启停；

所述电源管理模块通过CAN总线通信模块获取其他各个模块的启闭信息，实现对其他各模块的供电；

所述上位机通过CAN总线通信模块获取其他各个模块的信息，实现对导航定位模块、插植模块、变速模块、转向模块和电源管理模块工作状态的监控以及参数的读取，上位机还向相应的模块传送控制信息，接收到控制信息的其他模块根据控制信息控制插秧机器人执行相应的动作。

所述的基于GPS和惯导的插秧机器人控制***，其特征在于：所述上位机开发了路径规划模块和信息融合模块，所述的路径规划模块实时规划机器人行走的路径，并在上位机显示屏上显示插秧机器人所处位置、已行走过的路径以及目标位置信息，规划的目标路径信息存储在上位机中供导航定位模块参考；所述的信息融合模块，GPS定位模块和惯性导航定位模块将信息通过CAN总线通讯模块传输至上位机加以融合处理，得出精确的导航信息通过CAN总线通信模块传输至变速模块和转向模块。

基于GPS和惯导的插秧机器人控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：电源管理模块开启，上位机获取插秧机电源开启指令，激活本机中的路径规划模块、信息融合模块，并将电源开启信息通过CAN总线通信模块发送至其他各模块；

步骤2：导航定位模块通过CAN总线通信模块获取由上位机发出的开启信息，采用GPS导航定位模块实现对插秧机器人的绝对位置定位，采用惯性导航定位模块实现插秧机机器人的相对位置定位，两种传感器相互协同工作，GPS导航定位模块实时纠正惯性导航定位模块长时间工作积累的误差，以提高惯性导航定位模块的精度；最后分别将两种传感器获取的插秧机的位置、行走速度、航向角度导航信息通过CAN总线通信模块发送至上位机信息融合模块；

步骤3：信息融合模块将GPS导航定位模块和惯性导航定位模块获取的插秧机位置坐标、航向角度信息进行融合处理，得出更精确的坐标、航向角度信息，通过CAN总线通信模块发送给变速模块和转向模块；

步骤4：变速模块通过CAN总线通信模块获取航向角度、目标位置信息，驱动电机调控变速控制机器人行走，并将行走的速度信息通过CAN总线通信模块发送至上位机；

步骤5：转向模块通过CAN总线通信模块将角度位移传感器采集的转角信息发送至上位机，接收上位机发出的转角指令，驱动方向盘转动以控制机器人的行走方向；

步骤6：若插植模块通过CAN总线通信模块获取的上位机发出指令是插秧工作指令，则驱动秧箱降到最低位置开始执行插秧作业，并将工作信息通过CAN总线通信模块发送至上位机；若插植模块通过CAN总线通信模块获取的上位机发出指令是转向信息，则驱动秧箱上升至最高位置，转向模块执行转向指令，转向完成后角度位移传感器将相应信息通过CAN总线通信模块发送至上位机；

步骤7：电源管理模块通过CAN总线通信模块获取各模块的启闭信息，实现对各模块的供电。

本发明的优点是：

1、基于GPS和惯导的插秧机器人控制***，通过CAN总线通信模块实现各个模块间的通信，降低了模块之间的耦合性；导航模块中通过GPS导航定位模块和惯性导航模块协同工作将输出的位置、航向角度信息发送至上位机中的信息融模块进行信息融合，降低成本的同时提高了插秧机器人导航作业的精度和容错性。

2、基于GPS和惯导的插秧机器人控制方法，能够实现水稻插秧机的自动化、智能化，将操作人员从恶劣的水田生产环境中解放出来，大大提高了作业效率，减轻了劳动量。

附图说明

图1是插秧机器人控制***图。

图2是插秧机器人控制方法图。

具体实施方式

如图1所示，基于GPS和惯导的插秧机器人控制***，包括CAN总线通信模块、上位机、导航定位模块、变速模块、插植模块、转向模块、电源管理模块，上位机通过CAN总线通信模块分别与导航定位模块、变速模块、插植模块、转向模块、电源管理模块通信连接，电源管理模块还通过CAN总线通信模块分别与导航定位模块、变速模块、插植模块、转向模块通信连接，其中：

导航定位模块包括安装于插秧机器人中的GPS导航定位模块和惯性导航定位模块，导航定位模块实现插秧机器人的定位，并将位置、航向角度信息通过CAN总线通信模块发送至上位机；

变速模块包括插秧机器人的电机驱动模块、插秧机器人的行走速度检测模块，变速模块通过CAN总线通信模块获取上位机发出的位置、航向角度信息以及行走指令，当变速模块接收到上位机发出的行走指令及位置、航向角度信息时，变速模块驱动插秧机器人的电机按位置、航向角度信息工作以执行行走指令，同时变速模块将检测到的插秧机器人的行走速度信息通过CAN总线模块发送至上位机；

转向模块包括插秧机器人的方向盘驱动模块、安装于插秧机器人中的角度位移传感器，转向模块通过CAN总线通信模块将角度位移传感器采集的转角信息传递至上位机，并且上位机发出的转角指令通过CAN总线通信模块传递至转向模块，由转向模块中的方向盘驱动模块根据转角指令驱动方向盘转动相应的角度，以实现插秧机器人的转向；

插植模块包括插秧机器人中秧箱的控制模块，该秧箱的控制模块包括控制秧箱升降的插植手柄的控制模块，以及秧爪的控制模块，插植模块通过CAN总线通信模块获取上位机发出的秧机执行插秧作业指令，并根据秧机执行插秧作业指令驱动插植手柄控制秧箱升降，以及控制秧爪插秧作业的启停；

电源管理模块通过CAN总线通信模块获取其他各个模块的启闭信息，实现对其他各模块的供电；

上位机通过CAN总线通信模块获取其他各个模块的信息，实现对导航定位模块、插植模块、变速模块、转向模块和电源管理模块工作状态的监控以及参数的读取，上位机还向相应的模块传送控制信息，接收到控制信息的其他模块根据控制信息控制插秧机器人执行相应的动作。

所述上位机开发了路径规划模块和信息融合模块，所述的路径规划模块实时规划机器人行走的路径，并在上位机显示屏上显示插秧机器人所处位置、已行走过的路径以及目标位置信息，规划的目标路径信息都存储在上位机中供导航定位模块参考；所述的信息融合模块，GPS定位模块和惯性导航定位模块将信息通过CAN总线通讯模块传输至上位机加以融合处理，得出精确的导航信息通过CAN总线通信模块传输至变速模块和转向模块。

如图2所示，基于GPS和惯导的插秧机器人控制方法，包括以下步骤：

步骤1：电源管理模块开启，上位机获取插秧机电源开启指令，激活本机中的路径规划模块、信息融合模块，并将电源开启信息通过CAN总线通信模块发送至其他各模块；

步骤2：导航定位模块通过CAN总线通信模块获取由上位机发出的开启信息，采用GPS导航定位模块实现对插秧机器人的绝对位置定位，采用惯性导航定位模块实现插秧机机器人的相对位置定位，两种传感器相互协同工作，GPS导航定位模块实时纠正惯性导航定位模块长时间工作积累的误差，以提高惯性导航定位模块的精度；最后分别将两种传感器获取的插秧机的位置、行走速度、航向角度导航信息通过CAN总线通信模块发送至上位机信息融合模块；

步骤3：信息融合模块将GPS导航定位模块和惯性导航定位模块获取的插秧机位置坐标、航向角度信息进行融合处理，得出更精确的坐标、航向角度信息，通过CAN总线通信模块发送给变速模块和转向模块；

步骤4：变速模块通过CAN总线通信模块获取航向角度、目标位置信息，驱动电机调控变速控制机器人行走，并将行走的速度信息通过CAN总线通信模块发送至上位机；

步骤5：转向模块通过CAN总线通信模块将角度位移传感器采集的转角信息发送至上位机，接收上位机发出的转角指令，驱动方向盘转动以控制机器人的行走方向；

步骤6：若插植模块通过CAN总线通信模块获取的上位机发出指令是插秧工作指令，则驱动秧箱降到最低位置开始执行插秧作业，并将工作信息通过CAN总线通信模块发送至上位机；若插植模块通过CAN总线通信模块获取的上位机发出指令是转向信息，则驱动秧箱上升至最高位置，转向模块执行转向指令，转向完成后角度位移传感器将相应信息通过CAN总线通信模块发送至上位机；

步骤7：电源管理模块通过CAN总线通信模块获取各模块的启闭信息，实现对各模块的供电。

通过步骤1-7的描述，实现了正常工作情况下插秧机器人对目标区域的行走、转弯、插秧作业，对于以上模块已在控制***中已做描述，在此不再进行重复。所述插秧机器人出现故障情况下控制方法还包括以下步骤：

若上位机在监控中处理信息结果为异常，将异常指令发送至CAN总线通信模块，各受控模块根据相应指令做出调整；

若上位机在监控中处理信息结果为出错，将出错指令发送至CAN总线通信模块，电源管理模块切断各受控模块的供电；

若上位机从CAN总线通信模块只获取GPS导航定位或惯性导航一种传感器的导航参数，则停止信息融合模块的工作，上位机显示导航定位模块报错。

Claims (3)

1.基于GPS和惯导的插秧机器人控制***，其特征在于：包括CAN总线通信模块、上位机、导航定位模块、变速模块、插植模块、转向模块、电源管理模块，所述上位机通过CAN总线通信模块分别与导航定位模块、变速模块、插植模块、转向模块、电源管理模块通信连接，所述电源管理模块还通过CAN总线通信模块分别与导航定位模块、变速模块、插植模块、转向模块通信连接，其中：

所述导航定位模块包括安装于插秧机器人中的GPS导航定位模块和惯性导航定位模块，导航定位模块实现插秧机器人的定位，并将位置、航向角度信息通过CAN总线通信模块发送至上位机；

所述变速模块包括插秧机器人的电机驱动模块、插秧机器人的行走速度检测模块，变速模块通过CAN总线通信模块获取上位机发出的位置、航向角度信息以及行走指令，当变速模块接收到上位机发出的行走指令及位置、航向角度信息时，变速模块驱动插秧机器人的电机按位置、航向角度信息工作以执行行走指令，同时变速模块将检测到的插秧机器人的行走速度信息通过CAN总线模块发送至上位机；

所述转向模块包括插秧机器人的方向盘驱动模块、安装于插秧机器人中的角度位移传感器，转向模块通过CAN总线通信模块将角度位移传感器采集的转角信息传递至上位机，并且上位机发出的转角指令通过CAN总线通信模块传递至转向模块，由转向模块中的方向盘驱动模块根据转角指令驱动方向盘转动相应的角度，以实现插秧机器人的转向；

所述插植模块包括插秧机器人中秧箱的控制模块，该秧箱的控制模块包括控制秧箱升降的插植手柄的控制模块，以及秧爪的控制模块，插植模块通过CAN总线通信模块获取上位机发出的秧机执行插秧作业指令，并根据秧机执行插秧作业指令驱动插植手柄控制秧箱升降，以及控制秧爪插秧作业的启停；

所述电源管理模块通过CAN总线通信模块获取其他各个模块的启闭信息，实现对其他各模块的供电；

所述上位机通过CAN总线通信模块获取其他各个模块的信息，实现对导航定位模块、插植模块、变速模块、转向模块和电源管理模块工作状态的监控以及参数的读取，上位机还向相应的模块传送控制信息，接收到控制信息的其他模块根据控制信息控制插秧机器人执行相应的动作。

2.根据权利要求1所述的基于GPS和惯导的插秧机器人控制***，其特征在于：所述上位机开发了路径规划模块和信息融合模块，所述的路径规划模块实时规划机器人行走的路径，并在上位机显示屏上显示插秧机器人所处位置、已行走过的路径以及目标位置信息，规划的目标路径信息存储在上位机中供导航定位模块参考；所述的信息融合模块，GPS定位模块和惯性导航定位模块将信息通过CAN总线通讯模块传输至上位机加以融合处理，得出精确的导航信息通过CAN总线通信模块传输至变速模块和转向模块。

3.基于GPS和惯导的插秧机器人控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：电源管理模块开启，上位机获取插秧机电源开启指令，激活本机中的路径规划模块、信息融合模块，并将电源开启信息通过CAN总线通信模块发送至其他各模块；

步骤2：导航定位模块通过CAN总线通信模块获取由上位机发出的开启信息，采用GPS导航定位模块实现对插秧机器人的绝对位置定位，采用惯性导航定位模块实现插秧机机器人的相对位置定位，两种传感器相互协同工作，GPS导航定位模块实时纠正惯性导航定位模块长时间工作积累的误差，以提高惯性导航定位模块的精度；最后分别将两种传感器获取的插秧机的位置、行走速度、航向角度导航信息通过CAN总线通信模块发送至上位机信息融合模块；

步骤3：信息融合模块将GPS导航定位模块和惯性导航定位模块获取的插秧机位置坐标、航向角度信息进行融合处理，得出更精确的坐标、航向角度信息，通过CAN总线通信模块发送给变速模块和转向模块；

步骤4：变速模块通过CAN总线通信模块获取航向角度、目标位置信息，驱动电机调控变速控制机器人行走，并将行走的速度信息通过CAN总线通信模块发送至上位机；

步骤5：转向模块通过CAN总线通信模块将角度位移传感器采集的转角信息发送至上位机，接收上位机发出的转角指令，驱动方向盘转动以控制机器人的行走方向；

步骤6：若插植模块通过CAN总线通信模块获取的上位机发出指令是插秧工作指令，则驱动秧箱降到最低位置开始执行插秧作业，并将工作信息通过CAN总线通信模块发送至上位机；若插植模块通过CAN总线通信模块获取的上位机发出指令是转向信息，则驱动秧箱上升至最高位置，转向模块执行转向指令，转向完成后角度位移传感器将相应信息通过CAN总线通信模块发送至上位机；

步骤7：电源管理模块通过CAN总线通信模块获取各模块的启闭信息，实现对各模块的供电。