CN109956020B - 带有激光辅助导航***的农用无人空气动力船及导航方法 - Google Patents

带有激光辅助导航***的农用无人空气动力船及导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有激光辅助导航***的农用无人空气动力船及导航方法，属于农业机械技术领域。农用无人空气动力船包括船体，还包括对船体进行无线控制的岸基设备；船体上设有：动力单元、施药单元、激光辅助导航***以及船载控制器。通过尾舵控制船体的行进方向。通过输液管将药箱中的肥料或除草剂等药液输出并流入水田中，优选在输液管上设有节流阀用来控制药液的流量，同时，药箱的开口处封有药箱盖，以防船体在行进过程中摇晃药箱以使药液溅出。另外，船体上还设有为发动机提供燃油的油箱。船载控制器控制***和激光扫描仪协同工作，获取船体的绝对位置信息、相对位置信息以及航向信息，计算导航误差，并改变尾舵转角从而改变船体航向。

Description

带有激光辅助导航***的农用无人空气动力船及导航方法
技术领域
本发明涉及农业机械技术领域，具体地说，涉及一种带有激光辅助导航***的农用无人空气动力船及导航方法。
背景技术
空气动力船是一种硬质平底船，其与传统船舶的最大区别特点是没有水下动力装置和水下转向装置。空气动力船是基于空气动力学原理，利用置于船体上部的内燃机或电动机带动空气螺旋桨产生推动力，并由船体后部的尾舵控制方向。该类船吃水深度极浅，机动性高，目前主要应用于滩涂沼泽，湿地浅滩，冰雪湖面和漂浮物多、水底情况复杂的水域，鲜有应用于工农业生产及科学研究领域的产品。
一方面，该种应用于稻田环境的无人空气动力船均采用无线遥控设备，由操作员进行控制。为保证作业的顺利进行，需要对操作员进行长期的专业培训，需要耗费大量人力物力。此外，在大区块的稻田环境下，当作业中的无人船超出操作员的视距范围后，操作员将无法判断无人船的位置、姿态等信息，可能造成作业路径无法控制，重复撒药，重复施肥，甚至碰撞事故等极端险情。
另一方面，现有的GPS导航***也存在导航稳定性不高的情况。GPS信号容易受到周围环境，天气状况，高大遮挡物(楼宇，树木)的干扰，而降低定位精度，甚至无法定位。当空气动力船在行驶时，遇到定位漂移或GPS信号缺失时，会发生导航精度下降，偏离航线，甚至发生碰撞事故。另外，在遇到前方有障碍物时，单纯依靠GPS导航也无法实现实时避障的功能。
发明内容
本发明的目的为提供一种带有激光辅助导航***的农用无人空气动力船及导航方法，可有效解决现有技术中使用GPS发生的信号不稳定、定位点跳跃或漂移，甚至无法定位的问题。
为了实现上述目的，本发明提供的带有激光辅助导航***的农用无人空气动力船包括船体，还包括对船体进行无线控制的岸基设备；船体上设有：
动力单元，包括发动机、与发动机的输出轴相连的空气螺旋桨以及用于控制船体航行方向的尾舵；
施药单元，包括药箱以及与药箱相连的输液管；
激光辅助导航***，包括设置在船身上的***，以及安装在船头的激光扫描仪和用于监测激光扫描仪的俯仰角度的姿态传感器；
船载控制器，用于控制***和激光扫描仪协同工作，获取船体的绝对位置信息、相对位置信息以及航向信息，计算导航误差，并改变尾舵转角从而修正船的行驶方向。
上述技术方案中，通过尾舵控制船体的行进方向。通过输液管将药箱中的肥料或除草剂等药液输出并流入水田中，优选在输液管上设有节流阀用来控制药液的流量，同时，药箱的开口处封有药箱盖，以防船体在行进过程中摇晃药箱以使药液溅出。另外，船体上还具有为发动机提供燃油的油箱。
***即GPS接收机，通过激光辅助导航***来提升原有GPS导航的稳定性和可靠性，实现稳定导航，安全避障。其中，激光扫描仪可为空气动力船提供大量、较高频率、准确的周围环境障碍物距离信息，且对阳光反射不敏感，具有较强的环境适应性，可以在有环境光或黑暗条件下工作，具有较高的测量精度。激光扫描仪安装在船体前部的固定架上，固定架上还设有用来使激光扫描仪保持俯仰角的向下倾斜的云台，姿态传感器用来实时测量该俯仰角的角度信息，并反馈给控制器。
具体的方案为空气螺旋桨的两扇叶通过凸轮连杆机构连接到舵机上，以控制两扇叶的倾斜角度。扇叶倾斜角度的大小可以在发动机转速不变的情况下，改变风力的大小；扇叶倾斜角度的正反可以改变风力的方向，进而控制船的前进和后退。
更具体的方案为凸轮连杆机构包括分别与空气螺旋桨的两片扇叶相连的第一支架和第二支架、套设在发动机的机架上的凸轮以及安装在发动机的输出轴上的轴承；第一支架和第二支架连接在轴承的内圈上；凸轮上铰接有第一连杆，该第一连杆的一端铰接在轴承的外圈上，另一端通过与其铰接的第二连杆连接舵机输出端。
轴承可以沿发动机输出轴的轴向进行移动，第一支架和第二支架的一端分别连接两扇叶，另一端固定在轴承的内圈上，扇叶在发动机的带动下旋转并带动轴承的内圈旋转，轴承的外圈相对发动机的机架静止。舵机带动第二连杆移动，进而带动第一连杆绕连接凸轮的中端摆动，从而使铰接在轴承的外圈上的一端沿发动机输出轴的轴向移动，并带动轴承移动，实现改变扇叶的倾斜角度。
另一个具体的方案为发动机上安装有用于探测发动机转速的磁传感器；岸基设备具有无线紧急制动器，与设置在船体上的无线紧急制动器接收机配合实现迅速关停发动机；还具有与设置在船体上的遥控器接收机配合使用的遥控器，在必要时，实现人工对船体进行远程操作。
船载控制器接收磁传感器测得的转速信息进而控制发动机的转速。船载控制器中包含有电池，可为各船载电子设备提供电能。无线通信***为3G/4G模块，将船体的实时状态包括船速、导航误差、任务完成情况发送给岸基设备的电脑，供作业员远程监控。岸基设备的遥控器与船载遥控器接收机配合使用，可以人工遥控空气动力船航行。当出现紧急情况时，岸基侧的无线紧急制动器与船载无线紧急制动器接收机配合使用，可以迅速关停发动机，避免发生碰撞等危险事故。
本发明提供的带有激光辅助导航***的农用无人空气动力船的导航方法包括以下步骤：
第一判断步骤，判断***是否工作良好；
当第一判断步骤中判断***工作状态不佳时采用激光辅助导航，利用激光扫描仪获取船体到水田边界的岸边激光信息和船体的前方激光信息；
沿岸行进步骤，根据所获取的岸边激光信息控制船体沿岸基线以给定距离行驶；
第二判断步骤，根据所获取的前方激光信息判断船体的前方是否存在障碍物；
当第二判断步骤中判断船体的前方存在障碍物时记录障碍物的属性；
第三判断步骤，根据障碍物的属性判断障碍物是否大于设定的门限值；
当第三判断步骤中判断障碍物大于设定的门限值时控制船体转弯并进入下一航行路径。
优选的，当第一判断步骤中判断***工作良好时采用常规导航方式。
优选的，当第二判断步骤中判断船体的前方不存在障碍物时控制船体继续前进。
优选的，当第三判断步骤中判断障碍物小于设定的门限值时控制船体停止并等待障碍物移开，并重复第二判断步骤。
优选的，第一判断步骤中获取船体到水田边界的岸边激光信息的方法包括：
利用大津法分类器将激光数据串分为水田数据类和岸基数据类；
设水田数据类和岸基数据类的分界点在以激光传感器为原点的直角坐标系下的坐标为P(xedge,yedge)；
设船体相对水田数据类和岸基数据类的分界线的航向为
Figure BDA0001523986340000041
则船体到岸基的垂直距离公式为
Figure BDA0001523986340000042
其中，dedge为船体到岸基的距离；
利用期望路径与分界线的位置关系，计算导航误差进行导航，公式为
Figure BDA0001523986340000051
其中，δ为尾舵转角，Δd为船体当前位置与期望路径的垂直误差，
Figure BDA0001523986340000052
为船体航向角偏差，α和β是基于实验经验的控制比例因子。
优选的，第三判断步骤中记录障碍物的属性包括：
根据获取的前方激光连续反射点信息，利用数组的形式对包括大小、高度、距离及位置的信息进行储存。若障碍物大于设定的门限值，则认为前方是岸基，转弯进入下一导航路径；若障碍物小于设定的门限值，则判定为人或其他动物，控制空气动力船迅速停止，等待障碍物移开后，继续进行作业。
以上导航方法基于上述带有激光辅助导航***的农用无人空气动力船实现。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过激光辅助导航增强了导航的稳定性和安全性，避免GPS在使用过程中发生的信号不稳定、定位点跳跃或漂移，甚至无法定位等问题。
附图说明
图1为本发明实施例的农用无人空气动力船的示意图；
图2为本发明实施例的农用无人空气动力船的空气螺旋桨与舵机的连接结构图；
图3为本发明实施例的农用无人空气动力船的激光辅助导航***的硬件支持示意图；
图4为本发明实施例的农用无人空气动力船的导航流程图；
图5为本发明实施例的农用无人空气动力船的航行模拟图。
其中，1、固定架；2、云台；3、激光扫描仪；4、姿态传感器；5、船体；6、药箱；7、药箱盖；8、输液管；9、节流阀；10、***；11、船载控制器；12、油箱；13、机架；14、发动机；15、空气螺旋桨；151、第一支架；152、第二支架；153、轴承；154、第一连杆；155、凸轮；156、第二连杆；157、舵机；16、尾舵。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
农用无人空气动力船实施例
参见图1至图3，本实施例的农用无人空气动力船包括船体5以及对船体5进行无线控制的岸基设备。船体5上设有动力单元、施药单元、激光辅助导航***以及船载控制器11。
动力单元包括安装在船体5后部的发动机14、与发动机14的输出轴相连的空气螺旋桨15以及设置在船体尾部的尾舵16。船体5上设有用于安装发动机14的机架13，发动机14的燃油通过油箱12提供，且发动机14上安装有磁传感器用于探测发动机14的转速。发动机14提供输出动力，带动空气螺旋桨15转动产生推力，并由尾舵16控制船体航行方向。
空气螺旋桨15包含两个可变换倾斜角度的扇叶，两扇叶通过凸轮连杆机构连接到舵机157上。本实施例的凸轮连杆机构包括分别与空气螺旋桨15的两片扇叶相连的第一支架151和第二支架152、套设在发动机14的机架上的凸轮155以及安装在发动机14的输出轴上的轴承153。第一支架151和第二支架152连接在轴承153的内圈上，凸轮155上铰接有第一连杆154，该第一连杆154的一端铰接在轴承153的外圈上，另一端通过与其铰接的第二连杆156连接舵机157的输出端。
轴承153可以沿发动机14的输出轴的轴向进行移动，第一支架151和第二支架152的一端分别连接两扇叶，另一端固定在轴承153的内圈上，扇叶在发动机14的带动下旋转并带动轴承153的内圈旋转，轴承的外圈相对发动机14的机架静止。舵机157带动第二连杆156移动，进而带动第一连杆154绕连接凸轮155的中端摆动，从而使铰接在轴承153的外圈上的一端沿发动机14输出轴的轴向移动，并带动轴承153移动，实现改变扇叶的倾斜角度。倾斜角度的大小可以在发动机14转速不变的情况下，改变风力的大小；倾斜角度的正反可以改变风力的方向，进而控制船体5的前进和后退。
施药单元包括药箱6和输液管8，药箱6位于船体的中部，其内装入适量的用于施肥或除草的药液，上部采用药箱盖7封住以避免药箱6在摇晃过程中将药液溅出。输液管8与药箱6相连，其出口处设有节流阀9，药液可以通过输液管8流入水田，节流阀9用来控制药液的流量。
激光辅助***包括设置在船身上的***10和安装在船头的激光扫描仪3。***10为空气动力船提供位置信号和航向信息。船头设有固定架1，且该固定架1上固定有云台2，激光扫描仪3安装在该云台2上，使激光扫描仪3保持俯仰角的向下倾斜。激光扫描仪3上设有姿态传感器4，用于实时测量激光扫描仪3的俯仰角的角度信息。
船载控制器11控制***10和激光扫描仪3协同工作，获取船体5的绝对位置信息、相对位置信息以及航向信息，计算导航误差，并改变尾舵转角从而改变船体航向。在船载控制器11的存储单元内存储计算机程序，该计算机程序被处理单元执行时能实现图4所示的步骤：
1)第一判断步骤，判断***是否工作良好；
当第一判断步骤中判断***工作状态不佳时采用激光辅助导航，利用激光扫描仪获取船体到水田边界的岸边激光信息和船体的前方激光信息；
获取船体到水田边界的岸边激光信息的方法包括：
利用大津法分类器将激光数据串分为水田数据类和岸基数据类；
设水田数据类和岸基数据类的分界点在以激光传感器为原点的直角坐标系下的坐标为P(xedge,yedge)；
设船体相对水田数据类和岸基数据类的分界线的航向为
Figure BDA0001523986340000071
则船体到岸基的垂直距离公式为
Figure BDA0001523986340000081
其中，dedge为船体到岸基的距离；
利用期望路径与分界线的位置关系，计算导航误差进行导航，公式为
Figure BDA0001523986340000082
其中，δ为尾舵转角，Δd为船体当前位置与期望路径的垂直误差，
Figure BDA0001523986340000083
为船体航向角偏差，α和β是基于实验经验的控制比例因子。
2)沿岸行进步骤，根据所获取的岸边激光信息控制船体沿岸基线以给定距离行驶。
3)第二判断步骤，根据所获取的前方激光信息判断船体的前方是否存在障碍物；
当第二判断步骤中判断船体的前方存在障碍物时记录障碍物的属性，记录障碍物的属性包括：
根据获取的前方激光连续反射点信息，利用数组的形式对包括大小、高度、距离及位置的信息进行储存。若障碍物大于设定的门限值，则认为前方是岸基，转弯进入下一导航路径；若障碍物小于设定的门限值，则判定为人或其他动物，控制空气动力船迅速停止，等待障碍物移开后，继续进行作业。
4)第三判断步骤，根据障碍物的属性判断障碍物是否大于设定的门限值；
当第三判断步骤中判断障碍物大于设定的门限值时控制船体转弯并进入下一航行路径。
当第一判断步骤中判断***工作良好时采用常规导航方式。
当第二判断步骤中判断船体的前方不存在障碍物时控制船体继续前进。
当第三判断步骤中判断障碍物小于设定的门限值时控制船体停止并等待障碍物移开，并重复第二判断步骤。
船载控制器接收到磁传感器的转速信息进而控制发动机的转速。船载控制器中包含有电池，可为各船载电子设备提供电能。无线通信***为3G/4G模块，将船体的实时状态包括船速、导航误差、任务完成情况发送给岸基设备的电脑，供作业员远程监控。岸基设备的遥控器与船载遥控器接收机配合使用，可以人工遥控空气动力船航行。当出现紧急情况时，岸基侧的无线紧急制动器与船载无线紧急制动器接收机配合使用，可以迅速关停发动机，避免发生碰撞等危险事故。
通过以上方式对农用无人空气动力船进行航行控制的实验测试图如图5所示。
导航方法实施例
本实施例的导航方法已经包含在农用无人空气动力船实施例，此处不再赘述。

Claims (7)

1.一种带有激光辅助导航***的农用无人空气动力船，包括船体，其特征在于，还包括对船体进行无线控制的岸基设备；
所述船体上设有：
动力单元，包括发动机、与所述发动机的输出轴相连的空气螺旋桨以及用于控制船体航行方向的尾舵；
施药单元，包括药箱以及与药箱相连的输液管；
激光辅助导航***，包括设置在船身上的***，以及安装在船头的激光扫描仪和用于监测所述激光扫描仪的俯仰角度的姿态传感器；
船载控制器，用于控制***和激光扫描仪协同工作，获取船体的绝对位置信息、相对位置信息以及航向信息，计算导航误差，并改变尾舵转角从而修正船的行驶方向；
所述的空气螺旋桨的两扇叶通过凸轮连杆机构连接到舵机上，以控制两扇叶的倾斜角度；
所述的凸轮连杆机构包括分别与所述空气螺旋桨的两片扇叶相连的第一支架和第二支架、套设在所述发动机的机架上的凸轮以及安装在所述发动机的输出轴上的轴承；
所述第一支架和第二支架连接在所述轴承的内圈上；
所述凸轮上铰接有第一连杆，该第一连杆的一端铰接在所述轴承的外圈上，另一端通过与其铰接的第二连杆连接所述的舵机输出端。
2.根据权利要求1所述的农用无人空气动力船，其特征在于：
所述的发动机上安装有用于探测发动机转速的磁传感器；
所述的岸基设备具有无线紧急制动器，与设置在船体上的无线紧急制动器接收机配合实现迅速关停发动机；还具有与设置在船体上的遥控器接收机配合使用的遥控器，实现人工对船体进行远程操作。
3.一种带有激光辅助导航***的农用无人空气动力船的导航方法，基于权利要求1或2的农用无人动气动力船实现，其特征在于，包括以下步骤：
第一判断步骤，判断***是否工作良好；
当第一判断步骤中判断***工作状态不佳时采用激光辅助导航，利用激光扫描仪获取船体到水田边界的岸边激光信息和船体的前方激光信息；
沿岸行进步骤，根据所获取的岸边激光信息控制船体沿岸基线以给定距离行驶；
第二判断步骤，根据所获取的前方激光信息判断船体的前方是否存在障碍物；
当第二判断步骤中判断船体的前方存在障碍物时记录障碍物的属性，包括根据获取的前方激光信息，利用数组的形式对包括大小、高度、距离及位置的信息进行储存；
第三判断步骤，根据障碍物的属性判断障碍物是否大于设定的门限值；
当第三判断步骤中判断障碍物大于设定的门限值时控制船体转弯并进入下一航行路径。
4.根据权利要求3所述的导航方法，其特征在于，还包括：
当第一判断步骤中判断***工作良好时采用常规导航方式。
5.根据权利要求3所述的导航方法，其特征在于：
当第二判断步骤中判断船体的前方不存在障碍物时控制船体继续前进。
6.根据权利要求3所述的导航方法，其特征在于：
当第三判断步骤中判断障碍物小于设定的门限值时控制船体停止并等待障碍物移开，并重复第二判断步骤。
7.根据权利要求3所述的导航方法，其特征在于，所述的第一判断步骤中获取船体到水田边界的岸边激光信息的方法包括：
利用大津法分类器将激光数据串分为水田数据类和岸基数据类；
设水田数据类和岸基数据类的分界点在以激光传感器为原点的直角坐标系下的坐标为P(xedge,yedge)；
设船体相对水田数据类和岸基数据类的分界线的航向为
Figure FDA0002448853480000031
则船体到岸基的垂直距离公式为
Figure FDA0002448853480000032
其中，dedge为船体到岸基的距离；
利用期望路径与分界线的位置关系，计算导航误差进行导航，公式为
Figure FDA0002448853480000033
其中，δ为尾舵转角，Δd为船体当前位置与期望路径的垂直误差，
Figure FDA0002448853480000034
为船体航向角偏差，α和β是基于实验经验的控制比例因子。
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