一种基于GPS与视觉识别的农机收集车智能跟随系统的制作方法

文档序号:14923620发布日期:2018-07-13 08:18

本发明涉及农机自动化控制技术领域,具体涉及一种基于GPS与视觉识别的农机收集车智能跟随系统,即收集车自动跟随收割机的系统。



背景技术:

传统农业的农作物收割是一项比较费时费力的一环。机械收割机大大的提高了收割效率节省了人力物力。但是传统机械收割机是采用把收割的粮食先存储在自带料仓,等料仓存储满了再返回把粮食传送到收集车上。这严重影响了收割与收集这一环节的工作效率。为此在进行收割作业时,往往会人工开一辆收集车跟随收割车进行实时收集,以提高收割与收集效率。在收割与收集时消耗更多人力。丁永前等人(丁永前,王致情,林相泽,毕伟平,林小兰,薛金林.自主收集车辆航向控制系统[J].农业机械学报,2015,46(01):8-13+7.)提出了一种基于红外传感器检测相对航向角的车辆自主跟随控制系统建模和设计方法,但由于系统采用红外传感器,该传感器对热量反应敏感,外来热源对传感器影响较大,而且该收集车采用的方式为人工将收集车对正被收集车后开始跟随,若距离较远则不能识别,跟随存在限制只能进行一次性近距离跟随。上海交通大学智能车实验室自主开发了CyberCS智能车跟随系统,实现了基于视觉、磁传感器、激光雷达等多传感器融合的车辆自主跟随上海交通大学对智能车的自主跟随研究取得了较大的成果,但是其实现成本较高,系统结构较复杂,不适于农业推广使用。



技术实现要素:

针对现有技术的不足,本发明拟解决的技术问题是,提供一种基于GPS与视觉识别的农机收集车智能跟随系统。该跟随系统将图像识别技术与GPS定位技术相结合,使收集车能自动跟随收割机;本发明综合运用了GPS定位、视觉图像识别及处理、超声波保护、智能控制等,对收集车的位置和行驶状态进行采集和控制,在成本提高幅度不大的情况下,大大地提高了对农作物采集与收集的效率,减少人力资源的消耗。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是:提供一种基于GPS与视觉识别的农机收集车智能跟随系统,其特征在于该系统包括摄像头、图像处理模块、控制模块、GPS模块、位置信息处理模块、PWM调速模块、直流电源、液晶显示屏和超声波模块;

所述摄像头安装在收集车的前部,摄像头与图像处理模块的输入端连接;图像处理模块的输出端分别通过无线方式与控制模块和上位机连接;在收集车和农机上均安装有GPS模块,两个GPS模块用于采集两车的位置信息,收集定位信号;GPS模块与位置信息处理模块的输出端连接,所述位置信息处理模块通过无线方式与上位机连接;同时位置信息处理模块的输出端还连接控制模块和液晶显示屏;所述控制模块的输入端还连接有用于保障行车安全的超声波模块;控制模块的输出端通过用于控制电机旋转方向与转速的PWN调速模块连接收集车的左侧驱动电机和右侧驱动电机,控制模块的输出端同时连接收集车用于控制转向的转向装置;所述直流电源为整个系统供电;上述的图像处理模块、控制模块、位置信息处理模块、PWM调速模块、直流电源、液晶显示屏、超声波模块均安装在收集车的车架上;所处图像处理模块中加载有图像处理程序,位置信息处理模块中加载有GPS采集处理程序,控制模块中加载有控制收集车行进程序。

所述转向装置为方向盘或转向舵机。

与现有技术相比,本发明有益效果在于:

1)本申请将成熟的图像处理技术及GPS定位技术应用在农业车辆自跟随系统上,实现车辆高精度的跟随。通过米级GPS进行远距离的粗定位,然后再通过摄像头进行近距离的精细定位,两种技术的结合,大大保证了系统运行的准确度,使定位精度在厘米级,同时降低了对设备性能的要求,降低制造成本。拥有较强的跟随稳定性,行进误差在20cm以内并且在农机进行转向作业时仍能保持稳定跟随。

2)本发明系统机械结构简单,经济性强。在已有的车辆上不用进行大范围改动,安装成本低,可用12V直流电源供电,耗能低,在标配车载12V蓄电池供电的情况下能保证24小时以上的连续工作。同时所需设备大多是不需要单独加工的成品设备,购置成本低。

3)可靠性强。加装超声波模块,利用车辆发出超声波信号,当检测到前方出现危险(牲畜、小孩等)时,主动刹车避让,可以调节安全范围在3.5cm至80cm之间,为收集车运行的安全提供了优良保障。

本申请基于多传感器(摄像头、GPS模块、超声波模块)和多处理器(图像处理模块、位置信息处理模块、控制模块)的配合使用,采用多种常见的低精度传感器能实现了较高精度的定位与识别,相对单一的或少量的高精度传感器在保证提高定位精度的前提下显著降低了成本。

附图说明

图1本发明基于GPS与视觉识别的农机收集车智能跟随系统的整体结构示意图;

图2本发明基于GPS与视觉识别的农机收集车智能跟随系统一种实施例的控制模块结构框图;

图中,1摄像头;2转向舵机;3图像信息处理模块;4控制模块;5GPS模块;6位置信息处理模块;7PWM调速模块;8右侧驱动电机;9左侧驱动电机;10直流电源;11液晶显示屏;12无线模块;13超声波模块;14蓝牙模块;15上位机。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

本发明基于GPS与视觉识别的农机收集车智能跟随系统(简称系统,参见图1-2)包括摄像头1、图像处理模块3、控制模块4、GPS模块5、位置信息处理模块6、PWM调速模块7、直流电源10、液晶显示屏11和超声波模块13;

所述摄像头1安装在收集车的前部,摄像头与图像处理模块3的输入端连接;图像处理模块的输出端分别通过无线方式与控制模块4和上位机连接;在收集车和农机上均安装有GPS模块5,两个GPS模块用于采集两车的位置信息,收集定位信号;GPS模块与位置信息处理模块6的输出端连接,所述位置信息处理模块6通过无线方式与上位机15连接;同时位置信息处理模块6的输出端还连接控制模块和液晶显示屏11;所述控制模块的输入端还连接有用于保障行车安全的超声波模块13;控制模块的输出端通过用于控制电机旋转方向与转速的PWN调速模块7连接收集车的左侧驱动电机9和右侧驱动电机8,控制模块的输出端同时连接收集车用于控制转向的转向舵机2;所述直流电源10为整个系统供电;上述的图像处理模块3、控制模块4、位置信息处理模块6、PWM调速模块7、直流电源10、液晶显示屏11、超声波模块13均安装在收集车的车架上。所处图像处理模块中加载有图像处理程序,位置信息处理模块中加载有GPS采集处理程序,控制模块中加载有控制收集车行进程序。

摄像头1用来采集农机的定位图像信息,图像处理模块3用于实时处理摄像头采集的动态图像参数,进行图像数据分析,通过无线模块将图像数据分析结果发送给上位机,通过蓝牙模块14将图像数据分析结果传输给控制模块4;

所述直流电源10为12V直流电源,直接为收集车的右侧驱动电机8和左侧驱动电机9供电。同时直流电源10连接稳压模块(图中未标出),将12V输入电压转换为稳定的5V输出电压,为转向舵机2、图像处理模块3、控制模块4、位置信息处理模块6提供电能。

位置信息处理模块6用于对GPS模块5采集的GPS信号进行处理分析,通过液晶显示屏显示处理结果,并将位置信息发送给控制模块,输出参数,同时通过无线模块12将处理结果发送给上位机;同时控制模块4通过蓝牙模块14接收来自图像处理模块3传来的图像信息的传输参数。

图像处理模块3是以STM32芯片为核心的图像处理模块;位置信息处理模块6是以STC芯片为核心的处理模块,用于处理收集的GPS信号;控制模块4是以Arduino芯片为核心的控制模块,拥有7个数字量输出管脚,可直接输出PWM信号,用于控制右侧驱动电机8、左侧驱动电机9、舵机等工作;

所述上位机用于整合显示收集车跟随农机的路径及相关参数,实时观察收集车的跟随情况。所述无线模块用于共享辆车与上位机所需信息。

所述摄像头1为OV7752,2.8mm焦距标准摄像头,精度要求不高;所述转向舵机2为MG 996R转向舵机;所述图像处理模块3以STM32F765VI芯片为核心,运算速度高,在输入程序后拥有较强的图像处理功能;所述GPS模块5中使用天线为ANTENNA有源天线,中心频率为1575.42MHZ;所述位置信息处理模块6以SCT12C5A60S2芯片为核心;所述PWM调速模块7为XY-160D双路直流驱动模块;所述右侧驱动电机8和左侧驱动电机9均为DS-25RS370减速电机;所述液晶显示屏11为12864液晶屏;所述无线模块12为HLK-RM04模块;所述超声波模块为13RC-RS04小型传感器;所述蓝牙模块14为HC-05串口模块;所述稳压模块为DM02-5,12V转5V降压模块。

本申请中的农机可为收割机。本申请可以拟采用多辆收集车在一辆收集车装满后其他收集车能自己识别被收集车的位置从而进行多次跟随,本申请图像识别采用的是颜色识别,算法相对简单,对摄像头的精度要求不高。

本发明基于GPS与视觉识别的农机收集车智能跟随系统的工作流程是:

启动装置,系统初始化,液晶显示屏进入欢迎界面,位置信息处理模块6从GPS模块中读取当前定位信息并在液晶显示屏11上进行显示;控制模块4控制收集车的转向舵机2进行初始化摆动以确保转向正常,便于管理人员观察装置是否正常工作,了解当前装置的工作环境;

确认工作环境后,位置信息处理模块6通过GPS模块5读取两车的GPS定位信号,经过处理后将信号显示至液晶显示屏11并传输到控制模块4;控制模块4控制收集车按蚁群算法执行前进路径;前进过程中摄像头1识别到农机后将信号传输到图像处理模块3,图像处理模块3将图像信息处理后通过蓝牙模块14将摄像头已识别到农机的信号发与控制模块4;识别到图像信号后控制模块4不再执行GPS信号,优先通过图像识别(图像识别为现有技术)进行定位,控制收集车的转向舵机2、右侧驱动电机8、左侧驱动电机9工作,进而对农机进行跟随。

本发明基于GPS与视觉识别的农机收集车智能跟随系统的工作原理是:

第一步:不间断地通过超声波模块判断自身周围是否存在异物,行进是否安全;一旦出现不安全信号,控制模块4控制收集车停止行进,并不断判断不安全信号是否消失;如果不安全信号消失,则继续行进;

第二步:由两个GPS模块采集自身的GPS定位信号,并由位置信息处理模块对比收集车与农机的位置信息,将位置信息传递到控制模块。

第三步:控制模块按蚁群算法设计并执行靠近农机位置的路径,并在行进过程中不间断判断摄像头是否识别到农机。

第四步:在第三步进行的过程中,摄像头不间断采集信号,并将信号传递与图像处理模块,图像处理模块不间断地判断是否识别到农机,若识别到农机,将识别信号发与控制模块,并将处理好的定位信息按规定格式发送。

第五步:控制模块接收到图像信息后,不在使用位置信息定位,使用图像信息进行定位,由控制模块蚁群算法进行修正,保证对农机的精确跟随。

第六步:不间断判别是否收到图像信号,若失去图像信号则返回第二步。

本发明中的位置信息处理模块6中设有GPS采集处理程序,该程序流程是:开始,位置信息处理模块首先判断是否与GPS天线进行通讯,如果没有,则返回继续判断,如果已经通讯,则采集本车信号,判断无线是否开启,若没有则重启无线并返回判断无线是否开启,若开启则接收农机的GPS信号,如果没有接收到,则等待,若接收到则分析农机和收集车两车的GPS信号进行运算得到更高精度的相对与绝对位置信息。

本发明中的图像处理模块中设有图像处理程序,该程序流程是:判断摄像头发来的信号是否为规定识别的信号(规定识别的信号为事先在程序中设定好的,这个信号能识别出农机),若不是,则返回判断,若是,则分析规定信号的位置信息,进行滤波,提高识别精度,并将识别信号的所需位置信息提取并发送至控制模块。

本发明中的控制模块中设有控制收集车行进程序,该程序流程是:判断超声波传感器信号是否为安全信号,若不为安全信号则停止,并持续判断信号是否为安全信号,若为安全信号则判断是否收到位置信息处理模块发送的位置信息,若没有收到则持续接收位置信息,若收到,则按既定路线规划算法计算路线并行进,直到收到图像信息处理模块传来的图片信息或超声波传模块发送不安全信号;收到图像信息处理模块传来的图像信息后,将图像信息作为最高优先级进行定位,并根据图像分析位置信息按蚁群算法规划新的路径进行行进。在程序中,安全信息为时时接收,在判定安全的基础上才回执行各信号的采集与动作的执行。在控制模块没有收到图像信息之前会一直以GPS的位置信息进行路径规划并跟随,在识别到图像信息后便不在以GPS信息进行路径规划而以图像信息进行路径规划,就是图像信息比GPS信息拥有更高的优先级,没有图像信息时用GPS,有了图像信息就用图像,不用GPS信号了。

本发明选择温度在51度以下能见度高于15米无云的日间户外工作环境,在此有效识别区间内,摄像头可以识别到在农机上加装的规定的定位标识,GPS天线可接收较强信号,本发明系统更适用于开阔无尘对视觉识别无影响、无云对GPS信号无影响的环境。

本发明未述及之处适用于现有技术。

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