专利名称：果树定位地图构建装置及方法
技术领域：
本发明属于农业机械装备自动化测控技术领域，涉及一种应用于果园的果树精准定位的移动车载装置，尤其涉及一种果树定位地图的构建方法。
背景技术：
为了提高市场竞争力，我国经济林的经营模式正朝着规模化、系统化、数字化方向发展。在这种经营模式下，果农需要获得准确的多样性果树生长信息，如实际生长位置、树干尺寸等，据此得到果树的分布规律并制定合理的果园作业计划，如果树对靶施药等。以往果农利用人工方式获取此类信息，该方式劳动量大、效率极其低下，信息准确度不高，甚至一些果农因此而放弃获取这些信息，从而导致我国经济林规模化发展缓慢。目前，不少国内外学者和研究人员利用机载测绘系统来绘制农林信息地图，该方法效率高，从俯视的角度获得果树树冠的分布信息，适合大面积的林区和农田，但测量精度不高，且无法得到树冠下 较细节的信息(如果树树干的尺寸和位置等)。因此，开发适合经济林作业的地面车载测绘系统，可有效、准确地获得上述果树的多样性生长信息，有助于果农安排合理科学的果园作业，还为未来果园数字化管理提供了科学技术手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有较高自动化水平的果树定位地图构建装置，尤其用于实时获取果树尺寸和位置信息，并创建相应的分布地图，为未来果园数字化管理提供技术手段。本发明提供的一种果树定位地图构建装置，其特征在于包括移动平台采用可在果树作物行间行走的移动平台；GPS定位模块为可获得全球定位信息的部件，安装在移动平台的顶部；激光探测模块包括一台激光测距仪和一个惯性测量装置，其中激光测距仪用来获取周围物体的二维扫描轮廓数据，并对果树树干进行定位识别，激光测距仪面对果树作物行，以激光测距仪的激光发射中心为原点，建立了激光测距仪的相对坐标系，X轴为激光测距仪的正中线，y轴为移动平台的前进方向；惯性测量装置紧密固定在激光测距仪顶部，用以实时测量激光测距仪在移动作业过程中的俯仰角、滚动角和航向角；巡航控制模块主要是在< 10km/h速度下，控制移动平台的行进速度，使其保持稳定，从而避免因行进速度波动所引起的各传感器部件测量误差增大；主控单元为适合恶劣环境下使用的军用型笔记本电脑，负责采集和处理来自GPS定位模块、激光探测模块和巡航控制模块的数据，得到果树树干定位信息以及巡航控制信息等；此外，本发明还提供了应用上述果树定位地图构建装置进行果树树干定位地图构建的方法。本发明的优点本发明提出了一种移动过程中获得果树树干生长及定位信息的新思路，专门针对果园果树的分布特点和生长特性，采用可在果树作物行间行走的轮式移动平台，将激光测距仪、惯性测量装置、GPS定位模块、雷达测速仪和测控板卡相结合，实现在低速巡航状态下对果树的快速、有效定位和识别，并同步获取果树的分布信息，创建实时果树定位地图，准确获得果树的生长和分布信息，为果树精准施药、果园规模化经营以及精细农业数字化管理提供了科学技术手段。
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明图I为本发明的果树定位地图构件装置的整体布局俯视图；图2为本发明的雷达测速仪的安装示意图；图3为本发明的巡航控制模块的控制原理图；
图4为本发明的果树定位地图构建方法流程图。附图标记I-移动平台；2_GPS定位模块；3_激光测距仪；4-支架；5-惯性测量装置；6-扫描区域；7_测控箱；8_雷达测速仪；9_方向盘；10_电子油门；11_电机驱动器；12_控制模式切换按钮；13_电机；14-油门踏板；15_果树；16-RS232转USB接口 ;17_USB接口 ；18-RS422转USB接口 ；19_正中线；20_主控单元；21_测控板卡；22_安装面；23_雷达波收发面；24-距离地面高度；25_与地面的夹角；26_人工模式；27_自动模式。
具体实施例方式本发明的果树定位地图的构建装置，其较佳的具体实施方式
如图I至图4所示如图I所示，本发明的果树定位地图的构建装置的组成部分包括移动平台、GPS定位模块、激光探测模块、巡航控制模块和主控单元等。本发明中，移动平台I为可在果树行间行走的轮式电动农用车或小型拖拉机，本实施例的移动平台I选用轮式电动农用车，本发明中所有部件均安装在移动平台I上，移动平台I最大载重量450kg，满载时最高车速25km/h，最大爬坡度< 25%，额定功率4. 5kw,配有4块12V车载电瓶，为整个果树定位地图构建装置提供电源。本发明中，GPS(全球定位系统)定位模块2安装在移动平台I顶棚中间位置，为TrimbleSPS461定位信标接收机，定位精度达到厘米级，防水防尘，数据输出更新率为5Hz，通过RS232转USB接口 16与主控单元20进行数据通讯。本发明中，激光探测模块包括一台激光测距仪3和一个惯性测量装置5，激光测距仪3通过支架4安装在移动平台I前部左侧距离地面60cm处，面对果树15作物行，水平二维扫描果树15的树干，扫描角度分辨率为O. 25°，扫面区域6设置成100°，最大测量距离为8m，通过USB接口 17与主控单元20进行数据通讯，数据输出更新频率为18. 7Hz ;如图I所示，以激光测距仪3的激光发射中心为原点，建立了激光测距仪3的相对坐标系，X轴为激光测距仪3的正中线19，y轴为移动平台I的前进方向；惯性测量装置5紧密固定在激光测距仪3顶部，用以实时测量激光测距仪3在移动作业过程中的俯仰角、滚动角和航向角，与主控单元20通过RS422转USB接口 18进行数据通讯，数据输出更新频率为100Hz。本发明中，果树定位地图的构建装置通常在较低速度下((10km/h)作业，巡航控制模块主要是在这种较低速度下，控制移动平台I的行进速度，使其保持稳定，从而避免因行进速度波动所引起的各传感器部件测量误差增大；巡航控制模块由一个测控箱7、一个雷达测速仪8、一个方向盘9、一个电子油门10、一个电机驱动器11、一个控制模式切换按钮12、一个电机13、一个油门踏板14组成；其中方向盘9、电子油门10、电机驱动器11、电机13和油门踏板14均为移动平台I的原有配件，电子油门10为感应式电子油门，型号为ipPDMG-B-5. O,电机13为有刷他励直流电动机ZT3-48，额定功率3kW，额定转速2800r/min。雷达测速仪8用来检测移动平台I的实际行进速度，如图2所示，雷达测速仪8的安装面22通过专用支架固定在移动平台I的尾部中间位置(如图I所示)，雷达波收发面23中心距离地面高度24为70cm，雷达波收发面23的法线方向与地面的夹角25为35° ;雷达波频率为24. 125GHz ±50MHz，雷达测速仪8测量范围是O. 53 107. 8km/h，输出频率为 27. 45Hz/km/h。如图3所示，巡航控制模块分为人工模式26和自动模式27 :人工模式下，由驾驶员踩动油门踏板14，油门踏板14控制电子油门10向电机驱动器11发出O 5V的电压控 制信号，再由电机驱动器11驱动电机13，调节电机13转速，从而保持移动平台I的行进速度稳定；自动模式下，由雷达测速仪8检测移动平台I的实际行进速度，通过测控板卡21的一路计数器通道采集，并传输给主控单元20，主控单元20将雷达测速仪8的频率信号转换成实际行进速度，再根据实际行进速度与预期行进速度的差别幅度，通过测控板卡21的一路模拟输出通道向电机驱动器11发出O 5V的电压控制信号，调节电机13的转速，从而使移动平台I保持在预期的行进速度上；测控板卡21为ZTUSB-7660DN数据采集卡，具有48路单端/24路差分模拟输入通道、4路模拟输出通道、3路计数器通道、16路数字量输入通道和16路数字量输出通道，通过USB接口 17与主控单元20进行数据通讯。巡航控制模块的人工模式和自动模式通过控制模式切换按钮12进行切换，图3示出控制模式切换按钮12的常闭状态为人工模式，常开状态为自动模式，驾驶员按下控制模式切换按钮12后，按钮发红光，巡航控制模块切换到自动模式，弹起按钮时，按钮不发光，同时切换到人工模式；控制模式切换按钮12安装在测控箱7顶盖上，测控箱7置于驾驶员右侧可轻易触及的位置(图I)，方便驾驶员操作；巡航控制模块无论在人工模式还是自动模式下，都需要驾驶员通过方向盘9控制移动平台I的行进方向，在作业过程中尽量保证移动平台I沿直线行走，并保持激光测距仪3与果树15作物行的距离在70 IOOcm范围内。本发明中，主控单元20为适合恶劣环境下使用的军用型笔记本电脑，CPU主频为2. 4GHz双核处理器，内存为3GB，硬盘为250GB，可在潮湿、灰尘、污染、震动等恶劣环境中，满足作业要求。主控单元20由车载支架安装在方向盘9右侧位置，可根据驾驶员习惯调整车载支架及主控单元20的位置，以便驾驶员监视主控单元20实时显示的内容；本发明中，为避免受作业环境潮湿和灰尘的影响，测控板卡21置于一个防水防尘的测控箱7内；主控单元20还专门配备了 12V直流转220V交流车载逆变器，由移动平台I上的12V车载电瓶提供电源，该车载逆变器也置于测控箱7内；另外，测控箱7内还配有保险丝组，车载电瓶经过保险丝组分别向GPS定位模块2、激光测距仪3和惯性测量装置5提供12V直流电源。果树定位地图的构建和自动模式下移动平台I的巡航控制分别在独立的线程中进行，下面结合图4，对果树定位地图构建方法做具体描述
(I)激光测距仪3数据采集、树干定位识别及定位地图生成在主线程中完成。图I中，激光测距仪3相对激光发射中心逆时针发射并接收扫描激光束，完成一次扫描后，得到一组周围物体的二维扫描点云数据，包括扫描角度和该角度下物体到激光测距仪3激光发射中心的直线距离(即测量距离)；首先根据测量距离进行滤波，将测量距离超过范围A的点云数据点剔除，避免背景噪声的干扰，范围A设定为果树15作物行到激光测距仪3的垂直距离的I. 5倍；然后计算点云数据点之间的跳变距离，利用阈值B对点云数据进行分簇，跳变距离不超过阈值B的数据点被认为是同一果树15树干上的轮廓点，分为同一簇并标号；反之，属于不同树干上的轮廓点，分为不同簇；阈值B由激光测距仪3的扫描角度分辨率、扫描时间和行进速度确定；(2)假设果树15树干的横断面为标准圆，标准圆的直径为果树15树干的尺寸，标准圆的圆心位置为果树15树干位置，分簇后的点云数据只是果树15树干横断面标准圆的一段圆弧，利用最小二乘法对同簇的点云数据点进行标准圆拟合，得到标准圆的直径和圆心，即为果树15树干横断面的尺寸和位置，同时还记录主控单元20的系统时间，称为激光采集时刻；
(3)GPS定位数据的采集在另一个独立线程中进行，GPS定位数据包括主控单元20的系统时间(称为GPS采集时刻)、经纬度信息、行进速度和航向角；在另一个独立线程中，主动单元20通过测控板卡21的一路数字量输入通道实时监测控制模式切换按钮12的开闭状态，当检测到控制模式切换按钮12按下时，程序进入自动模式下移动平台I的巡航控制，以设定的预期行进速度匀速行驶；当检测到控制模式切换按钮12弹起，切换到手动模式下，提示驾驶员来控制移动平台I的行进速度；GPS定位数据中的行进速度和航向角以及雷达测速仪8检测的实际行进速度分别从各自线程中通过线程列队传输给主线程；主控单元20根据GPS定位数据中的行进速度和航向角以及雷达测速仪8检测的实际行进速度进行数据融合，最终确定移动平台I的行进速度和航向角；(4)激光测距仪3提供的果树15树干尺寸和位置数据更新频率为18. 7Hz，GPS数据更新频率为5Hz，为进一步提高定位精度，在上述数据下一次更新之前，根据激光测距仪3当前获得的果树15树干位置、数据融合后得到的移动平台I的行进速度和航向角，以IOms的间隔反向插值预测果树15树干的移动趋势，得到若干果树15树干相对移动平台的预测位置，每插值一次激光采集时刻增加IOms ；(5)计算由步骤(4)得到的若干果树15树干预测位置到激光测距仪3的正中线19的垂直距离，由于树干预测位置正好在激光测距仪3的正中线19上的这一时刻很难捕捉，因此取其中距离最短的树干预测位置作为正对激光测距仪3的位置，根据此时的激光采集时刻和GPS采集时刻，插值计算在激光采集时刻的GPS定位数据中的经纬度信息，同时RS232转USB接口读取惯性测量装置5的数据，得到激光采集时刻下的GPS定位数据，果树15树干尺寸和预测位置信息，激光测距仪3的俯仰角、滚动角和航向角；(6)由步骤(5)所得到的果树15树干预测位置是在激光测距仪3的相对坐标系中的位置，GPS定位数据中经纬度信息是GPS定位模块2在大地坐标系中的位置；根据GPS模块2和激光测距仪3相互之间的位置关系，激光系统时间下的GPS定位数据，果树15树干尺寸和预测位置信息，激光测距仪3的俯仰角、滚动角和航向角，将相对坐标下的果树15树干预测位置进行坐标转换至大地坐标系中，从而获得果树15树干实际位置；
(7)根据果树15树干的尺寸和实际位置，实时生成果树定位地图，并显示在主控单元20的显示屏上，同时将激光系统时间、该系统时间下的GPS定位数据、果树15树干尺寸和预测位置信息，激光测距仪3的俯仰角、滚动角和航向角存储到数据库中，方便日后操作人员进行数据管理和地图生成。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到的变化或者替 换，都应涵盖在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种果树定位地图构建装置，其特征在于包括 移动平台采用可在果树作物行间行走的移动平台； GPS定位模块为可获得全球定位信息的部件，安装在移动平台的顶部； 激光探测模块包括一台激光测距仪和一个惯性测量装置，其中激光测距仪用来获取周围物体的二维扫描轮廓数据，并对果树树干进行定位识别，激光测距仪面对果树作物行，以激光测距仪的激光发射中心为原点，建立了激光测距仪的相对坐标系，X轴为激光测距仪的正中线，y轴为移动平台的前进方向；惯性测量装置紧密固定在激光测距仪顶部，用以实时测量激光测距仪在移动作业过程中的俯仰角、滚动角和航向角； 巡航控制模块主要是在< 10km/h速度下，控制移动平台的行进速度，使其保持稳定； 主控单元为适合恶劣环境下使用的军用型笔记本电脑，负责采集和处理来自GPS定位模块、激光探测模块和巡航控制模块的数据，得到果树树干定位信息以及巡航控制信息坐寸ο
2.按照权利要求I所述的果树定位地图构建装置，其特征在于巡航控制模块包括测控箱、雷达测速仪、方向盘、电子油门、电机驱动器、控制模式切换按钮、电机、油门踏板；巡航控制模块分为人工模式和自动模式，人工模式下，由驾驶员踩动油门踏板，控制电子油门向电机驱动器发出电压控制信号，再由电机驱动器驱动电机，从而保持移动平台的行进速度稳定；自动模式下，由雷达测速仪检测移动平台的实际行进速度，通过一块测控板卡，传输给主控单元，主控单元根据实际行进速度与预期行进速度的差别幅度，通过测控板卡向电机驱动器发出电压控制信号，调节电机的转速，从而使移动平台保持在预期的行进速度上。
3.按照权利要求2所述的果树定位地图构建装置，其特征在于测控板卡置于测控箱内，主控单元配备了 12V直流转220V交流车载逆变器，由移动平台上的12V车载电瓶提供电源，该车载逆变器也置于测控箱内；另外，测控箱内还配有保险丝组，车载电瓶经过保险丝组分别向GPS定位模块、激光测距仪和惯性测量装置提供12V直流电源。
4.按照权利要求2所述的果树定位地图构建装置，其特征在于GPS定位模块通过RS232转USB接口与主控单元进行数据通讯；激光测距仪通过USB接口与主控单元进行数据通讯；惯性测量装置与主控单元通过RS422转USB接口进行数据通讯；测控板卡通过USB接口与主控单元进行数据通讯。
5.一种应用权利要求I所述的果树定位地图构建装置进行果树树干定位地图构建的方法，激光测距仪数据采集、树干定位识别及定位地图生成在主线程中完成，其特征在于 (1)激光测距仪完成一次扫描后，得到一组周围物体的二维扫描点云数据，包括扫描角度和该角度下物体到激光测距仪激光发射中心的直线距离，即测量距离；首先根据测量距离进行滤波，将测量距离超过范围A的点云数据点剔除；然后计算点云数据点之间的跳变距离，利用阈值B对点云数据进行分簇，跳变距离不超过阈值B的数据点被认为是同一果树15树干上的轮廓点,分为同一簇并标号； (2)假设果树树干的横断面为标准圆，标准圆的直径为果树树干的尺寸，标准圆的圆心位置为果树树干位置，对步骤(I)获得的同簇点云数据点进行标准圆拟合，得到标准圆的直径和圆心，即为果树树干横断面的尺寸和位置，同时还记录主控单元的系统时间，称为激光采集时刻；(3)GPS定位数据的采集在一个独立线程中进行，GPS定位数据包括主控单元的系统时间称为GPS采集时刻、经纬度信息、行进速度和航向角；在另一个独立线程中，主控单元通过测控板卡实时监测控制模式切换按钮的开闭状态，当检测到控制模式切换按钮按下时，程序进入自动模式下移动平台的巡航控制，按照预期行进速度匀速行驶；当检测到控制模式切换按钮弹起，切换到手动模式下，提示驾驶员来控制移动平台的行进速度；主控单元根据GPS定位数据中的行进速度和航向角以及雷达测速仪检测的实际行进速度进行数据融合，最终确定移动平台的行进速度和航向角； (4)根据激光测距仪当前获得的果树树干位置、数据融合后得到的移动平台的行进速度和航 向角，反向插值预测果树树干相对于移动平台的移动趋势，得到若干果树树干预测位置； (5)计算由步骤(4)得到的若干果树树干预测位置到激光测距仪的正中线的垂直距离，取其中距离最短的树干预测位置作为正对激光测距仪的位置，根据此时的激光采集时刻和GPS采集时刻，插值计算在激光采集时刻的GPS定位数据中的经纬度信息，同时读取惯性测量装置的数据，得到激光采集时刻下的GPS定位数据，果树树干尺寸和预测位置信息，激光测距仪的俯仰角、滚动角和航向角； (6)根据GPS模块和激光测距仪相互之间的位置关系，激光采集时刻的GPS定位数据，果树树干尺寸和预测位置信息，激光测距仪的俯仰角、滚动角和航向角，将相对坐标中的树干预测位置转换到大地坐标系中，从而获得果树15树干实际位置； (7)根据果树树干的尺寸和实际位置，实时生成果树定位地图，并显示在主控单元的显示屏上，同时将激光系统时间、该系统时间下的GPS定位数据、果树树干尺寸和预测位置信息，激光测距仪的俯仰角、滚动角和航向角存储到数据库中。
全文摘要
本发明属于农业机械装备自动化测控技术领域，涉及一种应用于果园的果树精准定位移动车载装置，尤其涉及一种果树定位地图的构建方法，包括移动平台、GPS定位模块、激光探测模块、低俗巡航模块。根据果园果树的分布特点，采用可在果树作物行间行走的轮式移动平台，将激光测距仪、惯性测量装置、GPS定位模块、雷达测速仪和测控板卡相结合，实现在低速巡航状态下对果树的快速、有效定位和识别，以获取果树的分布信息，实时创建果树定位地图，准确获得果树的生长和分布信息，为果树精准施药、果园规模化经营以及精细农业数字化管理提供了科学技术手段。
文档编号G01S19/53GK102881219SQ20121035063
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月20日 优先权日2012年9月20日
发明者康峰, 郑永军, 李文彬 申请人:北京林业大学