专利名称：一种果园机械导航系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及果园机械导航技术领域，尤其涉及一种果园机械导航系统。
背景技术：
自动导航技术是智能化果园作业装备开发的关键技术之一。GPS信号在果园中会受到果树树冠的阻挡，因此，以GPS为主要传感器的导航系统在果园中应用具有局限性。目前存在的果园机械导航系统有机械导航系统、电磁导航系统、视觉导航系统和超声波导航系统等。机械导航系统存在不能完全解放劳动力的缺点；电磁导航系统存在结构和位置计算复杂，改造和维护困难的缺点；由于果园环境复杂，呈现非结构化的特点，同时果园中存在多种随机噪声信号，因此，视觉导航系统和超声波导航系统都容易受到外界环境的干扰， 造成误差较大。因此，研制一种新型的适合于果园特殊环境的导航系统对智能化果园作业装备的开发具有重要意义。CAN总线技术作为一种有效支持实时分布式控制的串行通信网络，具有高的可靠性和实时性，目前，CAN总线广泛应用在离散控制领域。由于计算机技术、电子技术和控制技术在导航中的普遍应用，对传感器、控制单元和处理器之间的数据传输提出了新的要求， 同时考虑到导航系统应具有可扩展性，使得将CAN总线引入果园机械导航具有重要意义。目前果园机械导航多采用工控机或个人计算机作为导航任务处理器，但其体积较大，且需要交流电源供电，给果园机械导航系统的研究开发带来不便。
发明内容
本发明的目的在于克服现有果园机械导航系统的缺点，提供一种体积小、可扩展、 高精度、具有自适应功能的果园机械导航系统。本发明的一种果园机械导航系统，由嵌入式计算机、二维激光扫描仪、速度检测单元、角度检测单元、GPS接收处理单元、转向控制单元带组成。所述嵌入式计算机作为上位机，角度检测单元、速度检测单元、GPS接收处理单元、 转向控制单元之间均为下位机，上位机与下位机之间，下位机各单元之间均采用CAN总线进行连接，形成分布式控制系统。果园机械本体在果树行间行走时，激光扫描仪，角度检测单元，速度检测单元将检测得到的信息传送给嵌入式计算机；果园机械在果园地头转弯和道路运输时，GPS接收处理单元、角度检测单元和速度检测单元检测得到的信息传送给嵌入式计算机；嵌入式计算机运行路径规划算法和导航控制算法后，将控制指令传送给转向控制单元，转向控制单元控制果园机械本体转向。所述角度检测单元由角度传感器、带CAN通讯功能的微处理器1、CAN总线驱动器
1、电源转换电路1组成。所述速度检测单元由速度传感器、带CAN通讯功能的微处理器2、CAN总线收发器
2、电源转换电路2组成。
所述GPS接收处理单由GPS传感器、带CAN通讯功能的微处理器3、CAN总线驱动器3、电源转换电路3组成。所述转向控制单元由伺服电机驱动器、伺服电机、带CAN通讯功能的微处理器4、 CAN总线收发器4、电源转换电路4组成。所述GPS接收处理单元中，GPS传感器通过RS232串口将果园机械位置信息传送给微处理器3 ；转向检测单元中，微处理器4通过RS232串口向伺服电机驱动器发送控制指令。所述二维激光扫描仪将扫描的果树位置信息通过RS232串口传送给嵌入式计算机。本发明与现有果园机械导航系统相比具有如下优点和效果
1)本发明采用CAN总线系统连接各检测单元和控制单元，基于IS011783协议在总线上传输信息，形成分布式控制系统，可在总线上添加检测和控制单元，为将来导航系统功能的扩展提供了方便。2)本发明提出分段导航在果树行间时，利用激光扫描仪获取果树位置信息，结合角度单元和速度单元提供的角度和速度信息，引导果园机械在果树行间行走；当果园机械在地头转弯和道路运输时，利用GPS接收处理单元获取果园机械位置信息，结合角度和速度单元提供的角度和速度信息，引导果园机械在果树行间行走，通过分段导航，有效利用导航系统中各传感器的特点，使得果园机械导航系统能有更高的精度和适应性。3)本发明控制终端采用嵌入式计算机，具有直流供电、处理速度快、功耗小等特点，有效地降低了导航系统的体积和功耗，能够促进果园机械导航系统的实际应用。
图1为果园机械导航系统结构框图； 图2为角度检测单元电气原理图3为速度检测单元电气原理图； 图4为GPS接收处理单元电气原理图； 图5为转向控制单元电气原理图。
具体实施例方式下面结合附图举例，对本发明作更详细地描述。一种果园机械导航系统，由嵌入式计算机、二维激光扫描仪、速度检测单元、角度检测单元、GPS接收处理单元、转向控制单元带组成，见图1。所述嵌入式计算机作为上位机，角度检测单元、速度检测单元、GPS接收处理单元、 转向控制单元之间均为下位机，上位机与下位机之间，下位机各单元之间均采用CAN总线进行连接，形成分布式控制系统；
果园机械本体在果树行间行走时，激光扫描仪，角度检测单元，速度检测单元将检测得到的信息传送给嵌入式计算机；果园机械在果园地头转弯和道路运输时，GPS接收处理单元、角度检测单元和速度检测单元检测得到的信息传送给嵌入式计算机；嵌入式计算机运行路径规划算法和导航控制算法后，将控制指令传送给转向控制单元，转向控制单元控制果园机械本体转向。所述角度检测单元由角度传感器、带CAN通讯功能的微处理器1、CAN总线驱动器 1、电源转换电路1组成。所述速度检测单元由速度传感器、带CAN通讯功能的微处理器2、CAN总线收发器、 电源转换电路2组成。所述GPS接收处理单由GPS传感器、带CAN通讯功能的微处理器3、CAN总线驱动器3、电源转换电路3组成。所述转向控制单元由伺服电机驱动器、伺服电机、带CAN通讯功能的微处理器4、 CAN总线收发器、电源转换电路4组成。所述GPS接收处理单元中，GPS传感器通过RS232串口将果园机械位置信息传送给微处理器3 ；转向检测单元中，微处理器4通过RS232串口向伺服电机驱动器发送控制指令。嵌入式计算机是整个系统的控制终端，作为上位机使用。激光扫描仪通过RS232 串口传送扫描到的果树位置信息给嵌入式计算机，角度、速度及GPS接收处理单元将检测到的果园机械本体前轮转角、速度及位置信息经过处理后，以CAN数据包的形式发送到总线上供嵌入式计算机接收，嵌入式计算机运行路径规划和导航控制算法后，将控制指令发送到总线上供转向控制单元接收，转向控制单元控制果园机械本体转向。伺服电机驱动器由蓄电池12V供电，嵌入式计算机通过电源转换电路5将12V蓄电池转换为5V供电。如图2所示，角度传感器、带CAN通讯功能的微处理器Ul、CAN总线收发器S1、5V 电源转换电路1组成角度检测单元，安装在果园机械本体前轮附近，采集处理果园机械本体前轮转角信息。将处理后的信息以CAN数据包的形式按照IS011783协议通过CAN总线收发器Sl发送到CAN总线上。角度检测单元中，电源转换电路1的稳压芯片Pl将12V电压转换成5V，P1的输入端引脚ι与12V蓄电池的正极相连，1脚与地间联接电容Cl，引脚2和3接地，Pl的输出端 2脚经过电感Ll与微处理器Ul的23脚VDD、CAN总线收发器Sl的1脚及角度传感器的3 脚相连，提供5V电压，电感Ll两端与地之间分别连接发光二极管D2及电容C2。微处理器 Ul的20，、21脚分别接在晶振两端，并通过电容C3、C4与地相连。微处理器Ul的引脚10与电容C5、C6及电阻Rl组成复位电路。Ul的1、22引脚都接地。Ul的4脚与角度传感器的 2脚AD输出端连接，将角度传感器检测到的果园机械本体前轮转角模拟信号转换成数字信号，角度传感器的引脚1接地。Ul的2、3引脚与CAN总线收发器Sl的4、3引脚相连，Sl的 6、7引脚连接到外部CAN总线电路上，将经过Ul处理后的角度信息通过CAN总线收发器Sl 发送到CAN总线上，供嵌入式计算机接收。Sl的引脚2和8接地，引脚1和引脚2间并联两个电容C7、C8。Sl的6引脚与地间并联两个电容C9、C10。CANH和CANL之间有一个120 欧的电阻R5，通过外部的短接线可以选择是否作为终端使用。如图3所示，速度传感器、带CAN通讯功能的微处理器U2、CAN总线驱动器S2、5V 电源转换电路2组成速度检测单元，安装在果园机械发动机飞轮附近，采集处理果园机械本体速度信息。微处理器将处理后的速度信息以CAN数据包的形式按照IS011783协议通过CAN总线收发器S2发送到CAN总线上。速度检测单元中，电源转换电路2的稳压芯片P2将12V电压转换成5V，P2的输入端引脚1与12V蓄电池的正极相连，1脚与地间联接电容C12，引脚2和3接地，P2的输出端2脚经过电感L2与微处理器U2的23引脚、CAN总线收发器S2的1引脚及速度传感器的 1引脚相连，提供5V电压，电感L2两端与地之间分别连接发光二极管D4及电容C13。微处理器U2的20、21脚分别接在晶振两端，并通过电容C14、C15与地相连。微处理器U2的引脚10与电容C16、C17及电阻R6组成复位电路。U2的1、22引脚都接地。U2的4脚与速度传感器的3脚OUT端连接，接收速度传感器检测到的果园机械本体速度信息，速度传感器的引脚2接地。U2的2、3引脚与CAN总线收发器S2的4、3引脚相连，S2的6、7引脚连接到外部CAN总线电路上，将经过U2处理后的速度信息通过CAN总线收发器S2发送到CAN总线上，供嵌入式计算机接收。S2的引脚2和8接地，引脚1和引脚2间并联两个电容C18、 C19。Sl的6引脚与地间并联两个电容C20、C21。CANH和CANL之间有一个120欧的电阻 R10，通过外部的短接线可以选择是否作为终端使用。如图4所示，GPS传感器、带CAN通讯功能的微处理器U3、CAN总线驱动器S3、RS232 串口芯片Ml及电源转换电路3组成GPS接收处理单元，安装在果园机械本体中部，当果园机械本体在果园地头转弯及道路运输时，GPS接收处理单元可以稳定的给上位机提供果园机械位置信息。GPS传感器采集果园机械位置信息，通过扩展的RS232接口向微处理器U3 传递果园机械位置信息，微处理器获取果园机械的位置信息并进行处理，将处理后的信息以CAN数据包的形式按照IS011783协议通过CAN总线收发器S3发送到CAN总线上。GPS接收处理单元中，电源转换电路3的稳压芯片P3将12V电压转换成5V，P3的输入端引脚1与12V蓄电池的正极相连，1脚与地间联接电容C23，引脚2和3接地，P3的输出端2脚经过电感L3与微处理器U3的23脚、CAN总线收发器S3的1脚及GPS传感器的4脚相连，提供5V电压，电感L3两端与地之间分别连接发光二极管D6及电容C24。微处理器U3的20，、21脚分别接在晶振两端，并通过电容025、以6与地相连。微处理器U3的引脚10与电容C27、a8及电阻Rll组成复位电路。U3的1、22引脚都接地。GPS传感器通过芯片Ml将果园机械位置信息传递给微处理器U3，U3的11、13引脚分别与芯片Ml的11、 12引脚相连，Ml的13,14引脚通过9针串口与GPS传感器的2、3引脚相连。Ml的1，3引脚通过电容C34相连，4，5引脚通过电容C36相连，引脚2，16通过电容C35相连，并与稳压芯片P3的2脚连接，接收5V供电。Ml芯片15引脚接地，同时引脚15和引脚6通过电容 C37相连。U3的2、3引脚与CAN总线收发器S3的4、3引脚相连，S3的6、7引脚连接到外部CAN总线电路上，将经过U3处理后的位置信息通过CAN总线传递给嵌入式计算机，S3的 6引脚与地间并联两个电容C29、C30。S3的引脚2和8接地，引脚1和引脚2间并联两个电容C31、C32。CANH和CANL之间有一个120欧的电阻R15，通过外部的短接线可以选择是否作为终端使用。如图5所示，伺服电机驱动器、伺服电机、带CAN通讯功能的微处理器U4、CAN总线收发器S4、RS232串口芯片M2及电源转换电路4组成转向控制单元，安装在果园机械本体的方向盘附近，上位机通过CAN总线将控制指令发送给微处理器U4，微处理器运行前轮转向控制算法后，将电机转动指令通过RS232串口传送给电机驱动器，伺服电机驱动器发送信号驱动伺服电机转动，控制果园机械的转向。转向控制单元中，电源转换电路4的稳压芯片P4将12V电压转换成5V，P4的输入端引脚1与12V蓄电池的正极相连，1脚与地间联接电容C38，引脚2和3接地，P4的输出端2脚经过电感4与微处理器U4的23脚、CAN总线收发器S4的1脚相连提供5V电压，电感L3两端与地之间分别连接发光二极管D8及电容C39。微处理器U4的20，、21脚分别接在晶振两端，并通过电容C40、C41与地相连。微处理器U4的引脚10与电容C42、C43及电阻R16组成复位电路。U4的1、22引脚都接地。U4的2、3引脚与CAN总线收发器S4的4、 3引脚相连，S4的6、7引脚连接到外部CAN总线电路上，接收来自嵌入式计算机的转向控制指令和角度控制单元检测的果园机械前轮转向角信息。S4的6引脚与地间并联两个电容 C46、C47。S4的引脚2和8接地，引脚1和引脚2间并联两个电容C44、C45。CANH和CANL 之间有一个120欧的电阻R20，通过外部的短接线可以选择是否作为终端使用。U4将接收到的转向控制指令和前轮转向角信息进过处理后，发送电机转动指令给伺服电机驱动器， 通过伺服电机的转动控制果园机械本体的转向。U4通过芯片M2将电机转动指令传送给伺服电机驱动器，U4的11,13引脚分别与芯片M2的11,12引脚相连，M2的13,14引脚通过9 针串口与伺服电机驱动器相连。M2的1，3引脚通过电容C49相连，4，5引脚通过电容C51相连，引脚2，16通过电容C50相连，并与稳压芯片P4的2脚连接，接收5V供电。M2芯片15 引脚接地，同时引脚15和引脚6通过电容C52相连。伺服电机驱动器通过蓄电池进行12V {共 ο
权利要求
1.一种果园机械导航系统，由嵌入式计算机、二维激光扫描仪、速度检测单元、角度检测单元、GPS接收处理单元、转向控制单元带组成；所述嵌入式计算机作为上位机，角度检测单元、速度检测单元、GPS接收处理单元、转向控制单元之间均为下位机，上位机与下位机之间，下位机各单元之间均采用CAN总线进行连接，形成分布式控制系统；果园机械本体在果树行间行走时，激光扫描仪，角度检测单元，速度检测单元将检测得到的信息传送给嵌入式计算机；果园机械在果园地头转弯和道路运输时，GPS接收处理单元、角度检测单元和速度检测单元检测得到的信息传送给嵌入式计算机；嵌入式计算机运行路径规划算法和导航控制算法后，将控制指令传送给转向控制单元，转向控制单元驱动果园机械本体转向。
2.根据权利要求1所述的果园机械导航系统，其特征是所述角度检测单元由角度传感器、带CAN通讯功能的微处理器1、CAN总线驱动器1、电源转换电路1组成。
3.根据权利要求1所述的果园机械导航系统，其特征是所述速度检测单元由速度传感器、带CAN通讯功能的微处理器2、CAN总线收发器、电源转换电路2组成。
4.根据权利要求1所述的果园机械导航系统，其特征是所述GPS接收处理单由GPS传感器、带CAN通讯功能的微处理器3、CAN总线驱动器3、电源转换电路3组成。
5.根据权利要求1所述的果园机械导航系统，其特征是所述转向控制单元由伺服电机驱动器、伺服电机、带CAN通讯功能的微处理器4、CAN总线收发器4、电源转换电路4组成。
6.根据权利要求4所述的果园机械导航系统，其特征是所述GPS接收处理单元中， GPS传感器通过RS232串口将果园机械位置信息传送给微处理器3 ；转向检测单元中，微处理器4通过RS232串口向伺服电机驱动器发送控制指令。
7.根据权利要求1所述的果园机械导航系统，其特征是所述二维激光扫描仪将扫描的果树位置信息通过RS232串口传送给嵌入式计算机。
全文摘要
本发明公开了一种果园机械导航系统，由嵌入式计算机、二维激光扫描仪、速度检测单元、角度检测单元、GPS接收处理单元、转向控制单元等组成；该系统利用二维激光扫描仪获取果树位置信息，通过RS232串口传送给嵌入式计算机。利用GPS传感器测量得到果园机械的位置信息，通过速度传感器测量得到果园机械的行驶速度，通过角度传感器测量得到果园机械前轮转角，三者信息传送给带CAN通讯功能的微处理器，微处理器对信息进行处理后以CAN数据包的形式发送给嵌入式计算机。嵌入式计算机运行路径规划以及导航控制算法后，将控制指令以CAN数据包形式发送给转向控制单元。该系统可用于果园非结构化环境的机械导航。
文档编号G05B19/418GK102436225SQ201110271728
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年9月15日
发明者武涛, 王虎, 蒋浩然, 袁池, 赵志翔, 陈军, 雷王利, 高 浩 申请人:西北农林科技大学