智能采棉机自动对行导航系统和方法

智能采棉机自动对行导航系统和方法
【专利摘要】本发明涉及的是一种智能采棉机自动对行导航系统和方法。本系统包括中央处理器、电平转换、RS232接口、步进电机驱动器、步进电机、CAN接口、CAN收发器、传感器信号和模拟信号，模拟信号、传感器信号与中央处理器相连传输数据信号；中央处理器与电平转换相连，电平转换与RS232接口相连接；中央处理器与CAN收发器相连；中央处理器与步进电机驱动器相连；中央处理器自身带有CAN控制模块；中央处理器的PCA模块来调制的PWM波来控制步进电机，通过改变PWM波的占空比和频率来调节步进电机的转速和角度；在采棉机的左右两端设置传感器采集对行的传感器信号，通过对中央处理器中断控制步进电机的方向，实现对采棉机自动对行导航。
【专利说明】智能采棉机自动对行导航系统和方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种智能采棉机自动对行导航系统和方法，通过传感器对农作物边界进行探测，并将信息通过总线传送给负责信号分析处理的中央处理器。由中央处理器在执行期间发出命令，实现采棉机无人驾驶下的自动导航。

【背景技术】
[0002]我国是农业大国，农业机械装备自动化和智能化是实现我国现代农业耕作规模化的前提和根本，具有广阔的发展前景。虽然我国在农业装备机械化方面取得了显著成就，但在自动化、信息化和智能化方面还处在起步阶段。采棉机作为大型农业收割装备，长时间的机械操作会增加驾驶员的疲劳度，降低了收割效率，为了减轻驾驶员的工作负担，提高工作效率。实现采棉机的无人驾驶、自主导航前进技术成为了国内该领域技术的难关。针对自动对行传感器与执行技术展开研究，研发自动对行操作系统，建立自动纠编控制模型，可以使采棉机采摘头保持较准确的对准棉花垄，实现作业时自动对行的功能。同时通过切换作业与运输模式，可以在运输与地头转弯时采用人工驾驶，这样会更加灵活的完成自动对行与人工驾驶的切换功能。


【发明内容】

[0003]本发明的目的是针对于现有技术的不足，提出一种智能采棉机自动对行导航系统和方法，通过此系统可以为车载提供一种通过传感器信号自动进行车辆对行矫正位置的功能，减轻了采棉机操作人员的工作负担，大大提高棉花收割的效率，提高驾驶安全性。
[0004]为达上述目的，本发明的构思是:本发明以中央处理器作为控制核心，串口经过电平转换芯片连接至中央处理器、步进电机连接步进电机驱动器与中央处理器端口相连、CAN接口经过CAN收发器与中央处理器的端口相连、中央处理器同时接入传感器信号和模拟信号。
上述的智能采棉机自动对行系统中，模拟信号是将外部的输入电压信号先进行分压，然后将分压以后的信号输入给中央处理器，利用中央处理器自身的AD模块把模拟量转换成数字量。
[0005]上述的智能采棉机自动对行系统中，串口通过电平转换器连接电脑和中央处理器，电平转换器为MAX232，利用串口通信，可以将电脑上编译好的程序下载至中央处理器，也可以使用串口对硬件电路进行调试。
[0006]上述的智能采棉机自动对行系统中，所述中央处理器自身带有CAN控制模块，通过外接CAN收发器与电脑进行数据通信，主要是将中央处理器的采集信息发给电脑，再接收电脑的控制信息。
[0007]上述的智能采棉机自动对行系统中，使用中央处理器的PCA模块调制的PWM波对步进电机进行控制，通过改变PWM波的占空比和频率来调节步进电机的转速和角度；通过对中央处理器部中断采集到的传感器信号的判断来输出高低电平，控制步进电机的方向。
[0008]根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案:
一种智能采棉机自动对行导航系统，包括中央处理器、电平转换、RS232接口、步进电机驱动器、步进电机、CAN接口、CAN收发器、传感器信号和模拟信号，其特征在于:所述模拟信号、传感器信号与中央处理器相连传输数据信号；中央处理器与电平转换相连，电平转换与RS232接口相连接而与电脑进行程序下载；中央处理器与CAN收发器相连，CAN收发器与CAN接口相连接而与电脑进行数据通信；中央处理器与步进电机驱动器相连而驱动步进电机；所述中央处理器自身带有CAN控制模块，通过外接CAN收发器与电脑进行数据通信，主要是将中央处理器的采集信息发给电脑，再接收电脑的控制信息；所述中央处理器的PCA模块来调制的PWM波来控制步进电机，通过改变PWM波的占空比和频率来调节步进电机的转速和角度；中央处理器通过对外部中断采集到传感器信号进行判断，从而输出高低电平来控制步进电机的方向，在采棉机的左右两端设置传感器采集对行的传感器信号。
[0009]所述模拟信号输入是将外部输入电压信号先进行分压，然后将分压的信号输入至中央处理器，利用中央处理器自身的AD模块把模拟信号转换成数字信号。
[0010]电平转换器MAX232连接电脑和中央处理器，利用串口通信，将电脑上编译好的程序输入到中央处理器，也可使用串口对硬件进行调试。
[0011]各个部件都采用现有产品实现，具体采用器件型号如下:中央处理器采用爱特梅尔半导体公司生产的带CAN控制器的51单片机芯片来实现；CAN收发器是采用美国微芯科技公司生产的MCP2551芯片来实现；串口电平转换芯片是采用美国美信公司生产的MAX232芯片来实现；步进电机驱动器是采用中国研控公司生产的YKA3606A，步进电机也是该公司生产86mm步进电机。
[0012]一种智能彩棉机自动对行导航方法，采用此系统进行导航，其特征在于，具体操作步骤如下:
1)将电脑编译好的程序通过RS232下载到中央处理器；
2)将拨码开关拨到某一数值；
3)通过中央处理器PO端口读取其值，作为CAN通信的ID号；
4)模拟输入量通过中央处理器采集,再通过CAN总线发送到电脑；电脑通过CAN总线发出一个信号给中央处理器；
5)采棉机进入自动对行模式；
6)判断采棉机两端的传感器采集是否接触的信号；
7)如果左端传感器接触到信号，中央处理器的P2.5端口输出一个脉冲波使步进电机向左转动一定的角度，同时步进电机带动后轮液压转向轴线性地向左转动一定的角度，向左转完以后，中央处理器继续发送一个脉冲波使步进电机向右转动一定的角度，同时步进电机带动后轮液压转动轴线性地向右转动一定的角度，对采棉机进行位置归正，其中步进电机转动的速度以及转动的角度是由中央处理器发出的PWM波来调制的，步进电机的转动角度于速度和后轮液压转向轴成线性关系；如果右端传感器接触到信号，反之操作。
[0013]8)如果左右传感器都接触到信号，则中央处理器不采取任何措施，采棉机继续直线向前行驶，电脑通过CAN总线发送一个结束信号给中央处理器，是采棉机进入手动模式；重复循环上述进程。
[0014]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进I K
少:
I在采棉机领域实现作业的自动化和智能化，达到采棉机的无人驾驶。
[0015]2首次将数字化的控制模块运用在采棉机领域，填补了采棉机数字领域的空白。
[0016]3提高了棉花收割的效率和驾驶的安全性。
[0017]4硬件处理器采用单片机来实现实现成本低，算法相对简单，技术容易掌握。
[0018]5采棉机领域首次使用CAN通信，提高了数据通信控制的稳定性。

【专利附图】

【附图说明】
[0019]图1系统硬件结构图图2系统电气连接图
图3五行采棉机的侧面示意图图4五行采棉机的后方示意图图5五行采棉机的前面五行采棉头图6采棉机程序框图。

【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明:
实施例一:
参见图广图5，本智能采棉机自动对行导航系统，包括中央处理器(I)、电平转换(2)、RS232接口(3)、步进电机驱动器(4)、步进电机(5)、CAN接口(6)、CAN收发器(7)、传感器信号(8)和模拟信号(9)，其特征在于:所述模拟信号(9)、传感器信号(8)与中央处理器(I)相连传输数据信号；中央处理器(I)与电平转换(2)相连，电平转换(2)与RS232接口相连接而与电脑进行程序下载；中央处理器(I)与CAN收发器(7)相连，CAN收发器与CAN接口相连接而与电脑进行数据通信；中央处理器(I)与步进电机驱动器(4)相连而驱动步进电机(5 );所述中央处理器(I)自身带有CAN控制模块，通过外接CAN收发器(7 )与电脑进行数据通信，主要是将中央处理器(I)的采集信息发给电脑，再接收电脑的控制信息；所述中央处理器(I)的PCA模块来调制的PWM波来控制步进电机(5)，通过改变PWM波的占空比和频率来调节步进电机(5)的转速和角度；中央处理器(I)通过对外部中断采集到传感器信号(8)进行判断，从而输出高低电平来控制步进电机(5)的方向，在采棉机的左右两端设置传感器(11、12 )采集对行的传感器信号(8 )。
[0021]实施例二:本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下:
所述模拟信号(9)输入是将外部输入电压信号先进行分压，然后将分压的信号输入至中央处理器(1)，利用中央处理器(I)自身的AD模块把模拟信号转换成数字信号。电平转换器MAX232 (2)连接电脑和中央处理器(1)，利用串口通信，将电脑上编译好的程序输入到中央处理器(1)，也可使用串口对硬件进行调试。各个部件都采用现有产品实现，具体采用器件型号如下:中央处理器(I)采用爱特梅尔半导体公司生产的带CAN控制器的51单片机芯片来实现；CAN收发器(7)是采用美国微芯科技公司生产的MCP2551芯片来实现；串口电平转换芯片(2)是采用美国美信公司生产的MAX232芯片来实现；步进电机驱动器(4)是采用中国研控公司生产的YKA3606A，步进电机也是该公司生产86mm步进电机。
[0022]实施例三:参见图6，本智能采棉机自动对行导航方法，采用上述系统进行导航，其特征在于，具体操作步骤如下:
1)将电脑编译好的程序通过RS232下载到中央处理器(I)；
2)将拨码开关(10)拨到某一数值；
3)中央处理器(I)通过PO端口读取其值，作为CAN通信的ID号；
4)模拟输入量通过中央处理器(I)采集,再通过CAN总线发送到电脑；电脑通过CAN总线发出一个信号给中央处理器(I);
5)采棉机进入自动对行模式；
6)判断采棉机两端的传感器(11、12)采集是否接触的信号；
7)如果左端传感器(12)接触到信号，中央处理器(I)的P2.5端口输出一个脉冲波使步进电机(5)向左转动一定的角度，同时步进电机(5)带动后轮液压转向轴(15)线性地向左转动一定的角度，向左转完以后，中央处理器(I)继续发送一个脉冲波使步进电机(5)向右转动一定的角度，同时步进电机(5)带动后轮液压转动轴(15)线性地向右转动一定的角度，对采棉机进行位置归正，其中步进电机(5 )转动的速度以及转动的角度是由中央处理器
(I)发出的PWM波来调制的，步进电机(5)的转动角度于速度和后轮液压转向轴成线性关系；如果右端传感器接触到信号，反之操作。
[0023]8)如果左右传感器(11、12)都接触到信号，则中央处理器(I)不采取任何措施，采棉机继续直线向前行驶，电脑通过CAN总线发送一个结束信号给中央处理器(I)，是采棉机进入手动模式；重复循环上述进程。
[0024]实施例四:
图1为本实施例系统硬件结构图:所述模拟信号(9)输入是将外部输入电压信号先进行分压，然后将分压的信号输入至中央处理器(1)，利用中央处理器(I)自身的AD模块把模拟信号转换成数字信号。将电平转换器MAX232 (2)连接电脑和中央处理器(1)，利用串口通信，可以将电脑上编译好的程序输入到中央处理器(I )，也可以使用串口对硬件进行调试。所述中央处理器(I)自身带有CAN控制模块，通过外接CAN收发器(7)与电脑进行数据通信，主要是将中央处理器(I)的采集信息发给电脑，再接收电脑的控制信息。使用中央处理器(I)的PCA模块来调制的PWM波来控制步进电机(5)，通过改变PWM波的占空比和频率来调节步进电机(5 )的转速和角度；中央处理器(I)通过对外部中断采集到传感器信号(8 )进行判断，从而输出高低电平来控制步进电机(5)的方向。在采棉机的两端设置传感器采集对行的传感器信号(8)。上述各个部件都可以采用现有产品实现，具体采用器件型号如下:中央处理器(I)采用爱特梅尔半导体公司生产的带CAN控制器的51单片机AT89C51CC01芯片来实现；CAN收发器(7)是采用美国微芯科技公司生产的MCP2551芯片来实现；串口电平转换芯片(2)是采用美国美信公司生产的MAX232芯片来实现；步进电机驱动器(4)是采用中国研控公司生产的YKA3606A，步进电机也是该公司生产86mm步进电机。
[0025]图2为电气连接图，AT89C51CC01的PO八个端口 1，2，3，4，5，6，7，8外部拨码开关相连，通过对拨码开关输入的高低电平来判断CAN的ID号，使其能够与电脑进行通信。模拟输入电压9，10连接AT89C51CC01的ADO和ADl，模拟输入电压先经过分压滤波，再输入给中央处理器(I)，中央处理器(I)利用AD模块进行模数转换。外部传感器输入信号11，12连接处理器(I)的INTO和INTl，中央处理器(I)通过外部中断对PWM波和P2.5进行控制，两个接触传感器安装在采棉机左右两端，当左边传感器接触，中央处理器(I)就会发出信号，通过步进电机(5)使其向右转一定角度然后停下来，当右边传感器接触后，效果反之。外部晶振13，14连接AT89C51CC01的XTALl和XTAL2，给中央处理器(I)提供时钟信号。AT89C51CC01的PWM和P2.5连接步进电机驱动器15，17，步进电机驱动器连接步进电机(5)，中央处理器(I)可调节PWM的占空比和频率，输入步进电机驱动器(4)，从而改变步进电机(5)的转动角度和速度；AT89C51CC01的PWM2是用来输出大功率PWM波，备用。AT89C51CC01 的 RXD 和 TXD 连接 MAX232 的 18，19 ；MAX232 连接 RS232 接口。AT89C51CC01 的TXDC和RXDC连接MCP2551的20，21,MCP2551连接CAN接口，与PC机进行数据传输。VAREF连接22，输入AD转换的参考电压；AT89C51CC01的PSEN连接23，下载程序跳线；RST，GND,VCC分别连接24，25，0，为中央处理器⑴提供复位，地，电源信号。
[0026]图3为采棉机的侧向剖面图图。前面的五行采棉头(15)，其中的中间一对采棉头装有一对接触式传感器(11，12)，其信号发送给中央处理器(I);中间大轮子上面为采棉机驾驶室(14);驾驶室(14)背后是存储棉花的棉箱(13);背后小轮子连接着用来控制转向的液压转向轴(16)。
[0027]图4为采棉机的背部剖面图。图中标注棉箱(13)以及后轮液压转向轴(16)。
[0028]图5为采棉机的五行采棉头。图中示意五对采棉头，其中中间的第三对传感器装有左传感器(12)以及右传感器(11)。
[0029]图6为采棉机程序框图，其具体工作过程如下:
(I)将PSEN跳线冒上，置低电平。
[0030](2)将电脑编译好的程序通过RS232下载到中央处理器(I)。
[0031 ] (3)将拨码开关(10)拨到某一数值。
[0032](4)中央处理器⑴通过PO端口读取其值，作为CAN通信的ID号。
[0033](5)模拟输入量通过中央处理器(I)采集，再通过CAN总线发送到电脑；电脑通过CAN总线发出一个信号给中央处理器(I)。
[0034]( 6 )采棉机进入自动对行模式。
[0035](7)判断采棉机两端的传感器采集是否接触的信号。
[0036](8)如果左端传感器(12)接触到信号，中央处理器(I)就会通过P2.5端口输出一个脉冲波使步进电机(5)向左转动一定的角度，同时步进电机(5)带动后轮液压转向轴
(15)线性地向左转动一定的角度，向左转完以后，中央处理器(I)继续发送一个脉冲波使步进电机(5 )向右转动一定的角度，同时步进电机(5 )带动后轮液压转动轴(15 )线性地向右转动一定的角度，对采棉机进行位置归正(其中步进电机(5 )转动的速度以及转动的角度是由中央处理器(I)发出的PWM波来调制的，步进电机(5)的转动角度于速度和后轮液压转向轴成线性关系)；如果右端传感器接触到信号，反之操作。
[0037](9)如果左右传感器都接触到信号，则中央处理器(I)不采取任何措施，采棉机继续直线向前行驶。电脑通过CAN总线发送一个结束信号给中央处理器(I)，是采棉机进入手动模式。如再次接收启动信号，重复循环上述进程。
【权利要求】
1.一种智能采棉机自动对行导航系统，包括中央处理器(I)、电平转换(2)、RS232接口(3)、步进电机驱动器(4)、步进电机(5)、CAN接口(6)、CAN收发器(7)、传感器信号(8)和模拟信号(9)，其特征在于:所述模拟信号(9)、传感器信号(8)与中央处理器(I)相连传输数据信号；中央处理器(I)与电平转换(2)相连，电平转换(2)与RS232接口相连接而与电脑进行程序下载；中央处理器(I)与CAN收发器(7)相连，CAN收发器与CAN接口相连接而与电脑进行数据通信；中央处理器(I)与步进电机驱动器(4)相连而驱动步进电机(5);所述中央处理器(I)自身带有CAN控制模块，通过外接CAN收发器(7 )与电脑进行数据通信，主要是将中央处理器(I)的采集信息发给电脑，再接收电脑的控制信息；所述中央处理器(I)的PCA模块来调制的PWM波来控制步进电机(5 )，通过改变PWM波的占空比和频率来调节步进电机(5)的转速和角度；中央处理器(I)通过对外部中断采集到传感器信号(8)进行判断，从而输出高低电平来控制步进电机(5 )的方向，在采棉机的左右两端设置传感器(11、12)采集对行的传感器信号(8)。
2.根据权利要求1所述的智能采棉机自动对行系统，其特征在于:所述模拟信号(9)输入是将外部输入电压信号先进行分压，然后将分压的信号输入至中央处理器(1)，利用中央处理器(I)自身的AD模块把模拟信号转换成数字信号。
3.根据权利要求1所述的智能采棉机自动对行系统，其特征在于:电平转换器MAX232(2)连接电脑和中央处理器(1)，利用串口通信，将电脑上编译好的程序输入到中央处理器(I)，也可使用串口对硬件进行调试。
4.根据权利要求1所述的智能采棉机自动对行系统，其特征在于:各个部件都采用现有产品实现，具体采用器件型号如下:中央处理器(I)采用爱特梅尔半导体公司生产的带CAN控制器的51单片机芯片来实现；CAN收发器(7)是采用美国微芯科技公司生产的MCP2551芯片来实现；串口电平转换芯片(2)是采用美国美信公司生产的MAX232芯片来实现；步进电机驱动器(4)是采用中国研控公司生产的YKA3606A，步进电机也是该公司生产86mm步进电机。
5.一种智能彩棉机自动对行导航方法，采用权利要求1所述的自动对行导航系统进行导航，其特征在于，具体操作步骤如下: 1)将电脑编译好的程序通过RS232下载到中央处理器(I)； 2)将拨码开关(10)拨到某一数值； 3)通过中央处理器(I)的PO端口读取其值，作为CAN通信的ID号； 4)模拟输入量通过中央处理器(I)采集,再通过CAN总线发送到电脑；电脑通过CAN总线发出一个信号给中央处理器(I); 5)采棉机进入自动对行模式； 6)判断采棉机两端的传感器(11、12)采集是否接触到信号； 7)如果左端传感器(12)接触到信号，中央处理器(I)的P2.5端口输出一个脉冲波使步进电机(5)向左转动一定的角度，同时步进电机(5)带动后轮液压转向轴(15)线性地向左转动一定的角度，向左转完以后，中央处理器(I)继续发送一个脉冲波使步进电机(5)向右转动一定的角度，同时步进电机(5)带动后轮液压转动轴(15)线性地向右转动一定的角度，对采棉机进行位置归正，其中步进电机(5 )转动的速度以及转动的角度是由中央处理器(I)发出的PWM波来调制的，步进电机(5)的转动角度于速度和后轮液压转向轴成线性关系；如果右端传感器接触到信号，反之操作； 8)如果左右传感器(11、12)都接触到信号，则中央处理器(I)不采取任何措施，采棉机继续直线向前行驶，电脑通过CAN总线发送一个结束信号给中央处理器(I)，是采棉机进入手动模式；重复循环上述进程。
【文档编号】G05D1/02GK104238559SQ201410492429
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】李闯, 苗中华, 皱兆光, 胡晓东, 周广兴 申请人:上海大学