基于gis的驾驶路线自动规划无人驾驶拖拉机
技术领域
1.本发明涉及无人驾驶拖拉机技术领域，具体为基于gis的驾驶路线自动规划无人驾驶拖拉机。
背景技术：
2.随着农业机械自动化及智能化水平不断提高，用户对农业机械的自动化程度提出了更高的要求而产生的无人驾驶拖拉机，用于在起垄、播种、植保等不同的田间作业过程中实现无人的拖拉机自动驾驶，从而保证理想的作业效果；
3.地理信息系统gis是一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统；
4.而现有的无人驾驶拖拉机，在自动作业时存在不能根据驾驶路线合理的对油量进行分析并进行油量补充，导致油量补充不便或无法完成作业的问题；
5.针对上述的技术缺陷，现提出一种解决方案。
技术实现要素：
6.本发明的目的就在于为了解决现有的无人驾驶拖拉机在自动作业时存在不能根据驾驶路线合理的对油量进行分析并进行油量补充，导致油量补充不便或无法完成作业的问题，而提出一种基于gis的驾驶路线自动规划无人驾驶拖拉机。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
8.基于gis的驾驶路线自动规划无人驾驶拖拉机，包括无人驾驶拖拉机本体及用于控制无人拖拉机本体工作的拖拉机控制系统，拖拉机控制系统包括数据通信模块和处理器，数据通信模块用于处理器与服务器通信连接并使其进行数据交换；其中，服务器内包括gis模块，gis模块用于操作人员输入待作业农田的地理数据并对地理数据进行分析生成待作业农田的地理模型，所述拖拉机控制系统还包括：
9.路径规划模块，用于通过处理器获取待作业农田的地理模型，根据地理模型生成无人驾驶路线；
10.驾驶控制模块，用于控制无人拖拉机本体执行无人驾驶路线对待作业农田进行作业；
11.数据采集模块，用于采集无人驾驶拖拉机本体的拖拉机数据并将其发送至数据分析模块；其中，拖拉机数据包括无人驾驶拖拉机的实时位置、油量信息、实时视频和驾驶路线；油量信息包括无人驾驶拖拉机本体作业初始时的油量以及作业中的实时剩余油量和行驶作业距离；
12.数据分析模块，将拖拉机数据通过处理器发送至服务器，同时对拖拉机数据进行分析；具体分析步骤为：
13.步骤一：将无人驾驶拖拉机本体作业初始时的油量标记为yl1；当无人驾驶拖拉机
本体行驶第一预设距离时，将此时剩余油量与初始时的油量进行差值计算得到第一消耗量，无人驾驶拖拉机本体行驶第二预设距离时，将此时的剩余油量与行驶第一预设距离时的剩余油量进行差值计算得到第二消耗量，依次类推，行驶多个预设距离后，将得到的所有消耗量进行差值计算得到消耗均值；
14.步骤二：通过无人驾驶路线和行驶作业距离计算得到剩余作业距离；将剩余作业距离除以预设距离后乘以消耗均值得到无人驾驶拖拉机本体的预估消耗油量并标记为yl2；设定提醒油量阈值yl3；
15.步骤三：当yl1
‑
yl2≤yl3时，生成信息获取指令并将其与无人驾驶拖拉机本体的实时位置通过处理器发送至服务器内，服务器接收到信息获取指令后，以无人驾驶拖拉机本体的实时位置为圆心，再以预设半径画圆得到筛选范围，将位置在筛选范围内的加油站对应的油站信息反馈至数据分析模块；
16.步骤四：数据分析模块接收到油站信息后并对油站信息进行分析，具体步骤为：
17.s41：将加油站的位置与无人驾驶拖拉机本体的位置进行距离差计算得到运送间距并标记为lg1；
18.s42：通过服务器获取加油站的油送值并标记为lg2；将加油站的剩余油量以及油价分别标记为lg3和lg4；
19.s43：将加油站的运送间距、油送值、剩余油量以及油价进行归一化处理并取其数值；利用公式得到加油站的油提值lk；其中，h1、h2、h3和h4均为预设比例系数，取值分别为0.7、1.4、1.6和0.87；λ为修正因子，取值为0.89；
20.s44：将油提值最大的加油站标记为选中油站；
21.步骤五：获取选中油站的油桶数据；设定无人驾驶拖拉机本体的油箱的额定容量为yl4；利用公式by＝yl4
‑
(yl1
‑
yl2)得到无人驾驶拖拉机本体的补充油量by；将容量大于补充油量的智能油桶标记为初选油桶；在初选油桶中选取一个智能油桶标记为选中油桶；
22.步骤六：数据分析模块将无人驾驶拖拉机本体的实时位置以及补充油量发送至选中油桶，同时将该时刻标记为发送时刻；通过选中油桶上的显示器进行显示并语音提醒；选中油站对应的工作人员向选中油桶内加入补充油量对应油号的油，然后工作人员根据无人驾驶拖拉机本体的实时位置将选中油桶送至无人驾驶拖拉机本体处，将该时刻标记为送达时刻，再将选中油桶内的油添加到无人驾驶拖拉机本体的油箱内，同时选中油站的运送总次数增加一次。
23.作为本发明的一种优选实施方式，所述服务器内包括注册登录模块，注册登录模块用于加油站的工作人员通过电脑终端提交油站信息进行注册并将注册成功的油站信息发送至服务器内存储，其中，油站信息包括加油站的位置和加油站内对应拖拉机用油号的剩余油量、油价以及加油站内对应智能油桶的油桶数据；油桶数据包括油桶的编号、容量以及实时位置。
24.作为本发明的一种优选实施方式，所述智能油桶内包括图片采集单元；图片采集单元用于在发送时刻与送达时刻时间范围内定时采集智能油桶内油的图片，将拍摄的所有图片组成图片组并将图片组发送至服务器内。
25.作为本发明的一种优选实施方式，所述智能油桶内包括图片采集单元；图片采集单元用于在发送时刻与送达时刻时间范围内定时采集智能油桶内油的图片，将拍摄的所有图片组成图片组并将图片组发送至服务器内。
26.作为本发明的一种优选实施方式，所述服务器内还包括油送分析模块；油送分析模块用于对图片组及发送时刻和送达时刻进行油送值进行分析，具体分析步骤为：
27.s1：对图片组中的图片进行分析，根据补充油量确定智能油桶内油的标线；识别图片中的油的实时线，计算实时线位于标线上方所围成的面积mj；
28.s2：将设定面积换算系数为kb；利用公式pz＝mj
×
kb得到偏振值pz；将图片组内所有的偏振值进行求和得到偏振总值；
29.s3：将选中油站所有的偏振总值进行求和并取均值得到偏振均值并标记为fp1；设定选中油站的运送总次数为fp2；
30.s4：将发送时刻与送达时刻进行时间差计算得到运送时长，获取运送间距对应的时长阈值，将时长阈值与运送时长进行比对，当时长阈值大于运送时长时，计算两者之间的时间差得到提前时长；将选中油站所有的提前时长进行求和得到提前总时长并标记为fp3；
31.s5：将选中油站的偏振均值、运送总次数和提前总时长进行归一化处理并取其数值；利用公式lg2＝fp2
×
b1+fp3
×
b2
‑
fp1
×
b3得到选中油站的油送值lg2；其中，b1、b2和b3为预设比例权重系数；取值分别为0.4、0.3、0.3。
32.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
33.1、本发明操作人员输入待作业农田的地理数据至gis模块，通过gis模块对地理数据进行分析生成待作业农田的地理模型，路径规划模块通过处理器获取待作业农田的地理模型根据地理模型生成无人驾驶路线；驾驶控制模块控制无人拖拉机本体执行无人驾驶路线对待作业农田进行作业；通过gis模自动生成无人驾驶拖拉机的作业路线，方便无人驾驶拖拉机更好的作业；
34.2、本发明数据分析模块对拖拉机数据进行分析得到选中油站，获取选中油站的油桶数据；数据分析模块将无人驾驶拖拉机本体的实时位置以及补充油量发送至选中油桶，同时将该时刻标记为发送时刻；通过选中油桶上的显示器进行显示并语音提醒；选中油站对应的工作人员向选中油桶内加入补充油量对应油号的油，然后工作人员根据无人驾驶拖拉机本体的实时位置将选中油桶送至无人驾驶拖拉机本体处，通过数据分析模块拖拉机数据进行分析，当无人拖拉机油量不足时，合理的选取对应的加油站及时为无人拖拉机作业，避免现有的无人拖拉机在作业时，油量不足无法完成作业。
附图说明
35.为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明；
36.图1为本发明的整体原理框图；
37.图2为本发明的图片分析示意图；
38.图3为本发明的智能油桶整体结构示意图；
39.图4为本发明的第一封口机构剖视图；
40.图5为本发明的移动板整体结构示意图；
41.图6为本发明的圆形通孔对齐示意图。
具体实施方式
42.下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
43.请参阅图1所示，基于gis的驾驶路线自动规划无人驾驶拖拉机，包括无人驾驶拖拉机本体及用于控制无人拖拉机本体工作的拖拉机控制系统，拖拉机控制系统包括数据通信模块、处理器、路径规划模块、驾驶控制模块、数据采集模块、数据分析模块；
44.数据通信模块用于处理器与服务器通信连接并使其进行数据交换；路径规划模块用于通过处理器获取待作业农田的地理模型，根据地理模型生成无人驾驶路线；驾驶控制模块用于控制无人拖拉机本体执行无人驾驶路线对待作业农田进行作业；
45.数据采集模块用于采集无人驾驶拖拉机本体的拖拉机数据并将其发送至数据分析模块；其中，拖拉机数据包括无人驾驶拖拉机的实时位置、油量信息、实时视频和驾驶路线；油量信息包括无人驾驶拖拉机本体作业初始时的油量以及作业中的实时剩余油量和行驶作业距离；
46.数据分析模块将拖拉机数据通过处理器发送至服务器，同时对拖拉机数据进行分析；具体分析步骤为：
47.步骤一：将无人驾驶拖拉机本体作业初始时的油量标记为yl1；当无人驾驶拖拉机本体行驶第一预设距离时，将此时剩余油量与初始时的油量进行差值计算得到第一消耗量，无人驾驶拖拉机本体行驶第二预设距离时，将此时的剩余油量与行驶第一预设距离时的剩余油量进行差值计算得到第二消耗量，依次类推，行驶多个预设距离后，将得到的所有消耗量进行差值计算得到消耗均值；
48.步骤二：通过无人驾驶路线和行驶作业距离计算得到剩余作业距离；将剩余作业距离除以预设距离后乘以消耗均值得到无人驾驶拖拉机本体的预估消耗油量并标记为yl2；设定提醒油量阈值yl3；
49.步骤三：当yl1
‑
yl2≤yl3时，生成信息获取指令并将其与无人驾驶拖拉机本体的实时位置通过处理器发送至服务器内，服务器接收到信息获取指令后，以无人驾驶拖拉机本体的实时位置为圆心，再以预设半径画圆得到筛选范围，将位置在筛选范围内的加油站对应的油站信息反馈至数据分析模块；
50.步骤四：数据分析模块接收到油站信息后并对油站信息进行分析，具体步骤为：
51.s41：将加油站的位置与无人驾驶拖拉机本体的位置进行距离差计算得到运送间距并标记为lg1；
52.s42：通过服务器获取加油站的油送值并标记为lg2；将加油站的剩余油量以及油价分别标记为lg3和lg4；
53.s43：将加油站的运送间距、油送值、剩余油量以及油价进行归一化处理并取其数值；利用公式得到加油站的油提值lk；其中，h1、h2、h3和h4均为预设比例系数，取值分别为0.7、1.4、1.6和0.87；λ为修正因子，取值为0.89；
54.s44：将油提值最大的加油站标记为选中油站；
55.步骤五：获取选中油站的油桶数据；设定无人驾驶拖拉机本体的油箱的额定容量为yl4；利用公式by＝yl4
‑
(yl1
‑
yl2)得到无人驾驶拖拉机本体的补充油量by；将容量大于补充油量的智能油桶标记为初选油桶；在初选油桶中选取一个智能油桶标记为选中油桶；
56.步骤六：数据分析模块将无人驾驶拖拉机本体的实时位置以及补充油量发送至选中油桶，同时将该时刻标记为发送时刻；通过选中油桶上的显示器进行显示并语音提醒；选中油站对应的工作人员向选中油桶内加入补充油量对应油号的油，然后工作人员根据无人驾驶拖拉机本体的实时位置将选中油桶送至无人驾驶拖拉机本体处，将该时刻标记为送达时刻，再将选中油桶内的油添加到无人驾驶拖拉机本体的油箱内，同时选中油站的运送总次数增加一次。
57.服务器内包括gis模块、注册登录模块和油送分析模块；
58.gis模块用于操作人员输入待作业农田的地理数据并对地理数据进行分析生成待作业农田的地理模型；具体过程参见，基于gis/gps拖拉机播种作业路径规划系统的设计与研究，石河子大学学报，第29卷第6期，2011年12月；
59.注册登录模块用于加油站的工作人员通过电脑终端提交油站信息进行注册并将注册成功的油站信息发送至服务器内存储，其中，油站信息包括加油站的位置和加油站内对应拖拉机用油号的剩余油量、油价以及加油站内对应智能油桶的油桶数据；油桶数据包括油桶的编号、容量以及实时位置；
60.请参阅图2所示，油送分析模块用于对图片组及发送时刻和送达时刻进行油送值进行分析，具体分析步骤为：
61.s1：对图片组中的图片进行分析，根据补充油量确定智能油桶内油的标线bx；识别图片中的油的实时线sx，计算实时线sx位于标线bx上方所围成的面积mj；当智能晃动时，实时线sx为油上端与智能油桶内空气的交界处形成的曲线或其它形状的线；标线bx为智能油桶在加入补充油量后静止时，油最上端油与智能油桶内空气之间交界处的线；
62.s2：将设定面积换算系数为kb；利用公式pz＝mj
×
kb得到偏振值pz；将图片组内所有的偏振值进行求和得到偏振总值；
63.s3：将选中油站所有的偏振总值进行求和并取均值得到偏振均值并标记为fp1；设定选中油站的运送总次数为fp2；
64.s4：将发送时刻与送达时刻进行时间差计算得到运送时长，获取运送间距对应的时长阈值，将时长阈值与运送时长进行比对，当时长阈值大于运送时长时，计算两者之间的时间差得到提前时长；将选中油站所有的提前时长进行求和得到提前总时长并标记为fp3；
65.s5：将选中油站的偏振均值、运送总次数和提前总时长进行归一化处理并取其数值；利用公式lg2＝fp2
×
b1+fp3
×
b2
‑
fp1
×
b3得到选中油站的油送值lg2；其中，b1、b2和b3为预设比例权重系数；取值分别为0.4、0.3、0.3；
66.请参阅图3
‑
6所示，智能油桶内包括油桶本体1，油桶本体1的上端面中部安装有把手一8，油桶本体1的一侧靠近底部安装有把手二5，油桶本体1的另一侧靠近底部安装有与油桶本体1内部贯通连接的出油管6，油桶本体1的上端面安装有进油管2，进油管2上安装有第一封口机构3，出油管6上安装有第二封口机构7，第一封口机构3和第二封口机构7均包括壳体301，壳体301的内部开设有滑板室302及位于滑板室302上方且与滑板室302贯通连接
的电机室303，电机室303的内部安装有电机304，电机304的输出轴上安装有齿轮305，齿轮305上一体成型有若干个齿牙306；滑板室302的内部滑动安装有移动板307，移动板307上开设有圆形通孔一308，移动板307的上端面等距开设有若干个与齿牙306配合使用的齿槽311；壳体301的上端面和底端面开设有圆形通孔二309和圆形通孔310，圆形通孔二309位于圆形通孔310的正上方，且圆形通孔二309和圆形通孔310的直径与圆形通孔一308的直径相同；通过电机304带动齿轮305转到，通过齿轮305上的齿牙306与移动板307上的齿槽311啮合连接，使得电机304带动移动板307在滑板室302内滑动，从而通过移动板307和圆形通孔一308对进油管2和出油管6进行打开或密封；
67.油桶本体1的侧壁上安装有控制盒4，控制盒4上安装有显示屏41、第一按钮区43、第二按钮区44和喇叭42；第一按钮区43用于控制第一封口机构3内电机304的通电及正、反转；第二按钮区44用于控制第二封口机构7内电机304的通电及正、反转；第一按钮区43和第二按钮区44上还设置有指纹识别单元，通过指纹识别单元对加油站的工作人员进行指纹采集并验证，验证成功后，方可打开或关闭进油管2和出油管6；
68.控制盒4的内部安装有接收单元、定位单元、图片采集单元和发送单元；
69.接收单元用于接收数据分析模块发送的无人驾驶拖拉机本体的实时位置以及补充油量并将其发送至显示屏41显示；
70.定位单元用于实时采集油桶本体1的实时位置并将其通过发送单元发送至服务器；
71.图片采集单元用于在发送时刻与送达时刻时间范围内定时采集智能油桶内油的图片；将拍摄的所有图片组成图片组并将图片组通过发送单元发送至服务器；
72.上述公式均是采集大量数据进行软件模拟得出且选取与真实值接近的一个公式，公式中的系数是由本领域技术人员根据实际情况进行设置；
73.本发明在使用时，操作人员输入待作业农田的地理数据至gis模块，通过gis模块对地理数据进行分析生成待作业农田的地理模型，路径规划模块通过处理器获取待作业农田的地理模型根据地理模型生成无人驾驶路线；驾驶控制模块控制无人拖拉机本体执行无人驾驶路线对待作业农田进行作业；通过gis模自动生成无人驾驶拖拉机的作业路线，方便无人驾驶拖拉机更好的作业；
74.数据分析模块对拖拉机数据进行分析，将无人驾驶拖拉机本体作业初始时的油量标记为yl1；当无人驾驶拖拉机本体行驶第一预设距离时，将此时剩余油量与初始时的油量进行差值计算得到第一消耗量，无人驾驶拖拉机本体行驶第二预设距离时，将此时的剩余油量与行驶第一预设距离时的剩余油量进行差值计算得到第二消耗量，依次类推，行驶多个预设距离后，将得到的所有消耗量进行差值计算得到消耗均值；通过无人驾驶路线和行驶作业距离计算得到剩余作业距离；将剩余作业距离除以预设距离后乘以消耗均值得到无人驾驶拖拉机本体的预估消耗油量并标记为yl2；设定提醒油量阈值yl3；当yl1
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yl2≤yl3时，生成信息获取指令并将其与无人驾驶拖拉机本体的实时位置通过处理器发送至服务器内，服务器接收到信息获取指令后，以无人驾驶拖拉机本体的实时位置为圆心，再以预设半径画圆得到筛选范围，将位置在筛选范围内的加油站对应的油站信息反馈至数据分析模块；数据分析模块接收到油站信息后并对油站信息进行分析并将油提值最大的加油站标记为选中油站；获取选中油站的油桶数据；数据分析模块将无人驾驶拖拉机本体的实时位置
以及补充油量发送至选中油桶，同时将该时刻标记为发送时刻；通过选中油桶上的显示器进行显示并语音提醒；选中油站对应的工作人员向选中油桶内加入补充油量对应油号的油，然后工作人员根据无人驾驶拖拉机本体的实时位置将选中油桶送至无人驾驶拖拉机本体处，将该时刻标记为送达时刻，再将选中油桶内的油添加到无人驾驶拖拉机本体的油箱内；通过数据分析模块拖拉机数据进行分析，当无人拖拉机油量不足时，合理的选取对应的加油站及时为无人拖拉机作业，避免现有的无人拖拉机在作业时，油量不足无法完成作业。
75.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。