基于北斗导航的农业机械自动驾驶控制系统及方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种自动驾驶控制系统及方法，特别涉及一种农业机械自动驾驶控制 系统及方法。
【背景技术】
[0002] 农业是国家基础，关系着国家政治、经济的稳定性，随着我国农业化的发展，会由 分散型农业生产方式逐渐向集中型农业转变。农业的机械化是衡量一个国家农业发展的重 要指标，伴随着三农政策的不断推进，对农业机械化提出了迫切的要求。
[0003] 农业机械具有人工无法比拟的劳动效率，不仅降低了劳动强度，而且还可解放很 大一部分劳动力，进而从事其他行业，因此发展农业机械利国利民。农业机械主要用于完成 土地的耕耘、播种、收割等作业，现有的农业机械绝大部分均为人工驾驶，对于大面积的田 地来说，驾驶人员需要长时间的驾驶作业，十分容易疲劳。而且，最为重要的是，农业机械的 使用均是阶段性的，只有在耕耘、播种、收割的时间段才需要，这样，在外工作或从事其他行 业的驾驶员，不得不在农忙季节返乡，或者是大型土地承包者不等不在农忙时节雇佣大量 的驾驶人员，进行农活作业，这无疑会带来加大的人员使用成本。
[0004]随着卫星定位技术(如我国的北斗卫星系统）、通信技术、计算机技术以自动控制 技术的成熟，根据接收的卫星信号可准确确定出车辆的位置信息，通过对车辆当前状态的 检测和分析，制定出合理的自动驾驶方案，而且具有自主规避障碍物的功能;现有技术中， 车辆遇到障碍物时，农机会根据周围环境做出决策是否启动自主换道模式，进入自主换道 模式后，车辆会自主换道，这种技术也可用于农业机械中，但是农业机械的作业情况与普通 车辆不一样，需要考虑如何在自主避开障碍物的同时保证农机耕作时的耕作质量，现有技 术无法满足农业机械自动驾驶的条件。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足之处，提 供一种基于北斗导航的农业机械自动驾驶控制系统及方法，此系统保证农机在规避障碍物 的同时减少农机的漏耕情况，提高农机的耕作质量。
[0006] 本发明的目的是这样实现的：基于北斗导航的农业机械自动驾驶控制系统，包括 差分基准站、自动驾驶仪和视觉传感器，所述差分基准站包括测量天线一，测量天线一上连 接有测量接收机一，测量接收机一通过RS232接口连接有发射电台，所述自动驾驶仪包括车 载导航仪、车载显示控制器、电动方向盘控制器和导向轮转向角度传感器，所述车载导航仪 与车载显示控制器连接，所述电动方向盘控制器和导向轮转向角度传感器的输出口分别与 车载显示控制器连接，所述车载显示控制器包括图像处理模块，所述视觉传感器与图形处 理模块连接。
[0007] 本发明工作时，测量天线一接收BDS、GPS星座的导航信号，导航信号传输给测量接 收机一，测量接收机一对接收到的导航信号进行捕获跟踪和定位解算，并获得高精度的伪 距与载波相位观测数据，定位解算结果、伪距和载波相位观测数据通过RS232接口传送给发 射电台，发射电台将数据向外部广播，广播处的数据被接受电台接收，测量接收机二接收 BDS星座的导航信号，测量接收机二对接收到的导航信号进行捕获跟踪、定位解算，进行捕 获跟踪、定位解算，定位解算后与从基准站上传输过来的数据做融合解算，获取农机自身精 确位置速度信息，通过三轴姿态传感器获取农机自身的三向姿态信息，车载导航仪将农机 的位置速度信息发送给车载显示控制器，车载显示控制器将农机的位置与原来设定好的路 径作对比，车载显示控制器通过电动方向盘控制器控制电动方向盘的转向，电动方向盘的 转动带动导向轮的转动，通过导向轮转角传感器检测导向轮的转向角，导向轮转角传感器 将导向轮的转向角信号传输给车载显示控制器，车载显示控制器根据转向角信号继续通过 转向驱动控制器控制电动方向盘的转动，循环以上动作，直至农机位置与原先设定的路径 一致，电动方向盘和导向轮不再做调整动作，视觉传感器扫描农机前方和未耕作区是否存 在障碍物，并将信息传送至图像处理模块，图像处理模块处理视觉传感器发送过来的信息， 车载显示控制器做出决策指令;本发明使用基准站和车载导航仪获取农机精确的位置速度 信息，提高农机的定位精度，通过视觉传感器扫描出障碍物的边界线，图像处理模块根据障 碍物边界线拟合出农机转弯最优圆弧路径，减少漏耕，保证农机耕作质量，解决了本领域内 技术人员一直想解决的技术问题，可用于农业机械耕作时的控制工作中。
[0008] 为了进一步提高拟合遇到障碍物时的最优转弯路径的准确性，所述视觉传感器设 有两个，视觉传感器分别安装在农机最前端机架的左右两侧。为了进一步获得农机更精确 的位置速度信息，所述车载导航仪包括测量天线二、三轴姿态传感器和接收电台，测量天线 二上连接有测量接收机二，所述三轴姿态传感器和接收电台均通过RS232接口与测量接收 机二的输入口连接，测量接收机二的输出口与车载显示控制器连接。
[0009] 为了进一步提高方向盘的可控性，所述方向盘转向控制器包括电动方向盘、转向 控制驱动器和方向盘角度传感器，所述车载显示控制器与电动方向盘连接，电动方向盘与 方向盘角度传感器的输入口连接，方向盘角度传感器的输出口与转向控制驱动器连接。
[0010] 作为本发明的进一步改进，所述电动方向盘与导向轮相对连接，导向轮转角传感 器安装在导向轮上。
[0011] 基于北斗导航的农业机械自动驾驶控制方法，具体包括以下步骤： (1) 预先在车载显示控制器中存储有分散决策单元的知识源和中央决策单元的知识 源，中央决策单元的知识源存储分散决策单元的先验知识和经验，每个分散决策单元的局 部决策结果有一个优先级，中央决策单元根据多个分散决策结果做出最终决策； (2) 自动导航仪和基准站获取农机的位置坐标和速度信息，位置坐标和速度信息传输 给车载显示控制器； (3) 视觉传感器用来扫描拖拉机前方和拖拉机两侧是否有障碍物;若农机前方和侧面 均无障碍物时，农机按照原先设定的路径行进;若农机前方有障碍物、障碍物高度高于车轮 半径且侧面无障碍物时，农机先按照原先设定的路径行走，视觉传感器扫描出障碍物的边 界线，车载显示控制器中的图像处理模块用来拟合出沿着边界线转弯的最短圆弧路径，换 算出农机转角增量，农机到圆弧路径出发点时，农机进入转弯模式;若农机前方有障碍物、 障碍物高度低于车轮半径且侧面无障碍物时，农机先按照原先设定的路径行走;若农机前 方有障碍物、障碍物高度高于车轮半径且前方障碍物在未耕作方向的一边也存在障碍物， 障碍物间的距离大于车身最大宽度时，中央决策单元做出绕过障碍物的指令，视觉传感器 扫描出农机前方障碍物的边界线，车载显示控制器中的图像处理模块用来拟合出沿着边界 线转弯的圆弧路径，根据圆弧路径换算出农机转角变化量并发送至车载显示控制器，当障 碍物间的距离小于车身最大宽度时时，中央决策单元做出最终决策结果为停止，即系统断 电，农机停止作业。
[0012] 为了进一步提高耕作质量，步骤(3)中，车载显示控制器根据已存储的路径判别农 机已耕作区域和未耕作区域，在规避障碍物时，农机向未耕作区域方向转弯。
[0013] 为了进一步提高在规避障碍物时导向轮转角的可控性，建立规避障碍物运动学模 型：
假设农机2转弯时速度变化很小，看成