專利名稱：無人駕駛聯合收割機的激光導航系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種無人駕駛聯合收割機的激光導航系統，通過激光測距原理來實現對農作物邊界的探測，并將信息通過總線傳送給負責信號分析處理的微控制器。由微控制器對執行器件發出指令，實現聯合收割機的無人駕駛下的自動導航。
背景技術：
我國是農業大國，農業機械裝備自動化和智能化是實現我國現代農業耕作規模化的前提和根本，具有廣闊的發展前景。雖然我國在農業裝備機械化方面取得了顯著成就，但在自動化、信息化和智能化方面還處在起步階段。自主導航的無人駕駛技術是農機裝備自動化和智能化建設的重要內容之一。如果農業機械無人駕駛可以實現的話，不僅可以解放勞動力，減輕勞動強度，而且可以大大提高農作物收割的效率，提高駕駛安全性等。無人駕駛聯合收割機的自動導航技術有全球定位系統導航、機器視覺導航、無線電導航、超聲波導航、激光導航和電纜導航等。我國福田雷沃重工在歐美自動導航技術的基礎上，結合國內農業生產的具體情況，采用三維技術優化設計，集全球衛星定位、GPS自動導航、電控液壓自動轉向、作業機具自動升降、油門開度自動調節和緊急遙控熄火等多項自動化功能于一體，能夠保證直線導航跟蹤精度小于5cm，自動對行精度小于10cm，轉向輪偏角控制精度小于I度，實現了拖拉機自動控制精密播種、施肥、起壟及灑藥等作業，大大提高了拖拉機作業的標準化。但是基于全球定位系統的自動導航收割機是通過接受四顆不同衛星信號以決定車輛的位置，由于一些環境的影響，如障礙物、遠離差分信號基站、多路徑干擾等，因此有時GPS即全球定位系統會出現無法達到自動導航要求的最小偏差。國外在該領域最新發展狀況是德國的CALSS公司提供的一種在收獲時沿作物邊沿行走的基于激光導航的聯合收割機，以及荷蘭的CNH Global公司開發的一種自動推進的料堆攤平機的導航系 統。以上都是基于激光導航技術，通過激光發射與接收來判斷并控制農業機械的前進方向，實現自動導航下的無人駕駛。我國的現有導航技術存在如下不足:
1.在小麥聯合收割領域，農機裝備的自動化和智能化程度低。2.基于GPRS組合導航的無人駕駛聯合收割機成本高，原理復雜，實現難度大。3.自動導航精度較低，抗干擾能力差，不能高效地自動尋找小麥邊界。

發明內容
本發明的目的在于提供一種無人駕駛聯合收割機的激光導航系統，來彌補我國在該領域的技術空白以及國外已使用的基于全球定位系統的自動導航技術的不足。為達到上述目的，本發明的構思是:
本發明主要構成是一個自動行進的聯合收割機，其上安裝有激光傳感器和角度傳感器、微處理器、GPRS模塊、自動轉向裝置。它通過激光傳感器對小麥邊界的探測，確定小麥的邊界位置，這個是通過激光傳感器和轉軸上的角度傳感器共同確定的。之后將邊界的位置信息通過總線傳送給為微處理器，微處理器經過分析計算發出指令，控制全液壓轉向器和電磁換向閥一同控制轉向油缸，實現進油量和左右油缸進油量多少的控制，從而實現車輪的左右轉角大小的控制。該調節調整過程是閉環控制，可以不斷地將車輪的角度情況反饋給微處理器，使聯合收割機的前進方向不斷調整，穩定性強。通過GPRS模塊將收割機的各種數據傳輸給遠程控制平臺，同理，遠程控制平臺也可以通過無線發射控制指令，實現雙向控制。相比基于GPS/GPRS技術的農機裝備自動導航系統，該發明實現的自動導航系統精度高，成本低，穩定性強。該基于激光導航技術的無人駕駛小麥收割的工作步驟主要是:
首先，激光傳感器工作，對小麥邊界進行橫向掃描。通過發射和接收信號，根據已收割小麥和未收割小麥距激光傳感器的距離不同，從而發射和接收信號的時間會有差別，最終可判斷出小麥的邊界信息，該邊界信息是一個角度值，表示小麥邊界和聯合收割機前進角度之間的夾角。 其次，由微處理器對角度傳感器傳輸過來的角度信息進行判斷分析，計算得到收割機車輪需要調整的角度和方向。最后，微處理器根據處理得到的調整角度和方向，對電液驅動的全液壓控制閥和電磁閥發出信號，控制左右油缸進油量，控制聯合收割機車輪的轉動角的大小，從而實現聯合收割機的自主導航。根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案:
一種無人駕駛聯合收割機的激光導航系統，包括激光傳感器和角度傳感器、微處理器、GPRS模塊和自動轉向裝置，其特征在于:所述激光傳感器安裝在聯合收割機的切割器的右側支架上，并通過總線與微處理器相連；所述角度傳感器安裝在支撐激光傳感器的支架上，測量其轉動的角度，它通過總線與微處理器相連；所述GPRS模塊直接和微處理器通過排線相連進行數據交換和通訊；所述自動轉向裝置包含電磁換向閥、全液壓轉向器、轉向油缸和車輪，所述電磁換向閥和全液壓轉向器通過總線和微處理器相連，另一端和轉向油缸相連；所述微處理器安裝在聯合收割機的駕駛艙內；所述激光傳感器探測出農作物邊界，并將邊界位置以角度傳感器輸出的角度信號發送給微處理器進行儲存和計算，向聯合收割機發出指令，控制全液壓轉向器中液體的流向和流量，最終達到控制聯合收割機左右前進的效果，從而實現自動導航；所述微處理器可以通過GPRS模塊和遠程控制終端實現通訊，保證了數據傳輸和指令控制的實時性。所述激光傳感器是采用DMETIX AG公司的激光測距傳感器DLS-B(H)，它可通過對小麥地的掃描確定已收割小麥和未收割小麥的邊界。所述微處理器是采用三星公司的ARM9系列微處理器S3C2440A，該微處理器接受各模塊發送過來的信號，進行計算分析后，對各個模塊發送控制指令。所述GPRS模塊是所述ARM9系列微處理器S3C2440A上自帶的一個常用的GPRS模塊，通過總線直接連接到微處理器接口，通過該模塊和遠程控制中心實現無線數據傳輸，便于對聯合收割機實現遠程控制。所述角度傳感器是采用瑞普REP絕對值編碼器JSP3806旋轉編碼器，用于測量傳送農作物的邊界信息，角度測量精度很高，使用串口通信。本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點:
1.在聯合收割領域實現作業的自動化和智能化，達到聯合收割機的無人駕駛。
2.通過改進了的基于激光導航技術的無人駕駛聯合收割機可以實現高效作業，減輕了勞動強度。3.相比于全球定位系統，該發明基于激光技術的無人駕駛聯合收割機實現成本低，算法相對簡單，技術容易掌握。4.該聯合收割機上安裝的是激光傳感器，通過激光測距原理和相關算法尋找小麥的邊界，抗干擾能力強，可以實現小麥邊沿的精確定位。5.對小麥的邊界定位精度可以達到5cm，轉向輪偏角控制精度小于I度，精度極聞。6.該發明中應用了 GPRS模塊，可以將微處理器獲得的信息隨時發送給遠程控制中心，同時該模塊也可接受遠程控制中心的控制信號，實現在線實時控制。


圖1基于激光導航技術的無人駕駛聯合收割機俯視圖 圖2無人駕駛的聯合收割 機的激光導航控制系統框圖
圖3激光測距的原理圖
圖4無人駕駛的聯合收割機的激光導航的原理圖 圖5無人駕駛聯合收割機的激光導航系統原理框圖
具體實施例方式 下面結合附圖對本發明的優選實施例作詳細說明:
實施例一:
參見圖1 圖5，本無人駕駛聯合收割機的激光導航系統，包括激光傳感器和角度傳感器、微處理器、GPRS模塊和自動轉向裝置，其特征在于:所述激光傳感器安裝在聯合收割機的切割器的右側支架上，并通過總線與微處理器相連；所述角度傳感器安裝在支撐激光傳感器的支架上，測量其轉動的角度，它通過總線與微處理器相連；所述GPRS模塊直接和微處理器通過排線相連進行數據交換和通訊；所述自動轉向裝置包含電磁換向閥、全液壓轉向器、轉向油缸和車輪，所述電磁換向閥和全液壓轉向器通過總線和微處理器相連，另一端和轉向油缸相連；所述微處理器安裝在聯合收割機的駕駛艙內；所述激光傳感器探測出農作物邊界，并將邊界位置以角度傳感器輸出的角度信號發送給微處理器進行儲存和計算，向聯合收割機發出指令，控制全液壓轉向器中液體的流向和流量，最終達到控制聯合收割機左右前進的效果，從而實現自動導航；所述微處理器可以通過GPRS模塊和遠程控制終端實現通訊，保證了數據傳輸和指令控制的實時性。實施例二:
本實施例與實施例一基本相同，特別之處如下:
所述激光傳感器是采用DMETIX AG公司的激光測距傳感器DLS-B (H)，它可通過對小麥地的掃描確定已收割小麥和未收割小麥的邊界。所述微處理器是采用三星公司的ARM9系列微處理器S3C2440A，該微處理器接受各模塊發送過來的信號，進行計算分析后，對各個模塊發送控制指令。所述GPRS模塊是所述ARM9系列微處理器S3C2440A上自帶的一個常用的GPRS模塊，通過總線直接連接到微處理器接口，通過該模塊和遠程控制中心實現無線數據傳輸，便于對聯合收割機實現遠程控制。所述角度傳感器是采用瑞普REP絕對值編碼器JSP3806旋轉編碼器，用于測量傳送農作物的邊界信息，角度測量精度很高，使用串口通信。實施例三:
本無人駕駛的聯合收割機的激光導航系統結構和工作原理如下:
如圖1所示，帶有微處理器5和自動轉向裝置7的小麥收割機I在麥田間收割小麥。小麥收割機I上安裝著切割器2，激光傳感器3通過支架安裝在切割器2的右端，使其收割時盡量靠近小麥的邊界，這樣可以保證激光傳感器3的掃描光線的中心軸是和小麥邊界8的方向是一致的，就可以使微處理器5在控制車輪的自動轉向的過程有很大的優勢，并且會簡化幾何關系。聯合收割機的后輪4用來驅動。基于激光導航技術的無人駕駛聯合收割機I是普通的聯合收割機，其行駛在小麥田里。本例中的激光傳感器3采用DMETIX AG公司的激光測距傳感器DLS-B (H)，它通過發射和接受信號10，來探測已收割和未收割農作物的邊界，通過兩者的高度不同，到激光傳感器的距離不同，得到輸出電壓高低的差異，當得到傳感器輸出電壓跳變時，我們便獲得農作物的邊界位置，該位置以中斷信號觸發微處理器記錄此時的角度值。該專利中使用的是三星公司的ARM9系列微處理器S3C2440A，其外圍電路豐富、引腳多。通過微處理器5對小麥邊界的判定，發出控制信號，控制車輪的轉動角度和轉動方向，進而控制電動全液壓轉向器7，控制轉向油缸兩側的進油量，進而控制車輪4的左右轉角。圖2是激光導航控制系統框圖，把激光傳感器安裝在聯合收割機的切割器的固定轉軸上，周期性地對農作物邊界進行掃描，將獲得的距離信息。本專利中應用的激光傳感器的輸出是電壓輸出，電壓和距離是成正比，即激光測得的距離越大，輸出的電壓越大。通過設計的控制算法將距離轉化為高低電平即電平。當掃描到未收割的農作物時，微處理器得到的是“O”電平，當掃描到已收割的農作物時，微處理器顯示的是“I”。微處理器對接收到的信號進行處理分析，探測出當下的農作物邊界，之后對步進電機發出相應指令，步進電機和電磁轉向閥共同對全液壓轉向器實現高精度的控制，進而可以控制轉向油缸，控制左右油箱進油量的多少，最終實現聯合收割機左右輪的轉向和行進速度。圖3是激光傳感器的 工作原理 圖，
I和匕是激光傳感器發射的光和遇到障礙物后返回的光線，圖中δ表示了激光從發射器出來到接收器的時間間隔。通過這個時間可以計算出障礙物到激光傳感器的距離。基于距離突變，判斷小麥的邊界，再通過電信號的形式傳送給微處理器進行處理。圖4是無人駕駛的聯合收割機的激光導航的原理圖，從圖中可以看到激光傳感器3安裝在切割器2的右側(同理，可以將其安裝在左側)，它發出的定位光束10對小麥邊界8的兩側(即已收割和未收割的區域)進行掃描。11是激光傳感器的轉軸，激光傳感器繞該軸對麥田橫向掃描。12是激光傳感器和水平面的夾角。在激光傳感器掃描過的區域可以看到
掃到小麥穗上的光線4和4的長度是一樣的，因而從發射到返回的時間4和％是一樣的，
但是當激光傳感器掃描到未收割的小麥時，掃描光線蜷就比禹和4短，即從發出到接受它
發射的時間％就比11和6短，可以通過時間的長短來確定小麥的邊界。當時間發生突變時，此時產生一個中斷信號，微處理器記錄下此 時的角度信息即小麥邊界的位置信息，最后發出控制指令控制執行機構進行相應的動作。圖5是無人駕駛的聯合收割機的激光導航系統的工作原理框圖，微處理器接收激光傳感器測得的小麥邊界信號a，通過計算獲得聯合收割機相應的調整角度，將信號b傳送給液壓控制閥，再通過液壓控制閥來控制車輪，實現聯合收割機的自動導航行進。在微處理器接收信號和發送命令的同時，將聯合收割機上的行進速度等相關參數通過總線傳輸給GPRS模塊，GPRS模塊再與控制中心進行雙向的數據傳輸，實現對聯合收割機的遠程實時地操控。值得提出的是通過安裝在切割器2上的定位裝置的定位信號10，可以探測出小麥邊界的位置，從而可以獲得小麥邊界8和小麥收割機的縱軸9的角度，最終應用到自動轉向的控制中。這樣可以使小麥收割機的縱軸9和小麥邊界8保持平行。最終處理器3可以有效地控制上述提到的轉角，最理想的情況是使轉角為O度，即不用調整小麥收割機I的輪子的轉角，直接沿著直線行進。既減少了操作的復雜度，又有效地提高了小麥的收割的速度。另外，可以將傳感器3測得的小麥邊界8和聯合收割機的角度信息不斷地存儲到處理器3的內存中，進而通過處理器3來控制自動轉向系統即液壓控制閥，實現小麥收割機I的自動導航。值得注意的是掃描得到的小麥邊界線的平均值是在一個特定時間段內得到的掃描數據的滑動平均值，根據這個滑動平均`值可以提高對小麥邊界探測的可靠性。
權利要求
1.一種無人駕駛聯合收割機的激光導航系統，包括激光傳感器(3)和角度傳感器(6)、微處理器(5)、GPRS模塊和自動轉向裝置(7)，其特征在于:所述激光傳感器(3)安裝在聯合收割機(I)的切割器(2)的右側支架上，并通過總線與微處理器(5)相連；所述角度傳感器(6)安裝在支撐激光傳感器(3)的支架上，測量其轉動的角度，它通過總線與微處理器(5)相連；所述GPRS模塊直接和微處理器(5)通過總線相連進行數據交換和通訊；所述自動轉向裝置(7)包含電磁換向閥、全液壓轉向器、轉向油缸和車輪(4)，所述電磁換向閥和全液壓轉向器通過總線和微處理器(5)相連，另一端和轉向油缸相連；所述微處理器(5)安裝在聯合收割機(I)的駕駛艙內；所述激光傳感器(3)探測出農作物邊界(8)，并將邊界位置以角度傳感器(6)輸出的角度信號發送給微處理器(5)進行儲存和計算，向聯合收割機(I)發出指令，控制全液壓轉向器中液體的流向和流量，最終達到控制聯合收割機左右前進的效果，從而實現自動導航；所述微處理器(5)可以通過GPRS模塊和遠程控制終端實現通訊，保證了數據傳輸和指令控制的實時性。
2.根據權利要求1所述的無人駕駛聯合收割機的激光導航系統，其特征在于:所述激光傳感器(3)是采用DMETIX AG公司的激光測距傳感器DLS-B (H)，它可通過對小麥地的掃描確定已收割小麥和未收割小麥的邊界。
3.根據權利要求1所述的無人駕駛聯合收割機的激光導航系統，其特征在于:所述微處理器(5 )是采用三星公司的ARM9系列微處理器S3C2440A，該微處理器接受各模塊發送過來的信號，進行計算分析后，對各個模塊發送控制指令。
4.根據權利要求3所述的無人駕駛聯合收割機的激光導航系統，其特征在于:所述GPRS模塊是所述ARM9系列微處理器S3C2440A上自帶的一個常用的GPRS模塊，通過總線直接連接到微處理器接口，通過該模塊和遠程控制中心實現無線數據傳輸，便于對聯合收割機實現遠程控制。
5.根據權利要求1所 述的無人駕駛聯合收割機的激光導航系統，其特征在于:所述角度傳感器(6)是采用瑞普REP絕對值編碼器JSP3806旋轉編碼器，用于測量傳送農作物的邊界信息，角度測量精度很高，使用串口通信。
全文摘要
本發明涉及一種無人駕駛的聯合收割機的激光導航系統。它包括激光傳感器和角度傳感器、微處理器、GPRS模塊和自動轉向裝置，激光傳感器安裝在聯合收割機的切割器的右側支架上，并通過總線與微處理器相連；角度傳感器安裝在支撐激光傳感器的支架上，測量其轉動的角度，它通過總線與微處理器相連；GPRS模塊直接和微處理器通過總線相連進行數據交換和通訊；自動轉向裝置包含電磁換向閥、全液壓轉向器、轉向油缸和車輪，電磁換向閥和全液壓轉向器通過總線和微處理器相連，另一端和轉向油缸相連；微處理器安裝在聯合收割機的駕駛艙內。本發明實現了農作物收割領域的自動化、智能化和精細化，減輕勞動強度，提高農作物收割的效率、操作精度和駕駛安全性。
文檔編號A01D41/12GK103155758SQ20131007714
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月12日 優先權日2013年3月12日
發明者苗中華, 胡曉東, 周廣興, 李闖 申請人:上海大學