一种手扶式农机具智能导航系统及方法与流程

本发明属于水稻智能机械化生产技术领域，具体涉及一种手扶式农机具智能导航系统及方法。

背景技术：

南方双季稻区地貌以丘陵为主，田块较小，大型农业机械不但接地压力大，长期反复作业对水田土壤结构破坏极大，而且也不能很好地适应实际作业需求。手扶式农机具，尤其是耕作机具，以小型柴油机或汽油机为动力，具有重量轻，体积小，结构简单，操作灵活等特点，适宜在丘陵山地小面积田块作业，是该地区农民作业的最佳选择。但目前，这类机具主要通过人工操作，作业效率低，劳动强度大，作业过程中，在土壤反力的作用下会产生振动，长时间操作会使操作人员感到不适。

对手扶式农机具加装智能控制系统，使其能够在无人工参与或少量干预的情况下，在农田中实时感知外部环境，规划和跟踪行驶路径，自主行驶并进行作业，为广大农民带来了极大的便利，有效地提高了农民耕种的工作效率。

随着控制技术、人工智能技术、地理信息系统和gps定位技术的发展，如何实现手扶式农机具的高效自主作业，已然成为当前智能农机具发展的主要研究方向。手扶式农机具主要依靠变速箱主离合器的闭、合控制机具的行走、停止；依靠左右两个扶手的离合器控制转向，只要智能控制三个离合器的开闭就实现手扶式农机具的自动作业，机具在作业过程中速度慢、振动大，与其他机具相比较，智能控制装置的信号转换和控制频率具有明显差别。

技术实现要素：

本发明目的在于针对现有技术不足，提供一种适用于手扶式农机具作业的智能导航系统及方法，基于gps接收模块测定的田块顶点经纬度坐标(b，l)，对牛耕算法进行相应的改进，再利用改进牛耕算法实现全覆盖轨迹的自动规划，最终将生成的自动控制全覆盖轨迹输入手扶式农机具控制系统，实现农机具的智能化导航。

本发明的技术方案如下：

一种手扶式农机具智能导航系统，步骤如下：

a)基于gps接收模块测定四边形小田块abcd顶点经纬度坐标(b，l)，并输入控制系统，确定农机作业边界范围；

b)手扶农机具作业时拐弯操作较轮式农机具复杂，为减小路径规划难度，将小田块切割出最大四边形田块。

c)运用高斯投影坐标正算算法将四边形顶点的经纬度坐标(b，l)转换为高斯平面直角坐标(x，y)；

d)判断起点a相邻两边ab和ad的长度，计算长边与高斯平面直角坐标系x轴夹角α，运用二维四参数算法将四边形长边旋转至平行于高斯平面直角坐标系x轴；

e)输入轨迹间隔d，确保运行轨迹到边界距离为d；

f)运用改进的牛耕算法实现作业区域的轨迹全覆盖，并计算得到每一个转点的高斯平面直角坐标(x，y)；

g)运用高斯投影坐标反算算法，将四边形abcd顶点和每个转点的高斯平面直角坐标(x，y)转换为经纬度坐标(b，l)，模拟出对应四边形田块全覆盖作业轨迹；

h)将四边形田块全覆盖作业轨迹输出至手扶式农机具控制系统，手扶式农机具开始作业。

进一步的改进的牛耕算法具体为：由起点a向四边形内部行走一段距离，然后使行走轨迹保持与ab边(长边)平行，最后运用牛耕算法模拟出农机具全覆盖作业轨迹：

a)启动初始化部分

输入变量过程，主要包括四边形abcd的顶点坐标、作业起点a和轨迹间隔d。

b)高斯坐标正算

c)旋转角

判断ab和ad边长大小，如果ad>ab，则b点和d点互换位置，最后计算ab边于高斯平面直角坐标系的y轴夹角：

d)改进牛耕算法

首先，为了保证一定的安全距离，由起点a向四边形内部行走一段距离，然后使行走轨迹保持与ab边平行，最后运用牛耕算法模拟出运行轨迹，下面以其中一种情况为例：

为偶数，

则设，

路线坐标为：

第1条线：(x1,y1)至(x2,y2)

第2条线：至

第3条线：至

依次类推；

先到c4点，再到c3点，到c4点的线是第n+1条线，方向是沿x轴正向；到c3点的线是第n+m条线。

设i＝1……..n+1，

第1、3、5、……n+1条线,即奇数条路径为x轴正向：

从至

第2,4,6,……n偶数条路径为x轴反向：

从至

走到第n+1条线后，路线坐标进行调整，设j＝n+2,n+3,……,n+m第n+2后的偶数条线，x轴反向为：

至

第n+2后的奇数条线，x轴正向为：

至

e)高斯坐标反算

l＝l+l0

f)轨迹输出

将模拟出的作业轨迹输出给手扶式农机具控制系统。

进一步的手扶式农机具智能导航方法包括动力模块、遥控模块、控制模块和执行模块；

所述动力模块，包括控制系统电源和执行系统动力；

所述遥控模块包括gps接收模块、手持控制器或者电脑和手机、用于确定田块形状、大小、土壤形状、农机具初始位置和初始方向；

所述控制模块包括主控单片机，惯导和gps，电源及信号转换装置，用于确定控制频率、实时方向和实时位置，并规划作业区域智能全覆盖作业路径；

所述执行模块包括继电器、电磁阀、气泵、气力推杆和三路离合器，用于控制农机具前进、停止、左转和右转。

进一步的手持控制器发出信号，单片机接收信号输出pwm信号，信号转换器将pwm信号转换成开关信号来控制继电器，继电器控制电磁阀的开关，气泵产生高压气体经过电磁阀后推动气力推杆实现往复运动，实现手扶式农机具的三个离合器(主离合，左转向离合，右转向离合)的开闭。

进一步的所述单片机的型号是stm32f427。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)pwm是一种方波控制信号，用于控制电机转速，本控制方法通过加装了信号转换装置，将pwm频率信号转换为开关量信号，用于控制继电器，实现手扶式农机具的三个离合器(主离合，左转向离合，右转向离合)的开闭，以实现手扶式农机具的智能作业；

2)本系统根据手扶式农机具的作业特点，重新编译了控件参数，根据农机具速度和田块特点，自主设定信号控制频率，实现智能作业。

3)本系统根据农用机械的特点，运用几何原理，全新设计了四边型田块智能规划路径算法，尤其适用于丘陵地区小田块。

附图说明

图1为系统硬件结构示意图；

图2为系统原理示意图；

图3为控制程序流程图；

图4为四边形小田块abcd运用二维四参数算法将四边形长边旋转至平行于高斯坐标系x轴示意图；

控制器电路图包括图5a、5b、5c和5d四部分；

图6为单片机stm32控制电路图；

图7为接口及boot设置电路图；

图8为控制板p1及p2端口连接示意图；

图9为外部蓝牙接口示意图；

图10为无线模组电气连接图；

具体实施方式

为对本发明做进一步的理解，下面结合附图，对本发明做进一步详细说明：

结合附图3本发明提供一种手扶式农机具智能导航系统及方法，包括以下步骤：

a)基于gps接收模块测定四边形小田块abcd顶点经纬度坐标(b，l)，并输入控制系统，确定农机操作边界范围；

b)手扶农机具作业时拐弯操作较轮式农机具复杂，为减小路径规划难度，将田块分割成四边形。

c)运用高斯投影坐标正算算法将四边形顶点的经纬度坐标(b，l)转换为高斯平面直角坐标(x，y)；

d)判断起点a相邻两边ab和ad的长度，计算长边与高斯平面直角坐标系x轴夹角α，运用二维四参数算法将四边形长边旋转至平行于高斯平面直角坐标系x轴；

e)输入轨迹间隔d，确保运行轨迹到边界距离为d；

f)运用改进的牛耕算法实现作业区域的全覆盖轨迹规划，并计算得到每一个转点的高斯平面直角坐标(x，y)；

g)运用高斯投影坐标反算算法，将四边形abcd顶点和每个转点的高斯平面直角坐标(x，y)转换为经纬度坐标(b，l)，模拟出对应四边形田块全覆盖作业轨迹；

h)将四边形田块的全覆盖作业轨迹输出至控制系统，手扶式农机具开始作业。

进一步的改进的牛耕算法具体为：由起点a向四边形内部行走一段距离，然后使行走轨迹保持与ab边(长边)平行，最后运用牛耕算法模拟出农机具全覆盖运行轨迹：

a)启动初始化部分

输入变量过程，主要包括四边形abcd的顶点坐标、作业起点a和轨迹间隔d。

b)高斯坐标正算

c)旋转角

判断ab和ad边长大小，如果ad>ab，则b点和d点互换位置，最后计算ab边于高斯平面直角坐标系的y轴夹角：

d)改进牛耕算法

首先，为了保证一定的安全距离，由起点a向四边形内部行走一段距离，然后使行走轨迹保持与ab边平行，最后运用牛耕算法模拟出运行轨迹，下面以其中一种情况为例：

为偶数，

则设，

路线坐标为：

第1条线：(x1,y1)至(x2,y2)

第2条线：至

第3条线：至

……

先到c4点，再到c3点，到c4点的线是第n+1条线，方向是沿x轴正向；到c3点的线是第n+m条线。

设i＝1……..n+1，

第1、3、5、……n+1条线,即奇数条路径为x轴正向：

从至

第2,4,6,……n偶数条路径为x轴反向：

从至

走到第n+1条线后，路线坐标进行调整，设j＝n+2,n+3,……,n+m第n+2后的偶数条线，x轴反向为：

至

第n+2后的奇数条线，x轴正向为：

至

e)高斯坐标反算

l＝l+l0

f)轨迹输出

将模拟出的作业轨迹输出给手扶式农机具控制系统。

结合附图1，手扶式农机具智能导航方法包括动力模块、遥控模块、控制模块和执行模块，所述动力模块，包括控制系统电源和执行系统动力；所述遥控模块包括gps接收模块、手持控制器或者电脑和手机、用于确定田块形状、大小、手扶式农机具初始位置和初始方向；所述控制模块包括主控单片机，惯导和gps，电源及信号转换装置，用于确定控制频率、实时方向和实时位置，并规划作业区域智能全覆盖作业路径；所述执行模块包括继电器、电磁阀、气泵、气力推杆和三路离合器，用于控制农机具前进、停止、左转和右转。

结合附图2，手持控制器发生信号，单片机接收信号输出pwm信号，信号转换器将pwm信号转换成开关信号来控制继电器，继电器控制电磁阀的开关，气泵产生高压气体经过电磁阀后推动气力推杆实现往复运动，实现手扶式农机具的三个离合器(主离合，左转向离合，右转向离合)的开闭，所述单片机的型号是stm32f427。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。