一种基于智能手机的农机协同作业方法与流程

本发明属于农业应用技术领域，特别涉及一种基于智能手机的农机协同作业方法；具体说是一种基于智能手机的多农机多工序协同作业方法。

背景技术：

近年来，我国自动驾驶农机装备发展迅速，自动驾驶装备减少了农机作业对驾驶员熟练度的要求，提高了作业效率，降低了农机作业劳动力成本。一块农田里有多道工序、多台农机集中作业时，如何对这些农机进行管理、调度成为了突出问题。

现有的智能农机系统基本以单机系统为主，多台农机多个工序作业情况主要还是依靠人来管理。多台农机多道工序同时工作时各个农机驾驶员只知道自己的作业情况，不了解相邻工序或同工序其他农机的作业情况，在田间农机数量、作业工序比较多的情况下很容易造成管理调度的混乱，影响作业效率。

基于智能手机进行农机协同作业的方法学术界已经有这方面的研究，使用的方案为修改农机智能装备软件设置，将智能装备位置数据发送到自己的服务器，手机从服务器获取农机位置数据更新作业界面。优点是农机智能装备位置数据经过差分处理，是厘米级的高精度农机位置数据，不需要再对数据进行其他处理。缺点是需要智能装备厂商修改设备软件设置，而一些合作社同时使用多个厂商的设备，各厂商之间信息不共享，所使用的技术和标准也不统一，合作社很难对这些智能农机进行统一管理，更增大了使用推广的难度。

随着芯片技术与定位算法的发展，智能手机定位精度越来越高，近年来小米、华为等国产手机厂商推出了双频gps智能手机，它的接收频段由原来单一的l1、e1变成了l1/l5、e1/e5两个频段，有效的消除了大气层等物理因素对手机定位精度影响的干扰，可以预见的是未来智能手机使用gnss双频接收芯片会是一个大趋势，智能手机的定位算法和定位精度会越来越好。使用智能手机对农机协同作业管理解决了合作社选用不同厂商的农机、智能装备作业的管理及作业数据共享的问题。在农业生产中多道工序同时作业时，可以通过手机了解到整体的作业情况，解决了目前驾驶员的单机系统问题，提高作业的效率、利于农机调度与管理；解决了特定工作场景下的手机精度优化的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于智能手机的农机协同作业方法，

所述基于智能手机的农机协同作业方法，包括步骤：

步骤1，首先，智能手机app及服务器输入现场的各农机协同作业信息:包括农田位置信息、基准线、作业幅宽和作业工序；

步骤2，使用双频gps智能手机，读取手机gnss(globalnavigationsatellitesystem，全球导航卫星系统)原始测量数据，根据农机在田间作业特点，剔除噪声数据点，即将gnss原始数据中地面航向角与基准线方向相差正负6度以上的数据点、信噪比小于30的点剔除掉；

步骤3，智能手机通过农机协同作业app采集现场gnss数据，并分析、计算农机所在条带位置，并在图形界面显示；某农机的作业条带状态变化时向服务器发送信息，从服务器获取其他农机作业情况并更新自己的作业区域；

所述服务器端程序用go语言开发，可以更好的解决多并发访问的问题，服务器数据库存储合作社田块信息、农机信息、机手人员信息；农机作业时实时存储农机作业状态信息，同时可以将当前农机作业的前一道工序及同工序的不同农机的作业状态发送给当前农机，用于当前农机作业区域的更新；

步骤4，对手机精度进行优化，按照步骤2剔除噪声数据，然后用5个相邻数据点求平均作为一个有效数据点，优化后农机界面更新的数据平均延迟2～2.1秒，作业时手机精度可以达到正负1m；目前常用农机挂载机具幅宽大多在3m以上，双频手机处理后的精度可以满足作业要求。

步骤5，实现近似实时地规划农机作业区域，计算农机所在作业条带，条带作业状态分为：不可作业、待作业、已作业三种情况，即用停止符表示不可作业区域、五角星表示已作业区域，菱形表示可作业但还未作业区域；农机作业条带状态改变后实时将信息发送给服务器数据库存储，同时手机本地数据库也会备份，后续工序的农机可以通过请求服务器数据更新自己的作业区域；条带更新延迟平均在2～2.1秒

所述步骤4具体操作是统计分析手机未做处理原始数据精度在正负3.5米，剔除噪声处理后数据求相邻3点平均值作为当前时间位置数据精度，能够提高到正负1.7米；求相邻5点平均值精度能够达到正负1米；二者比较，得出相邻5点求平均数据相对于相邻3点求平均轨迹线更为平滑，且消除奇异点效果更好。

所述手机端app界面更新主要为当前农机作业条带状态更新，即已作业、未作业和可作业区域的更新，可作业区域的更新需要知道当前工序的上一工序的作业情况，可以通过访问服务器获得；数据库中包括合作社的农田信息表、农机信息表、用户信息管理表；农机作业的作业信息表、条带更新表；其中，农田信息表记录合作社拥有的农田信息，主要为各块农田的地理信息，以多边形的各个点坐标的形式存储在农田信息表中；用户信息管理表记录合作社管理人员、农机手的信息，包括app登陆用的用户名、密码、机手的姓名和联系方式；农机信息表记录农机类型、农机编号及农机挂载的机具信息；作业信息表记录utm坐标、地面速度、采集时间、地面航向、所在条带数、所选的工序数、农机编号、机手姓名所有的作业数据；条带更新表记录工序编号、作业条带的编号，数据采集的时间；每一道工序都有一张条带更新表，后一道工序向服务器请求数据时，也是通过此表来获取前一道工序完成的条带信息。

所述开始作业之后，手机端app会按照1hz的采样频率实时获取手机的gnss数据信息，经过上述步骤2的数据去噪及相邻5点平均之后，有效点utm坐标、地面速度、采集时间、地面航向、所在条带数、所选的工序数、农机编号会被发送到服务器存储在数据库中，同时这些数据也会存储在手机的本地sqlite数据库的一张临时表上边，通过这张表可以知道作业完成的区域以及轨迹，方便用户查询及界面更新，作业完成后删除临时表。

本发明的有益效果是本发明操作原理简单，容易理解；可直接对机手的作业进行指导，尤其适用于工序多、农机多、地块面积大的情况。

附图说明

图1为手机定位精度相邻3点平均后误差图。

图2为手机定位精度五点平均误差图。

图3为手机位置数据判断农机所在条带示意图。

图4为手机app及服务器架构图。

图5为农机更新自身界面流程图。

图6为手机app主界面图

具体实施方式

本发明提供一种基于智能手机的农机协同作业方法，所述基于智能手机的农机协同作业方法，包括步骤：

步骤1，首先，智能手机app及服务器输入现场的各农机协同作业app信息；

步骤2，使用双频gps智能手机，读取手机gnss(globalnavigationsatellitesystem，全球导航卫星系统)原始测量数据，根据农机在田间作业特点，剔除噪声数据点，即将gnss原始数据中地面航向角与基准线方向相差正负5度以上的数据点、信噪比小于30的点剔除掉；

步骤3，智能手机通过农机协同作业app采集现场gnss数据，并分析、计算农机所在条带位置，并在图形界面显示；某农机的作业条带状态变化时向服务器发送信息，从服务器获取其他农机作业情况并更新自己的作业区域；

所述服务器端程序用go语言开发，可以更好的解决多并发访问的问题，服务器数据库存储合作社田块信息、农机信息、机手人员信息；农机作业时实时存储农机作业状态信息，同时可以将当前农机作业的前一道工序及同工序的不同农机的作业状态发送给当前农机，用于当前农机作业区域的更新；

步骤4，对手机精度进行优化，按照步骤2剔除噪声数据，然后用5个相邻数据点求平均作为一个有效数据点，优化后农机界面更新的数据平均延迟2～2.1秒，作业时手机精度可以达到正负1m；目前常用农机挂载机具幅宽大多在3m以上，双频手机处理后的精度可以满足作业要求。

步骤5，实现近似实时地规划农机作业区域，计算农机所在作业条带，条带作业状态分为：不可作业、待作业、已作业三种情况，在这里，用停止符表示不可作业区域、五角星表示已作业区域，菱形表示可作业但还未作业区域；农机作业条带状态改变后实时将信息发送给服务器数据库存储，同时手机本地数据库也会备份，后续工序的农机可以通过请求服务器数据更新自己的作业区域。

实施例

选用小米8双频智能手机，读取手机gnss数据中的$gpgga、$gprmc、$gpgsv等数据，包含手机的经度、纬度、地面航向及该条数据的信噪比等信息。由于田间作业的特殊性，农机有效作业路径(农机在田间条带内作业路径)为平行的往返运动，地面航向固定，往返相差180度；作业时速度较小且变化不大。根据这些特点我们将信噪比小的数据、航向不在要求范围内的数据剔除掉。对手机gnss数据的采样频率为1hz，对于剔除掉噪声数据之后的有效数据进行进一步处理，选择统计5秒的数据均值作为当前的数据，若农机发生掉头行为(通过地面航向进行判断)，5秒的时间窗口将会重新从第1秒累计。

表1采集的snr数据

由表1采集的snr数据所示，07∶43∶08(utc时间)采集的数据snr小于30，说明此条数据噪声较大，将此条数据舍去，其中农机运动方向为271.5度或91.5度；07∶43∶10采集的数据角度与农机运动的中心角度偏差大于6度，舍去该数据，保留下的相邻的5条数据经纬度求平均值作为07∶43∶14时间的位置数据，表1中相邻5点的有效数据为116°21.2827278′，40°0.1560936′。手机位置更新会有2s以上的延迟，农机作业速度较慢，此延迟对农机作业的效率的影响可以接受。在农机大田作业的特定环境下，该方法一定程度上可以在双频手机的基础上更进一步的提升定位精度。

如图1所示相邻3点平均后误差图，图中虚线为华测中绘i90采集的直线数据，实线为手机检测轨迹；虚线为华测中绘i90检测轨迹，图2所示相邻5点平均后误差图；实线为手机检测轨迹虚线为华测中绘i90检测轨迹；统计分析手机未做处理原始数据精度在正负3.5米，剔除噪声处理后数据求相邻3点平均值作为当前时间位置数据精度可以提高到正负1.7米，求相邻5点平均值精度可以达到正负1米。由图中可以看出，相邻5点求平均数据相对于相邻3点求平均轨迹线更为平滑且消除奇异点效果更好；

本实施例选择图2所示的求5点平均数据；从手机直接获取的位置点信息经纬度是wgs-84格式，单位为度分，为了方便距离数值计算，将单位为度分的经纬度(l，b)坐标转换为utm坐标(x，y)，单位为米，转换公式如下：

x＝ax0(3)

y＝ax0+500000(4)

公式(1)中的x为从赤道开始到任意纬度b的平行圈之间的弧长，p″为1弧度的秒值206264.806，l″为精度与中央子午线精度差的秒值3600*(l-l0)，公式(3)(4)中的a值为0.9996。

a为地球长半轴长度6378245。

t＝tanb(6)

η²＝e²cos²b(7)

得到的utm坐标可以直接进行数值计算。

图3所示为手机位置数据判断农机所在条带示意图，农田的条带是根据农田边界信息、作业幅宽、作业工序、ab线来计算生成的，ab线是人工设定的农田基准线，条带会平行于基准线生成。以a点utm坐标为坐标原点，ab线方向坐标系y轴正方向，过a点且于ab线垂直的线为x轴，根据右手法则，建立平面直角坐标系，其他点与a点的坐标差值为该点坐标。用当前点信息，计算出各个条带的中心线方程x＝d/2+d*(i-1),其中d为作业幅宽，i为条带编号，x为当前点与坐标原点的横坐标之差。x值可以通过utm坐标获得，带入公示可得到i值，则认为该点落在条带i内，就认为农机工作在条带i之内；l1、l2、l3、l4为条带名称。

图4所示为手机app及服务器设计架构图，把手机端app的工作分为图示的三个步骤。作业准备阶段，需要手动选择或者输入作业工序、作业幅宽、ab线，地块信息要通过访问服务器数据库获取，手动输入的ab线也会传到服务器记录在数据库中。

开始作业之后，农机协同作业app会按照1hz的采样频率实时获取手机的gnss数据信息，经过上述的数据去噪及相邻5点平均之后，有效点utm坐标、地面速度、采集时间、地面航向、所在条带数、所选的工序数、农机编号会被发送到服务器存储在数据库中，同时这些数据也会存储在手机的本地sqlite数据库的一张临时表上边，通过这张表可以知道作业完成的区域以及轨迹，方便用户查询及界面更新，作业完成后删除临时表。

手机端app界面更新主要为当前农机作业条带状态更新(已作业、未作业)和可作业区域的更新，条带状态更新所需的信息可以通过上一个步骤提供，有了当前的坐标就可以判断农机所在的条带；可作业区域的更新需要知道当前工序的上一工序的作业情况，可以通过访问服务器获得。更新的条件设定为每隔1秒或者手机坐标移动2米。

服务器端数据库我们选择开源关系型数据库postgresql；开发语言用go语言，处理客户端与服务器端数据库的交互。

数据库中包括合作社的农田信息表、农机信息表、用户信息管理表；农机作业的作业信息表、条带更新表。

农田信息表记录合作社拥有的农田信息，主要为各块农田的地理信息，以多边形的各个点坐标的形式存储在农田信息表中；用户信息管理表记录合作社管理人员、农机手的信息，包括app登陆用的用户名、密码、姓名、联系方式等；农机信息表记录农机类型、农机编号、农机挂载的机具等信息；作业信息表记录utm坐标、地面速度、采集时间、地面航向、所在条带数、所选的工序数、农机编号、机手姓名所有的作业数据；条带更新表记录工序编号、作业条带的编号，数据采集的时间。

每一道工序都有一张条带更新表，后一道工序向服务器请求数据时，也是通过此表来获取前一道工序完成的条带信息。

图5为农机更新作业界面的流程图，app读取手机gnss数据，若此条数据为噪声数据，则舍去该条数据，重新采集，若是有效数据需要对该点进行处理，以前面介绍的相邻5点数据求平均方法进行计算。

我们将条带分为不可作业、未作业、已作业几种状态，分别用不同的颜色来表示，若同一工序有多台农机工作，根据从服务器获取的数据信息，将此工序可作业区域平分给各台农机；若此条工序前还有其他工序，从服务器端获取当前工序前一工序的作业情况，然后根据作业幅宽来更新自己的可作业区域。

根据从手机获取的有效gnss数据作为农机的位置坐标点判断农机所在的条带，当农机作业完一条条带进入下一条条带之后本条条带被标为已作业，同时向服务器发送作业信息更新数据库的条带更新表，下一道工序可以获取该信息更新可作业区域。

图6为手机app主界面图，app使用时需要农机驾驶员输入用户名、密码来登陆账号，登陆成功之后进入主界面。

在作业前需要选择所要工作的农田名称、作业的工序，手动输入作业幅宽，ab线可以手动输入(以a点、b点wgs-84坐标形式表示，经纬度用逗号隔开)，也可以点击同步按钮从服务器下载本块农田最近的一次作业的ab线信息。输入完准备作业所需信息，点击开始按钮就会生成作业界面。

实施例选择犁地、耙地两个作业工序，犁地工作幅宽为5米，耙地工作幅宽为8米，每道工序一辆农机。耙地需要工作在犁地工序之后，图6为耙地工序的工作界面图，深绿色区域为耙地的已工作区域，淡绿色为犁地工序作业完成的区域，灰色区域为犁地工序还未完成的区域。

本界面理解简单，可直接对机手的作业进行指导，尤其适用于工序多、农机多、地块面积大的情况。