專利名稱：一種果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及果園機(jī)械導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自動導(dǎo)航技術(shù)是智能化果園作業(yè)裝備開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。GPS信號在果園中會受到果樹樹冠的阻擋，因此，以GPS為主要傳感器的導(dǎo)航系統(tǒng)在果園中應(yīng)用具有局限性。目前存在的果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)有機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)、電磁導(dǎo)航系統(tǒng)、視覺導(dǎo)航系統(tǒng)和超聲波導(dǎo)航系統(tǒng)等。機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)存在不能完全解放勞動力的缺點；電磁導(dǎo)航系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)和位置計算復(fù)雜，改造和維護(hù)困難的缺點；由于果園環(huán)境復(fù)雜，呈現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化的特點，同時果園中存在多種隨機(jī)噪聲信號，因此，視覺導(dǎo)航系統(tǒng)和超聲波導(dǎo)航系統(tǒng)都容易受到外界環(huán)境的干擾， 造成誤差較大。因此，研制一種新型的適合于果園特殊環(huán)境的導(dǎo)航系統(tǒng)對智能化果園作業(yè)裝備的開發(fā)具有重要意義。CAN總線技術(shù)作為一種有效支持實時分布式控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有高的可靠性和實時性，目前，CAN總線廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。由于計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)在導(dǎo)航中的普遍應(yīng)用，對傳感器、控制單元和處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸提出了新的要求， 同時考慮到導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)具有可擴(kuò)展性，使得將CAN總線引入果園機(jī)械導(dǎo)航具有重要意義。目前果園機(jī)械導(dǎo)航多采用工控機(jī)或個人計算機(jī)作為導(dǎo)航任務(wù)處理器，但其體積較大，且需要交流電源供電，給果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)的研究開發(fā)帶來不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點，提供一種體積小、可擴(kuò)展、 高精度、具有自適應(yīng)功能的果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)。本發(fā)明的一種果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)，由嵌入式計算機(jī)、二維激光掃描儀、速度檢測單元、角度檢測單元、GPS接收處理單元、轉(zhuǎn)向控制單元帶組成。所述嵌入式計算機(jī)作為上位機(jī)，角度檢測單元、速度檢測單元、GPS接收處理單元、 轉(zhuǎn)向控制單元之間均為下位機(jī)，上位機(jī)與下位機(jī)之間，下位機(jī)各單元之間均采用CAN總線進(jìn)行連接，形成分布式控制系統(tǒng)。果園機(jī)械本體在果樹行間行走時，激光掃描儀，角度檢測單元，速度檢測單元將檢測得到的信息傳送給嵌入式計算機(jī)；果園機(jī)械在果園地頭轉(zhuǎn)彎和道路運(yùn)輸時，GPS接收處理單元、角度檢測單元和速度檢測單元檢測得到的信息傳送給嵌入式計算機(jī)；嵌入式計算機(jī)運(yùn)行路徑規(guī)劃算法和導(dǎo)航控制算法后，將控制指令傳送給轉(zhuǎn)向控制單元，轉(zhuǎn)向控制單元控制果園機(jī)械本體轉(zhuǎn)向。所述角度檢測單元由角度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器1、CAN總線驅(qū)動器
1、電源轉(zhuǎn)換電路1組成。所述速度檢測單元由速度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器2、CAN總線收發(fā)器
2、電源轉(zhuǎn)換電路2組成。
所述GPS接收處理單由GPS傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器3、CAN總線驅(qū)動器3、電源轉(zhuǎn)換電路3組成。所述轉(zhuǎn)向控制單元由伺服電機(jī)驅(qū)動器、伺服電機(jī)、帶CAN通訊功能的微處理器4、 CAN總線收發(fā)器4、電源轉(zhuǎn)換電路4組成。所述GPS接收處理單元中，GPS傳感器通過RS232串口將果園機(jī)械位置信息傳送給微處理器3 ；轉(zhuǎn)向檢測單元中，微處理器4通過RS232串口向伺服電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送控制指令。所述二維激光掃描儀將掃描的果樹位置信息通過RS232串口傳送給嵌入式計算機(jī)。本發(fā)明與現(xiàn)有果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)相比具有如下優(yōu)點和效果
1)本發(fā)明采用CAN總線系統(tǒng)連接各檢測單元和控制單元，基于IS011783協(xié)議在總線上傳輸信息，形成分布式控制系統(tǒng)，可在總線上添加檢測和控制單元，為將來導(dǎo)航系統(tǒng)功能的擴(kuò)展提供了方便。2)本發(fā)明提出分段導(dǎo)航在果樹行間時，利用激光掃描儀獲取果樹位置信息，結(jié)合角度單元和速度單元提供的角度和速度信息，引導(dǎo)果園機(jī)械在果樹行間行走；當(dāng)果園機(jī)械在地頭轉(zhuǎn)彎和道路運(yùn)輸時，利用GPS接收處理單元獲取果園機(jī)械位置信息，結(jié)合角度和速度單元提供的角度和速度信息，引導(dǎo)果園機(jī)械在果樹行間行走，通過分段導(dǎo)航，有效利用導(dǎo)航系統(tǒng)中各傳感器的特點，使得果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)能有更高的精度和適應(yīng)性。3)本發(fā)明控制終端采用嵌入式計算機(jī)，具有直流供電、處理速度快、功耗小等特點，有效地降低了導(dǎo)航系統(tǒng)的體積和功耗，能夠促進(jìn)果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)的實際應(yīng)用。


圖1為果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖2為角度檢測單元電氣原理圖3為速度檢測單元電氣原理圖； 圖4為GPS接收處理單元電氣原理圖； 圖5為轉(zhuǎn)向控制單元電氣原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例，對本發(fā)明作更詳細(xì)地描述。一種果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)，由嵌入式計算機(jī)、二維激光掃描儀、速度檢測單元、角度檢測單元、GPS接收處理單元、轉(zhuǎn)向控制單元帶組成，見圖1。所述嵌入式計算機(jī)作為上位機(jī)，角度檢測單元、速度檢測單元、GPS接收處理單元、 轉(zhuǎn)向控制單元之間均為下位機(jī)，上位機(jī)與下位機(jī)之間，下位機(jī)各單元之間均采用CAN總線進(jìn)行連接，形成分布式控制系統(tǒng)；
果園機(jī)械本體在果樹行間行走時，激光掃描儀，角度檢測單元，速度檢測單元將檢測得到的信息傳送給嵌入式計算機(jī)；果園機(jī)械在果園地頭轉(zhuǎn)彎和道路運(yùn)輸時，GPS接收處理單元、角度檢測單元和速度檢測單元檢測得到的信息傳送給嵌入式計算機(jī)；嵌入式計算機(jī)運(yùn)行路徑規(guī)劃算法和導(dǎo)航控制算法后，將控制指令傳送給轉(zhuǎn)向控制單元，轉(zhuǎn)向控制單元控制果園機(jī)械本體轉(zhuǎn)向。所述角度檢測單元由角度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器1、CAN總線驅(qū)動器 1、電源轉(zhuǎn)換電路1組成。所述速度檢測單元由速度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器2、CAN總線收發(fā)器、 電源轉(zhuǎn)換電路2組成。所述GPS接收處理單由GPS傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器3、CAN總線驅(qū)動器3、電源轉(zhuǎn)換電路3組成。所述轉(zhuǎn)向控制單元由伺服電機(jī)驅(qū)動器、伺服電機(jī)、帶CAN通訊功能的微處理器4、 CAN總線收發(fā)器、電源轉(zhuǎn)換電路4組成。所述GPS接收處理單元中，GPS傳感器通過RS232串口將果園機(jī)械位置信息傳送給微處理器3 ；轉(zhuǎn)向檢測單元中，微處理器4通過RS232串口向伺服電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送控制指令。嵌入式計算機(jī)是整個系統(tǒng)的控制終端，作為上位機(jī)使用。激光掃描儀通過RS232 串口傳送掃描到的果樹位置信息給嵌入式計算機(jī)，角度、速度及GPS接收處理單元將檢測到的果園機(jī)械本體前輪轉(zhuǎn)角、速度及位置信息經(jīng)過處理后，以CAN數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到總線上供嵌入式計算機(jī)接收，嵌入式計算機(jī)運(yùn)行路徑規(guī)劃和導(dǎo)航控制算法后，將控制指令發(fā)送到總線上供轉(zhuǎn)向控制單元接收，轉(zhuǎn)向控制單元控制果園機(jī)械本體轉(zhuǎn)向。伺服電機(jī)驅(qū)動器由蓄電池12V供電，嵌入式計算機(jī)通過電源轉(zhuǎn)換電路5將12V蓄電池轉(zhuǎn)換為5V供電。如圖2所示，角度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器Ul、CAN總線收發(fā)器S1、5V 電源轉(zhuǎn)換電路1組成角度檢測單元，安裝在果園機(jī)械本體前輪附近，采集處理果園機(jī)械本體前輪轉(zhuǎn)角信息。將處理后的信息以CAN數(shù)據(jù)包的形式按照IS011783協(xié)議通過CAN總線收發(fā)器Sl發(fā)送到CAN總線上。角度檢測單元中，電源轉(zhuǎn)換電路1的穩(wěn)壓芯片Pl將12V電壓轉(zhuǎn)換成5V，P1的輸入端引腳ι與12V蓄電池的正極相連，1腳與地間聯(lián)接電容Cl，引腳2和3接地，Pl的輸出端 2腳經(jīng)過電感Ll與微處理器Ul的23腳VDD、CAN總線收發(fā)器Sl的1腳及角度傳感器的3 腳相連，提供5V電壓，電感Ll兩端與地之間分別連接發(fā)光二極管D2及電容C2。微處理器 Ul的20，、21腳分別接在晶振兩端，并通過電容C3、C4與地相連。微處理器Ul的引腳10與電容C5、C6及電阻Rl組成復(fù)位電路。Ul的1、22引腳都接地。Ul的4腳與角度傳感器的 2腳AD輸出端連接，將角度傳感器檢測到的果園機(jī)械本體前輪轉(zhuǎn)角模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，角度傳感器的引腳1接地。Ul的2、3引腳與CAN總線收發(fā)器Sl的4、3引腳相連，Sl的 6、7引腳連接到外部CAN總線電路上，將經(jīng)過Ul處理后的角度信息通過CAN總線收發(fā)器Sl 發(fā)送到CAN總線上，供嵌入式計算機(jī)接收。Sl的引腳2和8接地，引腳1和引腳2間并聯(lián)兩個電容C7、C8。Sl的6引腳與地間并聯(lián)兩個電容C9、C10。CANH和CANL之間有一個120 歐的電阻R5，通過外部的短接線可以選擇是否作為終端使用。如圖3所示，速度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器U2、CAN總線驅(qū)動器S2、5V 電源轉(zhuǎn)換電路2組成速度檢測單元，安裝在果園機(jī)械發(fā)動機(jī)飛輪附近，采集處理果園機(jī)械本體速度信息。微處理器將處理后的速度信息以CAN數(shù)據(jù)包的形式按照IS011783協(xié)議通過CAN總線收發(fā)器S2發(fā)送到CAN總線上。速度檢測單元中，電源轉(zhuǎn)換電路2的穩(wěn)壓芯片P2將12V電壓轉(zhuǎn)換成5V，P2的輸入端引腳1與12V蓄電池的正極相連，1腳與地間聯(lián)接電容C12，引腳2和3接地，P2的輸出端2腳經(jīng)過電感L2與微處理器U2的23引腳、CAN總線收發(fā)器S2的1引腳及速度傳感器的 1引腳相連，提供5V電壓，電感L2兩端與地之間分別連接發(fā)光二極管D4及電容C13。微處理器U2的20、21腳分別接在晶振兩端，并通過電容C14、C15與地相連。微處理器U2的引腳10與電容C16、C17及電阻R6組成復(fù)位電路。U2的1、22引腳都接地。U2的4腳與速度傳感器的3腳OUT端連接，接收速度傳感器檢測到的果園機(jī)械本體速度信息，速度傳感器的引腳2接地。U2的2、3引腳與CAN總線收發(fā)器S2的4、3引腳相連，S2的6、7引腳連接到外部CAN總線電路上，將經(jīng)過U2處理后的速度信息通過CAN總線收發(fā)器S2發(fā)送到CAN總線上，供嵌入式計算機(jī)接收。S2的引腳2和8接地，引腳1和引腳2間并聯(lián)兩個電容C18、 C19。Sl的6引腳與地間并聯(lián)兩個電容C20、C21。CANH和CANL之間有一個120歐的電阻 R10，通過外部的短接線可以選擇是否作為終端使用。如圖4所示，GPS傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器U3、CAN總線驅(qū)動器S3、RS232 串口芯片Ml及電源轉(zhuǎn)換電路3組成GPS接收處理單元，安裝在果園機(jī)械本體中部，當(dāng)果園機(jī)械本體在果園地頭轉(zhuǎn)彎及道路運(yùn)輸時，GPS接收處理單元可以穩(wěn)定的給上位機(jī)提供果園機(jī)械位置信息。GPS傳感器采集果園機(jī)械位置信息，通過擴(kuò)展的RS232接口向微處理器U3 傳遞果園機(jī)械位置信息，微處理器獲取果園機(jī)械的位置信息并進(jìn)行處理，將處理后的信息以CAN數(shù)據(jù)包的形式按照IS011783協(xié)議通過CAN總線收發(fā)器S3發(fā)送到CAN總線上。GPS接收處理單元中，電源轉(zhuǎn)換電路3的穩(wěn)壓芯片P3將12V電壓轉(zhuǎn)換成5V，P3的輸入端引腳1與12V蓄電池的正極相連，1腳與地間聯(lián)接電容C23，引腳2和3接地，P3的輸出端2腳經(jīng)過電感L3與微處理器U3的23腳、CAN總線收發(fā)器S3的1腳及GPS傳感器的4腳相連，提供5V電壓，電感L3兩端與地之間分別連接發(fā)光二極管D6及電容C24。微處理器U3的20，、21腳分別接在晶振兩端，并通過電容025、以6與地相連。微處理器U3的引腳10與電容C27、a8及電阻Rll組成復(fù)位電路。U3的1、22引腳都接地。GPS傳感器通過芯片Ml將果園機(jī)械位置信息傳遞給微處理器U3，U3的11、13引腳分別與芯片Ml的11、 12引腳相連，Ml的13,14引腳通過9針串口與GPS傳感器的2、3引腳相連。Ml的1，3引腳通過電容C34相連，4，5引腳通過電容C36相連，引腳2，16通過電容C35相連，并與穩(wěn)壓芯片P3的2腳連接，接收5V供電。Ml芯片15引腳接地，同時引腳15和引腳6通過電容 C37相連。U3的2、3引腳與CAN總線收發(fā)器S3的4、3引腳相連，S3的6、7引腳連接到外部CAN總線電路上，將經(jīng)過U3處理后的位置信息通過CAN總線傳遞給嵌入式計算機(jī)，S3的 6引腳與地間并聯(lián)兩個電容C29、C30。S3的引腳2和8接地，引腳1和引腳2間并聯(lián)兩個電容C31、C32。CANH和CANL之間有一個120歐的電阻R15，通過外部的短接線可以選擇是否作為終端使用。如圖5所示，伺服電機(jī)驅(qū)動器、伺服電機(jī)、帶CAN通訊功能的微處理器U4、CAN總線收發(fā)器S4、RS232串口芯片M2及電源轉(zhuǎn)換電路4組成轉(zhuǎn)向控制單元，安裝在果園機(jī)械本體的方向盤附近，上位機(jī)通過CAN總線將控制指令發(fā)送給微處理器U4，微處理器運(yùn)行前輪轉(zhuǎn)向控制算法后，將電機(jī)轉(zhuǎn)動指令通過RS232串口傳送給電機(jī)驅(qū)動器，伺服電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送信號驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動，控制果園機(jī)械的轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向控制單元中，電源轉(zhuǎn)換電路4的穩(wěn)壓芯片P4將12V電壓轉(zhuǎn)換成5V，P4的輸入端引腳1與12V蓄電池的正極相連，1腳與地間聯(lián)接電容C38，引腳2和3接地，P4的輸出端2腳經(jīng)過電感4與微處理器U4的23腳、CAN總線收發(fā)器S4的1腳相連提供5V電壓，電感L3兩端與地之間分別連接發(fā)光二極管D8及電容C39。微處理器U4的20，、21腳分別接在晶振兩端，并通過電容C40、C41與地相連。微處理器U4的引腳10與電容C42、C43及電阻R16組成復(fù)位電路。U4的1、22引腳都接地。U4的2、3引腳與CAN總線收發(fā)器S4的4、 3引腳相連，S4的6、7引腳連接到外部CAN總線電路上，接收來自嵌入式計算機(jī)的轉(zhuǎn)向控制指令和角度控制單元檢測的果園機(jī)械前輪轉(zhuǎn)向角信息。S4的6引腳與地間并聯(lián)兩個電容 C46、C47。S4的引腳2和8接地，引腳1和引腳2間并聯(lián)兩個電容C44、C45。CANH和CANL 之間有一個120歐的電阻R20，通過外部的短接線可以選擇是否作為終端使用。U4將接收到的轉(zhuǎn)向控制指令和前輪轉(zhuǎn)向角信息進(jìn)過處理后，發(fā)送電機(jī)轉(zhuǎn)動指令給伺服電機(jī)驅(qū)動器， 通過伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動控制果園機(jī)械本體的轉(zhuǎn)向。U4通過芯片M2將電機(jī)轉(zhuǎn)動指令傳送給伺服電機(jī)驅(qū)動器，U4的11,13引腳分別與芯片M2的11,12引腳相連，M2的13,14引腳通過9 針串口與伺服電機(jī)驅(qū)動器相連。M2的1，3引腳通過電容C49相連，4，5引腳通過電容C51相連，引腳2，16通過電容C50相連，并與穩(wěn)壓芯片P4的2腳連接，接收5V供電。M2芯片15 引腳接地，同時引腳15和引腳6通過電容C52相連。伺服電機(jī)驅(qū)動器通過蓄電池進(jìn)行12V {共 ο
權(quán)利要求
1.一種果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)，由嵌入式計算機(jī)、二維激光掃描儀、速度檢測單元、角度檢測單元、GPS接收處理單元、轉(zhuǎn)向控制單元帶組成；所述嵌入式計算機(jī)作為上位機(jī)，角度檢測單元、速度檢測單元、GPS接收處理單元、轉(zhuǎn)向控制單元之間均為下位機(jī)，上位機(jī)與下位機(jī)之間，下位機(jī)各單元之間均采用CAN總線進(jìn)行連接，形成分布式控制系統(tǒng)；果園機(jī)械本體在果樹行間行走時，激光掃描儀，角度檢測單元，速度檢測單元將檢測得到的信息傳送給嵌入式計算機(jī)；果園機(jī)械在果園地頭轉(zhuǎn)彎和道路運(yùn)輸時，GPS接收處理單元、角度檢測單元和速度檢測單元檢測得到的信息傳送給嵌入式計算機(jī)；嵌入式計算機(jī)運(yùn)行路徑規(guī)劃算法和導(dǎo)航控制算法后，將控制指令傳送給轉(zhuǎn)向控制單元，轉(zhuǎn)向控制單元驅(qū)動果園機(jī)械本體轉(zhuǎn)向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征是所述角度檢測單元由角度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器1、CAN總線驅(qū)動器1、電源轉(zhuǎn)換電路1組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征是所述速度檢測單元由速度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器2、CAN總線收發(fā)器、電源轉(zhuǎn)換電路2組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征是所述GPS接收處理單由GPS傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器3、CAN總線驅(qū)動器3、電源轉(zhuǎn)換電路3組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征是所述轉(zhuǎn)向控制單元由伺服電機(jī)驅(qū)動器、伺服電機(jī)、帶CAN通訊功能的微處理器4、CAN總線收發(fā)器4、電源轉(zhuǎn)換電路4組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征是所述GPS接收處理單元中， GPS傳感器通過RS232串口將果園機(jī)械位置信息傳送給微處理器3 ；轉(zhuǎn)向檢測單元中，微處理器4通過RS232串口向伺服電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送控制指令。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征是所述二維激光掃描儀將掃描的果樹位置信息通過RS232串口傳送給嵌入式計算機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種果園機(jī)械導(dǎo)航系統(tǒng)，由嵌入式計算機(jī)、二維激光掃描儀、速度檢測單元、角度檢測單元、GPS接收處理單元、轉(zhuǎn)向控制單元等組成；該系統(tǒng)利用二維激光掃描儀獲取果樹位置信息，通過RS232串口傳送給嵌入式計算機(jī)。利用GPS傳感器測量得到果園機(jī)械的位置信息，通過速度傳感器測量得到果園機(jī)械的行駛速度，通過角度傳感器測量得到果園機(jī)械前輪轉(zhuǎn)角，三者信息傳送給帶CAN通訊功能的微處理器，微處理器對信息進(jìn)行處理后以CAN數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送給嵌入式計算機(jī)。嵌入式計算機(jī)運(yùn)行路徑規(guī)劃以及導(dǎo)航控制算法后，將控制指令以CAN數(shù)據(jù)包形式發(fā)送給轉(zhuǎn)向控制單元。該系統(tǒng)可用于果園非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的機(jī)械導(dǎo)航。
文檔編號G05B19/418GK102436225SQ201110271728
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者武濤, 王虎, 蔣浩然, 袁池, 趙志翔, 陳軍, 雷王利, 高 浩 申請人:西北農(nóng)林科技大學(xué)