用于农用机械的自动导航驾驶系统及方法论文和设计-李金良

全文摘要

本发明公开了用于农用机械的自动导航驾驶系统及方法，涉及农用机械领域。该系统包括：固定设备和移动设备，固定设备包括：转向驱动机构和GNSS定向天线；移动设备包括：输入按键、GNSS定位天线、导航控制单元和定位信号接收单元；导航控制单元分别与定位信号接收单元、输入按键和转向驱动机构连接，定位信号接收单元分别与GNSS定向天线和GNSS定位天线连接。本发明能够避免驾驶员驾驶农用机械空跑一圈设置作业路径，减少对田地的不必要碾压。同时，由于可以通过输入按键记录作业起始点和终止点，不需要显示终端进行显示，能够减少组成器件，因此本系统成本较低，并且具有操作简单的优点，实用性强，适用性广，便于推广。

主设计要求

1.一种用于农用机械的自动导航驾驶系统，其特征在于，包括：固定设备和移动设备，所述固定设备包括：转向驱动机构和GNSS定向天线；所述移动设备包括：输入按键、GNSS定位天线、导航控制单元和定位信号接收单元；所述导航控制单元分别与所述定位信号接收单元、所述输入按键和所述转向驱动机构连接，所述定位信号接收单元分别与所述GNSS定向天线和所述GNSS定位天线连接；其中，所述定位信号接收单元用于获取RTK信号，并通过所述GNSS定位天线获取GNSS定位信号，根据所述RTK信号和所述GNSS定位信号对所述移动设备进行定位，生成第一定位信息；所述定位信号接收单元还用于通过所述GNSS定向天线获取GNSS定向信号，并根据所述RTK信号、所述GNSS定位信号和所述GNSS定向信号对所述农用机械进行定向和定位，生成定向信息和第二定位信息；所述输入按键用于控制所述导航控制单元根据所述第一定位信息记录作业起始点和作业终止点，并获取用户输入的作业幅宽；所述导航控制单元用于根据所述作业起始点、所述作业终止点和所述作业幅宽生成自动导航路线，并根据所述自动导航路线、所述定向信息和所述第二定位信息控制所述转向驱动机构，开始自动导航驾驶。

设计方案

其中，所述定位信号接收单元用于获取RTK信号，并通过所述GNSS定位天线获取GNSS定位信号，根据所述RTK信号和所述GNSS定位信号对所述移动设备进行定位，生成第一定位信息；所述定位信号接收单元还用于通过所述GNSS定向天线获取GNSS定向信号，并根据所述RTK信号、所述GNSS定位信号和所述GNSS定向信号对所述农用机械进行定向和定位，生成定向信息和第二定位信息；

所述输入按键用于控制所述导航控制单元根据所述第一定位信息记录作业起始点和作业终止点，并获取用户输入的作业幅宽；

所述导航控制单元用于根据所述作业起始点、所述作业终止点和所述作业幅宽生成自动导航路线，并根据所述自动导航路线、所述定向信息和所述第二定位信息控制所述转向驱动机构，开始自动导航驾驶。

2.根据权利要求1所述的自动导航驾驶系统，其特征在于，所述移动设备还包括：惯性测量单元，所述惯性测量单元与所述导航控制单元连接，用于获取所述移动设备的三轴加速度和三轴角速度；

所述导航控制单元还用于根据所述三轴加速度和所述三轴角速度对所述第一定位信息进行补偿。

3.根据权利要求1或2所述的自动导航驾驶系统，其特征在于，所述输入按键包括：第一定位按键、第二定位按键和幅宽设置按键，所述第一定位按键、所述第二定位按键和所述幅宽设置按键分别与所述导航控制单元连接；

其中，所述第一定位按键用于控制所述导航控制单元根据所述第一定位信息记录作业起始点；

所述第二定位按键用于控制所述导航控制单元根据所述第一定位信息记录作业终止点；

所述幅宽设置按键用于获取用户输入的作业幅宽。

4.根据权利要求3所述的自动导航驾驶系统，其特征在于，所述输入按键还包括：启动按键，所述启动按键与所述导航控制单元连接，用于控制所述导航控制单元开始自动导航。

5.根据权利要求3所述的自动导航驾驶系统，其特征在于，所述输入按键还包括：网络切换按键，所述网络切换按键与所述定位信号接收单元连接，用于控制所述定位信号接收单元切换网络制式。

6.根据权利要求3所述的自动导航驾驶系统，其特征在于，所述输入按键还包括：校正按键，所述校正按键与所述导航控制单元连接，用于在所述农用机械的自动导航驾驶过程中，控制所述导航控制单元将所述自动导航路线中所述农用机械的目标位置校正为所述农用机械的当前位置。

7.根据权利要求1所述的自动导航驾驶系统，其特征在于，所述移动设备还包括：至少两个指示灯，每个所述指示灯分别与所述导航控制单元和\/或所述定位信号接收单元连接，用于显示所述导航控制单元和\/或所述定位信号接收单元的工作状态。

8.根据权利要求1所述的自动导航驾驶系统，其特征在于，所述固定设备设置有用于放置所述移动设备的固定件，所述固定件上设置有第一通信接口和第二通信接口，所述定位信号接收单元具体通过所述第一通信接口与所述GNSS定向天线连接，所述导航控制单元具体通过所述第二通信接口与所述转向驱动机构连接。

9.根据权利要求1所述的自动导航驾驶系统，其特征在于，所述固定设备还包括：角度测量单元，所述角度测量单元与所述导航控制单元连接，所述角度测量单元用于实时采集所述农用机械的转向轮的角度；

所述导航控制单元具体用于根据所述自动导航路线、所述定向信息、所述第二定位信息和所述角度控制所述转向驱动机构。

10.一种用于农用机械的自动导航驾驶方法，其特征在于，使用如权利要求1至9中任一项所述的自动导航驾驶系统进行自动导航驾驶，包括：

定位信号接收单元获取RTK信号，并通过GNSS定位天线获取GNSS定位信号，根据所述RTK信号和所述GNSS定位信号对移动设备进行定位，生成第一定位信息；

当用户手持所述移动设备依次走到作业起始点和作业终止点时，用户通过输入按键控制导航控制单元根据所述第一定位信息记录作业起始点和作业终止点，并通过所述输入按键控制所述导航控制单元获取用户输入的作业幅宽；

当所述移动设备安装到固定设备上时，所述定位信号接收单元通过所述GNSS定向天线获取GNSS定向信号，并根据所述RTK信号、所述GNSS定位信号和所述GNSS定向信号对所述农用机械进行定向和定位，生成定向信息和第二定位信息；

所述导航控制单元根据所述作业起始点、所述作业终止点和所述作业幅宽生成自动导航路线，并根据所述自动导航路线、所述定向信息和所述第二定位信息控制转向驱动机构，开始自动导航驾驶。

设计说明书

技术领域

本发明涉及农用机械领域，尤其涉及用于农用机械的自动导航驾驶系统及方法。

背景技术

农用机械导航自动驾驶系统已经在国内外农业装备上得到了广泛的应用，其作为精准农业基础平台技术，在耕整、播种、插秧、田间管理、收获等环节都发挥了重要的作用。

目前，农用机械的自动驾驶系统是在用户将农用机械人工驾驶到待作业区域后，通过自动驾驶系统的设置端，设置作业路径等参数后，开始自动驾驶，进行农业作业。而设置作业路径的方式主要是驾驶员驾驶农用机械沿着需要作业的路径空跑一趟，在空跑的同时人工操作设置端，采集路径上的坐标点进行记录，完成路径设置。

然而，驾驶农用机械空跑一圈，不仅浪费作业时间，还容易对地面造成不必要的碾压，不利于作物生长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种用于农用机械的自动导航驾驶系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种用于农用机械的自动导航驾驶系统，包括：固定设备和移动设备，所述固定设备包括：转向驱动机构和GNSS定向天线；所述移动设备包括：输入按键、GNSS定位天线、导航控制单元和定位信号接收单元；所述导航控制单元分别与所述定位信号接收单元、所述输入按键和所述转向驱动机构连接，所述定位信号接收单元分别与所述GNSS定向天线和所述GNSS定位天线连接；

所述输入按键用于控制所述导航控制单元根据所述第一定位信息记录作业起始点和作业终止点，并获取用户输入的作业幅宽；

本发明的有益效果是：本发明提供的用于农用机械的自动导航驾驶系统，通过用户手持移动设备对需要进行农业作业田地的起始点和终止点进行定位记录，并设置作业幅宽，生成自动导航路线，然后将移动设备安装在固定设备上，自动导航驾驶系统根据自动导航路线开始自动导航驾驶，能够避免驾驶员驾驶农用机械空跑一圈设置作业路径，减少对田地的不必要碾压。同时，由于可以通过输入按键记录作业起始点和终止点，不需要显示终端进行显示，能够减少组成器件，因此本系统成本较低，并且具有操作简单的优点，实用性强，适用性广，便于推广。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种用于农用机械的自动导航驾驶方法，使用如上述技术方案所述的自动导航驾驶系统进行自动驾驶导航，包括：

定位信号接收单元获取RTK信号，并通过GNSS定位天线获取GNSS定位信号，根据所述RTK信号和所述GNSS定位信号对移动设备进行定位，生成第一定位信息；

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明用于农用机械的自动导航驾驶系统的实施例提供的结构框架示意图；

图2为本发明用于农用机械的自动导航驾驶系统的其他实施例提供的结构框架示意图；

图3为本发明用于农用机械的自动导航驾驶方法的实施例提供的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为本发明用于农用机械的自动导航驾驶系统的实施例提供的结构框架示意图，该自动导航驾驶系统包括：固定设备10和移动设备20，固定设备10包括：转向驱动机构11和GNSS定向天线12；移动设备20包括：输入按键21、GNSS定位天线22、导航控制单元23和定位信号接收单元24；导航控制单元23分别与定位信号接收单元24、输入按键21和转向驱动机构11连接，定位信号接收单元24分别与GNSS定向天线12和GNSS定位天线22连接。

应理解，固定设备10可以为播种机、收割机、插秧机等用于农业生产的设备。除转向驱动机构11和GNSS定向天线12外，还应包括本体、动力系统、必要的机械结构等，这些属于现有技术，在此不再赘述。

移动设备20可以通过接口与转向驱动机构11和GNSS定向天线12连接，例如，转向驱动机构11的数据传输端口可以与USB等类型的接口连接，导航控制单元23的数据传输端口也可以与相同的USB等类型的接口连接，转向驱动机构11和导航控制单元23可以通过USB接口进行连接。

又例如，移动设备20还可以通过无线连接的方式与转向驱动机构11连接，例如，移动设备20上还可以设置有无线通信模块，在固定设备10上设置有与其协议相同并且预先匹配的无线通信模块，当移动设备20进入无线通信模块的通信范围，例如，转向驱动机构11和导航控制单元23可以通过无线通信模块实现无线通信连接。无线通信模块可以为：蓝牙模块、Zigbee模块或WiFi模块、NFC模块等。

应理解，当移动设备20采用物理接口的方式与固定设备10进行连接时，固定设备10应设置有固定件，用于固定移动设备20，使其能够与固定设备10的物理接口连接，当移动设备20采用无线通信模块的方式与固定设备10进行连接时，只要用户将移动设备20带进无线通信模块的通信范围内即可，不需要固定在固定设备10上。

转向驱动机构11可以包括电动方向盘、电比例液压阀等，这些电控的转向驱动机构11都具有控制信号输入端口，导航控制单元23具体可以与这些转向驱动机构11的控制信号输入端口连接。

可以理解，终端设备应该设置有外壳，导航控制单元23和定位信号接收单元24可以以集成电路板或芯片等形式固定在外壳的内部，输入按键21和GNSS定位天线22可以设置在外壳的外表面，输入按键21可以根据实际需求设置成物理按键，也可以设置成触摸屏感应式按键。

其中，定位信号接收单元24用于获取RTK信号，并通过GNSS定位天线22获取GNSS定位信号，根据RTK信号和GNSS定位信号对移动设备20进行定位，生成第一定位信息；定位信号接收单元24还用于通过GNSS定向天线12获取GNSS定向信号，并根据RTK信号、GNSS定位信号和GNSS定向信号对农用机械进行定向和定位，生成定向信息和第二定位信息；

输入按键21用于控制导航控制单元23根据第一定位信息记录作业起始点和作业终止点，并获取用户输入的作业幅宽；

导航控制单元23用于根据作业起始点、作业终止点和作业幅宽生成自动导航路线，并根据自动导航路线、定向信息和第二定位信息控制转向驱动机构11，开始自动导航驾驶。

需要说明的是，RTK信号由RTK基准站发出，定位信号接收单元24在获取GNSS定位信号后，根据RTK信号和GNSS定位信号组成差分观测值进行实时处理，实现对移动设备20的厘米级定位。

可选地，RTK基准站在发出RTK信号之前，首先通过北斗GNSS卫星获取GNSS卫星信号，获取RTK基站的卫星原始观测值和观测站坐标，得到粗定位数据，然后将粗定位数据上传到预设的网络RTK平台，然后获取网络RTK平台下发的粗定位数据的差分数据给RTK基站，RTK基站根据卫星原始观测值、观测站坐标和差分数据进行定位解算，得到RTK基站的高精度位置坐标和差分修正固定解，然后将高精度位置坐标和差分修正固定解作为RTK信号，发送给移动设备20。

本实施例提供的用于农用机械的自动导航驾驶系统，通过用户手持移动设备20对需要进行农业作业田地的起始点和终止点进行定位记录，并设置作业幅宽，生成自动导航路线，然后将移动设备20安装在固定设备10上，自动导航驾驶系统根据自动导航路线开始自动导航驾驶，能够避免驾驶员驾驶农用机械空跑一圈设置作业路径，减少对田地的不必要碾压。同时，由于可以通过输入按键21记录作业起始点和终止点，不需要显示终端进行显示，能够减少组成器件，因此本系统成本较低，并且具有操作简单的优点，实用性强，适用性广，便于推广。

如图2所示，为本发明用于农用机械的自动导航驾驶系统的其他实施例提供的结构框架示意图，下面结合图2，对本发明一些可选的实施例进行说明。

可选地，在一些实施例中，移动设备20还可以包括：惯性测量单元25，惯性测量单元25与导航控制单元23连接，用于获取移动设备20的三轴加速度和三轴角速度；

导航控制单元23还用于根据三轴加速度和三轴角速度对第一定位信息进行补偿。

应理解，导航控制单元23具体通过三轴加速度和三轴角速度计算移动设备20的俯仰角和横滚角，根据俯仰角、横滚角和GNSS定位天线22的离地高度计算补偿值，再根据补偿值进行补偿。

需要说明的是，假设GNSS定位天线22距离地面的高度H为200cm，那么当移动设备20的倾斜角度θ为1°时，按照三角关系，可以计算得出定位偏差为200*sin（1）=3.5cm，如果不对移动设备20进行补偿，那么就会导致出现偏差。

通过对第一定位信息进行补偿，能够提高测量精度。

可选地，在一些实施例中，输入按键21可以包括：第一定位按键、第二定位按键和幅宽设置按键，第一定位按键、第二定位按键和幅宽设置按键分别与导航控制单元23连接；

其中，第一定位按键用于控制导航控制单元23根据第一定位信息记录作业起始点；

第二定位按键用于控制导航控制单元23根据第一定位信息记录作业终止点；

幅宽设置按键用于获取用户输入的作业幅宽。

例如，当用户手持移动设备20走到作业田地的起始点后，按下第一定位按键，那么就会产生一个控制信号，导航控制单元23接收到该控制信号后，触发相应的程序记录当前位置的位置信息，作为作业起始点。

又例如，用户在设置完作业起始点和作业终止点后，可以通过按幅宽设置按键的次数设置作业幅宽，例如，用户按下5次按键，那么作业幅宽可以为5分米。

通过物理按键设置作业起始点、作业终止点和作业幅宽，能够提高本系统的适用性，农业生产作业通常在野外，因为，现有技术中采用触摸屏的方式并不实用，并且成本高昂。例如，在生产时，触摸屏很容易溅上泥土，导致触摸屏不灵敏或误触，而农业生产中，用户的手也会沾染泥土等，在这种情况下使用触摸显示屏，常常出现反应不灵敏或无反应的情况，导致实用性很差。

而本发明将作业起始点、作业终止点和作业幅宽通过物理按键进行设置，避免了野外农业作业时，使用触摸屏的不便，还降低了成本，并且能够随意移动，相比于传统在农用机械上使用的方式，更加灵活方便。

可选地，在一些实施例中，输入按键21还可以包括：启动按键，启动按键与导航控制单元23连接，用于控制导航控制单元23开始自动导航。

应理解，当用户按下启动按键后，生成启动指令，导航控制单元23接收到启动指令后，按照预定的自动导航路线控制农用机械自动驾驶和转向。

可选地，在一些实施例中，输入按键21还可以包括：网络切换按键，网络切换按键与定位信号接收单元24连接，用于控制定位信号接收单元24切换网络制式。

应理解，RTK信号的播发方式可以通过4G网络或电台网络，也可以通过5G网络，当用户按下网络切换按键后，生成切换指令，定位信号接收单元24接收到切换指令后，将通信链路进行转换，切换成另一个的通信模块进行通信。

通过设置网络切换按键，能够在当前通信网络较差的情况下切换其他通信网络获取RTK信号，提高定位的鲁棒性。

可选地，在一些实施例中，输入按键21还可以包括：校正按键，校正按键与导航控制单元23连接，用于在农用机械的自动导航驾驶过程中，控制导航控制单元23将自动导航路线中农用机械的目标位置校正为农用机械的当前位置。

需要说明的是，因为田地通常不是完全一致的地形，可能遇到岩石、灌溉设施等不适合作业的区域，那么当农用机械驾驶到该区域后，可以由驾驶员将农用机械绕开该区域，通过校正按键，将自动导航路线中的目标位置校正为农用机械的当前位置。

可选地，在一些实施例中，移动设备20还可以包括：至少两个指示灯，每个指示灯分别与导航控制单元23和\/或定位信号接收单元24连接，用于显示导航控制单元23和\/或定位信号接收单元24的工作状态。

例如，指示灯可以包括：按键灯、电量灯、RTK灯、状态灯等，以按键灯为例，按键灯可以与导航控制单元23连接，单用户按下输入案件后，导航控制单元23接收到控制指令，然后控制按键灯亮起，以提示用户按键的行为生效，提供视觉反馈。

可选地，在一些实施例中，固定设备10可以设置用于放置移动设备20的固定件，固定件上设置有第一通信接口和第二通信接口，定位信号接收单元24具体通过第一通信接口与GNSS定向天线12连接，导航控制单元23具体通过第二通信接口与转向驱动机构11连接。

应理解，通信接口可以根据实际需求设置，例如，可以为串口232、串口485、以太网接口、GPIB接口、USB接口、无线接口、光纤接口等。

第一通信接口和第二通信接口可以相同，也可以不同。

例如，固定件可以为与移动设备20形状相同，但比移动设备20略大的凹槽，凹槽中伸出有与GNSS定向天线12和转向驱动机构11通过数据线连接的接头，移动设备20外壳上设置有与该接头通信协议相同且匹配的接口，当移动设备20放置在凹槽中时，可以将接头插入接口中，实现移动设备20与固定设备10的通信连接。

优选地，凹槽四周可以设置有卡扣，用于将移动设备20固定在凹槽内，也可以在凹槽顶部设置可开关的挡板，当移动设备20放入凹槽后，关上挡板，使移动设备20固定在凹槽内。

应理解，本领域技术人员可以根据实际需求设置固定件的具体形式和结构。

可选地，在一些实施例中，固定设备10还可以包括：角度测量单元13，角度测量单元13与导航控制单元23连接，角度测量单元13用于实时采集农用机械的转向轮的角度；

导航控制单元23具体用于根据自动导航路线、定向信息、第二定位信息和角度控制转向驱动机构11。

需要说明的是，导航控制单元23主要根据自动导航路线、定向信息和第二定位信息控制转向驱动机构11，当检测到农用机械偏离自动导航路线后，可以通过控制转向驱动机构11，及时调整转向轮的角度，使农用机械回到自动导航路线。

通过检测转向轮角度，能够便于农用机械的行驶路线进行跟踪反馈控制，提高自动导航的精度。

需要说明的是，固定设备10的角度测量单元13也可以通过第二通信接口与导航控制单元23连接。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。

如图3所示，为本发明用于农用机械的自动导航驾驶方法的实施例提供的流程示意图，该自动导航驾驶方法使用如上述任意实施例所述的自动导航驾驶系统进行自动驾驶导航，包括：

S1，定位信号接收单元获取RTK信号，并通过GNSS定位天线获取GNSS定位信号，根据RTK信号和GNSS定位信号对移动设备进行定位，生成第一定位信息；

S2，当用户手持移动设备依次走到作业起始点和作业终止点时，用户通过输入按键控制导航控制单元根据第一定位信息记录作业起始点和作业终止点，并通过输入按键控制导航控制单元获取用户输入的作业幅宽；

S3，当移动设备安装到固定设备上时，定位信号接收单元通过GNSS定向天线获取GNSS定向信号，并根据RTK信号、GNSS定位信号和GNSS定向信号对农用机械进行定向和定位，生成定向信息和第二定位信息；

S4，导航控制单元根据作业起始点、作业终止点和作业幅宽生成自动导航路线，并根据自动导航路线、定向信息和第二定位信息控制转向驱动机构，开始自动导航驾驶。

需要说明的是，上述实施例是与在先产品实施例对应的方法实施例，对于方法实施例的说明可以参考上述各产品实施例的对应说明，在此不再赘述。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

设计图

用于农用机械的自动导航驾驶系统及方法论文和设计

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全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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