[发明专利]高速插秧机的卫星导航自动驾驶系统及其方法

说明书

技术领域

本发明专利属于导航控制领域，具体涉及农机的自动驾驶系统及方法。。

背景技术

我国农业生产机械化的作业面积已经超过80％，农业机械化极大地提高了农业的生产效率，保障了我国的粮食持续增产，但当前劳动力极度紧张，而且即使驾驶农机作业，工作环境依然比较恶劣，还需新技术继续提高农业机械化的效率、减轻作业人员的劳动强度、减少作业人员的用工需求。目前，机械化插秧已经得到较为广泛的应用，乘坐式高速插秧机、步行式插秧机、抛秧机等各种机型均得到了作业应用，其中乘坐式高速插秧机工作效率高、工作条件较为舒适，受到广大农民的欢迎。然而，当前的乘坐式插秧机需配备1名司机和1名补秧工，当连续数日作业时，工作单调，难以吸引年轻一代继续从事农业生产。

针对插秧机械化作业的单调、乏味的工作，国内外的研究者已经开始研究插秧机的自动驾驶技术。日本国家农业研究中心的Nagasaka等在《Autonomous guidance for rice transplanting using global positioning and gyroscopes》(Computers and Electronics in Agriculture，2004，43：223-234)一文中对井关6行水稻插秧机改装，用电子液压缸和限位开关控制离合器和制动器踏板，用电机转动铁线带动油门踏板，用带有正时皮带的电机和电磁离合器控制方向盘，并在插秧机上安装了主计算机、Trimble MS750 RTK-GPS和JG-35FD光纤陀螺仪及无线调制解调器对插秧机进行导航。在稻田进行直线和转弯实验，直线行走速度为0.7m/s时的偏差为5.5em，转弯时偏差为10.0cm。国内的胡炼等在《插秧机电控操作机构和控制算法设计》(农业工程学报，Vol.25(4)：118-125)一文中，提出了一种插秧机的电控方向盘方案，该方案采用在直流电机输出轴上安装摩擦轮，通过拉簧使其紧靠方向盘外延，利用摩擦轮与方向盘之间的摩擦力带动方向盘转动。伟利国等在《XDNZ630型水稻插秧机GPS自动导航系统》(农业机械学报，Vol.42(7)：186-190)一文中，采用RTK-GPS导航，电控方向盘使用直流伺服电机，并增加一套离合机构实行手操与自动驾驶之间的切换，使用PD控制器驾驶车辆作业。上述系统均实现了插秧机的计算机辅助驾驶，但距离实际应用还存在一定的差距。例如，自动驾驶仅在作业时进行，而边块作业、田块转移还需人工驾驶，如需从自动驾驶模式切换到手动模式，无论是直流电机，还是伺服电机，其离合机构增加了电控方向盘的复杂程度。胡炼摩擦轮方案虽然可把电控机构与方向盘脱开以便手操与自动之间的切换，但由于摩擦轮突出在方向盘的外部，可能会干扰驾驶员对方向盘的控制，且依靠摩擦传递扭矩，传动的功率损失较大。伟利国的系统只配备了一个ECU，车载计算机直接接收5HZ的RTK-GPS数据，负荷较重，且车载计算机体积较大，不便于农业应用。日本Nagasaka的系统采用了昂贵的光纤陀螺仪，难以推广应用。

发明内容

为了克服当前劳动力紧张、驾驶高速插秧机工作单调乏味、自动导航驾驶系统科研性较强的缺点，本发明专利针对现有的高速插秧机提供了一种较有推广价值的卫星导航自动驾驶系统，采用分布式解决方案，即由一台嵌入式导航计算机(EGC)与若干ECU组成导航系统，以步进电机为主构成电控方向盘，通过CAN总线网络连接EGC与各ECU，EGC内含人机接口、前置数据处理、姿态估计和驾驶控制软件模块。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：首先，为高速插秧机增加导航导航传感器、ECU、EGC和电控方向盘。安装一套RTK-GPS接收器和姿态仪于秧盘支架上面的横跨支架的中间位置处，安装一只转角传感器于高速插秧机主减速器底部的转向机构下面，分别安装左里程计和右里程计于左、右后轮的行走减速器的外侧，改造方向盘为电动形式。GPS数据转发ECU和姿态仪数据转发ECU位于相应的传感器的旁边，里程计ECU位于行走平台的下面，方向盘ECU位于方向盘电控机构的旁边，EGC位于秧盘支架的内侧，连接EGC与各ECU的CAN通讯线沿机架布置。一组蓄电池位于右秧盘支架的下面作为嵌入式系统的电源。