一种无人作业谷物联合收割机导航方法与导航装置.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109115225A(43)申请公布日2019.01.01(21)申请号201811009653.0(22)申请日2018.08.31(71)申请人江苏大学地址212013江苏省镇江市京口区学府路301号(72)发明人崔冰波魏新华李晋阳刘子文吉鑫(51)Int.Cl.G01C21/20(2006.01)G01S19/43(2010.01)G01S19/45(2010.01)权利要求书2页说明书5页附图2页(54)发明名称一种无人作业谷物联合收割机导航方法与导航装置(57)摘要本发明公开了一种无人作业谷物联合收割机导航方法，属于智能农机装备领域，将北斗RTK定位模块与视觉CCD传感器融合，提出了一种即时导航路径规划算法，无需作业前人工采点即实现自主导航，并基于简化的无迹卡尔曼滤波构造农机导航跟踪状态的统一估计器，实现收割机大角度转弯和直线行驶条件下的运动状态估计。本发明还公开了一种用于谷物联合收割机自主作业的导航装置，采用CAN总线将农机具、机载传感器、执行器及CPU组合，使得导航系统易于扩展、安装及维护。CN109115225ACN109115225A权利要求书1/2页1.一种无人作业谷物联合收割机导航方法，其特征在于，将北斗RTK定位模块与视觉CCD传感器融合，设计即时路径规划算法，实现导航路径规划；设计基于SUKF的导航跟踪误差的统一估计器，实现收割机的直线行驶和地头转向；将即时路径规划算法、导航跟踪误差的统一估计器应用于联合收割机的导航装置中，并将导航路径规划与统一估计器集成到CPU中，采用CAN总线与执行器和机载传感器通信，实现收割机的行走控制与机具控制。2.根据权利要求1所述的一种无人作业谷物联合收割机导航方法，其特征在于，所述即时路径规划算法具体为：在联合收割机作业同时利用摄像头采集田块边界图像，并经CPU分析后获得田块边界，利用北斗RTK定位模块输出的位置、航向信息，实时获取矩形田块的四个顶点坐标，并将其转化至高斯平面坐标系，实现导航路径规划，并将规划的路径以二维数组形式存储于导航装置中。3.如权利要求1所述的一种无人作业谷物联合收割机导航方法，其特征在于，所述导航T跟踪状态的统一估计器具体为：设联合收割机待估计的行走状态为xk＝[xkykθkφk]，包括联合收割机当前二维位置、航向以及双天线测航向的偏置误差，uk-1＝[u1u2]为左右轮输入速度控制项，其系统模型为：xk＝Φk|k-1xk-1+Gk-1uk-1+wk-1，其中Φk|k-1为状态转移矩阵，Gk-1为系统输入控制矩阵，wk-1为RTK系统噪声，包括位置与航向噪声以及航向测量的偏置误差，θk为k时刻车辆与地球真北方向的航向角，W为联合收割机轴距；以位置和航向为量测输出，系统的量测方程为：zk＝Hxk+vk，其中vk为量测噪声误差阵，包括RTK系统测量噪声，即位置、航向的量测噪声。4.根据权利要求1所述的一种无人作业谷物联合收割机导航方法，其特征在于，所述导航跟踪误差的统一估计器的非线性滤波为：1)设统一估计器的状态维数为n，k-1时刻的状态概率密度分布pk-1满足其中Pk-1|k-1分别为k-1时刻的均值和协方差，生成2n+1个对称分布的sigma点χi和权值ωi匹配pk-1，则有：其中i为sigma点索引，i＝1,…,2n+1，κ为比例系数；2)SUKF状态预测过程为：2CN109115225A权利要求书2/2页其中为k时刻状态预测均值，Pk|k-1为k时刻预测方差，Qk-1为k-1时刻系统噪声方差阵；3)SUKF量测更新过程为：TT-1Kk＝Pk|k-1H(HPk|k-1H+Rk)其中Kk为滤波增益，和Pk|k分别为状态后验估计结果，Rk为量测噪声的方差阵，I为具有对应维数的单位阵。5.根据权利要求1所述的一种无人作业谷物联合收割机导航方法，其特征在于，所述导航跟踪误差的计算过程为：k时刻利用o点位置(x0，y0)和航向θ信息，计算规划路线离o点距离最近的点Pk，并建立Pk前一点和后一点的直线方程，计算点o至该直线的距离得到横向偏差d；选定导航跟踪过程的前视距离为L，由点o位置和收割机当前航向角计算a点位置，并在规划路线的二维数组中查找距离a点最近的点Pk+n，连接oPk+n得到联合收割机的当前期望航向θe，则航向偏差的计算如下：其中L1、L2分别为oPk+n、aPk+n的长度。6.一种无人作业谷物联合收割机导航装置，其特征在于，包括北斗RTK定位模块、视觉CCD传感器、集成远程通信模块、角度传感器以及CPU，视觉CCD传感器和北斗RTK定位模块获取相应的信息后传输给CPU,集成远程通信模块与CPU通信，实现远程监控与历史田块作业信息的匹配，角度传感器用于检测收割机前轮