甘蔗收割主从农机纵向相对位置控制系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种甘蔗收割主从农机纵向相对位置控制系统及其控制方法，包括农机位姿测定装置、转运车仓监控摄像头、云端服务器、车载可视化显示终端、模糊控制器以及电子油门；农机位姿测定装置有两个分别装在主从农机上，通过5G无线通信模组与云端服务器进行数据传输；转运车仓监控摄像头装在从农机车斗上，通过串口与车载可视化显示终端相连；云端服务器通过5G无线通信模组与车载可视化显示终端连接；车载可视化显示终端装在从农机驾驶室控制台，通过5G无线通信模组与云端服务器进行数据交互；模糊控制器装在从农机上；电子油门与车载可视化显示终端通过CAN总线通信。本发明专利技术可以有效减轻从农机机手劳动强度，实现甘蔗收割从农机与主农机高效协同作业。从农机与主农机高效协同作业。从农机与主农机高效协同作业。

【技术实现步骤摘要】
甘蔗收割主从农机纵向相对位置控制系统及其控制方法


[0001]本专利技术涉及农业机械导航控制的
，尤其是指一种基于模糊控制的甘蔗收割主从农机纵向相对位置控制系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]农业机械自动导航技术是实现精准农业的关键技术之一。配备智能导航系统的农业机械可以减轻机手的劳动强度，提高作业的精准度。随着农业劳动力的不断减少和劳动力成本的提高，新型无人农场成为新的研究热点。主从协同导航技术可以有效提高工作效率，降低人工成本。因此，农业机械自动导航技术正受到越来越多的研究关注。
[0003]在甘蔗收割作业环节中，甘蔗收割机负责将甘蔗杆切断并通过机械臂向外输送，转运车则需要在收割机收割的同时负责将蔗段接入车斗中；二者协同性的好坏会直接影响协同收割作业的效率和效果，目前国内甘蔗收割协同作业以传统人工协同为主，这种方法依靠人为感觉和经验判断进行协同作业，精确度低，响应速度慢，自动化程度低，劳动强度大。现有的主从协同控制方法主要集中在车辆控制方面，与车辆不同的是，农机的作业环境恶劣，土壤阻力、砍蔗刀盘阻碍、转运车装载量增加导致的田间行进阻力变化等原因使农机协同控制非线性度很高，同时农机行进过程中位置速度存在较强的耦合性。且在面对类似甘蔗收割
‑
转运这种应用场景时，没有考虑到车仓的装载情况及时调整车距消除蔗段堆积。模糊控制是一种非线性控制方法，在使用过程中无需精确建立农机动力学模型，系统结构简单易于构建实施，适用于复杂多变的农田环境，因此被广泛应用于农业机械导航控制领域的研究中。r/>
技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种基于模糊控制的甘蔗收割主从农机纵向相对位置控制系统及其控制方法，使得从农机能够跟随主农机的行驶路径和速度进行及时变化调整，同时获取主、从农机相对位姿数据并显示在车载可视化显示终端，机手通过转运车车斗安装的摄像头观察车仓蔗段堆积情况操控终端调整主从农机纵向相对车距以消除堆积，可以有效减轻从农机机手劳动强度，实现甘蔗收割从农机与主农机高效协同作业。
[0005]为实现上述目的，本专利技术所提供的技术方案为：甘蔗收割主从农机纵向相对位置控制系统，包括：农机位姿测定装置、转运车仓监控摄像头、云端服务器、车载可视化显示终端、模糊控制器以及电子油门；
[0006]所述农机位姿测定装置有两个分别安装在主、从农机上，并通过5G无线通信模组与云端服务器进行数据传输，用于在主、从农机行进作业期间获取自身的位姿信息并上传到云端服务器；
[0007]所述转运车仓监控摄像头安装在从农机的车斗上，并通过串口与车载可视化显示终端相连，用于监测车仓蔗段实时装载情况并发送到车载可视化显示终端显示；
[0008]所述云端服务器通过5G无线通信模组与车载可视化显示终端连接，用于解算信息数据并进行保存转发；
[0009]所述车载可视化显示终端安装在从农机驾驶室控制台，通过5G无线通信模组与云端服务器进行数据交互；
[0010]所述模糊控制器安装在从农机上，其输入为主从农机纵向相对位置偏差和主从农机相对速度偏差，通过预设好的模糊控制规则产生输出，输出为从农机的电机电流；
[0011]所述电子油门与车载可视化显示终端通过CAN总线通信，用于执行农机位姿测定装置的微控制器下发的控制指令，通过模糊控制器输出的电流大小控制从农机发动机转速快慢，从而控制从农机的运行速度。
[0012]进一步，所述主农机是指甘蔗收割机，由一名机手人工驾驶操作；
[0013]所述从农机是指转运车，由一名机手通过操作车载可视化显示终端依据模糊控制器自动跟随主农机位置进行纵向相对位置协同控制。
[0014]进一步，所述农机位姿测定装置包括微控制器、RTK
‑
GPS定位模块、车速测量传感器、航向角测量传感器和5G无线通信模组，其中：
[0015]所述微控制器为stm32单片机，用于执行程序决策；
[0016]所述RTK
‑
GPS定位模块为千寻D300差分定位装置，用于获取主、从农机高精度定位数据；
[0017]所述车速测量传感器用于精确测量主、从农机行驶时速；
[0018]所述航向角测量传感器用于精确测量主、从农机行驶航向；
[0019]所述5G无线通信模组用于实现农机位姿测定装置与云端服务器的远程无线通信；
[0020]所述微控制器分别与RTK
‑
GPS定位模块、车速测量传感器、航向角测量传感器、5G无线通信模组和电子油门以CAN总线方式连接。
[0021]进一步，所述车载可视化显示终端的应用程序界面包含：主从农机纵向相对位置监测示意图、收割机机械臂抽象模型示意图、转运车车斗抽象模型示意图、转运车车仓装载情况监测图像、打开/关闭摄像头按钮和建立/断开连接按钮，其中：
[0022]所述主从农机纵向相对位置监测示意图是应用程序界面用于描述和显示主从农机纵向相对距离的图示，主农机位置由收割机机械臂抽象模型图示意，从农机位置由转运车车斗抽象模型图示意，同时，机手能够通过操作应用程序界面，拖动收割机机械臂位置设定主从农机目标纵向相对距离；
[0023]转运车车仓装载情况监测图像是转运车仓监控摄像头通过串口传输到车载可视化显示终端显示界面的转运车车斗蔗段装载情况监控图像；
[0024]打开/关闭摄像头按钮用于控制转运车仓监控摄像头的打开和关闭；
[0025]建立/断开连接按钮用于控制车载可视化显示终端与云端服务器建立或者断开连接。
[0026]进一步，所述模糊控制器的设计步骤如下：
[0027]a、确定模糊控制器的输入、输出变量，并进行模糊化处理；
[0028]将主从农机纵向相对位置偏差E
y
和主从农机相对速度偏差E
v
作为模糊控制器的输入变量，模糊控制器的输出变量是输出电流u；
[0029]当从农机位置超出目标纵向相对距离时，主从农机纵向相对位置偏差E
y
为正，当
从农机位置落后于目标纵向相对距离时，主从农机纵向相对位置偏差E
y
为负，主从农机纵向相对位置偏差E
y
的比例水平为{
‑
6，
‑
5，
‑
4，
‑
3，
‑
2，
‑
1，0，1，2，3，4，5，6}；
[0030]当从农机速度大于主农机时，主从农机相对速度偏差E
v
为正，当从农机速度小于主农机时，主从农机相对速度偏差E
v
为负；此外，主从农机相对速度偏差E
v
的比例水平与主从农机纵向相对位置偏差E
y
相同；
[0031]从农机需要加速时输出电流u为正，需要减速时输出电流u为负；此外，输出电流u的比例水平与主从农机纵向相对位置偏差E
y...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.甘蔗收割主从农机纵向相对位置控制系统，其特征在于，包括：农机位姿测定装置、转运车仓监控摄像头、云端服务器、车载可视化显示终端、模糊控制器以及电子油门；所述农机位姿测定装置有两个分别安装在主、从农机上，并通过5G无线通信模组与云端服务器进行数据传输，用于在主、从农机行进作业期间获取自身的位姿信息并上传到云端服务器；所述转运车仓监控摄像头安装在从农机的车斗上，并通过串口与车载可视化显示终端相连，用于监测车仓蔗段实时装载情况并发送到车载可视化显示终端显示；所述云端服务器通过5G无线通信模组与车载可视化显示终端连接，用于解算信息数据并进行保存转发；所述车载可视化显示终端安装在从农机驾驶室控制台，通过5G无线通信模组与云端服务器进行数据交互；所述模糊控制器安装在从农机上，其输入为主从农机纵向相对位置偏差和主从农机相对速度偏差，通过预设好的模糊控制规则产生输出，输出为从农机的电机电流；所述电子油门与车载可视化显示终端通过CAN总线通信，用于执行农机位姿测定装置的微控制器下发的控制指令，通过模糊控制器输出的电流大小控制从农机发动机转速快慢，从而控制从农机的运行速度。2.根据权利要求1所述的甘蔗收割主从农机纵向相对位置控制系统，其特征在于：所述主农机是指甘蔗收割机，由一名机手人工驾驶操作；所述从农机是指转运车，由一名机手通过操作车载可视化显示终端依据模糊控制器自动跟随主农机位置进行纵向相对位置协同控制。3.根据权利要求2所述的甘蔗收割主从农机纵向相对位置控制系统，其特征在于，所述农机位姿测定装置包括微控制器、RTK
‑
GPS定位模块、车速测量传感器、航向角测量传感器和5G无线通信模组，其中：所述微控制器为stm32单片机，用于执行程序决策；所述RTK
‑
GPS定位模块为千寻D300差分定位装置，用于获取主、从农机高精度定位数据；所述车速测量传感器用于精确测量主、从农机行驶时速；所述航向角测量传感器用于精确测量主、从农机行驶航向；所述5G无线通信模组用于实现农机位姿测定装置与云端服务器的远程无线通信；所述微控制器分别与RTK
‑
GPS定位模块、车速测量传感器、航向角测量传感器、5G无线通信模组和电子油门以CAN总线方式连接。4.根据权利要求3所述的甘蔗收割主从农机纵向相对位置控制系统，其特征在于，所述车载可视化显示终端的应用程序界面包含：主从农机纵向相对位置监测示意图、收割机机械臂抽象模型示意图、转运车车斗抽象模型示意图、转运车车仓装载情况监测图像、打开/关闭摄像头按钮和建立/断开连接按钮，其中：所述主从农机纵向相对位置监测示意图是应用程序界面用于描述和显示主从农机纵向相对距离的图示，主农机位置由收割机机械臂抽象模型图示意，从农机位置由转运车车斗抽象模型图示意，同时，机手能够通过操作应用程序界面，拖动收割机机械臂位置设定主从农机目标纵向相对距离；
转运车车仓装载情况监测图像是转运车仓监控摄像头通过串口传输到车载可视化显示终端显示界面的转运车车斗蔗段装载情况监控图像；打开/关闭摄像头按钮用于控制转运车仓监控摄像头的打开和关闭；建立/断开连接按钮用于控制车载可视化显示终端与云端服务器建立或者断开连接。5.根据权利要求4所述的甘蔗收割主从农机纵向相对位置控制系统，其特征在于，所述模糊控制器的设计步骤如下：a、确定模糊控制器的输入、输出变量，并进行模糊化处理；将主从农机纵向相对位置偏差E
y
和主从农机相对速度偏差E
v
作为模糊控制器的输入变量，模糊控制器的输出变量是输出电流u；当从农机位置超出目标纵向相对距离时，主从农机纵向相对位置偏差E
y
为正，当从农机位置落后于目标纵向相对距离时，主从农机纵向相对位置偏差E
y
为负，主从农机纵向相对位置偏差E
y
的比例水平为{
‑
6，
‑
5，
‑
4，
‑
3，
‑
2，
‑
1，0，1，2，3，4，5，6}；当从农机速度大于主农机时，主从农机相对速度偏差E
v
为正，当从农机速度小于主农机时，主从农机相对速度偏差E
v
为负；此外...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨丹彤，王一鸣，黄世醒，郑丁科，黄燕娟，张畅冉，王雪斐，靳晓虎，
申请(专利权)人：华南农业大学，
类型：发明
国别省市：