本發(fā)明涉及插秧機器人領(lǐng)域，具體是一種基于GPS和慣導的插秧機器人控制系統(tǒng)和控制方法。

背景技術(shù)：

目前生產(chǎn)上水稻插秧機行駛和作業(yè)完全由人工操縱，勞動強度大，作業(yè)效率低，而且行駛直線度完全依賴操作者的操作技能，駕駛員長時間枯燥乏味的跟蹤駕駛對插秧機行駛準確性和作業(yè)質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。實現(xiàn)水稻插秧機的自動化、智能化，將操作人員從惡劣的水田生產(chǎn)環(huán)境中解放出來，是解決水稻插秧現(xiàn)有問題的重要技術(shù)手段。

無人駕駛插秧機是綜合運用計算機、電子通信、控制等技術(shù)，用于解決人工駕駛插秧機勞動強度大等問題。自主導航是無人駕駛插秧機主要功能之一，主要控制行駛方向和速度。目前采用GPS導航在一定條件下實現(xiàn)了無人駕駛插秧機實現(xiàn)了自主行走的功能，但控制系統(tǒng)的容錯性比較低，直線行駛精度比較低，誤差比較大，導航精度還難以滿足插秧作業(yè)精度要求。因此，研究低成本、高精度插秧機器人控制系統(tǒng)及其控制方法對提高插秧機器人自主行走精度具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種基于GPS和慣導的插秧機器人控制系統(tǒng)和控制方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)GPS導航實現(xiàn)插秧機自主工作存在的容錯性低、直線行駛精度低、誤差大、導航精度還難以滿足插秧作業(yè)精度要求的問題。

為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

基于GPS和慣導的插秧機器人控制系統(tǒng)，其特征在于：包括CAN總線通信模塊、上位機、導航定位模塊、變速模塊、插植模塊、轉(zhuǎn)向模塊、電源管理模塊，所述上位機通過CAN總線通信模塊分別與導航定位模塊、變速模塊、插植模塊、轉(zhuǎn)向模塊、電源管理模塊通信連接，所述電源管理模塊還通過CAN總線通信模塊分別與導航定位模塊、變速模塊、插植模塊、轉(zhuǎn)向模塊通信連接，其中：

所述導航定位模塊包括安裝于插秧機器人中的GPS導航定位模塊和慣性導航定位模塊，導航定位模塊實現(xiàn)插秧機器人的定位，并將位置、航向角度信息通過CAN總線通信模塊發(fā)送至上位機；

所述變速模塊包括插秧機器人的電機驅(qū)動模塊、插秧機器人的行走速度檢測模塊，變速模塊通過CAN總線通信模塊獲取上位機發(fā)出的位置、航向角度信息以及行走指令，當變速模塊接收到上位機發(fā)出的行走指令及位置、航向角度信息時，變速模塊驅(qū)動插秧機器人的電機按位置、航向角度信息工作以執(zhí)行行走指令，同時變速模塊將檢測到的插秧機器人的行走速度信息通過CAN總線模塊發(fā)送至上位機；

所述轉(zhuǎn)向模塊包括插秧機器人的方向盤驅(qū)動模塊、安裝于插秧機器人中的角度位移傳感器，轉(zhuǎn)向模塊通過CAN總線通信模塊將角度位移傳感器采集的轉(zhuǎn)角信息傳遞至上位機，并且上位機發(fā)出的轉(zhuǎn)角指令通過CAN總線通信模塊傳遞至轉(zhuǎn)向模塊，由轉(zhuǎn)向模塊中的方向盤驅(qū)動模塊根據(jù)轉(zhuǎn)角指令驅(qū)動方向盤轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，以實現(xiàn)插秧機器人的轉(zhuǎn)向；

所述插植模塊包括插秧機器人中秧箱的控制模塊，該秧箱的控制模塊包括控制秧箱升降的插植手柄的控制模塊，以及秧爪的控制模塊，插植模塊通過CAN總線通信模塊獲取上位機發(fā)出的秧機執(zhí)行插秧作業(yè)指令，并根據(jù)秧機執(zhí)行插秧作業(yè)指令驅(qū)動插植手柄控制秧箱升降，以及控制秧爪插秧作業(yè)的啟停；

所述電源管理模塊通過CAN總線通信模塊獲取其他各個模塊的啟閉信息，實現(xiàn)對其他各模塊的供電；

所述上位機通過CAN總線通信模塊獲取其他各個模塊的信息，實現(xiàn)對導航定位模塊、插植模塊、變速模塊、轉(zhuǎn)向模塊和電源管理模塊工作狀態(tài)的監(jiān)控以及參數(shù)的讀取，上位機還向相應(yīng)的模塊傳送控制信息，接收到控制信息的其他模塊根據(jù)控制信息控制插秧機器人執(zhí)行相應(yīng)的動作。

所述的基于GPS和慣導的插秧機器人控制系統(tǒng)，其特征在于：所述上位機開發(fā)了路徑規(guī)劃模塊和信息融合模塊，所述的路徑規(guī)劃模塊實時規(guī)劃機器人行走的路徑，并在上位機顯示屏上顯示插秧機器人所處位置、已行走過的路徑以及目標位置信息，規(guī)劃的目標路徑信息存儲在上位機中供導航定位模塊參考；所述的信息融合模塊，GPS定位模塊和慣性導航定位模塊將信息通過CAN總線通訊模塊傳輸至上位機加以融合處理，得出精確的導航信息通過CAN總線通信模塊傳輸至變速模塊和轉(zhuǎn)向模塊。

基于GPS和慣導的插秧機器人控制方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：電源管理模塊開啟，上位機獲取插秧機電源開啟指令，激活本機中的路徑規(guī)劃模塊、信息融合模塊，并將電源開啟信息通過CAN總線通信模塊發(fā)送至其他各模塊；

步驟2：導航定位模塊通過CAN總線通信模塊獲取由上位機發(fā)出的開啟信息，采用GPS導航定位模塊實現(xiàn)對插秧機器人的絕對位置定位，采用慣性導航定位模塊實現(xiàn)插秧機機器人的相對位置定位，兩種傳感器相互協(xié)同工作，GPS導航定位模塊實時糾正慣性導航定位模塊長時間工作積累的誤差，以提高慣性導航定位模塊的精度；最后分別將兩種傳感器獲取的插秧機的位置、行走速度、航向角度導航信息通過CAN總線通信模塊發(fā)送至上位機信息融合模塊；

步驟3：信息融合模塊將GPS導航定位模塊和慣性導航定位模塊獲取的插秧機位置坐標、航向角度信息進行融合處理，得出更精確的坐標、航向角度信息，通過CAN總線通信模塊發(fā)送給變速模塊和轉(zhuǎn)向模塊；

步驟4：變速模塊通過CAN總線通信模塊獲取航向角度、目標位置信息，驅(qū)動電機調(diào)控變速控制機器人行走，并將行走的速度信息通過CAN總線通信模塊發(fā)送至上位機；

步驟5：轉(zhuǎn)向模塊通過CAN總線通信模塊將角度位移傳感器采集的轉(zhuǎn)角信息發(fā)送至上位機，接收上位機發(fā)出的轉(zhuǎn)角指令，驅(qū)動方向盤轉(zhuǎn)動以控制機器人的行走方向；

步驟6：若插植模塊通過CAN總線通信模塊獲取的上位機發(fā)出指令是插秧工作指令，則驅(qū)動秧箱降到最低位置開始執(zhí)行插秧作業(yè)，并將工作信息通過CAN總線通信模塊發(fā)送至上位機；若插植模塊通過CAN總線通信模塊獲取的上位機發(fā)出指令是轉(zhuǎn)向信息，則驅(qū)動秧箱上升至最高位置，轉(zhuǎn)向模塊執(zhí)行轉(zhuǎn)向指令，轉(zhuǎn)向完成后角度位移傳感器將相應(yīng)信息通過CAN總線通信模塊發(fā)送至上位機；

步驟7：電源管理模塊通過CAN總線通信模塊獲取各模塊的啟閉信息，實現(xiàn)對各模塊的供電。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1、基于GPS和慣導的插秧機器人控制系統(tǒng)，通過CAN總線通信模塊實現(xiàn)各個模塊間的通信，降低了模塊之間的耦合性；導航模塊中通過GPS導航定位模塊和慣性導航模塊協(xié)同工作將輸出的位置、航向角度信息發(fā)送至上位機中的信息融模塊進行信息融合，降低成本的同時提高了插秧機器人導航作業(yè)的精度和容錯性。

2、基于GPS和慣導的插秧機器人控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)水稻插秧機的自動化、智能化，將操作人員從惡劣的水田生產(chǎn)環(huán)境中解放出來，大大提高了作業(yè)效率，減輕了勞動量。

附圖說明

圖1是插秧機器人控制系統(tǒng)圖。

圖2是插秧機器人控制方法圖。

具體實施方式

如圖1所示，基于GPS和慣導的插秧機器人控制系統(tǒng)，包括CAN總線通信模塊、上位機、導航定位模塊、變速模塊、插植模塊、轉(zhuǎn)向模塊、電源管理模塊，上位機通過CAN總線通信模塊分別與導航定位模塊、變速模塊、插植模塊、轉(zhuǎn)向模塊、電源管理模塊通信連接，電源管理模塊還通過CAN總線通信模塊分別與導航定位模塊、變速模塊、插植模塊、轉(zhuǎn)向模塊通信連接，其中：

導航定位模塊包括安裝于插秧機器人中的GPS導航定位模塊和慣性導航定位模塊，導航定位模塊實現(xiàn)插秧機器人的定位，并將位置、航向角度信息通過CAN總線通信模塊發(fā)送至上位機；

變速模塊包括插秧機器人的電機驅(qū)動模塊、插秧機器人的行走速度檢測模塊，變速模塊通過CAN總線通信模塊獲取上位機發(fā)出的位置、航向角度信息以及行走指令，當變速模塊接收到上位機發(fā)出的行走指令及位置、航向角度信息時，變速模塊驅(qū)動插秧機器人的電機按位置、航向角度信息工作以執(zhí)行行走指令，同時變速模塊將檢測到的插秧機器人的行走速度信息通過CAN總線模塊發(fā)送至上位機；

轉(zhuǎn)向模塊包括插秧機器人的方向盤驅(qū)動模塊、安裝于插秧機器人中的角度位移傳感器，轉(zhuǎn)向模塊通過CAN總線通信模塊將角度位移傳感器采集的轉(zhuǎn)角信息傳遞至上位機，并且上位機發(fā)出的轉(zhuǎn)角指令通過CAN總線通信模塊傳遞至轉(zhuǎn)向模塊，由轉(zhuǎn)向模塊中的方向盤驅(qū)動模塊根據(jù)轉(zhuǎn)角指令驅(qū)動方向盤轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，以實現(xiàn)插秧機器人的轉(zhuǎn)向；

插植模塊包括插秧機器人中秧箱的控制模塊，該秧箱的控制模塊包括控制秧箱升降的插植手柄的控制模塊，以及秧爪的控制模塊，插植模塊通過CAN總線通信模塊獲取上位機發(fā)出的秧機執(zhí)行插秧作業(yè)指令，并根據(jù)秧機執(zhí)行插秧作業(yè)指令驅(qū)動插植手柄控制秧箱升降，以及控制秧爪插秧作業(yè)的啟停；

電源管理模塊通過CAN總線通信模塊獲取其他各個模塊的啟閉信息，實現(xiàn)對其他各模塊的供電；

上位機通過CAN總線通信模塊獲取其他各個模塊的信息，實現(xiàn)對導航定位模塊、插植模塊、變速模塊、轉(zhuǎn)向模塊和電源管理模塊工作狀態(tài)的監(jiān)控以及參數(shù)的讀取，上位機還向相應(yīng)的模塊傳送控制信息，接收到控制信息的其他模塊根據(jù)控制信息控制插秧機器人執(zhí)行相應(yīng)的動作。

所述上位機開發(fā)了路徑規(guī)劃模塊和信息融合模塊，所述的路徑規(guī)劃模塊實時規(guī)劃機器人行走的路徑，并在上位機顯示屏上顯示插秧機器人所處位置、已行走過的路徑以及目標位置信息，規(guī)劃的目標路徑信息都存儲在上位機中供導航定位模塊參考；所述的信息融合模塊，GPS定位模塊和慣性導航定位模塊將信息通過CAN總線通訊模塊傳輸至上位機加以融合處理，得出精確的導航信息通過CAN總線通信模塊傳輸至變速模塊和轉(zhuǎn)向模塊。

如圖2所示，基于GPS和慣導的插秧機器人控制方法，包括以下步驟：

步驟1：電源管理模塊開啟，上位機獲取插秧機電源開啟指令，激活本機中的路徑規(guī)劃模塊、信息融合模塊，并將電源開啟信息通過CAN總線通信模塊發(fā)送至其他各模塊；

步驟2：導航定位模塊通過CAN總線通信模塊獲取由上位機發(fā)出的開啟信息，采用GPS導航定位模塊實現(xiàn)對插秧機器人的絕對位置定位，采用慣性導航定位模塊實現(xiàn)插秧機機器人的相對位置定位，兩種傳感器相互協(xié)同工作，GPS導航定位模塊實時糾正慣性導航定位模塊長時間工作積累的誤差，以提高慣性導航定位模塊的精度；最后分別將兩種傳感器獲取的插秧機的位置、行走速度、航向角度導航信息通過CAN總線通信模塊發(fā)送至上位機信息融合模塊；

步驟3：信息融合模塊將GPS導航定位模塊和慣性導航定位模塊獲取的插秧機位置坐標、航向角度信息進行融合處理，得出更精確的坐標、航向角度信息，通過CAN總線通信模塊發(fā)送給變速模塊和轉(zhuǎn)向模塊；

步驟4：變速模塊通過CAN總線通信模塊獲取航向角度、目標位置信息，驅(qū)動電機調(diào)控變速控制機器人行走，并將行走的速度信息通過CAN總線通信模塊發(fā)送至上位機；

步驟5：轉(zhuǎn)向模塊通過CAN總線通信模塊將角度位移傳感器采集的轉(zhuǎn)角信息發(fā)送至上位機，接收上位機發(fā)出的轉(zhuǎn)角指令，驅(qū)動方向盤轉(zhuǎn)動以控制機器人的行走方向；

步驟6：若插植模塊通過CAN總線通信模塊獲取的上位機發(fā)出指令是插秧工作指令，則驅(qū)動秧箱降到最低位置開始執(zhí)行插秧作業(yè)，并將工作信息通過CAN總線通信模塊發(fā)送至上位機；若插植模塊通過CAN總線通信模塊獲取的上位機發(fā)出指令是轉(zhuǎn)向信息，則驅(qū)動秧箱上升至最高位置，轉(zhuǎn)向模塊執(zhí)行轉(zhuǎn)向指令，轉(zhuǎn)向完成后角度位移傳感器將相應(yīng)信息通過CAN總線通信模塊發(fā)送至上位機；

步驟7：電源管理模塊通過CAN總線通信模塊獲取各模塊的啟閉信息，實現(xiàn)對各模塊的供電。

通過步驟1-7的描述，實現(xiàn)了正常工作情況下插秧機器人對目標區(qū)域的行走、轉(zhuǎn)彎、插秧作業(yè)，對于以上模塊已在控制系統(tǒng)中已做描述，在此不再進行重復。所述插秧機器人出現(xiàn)故障情況下控制方法還包括以下步驟：

若上位機在監(jiān)控中處理信息結(jié)果為異常，將異常指令發(fā)送至CAN總線通信模塊，各受控模塊根據(jù)相應(yīng)指令做出調(diào)整；

若上位機在監(jiān)控中處理信息結(jié)果為出錯，將出錯指令發(fā)送至CAN總線通信模塊，電源管理模塊切斷各受控模塊的供電；

若上位機從CAN總線通信模塊只獲取GPS導航定位或慣性導航一種傳感器的導航參數(shù)，則停止信息融合模塊的工作，上位機顯示導航定位模塊報錯。