基于空地协作的设施环境下自主作业高精度导航装置

测量装置的制造及其应用技术1.本实用新型属于设施农业技术领域，涉及一种基于空地协作的设施环境下自主作业高精度导航装置，为设施环境内输送、植保、收获、巡检等作业平台提供高精度导航与定位。背景技术：2.近年来，设施农业种植面积逐年增加，在农业生产的占比越来越大，利用智能化与无人化的精确自主导航作业不仅可以极大地解放劳动力，而且可以提高作业效率。大田农业因其生产场景相对简单且具备gps等比较成熟的导航定位技术，相对容易实现无人化作业；而设施农业内部空间相对狭小、场景较为复杂，并且由于设施框架结构导致的内部定位信号的屏蔽、衰减作用和通讯信号的多路径效应等问题的存在，导致定位信号强度大大降低，使其无法应用于设施内部的精确定位导航，如何满足设施农业中的耕作、播种、植保、收获、物流等自主作业所需的高精度导航需求显得尤为重要。3.通过对现有技术的文献检索发现，“一种设施农业用精确定位的单轨物流车”专利申请号202110137044.9的发明专利采用导航与定位的方式为在设施大棚两侧的立柱之间铺设轨道，可以使小车沿固定的轨道行驶。虽然该方式稳定性较好，精度高，然而该方式只能在设施内部一侧进行作业，无法进入单行执行相关的作业。“一种温室只能移动机器人视觉导航路径识别方法”专利申请号201310670524.7的发明专利采用导航与定位的方式为摄像头采集信息后进行处理最终得到导航路径信息，虽然该方式的精度高、实时性好，但是，摄像头对光线具有很强的依赖性，难以做到全天候稳定运行。“温室自主作业导航控制装置、方法及控制器”专利申请号201811578485.7的发明专利是利用基站发射超脉宽信号到达移动工作台的时间差来对移动工作台进行定位与导航，虽然该方式实时性好，但是，设施内部的作物较为密集对信号就有很大的干扰性，从而导致定位精度较低。4.针对现有设施温室导航与定位存在的问题，急需发明设施环境下自主作业高精度导航装置与方法，为设施环境内输送、植保、收获、巡检等自主作业平台提供高精度导航与定位。技术实现要素：5.本实用新型要解决的技术问题是针对以上不足，提供基于空地协作的设施环境下自主作业高精度导航装置，通过在设施温室通行路线上方搭建可移动电磁线和在内部布置uwb定位基站的方式，在复杂的设施环境中实现自主作业车高精度导航与定位。6.为解决以上技术问题，本实用新型采用以下技术方案：7.基于空地协作的设施环境下自主作业高精度导航装置，包括电磁线导航系统、自主作业车、定位系统和云平台，所述电磁线导航系统位于设施温室内种植地块的上方，用于规划所述自主作业车的作业路径，使所述自主作业车按照规定的路线行驶；所述自主作业车位于电磁线导航系统的正下方，依靠电磁线导航系统在设施环境下完成高精度进行作业；所述定位系统用于确定自主作业车在设施温室内所处的地块位置，以确定接下来的运行路线；所述云平台通过4g或5g网络方式连接不同地块的电磁线导航系统、定位系统和多个自主作业车，实现云端集中管控。8.进一步的，所述电磁线导航系统包括信号源发生器和电磁线，信号源发生器连接电磁线，为电磁线提供电磁信号，电磁线布置在设施温室的通行道路上方，使电磁线周围会产生相对稳定的磁场。9.进一步的，所述电磁线导航系统还包括第一动滑轮和第二动滑轮，第一动滑轮连接有第一行进电机，第二动滑轮连接有第二行进电机，其中北边东西方向的电磁线固定不能移动，东边和西边南北方向的电磁线固定不能移动，行间的电磁线可以在第一动滑轮和第二动滑轮带动下沿东西方向移动，电磁线经第一动滑轮和第二动滑轮产生十字交叉电磁信号和直角电磁信号；10.所述电磁线导航系统还包括导轨，导轨固定到设施温室骨架上，第一行进电机和第二行进电机均安装在导轨上，可沿导轨运动，导轨内部设有齿条，配合第一行进电机和第二行进电机精确运动，通过第一动滑轮和第二动滑轮带动行间的电磁线发生水平运动。11.进一步的，所述电磁线导航系统还包括导航系统控制终端，导航系统控制终端连接信号源发生器、第一行进电机和第二行进电机，导航系统控制终端远程连接云平台，通过远程无线通信接收云平台的控制指令，实现信号源发生器的开闭、第一行进电机和第二行进电机的正转、反转和停止。12.进一步的，所述电磁线导航系统还包括定滑轮，定滑轮固定到设施温室骨架上，电磁线的三个拐角处各设置一定滑轮，电磁线穿过定滑轮，使北边东西方向的电磁线转为南北方向，西边南北方向的电磁线转为东西方向，在拐弯处产生直角电磁信号。13.进一步的，所述自主作业车包括底盘，底盘上固定有驱动机构、升降机构和电磁检测传感器，驱动机构用于驱动自主作业车的整体运动，实现前进后退和原地转弯；升降机构一端固定在底盘上，另一端连接电磁检测传感器，用于调节电磁检测传感器的高度；14.所述自主作业车还包括编码器和自主作业车控制终端，编码器实现在巡线行驶过程中记录里程，融合定位系统数据实现精确定位；自主作业车控制终端一端连接驱动机构、升降机构、电磁检测传感器和编码器，另一端连接云平台，通过接收云平台的控制指令实现自主作业车的前进、后退、直角转弯，并将编码器测量的里程数据上传到云平台。15.进一步的，所述电磁检测传感器通过升降机构安装到底盘的中心上，当自主作业车原地绕底盘中心转向时，电磁检测传感器绕底盘中心同步转动，电磁检测传感器位于电磁线的正下方，以电磁线为中心对称设有若干垂直于电磁线的垂直电感，以电磁线为中心对称设有若干平行于电磁线的平行电感，垂直电感用于检测垂直于电磁检测传感器的电磁信号，平行电感用于检测平行于电磁检测传感器的电磁信号，用于保证装置沿电磁线铺设的方向前进和转向的信号获取。16.进一步的，所述定位系统包括uwb定位模块和定位系统采集终端，uwb定位模块通过自主作业车自身的定位标签和定位基站来获取自主作业车当前位置，融合编码器测量的行驶里程数据实现自主作业车在地块作业区域高精度定位，能够精准分辨出地块编号和自动作业车在电磁线下的粗略位置；定位采集系统终端，一端连接uwb定位模块，另一端连接云平台，用于将自主作业车的位置坐标上传到云平台。17.进一步的，所述云平台包括自作作业车路径规划模块、空中可移动电磁线运动控制模块和自主作业车控制模块，自主作业车路径规划模块用于计算自主作业车的实时位置与工作地块间的坐标，并规划自主作业车从当前位置到达工作地块的行驶路径；空中可移动电磁线运动控制模块用于自主作业车在进入工作地块前开启本地块的电磁线导航系统中的信号源发生器、自主作业车在地块间运动时移动行间的电磁线和自主作业车离开地块后关闭本地块的电磁线导航系统中的信号源发生器；自主作业车控制模块用于根据规划行驶路径向自主作业车发送控制指令。18.本实用新型采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：19.1、通过架设可移动电磁线进行导航，可靠性高，实现自主作业车高精度巡线导航作业；20.2、将uwb定位方式与编码器定位方式进行结合，解决了设施温室内部遮挡物较多情况下uwb定位精度低和断电复位情况下编码器记录数据丢失的问题，实现了在实施温室内部，大范围、高精度的自主作业引导。附图说明21.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。22.图1为空中可移动电磁线布置结构示意图；23.图2为uwb定位基站布置与进行作业轨迹示意图；24.图3为电磁检测传感器电感分布方式与十字交叉磁线相对位置示意图；25.图4为电磁检测传感器电感分布方式与垂直磁线相对位置示意图；26.图5为自主作业车行进示意图；27.图6为各终端与云平台连接示意图；28.图中：1、信号源发生器；2、电磁线；3、第一动滑轮；4、第一行进电机；5、第二动滑轮；6、第二行进电机；7、定滑轮；8、导轨；9、定位基站；10、定位标签；11、垂直电感；12、平行电感；13、自主作业车；14、升降机构；15电磁检测传感器。具体实施方式29.实施例1，如图1至图6所示，基于空地协作的设施环境下自主作业高精度导航装置，包括电磁线导航系统、自主作业车13、定位系统和云平台，所述电磁线导航系统可移动，电磁线导航系统位于设施温室内种植地块的上方，用于规划所述自主作业车13的作业路径，使所述自主作业车13按照规定的路线行驶；所述自主作业车13位于电磁线导航系统的正下方，依靠电磁线导航系统在设施环境下完成高精度进行作业；所述定位系统用于确定自主作业车13在设施温室内所处的地块位置，以确定接下来的运行路线；所述云平台通过4g或5g网络等方式连接不同地块的电磁线导航系统、定位系统和多个自主作业车，实现云端集中管控。30.所述电磁线导航系统，包括信号源发生器1、电磁线2、第一动滑轮3、第二动滑轮5、三个定滑轮7、第一行进电机4、第二行进电机6、导轨8和导航系统控制终端，信号源发生器1连接电磁线2，为电磁线2提供电磁信号；电磁线2布置在设施温室的通行道路上方，由信号源发生器1为电磁线2提供电磁信号，使电磁线2周围会产生相对稳定的磁场。31.所述第一动滑轮3和第二动滑轮5连接电磁线2，第一动滑轮3连接第一行进电机4，第二动滑轮5连接第二行进电机6，北边东西方向的电磁线2固定不能移动，东边和西边南北方向的电磁线2固定不能移动，行间的电磁线2可以在第一动滑轮3和第二动滑轮5带动下沿东西方向移动，电磁线2经第一动滑轮3和第二动滑轮5产生十字交叉电磁信号和直角电磁信号。32.所述第一行进电机4和第二行进电机6均安装在导轨8上，可沿导轨运动；导轨8固定到设施温室骨架上，内部设有齿条，配合第一行进电机4和第二行进电机6精确运动，通过第一动滑轮3和第二动滑轮5带动行间的电磁线2发生水平运动。33.所述导航系统控制终端连接信号源发生器1、第一行进电机4和第二行进电机6，导航系统控制终端远程连接云平台，通过远程无线通信接收云平台的控制指令，实现信号源发生器1的开闭、第一行进电机4和第二行进电机6的正转、反转和停止。34.所述定滑轮7固定到设施温室骨架上，三个定滑轮7设置在电磁线2的拐角处，电磁线2穿过定滑轮7，使北边东西方向的电磁线2转为南北方向，西边南北方向的电磁线2转为东西方向，在拐弯处产生直角电磁信号。35.所述自主作业车13包括底盘、驱动机构、升降机构14、电磁检测传感器15、编码器和自主作业车控制终端，底盘是自主作业车13的机械基础，用于固定安装驱动机构、升降机构14和电磁检测传感器15；驱动机构用于驱动自主作业车13的整体运动，实现前进后退和原地转弯；升降机构14一端固定到底盘，另一端连接电磁检测传感器15，用于调节电磁检测传感器15的高度，以满足在不同高度的检测电磁线2需求。36.所述电磁检测传感器15通过升降机构14安装到底盘的中心上，当自主作业车13原地绕底盘中心转向时，电磁检测传感器15绕底盘中心同步转动，电磁检测传感器15位于电磁线2的正下方，以电磁线2为中心对称设有若干垂直于电磁线2的垂直电感11，以电磁线2为中心对称设有若干平行于电磁线2的平行电感12，垂直电感11用于检测垂直于电磁检测传感器15的电磁信号，平行电感12用于检测平行于电磁检测传感器15的电磁信号，用于保证装置沿电磁线2铺设的方向前进和转向的信号获取。37.所述编码器连接到自主作业车13上，实现在巡线行驶过程中记录里程，融合定位系统数据实现精确定位；自主作业车控制终端一端连接驱动机构、升降机构14、电磁检测传感器15和编码器，另一端连接云平台，通过接收云平台的控制指令实现自主作业车13的前进、后退、直角转弯，并将编码器测量的里程数据上传到云平台。38.所述定位系统，包括uwb定位模块和定位系统采集终端，uwb定位模块通过自主作业车13自身的定位标签10和定位基站9来获取自主作业车13当前的大体位置，融合编码器测量的行驶里程数据实现自主作业车13在地块作业区域高精度定位，能够精准分辨出地块编号和自动作业车在电磁线2下的粗略位置；定位采集系统终端，一端连接uwb定位模块，另一端连接云平台，用于将自主作业车13的位置坐标上传到云平台。39.所述云平台，包括自作作业车路径规划模块、空中可移动电磁线运动控制模块和自主作业车控制模块。自主作业车路径规划模块用于计算自主作业车的实时位置与工作地块间的坐标，并规划自主作业车13从当前位置到达工作地块的行驶路径；空中可移动电磁线运动控制模块用于自主作业车13在进入工作地块前开启本地块的电磁线导航系统中的信号源发生器1、自主作业车在地块间运动时移动行间的电磁线2和自主作业车13离开地块后关闭本地块的电磁线导航系统中的信号源发生器1；自主作业车控制模块用于根据规划行驶路径向自主作业车13发送控制指令。40.本实用新型基于空地协作的设施环境下自主作业的导航方法，包括如下过程：41.步骤1，巡磁直行导航：当自主作业车13沿作业路线循线直行作业时，电磁检测传感器15的两侧垂直电感11采集两侧磁通量的大小，将采集值进行归一化处理，判定自主作业车13相对于电磁线2的左右位置，当位置出现偏差时，调整自主作业车13的行进方向，使自主作业车13沿电磁线2架设的方向前进。行间的电磁线2如果出现下垂时，在自主作业车13巡线的过程中，通过升降机构14调节电磁检测传感器15的对地高度，使得电磁检测传感器15与电磁线2的垂直距离基本保持不变。42.步骤2，十字交叉线电磁信号转向导航：当自主作业车13沿作业路线循线直行作业时，电磁检测传感器15的两侧平行电感12采集两侧磁通量的大小，将采集值进行归一化处理，判定自主作业车13是否到达十字线电磁信号处，当两侧磁通量逐渐增大时，表示自主作业车13接近十字交叉电磁信号处，当两侧磁通量达到最大时，表示自主作业车13处于十字交叉电磁信号正下方，此时自主作业车13绕底盘中心旋转90°转向。43.步骤3，行间的电磁线2水平移动：第一行进电机4正转，通过第一动滑轮3带动东侧行间的电磁线2向东水平移动，第一行进电机4停止，东侧行间的电磁线2停止运动；第一行进电机4反转，通过第一动滑轮3带动行间的电磁线2向西水平移动，第一行进电机4停止，东侧行间的电磁线2停止运动；第二行进电机6正转，通过第二动滑轮5带动西侧行间的电磁线2向东水平移动，第二行进电机6停止，西侧行间的电磁线2停止运动；第二行进电机6反转，通过第二动滑轮5带动西侧行间的电磁线2向西水平移动，第二行进电机6停止，西侧行间的电磁线2停止运动；44.步骤4，直角电磁信号转向导航：当自主作业车13沿作业路线循线直行作业时，电磁检测传感器15的两侧平行电感12采集两侧磁通量的大小，将采集值进行归一化处理，判定自主作业车13是否到达直角电磁信号处，当只有一侧磁通量逐渐增大时，表示自主作业车13接近直角电磁信号处，当一侧磁通量达到最大时，表示自主作业车13处于直角电磁信号正下方，此时自主作业车13绕底盘中心旋转90°转向。45.步骤5，巡直角电磁信号行驶导航：当自主作业车13检测到行间的电磁线2的直角电磁信号转向后，行间的电磁线2水平向西或向东移动，此时，直角电磁信号随电磁线2运动方向水平向西或向东运动，自主作业车13追随直角电磁信号行驶。46.步骤6，定位信息融合：在自主作业车13运动过程中，自主作业车13自身的uwb定位标签10与定位基站9进行信号交互，确定自主作业车13当前的大体位置，自主作业车13上的编码器记录自主作业车13行驶的精确里程，当到达每行的转弯处时，即电磁检测传感器15检测到十字交叉电磁信号或直角电磁信号时，编码器的里程根据每行的实际距离进行自动校准，保证编码器记录里程数的精度，当自主作业车13出现掉电复位时，uwb定位系统可以提供装置大概位置，控制器根据大概位置对编码器进行初步赋值，等待下一个转弯处时，对编码器的行驶里程进行校准，保证对自主作业车13所处位置定位的准确性。47.步骤7，进入作业区域导航：作业开始时，由工作人员在云平台上确定装置的作业区域，云平台根据预先设置好的设施温室内部地块场景地图确定作业的初始位置，云平台将包含作业初始位置点的数据串发送给自主作业车13，自主作业车控制终端将接收到的数据串进行解析，规划好行驶路线。48.自主作业车13由初始位置进入作业地块i-j(i≤m,j≤n)过程如下：自主作业车13沿地块1-1北侧电磁线2行驶，当电磁检测传感器15检测到2#直角电磁信号时，继续向前行驶进入电磁信号盲区，此时电磁检测传感器15检测不到电磁信号，自主作业车13继续前行；当电磁检测传感器15检测到地块2-1的2#直角电磁信号时，表示进入地块2-1，自主作业车13继续寻电磁线2直行，按照上述方式，进入下一地块；当电磁检测传感器15检测到地块i-1的直角电磁信号时，自主作业车13顺时针绕底盘旋转90°转向，此时地块i-1西侧南北方向的电磁线2正好处于电磁检测传感器15的信号检测范围之内，自主作业车13巡线行驶；当电磁检测传感器15检测到地块i-2的1#直角电磁信号时，表明自主作业车进入地块i-2，自主作业车13继续前行；按照上述方式，进入下一地块；当电磁检测传感器15检测到5#直角电磁信号时，自主作业车13继续向前行驶进入电磁信号盲区，此时电磁检测传感器15检测不到电磁信号，自主作业车13继续前行；当电磁检测传感器15检测到地块i-j的1#直角电磁信号时，表明自主作业车13进入地块i-j，自作作业车逆时针绕底盘中心旋转90°转向等待下一步指令。此时，作业地块i-j左侧行间的电磁线2移动到第1行过道偏左处，右侧行间的电磁线2移动到第1行过道正上方。49.步骤8，进入行间作业导航：自主作业车13巡北侧电磁线2行驶，当电磁检测传感器15检测到1#十字交叉电磁信号时，自作作业车继续向前行驶；当电磁检测传感器15检测到2#十字交叉电磁信号时，自主作业车13顺时针绕底盘中心旋转90°转向进入第1行过道，自主作业车13巡行间的电磁线2行驶；当电磁检测传感器15检测到3#直角电磁信号时，自主作业车13逆时针绕底盘中心旋转90°转向；第一行进电机4正转，通过第一动滑轮3带动行间的电磁线2和3#直角电磁信号向东移动，同时自主作业车13追随3#直角电磁信号行驶；当行间的电磁线2移动到第2行过道正上方时，第一行进电机4停止，3#直角电磁信号正处于第2行过道南端；当自主作业车13移动到3#直角电磁信号正下方时，逆时针绕底盘中心旋转90°转向进入行第2行过道，自主作业车13巡行间的电磁线2行驶；当电磁检测传感器15检测到2#十字交叉电磁信号时，自主作业车13顺时针绕底盘旋转90°转向停止；第一行进电机4正转，通过第一动滑轮3带动行间的电磁线2和2#十字交叉电磁信号向东水平移动，当行间的电磁线2移动到第3行过道正上方时，第一行进电机4停止，2#十字交叉电磁信号正处于第3行过道北端；自主作业车13巡北侧电磁线2行驶，进入下一循环。50.此时如果还有一台作业车在地块i-j巡西侧行间的电磁线2作业，其运动过程参照步骤8，西侧的行间的电磁线2始终处于东侧行间的电磁线2的左边。自主作业车13巡北侧电磁线2行驶，当电磁检测传感器15检测到1#十字交叉电磁信号时，自主作业车13顺时针绕底盘中心旋转90°转向进入第1行过道，自主作业车13巡行间的电磁线2行驶；当电磁检测传感器15检测到4#直角电磁信号时，自主作业车13逆时针绕底盘中心旋转90°转向停止；第二行进电机6正转，通过第二动滑轮5带动行间的电磁线2和4#直角电磁信号向东水平移动；当行间的电磁线2移动到第2行过道正上方时，第二行进电机6停止，4#直角电磁信号正处于第2行过道南端；此时自主作业车13巡线直行，当电磁检测传感器15检测到4#直角电磁信号时，自主作业车13逆时针绕底盘中心旋转90°转向进入行第2行过道，自主作业车13巡行间的电磁线2行驶；当电磁检测传感器15检测到2#十字交叉电磁信号时，自主作业车13顺时针绕底盘旋转90°转向停止；第二行进电机6正转，通过第二动滑轮5带动行间的电磁线和1#十字交叉电磁信号向东水平移动，当行间的电磁线2移动到第3行过道正上方时，第二行进电机6停止，1#十字交叉电磁信号正处于第3行过道北端；自主作业车13巡北侧电磁线2行驶，进入下一循环。51.步骤9，回到初始位置导航：自动作业车作业在地块i-j作业完成之后，巡线回到1#直角电磁信号处，绕底盘中心顺时针旋转90度，继续向前行驶进入电磁信号盲区，此时电磁检测传感器15检测不到电磁信号，自主作业车13继续前行；当电磁检测传感器15检测到地块i-(j-1)的5#直角电磁信号时，表示进入地块i-(j-1)地块，继续巡电磁线2形式；按照上述方式，进入下一地块；当进入地块i-1后，当电磁检测传感器15检测到地块i-1的1#直角电磁信号时，绕底盘中心逆时针旋转90度，继续向前行驶进入电磁信号盲区，此时电磁检测传感器15检测不到电磁信号，自主作业车13继续前行；当电磁检测传感器15检测到地块(i-1)-1的2#直角电磁信号时，表示进入地块i-(j-1)地块，继续巡线直行，按照上述方式，进入下一地块；当电磁检测传感器15检测到地块1-1的1#直角电磁信号时，自主作业车13回到初始位置。52.本实用新型的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。









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