專利名稱：一種果園機械導航系統的制作方法
技術領域：
一種果園機械導航系統技術領域[0001]本實用新型涉及果園機械導航技術領域，尤其涉及一種果園機械導航系統。
技術背景[0002]自動導航技術是智能化果園作業裝備開發的關鍵技術之一。GPS信號在果園中會受到果樹樹冠的阻擋，因此，以GPS為主要傳感器的導航系統在果園中應用具有局限性。目前存在的果園機械導航系統有機械導航系統、電磁導航系統、視覺導航系統和超聲波導航系統等。機械導航系統存在不能完全解放勞動力的缺點；電磁導航系統存在結構和位置計算復雜，改造和維護困難的缺點；由于果園環境復雜，呈現非結構化的特點，同時果園中存在多種隨機噪聲信號，因此，視覺導航系統和超聲波導航系統都容易受到外界環境的干擾， 造成誤差較大。因此，研制一種新型的適合于果園特殊環境的導航系統對智能化果園作業裝備的開發具有重要意義。[0003]CAN總線技術作為一種有效支持實時分布式控制的串行通信網絡，具有高的可靠性和實時性，目前，CAN總線廣泛應用在離散控制領域。由于計算機技術、電子技術和控制技術在導航中的普遍應用，對傳感器、控制單元和處理器之間的數據傳輸提出了新的要求， 同時考慮到導航系統應具有可擴展性，使得將CAN總線引入果園機械導航具有重要意義。[0004]目前果園機械導航多采用工控機或個人計算機作為導航任務處理器，但其體積較大，且需要交流電源供電，給果園機械導航系統的研究開發帶來不便。發明內容[0005]本實用新型的目的在于克服現有果園機械導航系統的缺點，提供一種體積小、可擴展、高精度、具有自適應功能的果園機械導航系統。[0006]本實用新型的一種果園機械導航系統，由嵌入式計算機、二維激光掃描儀、速度檢測單元、角度檢測單元、GPS接收處理單元、轉向控制單元組成。[0007]所述嵌入式計算機作為上位機，角度檢測單元、速度檢測單元、GPS接收處理單元、 轉向控制單元之間均為下位機，上位機與下位機之間，下位機各單元之間均采用CAN總線進行連接，形成分布式控制系統。[0008]果園機械本體在果樹行間行走時，激光掃描儀，角度檢測單元，速度檢測單元將檢測得到的信息傳送給嵌入式計算機；果園機械在果園地頭轉彎和道路運輸時，GPS接收處理單元、角度檢測單元和速度檢測單元檢測得到的信息傳送給嵌入式計算機；嵌入式計算機運行路徑規劃算法和導航控制算法后，將控制指令傳送給轉向控制單元，轉向控制單元控制果園機械本體轉向。[0009]所述角度檢測單元由角度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器1、CAN總線驅動器1、電源轉換電路1組成。[0010]所述速度檢測單元由速度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器2、CAN總線收發器2、電源轉換電路2組成。[0011]所述GPS接收處理單由GPS傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器3、CAN總線驅動器3、電源轉換電路3組成。[0012]所述轉向控制單元由伺服電機驅動器、伺服電機、帶CAN通訊功能的微處理器4、 CAN總線收發器4、電源轉換電路4組成。[0013]所述GPS接收處理單元中，GPS傳感器通過RS232串口將果園機械位置信息傳送給微處理器3 ；轉向檢測單元中，微處理器4通過RS232串口向伺服電機驅動器發送控制指令。[0014]所述二維激光掃描儀將掃描的果樹位置信息通過RS232串口傳送給嵌入式計算機。[0015]本實用新型與現有果園機械導航系統相比具有如下優點和效果[0016]1)本實用新型采用CAN總線系統連接各檢測單元和控制單元，基于IS011783協議在總線上傳輸信息，形成分布式控制系統，可在總線上添加檢測和控制單元，為將來導航系統功能的擴展提供了方便。[0017]2)本實用新型提出分段導航在果樹行間時，利用激光掃描儀獲取果樹位置信息，結合角度單元和速度單元提供的角度和速度信息，引導果園機械在果樹行間行走；當果園機械在地頭轉彎和道路運輸時，利用GPS接收處理單元獲取果園機械位置信息，結合角度和速度單元提供的角度和速度信息，引導果園機械在果樹行間行走，通過分段導航，有效利用導航系統中各傳感器的特點，使得果園機械導航系統能有更高的精度和適應性。[0018]3)本實用新型控制終端采用嵌入式計算機，具有直流供電、處理速度快、功耗小等特點，有效地降低了導航系統的體積和功耗，能夠促進果園機械導航系統的實際應用。


[0019]圖1為果園機械導航系統結構框圖；[0020]圖2為角度檢測單元電氣原理圖；[0021]圖3為速度檢測單元電氣原理圖；[0022]圖4為GPS接收處理單元電氣原理圖；[0023]圖5為轉向控制單元電氣原理圖。
具體實施方式
[0024]
以下結合附圖舉例，對本實用新型作更詳細地描述。[0025]一種果園機械導航系統，由嵌入式計算機、二維激光掃描儀、速度檢測單元、角度檢測單元、GPS接收處理單元、轉向控制單元組成，見圖1。[0026]所述嵌入式計算機作為上位機，角度檢測單元、速度檢測單元、GPS接收處理單元、 轉向控制單元之間均為下位機，上位機與下位機之間，下位機各單元之間均采用CAN總線進行連接，形成分布式控制系統；[0027]果園機械本體在果樹行間行走時，激光掃描儀，角度檢測單元，速度檢測單元將檢測得到的信息傳送給嵌入式計算機；果園機械在果園地頭轉彎和道路運輸時，GPS接收處理單元、角度檢測單元和速度檢測單元檢測得到的信息傳送給嵌入式計算機；嵌入式計算機運行路徑規劃算法和導航控制算法后，將控制指令傳送給轉向控制單元，轉向控制單元控制果園機械本體轉向。[0028]所述角度檢測單元由角度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器1、CAN總線驅動器 1、電源轉換電路1組成。[0029]所述速度檢測單元由速度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器2、CAN總線收發器、 電源轉換電路2組成。[0030]所述GPS接收處理單由GPS傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器3、CAN總線驅動器3、電源轉換電路3組成。[0031]所述轉向控制單元由伺服電機驅動器、伺服電機、帶CAN通訊功能的微處理器4、 CAN總線收發器、電源轉換電路4組成。[0032]所述GPS接收處理單元中，GPS傳感器通過RS232串口將果園機械位置信息傳送給微處理器3 ；轉向檢測單元中，微處理器4通過RS232串口向伺服電機驅動器發送控制指令。[0033]嵌入式計算機是整個系統的控制終端，作為上位機使用。激光掃描儀通過RS232 串口傳送掃描到的果樹位置信息給嵌入式計算機，角度、速度及GPS接收處理單元將檢測到的果園機械本體前輪轉角、速度及位置信息經過處理后，以CAN數據包的形式發送到總線上供嵌入式計算機接收，嵌入式計算機運行路徑規劃和導航控制算法后，將控制指令發送到總線上供轉向控制單元接收，轉向控制單元控制果園機械本體轉向。伺服電機驅動器由蓄電池12V供電，嵌入式計算機通過電源轉換電路5將12V蓄電池轉換為5V供電。[0034]如圖2所示，角度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器Ul、CAN總線收發器S1、5V 電源轉換電路1組成角度檢測單元，安裝在果園機械本體前輪附近，采集處理果園機械本體前輪轉角信息。將處理后的信息以CAN數據包的形式按照IS011783協議通過CAN總線收發器Sl發送到CAN總線上。[0035]角度檢測單元中，電源轉換電路1的穩壓芯片Pl將12V電壓轉換成5V，P1的輸入端引腳ι與12V蓄電池的正極相連，1腳與地間聯接電容Cl，引腳2和3接地，Pl的輸出端 2腳經過電感Ll與微處理器Ul的23腳VDD、CAN總線收發器Sl的1腳及角度傳感器的3 腳相連，提供5V電壓，電感Ll兩端與地之間分別連接發光二極管D2及電容C2。微處理器 Ul的20，、21腳分別接在晶振兩端，并通過電容C3、C4與地相連。微處理器Ul的引腳10與電容C5、C6及電阻Rl組成復位電路。Ul的1、22引腳都接地。Ul的4腳與角度傳感器的 2腳AD輸出端連接，將角度傳感器檢測到的果園機械本體前輪轉角模擬信號轉換成數字信號，角度傳感器的引腳1接地。Ul的2、3引腳與CAN總線收發器Sl的4、3引腳相連，Sl的 6、7引腳連接到外部CAN總線電路上，將經過Ul處理后的角度信息通過CAN總線收發器Sl 發送到CAN總線上，供嵌入式計算機接收。Sl的引腳2和8接地，引腳1和引腳2間并聯兩個電容C7、C8。Sl的6引腳與地間并聯兩個電容C9、C10。CANH和CANL之間有一個120 歐的電阻R5，通過外部的短接線可以選擇是否作為終端使用。[0036]如圖3所示，速度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器U2、CAN總線驅動器S2、5V 電源轉換電路2組成速度檢測單元，安裝在果園機械發動機飛輪附近，采集處理果園機械本體速度信息。微處理器將處理后的速度信息以CAN數據包的形式按照IS011783協議通過CAN總線收發器S2發送到CAN總線上。[0037]速度檢測單元中，電源轉換電路2的穩壓芯片P2將12V電壓轉換成5V，P2的輸入端引腳1與12V蓄電池的正極相連，1腳與地間聯接電容C12，引腳2和3接地，P2的輸出端2腳經過電感L2與微處理器U2的23引腳、CAN總線收發器S2的1引腳及速度傳感器的 1引腳相連，提供5V電壓，電感L2兩端與地之間分別連接發光二極管D4及電容C13。微處理器U2的20、21腳分別接在晶振兩端，并通過電容C14、C15與地相連。微處理器U2的引腳10與電容C16、C17及電阻R6組成復位電路。U2的1、22引腳都接地。U2的4腳與速度傳感器的3腳OUT端連接，接收速度傳感器檢測到的果園機械本體速度信息，速度傳感器的引腳2接地。U2的2、3引腳與CAN總線收發器S2的4、3引腳相連，S2的6、7引腳連接到外部CAN總線電路上，將經過U2處理后的速度信息通過CAN總線收發器S2發送到CAN總線上，供嵌入式計算機接收。S2的引腳2和8接地，引腳1和引腳2間并聯兩個電容C18、 C19。Sl的6引腳與地間并聯兩個電容C20、C21。CANH和CANL之間有一個120歐的電阻 R10，通過外部的短接線可以選擇是否作為終端使用。[0038]如圖4所示，GPS傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器U3、CAN總線驅動器S3、RS232 串口芯片Ml及電源轉換電路3組成GPS接收處理單元，安裝在果園機械本體中部，當果園機械本體在果園地頭轉彎及道路運輸時，GPS接收處理單元可以穩定的給上位機提供果園機械位置信息。GPS傳感器采集果園機械位置信息，通過擴展的RS232接口向微處理器U3 傳遞果園機械位置信息，微處理器獲取果園機械的位置信息并進行處理，將處理后的信息以CAN數據包的形式按照IS011783協議通過CAN總線收發器S3發送到CAN總線上。[0039]GPS接收處理單元中，電源轉換電路3的穩壓芯片P3將12V電壓轉換成5V，P3的輸入端引腳1與12V蓄電池的正極相連，1腳與地間聯接電容C23，引腳2和3接地，P3的輸出端2腳經過電感L3與微處理器U3的23腳、CAN總線收發器S3的1腳及GPS傳感器的 4腳相連，提供5V電壓，電感L3兩端與地之間分別連接發光二極管D6及電容C24。微處理器U3的20，、21腳分別接在晶振兩端，并通過電容025、以6與地相連。微處理器U3的引腳 10與電容C27、(^8及電阻Rll組成復位電路。U3的1、22引腳都接地。GPS傳感器通過芯片Ml將果園機械位置信息傳遞給微處理器U3，U3的11、13引腳分別與芯片Ml的11、12引腳相連，Ml的13,14引腳通過9針串口與GPS傳感器的2、3引腳相連。Ml的1，3引腳通過電容C34相連，4，5引腳通過電容C36相連，引腳2，16通過電容C35相連，并與穩壓芯片P3 的2腳連接，接收5V供電。Ml芯片15引腳接地，同時引腳15和引腳6通過電容C37相連。 U3的2、3引腳與CAN總線收發器S3的4、3引腳相連，S3的6、7引腳連接到外部CAN總線電路上，將經過U3處理后的位置信息通過CAN總線傳遞給嵌入式計算機，S3的6引腳與地間并聯兩個電容C29、C30。S3的引腳2和8接地，引腳1和引腳2間并聯兩個電容C31、 C32。CANH和CANL之間有一個120歐的電阻R15，通過外部的短接線可以選擇是否作為終端使用。[0040]如圖5所示，伺服電機驅動器、伺服電機、帶CAN通訊功能的微處理器U4、CAN總線收發器S4、RS232串口芯片M2及電源轉換電路4組成轉向控制單元，安裝在果園機械本體的方向盤附近，上位機通過CAN總線將控制指令發送給微處理器U4，微處理器運行前輪轉向控制算法后，將電機轉動指令通過RS232串口傳送給電機驅動器，伺服電機驅動器發送信號驅動伺服電機轉動，控制果園機械的轉向。[0041]轉向控制單元中，電源轉換電路4的穩壓芯片P4將12V電壓轉換成5V，P4的輸入端引腳1與12V蓄電池的正極相連，1腳與地間聯接電容C38，引腳2和3接地，P4的輸出端2腳經過電感4與微處理器U4的23腳、CAN總線收發器S4的1腳相連提供5V電壓，電感L3兩端與地之間分別連接發光二極管D8及電容C39。微處理器U4的20，、21腳分別接在晶振兩端，并通過電容C40、C41與地相連。微處理器U4的引腳10與電容C42、C43及電阻R16組成復位電路。U4的1、22引腳都接地。U4的2、3引腳與CAN總線收發器S4的4、 3引腳相連，S4的6、7引腳連接到外部CAN總線電路上，接收來自嵌入式計算機的轉向控制指令和角度控制單元檢測的果園機械前輪轉向角信息。S4的6引腳與地間并聯兩個電容C46、C47。S4的引腳2和8接地，引腳1和引腳2間并聯兩個電容C44、C45。 CANH和 CANL之間有一個120歐的電阻R20，通過外部的短接線可以選擇是否作為終端使用。U4將接收到的轉向控制指令和前輪轉向角信息進過處理后，發送電機轉動指令給伺服電機驅動器，通過伺服電機的轉動控制果園機械本體的轉向。U4通過芯片M2將電機轉動指令傳送給伺服電機驅動器，U4的11,13引腳分別與芯片M2的11,12引腳相連，M2的13,14引腳通過9針串口與伺服電機驅動器相連。M2的1，3引腳通過電容C49相連，4，5引腳通過電容 C51相連，引腳2，16通過電容C50相連，并與穩壓芯片P4的2腳連接，接收5V供電。M2芯片15引腳接地，同時引腳15和引腳6通過電容C52相連。伺服電機驅動器通過蓄電池進行12V供電。
權利要求1.一種果園機械導航系統，由嵌入式計算機、二維激光掃描儀、速度檢測單元、角度檢測單元、GPS接收處理單元、轉向控制單元組成；所述嵌入式計算機作為上位機，角度檢測單元、速度檢測單元、GPS接收處理單元、轉向控制單元之間均為下位機，上位機與下位機之間，下位機各單元之間均采用CAN總線進行連接，形成分布式控制系統；果園機械本體在果樹行間行走時，激光掃描儀，角度檢測單元，速度檢測單元將檢測得到的信息傳送給嵌入式計算機；果園機械在果園地頭轉彎和道路運輸時，GPS接收處理單元、角度檢測單元和速度檢測單元檢測得到的信息傳送給嵌入式計算機；嵌入式計算機運行路徑規劃算法和導航控制算法后，將控制指令傳送給轉向控制單元，轉向控制單元驅動果園機械本體轉向。
2.根據權利要求1所述的果園機械導航系統，其特征是所述角度檢測單元由角度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器1、CAN總線驅動器1、電源轉換電路1組成。
3.根據權利要求1所述的果園機械導航系統，其特征是所述速度檢測單元由速度傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器2、CAN總線收發器、電源轉換電路2組成。
4.根據權利要求1所述的果園機械導航系統，其特征是所述GPS接收處理單由GPS傳感器、帶CAN通訊功能的微處理器3、CAN總線驅動器3、電源轉換電路3組成。
5.根據權利要求1所述的果園機械導航系統，其特征是所述轉向控制單元由伺服電機驅動器、伺服電機、帶CAN通訊功能的微處理器4、CAN總線收發器4、電源轉換電路4組成。
6.根據權利要求4所述的果園機械導航系統，其特征是所述GPS接收處理單元中， GPS傳感器通過RS232串口將果園機械位置信息傳送給微處理器3 ；轉向檢測單元中，微處理器4通過RS232串口向伺服電機驅動器發送控制指令。
7.根據權利要求1所述的果園機械導航系統，其特征是所述二維激光掃描儀將掃描的果樹位置信息通過RS232串口傳送給嵌入式計算機。
專利摘要本實用新型公開了一種果園機械導航系統，由嵌入式計算機、二維激光掃描儀、速度檢測單元、角度檢測單元、GPS接收處理單元、轉向控制單元等組成；該系統利用二維激光掃描儀獲取果樹位置信息，通過RS232串口傳送給嵌入式計算機。利用GPS傳感器測量得到果園機械的位置信息，通過速度傳感器測量得到果園機械的行駛速度，通過角度傳感器測量得到果園機械前輪轉角，三者信息傳送給帶CAN通訊功能的微處理器，微處理器對信息進行處理后以CAN數據包的形式發送給嵌入式計算機。嵌入式計算機運行路徑規劃以及導航控制算法后，將控制指令以CAN數據包形式發送給轉向控制單元。該系統可用于果園非結構化環境的機械導航。
文檔編號G05B19/418GK202257227SQ20112034429
公開日2012年5月30日 申請日期2011年9月15日 優先權日2011年9月15日
發明者武濤, 王虎, 蔣浩然, 袁池, 趙志翔, 陳軍, 雷王利, 高 浩 申請人:西北農林科技大學