基于四轮独立控制移动平台的自主行走作业系统及方法

本发明涉及农业装备导航控制领域，特别是涉及一种基于四轮独立控制移动平台的自主行走作业系统及方法。

背景技术：

1、中国国土面积约有2/3为丘陵山区，其发展农业经济的潜力巨大，但长期以来，丘陵山区由于土地规模小、分散且不规则，田间道路狭窄等自然条件的限制，传统平原机械无法适应该地区的作业需要，导致其农业机械化智能化发展进程缓慢。目前丘陵山地作业的移动装备多为四轮独立控制的移动平台，依靠其灵活转向和原地掉头的优势开展丘陵山地的作业和农田信息检测。四轮独立控制的移动平台可以帮助农民进行农田的肥力检测、施肥追肥、播种施药、采集作物表型信息、监测和识别植物健康状况、病虫害情况以及其他生长问题。通过使用传感器和图像识别技术，多功能移动平台能够及时检测并警示农民植物健康问题的存在和农田信息情况，从而使农民能够采取适当的措施来防治疾病和害虫，避免或减少农作物损失，也可以及时的施肥追肥保证作物生长所需的养分。

2、此外，多功能平台可以轻松地挂载播种机，并具备多种功能。它可以进行播种操作，确保种子均匀、准确地分布在土壤中，从而最大限度地利用土地资源。多功能移动平台还能够进行补种操作，及时填补播种过程中可能出现的空缺或稀疏区域，以确保植被覆盖的连续性和均匀性。这种平台的灵活性使得其能够适应各种农田环境和作物需求。它可以根据农田的不同要求进行调整和定制，以实现全覆盖的作业效果。传统的播种方法可能存在播种不均匀或遗漏的问题，而多功能移动平台通过智能控制和精确的定位系统，能够准确地将种子投放到目标位置，确保每一块土地都得到充分利用。

3、为了提高丘陵山地的作业精度和安全性，实时采集丘陵山地的农田信息，帮助农业工作者更好的管理农田，目前许多农业学者将自动导航作业技术应用于四轮独立控制移动平台，但是目前针对丘陵山地移动平台的导航控制技术不能完全满足实际作业需求，还存在以下问题：(1)移动平台在直线跟踪时航向偏角较大且偏角的变化频率较快，不利于实现精准作业和获取真实可靠作物信息；(2)无法实现精准换行，不利于移动平台的行走；(3)移动平台在丘陵山地的转场作业效率较低，在农忙季节无法满足实际生产需求。

4、综上，如何提高作物信息获取的准确性以及作业的精准度成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于四轮独立控制移动平台的自主行走作业系统及方法，能够降低多功能移动平台在作物信息获取以及作业时移动平台的摆动幅度，从而提高作物信息获取的准确性以及作业的精准度。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种基于四轮独立控制移动平台的自主行走作业系统，所述自主行走作业系统包括：四轮移动平台以及设置在所述四轮移动平台上的信息获取模块、信息处理模块、执行驱动模块和信息采集控制模块；所述信息获取模块与所述信息处理模块连接；所述信息处理模块分别与所述执行驱动模块和所述信息采集控制模块连接；

4、所述信息获取模块用于：

5、采集所述四轮移动平台当前时刻的位姿信息；所述位姿信息包括：前后轮中心经纬度信息、前后轮的实际转角和前后轮的实际速度；

6、所述信息处理模块用于：

7、根据当前时刻的位姿信息和目标路径信息计算当前时刻的横向偏距、当前时刻的航向偏角以及前轮目标速度；

8、根据当前时刻的横向偏距、当前时刻的航向偏角和前轮目标速度，采用stanley算法计算前后轮的目标转角和后轮目标速度；

9、根据前后轮的目标转角、前轮目标速度和后轮目标速度计算下一时刻的控制信息；所述控制信息包括：左前轮目标转角、右前轮目标转角、左后轮目标转角、右后轮目标转角、左前轮目标速度、右前轮目标速度、左后轮目标速度和右后轮目标速度；

10、确定作物采集时间；

11、所述执行驱动模块用于：

12、根据下一时刻的控制信息控制所述四轮移动平台下一时刻的转向和行驶；

13、所述信息采集控制模块用于：

14、在所述作物采集时间捕获作物信息。

15、可选地，所述信息处理模块还用于根据高精度地图确定目标路径信息；

16、所述高精度地图的确定方法包括：

17、采集作业区域的地面控制点的经纬度坐标数据；

18、采集作业区域的正射影像数据；

19、根据所述经纬度坐标数据和所述正射影像数据进行自动密集匹配，得到密集点云数据；

20、根据所述密集点云数据构建初始地图；

21、对所述初始地图进行切片和平差纠正，得到高精度地图；所述高精度地图用于导入所述信息处理模块。

22、可选地，在根据当前时刻的横向偏距、当前时刻的航向偏角和前轮目标速度，采用stanley算法计算前后轮的目标转角和后轮目标速度方面，所述信息处理模块，具体用于：

23、根据当前时刻的前轮横向偏距、当前时刻的前轮航向偏角和前轮目标速度，采用公式计算前轮目标转角；其中，δf为前轮目标转角；θfe表示当前时刻的前轮航向偏角；ef表示当前时刻的前轮横向偏距；vf表示前轮目标速度；kf表示前轮增益系数；

24、根据前轮目标速度、前轮横向偏距引起的偏角和后轮横向偏距引起的偏角，采用公式确定后轮目标速度；其中，vr表示后轮目标速度；δfe表示前轮横向偏距引起的偏角；δre表示后轮横向偏距引起的偏角；

25、根据当前时刻的后轮横向偏距、当前时刻的后轮航向偏角和后轮目标速度，采用公式计算后轮目标转角；其中，δr为后轮目标转角；θre表示当前时刻的后轮航向偏角；er表示当前时刻的后轮横向偏距；kr表示后轮增益系数。

26、可选地，在根据前后轮的目标转角、前轮目标速度和后轮目标速度计算下一时刻的控制信息方面，所述信息处理模块，具体用于：

27、根据前后轮的目标转角、前轮目标速度和后轮目标速度，基于阿克曼转向原理计算下一时刻的控制信息。

28、可选地，在确定作物采集时间方面，所述信息处理模块，具体用于：

29、确定四轮移动平台在当前时刻是否处于作业行；

30、若是，则当前时刻为作物采集时间，否则，当前时刻不是作物采集时间。

31、可选地，所述信息获取模块，具体包括：北斗rtk定位接收机、绝对值式编码器和增量式编码器；

32、所述北斗rtk定位接收机用于采集所述四轮移动平台当前时刻的前后轮中心经纬度信息；

33、所述绝对值式编码器用于采集所述四轮移动平台当前时刻的前后轮的实际转角；

34、所述增量式编码器用于采集所述四轮移动平台当前时刻的前后轮的实际速度。

35、可选地，所述执行驱动模块，具体包括：运动机构驱动模块、转向电机、行驶电机、转向机构和行驶机构；

36、所述运动机构驱动模块分别与所述信息处理模块、所述转向电机以及所述行驶电机连接；所述转向电机通过所述转向机构与所述四轮移动平台中的轮胎连接；所述行驶电机通过所述行驶机构与所述四轮移动平台中的轮胎连接；所述转向机构和所述行驶机构均与所述信息获取模块连接；

37、所述运动机构驱动模块用于根据下一时刻的左前轮目标转角、右前轮目标转角、左后轮目标转角和右后轮目标转角控制所述转向电机转动，从而带动转向机构实现所述四轮移动平台下一时刻的转向；

38、所述运动机构驱动模块还用于根据下一时刻的左前轮目标速度、右前轮目标速度、左后轮目标速度和右后轮目标速度控制所述行驶电机转动，从而带动行驶机构实现所述四轮移动平台下一时刻的行驶。

39、可选地，所述信息采集控制模块，具体包括：继电器、表型采集相机、步进电机驱动器、步进电机和相机安装机构；

40、所述继电器和所述步进电机驱动器均与所述信息处理模块连接；所述步进电机与所述步进电机驱动器和所述相机安装机构连接；所述继电器与所述表型采集相机连接；所述表型采集相机设置在所述相机安装机构上；

41、所述继电器用于在所述作物采集时间时闭合，从而控制所述表型采集相机捕获作物信息，不在所述作物采集时间时断开，从而控制所述表型采集相机关闭；

42、所述步进电机驱动器用于驱动所述步进电机，以控制所述相机安装机构转动，从而改变所述表型采集相机的姿态。

43、可选地，所述四轮移动平台包括：控制箱、移动平台车架、轮胎以及轮胎支架；

44、所述移动平台车架上设置所述控制箱；所述控制箱内设置所述信息获取模块和所述信息处理模块；所述执行驱动模块和所述信息采集控制模块均设置在所述移动平台车架上；所述轮胎支架与所述移动平台车架连接；所述轮胎支架用于支撑所述轮胎；所述执行驱动模块与所述轮胎连接。

45、本发明还提供了一种基于四轮独立控制移动平台的自主行走作业方法，所述自主行走作业方法用于上述的基于四轮独立控制移动平台的自主行走作业系统；所述自主行走作业方法，包括：

46、获取四轮移动平台当前时刻的位姿信息；所述位姿信息包括：前后轮中心经纬度信息、前后轮的实际转角和前后轮的实际速度；

47、根据当前时刻的位姿信息和目标路径信息计算当前时刻的横向偏距、当前时刻的航向偏角以及前轮目标速度；

48、根据当前时刻的横向偏距、当前时刻的航向偏角和前轮目标速度，采用stanley算法计算前后轮的目标转角和后轮目标速度；

49、根据前后轮的目标转角、前轮目标速度和后轮目标速度计算下一时刻的控制信息；所述控制信息包括：左前轮目标转角、右前轮目标转角、左后轮目标转角、右后轮目标转角、左前轮目标速度、右前轮目标速度、左后轮目标速度和右后轮目标速度；

50、根据下一时刻的控制信息控制所述四轮移动平台下一时刻的转向和行驶；

51、在作物采集时间捕获作物信息。

52、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

53、本发明实施例根据当前时刻的位姿信息和目标路径信息计算当前时刻的横向偏距、航向偏角以及前轮目标速度，位姿信息包括：前后轮中心经纬度信息、前后轮的实际转角和前后轮的实际速度，并采用stanley算法计算前后轮的目标转角和后轮目标速度，从而计算下一时刻的控制信息，实现对四轮移动平台下一时刻的转向和行驶的控制以及作物信息的捕获，采用前后轮中心两个位置点单独控制移动平台前后轮的转向和行驶，可以减弱移动平台在直线跟踪和作业时的摆动幅度，保证信息采集控制模块采集到清晰完整的作物信息以及作业(例如播种)的直线精度和稳定性，因此，本发明实施例能提高作物信息获取的准确性以及作业的精准度。