[发明专利]一种无人作业谷物联合收割机导航方法与导航装置

说明书

本发明公开了一种无人作业谷物联合收割机导航方法，属于智能农机装备领域，将北斗RTK定位模块与视觉CCD传感器融合，提出了一种即时导航路径规划算法，无需作业前人工采点即实现自主导航，并基于简化的无迹卡尔曼滤波构造农机导航跟踪状态的统一估计器，实现收割机大角度转弯和直线行驶条件下的运动状态估计。本发明还公开了一种用于谷物联合收割机自主作业的导航装置，采用CAN总线将农机具、机载传感器、执行器及CPU组合，使得导航系统易于扩展、安装及维护。

技术领域

本发明涉及智能农机装备领域，尤其涉及一种无人作业谷物联合收割机导航方法与导 航装置。

背景技术

农机自主导航是智能农机装备发展的重要组成部分，随着微电子、软件以及北斗定位 技术的发展，基于实时动态载波相位差分技术(RTK)的高精度卫星定位系统成本显著降低。 现有的农机自主导航过程分为路径规划、导航控制两部分，其中路径规划一般分为田间地 理信息采集、田块边界识别两种，均需要事先进行地理信息的采集，导航控制实现农业机 械按预定的期望路径行驶，并根据行走装置的执行反馈实时调控车辆。

基于北斗RTK的定位系统易受多电台串扰、信号遮挡以及传输延迟等影响，开发基于 多传感器融合的自主导航系统对提高谷物联合收割机自主作业的可靠性至关重要。虽然基 于定位与导航技术的农机自动驾驶系统已经受到广泛关注，但农机的全局路径规划、地头 转向控制算法以及其在联合收割机上的应用还非常少见，尤其事先人工地理信息采集降低 了无人农机自主作业系统的优越性。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种无人作业谷物联合收割机导航方法与 导航装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种无人作业谷物联合收割机导航方法，将北斗RTK定位模块与视觉CCD传感器融合，设计即时路径规划算法，实现导航路径规划；设计基于SUKF的导航跟踪误差的统一 估计器，实现收割机的直线行驶和地头转向；将即时路径规划算法、导航跟踪误差的统一 估计器应用于联合收割机的导航装置中，并将导航路径规划与统一估计器集成到CPU中， 采用CAN总线与执行器和机载传感器通信，实现收割机的行走控制与机具控制。

进一步，所述即时路径规划算法具体为：在联合收割机作业同时利用摄像头采集田块 边界图像，并经CPU分析后获得田块边界，利用北斗RTK定位模块输出的位置、航向信息，实时获取矩形田块的四个顶点坐标，并将其转化至高斯平面坐标系，实现导航路径规划，并以二维数组形式存储于导航装置中。

进一步，所述导航跟踪状态的统一估计器如下：设联合收割机待估计的行走状态为 x_k＝[x_k y_k θ_k φ_k]^T，包括联合收割机当前二维位置、航向以及双天线测航向的偏置误差，u_k-1＝[u₁ u₂]为左右轮输入速度控制项，其系统模型为：x_k＝Φ_k|k-1x_k-1+G_k-1u_k-1+w_k-1， 其中Φ_k|k-1为状态转移矩阵，G_k-1为系统输入控制矩阵，w_k-1为RTK系统噪声，包括位置与航向噪声以及航向测量的偏置误 差，θ_k为k时刻车辆与地球真北方向的航向角，W为联合收割机轴距。以位置和航向为量 测输出，系统的量测方程为z_k＝Hx_k+v_k，其中v_k为量测噪声误差阵， 包括RTK系统测量噪声，即位置、航向的量测噪声。上述系统方程和量测方程没有区别直 线跟踪和曲线跟踪过程，其估计量为状态量本身，由于航向角数值一般较大无法满足线性 化方程中的小角度假设，需采用非线性滤波方法实现状态量的估计。