[实用新型]一种基于2D激光扫描的果园车辆自动导航系统

说明书

本实用新型一种基于2D激光扫描的果园车辆自动导航系统，主要包括2D激光扫描仪，上位机PC，主控制器，霍尔编码器、电机驱动器、步进电机和转向执行机构。其特征在于：上位机PC对所获取的2D激光点云数据进行滤波、聚类和直线拟合处理，解算出车辆目标转向角，霍尔编码器采集车辆当前前轮转角信息并传输给主控制器，主控制器通过模糊PID控制将转角信息转换成控制信号输出给电机驱动器，驱动器通过控制步进电机转动从而带动车辆转向执行机构动作，使车辆转角达到目标值。本实用新型在非结构化果园环境下可以快速定位车辆位置，并准确拟合出导航基准线，实现了果园车辆的自主行走作业，降低了系统成本，提高了工作的可靠性和安全性。

技术领域

本实用新型涉及一种果园车辆自动导航系统，具体涉及一种基于2D激光扫描的果园车辆自动导航系统，属于果园农业机械控制领域。

背景技术

中国是水果生产大国，截至2016年我国水果种植面积约为1725万公顷，各类水果产量约为28319万吨，无论是面积还是产量均居世界第一，但由于我国是人口大国，为解决粮食安全问题，国家农业机械化战略布局主要针对小麦、玉米、水稻等主要粮食作物展开，对于水果等经济作物的关注和投入相对较少；加之我国果树种植主要集中在丘陵地区，果园生产条件较差，农机农艺结合不紧密的问题广泛存在，使得我国果园机械化发展相对滞后。

20世纪80年代以来，计算机和信息技术迅猛发展，农业机器人已成为智能农机装备和精准农业的重要组成部分。自动导航系统集成了环境感知、精准定位和路径规划等功能，可使机械在无人操控的情况下实现多功能作业，提高了果园作业效率和质量，降低了劳动成本，该项技术在未来农业领域将会发挥越来越重要的作用。

GNSS是一种典型的全局定位方法，用户可在果园作业车辆上配备一台高精度GNSS来实现自动导航。但是对于非结构化果园，由于果树树冠密集，卫星信号将会受到极大干扰，甚至由于遮蔽存在丢失现象，造成作业机械完全失控，系统安全性能受到极大影响。机器视觉模拟仿真人眼，不仅可以准确获取目标果树位置、确定导航路径，同时还可以对周围环境进行详细感知，获取杂草、障碍物等信息，提高系统的安全性和稳定性。但是一方面由于果园环境相对复杂且不可控，光照不均匀、阴影面积较大等问题较为突出，检测精度无法保障；另一方面，高精度双目相机价格昂贵，使果园作业成本大幅度提高。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题与缺陷，本实用新型提供了一种基于2D激光扫描的果园车辆自动导航系统，该系统能有效克服GNSS传感器在非结构化果园中存在的局限性，提高导航定位精度，同时2D激光扫描仪具有价格低等优势，降低了系统的整体成本，能够在市场大范围内普及。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种基于2D激光扫描的果园车辆自动导航系统，是由2D激光扫描仪，上位机PC，主控制器，霍尔编码器、电机驱动器、步进电机和转向执行机构组成，其特征在于：所述的2D激光扫描仪通过螺栓连接安装在车辆前端，所述的2D激光扫描仪与上位机PC通过网口通信，所述的霍尔编码器安装在车辆前轮轴上并与主控制器相连，所述的电机驱动器与主控制器相连，所述的步进电机安装在车辆转向执行机构上并与电机驱动器相连，所述的主控制器与上位机PC通过RS232双向连接。

所述的主控制器由转向控制模块、存储模块和通信单元组成，所述的上位机PC包括操作系统、GUI监控界面、存储单元和微处理器单元。

本实用新型基于上述组成，其工作原理是：车辆在果树行间行走作业时，2D激光扫描仪采集两侧果树点云信息，并由上位机PC并对所采集的数据进行处理及拟合，提取出用于实现车辆自动导航的控制参量，最终将解算出的目标转向角传输给主控制器，霍尔编码器采集车辆当前前轮转角信息并传输给主控制器，主控制器通过模糊PID控制将转角信息转换成控制信号输出给电机驱动器，驱动器通过控制步进电机转动从而带动车辆转向执行机构动作，使车辆转角达到目标值，从而实现车辆在果园行间的自动导航。