一种无人驾驶拖拉机及收获机协同作业系统及控制方法与流程

1.本发明涉及收获作业机器人控制技术领域，具体为一种无人驾驶拖拉机及收获机协同作业系统及控制方法。


背景技术：

2.目前，农业劳力资源紧缺，老龄劳动力比例超过60%，且非农化流失加快，无人种田、无人收获的问题日渐凸显，未来收割机销售市场，包括水田和旱田区域，特别是大型农场对于无人驾驶的需求更加强烈。为提高农业生产效率、降低农业劳动强度，农机智能化得到快速发展。国内无人驾驶收获机及协同作业系统开发进展主要包括：收割机关键部件参数实现了监测、显示和报警，如风机、脱粒滚筒、复脱器、切碎器、发动机等部件，构建起了基本的监测系统，但工作装置参数监测相对独立，工作部件间无控制关联，难以实现收获过程的自动调节和控制。工作过程中的故障自诊断、作业工况监测、作业质量跟踪监控等都处于实验室阶段。部分机型增加了自动驾驶系统，初步实现了无人驾驶。
3.国外先进的联合收割机大部分已经实现对收获作物信息、部件作业状况的在线检测，并可调整其工作参数，大量应用先进的控制系统，实现自动及无人驾驶、脱粒滚筒恒速控制、作业速度自动控制、作物含水率和产量在线监测等。广泛的采用数据采集技术，智能控制技术，不断提高联合收割机的智能化与信息化，实现对收获过程中各种工作信息的智能化管理和自动化调整，并不断提高远程故障诊断能力是未来的发展趋势。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种无人驾驶拖拉机及收获机协同作业系统及控制方法，该收获
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运粮协同作业技术通过对协同路径以及协同模式的规划，满足了单边或多边卸粮运粮，实现了卸粮运粮期间收获作业不间断，大大提高了收获作业效率。收获
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运粮协同作业通过无人驾驶收获机整车控制器判断收获机的运行情况，将相关的故障信息以及工作状态信息通过收获机自组网络设备发送到拖拉机自组网络设备，然后再通过拖拉机自组网络设备将这些信息发送给无人驾驶拖拉机整车控制器进行相应处理，确保故障状态下或非正常工作状态下，收获机和拖拉机之间能够及时、可靠地作出协调处理，保证收获
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运粮协同作业安全、可靠。
5.本发明采用的技术方案是：一种无人驾驶拖拉机及收获机协同作业系统，包括无人驾驶收获机系统和无人驾驶拖拉机系统；所述无人驾驶拖拉机系统包括拖拉机整机控制模块、拖拉机导航控制模块、拖拉机远程遥控模块、拖拉机安全控制模块以及拖拉机自组网络设备；拖拉机导航控制模块连接拖拉机整机控制模块及拖拉机自组网络设备，拖拉机整机控制模块连接拖拉机遥控模块及拖拉机安全控制模块；所述无人驾驶收获机系统包括收获机整机控制模块、收获机导航控制模块、收获机远程遥控模块、收获机安全控制模块以及收获机自组网络设备；收获机导航控制模块连
接收获机整机控制模块及收获机自组网络设备，收获机整机控制模块连接收获机遥控模块及收获机安全控制模块；其中，收获机自组网络设备和拖拉机自组网络设备通过无线通讯模块连接，使无人驾驶收获机系统与无人驾驶拖拉机系统实现数据与控制指令通讯，进行信息交互，并通过各自的整机控制模块作出相应的处理，完成协同作业。
6.作为优选方案，拖拉机自组网络设备从收获机自组网络设备接收到的信息，通过总线发送给拖拉机整机控制模块，拖拉机整机控制模块根据自组网发送的信息以及其它控制器发送的协同作业相关信息，主要包括车速信号、整车制动和起步信号，由拖拉机无人驾驶总线发送给拖拉机整机控制模块，拖拉机整机控制模块执行请求的车速、制动和起步功能。
7.作为优选方案，所述拖拉机导航控制模块或收获机导航控制器进行路径规划，并根据协同车辆信息以及协同期间的纵向距离和横向距离要求规划另外一台车辆的路径信息，通过自组网电台设备发送相关路径信息给到协同车辆进行协同作业。协同过程中，收获机整机控制模块和拖拉机整机控制模块会通过自组网交互的信息，包括位置信息、速度信息对整车控制参数进行相应的调整。
8.作为优选方案，所述收获机整机控制模块根据信号输入判断收获机处于无人驾驶状态，同时导航控制器通过can总线发送收获机位置信息，判断车辆是否进入作业区；若进入地头，启动收割作业状态，同时通过收获机自组网络设备和拖拉机自组网络设备进行收获机和拖拉机之间的协同指令调度，使二者达到协同状态，满足两车之间的纵向距离和横向距离要求后，收获机整机控制模块发送卸粮请求，卸粮筒伸出后收获机控制器发送卸粮筒状态，收获机导航控制模块收到卸粮筒状态信息后，在卸粮协同稳定状态下激活卸粮命令，收获机整机控制模块发送卸粮离合请求，卸粮离合结合并开始协同卸粮，收获机自组网络设备发送车辆正在卸粮；协同卸粮期间若协同卸粮状态出现不稳定超过一定时间t1，则收获机整车控制器请求立刻关闭卸粮离合，关闭卸粮离合后，直至卸粮协同状态达到稳定并保持t2时间之后，收获机整机控制器允许卸粮离合重新结合卸粮；若正在卸粮时，接收到收获机导航控制模块发出的车辆处于非作业区或出地头点，收获机整机控制器则关闭卸粮离合及收回卸粮筒。
9.作为优选方案，所述收获机导航控制模块包括导航控制器、电动方向盘、转向传感器、差分基准站、车载显示器、卫星定位天线、电台天线；车载显示器获取差分基准站信号，进行路径规划并记录，导航控制器通过转向传感器获取收获机当前位置信息，根据已规划路径进行反馈控制，保证路径实时跟踪，实现收获机自动导航；同时发送协同作业相关的位置信息、速度信息到自组网进行信息交互。
10.作为优选方案，所述收获机安全控制模块通过can总线接收到遥控器请求信号、整车控制器信号请求，进行相应的预警和安全处理，主要是包括鸣笛、制动、以及急停；同时收获机安全控制模块通过采集到的毫米波雷达传来的信号识别收获机左边、右边以及前边的动态障碍数量、距离以及速度，确定整机的安全措施等级，进行鸣笛、制动、急停等模式处理；该处理模式通过can总线发送到整车总线后，整车控制模块对当前的车况进行处理，作为运粮车的拖拉机通过自组网络设备对要根据收获机的作业路径以及车速进行调整。
11.一种无人驾驶拖拉机及收获机协同作业系统的控制方法，步骤如下：s1、操作者将收获机和拖拉机上电，打开导航控制器显示终端，点击主界面右上角屏幕按钮，进入卫星状态界面，查看差分基站信号是否正常，若正常，进行下一步工作；s2、操作者给收获机和拖拉机上安装的自组网络设备上电，上电后等待，确认自组网设备通讯成功后，进行下一步工作；s3、其中一辆整机进行路径规划，规划后生成收获机和拖拉机的协同作业路径，本车通过自组网络设备将生成的协同作业路径传送到另外一台车辆，该车辆按照此路径进行自动导航；s4、操作者通过遥控器启动发动机后，根据麦子成熟度、稠密度、干湿度等信息确定割台高度，通过遥控器调整调整割台高度并进行记忆；然后通过关闭遥控器，将工作模式切换到无人驾驶状态进行作业；随后拖拉机也按照同样的方式进入无人驾驶状态跟随收获机按照事先规划的路径进行行走；s5、在行走过程中，收获机整车控制器会按照工作装置的工作情况对收获机进行实时的调整，该速度信息会持续的通过自组网络设备发送到拖拉机，拖拉机导航控制器以及拖拉机整车控制器会根据该信息对跟随的速度进行调整，以便保证协同作业的稳定性，以及跟随期间的安全距离；s6、拖拉机作为运粮车，若运粮车装满后，会召唤另外一辆运粮车按照同样的协同方式持续不断的进行收获
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运粮协同作业，保证高效、安全、持续的作业过程。
12.本发明的有益效果是：本方案通过优化系统组成，通过将收获机自组网络设备和拖拉机自组网络设备无线连接，使无人驾驶收获机系统与无人驾驶拖拉机系统实现实时的数据与控制指令通讯，进行信息交互，并通过各自的整机控制模块作出相应的处理，完成协同作业，该收获
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运粮协同作业技术通过对协同路径以及协同模式的规划，满足了单边或多边卸粮运粮，实现了卸粮运粮期间收获作业不间断，大大提高了收获作业效率。收获
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运粮协同作业通过无人驾驶收获机整车控制器判断收获机的运行情况，将相关的故障信息以及工作状态信息通过收获机自组网络设备发送到拖拉机自组网络设备，然后再通过拖拉机自组网络设备将这些信息发送给无人驾驶拖拉机整车控制器进行相应处理，确保故障状态下或非正常工作状态下，收获机和拖拉机之间能够及时、可靠地作出协调处理，保证收获
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运粮协同作业安全、可靠。
13.本方案还具有如下技术效果：其一、本发明提供的无人驾驶拖拉机及收获机协同作业系统及控制方法中，首先可以根据不同的作业区域选择不同的系统作业模式，以及对应的协同路径的规划，适应性比较强。
14.其二、本发明无人驾驶收获机安全控制器可以判断动态的障碍物信息，并及时作出安全处理，同时将该信息通过无人驾驶总线发送到自组网络设备，使得无人驾驶收获机以及拖拉机之间能够及时通讯，交互信息，各自在通过各自的整车控制器作出相应的处理：鸣笛、紧急制动以及障碍物绕行。保证协同作业安全、高效。
15.其三、本发明提供的无人驾驶拖拉机及收获机协同作业系统及控制方法中，收获
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运粮协同作业涵盖了收获、卸粮以及运粮作业的全过程，无人驾驶收获机和无人驾驶拖拉
机二者协同作业，很好地解决了收获作业环境恶劣对机手造成的影响，以及作业周期短，人手紧张的问题。
16.其四、本发明收获
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运粮协同作业技术通过对协同路径以及协同模式的规划，满足了单边或双边卸粮运粮，实现了卸粮运粮期间收获作业不间断，大大提高了收获作业效率。
附图说明
17.为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明无人驾驶拖拉机及收获机协同作业系统整体架构示意图；图2为本发明无人驾驶拖拉机整机控制模块协同作业控制流程图；图3为本发明无人驾驶拖拉机及收获机协同路径规划流程图；图4为本发明无人驾驶收获机整机控制模块无人作业控制流程图；图5为本发明无人驾驶收获机整机控制模块协同作业控制流程图；图6为本发明无人驾驶收获机安全控制模块控制流程图。
具体实施方式
19.下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益的结合到其它实施方式中。
20.需要说明的是：除非另做定义，本文所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中所使用的
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一个
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、“一”或者“该”等类似词语不表述数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，但并不排除其他具有相同功能的元件或者物件。
21.下面结合附图1
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6具体描述本实施例中各系统的组成关系以及工作过程：如图1所示为本发明无人驾驶拖拉机及收获机协同作业系统整体架构示意图。包括无人驾驶收获机系统和无人驾驶拖拉机系统，所述无人驾驶拖拉机系统包括拖拉机整机控制模块、拖拉机导航控制模块、拖拉机远程遥控模块、拖拉机安全控制模块以及拖拉机自组网络设备；拖拉机导航控制模块连接拖拉机整机控制模块及拖拉机自组网络设备，拖拉机整机控制模块连接拖拉机遥控模块及拖拉机安全控制模块；所述无人驾驶收获机系统包括收获机整机控制模块、收获机导航控制模块、收获机远程遥控模块、收获机安全控制模块以及收获机自组网络设备；收获机导航控制模块连接收获机整机控制模块及收获机自组网络设备，收获机整机控制模块连接收获机遥控模块及收获机安全控制模块；其中，收获机自组网络设备和拖拉机自组网络设备通过无线通讯模块连接，使无人驾驶收获机系统与无人驾驶拖拉机系统实现数据与控制指令通讯，进行信息交互，并通过各自的整机控制模块作出相应的处理，完成协同作业。
22.如图2所示本发明无人驾驶拖拉机整机控制模块协同作业控制流程图。拖拉机自组网络设备从收获机自组网络设备接收到信息，通过总线发送给拖拉机整机控制模块，整机控制模块根据自组网发送的信息以及其它控制器发送的协同作业相关信息，主要包括车速信号、整车制动和起步信号，整机控制模块进行工作状态判断后，执行车速控制、鸣笛、制动功能，保证收获机与拖拉机之间的协同作业安全、可靠。
23.如图3所示为本发明无人驾驶拖拉机及收获机协同路径规划流程图。拖拉机导航控制模块或收获机导航控制模块任选一个进行路径规划，负责规划路径的导航控制器规划好路径以后，根据协同车辆信息以及协同期间的纵向距离和横向距离要求规划另外一台车辆的路径信息，然后通过自组网设备发送相关路径信息给协同车辆进行协同作业。协同过程中，收获机整机控制模块和拖拉机整机控制模块会通过自组网交互的信息，包括位置信息、速度信息对整车控制参数进行相应的调整，保证协同作业的可靠、安全。
24.如图4为本发明无人驾驶收获机整机控制模块无人作业控制流程图。收获机整机控制模块无人作业控制流程，根据信号输入判断收获机处于哪种驾驶模式，若operatingmode=0，则为有人驾驶模式，整车控制器根据多功能扶手、整车仪表、传感器信号等输入，控制各种工作装置，包括拨禾轮转速自动调整、割台转速调整、割台高度调整、卸粮筒旋出收回控制、卸粮离合器控制、导草板角度调整、凹版间隙调整；若operatingmode=1，则为无人驾驶模式，整车控制器执行导航控制器can网络请求的车速控制、紧急刹车控制、割台升降控制、卸粮离合和卸粮筒伸缩控制，按照规划路径全部作业完毕后自动停车，交还有人驾驶。若operatingmode=2，则为远程遥控驾驶模式，整车控制器根据遥控器发射器发射的信号，执行相关动作，主要包括远程启动、刹车、急停、主离合器控制、割台离合器控制、前进后退控制、转向控制、卸粮筒和卸粮离合器控制、车速升降控制、油门加减控制。
25.如图5为本发明无人驾驶收获机整机控制模块协同作业控制流程图。收获机整机控制模块根据信号输入判断收获机处于无人驾驶状态，同时导航控制器通过can总线发送收获机位置信息，判断车辆是否进入作业区。若进入地头，启动收割作业状态，同时通过收获机自组网络设备和拖拉机自组网络设备进行收获机和拖拉机之间的协同指令调度，使二者达到协同状态，满足两车之间的纵向距离和横向距离要求后，收获机控制模块发送卸粮请求，卸粮筒伸出后收获机控制器发送卸粮筒状态，收获机导航控制模块收到卸粮筒状态信息后，在卸粮协同稳定状态下激活卸粮命令，收获机控制模块发送卸粮离合请求，卸粮离合结合并开始协同卸粮，收获机自组网络设备发送车辆正在卸粮。协同卸粮期间若协同卸粮状态出现不稳定超过一定时间t1，则收获机整机控制模块请求立刻关闭卸粮离合，关闭卸粮离合后，直至卸粮协同状态达到稳定并保持t2时间之后，收获机整机控制模块允许卸粮离合重新结合卸粮。若正在卸粮时，接收到收获机导航控制模块发出的车辆处于非作业区或出地头点，收获机整机控制模块则关闭卸粮离合及收回卸粮筒。
26.如图6为本发明无人驾驶收获机安全控制模块控制流程图。收获机安全控制模块通过can总线接收到遥控器请求信号、整机控制模块信号请求，进行相应的预警和安全处理，主要是包括远程启动、鸣笛、制动、急停、熄火。同时安全控制器通过采集到的毫米波雷达传来的信号识别收获机左边、右边以及前边的动态障碍数量、距离以及速度，确定整机的安全措施等级，进行鸣笛、制动、急停等模式处理。该处理模式通过can总线发送到整车总线后，整车控制模块对当前的车况进行处理，作为运粮车的拖拉机通过自组网络设备对要根
据收获机的作业路径以及车速进行调整，保证协同作业过程安全、可靠运行。
27.基于上述控制系统，本发明提供了一种无人驾驶拖拉机及收获机协同作业系统的控制方法，包括以下步骤：步骤一、操作者将收获机和拖拉机上电。打开导航控制器显示终端，点击主界面右上角屏幕按钮，进入卫星状态界面，查看差分基站信号是否正常，若正常，进行下一步工作；步骤二、操作者给收获机和拖拉机上安装的自组网电台上电，上电后等待，信号灯从常绿到闪烁，然后又变成常绿后，可以确认自组网设备通讯成功；步骤三、其中一辆整机按照4点（a
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d）的方法进行路径规划，规划后生成收获机和拖拉机的协同作业路径，本车通过自组网络设备将路径传送到另外一台车辆，该车辆按照此路径行走；步骤四、操作者通过遥控器启动发动机后，根据麦子成熟度、稠密度、干湿度等信息确定割台高度，通过遥控器调整调整割台高度并进行记忆；然后通过关闭遥控器，将工作模式切换到无人驾驶状态进行作业；随后拖拉机也按照同样的方式进入无人驾驶状态跟随收获机按照事先规划的路径进行行走；步骤五、在行走过程中，收获机整机控制模块会按照工作装置的工作情况对收获机进行实时的调整，该速度信息会持续的通过自组网络设备发送到拖拉机，拖拉机导航控制器以及拖拉机整机控制模块会根据该信息对跟随的速度进行调整，以便保证协同作业的稳定性，以及跟随期间的安全距离；步骤六、拖拉机作为运粮车，若运粮车装满后，会召唤另外一辆运粮车按照同样的协同方式持续不断的进行收获
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运粮协同作业，保证高效、安全、持续的作业过程。
28.应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可以有其他的多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。