智能农机远程操控系统的制作方法

1.本发明涉及智能农机技术领域，具体涉及一种智能农机远程操控系统。


背景技术：

2.农业现代化是我国近些年来一直所要实现的目标。国内农机生产厂家将现代控制技术、传感技术、单片机技术和智能手机开发技术应用到农机管理中，实现农机现代化、智能化和网络化控制。然而目前还没有集无人驾驶，远程监测、控制于一体的农机系统。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供了一种智能农机远程操控系统，本发明是基于卫星定位、地图和无线通信等技术的农机远程控制与信息监管系统，目的是让农机将资源合理的进行配置，能够充分有效地控制农机作业，同时方便查看农机信息数据。本发明包括无人农机(车载端) 与多个便携式移动终端(农机远程控制终端系统)，通过终端可以对农机进行相应远程控制，减少了人力、物力、大大提高了效率。
4.本发明用于对农机进行远程控制和状态监测，设计了基于浏览器web的农机远程控制终端系统，农机远程控制终端系统用于卫星地图的显示，设备连接、作业区域规划、农机远程控制路径规划、农机远程操控、农机视角视频实时图传功能。
5.系统研发主要包含以下几个方面：
6.(1)系统总体设计：根据无人农机作业实际需要，确定系统的功能性需求。在应用场景下确定非功能性需求。在现有系统分析总结的基础上，确定基于web的开发平台，在此基础上对软件进行整体架构设计。
7.(2)系统功能设计：针对农机作业需求确定，系统主要功能包括卫星地图显示、农机与终端通信、下发作业区域、远程路径规划、农机远程控制、农机视角实时视频图传。
8.(3)系统关键技术：根据系统设计实现，关键技术包括自动路径规划、终端和农机通信。
9.本发明具体包括农机离线地图服务模块、农机通讯模块、路径规划模块；
10.农机离线地图服务模块，用于解决无人农机野外作业时，因为网络信号问题导致农机地图获取失败、农机定位误差增大的问题，具体的，在农机本地电脑上，创建农机web服务，采用离线地图方式，将网络地图离线下载到农机本机电脑，然后将地图数据作为地图服务，通过局域网络对外发布地图服务。
11.农机通讯模块用于无人农机与多个农机远程控制终端系统之间的通讯，具体采用服务通讯的方式，即service方式，service通信是双向的，包括两部分，一部分是请求方clinet，另一部分是应答方，即服务提供方server，当请求方client向应答方server发送一个请求时，等待server处理，server处理完后将执行请求后的结果返回请求方clinet；service是同步通信方式，所述的同步指请求方clinet发布请求后会在原地等待，直到应答方处理完了请求并且完成了反馈才会继续执行。
12.无人农机执行无人化作业，通常会有很多终端对农机进行远程操控、规划，同时，农机也会对远程控制端的操控作业进行系统状态、信息的反馈，因此，在农机开发过程中，需要着重克服解决2个技术难点：
13.多机通讯；即无人农机和多个控制终端连接通讯，每个控制终端都可以发布命令，控制农机作业，互不干扰。
14.农机状态信息反馈；即农机收到指令后，会对指令信息进行反馈，发送给远程操控终端，同时，农机实时状态信息，如速度、电量、定位、视频信息也应该按一定频率实时反馈给远程控制终端，进行农机状态实时监控显示。
15.常见的机器人系统通信方式是基于topic话题通信，在机器人系统中创建2个节点(node), 一个发布话题节点，一个接收话题节点，创建好后即可实现同一话题的发布和接收；也可以实现一个node话题发布，多个node接收(即多机通讯)。但是这种通讯方式，有一个缺点，话题接收后没有反馈，也就是单向通讯，通讯成功与否，发布者不知道，容易造成通讯失败，而操作者不知道。比如远程操控终端发布了作业指令给农机，但是农机因为故障没收到指令，操作者认为任务命令下发了，农机就已经在作业，而真实情况是农机静止，对远程的农机状态全然不知。
16.为了解决上述问题，本发明采用服务通讯的方式，service方式在通信模型上与topic做了区别。service通信是双向的，它不仅可以发送消息，同时还会有反馈。所以service包括两部分，一部分是请求方(clinet)，另一部分是应答方/服务提供方(server)。这时请求方(client) 就会发送一个request，要等待server处理，反馈回一个reply，这样通过类似“请求-应答”的机制完成整个服务通信。
17.路径规划模块包括转场路径规划模块和作业路径规划模块，用于远程规划农机行驶路径。
18.所述的转场路径规划模块用于规划农机在机库和农田之间的行驶道路，具体的，首先，在地图中选取起始位置，并利用gps定位获取起始位置的位置信息；在农机远程控制终端的操作面板上，按顺序绘制农机作业区块的顶点，每个顶点带有位置和朝向信息；根据农机起始点和区块第一个顶点的位置和朝向信息，使用全局搜索算法在代价地图上规划出一条从起始点到进入作业区域的最佳转场路径；返回时同样使用搜索算法，此时是根据农机完成作业时的位置和朝向信息规划出至起始点的路径。其中，有dijkstra和a*两种全局搜索算法供用户选择。
19.所述的作业路径规划模块用于规划农田作业区域内的路径规划。具体的，绘制作业区块的目标顶点，按顶点绘制的顺序依次连接会生成一个目标多边形；在目标多边形内，选择最短的一条边作为目标边，以该边边长和方向，生若干条平行的线段，线段间间隔为作业耕宽；然后，在两两线段间添加转弯路径使农机可以连续作业，当耕宽大于等于两倍的农机最小转弯半径，采用弓型bow路径进行转弯，当耕宽小于两倍的农机最小转弯半径，采用鱼尾型 fishtail或灯泡型bulb路径进行转弯。
20.所述的这类线段为农机往返的作业路径，此时还需在两两线段间添加转弯路径使农机可以连续作业。所添加的转弯路径朝向需要按奇偶性放置，即同为奇数次的转弯路径同向并与同为偶数次的转弯路径反向。考虑到农机实际的转置方式，转弯路径的形状还需要根据农机的最小转弯半径与耕宽间的数值关系，自动调整为鱼尾型(fishtail)，灯泡型
(bulb)，弓型(bow) 三种类型中的合适路径。耕宽大于等于两倍的最小转弯半径，采用弓型(bow)路径，即180
°
转弯；耕宽小于两倍的最小转弯半径，采用鱼尾型(fishtail)或者灯泡型(bulb)路径，具体人为设定；
21.根据用户需求，作业路径规划的模式分为往返路径和回型路径，每个回型间隔为一个耕宽，用户可以在操作面板上自行切换调整。
22.有益效果：
23.本发明使农机对资源进行了合理配置，充分有效地控制农机作业，方便查看农机信息数据，使农机实现了无人驾驶、自动控制等多种功能。
附图说明
24.图1为service通信方式的示意图。
25.图2为基于service通讯的移动控制端界面。
26.图3为起点到作业区域路径规划示意图。
27.图4为返程路径规划示意图。
28.图5为作业区域绘制图。
29.图6为作业路径规划示意图(鱼尾型调头)。
具体实施方式
30.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
31.本发明提供了一种智能农机远程操控系统
32.本发明所述系统包括以下四个功能：
33.功能一：通过便携式移动终端获取并显示农机作业区域。便携式移动终端能够接收并显示，在作业区域内，农机手操作农机移动记录下的高精度经纬度坐标点，形成工作区域并显示在高德在线卫星地图上，方便农机操作员掌握当前工作区域的整体情况。
34.功能二：使用便携式移动终端远程规划作业路径。目前的作业路径规划只能通过农机操作员目测工作区域进行估测，再实际操控农机进行作业，容易导致重复作业、路径行驶不明确等问题。本发明使用便携式农机远程控制终端系统能在显示的作业区域内进行远程路径规划，将规划完成的路径坐标通过移动设备远程发送至车载端，车载端解析数据按照规划的坐标行驶，有利于提高农机作业的精准度和操作员的作业效率。
35.功能三：通过便携式移动终端对农机进行远程控制。目前，农机系统的研发主要偏向于监测系统，对于远程控制功能并未普及，相对于作业面积较大的区域，人工操作会费时费力，因此移动设备app中的远程控制功能意义重大。使用本发明的便携式移动终端远程控制功能，在工作时通过远程命令控制农机开启、停止、农机具上升、农机具下降等操作，提高作业效率，避免不必要的作业和损失。
36.功能四：通过便携式移动终端对农机作业状态信息的实时监控与查看。农机工作时，在便携式移动终端的卫星地图上能实时显示农机行驶实际路径，实现了便携式移动终端对无人驾驶农机作业状态的监管；在作业完成后，能通过历史信息查看无人驾驶农机工作实际工作的行驶路径与坐标数据，对农机作业信息化提供一种新的解决方案。
37.本发明具体包括农机离线地图服务模块、
38.农机离线地图服务模块，用于解决农机野外作业时，因为网络信号问题导致农机地图获取失败、农机定位误差增大的问题，具体的，在农机本地电脑上，创建农机web服务，采用离线地图方式，将网络地图离线下载到农机本机电脑，然后将地图数据作为地图服务，通过局域网络对外发布地图服务。
39.农机通讯模块用于无人农机与多个农机远程控制终端系统之间的通讯，具体采用服务通讯的方式，即service方式，service通信是双向的，包括两部分，一部分是请求方clinet，另一部分是应答方，即服务提供方server，当请求方client向应答方server发送一个请求时，等待server处理，server处理完后将执行请求后的结果返回请求方clinet；service是同步通信方式，所述的同步指请求方clinet发布请求后会在原地等待，直到应答方处理完了请求并且完成了反馈才会继续执行。
40.service通信方式的示意图1如下：
41.node b是server(应答方)，提供了一个服务的接口，叫做/service，类似于topic。nodea向node b发起了请求，经过处理后得到了反馈。
42.service是同步通信方式，同步的意思就是说，比如图1所示，此时node a发布请求后会在原地等待reply，直到node b处理完了请求并且完成了reply，node a才会继续执行。nodea等待过程中，是处于阻塞状态的成通信。这样的通信模型没有频繁的消息传递，没有冲突与高系统资源的占用，只有接受请求才执行服务，简单而且高效。
43.通过农机通讯模块，移动端向无人农机发送各种指令，比如位置访问、动作执行等。
44.农机路径规划和扫地机器人等机器人的路径规划算法不同，农机行驶区域分两部分，第一部分是机库—农田的道路行驶；第二部分是田间作业时的往返行驶或回形作业行驶，因此路径规划模块分两部分组成：转场路径规划模块和作业路径规划模块。
45.转场路径规划模块
46.转场路径包含两段，第一段是从农机启动位置转场到作业区域，第二段是由农机完成作业时返回出发位置。具体的，首先，地图中，选取适当的位置作为原点(通常是农机所在的机库)，并利用gps定位获取该原点的位置信息，此时，我们获得了世界坐标系，之后讨论的位置和朝向信息默认都是关于此坐标系。农机启动伊始，通过gps定位获取当下农机的位置信息。在农机远程控制终端的操作面板上，按顺序绘制农机作业区块的顶点，每个顶点带有位置和朝向信息。此时根据农机起始点和区块第一个顶点的位置和朝向信息，使用全局搜索算法在代价地图上规划出一条从起始点到进入作业区域的最佳转场路径。返回时同样使用搜索算法，此时是根据农机完成作业时的位置和朝向信息规划出至起始点的路径。
47.根据需求，有dijkstra和a*两种全局搜索算法供用户选择。两种算法各有自身优缺点和适用场景。简单来说，dijkstra是一种广度优先的搜索算法，该算法会遍历所有路径并从中选择最优，因此，该算法会提供最优解但耗费时间。a*是一种启发式搜索算法，由估价函数f(n) ＝g(n) h(n)决定，其中g(n)代表从起点到终点的实际代价,h(n)代表农机当前点到终点最佳路径的估计代价。相比dijkstra，a*不能保证提供最优路径但提高了搜索效率，满足了大部分场景的需求。
48.作业路径规划模块
49.当绘制完作业区块的目标顶点时，按顶点绘制的顺序依次连接会生成一个目标多
边形。此时需注意绘制的顶点需要在有效区域内，即在代价不到阈值的栅格内，否则多边形无法生成，需重新绘制。在目标多边形内，选择最短的一条边作为目标边，以该边边长和方向，生若干条平行的线段，线段间间隔为作业耕宽。
50.这类线段为农机往返的作业路径，此时还需在两两线段间添加转弯路径使农机可以连续作业。所添加的转弯路径朝向需要按奇偶性放置，即同为奇数次的转弯路径同向并与同为偶数次的转弯路径反向。考虑到农机实际的转置方式，转弯路径的形状还需要根据农机的最小转弯半径与耕宽间的数值关系，自动调整为鱼尾型(fishtail)，灯泡型(bulb)，弓型(bow)三种类型中的合适路径。
51.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。