一种用于农业机器人自动循迹的寻垄方法及寻垄机构

技术领域

本发明涉及一种用于农业机器人自动循迹的寻垄方法及寻垄机构，属于农业机械技术领域。

背景技术

我国是农业大国，耕地面积广大，近年来我国高标准农田建设持续推进,预计到2022年累计建成10亿亩，到2025年累计建成10.75亿亩，到2030年累计建成12亿亩的高标准农田。高标准农田的特点之一就是播种环节高标准，且地块田垄笔直、行距相等。但是我国耕地总面积18亿亩，田地差异仍然比较大，尤其是田垄不规整的农田仍然较为常见。这对于农业机械以及新兴出现的农业机器人顺利下地作业产生了难度。

对于有人驾驶的传统农业机械，农田田垄的弯曲可以通过人工调整农机方向来按照田垄行进。但是对于农业机器人来说，目前实现自动循迹的难度仍然较大，并且由于城市和农田的环境差异较大，目前无人驾驶汽车等雷达避障、自动驾驶等成熟技术无法简单套用在农业机器人的田地循迹自动行进上。

例如现有专利《全地形循迹越障小车》(CN 112319656 A)，设计了一种全地形循迹越障小车，能够自动循迹，全地形翻越，在较高的攀爬地形中仍能具备较好的攀爬性能。

以上技术方案仅实现了地形适应的循迹，而无法实现左右方向上的循迹，即：遇到车轮或车体左右两侧的障碍物时，无法实现自动识别并绕开的自动操作。只能实现直线前行方向或者人工操控的路线上的攀爬翻越。

其他的技术方案中，也有采用图像识别、红外光线传感器等方式实现室内特定环境的自动循迹行进的方案，但是对于室外复杂天气、光照环境的环境，目前无人驾驶技术中的自动驾驶技术对环境要求仍然较高，基本仅局限在标准道路上，对于农田行进的自动避障和循迹车辆，目前是依靠卫星导航实现自动定位，按照人工设定的既定路线行进，缺少针对车轮两侧障碍物避障的寻垄机构和修正车辆行进方向的方法。

发明内容

本发明提供一种用于农业机器人自动循迹的寻垄方法及寻垄机构，安装在农业机器人上。寻垄机构整体为一个可转动的角度感知和测量装置，角度改变由左右两侧触碰杆的转动体现。当某一侧触碰杆触碰到障碍物时，触碰杆会卡在障碍物上，随着寻垄机构所在的农业机器人整体向前行进，触碰杆最终会滑过障碍物并复原到原来的位置。这一过程的角度变化传给角度绝对值编码器，角度绝对值编码器将角度的变化速率和幅度传递给农业机器人车辆控制单元，车辆控制单元根据得到的角度改变值控制车轮向改变角度的触碰杆的另一侧方向进行转动，转动的幅度对应于触碰杆触碰障碍物所转动的角度，实现车轮的路线修正，停止继续向有障碍物一侧方向前进的趋势，并通过车轮的方向改变，从而远离有障碍物的一侧。

本发明所采用的技术方案为：

一种用于农业机器人自动循迹的寻垄方法，所述农业机器人包括能够分别独立进行驱动和控制的多个车轮机构以及设置在位于前侧的车轮机构后端、用于获取偏移角度值的寻垄机构，所述寻垄方法包括如下步骤：

实时地采集寻垄机构的偏移角度值，构建偏移角度值随时间变化曲线；

对曲线进行局部极值检测，根据是否检测到极值判断是否需要对车轮机构进行偏移校正；

当判断出需要进行偏移校正时，基于极值所在区间，实时地计算车轮机构所需转向控制值，并将转向控制值实时地分配到车轮机构进行偏移补偿。

作为本发明的一种优选，在构建偏移角度值随时间变化曲线后，对变化曲线进行去噪处理，以获得滑动平均值滤波后的曲线。

作为本发明的一种优选，极值所在区间分为死区范围内和死区范围外，若极值处在死区范围外，则启动转向反馈调节算法控制车轮机构进行转向；若极值处在死区范围内，则启动转向衰落调节算法控制车轮机构进行转向。

作为本发明的一种优选，所述的转向反馈调节算法如下：

T＝Angle×P1，

其中，T为转向控制值，Angle为偏移角度局部极大值，P1为反馈控制参数。

作为本发明的一种优选，所述的转向衰落调节算法如下：

先判断T是否大于P2，若T>P2，则T＝T-P2；

若T≤P2，则判断T是否小于-P2，若T<(-P2)，则T＝T+P2，若T≥(-P2)，则T＝0；

其中，T为转向控制值，P2为衰落控制参数，且P2>0。

一种用于农业机器人自动循迹的寻垄机构，包括：

一角度绝对值编码器，设置在固定件的顶部；

一转轴，竖直且转动设置在固定件内，与角度绝对值编码器的执行端固定连接；

一连接件，套设并固定在位于固定件内的转轴上；

两触碰杆，对称并固定设置在连接件的两端，且两触碰杆的开口朝向车轮行进方向的后侧；

两张紧弹簧，对称设置在固定件内，且其中一端与连接件后侧面连接，另一端与固定件的后端面连接。

作为本发明的一种优选，所述触碰杆包括固定连杆和伸缩杆，固定连杆固定设置在连接件的端口内并延伸至连接件的外侧，所述伸缩杆的端部与固定连杆的外端部固定连接。

作为本发明的一种优选，该寻垄机构还包括：

两固定座，设置在固定件的顶部和底部，转轴穿插过两固定座并与固定座转动连接。

作为本发明的一种优选，该寻垄机构还包括：

两螺纹套筒，竖直且对称设置在固定件的前端两侧。

本发明的有益效果在于：

本发明提供一种用于农业机器人自动循迹的寻垄方法及寻垄机构，能够通过触碰障碍物的表面，转化为车轮的转向，从而避开障碍物，实现自动寻垄，达到自动循迹的效果，优点如下：

1、成本低：该寻垄机构没有采用红外传感器、激光雷达、图像识别等复杂设备，直接降低了传统寻垄和避障技术的设计成本；

2、结构简单、耐用：该寻垄机构的结构简单，没有外露的电子元器件，所涉及的角度绝对值编码器具备防护外壳，张紧弹簧同时具备减震作用，适用于在农田中的泥水、粉尘、水露、杂物较多的复杂环境中；

3、效果准确：目前现有的红外光感应识别、可见光视觉识别、激光雷达避障等自动驾驶(循迹)和自动避障技术不成熟，原理复杂，对于环境光、画面背景色、障碍物特点等有特定要求，不符合要求的障碍物或路径与环境色彩差异较大的情况往往无法做到精准识别，甚至会产生误识别。尤其是农田环境复杂，田垄等可行进路线更加难以分辨和识别。而本方案采用触碰杆触碰障碍物的直观形式为农业机器人提供循迹参考，效果准确，不会出现误识别的情况。

4、实用性强：本方案尤其适用于在高杆作物中行进的农业机器人，可以精确到车轮两侧的障碍物识别并做到规避。这是通常意义上的道路自动驾驶系统所无法比拟的优势。本方案可以最大程度地降低农业机器人在田间进行农事活动时由于行进方向不正确或田垄路线不直所造成的车轮碾压两边农作物的情况发生，最大程度地降低无谓的农作物减损。

附图说明

图1为寻垄机构的立体图；

图2为寻垄机构的主视图；

图3为图2中A-A向剖视图；

图4为寻垄机构后视立体图；

图5为寻垄方法的控制逻辑流程图；

图6为原始角度值示意图；

图7为滑动平均值滤波后的角度值示意图；

图8为局部极大值示意图；

图9为死区检测示意图；

图10为车轮转向调节的两种控制算法示意图；

图11为一种典型工作场景后视图；

图12为典型工作场景中无转向状态的俯视图；

图13为典型工作场景中向右转向状态的俯视图；

图14为典型工作场景中向左转向状态的俯视图；

图中主要附图标记含义如下：

1、固定件，2、触碰杆，3、螺纹套筒，4、张紧弹簧，5、固定座，6、转轴，7、伸缩杆，8、固定连杆，9、连接件，10、角度绝对值编码器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做具体的介绍。

本实施例是一种用于农业机器人自动循迹的寻垄方法及寻垄机构，典型应用场景为按一定间距、行距播种的农作物农田，如玉米农田、向日葵农田等。

参见图1-4所示，寻垄机构由以下几部分组成：

固定件1：为一半开口扇形折弯件，便于两个触碰杆2进行各自角度内的摆动；前端安装有两个螺纹套筒3，上下两端各通过螺母连接，用于将整体加强固定；后端有用于固定张紧弹簧4的通孔和连接车体的螺丝螺母组件。固定件1的上端和下端对称位置各有两个通孔，用于连接两个固定座5，固定座5的中心位置开设有对应的通孔，用于安装转轴6。

左侧的触碰杆2：由左侧的伸缩杆7、左侧的固定连杆8组成；伸缩杆7可以伸缩，在进入田垄前确定好长度，在工作时长度固定，同理，在进入田垄时确定好预定角度，用螺丝螺母固定好伸缩杆7和固定连杆8的连接处，使其不能再转动。待进入另一种田垄宽度不同的田地后，再对触碰杆2的长度和角度进行重新调整和固定。

右侧的触碰杆2：由右侧的伸缩杆7、右侧的固定连杆8组成。伸缩杆7可以伸缩，在进入田垄前确定好长度，在工作时长度固定，同理，在进入田垄时确定好预定角度，用螺丝螺母固定好伸缩杆7和固定连杆8的连接处，使其不能再转动。待进入另一种田垄宽度不同的田地后，再对触碰杆2的长度和角度进行重新调整和固定。

转动机构：由转轴6、连接件9组成。转轴6中端用销钉、销扣与连接件9固定连接。连接件9两端连接左右两个触碰杆2的固定连杆8。

角度绝对值编码器10：安装在转轴6上端的固定座5上，中央部位与转轴6相连，作用是将两个触碰杆2的角度旋转值进行解算，传递给农业机器人的车辆控制单元，为农业机器人的转向提供数据参考。

左侧的张紧弹簧4：一端连接固定件1后部，一端连接左侧的触碰杆2。作用是在左侧的触碰杆2不碰到障碍物的情况下拉紧触碰杆2，以及在左侧的触碰杆2触碰到障碍物之后对左侧的触碰杆2进行张紧复位。

右侧的张紧弹簧4：一端连接固定件1后部，一端连接右侧的触碰杆2。作用是在右侧的触碰杆2不碰到障碍物的情况下拉紧触碰杆2，以及在右侧的触碰杆2触碰到障碍物之后对右侧的触碰杆2进行张紧复位。

本方案的控制逻辑流程图如图5所示，为便于直观了解该寻垄机构的运作原理，特假设寻垄机构在一段区间内的工作模式，即假设情形是寻垄机构从离障碍物特别近开始，到逐渐转向离开障碍物的过程：

1、开始：

寻垄机构开始工作，以该寻垄机构在玉米田地的田垄中行进作为典型实施例，如图6坐标系所示，横坐标为寻垄机构的运行时间，纵坐标为寻垄机构的原始角度值，所谓“原始角度值”，是指未经任何处理的寻垄机构触碰杆触碰到障碍物后所显示出的角度随时间变化的情况，从图6中可知，原始数据值整体呈几个大的波峰波谷，相对应的是寻垄机构触碰杆多次触碰不同玉米枝杆的情况。从图6还可以知道，角度整体呈现归零的趋势，是因为前述已假设该情形为寻垄机构从离障碍物特别近开始，到逐渐转向离开障碍物的过程，所以角度会逐渐归零。具体过程如表1所示。

表1角度值-寻垄机构状态-农业机器人离障碍物的距离对应状态图；

2、采集最新角度值：

角度绝对值编码器将图5中的原始角度值传递给车辆控制单元。

3、滑动平均值滤波：

如图7坐标系所示，横坐标依然为寻垄机构的运行时间，纵坐标为滑动平均值滤波后的角度值，去除了图6中的数据“噪音”，即大波峰和大波谷上的小波峰和小波谷，这些小波峰和小波谷的产生原因是农业机器人行进过程中产生的车辆振动和寻垄机构触碰杆张紧和回弹时的自然抖动，所以将这些“噪音”去除，得到滑动平均值滤波后的角度值。进行以上数据滤波的设备，在本实施例中为车辆控制单元。

4、局部极大值检测：

车辆控制单元根据图7中数据，标记出局部极大值，如图8所示，局部极大值是每一次大波峰的值，即寻垄机构触碰杆受障碍物阻挡而角度改变到最大角度的值。

5、极值检测：

若检测到极值，则对极值进行死区判断。

6、死区判断：

通过预先设定的死区正门限和死区负门限，如图9所示。

该实施例中，以左侧触碰杆的角度变化值定为正值，以右侧触碰杆的角度变化值定为负值。根据角度是否处于死区范围，分别采用两种算法进行对车轮转向的调节，如图10所示：

(1)在死区范围外——启动转向反馈调节算法；

当角度值处于死区范围之外，启动转向反馈调节算法，车辆控制单元对车轮机构进行转向控制，转向反馈调节算法如下：

T＝Angle*P1，

T为转向控制值，Angle为角度局部极大值，P1为反馈控制参数，该参数可根据不同地块特征调整。

车辆控制单元按照T值控制车轮向避开障碍物的一侧旋转相应的角度。角度随时间呈现图10中的虚曲线变化。

(2)在死区范围内——启动转向衰落控制算法

该情形对应状态为：车轮已经停止并扭转向障碍物一侧继续行进的趋势。此时，车辆控制单元启动转向衰落控制算法。

转向衰落控制算法如下：

T为转向控制值，P2为衰落控制参数(为正值)，可调，该算法定时调用，从而T值迅速趋近于0。

该寻垄机构应用的具体步骤为：

1、如图11、图12所示，该寻垄机构安装在农业机器人的两个前侧转向车轮的后端。随同农业机器人进入农田场景。

2、进入农田前，由测量工具统计所要进入的田块田垄的宽度，即两行植株的行距，确定一个平均值后，调整寻垄机构的两个触碰杆长度，使寻垄机构的宽度稍短于两行植株的平均行距。

3、当农业机器人进入田块后，车轮沿两行植株之间的田垄向前行进，且没有向两边障碍物方向移动的趋势时，此时车轮后端的寻垄机构的两侧触碰杆不会碰到两侧障碍物。车轮不进行任何方向上的调整。

4、当农业机器人行进方向偏移田垄，有向左侧障碍物靠近的趋势时，寻垄机构的触碰杆因为宽度比车轮宽，所以左侧触碰杆率先触碰到障碍物。

5、触碰到障碍物后，左侧的触碰杆会在障碍物的阻挡下，向后摆动，带动转轴旋转，旋转的角度传递给角度绝对值编码器，角度绝对值编码器进行解算，将结果传递给车辆控制单元。

6、车辆控制单元接收到角度变化信息后，根据事先设定好的触碰杆角度变化量与车轮转向的关系，对车轮机构发出转向指令。因为是寻垄机构左侧的触碰杆碰到障碍物，所以车辆应该向右转弯以原理障碍物。此时车辆控制单元控制车轮向右旋转一定的角度，实现车辆的避障。

7、当寻垄机构左侧触碰杆的持续触碰障碍物，说明农业机器人仍然有向左侧障碍物行进的趋势，则此时车辆控制单元控制车轮加大向右转弯的程度，直至寻垄机构左侧的触碰杆不再触碰到障碍物，如图13所示。

8、同理，寻垄机构触碰到右侧障碍物的工作原理与步骤1～7基本相同。区别是右侧的触碰杆碰到障碍物，车轮向左转弯，如图14所示。

综上所述，本发明能够在农业机器人持续向前行进的状态下，通过寻垄机构的两侧触碰杆连续触碰到的障碍物而产生多次的角度变化，通过角度绝对值编码器对每一次的角度变化进行解算，将每一次的角度变化量传递给农业机器人的车辆控制单元，从而对农业机器人的车轮转向进行调节，实现农业机器人行进中的障碍物躲避、路线修正和自动循迹。

以上所述仅是本发明专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明专利的保护范围。