鄧明華

(武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢 430065)

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基于GSM嵌入式物流監(jiān)控的農(nóng)業(yè)自主導(dǎo)航車輛設(shè)計(jì)

鄧明華

(武漢工商學(xué)院 信息工程學(xué)院，武漢 430065)

為提高農(nóng)用車輛視覺導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)不同環(huán)境的適應(yīng)性，基于GSM無(wú)線通信和嵌入式系統(tǒng)，提出了一種新的農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車輛自主導(dǎo)航的物流監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，并研究了其對(duì)路徑的識(shí)別能力。該系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)，可以快速、準(zhǔn)確地提取導(dǎo)航路徑的特征，并具有物流跟蹤監(jiān)控功能，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)用運(yùn)輸車輛在特定的田壟里進(jìn)行自主換向，提高了車輛的自主導(dǎo)航能力。利用GSM無(wú)線通信導(dǎo)航技術(shù)對(duì)駕駛員實(shí)際輸出轉(zhuǎn)角進(jìn)行追蹤測(cè)試，結(jié)果表明：駕駛員的目標(biāo)曲線和轉(zhuǎn)角無(wú)線控制實(shí)測(cè)曲線比較吻合，從而驗(yàn)證了基于GSM通信的嵌入式物流系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車上實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的可行性和可靠性。

農(nóng)用車輛；路徑識(shí)別；物流監(jiān)控；視覺導(dǎo)航；GSM通信；嵌入式

0 引言

隨著傳感器性價(jià)比的不斷提高，以機(jī)器視覺和衛(wèi)星定位為核心的農(nóng)用車輛自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)已成為研究熱點(diǎn)。機(jī)器視覺系統(tǒng)的主要作用是對(duì)路線進(jìn)行識(shí)別，對(duì)行駛過(guò)程中遇到的障礙物進(jìn)行檢測(cè)，起到農(nóng)業(yè)車輛的相對(duì)定位作用。機(jī)器視覺的工作性能優(yōu)異，在路徑識(shí)別過(guò)程中，還可以有效地區(qū)分雜草和農(nóng)作物，檢測(cè)病蟲害，具有廣泛的適應(yīng)性，因此在導(dǎo)航系統(tǒng)中是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部件之一。當(dāng)遇到復(fù)雜情況時(shí)，傳輸信號(hào)會(huì)存在較多的干擾，為了接收到高質(zhì)量的控制信號(hào)，提出了一種基于卡爾曼濾波的GSM通信的自主導(dǎo)航運(yùn)輸車系統(tǒng)，通過(guò)路徑識(shí)別方法的改進(jìn)，提高了農(nóng)業(yè)車輛對(duì)環(huán)境適應(yīng)性和魯棒性，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

1 農(nóng)用車輛視覺導(dǎo)航系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的導(dǎo)航農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車輛在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用視覺導(dǎo)航的形式，利用對(duì)田間圖像的采集和處理，得到車輛形式的航向控制偏角。為了提高農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車輛自主導(dǎo)航的性能，本次研究構(gòu)建了一種基于無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)那度胧轿锪鞅O(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向問題進(jìn)行合理的調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向的自動(dòng)化控制功能，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖1中，監(jiān)控器可以安置在作業(yè)區(qū)的監(jiān)控中心，負(fù)責(zé)完成車輛物流信息的采集，無(wú)線通信GSM網(wǎng)絡(luò)將采集得到的物流信息傳輸給監(jiān)控中心，并利用MCU處理器對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車輛視覺通信系統(tǒng)示意圖

工作時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)服務(wù)器，服務(wù)器的MCU處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對(duì)在需要轉(zhuǎn)向調(diào)度的位置進(jìn)行物流跟蹤標(biāo)記，提高了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的控制精度。

2 基于GSM通信的自主轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車輛在田壟里進(jìn)行運(yùn)輸作業(yè)時(shí)，當(dāng)遇到障礙物或者農(nóng)作物時(shí)，為了降低車輛碰撞損失，使其對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生較小的傷害，需要在特定的位置進(jìn)行轉(zhuǎn)向。為了提高轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)的靈敏度，使用電液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示。

為了提高運(yùn)輸車輛轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化程度，加裝了比例控制電磁閥，并對(duì)油路進(jìn)行了修改，建立了一種電液控制的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。同時(shí)，在原來(lái)油路的基礎(chǔ)上并聯(lián)了電控制轉(zhuǎn)向器，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收和自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的電控液壓轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)

改進(jìn)后的電控制轉(zhuǎn)向器可以根據(jù)MCU發(fā)出的指令進(jìn)行自主換向，利用嵌入式物流監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)農(nóng)用車輛的路線最優(yōu)化。該轉(zhuǎn)向器利用電液控制閥，將原來(lái)的手動(dòng)控制方向盤，利用液壓電磁機(jī)構(gòu)改為電控制形式，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

該結(jié)構(gòu)在不改變?cè)瓉?lái)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的情況下，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能，其安裝簡(jiǎn)單、實(shí)用性較強(qiáng)。在轉(zhuǎn)向自動(dòng)化控制過(guò)程中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需具有通話、短信及GPS數(shù)據(jù)功能，要對(duì)調(diào)度信息進(jìn)行顯示和播報(bào)，因此需要借助GSM無(wú)線通信裝置。

圖5 自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)

圖6為GSM車載通信設(shè)備示意圖。車載通信設(shè)備是車輛信息的控制中心，是調(diào)度指令的執(zhí)行者，主要包括GPS天線、GSM通信天線和主機(jī)等，可以對(duì)車輛的位置進(jìn)行報(bào)告，對(duì)車輛實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和調(diào)度指揮。

圖6 GSM無(wú)線通信裝置

圖7表示車輛轉(zhuǎn)向調(diào)度管理的控制串口。根據(jù)車輛的實(shí)際運(yùn)行情況，在物流主監(jiān)控室可以通過(guò)車載設(shè)備對(duì)車輛發(fā)出調(diào)度指令，轉(zhuǎn)向調(diào)度指令在顯示器上進(jìn)行顯示，也可以通過(guò)語(yǔ)音功能進(jìn)行顯示或者回復(fù)。

圖7 車輛調(diào)度管理

在農(nóng)用運(yùn)輸車輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向調(diào)度管理時(shí)，為了提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量、消除信號(hào)之間的碼間串?dāng)_問題，需要對(duì)GSM通信信號(hào)進(jìn)行濾波處理，濾波器可以選用嵌入式濾波。假設(shè)GSM單列信號(hào)系列為(t)，則濾波器的輸入信號(hào)可以寫成

(1)

其中，ak為第k個(gè)轉(zhuǎn)向調(diào)度信號(hào)；Ts為信號(hào)周期。信號(hào)響應(yīng)模型的表達(dá)式為

(2)

其中，nR(t)為濾波后產(chǎn)生的輸出噪聲；h(t)為H(w)的傅里葉反變換。

(3)

監(jiān)控中心系統(tǒng)的MCU對(duì)y(t)信號(hào)進(jìn)行判別，以確定數(shù)字信息序列{ak}。假設(shè)信號(hào)的時(shí)延為t0，在t=t0+jTs瞬間對(duì)y(t)抽樣判別，則

(4)

當(dāng)j=k時(shí)，有

nR(t0+jTs)

(5)

其中，ajh(t0)是輸出調(diào)度信號(hào)的第j個(gè)轉(zhuǎn)向調(diào)度信息在抽樣瞬間t=t0+jTs所取的值，利用其判斷對(duì)碼間信號(hào)的干擾。為了降低干擾造成的影響，在信號(hào)處理過(guò)程中引入了Kalman濾波算法，其離散控制系統(tǒng)為線性隨機(jī)微分方程，則

X(k)=A·X(k-1)+B·U(k)+W(k)

(6)

其中，Xk為k時(shí)刻的調(diào)度系統(tǒng)的反應(yīng)狀態(tài)；A和B為系統(tǒng)參數(shù)；U(k)為k時(shí)刻對(duì)應(yīng)的控制變量。

(7)

再加上系統(tǒng)的測(cè)量值，則

Z(k)=H·X+V(k)

(8)

其中，Zk為k時(shí)刻的測(cè)量值；H為測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)；W(k)和V(k)分別為兩種噪聲，這兩種噪聲分別是過(guò)程噪聲和測(cè)量噪聲。利用調(diào)度系統(tǒng)信號(hào)的模型可以預(yù)測(cè)下一個(gè)狀體的系統(tǒng)。假設(shè)當(dāng)期信號(hào)調(diào)度值為k，則根據(jù)調(diào)度系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)下一個(gè)調(diào)度信號(hào)為

(9)

3 嵌入式GSM農(nóng)業(yè)自主導(dǎo)航車輛性能測(cè)試

在普通的農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車輛上裝載了攝像機(jī)、GSM信號(hào)接收器和傳感器，通過(guò)轉(zhuǎn)向物流調(diào)度系統(tǒng)，對(duì)自主導(dǎo)航農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車輛的自主導(dǎo)航和轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行測(cè)試，所使用的樣機(jī)如圖8所示。

圖8 測(cè)試樣機(jī)

測(cè)試時(shí)，首先利用機(jī)器視覺系統(tǒng)對(duì)壟田的圖像進(jìn)行采集，利用攝像機(jī)得到的原始圖像如圖9所示。

圖9 原始圖像

圖像需要經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理才能得到農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車的導(dǎo)航路線，路徑標(biāo)記使用Hough算法進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)計(jì)算得到了如圖10所示的農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車輛導(dǎo)航路徑結(jié)果圖。

從轉(zhuǎn)向調(diào)度的實(shí)驗(yàn)樣板中隨機(jī)取出718個(gè)樣本，樣本每次輸出的時(shí)間為0.003ms，通過(guò)轉(zhuǎn)向調(diào)度系統(tǒng)的測(cè)試，得到了控制器輸出和樣本目標(biāo)值曲線，如圖11所示。

圖10 路徑標(biāo)記后圖像

圖11 基于GSM通信的轉(zhuǎn)角輸出跟蹤結(jié)果

由圖11可以看出：利用GSM無(wú)線通信導(dǎo)航技術(shù)對(duì)駕駛員實(shí)際輸出轉(zhuǎn)角進(jìn)行跟蹤，可以得到非常接近的轉(zhuǎn)角曲線，從而驗(yàn)證了基于GSM通信的嵌入式物流系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車上實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的可行性。

4 結(jié)論

1)基于GSM無(wú)線通信和嵌入式系統(tǒng)，利用物流監(jiān)控設(shè)計(jì)了一種新的農(nóng)用車輛轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)的自主導(dǎo)航控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較好，具有遠(yuǎn)程控制和物流跟蹤等功能，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較好，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車輛的自主換向，從而大大提高了農(nóng)業(yè)車輛的自主導(dǎo)航能力。

2)通過(guò)對(duì)自主導(dǎo)航農(nóng)業(yè)車輛進(jìn)行性能測(cè)試，并對(duì)駕駛員實(shí)際輸出轉(zhuǎn)角進(jìn)行追蹤測(cè)試后的測(cè)試結(jié)果可以看出：駕駛員的目標(biāo)曲線和轉(zhuǎn)角無(wú)線控制實(shí)測(cè)曲線比較吻合，從而驗(yàn)證了農(nóng)業(yè)車輛自主換向調(diào)度和自主導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性。

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Design of Agricultural Autonomous Navigation Vehicle Based on GSM and Embedded Logistics Monitoring System

Deng Minghua

(School of Information Engineering,Wuhan Technology and Business University,Wuhan 430065, China)

In order to improve the adaptability of the vision navigation system for the agricultural vehicles, the design method of the logistics monitoring system is proposed based on GSM wireless communication and embedded system. The system on the environment of good adaptability, can quickly and accurately extract the navigation path feature, and it has a logistics tracking monitoring function, which can realize agricultural transport vehicles, in particular furrows self-reversing,and improve the vehicle autonomous navigation capabilities. GSM wireless communication navigation technology is used to track the actual output angle of the driver. The test results can be seen that the driver's target curve and the angle of the measured curve is consistent. It validates the feasibility and reliability of the embedded logistics system based on GSM communication in the agricultural transport vehicle.

agricultural vehicles; path identification; logistics monitoring; visual navigation; GSM communication; embedded

2016-01-18

現(xiàn)代物流與商務(wù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心項(xiàng)目(2011A201313)

鄧明華(1981-)，女，湖北恩施人，講師，碩士，(E-mail)dmh1981@qq.com。

S24；TP391.41

A

1003-188X(2017)02-0237-05