田间机器人的导航方法及设备的制作方法
田间机器人的导航方法及设备的制作方法
【专利摘要】本发明实施例公开了田间机器人导航方法和导航设备，所述方法包括：接收GPS数据；根据所述GPS数据获取所述田间机器人的当前位置；判断所述田间机器人的当前位置是否在预设路径上；若所述当前位置不在预设路径上，则获取所述田间机器人当前加速度信息；根据所述当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿；根据所述当前位姿调整所述田间机器人的前进方向，以使所述田间机器人的行驶路径与所述预设路径重合。本发明可在田间机器人直线行走时进行导航控制。
【专利说明】田间机器人的导航方法及设备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动化控制领域，特别涉及田间机器人的导航方法及设备。
【背景技术】
[0002] 随着机器人技术的迅猛发展，对于机器人代替人类工作的要求越来越高。我国作 为一个以农业为基础的大国，经济能否稳定发展很大程度上取决于农业的发展。农业的发 展很大程度上依靠农业科技发展和农业自动化程度的提高。因此，在农业上对于自动化程 度很高的田间作业机器人的需求日益增加。
[0003] 田间机器人的工作区域一般都是直线型的，但是田间机器人主要在自然场景下工 作，自然场景是复杂多变的，例如土地不平整、有障碍物等。现有技术中，对于田间机器人直 线行走时的导航控制还不完善。
【发明内容】
[0004] 本发明实施例中提供了田间机器人的导航方法和设备，可以解决田间机器人直线 行走时导航控制还不完善的问题。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：
[0006] 第一方面，提供了 一种田间机器人的导航方法，所述方法包括：
[0007] 接收GPS数据；
[0008] 根据所述GPS数据获取所述田间机器人的当前位置；
[0009] 判断所述田间机器人的当前位置是否在预设路径上；
[0010] 若所述当前位置不在预设路径上，则获取所述田间机器人当前加速度信息；
[0011] 根据所述当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿；
[0012] 根据所述当前位姿调整所述田间机器人的前进方向，以使所述田间机器人的行驶 路径与所述预设路径重合。
[0013] 在第一方面的第一种可能实现方式中，根据所述GPS信号获取所述田间机器人当 前位置具体包括：
[0014] 读取GPS数据；
[0015] 判断所述GPS数据是否是一条可用的数据；
[0016] 若是，则从所述GPS数据中获取定位信息；
[0017] 存储所述定位信息，所述定位信息即所述田间机器人当前位置。
[0018] 在第一方面的第二种可能实现方式中，所述预设路径根据首次获取的所述田间机 器人的当前位置为初始位置来设置，其中，所述预设路径为直线。
[0019] 在第一方面的第三种可能实现方式中，获取所述田间机器人当前加速度信息具体 包括：
[0020] 通过三轴加速度传感器获取所述田间机器人在三个方向上的加速度信息，所述三 个方向两两垂直且构成右手坐标系，且其中一个方向的正方向与所述田间机器人的前进方 向一致。
[0021] 在第一方面的第三种可能实现方式中，还提供了第一方面的第四种可能的实现方 式，根据所述当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿，具体包括：
[0022] 根据所述加速度值与重力加速度之间的关系，获取所述田间机器人当前的倾斜 角，所述倾斜角指示所述田间机器人的当前位姿。
[0023] 结合第一方面至第一方面的第四种可能实现方式中的任一种可能实现方式，还提 供了第一方面的第五种可能实现方式，所述方法还包括：
[0024] 显示至少一种下述信息：电子地图、预设路径、坐标、所述田间机器人当前位置、当 前位姿，以及当前位置与预设路径的差值，其中，所述坐标包括经纬度坐标和平面坐标。
[0025] 第二方面，提供了一种田间机器人的导航设备，所述设备包括：
[0026] GPS接收机，用于接收GPS数据；
[0027] 处理器，用于根据所述GPS数据获取所述田间机器人的当前位置；
[0028] 所述处理器还用于判断所述田间机器人的当前位置是否在预设路径上；
[0029] 三轴加速度传感器，用于若所述当前位置不在预设路径上，则获取所述田间机器 人当前加速度信息；
[0030] 所述处理器还用于根据所述当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿；
[0031] 所述处理器还用于根据当前位姿调整所述田间机器人的前进方向，以使所述田间 机器人的行驶路径与所述预设路径重合。
[0032] 第二方面的第一种可能实现方式中，所述处理器包括：
[0033] 读取单元，用于读取所述GPS数据；
[0034] 判断单元，用于判断所述GPS数据是否是一条可用的数据；
[0035] 处理单元，用于若是一条可用的GPS数据，则从中获取定位信息；
[0036] 存储单元，用于存储所述定位信息，所述定位信息即所述田间机器人当前位置。
[0037] 在第二方面的第二种可能实现方式中，所述预设路径根据首次获取的所述田间机 器人的当前位置为初始位置来设置，其中，所述预设路径为直线。
[0038] 在第二方面的第三种可能实现方式中，所述三轴加速度传感器具体用于：获取所 述田间机器人在三个方向上的加速度信息，所述三个方向两两垂直且构成右手坐标系，且 其中一个方向的正方向与所述田间机器人的前进方向一致。
[0039] 在第二方面的第三种可能实现方式中，还提供了第二方面的第四种可能的实现方 式，所述处理器还包括：
[0040] 位姿获取单元，用于根据所述加速度值与重力加速度之间的关系，获取所述田间 机器人当前的倾斜角，所述倾斜角指示所述田间机器人当前位姿。
[0041] 结合第二方面至第二方面的第四种可能实现方式中的任一种可能实现方式，还提 供了第二方面的第五种可能实现方式，所述设备还包括：
[0042] 显示单元，用于显示至少一种下述信息：电子地图、预设路径、坐标，所述田间机器 人当前位置、当前位姿，以及当前位置与预设路径的差值，其中，所述坐标包括经纬度坐标 和平面坐标。
[0043] 本发明实施例中公开了一种田间机器人的导航方法，根据GPS数据获取田间机器 人的当前位置，判断当前位置是否在预设路径上，若当前位置不在预设路径上，则进一步根 据当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿来调整田间机器人的前进方向，可使田 间机器人的行驶路径与所述预设路径重合。采用GPS数据来定位，不受天气的影响，能连续 提供实时的导航定位，可以实现全球全天候的工作；根据加速度信息来调整行驶路径，成本 低。可见，本发明的实施例可在田间机器人直线行走时进行有效的导航控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0044]为了更清楚地说明本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，对于本领域普通技术人员而 言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0045]图1所示为本发明实施例的田间机器人的导航方法的流程示意图；
[0046]图2所示为GPS定位原理示意图；
[0047]图3所示为本发明实施例的三轴加速度的空间坐标系的示意图；
[0048]图4所示为本发明实施例的单轴加速度传感器的传感方向与重力加速度一致时， 输出的加速度与重力加速度的关系示意图；
[0049]图5所示为本发明实施例的单轴加速度传感器的传感方向与重力加速度垂直时， 输出的加速度与重力加速度的关系示意图；
[0050]图6所示为本发明实施例的计算倾斜角的示意图；
[0051]图7所示为本发明实施例的根据GPS数据获取田间机器人当前位置的方法的流程 不意图；
[0052]图8所示为本发明又一种实施例的田间机器人的导航方法的流程示意图；
[0053]图9所示为本实施例的田间机器人导航设备的结构示意框图；
[0054]图10所示为本发明实施例的田间机器人导航设备处理器结构示意框图；
[0055]图11所示为本实施例的田间机器人导航设备应用实例的示意框图。
【具体实施方式】
[0056]本发明如下实施例提供了 一种田间机器人的导航方法及导航设备，能在田间机器 人直线行走时进行导航控制。
[0057]为了使本【技术领域】的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实 施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方 案作进一步详细的说明。
[0058]参考图1，本发明的实施例提供了一种田间机器人的导航方法，所述方法包括： [0059] 步骤101，接收GPS数据。
[0060] GPS是全球定位系统（Global Positioning System)的简称。它是美国研制的、 能够全方位实时导航与定位，且适用于陆地、海洋甚至是天空的新一代卫星导航与定位系 统。GPS具有三大独立的组成部分：空间部分、地面支撑部分和用户设备部分。其中空间部 分包括二i^一颗常用工作卫星和三颗备用卫星；地面支撑部分包括一个主控站、三个注入 站和五个监测站。用户设备部分即GPS接收机。GPS接收机用于接收GPS卫星发射出的GPS 数据。
[0061] GPS的定位是依据当前运行的卫星瞬间的位置来作为已知的计算数据，通过空间 距离后方交会的方法得出待测点的位置。如图2所示，假设在t时刻启动GPS，可得出GPS 信号到达接收机的时间Λ t,通过接收时间Δ t与接收到的卫星信息可确定公式（1)到公式 (4)：
[0062] (? - x) -I- (y, ^ v)2 + (? - z)" ' -t- c{l·i\ -11〇) = 4： (^
[0063] 1? -，)2 -dF 村(? -氣)=4 ⑵
[0064] h _球 + (少)_ 少)-+ (z3 _ z , - + 老'广 f '。）= (.这）
[0065] ζξψ +dyu -^)=4 ⑷
[0066] 上述公式中，除待测点A(x、y、z)的空间坐标和接收机的钟差Vto是未知参数，其 它均为已知参数。其中xi、yi、zi(i的取值是1、2、3、4)代表是四颗卫星在t时刻的空间坐 标，此参数可以通过卫星导航电文获得。Vti (i的取值是1、2、3、4)代表四颗卫星的钟差，此 参数可通过卫星星历获得。di=c*Ati(i的取值是1、2、 3、4)。其中di(i的取值是1、2、3、 4)代表四颗卫星到接收机的距离。Λ ti (i的取值是1、2、3、4)代表四颗卫星信号到达接 收机的时间。C代表GPS信号的传输速度，它是光速。由上述四个方程式可以解出待测点 A(x、y、z)的坐标和接收机的钟差Vto。
[0067] 在接收GPS数据之前，所述方法还包括：设置预设路径。预设路径可以根据用户的 需求进行设置和修改，灵活方便。
[0068] 预设路径采用地理信息系统（Geographic Information System或Geo - Information system,简称GIS系统）来设置预设路径。
[0069] 步骤102,根据GPS数据获取所述田间机器人的当前位置。
[0070] 本发明实施例中采用的GPS通信协议为NMEA0183ASCII协议，它是美国国家海洋 电子协会制定的。NMEA0183定义了若干种不同格式类型的语句。NEMA0183有多种输出导航 数据格式，如 GPALM、GPGLL、GPRMC、GPGGA、GPGSV、GPVTG 等。本系统采用的是 GPRMC 和 GPGGA 两种数据格式。用GPGGA主要是为了获得高度值，其它数据全用GPRMC来获得。GPRMC数据 中包括：标准定位时间、定位状态、维度、维度区分、经度、经度区分、位移速度、位移方向、日 期、度数、检查位、状态位等。
[0071] 因此，根据接收到的GPS数据，可以从中获得田间机器人当前的经纬度，即可获取 田间机器人的当前位置。
[0072] GPS提供的单机定位精度是优于10米的，而为了获得更高的定位精度，也可以采 用GPS差分定位技术。
[0073] GPS差分定位技术需要用两台GPS接收机。其中一台GPS安装在基准站上，通过基 准站已知的精密坐标，计算基准站与卫星之间的距离改正数，同时基准站实时的将数据发 送给用户端的另一台GPS。此时用户端的接收机在接收GPS信息的同时，也接收了基准站发 出的修正数。通过修正数对接收到的定位信息进行改正，从而提高了定位精度。
[0074] 本发明的实施例中，为了降低成本，采用的是GPS单机定位。
[0075]利用GPS进行导航，不受天气的影响，能连续提供实时的位置、速度和时间，可以 实现全球全天候的工作；此外，利用GPS进行导航，定位精确度高：如果采用单机定位，精确 度优于10米；如果采用差分定位，精确度可达厘米级甚至是毫米级。
[0076] 步骤103,判断田间机器人的当前位置是否在预设路径上，若不在预设路径上，则 转至步骤104。
[0077] 步骤104,获取所述田间机器人当前加速度信息。
[0078] 通过GPS数据可以获取田间机器人的当前位置，但是若当前位置不在预设路径 上，仅根据GPS数据无法给出具体的调整方案，因此需要三轴加速度传感器。
[0079] 具体来说，获取所述田间机器人当前加速度信息是通过三轴加速度传感器获取所 述田间机器人三个方向的加速度信息，所述三个方向两两垂直且构成右手坐标系，且其中 一个方向的正方向与所述田间机器人前进方向一致。
[0080] 本发明的实施例使用的三轴加速度传感器输出三个方向的加速度值，此值具有方 向性，正值代表正方向，负值代表反方向。图3所示为本实施例的三轴加速度的空间坐标 图，其中γ轴的正方向与前进的方向一致。
[0081] 步骤105,分析所述当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿。
[0082] 具体来说，根据所述加速度值与重力加速度之间的关系，获取所述田间机器人当 前的倾斜角，所述倾斜角指示所述田间机器人当前位姿。下面先详细介绍倾斜角的测量原 理。
[0083] 假定加速度传感器的传感方向与重力加速度方向一致时，倾斜角度为零。加速度 传感器输出的加速度与重力加速的关系如图4所示，假设F(0)是加速度传感器的测量结 果，Θ是倾斜角度，g是重力加速度，它们的关系如公式（ 5)- (7)所示：
[0084] F( Θ ) = geos Θ (5)
[0085] 对 F( θ )求导：
[0086]
【权利要求】
1. 一种田间机器人的导航方法，其特征在于，所述方法包括： 接收GPS数据； 根据所述GPS数据获取所述田间机器人的当前位置； 判断所述田间机器人的当前位置是否在预设路径上； 若所述当前位置不在预设路径上，则获取所述田间机器人当前加速度信息； 根据所述当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿； 根据所述当前位姿调整所述田间机器人的前进方向，以使所述田间机器人的行驶路径 与所述预设路径重合。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述GPS信号获取所述田间机器人当 前位置具体包括： 读取GPS数据； 判断所述GPS数据是否是一条可用的数据； 若是可用数据，则从所述GPS数据中获取定位信息； 存储所述定位信息，所述定位信息即所述田间机器人当前位置。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设路径根据首次获取的所述田间 机器人的当前位置为初始位置来设置，其中，所述预设路径为直线。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述田间机器人当前加速度信息具 体包括： 通过三轴加速度传感器获取所述田间机器人在三个方向上的加速度信息，所述三个方 向两两垂直且构成右手坐标系，且其中一个方向的正方向与所述田间机器人的前进方向一 致。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述当前加速度信息，获取所述田间 机器人当前位姿，具体包括： 根据所述加速度值与重力加速度之间的关系，获取所述田间机器人当前的倾斜角，所 述倾斜角指示所述田间机器人的当前位姿。
6. 根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 显示至少一种下述信息：电子地图、预设路径、坐标、所述田间机器人当前位置、当前位 姿，以及当前位置与预设路径的差值，其中，所述坐标包括经纬度坐标和平面坐标。
7. -种田间机器人的导航设备，其特征在于，所述设备包括： GPS接收机，用于接收GPS数据； 处理器，用于根据所述GPS数据获取所述田间机器人的当前位置； 所述处理器还用于判断所述田间机器人的当前位置是否在预设路径上； 三轴加速度传感器，用于若所述当前位置不在预设路径上，则获取所述田间机器人当 前加速度信息； 所述处理器还用于根据所述当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿； 所述处理器还用于根据所述当前位姿调整所述田间机器人的前进方向，以使所述田间 机器人的行驶路径与所述预设路径重合。
8. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述处理器包括： 读取单元，用于读取所述GPS数据； 判断单元，用于判断所述GPS数据是否是一条可用的数据； 处理单元，用于若是一条可用的GPS数据，则从中获取定位信息； 存储单元，用于存储所述定位信息，所述定位信息即所述田间机器人当前位置。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预设路径根据首次获取的所述田间 机器人的当前位置为初始位置来设置，其中，所述预设路径为直线。
10. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述三轴加速度传感器具体用于：获取 所述田间机器人在三个方向上的加速度信息，所述三个方向两两垂直且构成右手坐标系， 且其中一个方向的正方向与所述田间机器人的前进方向一致。
11. 根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述处理器还包括： 位姿获取单元，用于根据所述加速度值与重力加速度之间的关系，获取所述田间机器 人当前的倾斜角，所述倾斜角指示所述田间机器人当前位姿。
12. 根据权利要求7至11任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括： 显示单元，用于显示至少一种下述信息：电子地图、预设路径、坐标，所述田间机器人当 前位置、当前位姿，以及当前位置与预设路径的差值，其中，所述坐标包括经纬度坐标和平 面坐标。
【文档编号】G05D1/02GK104216405SQ201310217996
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年6月4日 优先权日:2013年6月4日
【发明者】张志斌, 王海旭, 刘占, 刘双双, 徐晓东 申请人:内蒙古大学
【专利摘要】本发明实施例公开了田间机器人导航方法和导航设备，所述方法包括：接收GPS数据；根据所述GPS数据获取所述田间机器人的当前位置；判断所述田间机器人的当前位置是否在预设路径上；若所述当前位置不在预设路径上，则获取所述田间机器人当前加速度信息；根据所述当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿；根据所述当前位姿调整所述田间机器人的前进方向，以使所述田间机器人的行驶路径与所述预设路径重合。本发明可在田间机器人直线行走时进行导航控制。
【专利说明】田间机器人的导航方法及设备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动化控制领域，特别涉及田间机器人的导航方法及设备。
【背景技术】
[0002] 随着机器人技术的迅猛发展，对于机器人代替人类工作的要求越来越高。我国作 为一个以农业为基础的大国，经济能否稳定发展很大程度上取决于农业的发展。农业的发 展很大程度上依靠农业科技发展和农业自动化程度的提高。因此，在农业上对于自动化程 度很高的田间作业机器人的需求日益增加。
[0003] 田间机器人的工作区域一般都是直线型的，但是田间机器人主要在自然场景下工 作，自然场景是复杂多变的，例如土地不平整、有障碍物等。现有技术中，对于田间机器人直 线行走时的导航控制还不完善。
【发明内容】
[0004] 本发明实施例中提供了田间机器人的导航方法和设备，可以解决田间机器人直线 行走时导航控制还不完善的问题。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：
[0006] 第一方面，提供了 一种田间机器人的导航方法，所述方法包括：
[0007] 接收GPS数据；
[0008] 根据所述GPS数据获取所述田间机器人的当前位置；
[0009] 判断所述田间机器人的当前位置是否在预设路径上；
[0010] 若所述当前位置不在预设路径上，则获取所述田间机器人当前加速度信息；
[0011] 根据所述当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿；
[0012] 根据所述当前位姿调整所述田间机器人的前进方向，以使所述田间机器人的行驶 路径与所述预设路径重合。
[0013] 在第一方面的第一种可能实现方式中，根据所述GPS信号获取所述田间机器人当 前位置具体包括：
[0014] 读取GPS数据；
[0015] 判断所述GPS数据是否是一条可用的数据；
[0016] 若是，则从所述GPS数据中获取定位信息；
[0017] 存储所述定位信息，所述定位信息即所述田间机器人当前位置。
[0018] 在第一方面的第二种可能实现方式中，所述预设路径根据首次获取的所述田间机 器人的当前位置为初始位置来设置，其中，所述预设路径为直线。
[0019] 在第一方面的第三种可能实现方式中，获取所述田间机器人当前加速度信息具体 包括：
[0020] 通过三轴加速度传感器获取所述田间机器人在三个方向上的加速度信息，所述三 个方向两两垂直且构成右手坐标系，且其中一个方向的正方向与所述田间机器人的前进方 向一致。
[0021] 在第一方面的第三种可能实现方式中，还提供了第一方面的第四种可能的实现方 式，根据所述当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿，具体包括：
[0022] 根据所述加速度值与重力加速度之间的关系，获取所述田间机器人当前的倾斜 角，所述倾斜角指示所述田间机器人的当前位姿。
[0023] 结合第一方面至第一方面的第四种可能实现方式中的任一种可能实现方式，还提 供了第一方面的第五种可能实现方式，所述方法还包括：
[0024] 显示至少一种下述信息：电子地图、预设路径、坐标、所述田间机器人当前位置、当 前位姿，以及当前位置与预设路径的差值，其中，所述坐标包括经纬度坐标和平面坐标。
[0025] 第二方面，提供了一种田间机器人的导航设备，所述设备包括：
[0026] GPS接收机，用于接收GPS数据；
[0027] 处理器，用于根据所述GPS数据获取所述田间机器人的当前位置；
[0028] 所述处理器还用于判断所述田间机器人的当前位置是否在预设路径上；
[0029] 三轴加速度传感器，用于若所述当前位置不在预设路径上，则获取所述田间机器 人当前加速度信息；
[0030] 所述处理器还用于根据所述当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿；
[0031] 所述处理器还用于根据当前位姿调整所述田间机器人的前进方向，以使所述田间 机器人的行驶路径与所述预设路径重合。
[0032] 第二方面的第一种可能实现方式中，所述处理器包括：
[0033] 读取单元，用于读取所述GPS数据；
[0034] 判断单元，用于判断所述GPS数据是否是一条可用的数据；
[0035] 处理单元，用于若是一条可用的GPS数据，则从中获取定位信息；
[0036] 存储单元，用于存储所述定位信息，所述定位信息即所述田间机器人当前位置。
[0037] 在第二方面的第二种可能实现方式中，所述预设路径根据首次获取的所述田间机 器人的当前位置为初始位置来设置，其中，所述预设路径为直线。
[0038] 在第二方面的第三种可能实现方式中，所述三轴加速度传感器具体用于：获取所 述田间机器人在三个方向上的加速度信息，所述三个方向两两垂直且构成右手坐标系，且 其中一个方向的正方向与所述田间机器人的前进方向一致。
[0039] 在第二方面的第三种可能实现方式中，还提供了第二方面的第四种可能的实现方 式，所述处理器还包括：
[0040] 位姿获取单元，用于根据所述加速度值与重力加速度之间的关系，获取所述田间 机器人当前的倾斜角，所述倾斜角指示所述田间机器人当前位姿。
[0041] 结合第二方面至第二方面的第四种可能实现方式中的任一种可能实现方式，还提 供了第二方面的第五种可能实现方式，所述设备还包括：
[0042] 显示单元，用于显示至少一种下述信息：电子地图、预设路径、坐标，所述田间机器 人当前位置、当前位姿，以及当前位置与预设路径的差值，其中，所述坐标包括经纬度坐标 和平面坐标。
[0043] 本发明实施例中公开了一种田间机器人的导航方法，根据GPS数据获取田间机器 人的当前位置，判断当前位置是否在预设路径上，若当前位置不在预设路径上，则进一步根 据当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿来调整田间机器人的前进方向，可使田 间机器人的行驶路径与所述预设路径重合。采用GPS数据来定位，不受天气的影响，能连续 提供实时的导航定位，可以实现全球全天候的工作；根据加速度信息来调整行驶路径，成本 低。可见，本发明的实施例可在田间机器人直线行走时进行有效的导航控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0044]为了更清楚地说明本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，对于本领域普通技术人员而 言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0045]图1所示为本发明实施例的田间机器人的导航方法的流程示意图；
[0046]图2所示为GPS定位原理示意图；
[0047]图3所示为本发明实施例的三轴加速度的空间坐标系的示意图；
[0048]图4所示为本发明实施例的单轴加速度传感器的传感方向与重力加速度一致时， 输出的加速度与重力加速度的关系示意图；
[0049]图5所示为本发明实施例的单轴加速度传感器的传感方向与重力加速度垂直时， 输出的加速度与重力加速度的关系示意图；
[0050]图6所示为本发明实施例的计算倾斜角的示意图；
[0051]图7所示为本发明实施例的根据GPS数据获取田间机器人当前位置的方法的流程 不意图；
[0052]图8所示为本发明又一种实施例的田间机器人的导航方法的流程示意图；
[0053]图9所示为本实施例的田间机器人导航设备的结构示意框图；
[0054]图10所示为本发明实施例的田间机器人导航设备处理器结构示意框图；
[0055]图11所示为本实施例的田间机器人导航设备应用实例的示意框图。
【具体实施方式】
[0056]本发明如下实施例提供了 一种田间机器人的导航方法及导航设备，能在田间机器 人直线行走时进行导航控制。
[0057]为了使本【技术领域】的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实 施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方 案作进一步详细的说明。
[0058]参考图1，本发明的实施例提供了一种田间机器人的导航方法，所述方法包括： [0059] 步骤101，接收GPS数据。
[0060] GPS是全球定位系统（Global Positioning System)的简称。它是美国研制的、 能够全方位实时导航与定位，且适用于陆地、海洋甚至是天空的新一代卫星导航与定位系 统。GPS具有三大独立的组成部分：空间部分、地面支撑部分和用户设备部分。其中空间部 分包括二i^一颗常用工作卫星和三颗备用卫星；地面支撑部分包括一个主控站、三个注入 站和五个监测站。用户设备部分即GPS接收机。GPS接收机用于接收GPS卫星发射出的GPS 数据。
[0061] GPS的定位是依据当前运行的卫星瞬间的位置来作为已知的计算数据，通过空间 距离后方交会的方法得出待测点的位置。如图2所示，假设在t时刻启动GPS，可得出GPS 信号到达接收机的时间Λ t,通过接收时间Δ t与接收到的卫星信息可确定公式（1)到公式 (4)：
[0062] (? - x) -I- (y, ^ v)2 + (? - z)" ' -t- c{l·i\ -11〇) = 4： (^
[0063] 1? -，)2 -dF 村(? -氣)=4 ⑵
[0064] h _球 + (少)_ 少)-+ (z3 _ z , - + 老'广 f '。）= (.这）
[0065] ζξψ +dyu -^)=4 ⑷
[0066] 上述公式中，除待测点A(x、y、z)的空间坐标和接收机的钟差Vto是未知参数，其 它均为已知参数。其中xi、yi、zi(i的取值是1、2、3、4)代表是四颗卫星在t时刻的空间坐 标，此参数可以通过卫星导航电文获得。Vti (i的取值是1、2、3、4)代表四颗卫星的钟差，此 参数可通过卫星星历获得。di=c*Ati(i的取值是1、2、 3、4)。其中di(i的取值是1、2、3、 4)代表四颗卫星到接收机的距离。Λ ti (i的取值是1、2、3、4)代表四颗卫星信号到达接 收机的时间。C代表GPS信号的传输速度，它是光速。由上述四个方程式可以解出待测点 A(x、y、z)的坐标和接收机的钟差Vto。
[0067] 在接收GPS数据之前，所述方法还包括：设置预设路径。预设路径可以根据用户的 需求进行设置和修改，灵活方便。
[0068] 预设路径采用地理信息系统（Geographic Information System或Geo - Information system,简称GIS系统）来设置预设路径。
[0069] 步骤102,根据GPS数据获取所述田间机器人的当前位置。
[0070] 本发明实施例中采用的GPS通信协议为NMEA0183ASCII协议，它是美国国家海洋 电子协会制定的。NMEA0183定义了若干种不同格式类型的语句。NEMA0183有多种输出导航 数据格式，如 GPALM、GPGLL、GPRMC、GPGGA、GPGSV、GPVTG 等。本系统采用的是 GPRMC 和 GPGGA 两种数据格式。用GPGGA主要是为了获得高度值，其它数据全用GPRMC来获得。GPRMC数据 中包括：标准定位时间、定位状态、维度、维度区分、经度、经度区分、位移速度、位移方向、日 期、度数、检查位、状态位等。
[0071] 因此，根据接收到的GPS数据，可以从中获得田间机器人当前的经纬度，即可获取 田间机器人的当前位置。
[0072] GPS提供的单机定位精度是优于10米的，而为了获得更高的定位精度，也可以采 用GPS差分定位技术。
[0073] GPS差分定位技术需要用两台GPS接收机。其中一台GPS安装在基准站上，通过基 准站已知的精密坐标，计算基准站与卫星之间的距离改正数，同时基准站实时的将数据发 送给用户端的另一台GPS。此时用户端的接收机在接收GPS信息的同时，也接收了基准站发 出的修正数。通过修正数对接收到的定位信息进行改正，从而提高了定位精度。
[0074] 本发明的实施例中，为了降低成本，采用的是GPS单机定位。
[0075]利用GPS进行导航，不受天气的影响，能连续提供实时的位置、速度和时间，可以 实现全球全天候的工作；此外，利用GPS进行导航，定位精确度高：如果采用单机定位，精确 度优于10米；如果采用差分定位，精确度可达厘米级甚至是毫米级。
[0076] 步骤103,判断田间机器人的当前位置是否在预设路径上，若不在预设路径上，则 转至步骤104。
[0077] 步骤104,获取所述田间机器人当前加速度信息。
[0078] 通过GPS数据可以获取田间机器人的当前位置，但是若当前位置不在预设路径 上，仅根据GPS数据无法给出具体的调整方案，因此需要三轴加速度传感器。
[0079] 具体来说，获取所述田间机器人当前加速度信息是通过三轴加速度传感器获取所 述田间机器人三个方向的加速度信息，所述三个方向两两垂直且构成右手坐标系，且其中 一个方向的正方向与所述田间机器人前进方向一致。
[0080] 本发明的实施例使用的三轴加速度传感器输出三个方向的加速度值，此值具有方 向性，正值代表正方向，负值代表反方向。图3所示为本实施例的三轴加速度的空间坐标 图，其中γ轴的正方向与前进的方向一致。
[0081] 步骤105,分析所述当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿。
[0082] 具体来说，根据所述加速度值与重力加速度之间的关系，获取所述田间机器人当 前的倾斜角，所述倾斜角指示所述田间机器人当前位姿。下面先详细介绍倾斜角的测量原 理。
[0083] 假定加速度传感器的传感方向与重力加速度方向一致时，倾斜角度为零。加速度 传感器输出的加速度与重力加速的关系如图4所示，假设F(0)是加速度传感器的测量结 果，Θ是倾斜角度，g是重力加速度，它们的关系如公式（ 5)- (7)所示：
[0084] F( Θ ) = geos Θ (5)
[0085] 对 F( θ )求导：
[0086]
【权利要求】
1. 一种田间机器人的导航方法，其特征在于，所述方法包括： 接收GPS数据； 根据所述GPS数据获取所述田间机器人的当前位置； 判断所述田间机器人的当前位置是否在预设路径上； 若所述当前位置不在预设路径上，则获取所述田间机器人当前加速度信息； 根据所述当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿； 根据所述当前位姿调整所述田间机器人的前进方向，以使所述田间机器人的行驶路径 与所述预设路径重合。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述GPS信号获取所述田间机器人当 前位置具体包括： 读取GPS数据； 判断所述GPS数据是否是一条可用的数据； 若是可用数据，则从所述GPS数据中获取定位信息； 存储所述定位信息，所述定位信息即所述田间机器人当前位置。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设路径根据首次获取的所述田间 机器人的当前位置为初始位置来设置，其中，所述预设路径为直线。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取所述田间机器人当前加速度信息具 体包括： 通过三轴加速度传感器获取所述田间机器人在三个方向上的加速度信息，所述三个方 向两两垂直且构成右手坐标系，且其中一个方向的正方向与所述田间机器人的前进方向一 致。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述当前加速度信息，获取所述田间 机器人当前位姿，具体包括： 根据所述加速度值与重力加速度之间的关系，获取所述田间机器人当前的倾斜角，所 述倾斜角指示所述田间机器人的当前位姿。
6. 根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 显示至少一种下述信息：电子地图、预设路径、坐标、所述田间机器人当前位置、当前位 姿，以及当前位置与预设路径的差值，其中，所述坐标包括经纬度坐标和平面坐标。
7. -种田间机器人的导航设备，其特征在于，所述设备包括： GPS接收机，用于接收GPS数据； 处理器，用于根据所述GPS数据获取所述田间机器人的当前位置； 所述处理器还用于判断所述田间机器人的当前位置是否在预设路径上； 三轴加速度传感器，用于若所述当前位置不在预设路径上，则获取所述田间机器人当 前加速度信息； 所述处理器还用于根据所述当前加速度信息，获取所述田间机器人当前位姿； 所述处理器还用于根据所述当前位姿调整所述田间机器人的前进方向，以使所述田间 机器人的行驶路径与所述预设路径重合。
8. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述处理器包括： 读取单元，用于读取所述GPS数据； 判断单元，用于判断所述GPS数据是否是一条可用的数据； 处理单元，用于若是一条可用的GPS数据，则从中获取定位信息； 存储单元，用于存储所述定位信息，所述定位信息即所述田间机器人当前位置。
9. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述预设路径根据首次获取的所述田间 机器人的当前位置为初始位置来设置，其中，所述预设路径为直线。
10. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述三轴加速度传感器具体用于：获取 所述田间机器人在三个方向上的加速度信息，所述三个方向两两垂直且构成右手坐标系， 且其中一个方向的正方向与所述田间机器人的前进方向一致。
11. 根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述处理器还包括： 位姿获取单元，用于根据所述加速度值与重力加速度之间的关系，获取所述田间机器 人当前的倾斜角，所述倾斜角指示所述田间机器人当前位姿。
12. 根据权利要求7至11任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括： 显示单元，用于显示至少一种下述信息：电子地图、预设路径、坐标，所述田间机器人当 前位置、当前位姿，以及当前位置与预设路径的差值，其中，所述坐标包括经纬度坐标和平 面坐标。
【文档编号】G05D1/02GK104216405SQ201310217996
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年6月4日 优先权日:2013年6月4日
【发明者】张志斌, 王海旭, 刘占, 刘双双, 徐晓东 申请人:内蒙古大学
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