一种具有环境感知能力的全自动收割装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种具有环境感知能力的全自动收割装置，包括收割机和安装在收割机上的毫米波雷达三维环境感知系统；毫米波雷达三维环境感知系统包括毫米波雷达、旋转机械装置、控制单元和数据处理单元；旋转机械装置包括第一旋转轴、旋转盘和第二旋转轴。本全自动收割装置结构简单实用，能实现前方无死角扫描覆盖，且具有控制精确、定位精确度高、实时性好等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及农业机械领域，具体涉及一种具有环境感知能力的全自动收割装置。
技术介绍
随着科技的发展，农业现代化的深入人心，对智能收割机的研究也越来越多。智能环境感知系统的主要功能是通过传感器获取环境信息，具体为收割机的位姿及状态信息获取、农作物识别、收割机周围障碍物的识别(其中包括动态及静态障碍物)以及收割机行驶农田的状况分析等。收割装置，主要指收割机作为一种农业机械设备，在其上设置智能环境感知系统以提高其安全、多功能化等综合性能是目前必然的发展趋势。但是，现在的环境感知系统往往存在感知维度不足、计算精度不高、实时性不强等问题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种具有环境感知能力的全自动收割装置。本专利技术的目的采用以下技术方案来实现：一种具有环境感知能力的全自动收割装置，包括收割机和安装在收割机上的毫米波雷达三维环境感知系统；毫米波雷达三维环境感知系统包括毫米波雷达、旋转机械装置、控制单元和数据处理单元；旋转机械装置包括第一旋转轴、旋转盘和第二旋转轴，第一旋转轴竖直布置且与旋转盘的中心固接，所述第一旋转轴通过第一步进电机驱动旋转；由第二步进电机驱动旋转的第二旋转轴水平套装在轴承座内，所述轴承座通过2个竖直布置的支撑轴固接在旋转盘上；所述第二旋转轴的中点处设置有连接部，所述连接部垂直于第二旋转轴且与第二旋转轴一体成型，毫米波雷达与连接部垂直固接；所述毫米波雷达的自身固有扫描平面垂直于旋转盘所在平面，且扫描范围角为±30°；所述旋转盘在布置支撑轴的一侧有切口，切口所在的直线平行于第二旋转轴所在的直线，且任一支撑轴与切口所在直线的距离小于50mm；所述第一步进电机和第二步进电机均通过单片机来控制，单片机用于接收控制命令，并将控制命令转化为控制信号发送给电机，同时根据装置的初始位置和两个步进电机转过的角度计算出旋转机械装置的当前位置，并将旋转机械装置的当前位置状态反馈给数据处理单元；所述旋转机械装置整体在第一步进电机的带动下面向收割机前进方向做水平180°的周期往返运动，同时毫米波雷达在第二步进电机的带动下面向收割机前进方向做竖直180°的周期往返运动；数据处理单元包括数据采集子单元、延时修正子单元和坐标输出子单元；数据采集子单元接收毫米波雷达测量得到的其与目标的距离值ρ，同时接收单片机发送的垂直旋转角α和水平旋转角β，以及毫米波雷达的自身扫描角θ；设激光雷达对某一目标的读数为(ρ，α，β，θ)，并定义：当雷达处于水平位置时α＝0°，当雷达处于水平位置上方时α值为正，雷达处于水平位置下方时α值为负，当第二旋转轴与收割机正前方方向垂直时β＝0°，当雷达位于β＝0°的右侧时β为正值，当雷达位于β＝0°的左侧时β为负值；当毫米波雷达的自身扫描方向与毫米波雷达所在平面垂直时θ＝0°，当自身扫描方向位于θ＝0°的上方时θ为正值，当自身扫描方向位于θ＝0°的下方时θ为负值；优选地，延时修正子单元包括距离测量修正模块、水平扫描修正模块和垂直扫描修正模块：距离测量修正模块，用于对距离值ρ的测量值进行针对雷达检测波往返过程中延时效应的修正，其输出的修正因子为：当|α1+θ1|＞|α2+θ2|且|β1|＞|β2|时，上式取正号，否则取负号；垂直旋转修正模块，用于对垂直旋转角α进行针对雷达检测波往返过程中延时效应的修正，其输出的修正因子当|α1|＞|α2|时，上式取正号，否则取负号；水平旋转修正模块，用于对水平旋转角β进行针对雷达检测波往返过程中延时效应的修正，其输出的修正因子当|β1|＞|β2|时，上式取正号，否则取负号；其中m为毫米波雷达的最大可探测距离，且用于反应检测目标和毫米波雷达之间距离对延时效应的影响，目标越靠近雷达则延时越小，反之延时越大；t1为对该目标雷达检测波发出的时间，t2为雷达检测波返回的时间；|t1-t2|代表了雷达检测波往返于目标和雷达之间所需的时间；T1为毫米波雷达的水平旋转周期，T2为毫米波雷达的竖直旋转周期；α1为t1时的α值，α2为t2时的α值；β1为t1时的β值，β2为t2时的β值；θ1为t1时的θ值，θ2为t2时的θ值；T1＝2s，T2＝2.4s，毫米波雷达的采样间隔为2°/s；坐标输出子单元：经延时修正子单元修正后输出的目标空间坐标为：(x,y,z)=x=λρ×ρ×cos(λα×(α‾+θ‾))cos(λβ×β‾)y=λρ×ρ×cos(λα×(α‾+θ‾))sin(λβ×β‾)z=λρ×ρsin(λα×(α‾+θ‾))]]>其中，α‾=α1+α22,β‾=β1+β22,θ‾=θ1+θ22.]]>数据处理单元还包括目标RCS起伏特性测量子单元，用于对目标的RCS序列变异系数进行测量：对于处在光学区域的复杂目标，假设由N个散射中心构成，则多散射中心目标的RCS表示为目标方位角的函数：σ(α+θ)=|Σi=1Nσiexp(-4πλRicos(α+θ))|2]]>其中，σi表示第i个散射中心RCS，α+θ表示目标相对毫米波雷达的方位角，Ri表示第i个散射中心相对雷达中心距离；λ为人为设定的参数；则RCS序列变异系数表示为：其中σ(k)表示第k次探测目标的RCS值，RCS序列均值本收割装置的有益效果为：设计了新的毫米波雷达三维环境感知系统，从而实现前方水平180°和竖直方向180°的无死角扫描覆盖，且结构简单经济耐用，抗干扰能力强；利用步进式电动机配合其它部件实现全自动控制功能，控制方便精确；针对新式旋转雷达系统的特点以及延时效应设计了距离测量修正模块、水平扫描修正模块、垂直扫描修正模块等修正模块，使得雷达的坐标定位功能更精确，且实时性更强；给出了精确的坐标计算方法，为自动控制和误差控制提供了基本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有环境感知能力的全自动收割装置，其特征是，包括收割机和安装在收割机上的毫米波雷达三维环境感知系统；毫米波雷达三维环境感知系统包括毫米波雷达、旋转机械装置、控制单元和数据处理单元；旋转机械装置包括第一旋转轴、旋转盘和第二旋转轴，第一旋转轴竖直布置且与旋转盘的中心固接，所述第一旋转轴通过第一步进电机驱动旋转；由第二步进电机驱动旋转的第二旋转轴水平套装在轴承座内，所述轴承座通过2个竖直布置的支撑轴固接在旋转盘上；所述第二旋转轴的中点处设置有连接部，所述连接部垂直于第二旋转轴且与第二旋转轴一体成型，毫米波雷达与连接部垂直固接；所述毫米波雷达的自身固有扫描平面垂直于旋转盘所在平面，且扫描范围角为±30°；所述旋转盘在布置支撑轴的一侧有切口，切口所在的直线平行于第二旋转轴所在的直线，且任一支撑轴与切口所在直线的距离小于50mm；所述第一步进电机和第二步进电机均通过单片机来控制，单片机用于接收控制命令，并将控制命令转化为控制信号发送给电机，同时根据装置的初始位置和两个步进电机转过的角度计算出旋转机械装置的当前位置，并将旋转机械装置的当前位置状态反馈给数据处理单元；所述旋转机械装置整体在第一步进电机的带动下面向收割机前进方向做水平180°的周期往返运动，同时毫米波雷达在第二步进电机的带动下面向收割机前进方向做竖直180°的周期往返运动；数据处理单元包括数据采集子单元、延时修正子单元和坐标输出子单元；数据采集子单元接收毫米波雷达测量得到的其与目标的距离值ρ，同时接收单片机发送的垂直旋转角α和水平旋转角β，以及毫米波雷达的自身扫描角θ；设激光雷达对某一目标的读数为(ρ，α，β，θ)，并定义：当雷达处于水平位置时α＝0°，当雷达处于水平位置上方时α值为正，雷达处于水平位置下方时α值为负，当第二旋转轴与收割机正前方方向垂直时β＝0°，当雷达位于β＝0°的右侧时β为正值，当雷达位于β＝0°的左侧时β为负值；当毫米波雷达的自身扫描方向与毫米波雷达所在平面垂直时θ＝0°，当自身扫描方向位于θ＝0°的上方时θ为正值，当自身扫描方向位于θ＝0°的下方时θ为负值。...

【技术特征摘要】
1.一种具有环境感知能力的全自动收割装置，其特征是，包括收割机和安装在收割机上
的毫米波雷达三维环境感知系统；毫米波雷达三维环境感知系统包括毫米波雷达、旋转机械
装置、控制单元和数据处理单元；旋转机械装置包括第一旋转轴、旋转盘和第二旋转轴，第
一旋转轴竖直布置且与旋转盘的中心固接，所述第一旋转轴通过第一步进电机驱动旋转；由
第二步进电机驱动旋转的第二旋转轴水平套装在轴承座内，所述轴承座通过2个竖直布置的
支撑轴固接在旋转盘上；所述第二旋转轴的中点处设置有连接部，所述连接部垂直于第二旋
转轴且与第二旋转轴一体成型，毫米波雷达与连接部垂直固接；所述毫米波雷达的自身固有
扫描平面垂直于旋转盘所在平面，且扫描范围角为±30°；所述旋转盘在布置支撑轴的一侧
有切口，切口所在的直线平行于第二旋转轴所在的直线，且任一支撑轴与切口所在直线的距
离小于50mm；所述第一步进电机和第二步进电机均通过单片机来控制，单片机用于接收控
制命令，并将控制命令转化为控制信号发送给电机，同时根据装置的初始位置和两个步进电
机转过的角度计算出旋转机械装置的当前位置，并将旋转机械装置的当前位置状态反馈给数
据处理单元；所述旋转机械装置整体在第一步进电机的带动下面向收割机前进方向做水平180°
的周期往返运动，同时毫米波雷达在第二步进电机的带动下面向收割机前进方向做竖直180°
的周期往返运动；
数据处理单元包括数据采集子单元、延时修正子单元和坐标输出子单元；数据采集子单
元接收毫米波雷达测量得到的其与目标的距离值ρ，同时接收单片机发送的垂直旋转角α和
水平旋转角β，以及毫米波雷达的自身扫描角θ；设激光雷达对某一目标的读数为(ρ，α，
β，θ)，并定义：当雷达处于水平位置时α＝0°，当雷达处于水平位置上方时α值为正，雷
达处于水平位置下方时α值为负，当第二旋转轴与收割机正前方方向垂直时β＝0°，当雷达
位于β＝0°的右侧时β为正值，当雷达位于β＝0°的左侧时β为负值；当毫米波雷达的自身
扫描方向与毫米波雷达所在平面垂直时θ＝0°，当自身扫描方向位于θ＝0°的上方时θ为正
值，当自身扫描方向位于θ＝0°的下方时θ为负值。
2.根据权利要求1所述的一种具有环境感知能力的全自动收割装置，其特征是，延时修
正子单元包括距离测量修正模块、水平扫描修正模块和垂直扫描修正模块：距离测量修正模
块，用于对距离值ρ的测量值进行针对雷达检测波往返过程中延时效应的修正，其输出的修
正因子为：
当|α1+θ1|＞|α2+θ2|且|β1|＞|β2|时，上式取正号，否则取负号；
垂直旋转修正模块，用于对垂直旋转角α进行针对雷达检测波往返过程中延时效应的修
正，其输出的修正因子当|α1|＞...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈杨珑，
申请(专利权)人：陈杨珑，
类型：发明
国别省市：浙江;33