楊靜宜，崔建弘，寇雪梅，劉志剛

(1.河北工程技術(shù)學(xué)院，石家莊　050091;2.云南大學(xué) 軟件學(xué)院，昆明　650091)

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基于DSP技術(shù)和目標(biāo)模擬器的自主導(dǎo)航播種機(jī)設(shè)計(jì)

楊靜宜1，崔建弘1，寇雪梅1，劉志剛2

(1.河北工程技術(shù)學(xué)院，石家莊050091;2.云南大學(xué) 軟件學(xué)院，昆明650091)

摘要：為了降低播種機(jī)重復(fù)作業(yè)和漏播作業(yè)的概率，提高作業(yè)的速度，降低成本，減輕駕駛員的工作量，基于DSP技術(shù)和目標(biāo)模擬器地圖生成技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型的自主導(dǎo)航播種機(jī)。該播種機(jī)可以采集GPS位置點(diǎn)，得到目標(biāo)模擬器的電子地圖，然后根據(jù)目標(biāo)模擬器的形狀確定播種機(jī)的行駛路線，并按照確定好的規(guī)劃路線對(duì)播種機(jī)的行進(jìn)路徑進(jìn)行跟蹤，對(duì)得到的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。利用DSP處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了播種機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的顯示功能，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到點(diǎn)狀圖，生成了目標(biāo)模擬器的電子地圖。試驗(yàn)證明：播種機(jī)的DSP實(shí)時(shí)編碼效率、重播率及路徑規(guī)劃準(zhǔn)確率等各項(xiàng)指標(biāo)都符合自動(dòng)化播種機(jī)的設(shè)計(jì)要求，為現(xiàn)代化播種機(jī)的設(shè)計(jì)提供了較有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：目標(biāo)模擬器；自主導(dǎo)航；DSP技術(shù)；電子地圖；路徑規(guī)劃；播種機(jī)

0引言

在實(shí)時(shí)圖像處理任務(wù)中，DSP數(shù)字信號(hào)處理器發(fā)揮了重要的作用。DSP 是一種適用于密集型數(shù)據(jù)運(yùn)算與實(shí)時(shí)信號(hào)處理的微處理器。通過(guò)多年的發(fā)展，DSP技術(shù)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別是在數(shù)字信號(hào)的處理、圖形圖像實(shí)時(shí)處理、自動(dòng)化控制、通信等行業(yè)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。播種機(jī)路徑規(guī)劃可以降低重復(fù)作業(yè)和漏播作業(yè)的概率，提高作業(yè)的速度，從而節(jié)約時(shí)間、降低成本、減輕駕駛員的工作量，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為此，本文結(jié)合DSP和GPS目標(biāo)模擬地圖技術(shù)，對(duì)播種機(jī)的自主導(dǎo)航功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，以期提高播種機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)水平和播種精度。

1自主導(dǎo)航播種機(jī)總體設(shè)計(jì)

自主導(dǎo)航播種機(jī)自主導(dǎo)航的設(shè)計(jì)步驟主要有3個(gè)：首先利用DSP編碼技術(shù)獲取地塊的矢量電子地圖，進(jìn)行路徑規(guī)劃并選擇合適的作業(yè)路徑；然后在播種機(jī)運(yùn)行后利用GPS獲取播種機(jī)的位置信息，根據(jù)采集得到的位置信息和期望路徑進(jìn)行比較，得到定位誤差；最后按照一定的控制算法對(duì)路徑進(jìn)行重新規(guī)劃。其總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1　自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)播種機(jī)導(dǎo)航過(guò)程的可視化，利用VS2008 和ArcGIS Engine 兩種軟件并對(duì)其進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，結(jié)合DSP處理技術(shù)，可以實(shí)時(shí)的顯示播種機(jī)的運(yùn)動(dòng)，并可以保存運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

播種機(jī)目標(biāo)模擬器地圖的生成算法主要是利用GPS差分算法，并利用其附帶軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使用DSP技術(shù)，結(jié)合ArcGIS軟件，基于C#和Arcgis engine對(duì)路徑規(guī)劃的軟件程序進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，其具體流程如圖2所示。工作時(shí)，首先利用GPS采集得到數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存放到Access數(shù)據(jù)庫(kù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理得到點(diǎn)狀圖，進(jìn)而生成目標(biāo)模擬器的電子地圖。

2基于DSP的目標(biāo)模擬器地圖生成

數(shù)字信號(hào)處理(DSP)是對(duì)通過(guò)一系列數(shù)字或符號(hào)序列表示的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理應(yīng)用的技術(shù)，數(shù)字信號(hào)處理和模擬信號(hào)處理是信號(hào)處理的子領(lǐng)域，其基本流程如圖3所示。

圖2　目標(biāo)模擬器地圖的生成

圖3　采集信號(hào)DSP處理過(guò)程

DSP處理過(guò)程中，首先通過(guò)傳感器或者GPS等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號(hào)，利用DSP編碼技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；然后，再將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，完成采集信號(hào)的DSP處理。

為了實(shí)現(xiàn)播種機(jī)路徑的自動(dòng)導(dǎo)航和規(guī)劃，需要選用合適的路徑規(guī)劃算法。為了適應(yīng)多數(shù)的地塊，在選用路徑規(guī)劃算法時(shí)，需考慮窄地塊，當(dāng)對(duì)稱式機(jī)組需要較窄的地頭而選用無(wú)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)彎時(shí)，可以選用如圖4所示的套行法路徑規(guī)劃算法。

圖4　套行法路徑規(guī)劃示意圖

圖5為數(shù)據(jù)處理的流程圖，根據(jù)數(shù)據(jù)的需要，利用查詢方法提取數(shù)據(jù)，利用定時(shí)器設(shè)置串口數(shù)據(jù)讀取的頻率，時(shí)間間隔設(shè)置為1s；利用OnTimer來(lái)編寫(xiě)數(shù)據(jù)提取的程序。在GPS接收數(shù)據(jù)時(shí)，首先需要確定字符串的開(kāi)頭是不是“GPRMC”；如果是，則按照輸出格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和提取，并對(duì)數(shù)據(jù)分別賦給變量。

圖6表示GPS數(shù)據(jù)采集的上位機(jī)軟件設(shè)置。GPS 接收機(jī)跟PC 機(jī)連接時(shí)，采用RS-232 串口連接，GPS信號(hào)的輸出時(shí)間間隔一般是在0～2s之間，本文研究的播種機(jī)在作業(yè)時(shí)，其車速一般控制在1m/s，因此每次采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為1s。

圖5　GPS數(shù)據(jù)處理流程圖

圖6　GPS數(shù)據(jù)采集上位機(jī)界面

對(duì)于DSP芯片的選擇，根據(jù)性價(jià)比和目前市場(chǎng)的占有率，選擇當(dāng)前的主流廠家TI的芯片。TI公司最新推出的一款DSP處理器TMS320F2XX系列，其CPU采用一種高性能的超長(zhǎng)指令字VLIW結(jié)構(gòu)，可在多信道數(shù)字信號(hào)處理中發(fā)揮特別強(qiáng)大的功能。這是一種高性能結(jié)構(gòu)，配合相關(guān)總線結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)指令集，在代碼獲取、分配指令和數(shù)據(jù)執(zhí)行、存儲(chǔ)等操作上具有相當(dāng)高的效率。

由于矢量電子地圖中行駛路線圖為線狀shp 數(shù)據(jù)，而GPS接受數(shù)據(jù)一般為點(diǎn)狀，因此需要經(jīng)過(guò)一定的處理，將點(diǎn)狀圖轉(zhuǎn)換為線狀圖。由于數(shù)據(jù)量比較大，靠手動(dòng)連接行程圖是不現(xiàn)實(shí)的，同時(shí)精度也不高，需要利用軟件手段將點(diǎn)狀圖改為線狀圖。圖7為生成的試驗(yàn)地塊的矢量電子地圖。其中，點(diǎn)狀態(tài)是GPS采集得到的點(diǎn)狀圖，線狀圖是經(jīng)過(guò)平滑處理得到的地圖。

圖7　農(nóng)田地塊矢量電子地圖

3自主導(dǎo)航播種機(jī)路徑規(guī)劃測(cè)試

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的自主導(dǎo)航播種機(jī)的性能，對(duì)其DSP數(shù)據(jù)處理能力和自主導(dǎo)航路徑規(guī)劃能力進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)，如果只利用GPS移動(dòng)站來(lái)完成，試驗(yàn)的精度較低。為了提高GPS的精度，使用動(dòng)態(tài)差分方法進(jìn)行定位，并對(duì)GPS的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)精度進(jìn)行了試驗(yàn)。在進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試時(shí)，固定GPS流動(dòng)站的位置，測(cè)試GPS采集點(diǎn)的相對(duì)變化，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。其中，大圈的直徑為0.1m，小圈的直徑為0.01m。

圖8　GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)

經(jīng)過(guò)靜態(tài)數(shù)據(jù)測(cè)試，總共得到了2 000個(gè)測(cè)試點(diǎn)，所有點(diǎn)都落在了直徑為0.1m的大圓內(nèi)，落在0.01圓內(nèi)的點(diǎn)為80%，計(jì)算點(diǎn)的偏差為0.02m。由此可見(jiàn)，在GPS流動(dòng)站靜止時(shí)，GPS的精度較高，滿足路徑規(guī)劃實(shí)驗(yàn)需求。

為了進(jìn)一步研究GPS的測(cè)試精度，對(duì)GPS的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。首先固定基站，對(duì)GPS流動(dòng)站進(jìn)行移動(dòng)，測(cè)試數(shù)據(jù)；測(cè)試的數(shù)據(jù)通過(guò)整理后，數(shù)據(jù)落在大圓直徑為40m和小圓直徑為39m的圓內(nèi)，如圖9所示。

圖9　GPS 動(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果圖

通過(guò)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，GPS流動(dòng)站移動(dòng)過(guò)程中采集得到的數(shù)據(jù)基本都落在39～40m的圓環(huán)內(nèi)，其數(shù)據(jù)總量占99.3%，GPS采集點(diǎn)的偏差值為0.01m，數(shù)據(jù)采集的精度較高，滿足路徑規(guī)劃的需求。

表1所示為GPS定位點(diǎn)測(cè)量距離和實(shí)際偏差的測(cè)試結(jié)果。由表1可以看出：在0.12～0.163m的距離范圍內(nèi)，測(cè)量的距離和實(shí)際距離的最大偏差不超過(guò)0.03m，定位精度較高。

表1　測(cè)量距離和實(shí)際距離測(cè)試表

如圖10所示，選取大約0.4hm2分左右區(qū)域?qū)ΣシN機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)3個(gè)步驟來(lái)對(duì)播種機(jī)的作業(yè)過(guò)程進(jìn)行測(cè)試。首先采集GPS位置點(diǎn)，得到目標(biāo)模擬器的電子地圖；然后根據(jù)目標(biāo)模擬器的形狀確定播種機(jī)的行駛路線；最后按照確定好的規(guī)劃路線對(duì)播種機(jī)的行進(jìn)路徑進(jìn)行跟蹤，并對(duì)得到的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

為確定播種作業(yè)最小轉(zhuǎn)彎半徑，播種機(jī)需要做最小的圓周運(yùn)動(dòng)，采集3組數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)狀態(tài)，得到如圖11所示的轉(zhuǎn)彎半徑圖。利用Autocad可以讀出點(diǎn)狀圖的半徑，該半徑可以作為播種機(jī)作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)彎半徑的最小值。

圖10　播種作業(yè)機(jī)組測(cè)試

圖11　轉(zhuǎn)彎半徑圖

圖12表示實(shí)際位置和預(yù)定行駛位置示意圖。圖12中，點(diǎn)狀表示播種機(jī)的實(shí)際位置，綠色表示播種機(jī)的預(yù)先設(shè)定路徑，使用DSP技術(shù)對(duì)目標(biāo)模擬器圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)編碼處理，得到如表2所示的性能指標(biāo)表。

圖12　實(shí)際位置和預(yù)定行駛位置示意圖

性能指標(biāo)優(yōu)化前QP=25優(yōu)化后QP=25PSNR/db38.2539.36碼率/kbps3748.233825.26幀率/fps6.5232.56

通過(guò)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)的平均PSNR損失較小，編碼的速率提高比較大，優(yōu)化后的編碼速率達(dá)提高了5倍，有助于實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃。

表3所示為播種機(jī)重播率和路徑規(guī)劃準(zhǔn)確率測(cè)試結(jié)果。通過(guò)6組測(cè)試發(fā)現(xiàn)：該機(jī)成功進(jìn)行路徑規(guī)劃的準(zhǔn)確率較高、重播率較低，且可以滿足窄地的作業(yè)，符合播種機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

表3　播種機(jī)重播率和路徑規(guī)劃準(zhǔn)確率測(cè)試

4結(jié)論

1)基于DSP技術(shù)和目標(biāo)模擬器地圖生成技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型的自主導(dǎo)航播種機(jī)。該播種機(jī)具有GPS位置點(diǎn)采集、路徑跟蹤和顯示及路徑規(guī)劃能力，可以實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航功能。

2)為了測(cè)試設(shè)計(jì)的自動(dòng)導(dǎo)航播種機(jī)的性能，對(duì)播種機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，包括GPS精態(tài)和動(dòng)態(tài)定位精度、DSP實(shí)時(shí)編碼效率和播種機(jī)重播率及路徑規(guī)劃的準(zhǔn)確率。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：GPS數(shù)據(jù)采集的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)定位精度都比較高，DSP實(shí)時(shí)編碼效率和路徑規(guī)劃的準(zhǔn)確性也比較高，播種機(jī)的重播率較低，符合自動(dòng)化播種機(jī)的設(shè)計(jì)需求。

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Seeding Machine of Autonomous Navigation Based on DSP and Target Simulator

Yang Jingyi1, Cui Jianhong1, Kou Xuemei1, Liu Zhigang2

(1.Hebei Polytechnic Institute, Shijiazhuang 050091, China; 2.School of Software, Yunnan University, Kunming 650091, China)

Abstract：In order to reduce seeder repetitive operation and leakage sowing operations of probability, improve the operating speed, save time, reduce costs,reduce driver workload, based on DSP technology and target simulator map generation technology,it designs a new autonomous navigation seeder.The planter can collecting GPS position, get the electronic map of the target simulator,then the route of the seeding machine is determined according to the shape of the target simulator,finally according to determine a good route planning of the planter travel path tracking and data collection, save. Using DSP processing technology,the display function of the real-time motion of the seeding machine is realized,and the electronic map of the target simulator is generated by the data processing.Finally through the experiment proved that the seeder DSP real-time coding efficiency and reseeding rate and path planning accurate rate and other indicators are in line with design requirements of automatic seeder,which provides a more valuable reference for modern seeding machine design.

Key words：target simulator; autonomous navigation; DSP technology; electronic map; path planning; seeding machine

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0025-05

中圖分類號(hào)：S223.2+5;TN957

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：楊靜宜(1981-)，女，河北井陘人，講師，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51305152)

收稿日期：2015-06-23