一种多功能莼菜无人作业船及其导航控制方法
技术领域
本发明属于农业机械技术领域，具体地，涉及一种多功能莼菜无人作业船及其导航控制方法。
背景技术
水生蔬菜是指适合在淡水环境生长，其产品可作为蔬菜食用的维管束植物，是我国独具特色的一类水生经济作物，近年来水生蔬菜的市场不断扩大，水生蔬菜的栽培发展迅速，然而由于其生长在水中，难以开展自动化作业。以莼菜为例，莼菜是一种湖沼水生植物，由于受其长条件限制，莼菜作业极其繁琐，耗费人力物力，增加了莼菜种植成本，且效率低下。莼菜一般散乱的潜在水中或则漂浮在水面上，且混杂有杂草，需要对杂草和莼菜进行区分，进行除草作业，莼菜的培育过程需要施肥和施药，施肥、施药面积广，莼菜的采摘也很费时，效率低。无人船技术发展迅速，是作为莼菜无人作业的理想解决方案，现有无人作业船技术可集成多种传感器，实现智能化操作，其中自主导航技术、避障技术、目标探测技术是无人船发展的关键技术点，并且无人船朝着多功能、模块化方向发展。随着农业机械化、自动化的发展，许多无人船技术被应用到农业领域。
莼菜生长环境复杂，施肥、施药、除草采摘等作业难度大，针对于莼菜栽培环境且满足多功能需求的无人船亟待开发。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种多功能莼菜无人作业船及其导航控制方法，使作业船能在远程遥控和自主导航两种模式下作业，在自动导航状态时，能够实现自主导航作业，使其工作范围覆盖整个作业区域，并能实现自主避障功能。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种多功能莼菜无人作业船的导航控制方法，无人作业船电气控制系统启动后，选择进入自主导航模式，自主导航模式包括水岸边界探测模式、工作模式和自主避障模式，工作模式包括施药模式、施肥模式、除草模式和采摘模式，水岸边界探测模式生成水岸边界地图，工作模式以所述地图为基础展开作业，遇到障碍物时所述电气控制系统控制工作模式切换到自主避障模式，避障完成后，返回之前的模式工作。
进一步，所述水岸边界探测模式生成水岸边界地图，具体为：
在水岸边界探测模式时，无人作业船沿水岸边界行驶，上位机处理雷达扫描探测的信息，下位机控制器控制无人作业船始终平行于岸边行驶，并保持无人作业船侧面与水岸边界的距离始终为h，上位机记录无人作业船位置信息，生成行驶轨迹，将所得轨迹作为水岸边界地图，并将边界内水域划分为以无人船最大宽度w为边长的栅格，形成栅格地图。
更进一步，在施药模式或施肥模式时，采用“S”形路径作业，无人作业船从全局坐标原点出发，沿直线开始作业，标记已作业水域所在栅格的状态值，当无人作业船接近水岸边界时，作“U”形转弯后，继续沿直线作业，到达终点后，根据覆盖整个工作区域情况，控制无人作业船。
更进一步，根据覆盖整个工作区域情况，控制无人作业船，具体为：
判断P[i，j]＝1的栅格数量N1与除障碍物之外的栅格数量(N0+N1)的比值
若不等式成立，则无人作业船停止工作；若不成立，无人作业船按照由近到远的顺序驶向P[i，j]＝0的栅格区域作业，直至不等式成立；
其中N0为P[i，j]＝0的栅格数量，P[i，j]＝1表示该栅格区域已完成作业，P[i，j]＝0表示该栅格区域未作业。
更进一步，在采摘模式时，上位机处理点云信息，获取水上莼菜所在栅格坐标，无人作业船驶向距离最近的栅格作业，并根据图像信息识别莼菜植株，进行莼菜芽采摘作业。
更进一步，在除草模式时，根据图像信息识别杂草，确定杂草的栅格坐标，无人作业船行驶至距离最近的杂草区域，进行除草作业。
更进一步，作业过程中，当探测到障碍物时，进入到自主避障模式，避障结束后，回到当前作业模式。
更进一步，所述自主避障模式，具体为：
激光雷达探测到障碍物，标记障碍物所在栅格坐标，确定无人作业船中心距障碍物两侧的水平距离，根据不同障碍物的宽度，规划行驶路线，绕开障碍物，具体为：min[wL，wR]≥2w，无人作业船向其中心距障碍物水平距离较大的方向作“U”形掉头继续作业，直至min[wL，wR]＜2w，无人船转弯绕开障碍物；
其中：wL为无人作业船中心距障碍物最左侧的水平距离，wR为无人作业船中心距障碍物最右侧的水平距离，w是栅格的宽度。
一种多功能莼菜无人作业船，包括视觉传感器、激光雷达、组合导航设备、控制系统、作业执行机构安装平台、浮漂装置、电源供电系统和动力系统，作业机构安装平台安装不同作业机构；所述视觉传感器、激光雷达、组合导航设备、控制系统、作业机构、动力系统和电源供电系统，构成电气控制系统；电气控制系统启动后，选择进入自主导航模式，自主导航模式包括水岸边界探测模式、工作模式和自主避障模式，工作模式包括施药模式、施肥模式、除草模式和采摘模式，水岸边界探测模式生成水岸边界地图，工作模式以所述地图为基础展开作业，遇到障碍物时所述电气控制系统控制工作模式切换到自主避障模式，避障完成后，返回之前的模式工作。
上述技术方案中，所述作业机构安装平台包括支撑杆、平台和电动伸缩杆A，支撑杆上部安装电动伸缩杆A，支撑杆下部分别安装在两段滑槽内，滑槽的端部安装有电动伸缩杆B，电动伸缩杆B的端部与支撑杆末端固定连接，平台固定在电动伸缩杆A上方。
本发明的有益效果为：
(1)本发明针对莼菜作业设计的多功能无人作业船，具备导航、避障等功能，作业机构安装平台可安装不同功能机构，实现具体的作业功能，包括施肥、施药、采摘和除草。
(2)本发明在水岸边界探测模式时生成水岸边界地图，限定无人作业船行驶范围，避免无人作业船碰壁、搁浅，将边界内水域生成栅格地图；工作模式以该地图为基础展开作业。
(3)施肥或施药作业时，采用“S”形路径作业，可以很好地适应不规则水域，做到全覆盖，避免重复作业和作业遗漏区域过多；采摘和除草作业时，可实现自主识别作业；自主避障模式实现了自动避障，避免无人船碰撞损坏，且能根据障碍物宽度规划航线，对于较宽的障碍物可减少绕行次数。本发明能显著提高莼菜作业的效率，促进莼菜种植业的发展。
附图说明
图1为本发明多功能莼菜无人作业船结构示意图；
图2为本发明升降安装平台示意图；
图3为本发明电气控制系统结构示意图；
图4为本发明控制系统模式转换示意图；
图5为本发明导航控制方法流程图，图5(a)为水岸边界探测流程图，图5(b)为自主避障流程图，图5(c)为自主导航全覆盖施肥/施药流程图，图5(d)为自动采摘流程图，图5(e)为自动除草流程图；
图6为本发明自动导航全覆盖作业示意图；
图7为本发明避障示意图，图7(a)为对较窄障碍物的避障示意图，图7(b)为对较宽障碍物的避障示意图。
其中：1、视觉传感器；2、激光雷达；3、组合导航设备；4、控制系统；5、作业执行机构安装平台；6、浮漂装置；7、电源供电系统；8、动力系统；501、支撑杆；502、平台；503、电动伸缩杆A。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述，本文通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，即所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，一种多功能莼菜无人作业船，包括视觉传感器1、激光雷达2、组合导航设备3、控制系统4、作业执行机构安装平台5、浮漂装置6、电源供电系统7和动力系统8。其中，视觉传感器1安装在船头，用于识别莼菜和杂草；激光雷达2安装在船头，用于探测前方障碍物；组合导航设备3安装在作业船前部的金属支架上，以组合导航设备3安装中心作为无人作业船中心；控制系统4包括上位机、下位机控制器；作业机构安装平台5可加装不同作业机构，实现不同的作业功能；浮漂装置6安装在无人作业船两侧，具体为空心的塑料桶，用于增加无人作业浮力和稳定性；动力系统8安装在船尾，且由下位机控制器控制，实现无人作业船的启停和转向。
如图2所示，作业机构安装平台5由三部分组成：支撑杆501、平台502和电动伸缩杆A503。支撑杆501上部安装电动伸缩杆A503，电动伸缩杆A503用于调节作业机构的作业高度，电动伸缩杆A503由下位机控制器控制；支撑杆501下部分别安装在两段滑槽内(滑槽固定在作业船内部)，另为了方便作业机构有合适的作业距离，在滑槽的端部安装有一定行程量的电动伸缩杆B(图中未画出)，电动伸缩杆B的端部与支撑杆501末端固定连接，且电动伸缩杆B由下位机控制器控制，用以调节作业机构安装平台5距离船尾的远近。平台502固定在电动伸缩杆A503上方。
图3所示为无人作业船电气控制系统，包括视觉传感器1、激光雷达2、组合导航设备3、控制系统4、作业机构、动力系统8和电源供电系统7，电源供电系统7给视觉传感器1、组合导航设备3、控制系统4、激光雷达2、作业机构和动力系统供电；上位机接收视觉传感器1、激光雷达2和组合导航设备3的信号，遇到障碍物时，发送控制指令给下位机控制器，下位机控制器作出响应，控制动力系统8和作业机构做出相应动作。无线信号接收器与下位机控制器通过信号线连接，用于接收遥控器的信号。
一种多功能莼菜无人作业船的导航控制方法，具体为：
无人作业船模式转换机制如图4所示，无人作业船电气控制系统启动后，默认进入遥控模式，进行遥控操作，可由遥控器选择进入自主导航模式，自主导航模式包括水岸边界探测模式、施药模式、施肥模式、除草模式、采摘模式和自主避障模式，其中施药模式、施肥模式、除草模式和采摘模式均为工作模式。
水岸边界探测模式可生成水岸边界地图，工作模式以该地图为基础展开作业，遇到障碍物时无人作业船电气控制系统控制工作模式切换到自主避障模式，避障完成后，返回之前的模式工作。
一、如图5(a)所示，在作业之前，无人作业船可对水岸边界进行探测，建立水岸边界地图，无人作业船的后续作业限定在边界范围内，具体过程如下：
S1，无人作业船启动，进入遥控模式，遥控器控制无人作业船行驶到水岸边界；
S2，遥控器选择进入切换至水岸边界探测模式，无人作业船沿水岸边界开始行驶；
S21，以无人作业船出发点为原点，初始速度方向为y轴，垂直于y轴且远离当前水岸方向为x轴，以无人作业船最大宽度w为坐标轴单位建立全局坐标系；其中w也是栅格的宽度；
S22，激光雷达2扫描探测水岸边界，将数据传回上位机，上位机处理后通过下位机控制器控制无人作业船始终平行于岸边行驶，并保持无人作业船侧面与水岸边界的距离始终为h；
S3，上位机记录无人作业船位置信息，生成行驶轨迹；
上位机记录组合导航设备3获取的无人作业船位置信息，从而得到无人作业船行驶轨迹，将所得轨迹作为水岸边界地图(如图6所示)，所得地图与真实岸边留有宽度为h的缓冲区；
S4，判断无人作业船是否行驶至出发点，若否，则回到S3；若是，则停止行驶，根据水岸边界地图生成初始水岸栅格地图。
生成初始水岸栅格地图过程如下：得到水岸边界地图后，将边界内水域划分为以无人船最大宽度w为边长的栅格，形成栅格地图，每个栅格的状态表示为：
其中，i、j分别为每个栅格区域内的x坐标的最小值和y坐标的最小值，P[i，j]＝1表示该栅格区域已完成作业，P[i，j]＝0表示该栅格区域未作业，P[i，j]＝-1表示该栅格区域有障碍物。
二、在施肥或施药作业时，为保证覆盖面积尽可能大，同时能适应形状不规则的水域，采用“S”形路径作业，示例性的，为了更清楚的描述本发明中自主导航全覆盖施肥作业或自主导航全覆盖施药作业的具体过程，流程图如图5(c)，具体方法为：
S1，无人作业船行驶至全局坐标原点，施肥或施药机构安装在作业执行机构安装平台5上，施肥或施药机构通过数据接口接入RS485数据总线，实现与下位机控制器的通信；
S2，无人作业船出发，沿直线开始作业，标记已作业水域所在栅格的状态值：P[i，j]＝1，更新水岸栅格地图；
S3，当无人作业船接近水岸边界时，作“U”形转弯后，继续沿直线作业，并更新水岸栅格地图；
S31，根据无人作业船所搭载的组合导航设备3所提供的位置信息，上位机计算无人作业船与水岸边界的距离；
S32，结合激光雷达2是否探测水岸，判断无人作业船是否已接近水岸边界；
S33，当判断无人作业船已接近水岸边界时，向x轴正方向一侧做“U”形转弯，然后继续直线作业，使新的作业航线平行于原来的作业航线；
S4，根据覆盖整个工作区域情况，控制无人作业船，具体如下：
无人作业船在到达终点后，判断P[i，j]＝1的栅格数量N1与除障碍物之外的栅格数量(N0+N1)的比值
若不等式成立，则停止工作；若不成立，无人作业船按照由近到远的顺序驶向P[i，j]＝0的栅格区域作业，直至不等式成立。
在施肥或施药作业过程中，当激光雷达2探测到障碍物时，进入到自主避障模式，避障结束后，回到当前模式。
三、当无人船在莼菜采摘模式下作业时，流程图如图5(d)，包括如下步骤：
S1，在作业执行机构安装平台5上安装采摘机构，采摘机构通过数据接口接入RS485数据总线，实现与下位机控制器的通信；
S2，上位机处理激光雷达2的点云信息，得到水上莼菜所在栅格的坐标，无人作业船驶向距离最近的栅格作业；
结合组合导航设备3，将获得的点云信息进行坐标转换，得到在全局坐标系的坐标，提取出水上莼菜的点云，记录水上莼菜所在栅格坐标，找到距离最近的待作业栅格，下位机控制器控制动力系统，使无人作业船调整航向；
S3：视觉传感器1将图像传回上位机，利用颜色差异将杂草和莼菜叶从背景中提取，再根据莼菜叶片接近于圆形的特征将莼菜图像提取，判别出莼菜植株和莼菜芽；
S4：下位机控制器通过RS485数据总线接口发送指令控制采摘机构开始莼菜芽采摘作业，当前区域采摘完成后，无人作业船驶往下一区域采摘，直至所有作业区域采摘完成。
在采摘作业过程中，当激光雷达2探测到障碍物时，进入到自主避障模式，避障结束后，回到当前模式。
四、在莼菜植株群落中，可能会夹杂某些杂草，需要除草作业，当无人作业船在除草模式下作业时，流程图如图5(e)，包括如下步骤：
S1，在作业执行机构安装平台5上安装除草作业机构，除草机构通过数据接口接入RS485数据总线，实现与下位机控制器的通信；
S2，视觉传感器1工作，视觉传感器1将图像传回上位机，利用颜色差异将杂草和莼菜从背景中提取，再根据莼菜叶片接近于圆形的特征将莼菜去除，得到杂草图像，结合激光雷达2确定杂草的栅格坐标；
S3，无人作业船行驶至距离最近的杂草区域，下位机控制器通过RS485数据总线接口除草机构开始除草作业；
S4，作业完成，无人作业船继续前进，寻找下一个杂草位置，直至所有作业区域除草完成。
在除草过程中，当激光雷达2探测到障碍物时，进入到自主避障模式，避障结束后，回到当前模式。
五、自主避障模式
无人作业船在作业过程中遇到障碍物时(即P[i，j]＝-1)，通过激光雷达2探测障碍物到无人作业船的距离以及障碍物的宽度，重新规划行驶路径，自动避障，流程图如图5(b)，避障示意图如图7；当无人作业船遇到宽度不大的障碍物时，如图7(a)，以无人作业船所在航道为基准，从较窄的一侧绕过在障碍物；当无人作业船遇到较宽的障碍物时，如图7(b)，由于无人作业船采用“S”形作业方式，必然会再次遇到该障碍物，所以先作“U”形掉头继续作业，行驶至较窄处时再绕过障碍物，这样可以减少对同一障碍物的绕行次数。图7中，A、B、C为无人船的中心点，以如图7(b)的障碍物为例，具体过程如下：
S1，激光雷达2探测到障碍物，标记障碍物所在栅格状态值；
S11，当激光雷达2探测到前方物体时，将得到的距离、角度等信息传给上位机，由距离、角度获取障碍物所在栅格坐标(x，y)；
S12，上位机通过所得到的水岸边界地图和组合导航设备3提供的位置，判断出当前无人作业船是否位于水岸边界，若是，则无人作业船做“U”形调头行驶；否则进入S13；
S13，将障碍物所在栅格状态值标记：P[i，j]＝-1，如图7(b)中阴影部分；
上位机记录无人作业船遇到障碍物时所在的航道LN(如图7(b)中B点所在虚线)，执行步骤S2。
S2，无人作业船行驶至最小安全距离，同时停止作业；
激光雷达2探测到障碍物时，确定障碍物最左侧栅格坐标为(x1，y1)、障碍物最右侧栅格坐标为(x2，y2)、无人作业船中心正对的障碍物栅格坐标为(x3，y3)；
计算无人作业船中心距障碍物最左侧的水平距离：
计算无人作业船中心距障碍物最右侧的水平距离：
S3，根据不同障碍物的宽度，规划行驶路线，绕开障碍物；具体如下：
min[wL，wR]≥2w且wL＜wR，无人作业船向右作“U”形掉头行驶，开始作业，直至C点时，min[wL，wR]＜2w且wL≥wR，无人作业船向右转弯绕开障碍物。
S4，驶离障碍物后，无人作业船驶回原作业航道LN继续作业。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
