基于DSP技術(shù)和目標模擬器的自主導(dǎo)航播種機設(shè)計

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)和目標模擬器的自主導(dǎo)航播種機設(shè)計

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)和目標模擬器地圖生成技術(shù)，設(shè)計了一種新型的自主導(dǎo)航播種機。該播種機可以采集GPS位置點，得到目標模擬器的電子地圖，然后根據(jù)目標模擬器的形狀確定播種機的行駛路線，并按照確定好的規(guī)劃路線對播種機的行進路徑進行跟蹤，對得到的采集數(shù)據(jù)進行保存。利用DSP處理技術(shù)，實現(xiàn)了播種機實時運動的顯示功能，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到點狀圖，生成了目標模擬器的電子地圖。試驗證明：播種機的DSP實時編碼效率、重播率及路徑規(guī)劃準確率等各項指標都符合自動化播種機的設(shè)計要求，為現(xiàn)代化播種機的設(shè)計提供了較有價值的參考。

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

0引言

在實時圖像處理任務(wù)中，DSP數(shù)字信號處理器發(fā)揮了重要的作用。DSP 是一種適用于密集型數(shù)據(jù)運算與實時信號處理的微處理器。通過多年的發(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)字信號的處理、圖形圖像實時處理、自動化控制、通信等行業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用。播種機路徑規(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)約時間、降低成本、減輕駕駛員的工作量，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化打下堅實的基礎(chǔ)。為此，本文結(jié)合DSP和GPS目標模擬地圖技術(shù)，對播種機的自主導(dǎo)航功能進行設(shè)計，以期提高播種機的自動化作業(yè)水平和播種精度。

1自主導(dǎo)航播種機總體設(shè)計

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

圖1　自動導(dǎo)航系統(tǒng)總體設(shè)計

為了實現(xiàn)播種機導(dǎo)航過程的可視化，利用VS2008 和ArcGIS Engine 兩種軟件并對其進行二次開發(fā)，結(jié)合DSP處理技術(shù)，可以實時的顯示播種機的運動，并可以保存運動數(shù)據(jù)。

播種機目標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對路徑規(guī)劃的軟件程序進行二次開發(fā)，其具體流程如圖2所示。工作時，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，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到點狀圖，進而生成目標模擬器的電子地圖。

2基于DSP的目標模擬器地圖生成

數(shù)字信號處理(DSP)是對通過一系列數(shù)字或符號序列表示的信號進行相關(guān)處理應(yīng)用的技術(shù)，數(shù)字信號處理和模擬信號處理是信號處理的子領(lǐng)域，其基本流程如圖3所示。

圖2　目標模擬器地圖的生成

圖3　采集信號DSP處理過程

DSP處理過程中，首先通過傳感器或者GPS等對數(shù)據(jù)進行采集，利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換開關(guān)將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號，利用DSP編碼技術(shù)對數(shù)據(jù)進行處理；然后，再將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，并對數(shù)據(jù)進行濾波處理，完成采集信號的DSP處理。

為了實現(xiàn)播種機路徑的自動導(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，需考慮窄地塊，當(dāng)對稱式機組需要較窄的地頭而選用無環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)彎時，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)，利用定時器設(shè)置串口數(shù)據(jù)讀取的頻率，時間間隔設(shè)置為1s；利用OnTimer來編寫數(shù)據(jù)提取的程序。在GPS接收數(shù)據(jù)時，首先需要確定字符串的開頭是不是“GPRMC”；如果是，則按照輸出格式對數(shù)據(jù)進行查詢和提取，并對數(shù)據(jù)分別賦給變量。

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

圖5　GPS數(shù)據(jù)處理流程圖

圖6　GPS數(shù)據(jù)采集上位機界面

對于DSP芯片的選擇，根據(jù)性價比和目前市場的占有率，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指令字VLIW結(jié)構(gòu)，可在多信道數(shù)字信號處理中發(fā)揮特別強大的功能。這是一種高性能結(jié)構(gòu)，配合相關(guān)總線結(jié)構(gòu)和對應(yīng)指令集，在代碼獲取、分配指令和數(shù)據(jù)執(zhí)行、存儲等操作上具有相當(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)一般為點狀，因此需要經(jīng)過一定的處理，將點狀圖轉(zhuǎn)換為線狀圖。由于數(shù)據(jù)量比較大，靠手動連接行程圖是不現(xiàn)實的，同時精度也不高，需要利用軟件手段將點狀圖改為線狀圖。圖7為生成的試驗地塊的矢量電子地圖。其中，點狀態(tài)是GPS采集得到的點狀圖，線狀圖是經(jīng)過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)航播種機路徑規(guī)劃測試

為了測試本文設(shè)計的自主導(dǎo)航播種機的性能，對其DSP數(shù)據(jù)處理能力和自主導(dǎo)航路徑規(guī)劃能力進行了測試。試驗時，如果只利用GPS移動站來完成，試驗的精度較低。為了提高GPS的精度，使用動態(tài)差分方法進行定位，并對GPS的靜態(tài)精度和動態(tài)精度進行了試驗。在進行靜態(tài)測試時，固定GPS流動站的位置，測試GPS采集點的相對變化，測試結(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)測試結(jié)

經(jīng)過靜態(tài)數(shù)據(jù)測試，總共得到了2 000個測試點，所有點都落在了直徑為0.1m的大圓內(nèi)，落在0.01圓內(nèi)的點為80%，計算點的偏差為0.02m。由此可見，在GPS流動站靜止時，GPS的精度較高，滿足路徑規(guī)劃實驗需求。

為了進一步研究GPS的測試精度，對GPS的動態(tài)數(shù)據(jù)進行測試。首先固定基站，對GPS流動站進行移動，測試數(shù)據(jù)；測試的數(shù)據(jù)通過整理后，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 動態(tài)測試試驗結(jié)果圖

通過動態(tài)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，GPS流動站移動過程中采集得到的數(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定位點測量距離和實際偏差的測試結(jié)果。由表1可以看出：在0.12～0.163m的距離范圍內(nèi)，測量的距離和實際距離的最大偏差不超過0.03m，定位精度較高。

表1　測量距離和實際距離測試表

如圖10所示，選取大約0.4hm2分左右區(qū)域?qū)ΣシN機的性能進行測試試驗，通過3個步驟來對播種機的作業(yè)過程進行測試。首先采集GPS位置點，得到目標模擬器的電子地圖；然后根據(jù)目標模擬器的形狀確定播種機的行駛路線；最后按照確定好的規(guī)劃路線對播種機的行進路徑進行跟蹤，并對得到的采集數(shù)據(jù)進行保存。

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

圖10　播種作業(yè)機組測試

圖11　轉(zhuǎn)彎半徑圖

圖12表示實際位置和預(yù)定行駛位置示意圖。圖12中，點狀表示播種機的實際位置，綠色表示播種機的預(yù)先設(shè)定路徑，使用DSP技術(shù)對目標模擬器圖像進行實時編碼處理，得到如表2所示的性能指標表。

圖12　實際位置和預(yù)定行駛位置示意圖

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

通過測試可以發(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)化后的編碼速率達提高了5倍，有助于實現(xiàn)播種機的實時路徑規(guī)劃。

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

表3　播種機重播率和路徑規(guī)劃準確率測試

4結(jié)論

1)基于DSP技術(shù)和目標模擬器地圖生成技術(shù)，設(shè)計了一種新型的自主導(dǎo)航播種機。該播種機具有GPS位置點采集、路徑跟蹤和顯示及路徑規(guī)劃能力，可以實現(xiàn)播種機的自動導(dǎo)航功能。

2)為了測試設(shè)計的自動導(dǎo)航播種機的性能，對播種機的各項指標進行了測試，包括GPS精態(tài)和動態(tài)定位精度、DSP實時編碼效率和播種機重播率及路徑規(guī)劃的準確率。通過測試發(fā)現(xiàn)：GPS數(shù)據(jù)采集的動態(tài)和靜態(tài)定位精度都比較高，DSP實時編碼效率和路徑規(guī)劃的準確性也比較高，播種機的重播率較低，符合自動化播種機的設(shè)計需求。

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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：1003-188X(2016)07-0025-05

中圖分類號：S223.2+5;TN957

文獻標識碼：A

作者簡介：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。

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51305152)

收稿日期：2015-06-23