基于DSP技术和目标模拟器的自主导航播种机设计

杨静宜，崔建弘，寇雪梅，刘志刚

(1.河北工程技术学院，石家庄　050091;2.云南大学 软件学院，昆明　650091)



基于DSP技术和目标模拟器的自主导航播种机设计

杨静宜1，崔建弘1，寇雪梅1，刘志刚2

(1.河北工程技术学院，石家庄050091;2.云南大学 软件学院，昆明650091)

摘要：为了降低播种机重复作业和漏播作业的概率，提高作业的速度，降低成本，减轻驾驶员的工作量，基于DSP技术和目标模拟器地图生成技术，设计了一种新型的自主导航播种机。该播种机可以采集GPS位置点，得到目标模拟器的电子地图，然后根据目标模拟器的形状确定播种机的行驶路线，并按照确定好的规划路线对播种机的行进路径进行跟踪，对得到的采集数据进行保存。利用DSP处理技术，实现了播种机实时运动的显示功能，经过数据处理得到点状图，生成了目标模拟器的电子地图。试验证明：播种机的DSP实时编码效率、重播率及路径规划准确率等各项指标都符合自动化播种机的设计要求，为现代化播种机的设计提供了较有价值的参考。

关键词：目标模拟器；自主导航；DSP技术；电子地图；路径规划；播种机

0引言

在实时图像处理任务中，DSP数字信号处理器发挥了重要的作用。DSP 是一种适用于密集型数据运算与实时信号处理的微处理器。通过多年的发展，DSP技术在很多领域得到了广泛的应用，特别是在数字信号的处理、图形图像实时处理、自动化控制、通信等行业发挥着越来越重要的作用。播种机路径规划可以降低重复作业和漏播作业的概率，提高作业的速度，从而节约时间、降低成本、减轻驾驶员的工作量，为实现农业现代化打下坚实的基础。为此，本文结合DSP和GPS目标模拟地图技术，对播种机的自主导航功能进行设计，以期提高播种机的自动化作业水平和播种精度。

1自主导航播种机总体设计

自主导航播种机自主导航的设计步骤主要有3个：首先利用DSP编码技术获取地块的矢量电子地图，进行路径规划并选择合适的作业路径；然后在播种机运行后利用GPS获取播种机的位置信息，根据采集得到的位置信息和期望路径进行比较，得到定位误差；最后按照一定的控制算法对路径进行重新规划。其总体设计方案如图1所示。

图1　自动导航系统总体设计

为了实现播种机导航过程的可视化，利用VS2008 和ArcGIS Engine 两种软件并对其进行二次开发，结合DSP处理技术，可以实时的显示播种机的运动，并可以保存运动数据。

播种机目标模拟器地图的生成算法主要是利用GPS差分算法，并利用其附带软件进行数据处理，使用DSP技术，结合ArcGIS软件，基于C#和Arcgis engine对路径规划的软件程序进行二次开发，其具体流程如图2所示。工作时，首先利用GPS采集得到数据，然后将数据存放到Access数据库，经过数据处理得到点状图，进而生成目标模拟器的电子地图。

2基于DSP的目标模拟器地图生成

数字信号处理(DSP)是对通过一系列数字或符号序列表示的信号进行相关处理应用的技术，数字信号处理和模拟信号处理是信号处理的子领域，其基本流程如图3所示。

图2　目标模拟器地图的生成

图3　采集信号DSP处理过程

DSP处理过程中，首先通过传感器或者GPS等对数据进行采集，利用数据转换开关将模拟信号转换为数值信号，利用DSP编码技术对数据进行处理；然后，再将数字信号转换为模拟信号，并对数据进行滤波处理，完成采集信号的DSP处理。

为了实现播种机路径的自动导航和规划，需要选用合适的路径规划算法。为了适应多数的地块，在选用路径规划算法时，需考虑窄地块，当对称式机组需要较窄的地头而选用无环节转弯时，可以选用如图4所示的套行法路径规划算法。

图4　套行法路径规划示意图

图5为数据处理的流程图，根据数据的需要，利用查询方法提取数据，利用定时器设置串口数据读取的频率，时间间隔设置为1s；利用OnTimer来编写数据提取的程序。在GPS接收数据时，首先需要确定字符串的开头是不是“GPRMC”；如果是，则按照输出格式对数据进行查询和提取，并对数据分别赋给变量。

图6表示GPS数据采集的上位机软件设置。GPS 接收机跟PC 机连接时，采用RS-232 串口连接，GPS信号的输出时间间隔一般是在0～2s之间，本文研究的播种机在作业时，其车速一般控制在1m/s，因此每次采样数据的时间间隔为1s。

图5　GPS数据处理流程图

图6　GPS数据采集上位机界面

对于DSP芯片的选择，根据性价比和目前市场的占有率，选择当前的主流厂家TI的芯片。TI公司最新推出的一款DSP处理器TMS320F2XX系列，其CPU采用一种高性能的超长指令字VLIW结构，可在多信道数字信号处理中发挥特别强大的功能。这是一种高性能结构，配合相关总线结构和对应指令集，在代码获取、分配指令和数据执行、存储等操作上具有相当高的效率。

由于矢量电子地图中行驶路线图为线状shp 数据，而GPS接受数据一般为点状，因此需要经过一定的处理，将点状图转换为线状图。由于数据量比较大，靠手动连接行程图是不现实的，同时精度也不高，需要利用软件手段将点状图改为线状图。图7为生成的试验地块的矢量电子地图。其中，点状态是GPS采集得到的点状图，线状图是经过平滑处理得到的地图。

图7　农田地块矢量电子地图

3自主导航播种机路径规划测试

为了测试本文设计的自主导航播种机的性能，对其DSP数据处理能力和自主导航路径规划能力进行了测试。试验时，如果只利用GPS移动站来完成，试验的精度较低。为了提高GPS的精度，使用动态差分方法进行定位，并对GPS的静态精度和动态精度进行了试验。在进行静态测试时，固定GPS流动站的位置，测试GPS采集点的相对变化，测试结果如图8所示。其中，大圈的直径为0.1m，小圈的直径为0.01m。

图8　GPS静态数据测试结

经过静态数据测试，总共得到了2 000个测试点，所有点都落在了直径为0.1m的大圆内，落在0.01圆内的点为80%，计算点的偏差为0.02m。由此可见，在GPS流动站静止时，GPS的精度较高，满足路径规划实验需求。

为了进一步研究GPS的测试精度，对GPS的动态数据进行测试。首先固定基站，对GPS流动站进行移动，测试数据；测试的数据通过整理后，数据落在大圆直径为40m和小圆直径为39m的圆内，如图9所示。

图9　GPS 动态测试试验结果图

通过动态数据分析后发现，GPS流动站移动过程中采集得到的数据基本都落在39～40m的圆环内，其数据总量占99.3%，GPS采集点的偏差值为0.01m，数据采集的精度较高，满足路径规划的需求。

表1所示为GPS定位点测量距离和实际偏差的测试结果。由表1可以看出：在0.12～0.163m的距离范围内，测量的距离和实际距离的最大偏差不超过0.03m，定位精度较高。

表1　测量距离和实际距离测试表

如图10所示，选取大约0.4hm2分左右区域对播种机的性能进行测试试验，通过3个步骤来对播种机的作业过程进行测试。首先采集GPS位置点，得到目标模拟器的电子地图；然后根据目标模拟器的形状确定播种机的行驶路线；最后按照确定好的规划路线对播种机的行进路径进行跟踪，并对得到的采集数据进行保存。

为确定播种作业最小转弯半径，播种机需要做最小的圆周运动，采集3组数据，将采集的数据转换为点状态，得到如图11所示的转弯半径图。利用Autocad可以读出点状图的半径，该半径可以作为播种机作业时转弯半径的最小值。

图10　播种作业机组测试

图11　转弯半径图

图12表示实际位置和预定行驶位置示意图。图12中，点状表示播种机的实际位置，绿色表示播种机的预先设定路径，使用DSP技术对目标模拟器图像进行实时编码处理，得到如表2所示的性能指标表。

图12　实际位置和预定行驶位置示意图

性能指标优化前QP=25优化后QP=25PSNR/db38.2539.36码率/kbps3748.233825.26帧率/fps6.5232.56

通过测试可以发现：系统的平均PSNR损失较小，编码的速率提高比较大，优化后的编码速率达提高了5倍，有助于实现播种机的实时路径规划。

表3所示为播种机重播率和路径规划准确率测试结果。通过6组测试发现：该机成功进行路径规划的准确率较高、重播率较低，且可以满足窄地的作业，符合播种机的设计要求。

表3　播种机重播率和路径规划准确率测试

4结论

1)基于DSP技术和目标模拟器地图生成技术，设计了一种新型的自主导航播种机。该播种机具有GPS位置点采集、路径跟踪和显示及路径规划能力，可以实现播种机的自动导航功能。

2)为了测试设计的自动导航播种机的性能，对播种机的各项指标进行了测试，包括GPS精态和动态定位精度、DSP实时编码效率和播种机重播率及路径规划的准确率。通过测试发现：GPS数据采集的动态和静态定位精度都比较高，DSP实时编码效率和路径规划的准确性也比较高，播种机的重播率较低，符合自动化播种机的设计需求。

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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

文章编号：1003-188X(2016)07-0025-05

中图分类号：S223.2+5;TN957

文献标识码：A

作者简介：杨静宜(1981-)，女，河北井陉人，讲师，硕士。通讯作者：刘志刚(1980-)，男，湖北天门人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目(51305152)

收稿日期：2015-06-23