国机重工集团科技引领 | 基于云平台的无人驾驶插秧机远程规划研究

（6）路径规划完成，下发路径信息。
云服务器对数据进行解析，存储入数据库，并向无人驾驶控制器返回如下信息：
}
4.3 测试结果
[2] 程琳. 基于MapX是大吊车的自动导航拖拉机作业路径优化系统研究[D]. 西安：西安科技大学，2010.
（4）远程规划终端接收到田块关键点信息后，点击“路径规划”按钮，开始路径规划。
Code 为 200 时，表示数据上传成功，0 表示失败。
4.2.1 POST 方法
① 如果系统提示该田块路径信息已录入，则插秧机数据库已经有历史规划路径数据，云平台加载默认规划路径。
路径规划完成后，云服务器向无人驾驶控制器下发规划路径信息，待手持终端确认下发成功后，全部路径规划任务完成。
路径规划图生成后，远程规划终端显示规划后是大吊车的路径图，并高亮起始点，用户可以在此路径图基础上进行拖拽调整，对路径进行临时规划，也可以指定起始点重新规划路径，待确认好合适是大吊车的路径后，点击“完成”按钮，则该田块路径规划信息存入插秧机数据库。
表 4 圆弧段需传递的数据格式
（2）云服务器划分为接口服务层、路径规划实现层和插秧机数据库，远程规划终端、手持终端、智能手机均采用 ICONICS 软件开发。ICONICS 软件具备实时数据库系统模块、GIS 模块、三维可视化监控模块、移动终端监控模块等多种特色模块，提供移动终端监控功能和 PC 端Web 监控功能，并可同时在 IOS、安卓、WP、PC 系统下运行，开发方便、灵活，适应性强，用来作为验证平台，高效、快捷。
表 3 直线段需传递的数据格式
4远程路径规划方案验证
基于云平台的无人驾驶插秧机远程路径规划系统如图 1所示，由云服务器、远程规划终端和本地终端等 3 部分组成，云服务器和远程规划终端构成了云平台，本地终端则包括无人驾驶控制器、手持终端和智能手机。系统架构采用云服务器为服务端，其他组成部分均为客户端的模式，服务端与客户端之间通信基于 TCP/IP 协议。远程规划终端位于远程规划中心，位置固定，通过有线网络接口接入系统，无人驾驶控制器、手持终端和智能手机通过移动物联网接入系统。
图 2 远程路径规划系统交互工作流程图
[6] 孙承铭. 水稻穴直播机自动驾驶与管理系统开发[D]. 上海：上海交通大学，2017.
无人驾驶控制器采集边界关键点后，将田块信息封装成 JSON 格式，通过 HTTP 的 POST 方法将数据传递到云服务器，云服务器将得到的数据保存至数据库中。远程规划终端则采用读取服务器中数据库的方式，将田块信息读取出来，进行路径规划，并在界面上显示出规划出的路径轨迹，同时将轨迹中的重要点信息存储到数据库中。当无人驾驶控制器上传信息 30 s 后，采用周期 1 s 的轮询方式，使用 GET 方法向服务器请求路径信息，如果 1 min 内收到路径信息，则表示获取成功。如果未收到有效的路径信息则提示失败，需要检测网络等环境是否正常。
摘 要 ：针对目前自动导航插秧机通过车载终端进行路径规划，不能灵活、实时调整路径的不足，基于云技术和移动物联网技术，构建无人驾驶插秧机远程路径规划系统。该系统由云服务器、远程规划终端和本地终端 3部分组成，云服务器和远程规划终端构成云平台，本地终端包括无人驾驶控制器、手持终端和智能手机，服务端与客户端之间通信基于 TCP/IP 协议。为减少对网络资源的占用时间，对需要实时通信的网络节点采用 MQTT 协议，采用查询方式即可访问的网络节点则采用 HTTP 协议。搭建快速测试系统对基于云平台的远程路径规划系统进行验证，测试结果表明：该系统信息传输稳定，操作方便灵活，能够实时、动态地对路径进行规划和调整。
（天津工程机械研究院有限公司）
② 通过远程规划终端添加插秧机铭牌信息，作为唯一标识，并设置路径规划参数。
"message":" 正确 ",
（3）通过远程规划终端添加田块信息。
（1）无人驾驶准备工作。
来源：《工程机械》2020年第9期
① 完成基站 / 天线 /IMU/ 传感器的校准。
4.1 测试系统搭建
在远程规划终端上截取测试过程中的路径规划效果如图 4 所示，中间（绿地）部分为测试田块，蓝色路径为自动规划路径，白色路径为插秧机跟随路径。
3路径规划模块划分
② 如果未提示田块路径信息已录入，则向无人驾驶控制器发送“开始找边界”指令。找边界的方式为人工驾 驶插秧机沿着田块边界行走 1 圈，每到达 1 个关键点（几何顶点）时，在手持终端上确认，通知无人驾驶控制器保存，所有顶点采集完毕后，在手持终端上确认，通知无人驾驶控制器上传关键点信息。
表 2 边界关键点信息
通过操作界面左边标签栏中“路径修改”菜单项，可进行实时、动态更新路径，点击“路径修改”菜单项，可以进行拖拽、绘线、绘圆、绘任意曲线等操作，路径修改完毕后，点击“路径下发”选项，即可完成实时、动态更新路径。
4.2.2 GET 方法
1系统组成及工作原理
在路径规划开始前，需要完成以下两步设置：
图 3 路径规划过程所包含的模块
远程规划终端作为人机交互接口，运行路径规划客户端软件，进行远程参数设置、自动 / 手动路径规划等一系列路径规划操作，并显示对应的操作界面，每一项操作都与云服务器交互数据。
无人驾驶控制器为车载端，集成有 4G 和 WiFi 网络，通过 4G 移动物联网接口接入系统，通过 WiFi 接口与手持终端通信。在路径规划时，主要将田块边界关键点数据发送到云服务器，当收到云服务器发送的“找边界”指令后，通过 WiFi 接口发送给手持终端，由无人驾驶控制器将边界关键点实时发送到云服务器。
基于云平台的无人驾驶插秧机远程规划研究
参考文献
（1）应用层采用 HTTP 协议，方便适应不同的硬件平台和软件环境，整体网络采用 REST 风格的软件架构模式，数据格式采用 JSON 格式。
MQTT 协议是一个基于客户端-服务器的消息发布 / 订阅传输协议，该协议也构建于 TCP/IP 协议上，但却是轻量、简单、开放和易于实现的，能够为连接远程设备提供实时可靠的消息服务，这些特点使其适用于机器与机器（M2M）通信和物联网（IoT）。MQTT 协议属于长链接，HTTP 属于短链接。基于 MQTT 协议和 HTTP 协议不同的特点，本系统在远程规划终端与云服务器、无人驾驶控制器与云服务器之间，需要实时通信的网络节点采用 MQTT 协议，在手持终端与云服务器、智能手机与云服务器之间，采用查询方式即可访问的网络节点采用 HTTP 协议，以减少对网络资源的占用时间。此外，MQTT 协议还提供一对多的消息发布机制，解除应用程序耦合，这将为后续实现多个无人驾驶插秧机同时规划路径奠定基础。
云服务器维护统一的插秧机数据库，存放针对路径规划所需的数据，如边界关键点和路径轨迹点，所有客户端按照统一建立的路径规划数据表与服务器交互数据， 云服务器提供不同客户端访问服务端的不同方法和服务。此外，云服务器运行路径规划服务端软件，接收远程规划终端的不同操作指令，调用不同的路径规划模块，完成路径规划，并将规划路径发送到远程规划终端显示，同时将规划路径发送到无人驾驶控制器。
2远程路径规划交互流程
远程规划终端输入田块基本信息后，会有以下两种情况：
[3] 王文华. 自动导航拖拉机作业路径规划方法研究[D]. 北京：中国农业大学，2015.
此服务为无人驾驶控制器主动查询云服务器是否有数据产生，返回的消息如果不为空，则可以在无人驾驶控制器解析后存储，得到的数据格式，如路径{1 直线，2 圆弧，3 直线，4 直线，5 圆弧}，数字表示特征路径顺序号。如第 1 段为直线，第 2 段为圆弧…，则 JSON 格式为{json1{}, json2{}, json3{}, json4{}…}，JSON 格式中的变量不分先后顺序，通过唯一的变量名称查找对应的值即可。表 3和表 4 分别给出了表示直线段、曲线段时需要传递的数据格式。
整个路径规划过程主要包含作业地块建模、路径规划前期参数部署和路径规划等 3 大模块。
5结束语
云技术的成熟应用以及移动物联网技术的快速推广，为农业机械无人驾驶注入新的实现模式。基于上述背景，本文提出一种基于云平台进行插秧机路径规划的方法及系统。该系统可以实现远程路径规划，并通过云服务器将规划路径下载至插秧机车载端，同时具有可实时、动态更新路径的功能，操作方便灵活，可以推广到拖拉机等农业机械。
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关键词：无人驾驶；路径规划；云平台；移动物联网
“创新是引领发展的第一动力，科技是战胜困难的有力武器。”习近平总书记的话语振奋人心、催人奋进。
为对远程路径规划方案的运行性能进行验证，搭建如下测试系统：
（5）路径调整及确定。
编者按：
国机集团拥有30余家科研院所，作为中国机械工业的主要规划者和中国机械工业标准的主要制定者，多年来持续发挥行业服务作用，为中国制造业做强做大提供了技术和服务支撑。
（2）建立远程无线通信。
4.2测试系统的数据交互
0引言
当车辆采集田块完成时，无人驾驶控制器采用POST 方法，通过URL（例如：http://{ip:port}/transplanter/vehicles/data）向云服务器传递 JSON 格式的田块信息数据。JSON 格式数据为{" Name ":" 田块 001","num":5，Point1{}，Point2{}，… ，PointN{},"fLength ":14.00,"Fwidth ": 5.00}，其意义如表 1 和表 2 所示。
手持终端在路径规划时用作车载端的人机交互的接口，取代车载人机界面，完成找边界、边界关键点上传及显示规划路径等一系列动作。例如：收到“找边界”指令后，现场作业人员会驾驶插秧机沿着田块边界行驶，在边界顶点处，操作人员操作手持终端通知无人驾驶控制器该位置为关键点，手持终端同时也可以通过移动物联网接入系统，方便作业人员根据现场情况通过手持终端实时调整路径。
图 1 基于云平台的无人驾驶插秧机远程路径规划系统组成
[5] 郭九霄. 基于GPS无人驾驶插秧机控制系统及路径规划研究[D]. 杭州：浙江理工大学，2018.
互联网一般采用基于 TCP/IP 通信协议的 HTTP 应用层协议来传递数据（HTML 文件、图像、查询结果等）， HTTP 客户端通过 URL 向 HTTP 服务端发送请求，服务器接收到请求后，向客户端发送响应信息。HTTP 通信方式下，HTTP 的请求 / 应答方式的会话都是客户端发起的，缺乏服务器通知客户端的机制，需要客户端不断地轮询云服务器，实时性不高。而无人驾驶插秧机作业场景，路径的规划、下发、修改等需要实时交互信息，否则会影响作业调整及时性及作业效率。
表 1 田块信息上传数据表
智能手机通过移动物联网接入系统后，相关人员可通过 APP 实时同步查看规划的路径。
无人驾驶插秧机远程路径规划系统的工作流程如图 2 所示，具体为：
1.1 系统组成
测试系统的数据交互采用两个基本服务：POST 方法，向云服务器提交要被处理的数据；GET 方法，从云服务器请求数据。本文以车载端—无人驾驶控制器为例，介绍数据格式及部分交互过程的实现方法。
近日，国机重工天工院刊载于《工程机械》杂志的科技论文，在国机集团学习强国号的“科技引领”栏目发布了，彰显国机集团的科技力量！
本文基于云技术和移动物联网技术，建立了基于云平台的无人驾驶插秧机远程路径规划系统，并采用基于互联网的 TCP/IP 协议搭建了可快速验证远程路径规划方案的测试系统。基于云平台的无人驾驶插秧机路径规划系统，可在云平台上进行远程路径规划，相比传统的基于车载端的规划系统，灵活、方便，同时将车载端纳入移动物联网节点为插秧机在 5G 时代实现云平台控制的无人驾驶奠定基础，该方法可以推广到其他非道路移动机械的远程控制。
插秧机上电启动，无人驾驶控制器初始化并加载定位数据和传感器信息，手持终端与无人驾驶控制器通过WiFi 建立连接。操作手持终端 APP 将无人驾驶控制器向云平台注册，注册成功后，即可建立远程无线通信。通信成功后，可在云平台显示、查看无人驾驶控制器上传的状态参数和位置参数等信息。
[1] 刘向锋. 面向GPS导航拖拉机的最优全局覆盖路径规划研究[D]. 阜新：辽宁工程技术大学，2010.
国机集团的5万余名科技工作者们深入学习领会习近平总书记的殷切期望，面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求，聚焦制造强国战略，大力推进原始创新、集成创新、引进消化吸收再创新，切实加强核心技术、关键技术和共性技术攻关研究，形成了一批科技成果。“科技引领”栏目将凝聚着科研人员无数心血的专业论文展示于此，展现国机集团的强大科技能力和卓越创新成果。
（3）无人驾驶控制器采用 P300 模拟，Win10 操作系统，使用 VC++ 语言开发。
（3）路径规划。路径规划过程主要分为 7 个模块，分别为内缩多边形顶点求解模块、路径起点求取模块、路径特征点求取模块、路径特征参数求取模块、作业终点求取模块、直线路径轨迹构建模块及转弯路径轨迹构建模块，如图 3 所示。路径规划过程中，根据前期部署的相关参数可以确定路径起始点、路径特征点、路径特征参数以及路径轨迹点，路径轨迹点所需参数主要包括转弯中心坐标、圆弧的圆心坐标、转弯起点对应的角度、转弯终点对应的角度、圆弧转弯起点坐标及圆弧转弯终点坐标。
随着科技的进步，农业机械中自动导航、无人驾驶技术的研究和应用越来越多，尤其是在拖拉机和插秧机上的应用比较多。无人驾驶技术中的路径规划是关键技术之一，参考文献[1-3]针对路径规划策略做了详细的分析和推算。但在实际使用中，路径规划往往是离线的、固定流程的，在作业前需要根据预定流程进行路径规划。由于路径规划功能是在车载终端中完成，而车载终端软、硬件资源有限，不能灵活调整路径，作业时，也不能对规划好的路径进行实时调整。
[4] 胡鸿彬. 基于Android平台的水稻穴直播机自动导航管理系统的设计与实现[D]. 上海：上海交通大学，2017.
图 4 远程路径规划效果图
（2）路径规划前期参数部署。该模块是对路径规划过程中所需参数进行设定，主要包括设定农机作业方式、地头转弯方式、最佳作业方向、作业区域及转弯区域等。
1.2 通信协议
"code":"200",
吴卫国，王晓冬，王成龙，徐思鸿
"data":null
（1）作业地块建模。该模块功能是获取边界信息并对其进行处理，平台获取田块边界关键点数据后，对数据进行坐标转换、近似点判断等处理，得到田块模型。