本发明属于农机自动导航、农机自动化技术领域，具体涉及非接触式农机具偏移误差自适应补偿方法、系统及拖拉机。
背景技术：
农业现代化智能化发展势不可挡，农业全程智能化控制已经可以实用化。全自动农业工程技术得到广泛应用，其中对耕、种、管、收四个环节等田间作业进行自动化控制，使农资投入的利用精准化，效率最大化。其中自动导航技术是关键基础技术之一，在新疆棉花播种作业中广泛应用自动导航技术，提高了作业效率，作业质量，降低了农民的作业劳动强度。
现在国内广泛应用的自动导航技术能够辅助农机手实现直线路径的跟踪，跟踪精度达到2.5cm，一般情况下，播种行成平行线形式分布，定义的目标播种直线间距是相等的，希望行间间隔的距离能够一致。以棉花播种为例，厢面的边缘由圆盘犁开出，第一行的圆盘犁沟和第二行的圆盘犁沟之间的距离为厢间距。
但是在自动导航棉花播种作业中存在机具会产生偏移现象，目标行驶路径等间距但是机具左右不对称，该现象导致厢间距不一致的问题，影响后续的田间管理，对后期机收也造成很大困扰，传统解决办法为人工校准，需要测试较长时间，出现变化之后又得重新校准，费时费力效果也不好，所以开发一种非接触式农机具偏移误差自适应补偿系统及农机具偏移误差自适应补偿具有实际意义。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种非接触式农机具偏移误差自适应补偿方法、系统及拖拉机，替代了人工校准的繁琐工作，省工省力，具有自适应能力，能够自动检测农机具中心的偏移，并实时补偿偏移造成的误差。采用非接触式测量方法，解决了农机设备运行振动大易劳损的问题，提高了系统的耐用性。。
本发明的第一目的在于，提供一种非接触式农机具偏移误差自适应补偿方法。
本发明的第二目的在于，提供一种非接触式农机具偏移误差自适应补偿系统。
本发明的第三目的在于，提供一种具有自动导航功能的拖拉机。
本发明的第一目的可以通过下述技术方案实现：
一种非接触式农机具偏移误差自适应补偿方法，基于360度单线激光雷达组件和画行器的几何关系计算机具中心偏移误差，定义基于360度单线激光雷达组件的中心为a点，定义两个画行器的中心分别为b、c点，激光测量平面能够获取ab、ac的长度和相关角度，车辆的行驶目标直线也就是拖拉机中心线定义为l1，农机具的作业轨迹中心线定义为l2，拖拉机中心线l1和作业轨迹中心线l2之间的距离为偏移误差d，使用该偏移误差d进行误差补偿；具体下述步骤：
对360度单线激光雷达组件接收的数据进行预处理；
根据预处理后的数据，对计算偏移误差d，
通过平移目标行驶直线使得机具中心轨迹对准厢面中心，偏移值大小就是偏移误差d，经过偏移农机具中心能够沿厢面中心移动，从而保持左右厢间距一致，目标直线平移方程：y＝kx b kd，y为y轴坐标，x为x轴坐标，k为斜率，b为截距，d为偏移误差；
通过目标直线平移方程实现对农机具偏移误差自适应补偿。
作为优选的技术方案，所述对360度单线激光雷达组件接收的数据进行预处理的步骤，具体为：
接受360度单线激光雷达组件的数据；
对设定时间内的同角度360度单线激光雷达数据进行均值处理：
使用k-聚类方法对上述数据进行有限范围的聚类处理；
对获得的聚类结果进行圆形hough变换计算获得最大概率的画行器测量中心；
进一步计算出ab和ac的距离。
作为优选的技术方案，其中角α和β通过360度单线激光雷达组件获得，α和β是划行器中心与雷达中心连线与路径方向的夹角，测量精度达到0.33°，并测量获得ab和ac的距离，精度达到0.5厘米，其中b点到l1的距离定义为l3，c点到l2的距离定义为l4，其中d为机具中心点。
作为优选的技术方案，所述根据预处理后的数据，对计算偏移误差d的步骤，具体为：
依据相似三角形原理得到：l3 d＝l4；
由两个画行器和360度单线激光雷达组件的几何关系可得：
d l4＝acsinβ
l3＝absinα
联立方程获得计算偏移误差d的方程：
本发明的第二目的可以通过下述技术方案实现：
一种非接触式农机具偏移误差自适应补偿系统，包括360度单线激光雷达组件、画行器、农机辅助导航控制器，所述360度单线激光雷达组件通过串口的方式与农机辅助导航控制器连接，所述画行器垂直锁定，其高度高于激光测量平面，使得激光测量平面能够测量到划行器的位置；所述农机辅助导航控制器中存储有非接触式农机具偏移误差自适应补偿方法。
作为优选的技术方案，所述360度单线激光雷达组件数据通过串口传递到农机辅助导航控制器，集成偏移误差自适应补偿方法的程序加载于农机辅助导航控制器之中，所述360度单线激光雷达组件的能量通过电源线由农机辅助导航控制器提供。
作为优选的技术方案，所述360度单线激光雷达组件将发射旋转激光束形成激光测量平面，该激光测量平面能够测量到与激光面相交的物体，获得物体表面点到360度单线激光雷达组件的距离和角度，激光平面测量到画行器的具体位置，再依据测量到的数据通过偏移误差自适应补偿方法计算出机具偏移的值，传回农机辅助导航控制器进行偏移误差自适应补偿。
作为优选的技术方案，所述360度单线激光雷达组件包括360度单线激光雷达、安装件和安装螺丝，所述360度单线激光雷达通过螺丝设置在安装件上，所述安装件通过螺丝设置在拖拉机车顶后边缘中心。
本发明的第三目的可以通过下述技术方案实现：
一种具有自动导航功能的拖拉机，包括拖拉机本体、360度单线激光雷达组件、画行器、农机具，所述农机具采用三点悬挂的方式挂接在拖拉机本体上，所述画行器设置在农机具的两端，所述360度单线激光雷达组件通过串口的方式连接有农机辅助导航控制器，所述有自动导航功能的拖拉机执行工作时，所述农机辅助导航控制器实现上述偏移误差自适应补偿方法。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)本发明的偏移误差自适应补偿系统，替代了人工校准的繁琐工作，省工省力，具有自适应能力，能够自动检测农机具中心的偏移，并实时补偿偏移造成的误差。
(2)本发明的偏移误差自适应补偿系统，误差测量精度高，测量误差小于测量目标距离的1％。
(3)本发明的偏移误差自适应补偿系统，采用非接触式测量方法，解决了农机设备运行振动大易劳损的问题，提高了系统的耐用性。
(4)本发明的针对激光平面测量法，设计了数据预处理方法，解决了激光测距存在测量误差的问题，能够有效的减少测量噪声，提高测量精度。
(5)本发明针对三点式悬挂农机具和激光平面的计划关系，设计了偏移误差自适应补偿算法，解决了测量数据传化为目标结果的问题，该算法能够实时计算获得偏移误差，用于补偿机具中心偏移。
(6)本发明所设计的自适应补偿算法具有较高的效率，能够为系统的实时性提供可靠的基础。
(7)本发明的偏移误差自适应补偿系统，结构精简，安装便捷，具有较高的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明适用于拖拉机导航系统的非接触式农机具偏移误差自适应补偿系统示意图；
图2为本发明系统的结构示意图；
图3为本发明360度单线激光雷达组件安装示意图；
图4为本发明激光雷达的激光平面作用示意图；
图5为本发明激光平面位置定义示意图；
图6为本发明农机具偏移误差计算原理示意图；
图7为本发明农机具偏移误差计算流程示意图；
图8为本发明误差自适应补偿原理示意图。
其中：其中，1-360度单线激光雷达组件，2-激光测量平面，3-农机具，4-画行器，5-三点悬挂，6-具有自动导航功能的拖拉机，7-机具中心轨迹，8-拖拉机中心轨迹，9-播种厢面，10-厢间距，11-农机辅助导航控制器；1-2、安装组件；1-3-螺丝。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
实施例
如图7所示，本实施例非接触式农机具偏移误差自适应补偿方法，包括下述步骤：
基于360度单线激光雷达组件和画行器的几何关系计算机具中心偏移误差，定义基于360度单线激光雷达组件的中心为a点，定义两个画行器的中心分别为b、c点，激光测量平面能够获取ab、ac的长度和相关角度，车辆的行驶目标直线也就是拖拉机中心线定义为l1，农机具的作业轨迹中心线定义为l2，拖拉机中心线l1和作业轨迹中心线l2之间的距离为偏移误差d，使用该偏移误差d进行误差补偿；具体下述步骤：
s101、对360度单线激光雷达组件接收的数据进行预处理；
进一步的，s101具体为：
s1011、接受360度单线激光雷达组件的数据；
s1012、对设定时间内的同角度360度单线激光雷达数据进行均值处理：
s1013、使用k-聚类方法对上述数据进行有限范围的聚类处理；
s1014、对获得的聚类结果进行圆形hough变换计算获得最大概率的画行器测量中心；
s1015、进一步计算出ab和ac的距离。
可选的，激光测量平面可以测量获得两个画行器和360度单线激光雷达组件的几何关系。其中角α和β可以通过360度单线激光雷达组件获得，测量精度达到0.33°。还能够测量获得ab和ac的距离，精度达到0.5厘米。其中b点到l1的距离定义为l3，c点到l2的距离定义为l4，其中d为机具中心点。
s102、根据预处理后的数据，对计算偏移误差d，
进一步的，步骤s102具体为：
s1021、依据相似三角形原理得到：l3 d＝l4；
s1022、由两个画行器和360度单线激光雷达组件的几何关系可得：
d l4＝acsinβ
l3＝absinα
s1023、联立方程获得计算偏移误差d的方程：
s103、通过平移目标行驶直线使得机具中心轨迹对准厢面中心，偏移值大小就是偏移误差d，经过偏移农机具中心能够沿厢面中心移动，从而保持左右厢间距一致，目标直线平移方程：y＝kx b kd，y为y轴坐标，x为x轴坐标，k为斜率，b为截距，d为偏移误差；
s104、通过目标直线平移方程实现对农机具偏移误差自适应补偿。
如图1所示，本发明还提供了一种非接触式农机具偏移误差自适应补偿系统，安装于具有自动导航功能的拖拉机6，用于自适应补偿农机具3的中位偏差，农机具采用三点悬挂5的方式挂接在拖拉机6上，该系统包括360度单线激光雷达组件1、画行器4、农机辅助导航控制器11，所述360度单线激光雷达组件1通过串口的方式与农机辅助导航控制器11连接，所述画行器4，画行器4垂直锁定，其高度高于激光测量平面2，使得激光测量平面2能够测量到划行器的位置。所述农机辅助导航控制器中存储有上述非接触式农机具偏移误差自适应补偿方法。
如图2所示，所述360度单线激光雷达组件1数据通过串口传递到农机辅助导航控制器11，集成偏移误差自适应补偿方法的程序加载于农机辅助导航控制器11之中。所述360度单线激光雷达组件1的能量通过电源线由农机辅助导航控制器11提供。
如图3所示，所述360度单线激光雷达组件1包括360度单线激光雷达、安装件1-2和安装螺丝1-3，所述360度单线激光雷达通过螺丝设置在安装件上，所述安装件通过螺丝设置在拖拉机车顶后边缘中心，安装倾角可以根据具体情况进行调整。
如图4所示，所述360度单线激光雷达组件1将发射旋转激光束形成激光测量平面2，该激光测量平面2能够测量到与激光面相交的物体，可以获得物体表面点到雷达的距离和角度，针对该系统测量的是画行器4，对于没有画行器的农机具需要加装类似的标志物，可以根据实际情况安装，保持中心对称就可以。激光平面测量到画行器的具体位置，再依据测量到的数据通过偏移误差自适应补偿方法计算出机具偏移的值，传回农机辅助导航控制器11进行偏移误差自适应补偿。
如图5所示，所设计的偏移误差自适应补偿方法基于360度单线激光雷达组件1和画行器4的几何关系计算机具中心偏移误差，定义基于360度单线激光雷达组件1的中心为a点，定义两个画行器4的中心分别为b、c点，激光测量平面2能够获取ab、ac的长度和相关角度。车辆的行驶目标直线也就是拖拉机中心线定义为l1，农机具3的作业轨迹中心线定义为l2。拖拉机中心线l1和作业轨迹中心线l2之间的距离为偏移误差d，使用该偏移误差d进行误差补偿。
如图6所示，激光测量平面2可以测量获得两个画行器4和360度单线激光雷达组件1的几何关系。如图6，其中角α和β可以通过360度单线激光雷达组件1获得，α和β是划行器中心与雷达中心连线与路径方向的夹角，测量精度达到0.33°。还能够测量获得ab和ac的距离，精度达到0.5厘米。其中b点到l1的距离定义为l3，c点到l2的距离定义为l4，其中d为机具中心点，依据相似三角形原理可得：
l3 d＝l4式1
由几何关系可得：
d l4＝acsinβ式2
l3＝absinα式3
联立式1、2和3获得计算d的方程：
上述方案中，偏移误差d计算程序流程如图7所示，程序从12-1起始，然后进行系统初始化12-2，初始化串口，初始化全局变量和数组。持续记录12-3，将3s钟的雷达数据进行均值处理：
式中
分析处理过后
上述方案中，结合图8所示，图中竖线分割分别是播种厢面9和厢间距10，自动导航农机能够沿直线行走，如果以拖拉机中心轨迹8前进，由于农机具3的偏移，会导致厢间距10一边宽一边窄，不利于中期管理和后期机收。所以通过平移目标行驶直线使得机具中心轨迹7对准厢面中心，偏移值大小就是偏移误差d，经过偏移农机具中心能够沿厢面中心移动，从而保持左右厢间距10一致。
目标直线平移
y＝kx b kd式6
式中y为y轴坐标，x为x轴坐标，k为斜率，b为截距，d为偏移误差。
通过上式就能够实现农机具偏移误差自适应补偿。
本发明还提供了具有自动导航功能的拖拉机，包括拖拉机本体、360度单线激光雷达组件、画行器、农机具，所述农机具采用三点悬挂的方式挂接在拖拉机本体上，所述画行器设置在农机具的两端，所述360度单线激光雷达组件通过串口的方式连接有农机辅助导航控制器，所述有自动导航功能的拖拉机执行工作时，所述农机辅助导航控制器实现所述的偏移误差自适应补偿方法。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
1.一种非接触式农机具偏移误差自适应补偿方法，其特征在于，基于360度单线激光雷达组件和画行器的几何关系计算机具中心偏移误差，定义基于360度单线激光雷达组件的中心为a点，定义两个画行器的中心分别为b、c点，激光测量平面能够获取ab、ac的长度和相关角度，车辆的行驶目标直线也就是拖拉机中心线定义为l1，农机具的作业轨迹中心线定义为l2，拖拉机中心线l1和作业轨迹中心线l2之间的距离为偏移误差d，使用该偏移误差d进行误差补偿；具体下述步骤：
对360度单线激光雷达组件接收的数据进行预处理；
根据预处理后的数据，对计算偏移误差d，
通过平移目标行驶直线使得机具中心轨迹对准厢面中心，偏移值大小就是偏移误差d，经过偏移农机具中心能够沿厢面中心移动，从而保持左右厢间距一致，目标直线平移方程：y＝kx b kd，y为y轴坐标，x为x轴坐标，k为斜率，b为截距，d为偏移误差；
通过目标直线平移方程实现对农机具偏移误差自适应补偿。
2.根据权利要求1所述非接触式农机具偏移误差自适应补偿方法，其特征在于，所述对360度单线激光雷达组件接收的数据进行预处理的步骤，具体为：
接受360度单线激光雷达组件的数据；
对设定时间内的同角度360度单线激光雷达数据进行均值处理：
使用k-聚类方法对上述数据进行有限范围的聚类处理；
对获得的聚类结果进行圆形hough变换计算获得最大概率的画行器测量中心；
进一步计算出ab和ac的距离。
3.根据权利要求2所述非接触式农机具偏移误差自适应补偿方法，其特征在于，其中角α和β通过360度单线激光雷达组件获得，α和β是划行器中心与雷达中心连线与路径方向的夹角，测量精度达到0.33°，并测量获得ab和ac的距离，精度达到0.5厘米，其中b点到l1的距离定义为l3，c点到l2的距离定义为l4，其中d为机具中心点。
4.根据权利要求1所述非接触式农机具偏移误差自适应补偿方法，其特征在于，所述根据预处理后的数据，对计算偏移误差d的步骤，具体为：
依据相似三角形原理得到：l3 d＝l4；
由两个画行器和360度单线激光雷达组件的几何关系可得：
d l4＝acsinβ
l3＝absinα
联立方程获得计算偏移误差d的方程：
5.一种非接触式农机具偏移误差自适应补偿系统，其特征在于，包括360度单线激光雷达组件、画行器、农机辅助导航控制器，所述360度单线激光雷达组件通过串口的方式与农机辅助导航控制器连接，所述画行器垂直锁定，其高度高于激光测量平面，使得激光测量平面能够测量到划行器的位置；所述农机辅助导航控制器中存储有权利要求1-4中任一项所述的非接触式农机具偏移误差自适应补偿方法。
6.根据权利要求5所述非接触式农机具偏移误差自适应补偿系统，其特征在于，所述360度单线激光雷达组件数据通过串口传递到农机辅助导航控制器，集成偏移误差自适应补偿方法的程序加载于农机辅助导航控制器之中，所述360度单线激光雷达组件的能量通过电源线由农机辅助导航控制器提供。
7.根据权利要求5所述非接触式农机具偏移误差自适应补偿系统，其特征在于，所述360度单线激光雷达组件将发射旋转激光束形成激光测量平面，该激光测量平面能够测量到与激光面相交的物体，获得物体表面点到360度单线激光雷达组件的距离和角度，激光平面测量到画行器的具体位置，再依据测量到的数据通过偏移误差自适应补偿方法计算出机具偏移的值，传回农机辅助导航控制器进行偏移误差自适应补偿。
8.根据权利要求5所述非接触式农机具偏移误差自适应补偿系统，其特征在于，所述360度单线激光雷达组件包括360度单线激光雷达、安装件和安装螺丝，所述360度单线激光雷达通过螺丝设置在安装件上，所述安装件通过螺丝设置在拖拉机车顶后边缘中心。
9.一种具有自动导航功能的拖拉机，其特征在于，包括拖拉机本体、360度单线激光雷达组件、画行器、农机具，所述农机具采用三点悬挂的方式挂接在拖拉机本体上，所述画行器设置在农机具的两端，所述360度单线激光雷达组件通过串口的方式连接有农机辅助导航控制器，所述有自动导航功能的拖拉机执行工作时，所述农机辅助导航控制器实现权利要求1-4中任一项所述的偏移误差自适应补偿方法。
技术总结