基于LabVIEW 的農機自主導航監控系統

汪 赟，李捍東

（貴州大學電氣工程學院，貴陽 550025）

1 引 言

隨著現代農業的持續發展以及國家對農業政策的大力扶持，我國現代農業生產力和農民收入大幅度增長。但在現代農業發展過程中也存在著一系列問題，例如：土地資源的過度開發、在農業方面的物質投入過度使用以及農業污染等，給農業可持續發展帶來了重大挑戰［1］。農機自主導航監控系統是現代化智能化農業的關鍵組成部分，在“精準農業”發展過程中，極大推動了我國傳統農業生產向現代化智能化農業發展的進程［2-2］。在此，提出一款農機自主導航監控終端系統，基于LabVIEW 軟件開發平臺，采用模塊化方案進行設計，在傳統系統設計基礎上做了相應的合理改善。

2 導航監控終端軟件系統設計

本系統開發平臺為LabVIEW，其具有良好的移植性，可根據實際需要方便地增加和減少各功能模塊。LabVIEW 將各種函數模塊化，各模塊間的數據傳遞主要通過程序之間的連線完成，簡化了編程流程，更加直觀、簡單、易學。

2.1 軟件總體架構

系統整體設計采用LabVIEW 隊列狀態機中的“生產者與消費者”結構，整體程序框圖如圖1。這種設計能夠讓系統在多線程的環境下高速運行，保證良好的執行效率，能夠實時響應前面板不同的指令，分配不同的模塊進行工作，并可存儲和顯示相關的數據［4］。

圖1 生產者與消費者式程序結構框圖

2.2 功能模塊

系統的功能模塊包括：登錄界面模塊、人機交互界面模塊、串口通訊模塊、讀寫數據庫模塊、AB線作業路徑規劃模塊、診斷維護模塊、系統和車輛參數設置模塊以及動畫顯示模塊等。系統功能圖如圖2 所示。其中，路徑規劃采用S 型耕作路線；系統參數調節主要對農機車輛及農機具的傳感器高度、液壓轉向參數及機具寬度等參數進行調節設置。

圖2 農機自主導航監控系統功能圖

2.3 軟件系統主界面

根據對農機自主導航系統的功能分析，以人機交互界面易操作、友好型、簡潔性等為目標［5］，設計出的系統主界面如圖2 所示。

圖3 導航監控終端主界面

該界面為農機導航的狀態顯示區域，包括地塊名稱、衛星數量、經緯度以及前進速度等［6］。最左側為功能按鈕，包括主頁面、系統設置、車輛參數、作業設置以及診斷維護等5 個主要功能按鈕。通過點擊各個功能按鈕，即可進入相應的功能界面。不同的功能模塊可獨立運行，通過調用LabVIEW 隊列狀態機的“生產與消費者”結構，能夠讓系統在多線程的環境下高速運行，保證了良好的執行效率。

3 功能模塊程序設計

3.1 車輛及系統參數模塊

系統開始導航之前，需要配置系統及車輛的液壓轉向參數、轉向閥標定、控制參數調節、GNSS 天線距地高度、農機軸距、機具寬度以及前輪輪距等參數。以“生產者與消費者”模式（事件）、事件結構、條件結構為骨架，根據確認按鍵的按下，“生產者”循環產生命令，“消費者”循環執行命令。數據從串口下發并收到下位機的回饋信息，車輛參數配置成功。該部分模塊的前面板界面如圖4 所示。

圖4 車輛參數前面板

3.2 文件讀寫模塊

為照顧到后續研究作業數據并避免在同地塊重復多次設置農機系統參數，需進行數據的保存與調用。系統數據讀寫模塊采用UDL 方式將LabVIEW與Access 數據庫進行連接［7］。以UDL 文件作為連接途徑，調用LabVIEW SQL Tookit 模塊來訪問Access的數據表。如圖5 所示為保存AB 點示意圖。

圖5 AB 點坐標存儲

3.3 AB 點作業路徑規劃模塊

在實際中最常見的耕作路線是基于農機直線耕作的S 型。這一類型路線規劃最為簡單，沒有路徑的重疊和遺漏［8］。故此系統作業路線模擬的是農機S 型耕作路線，如圖6 所示。

圖6 S 型耕作路線

用戶將農機駕駛到耕作的起始點，擺正車頭，點擊作業設置前面板的A 點按鍵，系統將接收A 點的經度、緯度、高程等地理坐標信息；然后駕車行駛到農地的另一頭，停車后點擊B 點按鍵，系統接收B點的經度、緯度、高程等信息。用戶根據實際需要設置行間距，設置完成后，點擊導入AB 線，主界面顯示作業路徑。在自動導航過程中，用戶根據實際需要，設置整體行偏移，重新規劃作業路線。當用戶在同一塊地進行耕作時，不需要重新標定AB 點坐標信息，只需要點擊歷史數據按鍵，數據庫中的AB 點坐標信息將以列表的形式顯示在前面板中，手動輸入AB 點的坐標信息，系統將以對話框形式提示用戶AB 點坐標配置成功。

AB 點坐標信息與行間距確定之后，點擊導入AB 線按鍵，“生產者”循環中，事件結構開始運行。在該分支中，繪制多條直線控件是根據首末端點坐標的不同繪制不同的直線，所以要根據AB 點的坐標、行間距以及整體偏移量進行坐標的計算，生成作業軌跡。繪制作業軌跡程序框圖如圖7 所示。

圖7 繪制作業軌跡程序框圖

當A 點與B 點緯度相同，經度不相同時，系統默認將A 點作為坐標原點（0,0），B 點的經度坐標作為縱坐標，系統根據坐標繪制出一條AB 點直線。當行間距確定后，系統繼續進行坐標運算，其中第一條橫向直線的末端點坐標與B 點的縱坐標相同，即橫坐標為行間距；縱坐標為B 點縱坐標，系統根據運算方法繪制出一系列行間距相同且互相平行的直線，即S 型耕作路線。繪制完成后，作業軌跡顯示在主頁面中。

在實際耕作中，用戶往往需要在已經規劃好的作業路徑基礎上進行整體的偏移，為實現這一功能，系統設計了作業軌跡整體偏移模塊。該模塊主要功能是進行一系列的坐標運算。

例如，當A 點與B 點緯度相同，經度不相同時，在整體偏移量編輯框中輸入偏移量后，AB 點直線發生偏移，坐標原點（0,0）不再是A 點，即A 點以偏移量為橫坐標，縱坐標為零；B 點的坐標也發生變化，橫坐標是偏移量，縱坐標是B 點的經度；第一條橫向直線也發生偏移，其直線端點坐標也發生相應的改變，即末端點的橫坐標為行間距與偏移量之和，縱坐標與B 點縱坐標相同。系統根據算法，繪制出一系列發生整體偏移具有相同行間距且相互平行的直線即S 型耕作路線。

3.4 動態導航顯示模塊

為了更加直觀地在導航監控終端系統上觀測到農機在地塊作業的工作情況、顯示農機在田間的具體位置，可依據農機位置及狀態等信息，在主界面上進行農機耕作的動畫繪畫［9］。例如，當農機在某一地塊按S 型路線耕作時，實際采集到的AB 點導航坐標將由系統轉換為界面AB 點坐標，動畫小車也將根據農機導航坐標實時沿著作業軌跡行駛。該功能以LabVIEW 的動畫模塊實現，通過坐標的運算，實時動態地模擬農機的作業位置。動態導航顯示界面如圖8 所示。

圖8 農機動態導航

4 系統整體調試

系統整體實機調試采用單個模塊分開調試的方式。單個模塊調試成功之后再將各個模塊整合在一起調試，這樣可以提高調試效率，縮短調試時間。

使用外部的串口設備模擬農機，發送導航信息數據。導航監控系統能正確接受并顯示數據，主界面顯示清晰，功能按鍵能正常顯示。

系統能夠接受數據包中的AB 點坐標，作業設置界面正常顯示AB 點坐標信息；設置行間距，單擊導入AB 線，主界面正常顯示作業軌跡；在整體偏移量編輯欄中輸入參數，單擊整體偏移量按鍵，對話框提示配置成功；最后單擊導入AB 線，作業軌跡整體行偏移，測試成功。對手動輸入AB 點坐標信息繪制作業軌跡進行調試。在作業設置子頁面中，單擊歷史數據按鍵，前面板顯示AB 點坐標歷史信息，手動輸入坐標信息并設置行間距，點擊導入AB 線，主界面正常顯示作業軌跡。動畫顯示部分能夠實時繪制數據包中的坐標信息。

通過調試實驗，系統完全實現了設計預期中的功能，總體性能良好，并且體現出了界面簡潔、操作簡易的特點。

5 結 束 語

從農機導航的需求出發，研究開發了基于虛擬儀器軟件的導航控制軟件，并進行了測試。系統操作簡單、使用方便、界面整潔，通過仿真試驗，與模擬的農機配合完成了數據的讀取、采集、顯示、讀寫數據庫、下發數據等功能，完成了作業軌跡規劃與動畫模擬。實際的調試也表明本導航系統完全能滿足實際需求，適合農田工作者使用。