CN108279688A - 一种农业机器人定位*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种农业机器人定位***，其特征在于，包括主控模块，以及与所述主控模块连接的SLAM模块、地磁传感器、各电机驱动和测速传感器；所述SLAM模块与激光雷达和陀螺仪连接，所述电机驱动与驱动轮电机一一对应连接，所述驱动轮电机与驱动轮一一对应连接。所述驱动轮有四个，分别是左前轮、左后轮、右前轮和右后轮。所述测速传感器是编码器，所述编码器与所述驱动轮一一对应。本发明采用激光雷达、编码器、陀螺仪、地磁传感器，设计了多传感器信息融合的导航定位***，实现地图绘制和定位功能，受农作物的影响较小。
Description
技术领域
本发明属于农业机器人技术领域，具体涉及一种农业机器人定位***。
背景技术
目前的室内导航***，有无线定位导航***、自动寻线导航***等。但是，在农业温室环境中，无线定位导航***的信号传输会受到农作物的影响，自动寻线导航***需要铺设导航线路，无法适应多变复杂的农业环境。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本发明设计了一种农业机器人定位***，受农作物的影响较小，不必铺设导航线路，可以实现农业机器人的在温室环境下自主定位导航的功能。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
一种农业机器人定位***，包括主控模块，以及与所述主控模块连接的SLAM模块、地磁传感器、各电机驱动和测速传感器；所述SLAM模块与激光雷达和陀螺仪连接，所述电机驱动与驱动轮电机一一对应连接，所述驱动轮电机与驱动轮一一对应连接。
进一步，所述测速传感器是编码器，所述编码器与所述驱动轮一一对应。
进一步，所述驱动轮有四个，分别是左前轮、左后轮、右前轮和右后轮。
进一步，所述陀螺仪采用MPU-6050模块。
进一步，所述主控模块的主体是以ARM架构的STM32F103VET6芯片。
进一步，所述主控模块还包括电源转化电路、复位电路、时钟电路及去耦电路。
进一步，所述主控模块还包括电源指示灯电路和蜂鸣器电路；所述蜂鸣器电路提示所述定位***工作的相关进度。
进一步，所述驱动轮电机是直流电机。
进一步，所述主控模块、SLAM模块、各电机驱动、激光雷达、陀螺仪和地磁传感器固定在农业机器人的移动小车车体上。
工作时，所述激光雷达扫描一个360度的二维平面地图数据并传送给所述SLAM模块，所述SLAM模块对该二维平面地图数据处理并提取地图中的特征点、判断机器人在环境中的位置；同时，所述陀螺仪采集农业机器人与水平面的夹角信息、所述地磁传感器采集农业机器人在水平面内的方向信息，并分别传送给所述SLAM模块，所述SLAM模块经过数据融合算法得到角度数据从而确定机器人的航向角；
然后，所述SLAM模块根据航向角将机器人应该向X轴向（左右向）和Y轴向（前后向）移动的速度量，及机器人转向时的角速度量传输给所述主控模块；所述主控模块根据所述SLAM模块传输来的速度量、以及各编码器、所述地磁传感器、所述陀螺仪适时采集的信息，发送电机控制信号给各电机驱动，所述各电机驱动驱动各驱动轮电机进行正转或反转或调速，实现机器人的前进或后退或左转前进或右转前进或左转后退或右转后退或速度调节或停止的基本运动动作。
具体地，所述SLAM模块将所述激光雷达扫描的二维平面地图这样的局部地图数据进行SLAM算法处理，并构建出增量式全局地图，同时确定机器人***自身的位置。
具体地，所述陀螺仪采集车轮与水平地面的夹角；当车轮因地面凹陷或凸起偏离水平位置时，所述陀螺仪采集两者之间的夹角并将数据传输到所述SLAM模块，经SLAM算法处理数据后继续传输到所述主控模块，进而由所述主控模块产生算法对农业机器人姿态进行调整；当小车处于上坡、下坡或平路的不同路况时，所述陀螺仪采集车轮与水平地面的夹角，并将数据通过所述SLAM模块传输到所述主控模块，所述主控模块产生算法对农业机器人的速度进行调控。
具体地，所述各编码器分别采集各驱动轮的速度并传送给所述主控模块，所述主控模块采用PID速度控制算法精确控制机器人各驱动轮的速度。
具体地，所述地磁传感器固定在农业机器人的移动小车车体上；当移动小车需要转向时，所述地磁传感器首先记录初始的地磁传感器和地磁场方向的夹角，然后随着移动小车转向不断获取所述地磁传感器和地磁场方向之间的动态的夹角，所述适时动态的夹角与初始的夹角相减，得到移动小车转过的角度；所述主控模块产生控制机器人速度的PWM波，再通过PID方向控制算法，保证机器人以目标方向移动。
该农业机器人定位***具有以下有益效果：
（1）本发明采用激光雷达、测速传感器（编码器）、陀螺仪、地磁传感器，设计了多传感器信息融合的导航定位***，实现地图绘制和定位导航功能，受农作物的影响较小。
（2）本发明采用了分别独立驱动的四个驱动轮，相较于两个驱动轮的轮式机器人，本发明更适用于地面凹凸不平的农业温室环境，驱动力更强，克服障碍和防止打滑的能力也有所提升。
（3）本发明***研究了传感器融合算法和直流电机的增量式PID控制算法，编写了***控制程序，实现了机器人的自主定位，并设计机器人行驶过程中的控制策略。最终，通过实地实验，验证了该***能基本满足农业温室移动机器人的定位要求。
附图说明
图1：本发明实施方式中农业机器人定位***的模块化结构示意图；
图2：本发明实施方式中农业机器人定位***的布局结构示意图；
图3：本发明实施方式中农业机器人速度控制图；
图4：本发明实施方式中农业机器人转向示意图；
图5：本发明实施方式中定位***整体的程序流程图；
图6：本发明实施方式中SLAM模块通信程序流程图；
图7：本发明实施方式中地磁传感器通信程序流程图；
图8：本发明实施方式中速度控制程序流程图；
图9：本发明实施方式中方向控制的程序流程图。
附图标记说明：
1—主控模块；2—SLAM模块；3—激光雷达；4—陀螺仪；5—地磁传感器；61—电机驱动Ⅰ；62—电机驱动Ⅱ；63—电机驱动Ⅲ；64—电机驱动Ⅳ；71—电机Ⅰ；72—电机Ⅱ；73—电机Ⅲ；74—电机Ⅳ；81—编码器Ⅰ；82—编码器Ⅱ；83—编码器Ⅲ；84—编码器Ⅳ；91—左前轮；92—左后轮；93—右前轮；94—右后轮。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明：
图1至图9示出了本发明农业机器人定位***的具体实施方式。图1是本实施方式中农业机器人定位***的模块化结构示意图；图2是本实施方式中农业机器人定位***的布局结构示意图。
如图1和图2所示，本实施方式中的农业机器人定位***，包括主控模块1，以及与主控模块1连接的SLAM模块2、地磁传感器5、各电机驱动和测速传感器；SLAM模块2与激光雷达3和陀螺仪4连接，电机驱动与驱动轮电机一一对应连接，驱动轮电机与驱动轮一一对应连接。
本实施例中，驱动轮有四个，分别是左前轮91、左后轮92、右前轮93和右后轮94，各个驱动轮独立驱动，电机驱动Ⅰ61通过电机Ⅰ71驱动左前轮91，电机驱动Ⅱ62通过电机Ⅱ72驱动左后轮92，电机驱动Ⅲ63通过电机Ⅲ73驱动右前轮93，电机驱动Ⅳ64通过电机Ⅳ74驱动右后轮94。
优选地，测速传感器是编码器，编码器与驱动轮一一对应。本实施例中，编码器有四个，分别是编码器Ⅰ81、编码器Ⅱ82、编码器Ⅲ83和编码器Ⅳ84，编码器Ⅰ81、编码器Ⅱ82、编码器Ⅲ83和编码器Ⅳ84分别采集左前轮91、左后轮92、右前轮93和右后轮94的速度，编码器Ⅰ81、编码器Ⅱ82、编码器Ⅲ83和编码器Ⅳ84与主控模块1相对应的IO口线路连接。
本实施例中，主控模块1、SLAM模块2、各电机驱动、激光雷达3、陀螺仪4和地磁传感器5固定在农业机器人的移动小车车体上。
本实施例中，陀螺仪4采用MPU-6050模块。此模块是一个6轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪， 3轴MEMS 加速度计，可以通过其 I2C接口输出一个6轴的信号，经过卡尔曼滤波算法与地磁传感器5进行整合校正，可以实时掌握机器人角度变化，同激光雷达3结合SLAM模块2确定机器人的位置及朝向。
本实施例中，主控模块1的主体是以ARM架构的STM32F103VET6芯片。
主控模块1还包括自主设计的电源转化电路、复位电路、时钟电路及去耦电路。
主控模块1还包括自主设计的电源指示灯电路和蜂鸣器电路；电源指示灯电路包括多个不同颜色的发光二极管，用来提示电源上电是否正常、提示SLAM模块2是否正常工作等。蜂鸣器电路提示所述定位***工作的相关进度。
本实施例中，电机Ⅰ71、电机Ⅱ72、电机Ⅲ73和电机Ⅳ74为直流电机，每个电机需要3个控制信号IN1、IN2 和EN1，EN1为使能信号。电机的两个电极IN1、IN2，是电机转动方向控制信号，分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。给EN1、EN2输入PWM信号，调整PWM的占空比，可以调整电机转速。各驱动轮通过相应的联轴器与相对应电机连接，主控模块1发送电机控制信号给各电机驱动，各电机驱动驱动相对应电机,进行正转、反转或调速，实现农业机器人的前进、后退、左转前进 、右转前进、左转后退、右转后退、速度调节和停止等基本运动动作。
工作时，如图3至图9，图5是本实施方式中定位***整体的程序流程图；图6是本实施方式中SLAM模块通信程序流程图；图7是本实施方式中地磁传感器通信程序流程图；图8是本实施方式中速度控制程序流程图；图9是本实施方式中方向控制的程序流程图。
首先，激光雷达3扫描一个360度的二维平面地图数据并传送给SLAM模块2， SLAM模块2对该二维平面地图数据处理并提取地图中的特征点、判断机器人在环境中的位置；同时，陀螺仪4采集农业机器人与水平面的夹角信息、地磁传感器5采集农业机器人在水平面内的方向信息，并分别传送给SLAM模块2， SLAM模块2经过数据融合算法得到角度数据从而确定机器人的航向角；
然后，SLAM模块2根据航向角将机器人应该向X轴向（左右向）和Y轴向（前后向）移动的速度量，及机器人转向时的角速度量传输给主控模块1；主控模块1根据SLAM模块2传输来的速度量、以及各编码器、地磁传感器5、陀螺仪4适时采集的信息，发送电机控制信号给相对应的各电机驱动，各电机驱动驱动各驱动轮电机进行正转或反转或调速，实现机器人的前进或后退或左转前进或右转前进或左转后退或右转后退或速度调节或停止的基本运动动作。
具体地， SLAM模块2将激光雷达3扫描的二维平面地图这样的局部地图数据进行SLAM算法处理，并构建出增量式全局地图，同时确定机器人***自身的位置；然后 SLAM模块2也可通过以太网进行信号传输，将增量式全局地图和机器人***自身位置及机器人的航向角显示在上位机上，如图6所示。
具体地，主控模块1根据SLAM模块2传输来的移动机器人的X轴向速度量、Y轴向速度量和角速度量，输出移动机器人将要前进的方向量和左右驱动轮轮的线速度量，具体运动合成如图3、4所示。各编码器分别采集各驱动轮的速度并传送给主控模块1，主控模块1采用PID速度控制算法精确控制机器人各驱动轮的速度，如图8所示；地磁传感器5固定在农业机器人的移动小车车体上；当移动小车需要转向时，地磁传感器5首先记录初始的地磁传感器5和地磁场方向的夹角，然后随着移动小车转向不断获取地磁传感器5和地磁场方向之间的动态的夹角，适时动态的夹角与初始的夹角相减，得到移动小车转过的角度，如图7所示。主控模块1产生控制机器人速度的PWM波，再通过PID方向控制算法，保证机器人以目标方向移动，如图8、9所示。
具体地，陀螺仪4采集车轮与水平地面的夹角；当车轮因地面凹陷或凸起偏离水平位置时，陀螺仪4采集两者之间的夹角并将数据传输到SLAM模块2，经SLAM算法处理数据后继续传输到主控模块1，进而由主控模块1产生算法对农业机器人姿态进行调整；当小车处于上坡、下坡或平路的不同路况时，陀螺仪4采集车轮与水平地面的夹角，并将数据通过SLAM模块2传输到主控模块1，主控模块1产生算法对农业机器人的速度进行调控。
本发明采用激光雷达、编码器、陀螺仪、地磁传感器，设计了多传感器信息融合的导航定位***，实现地图绘制和导航功能，受农作物的影响较小，不必铺设导航线路。
本发明也可以在上位机上显示地图，具有定位、目的地选择、路径计算功能模块。首先，采用激光雷达对机器人周围的地图进行扫描。然后，采用SLAM模块对地图数据进行处理。陀螺仪选用MPU-6050模块，此模块是一个6轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪， 3轴MEMS 加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器，可用 I2C 接口连接地磁传感器。扩展之后就可以通过其 I2C接口 输出一个6轴的信号。经过卡尔曼滤波算法与地磁传感器进行整合校正，可以实时掌握机器人角度变化，同激光雷达结合SLAM模块确定机器人的位置及朝向。也可将地图显示在上位机软件上，用户可直接在上位机界面上设置机器人移动的目标点。随后，SLAM模块对小车的路径进行计算，采用编码器采集机器人的速度，陀螺仪、地磁传感器采集机器人自身的方向，主控***产生控制机器人速度的PWM波，并通过PID算法，调整机器人的运动速度和方向。主控***将SLAM模块的数据信息，与采集的机器人姿态数据进行融合，指导机器人在温室环境中导航。
针对温室中的作业机器人，本发明设计了一种农业机器人定位导航***，完成了***电路和运动控制程序的设计，实现了农业机器人自主定位导航的功能，受农作物的影响较小，不必铺设导航线路。
相较于现有的两个驱动轮的农业机器人，本发明采用了分别独立驱动的四个驱动轮，相较于两个驱动轮的轮式机器人，本发明更适用于地面凹凸不平的农业温室环境，驱动力更强，克服障碍和防止打滑的能力也有所提升。
本发明***研究了传感器融合算法和直流电机的增量式PID控制算法，编写了***控制程序，实现了机器人的自主定位，并设计机器人行驶过程中的控制策略。最终，通过实地实验，验证了该***能基本满足温室移动机器人的定位要求。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种农业机器人定位***，其特征在于，包括主控模块，以及与所述主控模块连接的SLAM模块、地磁传感器、各电机驱动和测速传感器；所述SLAM模块与激光雷达和陀螺仪连接，所述电机驱动与驱动轮电机一一对应连接，所述驱动轮电机与驱动轮一一对应连接。
2.根据权利要求1所述的农业机器人定位***，其特征在于，所述驱动轮有四个，分别是左前轮、左后轮、右前轮和右后轮。
3.根据权利要求1或2所述的农业机器人定位***，其特征在于，所述测速传感器是编码器，所述编码器与所述驱动轮一一对应。
4.根据权利要求1或2所述的农业机器人定位***，其特征在于，所述陀螺仪采用MPU-6050模块。
5.根据权利要求3所述的农业机器人定位***，其特征在于，所述陀螺仪采用MPU-6050模块。
6.根据权利要求1、2或5所述的农业机器人定位***，其特征在于，所述主控模块的主体是以ARM架构的STM32F103VET6芯片。
7.根据权利要求6所述的农业机器人定位***，其特征在于，所述主控模块还包括电源转化电路、复位电路、时钟电路及去耦电路。
8.根据权利要求6所述的农业机器人定位***，其特征在于，所述主控模块还包括电源指示灯电路和蜂鸣器电路；所述蜂鸣器电路提示所述定位***工作的相关进度。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的农业机器人定位***，其特征在于，所述驱动轮电机是直流电机。
10.根据权利要求1、2、5、7或8所述的农业机器人定位***，其特征在于，所述主控模块、SLAM模块、各电机驱动、激光雷达、陀螺仪和地磁传感器固定在农业机器人的移动小车车体上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180713 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |