CN101323328A - 一种农用智能移动机器人平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种农用智能移动机器人平台。由车体平台和控制系统组成，其中车体平台包括前、后横梁和固定在该前、后横梁上的车厢以及安装在该前、后横梁两端的四个相同的驱动总成等，每一驱动总成包括一转向支架、一转向电机、一驱动电机和一车轮，转向电机固定在横梁的一端，转向支架与转向电机的输出轴连接，驱动车轮的驱动电机及车轮安装在转向支架上，车厢安装在前、后横梁的上侧；控制系统包括工控机、CAN总线和下位机以及GPS和摄像机等传感器。其优点是：平台机械结构模块化、轻简化，避免使用笨重的差速机构，方便了平台驱动形式的改装重构；平台具有随地面仿形能力，能够很好地适应农田环境及作物特点；并具备在农田环境中良好的自主导航能力。

Description

一种农用智能移动机器人平台

技术领域

本发明涉及智能机器人，尤其涉及适应于农田环境的一种农用智能移动机器人平台。

背景技术

目前，在全世界范围内，现有的农业生产方式基本上满足了人们的温饱问题，但随着时间延续，该生产模式其内含的许多问题也日益显露，并在总体上持续恶化。如淡水污染、化学物质残留、生物多样性缺失、生产效益低下等，这些问题都必将影响农业产业的可持续发展，进而可能会危害整个社会的可持续发展。

因此，为了扭转这种趋势，世界各国纷纷探索运用新的科学技术来研究环境友好、高效的农业生产模式，其中具有自主导航能力的智能农业机械逐步成为了现代农业机械装备技术中的一个研究热点。它可以在农业生产过程中，显著改善作业人员的安全性和舒适性(如喷药机械)，实现精确定点、定量投放来避免或减少农业化学物质的使用(如变量作业机械)，通过延长作业时间、优化作业速度、减少多余作业来提高农业机械的工作效率(如收割机、插秧机)等。

为此，针对农田环境下的智能移动机器人的研究，以及相关人才的培养都被提上了日程。但是，目前缺少成本适当、结构合理、能够胜任农田环境的智能移动机器人作为研究实验和教学的平台。

中国发明专利ZL02132744.0，发明名称为“全自主型足球机器人及其智能控制系统”。它包含机器人本体以及行走装置和踢球装置，以及环境感知装置、行为决策装置、通信网络装置、运动控制装置等，这些装置均安装在本体的格层上。此机器人硬件的拆卸维修比较麻烦，系统的升级换代困难。其用途基本上被限制于足球机器人比赛，缺乏通用性。

中国发明专利ZL200310118301.6，发明名称为“一种移动机器人平台的驱动结构和驱动方法”。该专利介绍了一种用于轮式移动机器人平台的驱动结构，采用协调的驱动方式，它包括一个主动导向轮和两个独立的驱动轮。主动导向轮由小功率较高减速比的电机驱动，控制导向轮的转角；两个驱动后轮分别由两个低控制精度的扁平电机或轮毂电机驱动。平台驱动控制器按照本体电机协调算法把移动平台的运动要求分解为对三个电机的控制命令，然后控制导向轮的转动和两个后轮的差动以完成本体的运动。但该专利中没有描述具体的机械结构，并且由于农田环境的中地面不平，作物种植的特点，该移动机器人平台结构将无法适应。

中国发明专利ZL200410053041.3，发明名称为“智能移动机器人”。该专利介绍了一种智能移动机器人，包括车体平台和大脑两大部分，采用笔记本电脑作为机器人大脑。机器人大脑负责采集处理视觉信号，负责与外界对象通信和高层决策，下位机负责机器人执行机构的底层控制，并将获得的里程计信息、超声波传感器信息和储能状态信息上传给机器人大脑。该专利主要对控制系统组成进行了描述，对适宜的机器人的具体结构没有涉及，并不适宜在农田环境中自主移动。

发明内容

本发明针对上述现有技术之不足，提供了一种具自主导航和随地面仿形能力适宜农田环境的一种农用智能移动机器人平台。它由以下技术方案来实现：

由车体平台和控制系统组成，其中所述车体平台包含前横梁、后横梁和安装在该前、后横梁上的车厢以及安装在该前、后横梁两端的四个完全相同的驱动总成，每一驱动总成包括一转向支架、一转向电机、一驱动电机和一车轮，转向电机固定在所述横梁的一端，转向支架与转向电机的输出轴连接，驱动车轮的驱动电机及车轮安装在转向支架上，车厢安装在前、后横梁的上侧。

所述车厢的后端与后横梁固定在一起，其前端与前横梁中部铰接，使横梁及连接在其两端的驱动总成能绕铰接点转动。

所述前、后横梁的两端固定有转向轴承套，转向电机竖直固定在该轴承套上，轴承套内安装的轴承其内圈支承着一转向轴，该转向轴下端固定在转向支架上，其上端与转向电机的输出轴连接，在转向电机转动时，通过转向轴使转向支架作同样角度的转动。

所述转向轴的一端端部设有沿轴向与转向电机输出轴轴径相对应的盲孔，该孔的内壁上设有键槽，转向电机输出轴的一端插入该盲孔中，并通过对应的键与转向电机输出轴进行周向无相对转动的连接，使转向轴与转向电机输出轴同轴转动。

所述驱动电机水平安装在转动支架的上部分，其输出轴上安装一主传动轮，所述车轮由驱动轴承套固定在转动支架的下部分，车轮的驱动轴上安装有从动传动轮。车轮为自主驱动时，所在驱动总成上的主、从传动轮之间有传动链连接，车轮为被动驱动轮时，所在驱动总成上的主、从传动轮之间无传动链连接。

所述主、从传动轮是主、从动链轮，所述传动链为链条。

所述控制系统包括工控机、摄像机、GPS接收机、云台、若干下位机及数个转向编码器和驱动编码器，摄像机、GPS接收机通过数据线与工控机连接，工控机通过CAN总线与若干下位机连接，云台、转向编码器和驱动编码器分别通过数据线与对应的下位机连接，同时下位机还通过导线与对应的转向电机和驱动电机连接。

所述驱动编码器的外壳固定在转向支架上，其转子和驱动轴连接，两者进行同轴线转动，以测量驱动轴转角和转速等信息。

所述转向编码器的外壳固定在转向轴承套内，其转子和转向轴连接，两者进行同轴线转动，以测量转向轴转角和转速等信息。

本发明采用四个完全一样的驱动总成，实现了平台机械结构的模块化。可采用四轮各自独立转向和驱动的方式，也可以通过选择安装驱动总成中的传动部件形成两前轮驱动或两后轮驱动等其它类型的驱动组合，来合成车体平台的运动。这种设计避免了使用笨重的差速机构，极大地简化了平台整体结构，方便了平台驱动形式的改装重构。

本发明平台中的两根横梁分别连接两个驱动总成。车厢固定在横梁上，车厢和驱动支撑部分独立，车厢的形状和大小可以根据需要任意改变，而不用改变驱动总成和横梁部分。前横梁可以相对车体作一定角度的上下摆动，具有随地面仿形能力，使本发明能够很好地适应于农田环境中地面及作物的特点。

本发明中的机器人工控机接收GPS接收机送入的位置数据和摄像机采集的平台周围环境图像数据，同时与下位机间通过CAN现场总线进行信息交换。下位机负责执行电机等执行机构的底层闭环控制、采集各相关传感器感知的机器人实时工作状态数据等。工控机综合处理这些信息，结果使机器人平台具有在农田环境中良好的自主导航能力。

本发明平台可用作农业机器人或自动化农业机械等方面的科学研究中的实验设备。由于本发明平台的软硬件都采用了开放式体系结构，因此还非常适合作为此领域人才培养中的设计性教学实验设备，当然也可用其来开展机器人技术的相关科普展览活动。

附图说明

图1是本发明车体平台的一实施例的结构简图。

图2是图1所示车体平台结构的左视图。

图3是横梁的结构示意图(其中的图b是图a所示横梁的A向视图)。

图4是轴承套的结构示意图(其中的图b是图a所示轴承套的B向视图)。

图5是驱动总成的结构示意图

图6是转向支架的结构示意图(其中的图b是图a所示转向支架的C向视图)。

图7是本发明的控制系统主要功能模块构成示意图。

图中，1轮胎，2转向支架，3车厢，4转向电机，5法兰盖，6电池，7GPS天线，8工控机，9转向轴承套，10摄像机，11摄像机云台，12驱动电机，13下位机，14横梁，15摆动支架，16摆动销轴，17主动链轮，18转向轴，19转向编码器，20轮辋，21幅盘，22驱动轴，23驱动轴承套，24驱动编码器，25从动链轮，26前、后横梁上的法兰盘，27孔，28转向轴承套上的安装面，29、30轴承，31螺母，32孔，33转向轴上的台阶，34转向轴上的盲孔，35、36键。

具体实施方式

本实施例的农用移动机器人平台由车体平台和控制系统组成。其中车体平台的结构见图1和图2，主要由车厢3、前横梁14、后横梁(在图2中，由于后横梁被前横梁遮挡未能画出)和四个完全相同的驱动总成组成。四个驱动总成分别安装在前横梁14、后横梁的两端。车厢3的后端与后横梁直接固定在一起，车厢3的前端设有摆动支架15，该支架与前横梁14通过摆动轴销16铰接，使前横梁14可以相对车厢3摆动。

对照图3，前横梁14、后横梁都由方钢制成，两端焊接方形的法兰盘26，用于连接驱动总成。前、后横梁的结构相同，只是在前横梁中心处有一用于与车厢上摆动支架15铰接的孔27。驱动总成通过转向轴承套9与前、后横梁14的两端连接。

对照图4，转向轴承套9上设有一与前横梁14、后横梁的两端法兰盘26对应的安装面28，安装时使该面与前横梁14和后横梁上的法兰盘26贴合，并用螺栓、螺母将两者连接。

对照图5每一驱动总成主要由一转向支架2、一转向电机4、一驱动电机12和一车轮组成。并通过转向轴承套9安装在前、后横梁的两端。转向轴承套9内置有一对轴承29，转向轴18紧配在该轴承的内圈中，与内圈一同转动。转向轴18的下端由螺母31紧固在转向支架2上，其上端部设有沿轴向与转向电机输出轴轴径相对应的盲孔34，该孔的内壁上设有键槽。转向轴承套9上固定有法兰盖5，转向电机竖直固定在该法兰盖上，其输出轴的前端插在转向轴18的盲孔中，并通过键35与转向电机输出轴进行周向无相对转动的连接，使转向轴18与转向电机输出轴同轴转动，在转向电机转动时，通过转向轴使转向支架作同样角度的转动。

驱动电机12水平安装在转向支架2的上部分，其输出轴上安装一主动链轮17，车轮由驱动轴承套23固定在转向支架2的下部。驱动轴承套23内置有一对轴承30，驱动轴22紧配在该轴承的内圈，并与内圈一起转动。车轮的轮辋20通过幅盘21与驱动轴22连接，该驱动轴上还安装有从动链轮25。这样主、从链动轮及对应的链条形成一对传动副，就将驱动电机12的转动传动到驱动轴22上，进而驱动轮胎1转动，来推动机器人移动。轮胎1一般为充气橡胶轮胎，为了适应松软的土壤路面，可以使用高花纹轮胎。

对照图6，转动支架2的上端有一向一侧伸出的耳。该耳的上侧用于放置转向轴承套9及转向电机4，该耳上设有用于穿接转向轴18的孔32。转向轴通过其上的一台阶33(请参见图5)在该耳的上侧面进行定位，并由螺母31紧固在该耳上。

上述车体平台包含四个完全相同的驱动总成，每个驱动总成包含一个转向电机、一个驱动电机以及一个车轮，可实现四车轮自主地独立转向和驱动，从而合成车体平台的运动。四车轮还可以通过所在驱动总成中主、从动链轮之间是否安装传动链来改变驱动形式，如没有传动链，车轮不能自主驱动，则为被动车轮；如有传动链，车轮将自主驱动，则为主动车轮。应用中可根据需要随意改装成两前轮驱动或两后轮驱动等其它类型的驱动方式。这种设计避免了使用笨重的差速机构，实现了平台整体结构的模块化和轻简化。平台的前后两根横梁分别连接两个驱动总成，车厢固定在横梁上，车厢的形状和大小可以根据需要任意改变，而不用改变驱动总成和横梁部分。

本实施例的控制系统主要由工控机8、摄像机10、GPS天线7、摄像机云台11、若干下位机13及数个转向编码器19和驱动编码器24等组成，该控制系统的功能模块图请参见图7。

GPS天线7固定在车厢3上面，其接受的GPS信号经GPS接收机(未画出)通过电信号传输线与工控机8串口连接。工控机8固定在车厢3内部。摄像机10固定在摄像机云台11上，摄像机云台11固定在车厢3的前端。摄像机10由电信号传输线并通过视频采集卡与工控机相连，把机器人平台周围环境图像输入到工控机。

转向编码器19的外壳固定在转向轴承套9上，其转子与转向轴18通过键36连接(请参见图5)，两者同轴转动，以测量转向轴18的角度。驱动编码器24的外壳固定在转向支架上，其转子与驱动轴22固定在一起(请参见图5)，用以测量车轮转动的角度。实施例中采用的这些编码器都是普通的增量式光电编码器，其转子轴为空心轴。

下位机13有多个，固定在车厢内部，图中只指示出1个(请参见图2)。它们分别通过导线与各自对应的转向编码器19、驱动编码器24以及转向电机4、驱动电机12、摄像机云台11的驱动电机等部件相连，以实现各执行电机的闭环控制，同时还采集各电机转速、转角等数据，通过CAN现场总线提供给工控机8。根据需要还可以方便扩充其它执行机构和传感器，然后通过相应的下位机挂接到CAN总线上而融入系统。电池6固定在车厢3内部，通过导线与工控机8、各电机以及GPS、摄像机等传感器相连，为平台整体提供电源。

本发明设备工作时，电池6首先给工控机8、下位机13、摄像机10、GPS接收机、转向编码器19、驱动编码器24等部件供电。工控机8将根据需要，采集GPS接收机的数据、接收摄像机送入的平台周围景物图像数据，还可以通过CAN总线命令下位机13送回各编码器等传感器数据，在综合计算和分析后，规划出行走路径以进行自主导航。

工控机8计算后，当发现平台自身位姿需要调整，就将调整再分解成驱动电机12、转向电机4、摄像机云台11的驱动电机等具体的转动角度或速度指令，通过CAN总线发送给各执行电机的下位机控制器。而后，转向电机4带动转向轴18、转向支架2，最后驱动轮胎1作转向运动。驱动电机12带动主动链轮17、经链条再带动从动链轮25，然后经驱动轴22驱动轮胎1作前进或后退运动。最终实现平台位姿调整，达到自主导航目的。

轮胎1的运动通过驱动轴承套23、转向支架2以及转向轴承套9，然后引起横梁运动，最终带动车厢3的运动。其中，前横梁14由于和摆动支架间通过轴销16铰接，当地面高低不平时，可以绕铰接轴16上下摆动，以随时保证各轮胎与地面接触，实现随地面仿形，维持必要的驱动力。

本发明的机器人平台中，其控制系统核心是工控机，负责高层决策任务，它接收GPS定位信号和摄像机的图像信号，同时通过CAN现场总线与各下位机和传感器连接。工控机融合视觉信息、GPS信息以及编码器等传感器信息，然后将作出的行为决策指令通过CAN现场总线下达给各下位机。

本发明的机器人平台中，下位机以微控制器为基础构成。具体负责机器人的运动执行电机等执行机构的底层闭环控制；负责控制摄像机云台电机的控制和相关位姿数据采集；负责采集获取编码器等传感器信息并加以处理，从而获得里程等高级信息；还负责对机器人储能等其它状态进行监控。下位机通过CAN现场总线与机器人工控机进行双向信息交换。

Claims (9)

1.一种农用智能移动机器人平台，由车体平台和控制系统组成，其特征在于所述车体平台包含前横梁、后横梁和安装在该前、后横梁上的车厢以及安装在该前、后横梁两端的四个完全相同的驱动总成，每一驱动总成包括一转向支架、一转向电机、一驱动电机和一车轮，转向电机固定在所述横梁的一端，转向支架与转向电机的输出轴连接，驱动车轮的驱动电机及车轮安装在转向支架上，车厢安装在前、后横梁的上侧。

2.根据权利要求1所述的一种农用智能移动机器人平台，其特征在于所述车厢的后端与后横梁固定在一起，其前端与前横梁中部铰接，使横梁及连接在其两端的驱动总成能绕铰接点转动。

3.根据权利要求1所述的一种农用智能移动机器人平台，其特征在于所述前、后横梁的两端固定有转向轴承套，转向电机竖直固定在该轴承套上，轴承套内安装的轴承其内圈支承着一转向轴，该转向轴下端固定在转向支架上，其上端与转向电机的输出轴连接，在转向电机转动时，通过转向轴使转向支架作同样角度的转动。

4.根据权利要求3所述的一种农用智能移动机器人平台，其特征在于所述转向轴的一端端部设有沿轴向与转向电机输出轴轴径相对应的盲孔，该孔的内壁上设有键槽，转向电机输出轴的一端插入该盲孔中，并通过对应的键与转向电机输出轴进行周向无相对转动的连接，使转向轴与转向电机输出轴同轴转动。

5.根据权利要求1所述的一种农用智能移动机器人平台，其特征在于所述驱动电机水平安装在转动支架的上部分，其输出轴上安装一主传动轮，所述车轮由驱动轴承套固定在转动支架的下部分，车轮的驱动轴上安装有从动传动轮。车轮为自主驱动时，所在驱动总成上的主、从传动轮之间有传动链连接，车轮为被动驱动轮时，所在驱动总成上的主、从传动轮之间无传动链连接。

6.根据权利要求5所述的一种农用智能移动机器人平台，其特征在于所述主、从传动轮是主、从动链轮，所述传动链为链条。

7.根据权利要求1所述的一种农用智能移动机器人平台，其特征在于所述控制系统包括工控机、摄像机、GPS接收机、云台、若干下位机及数个转向编码器和驱动编码器，摄像机、GPS接收机通过数据线与工控机连接，工控机通过CAN总线与若干下位机连接，云台、转向编码器和驱动编码器分别通过数据线与对应的下位机连接，同时下位机还通过导线与对应的转向电机和驱动电机连接。

8.根据权利要求7所述的一种农用智能移动机器人平台，其特征在于所述驱动编码器的外壳固定在转向支架上，其转子和驱动轴连接，两者进行同轴线转动，以测量驱动轴转角和转速等信息。

9.根据权利要求7所述的一种农用智能移动机器人平台，其特征在于所述转向编码器的外壳固定在转向轴承套内，其转子和转向轴连接，两者进行同轴线转动，以测量转向轴转角和转速等信息。

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