CN102135766A - 自主作业林业机器人平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主作业林业机器人平台，包括机器人本体和控制系统，机器人本体采用了四轮的驱动结构，包括车底盘、车顶平台、车架等部分。机器人的控制系统可完成复杂控制和数据处理算法，同时加装了导航定位、激光测量、双目视觉等多种传感器，进行自主林业机器人作业环境信息检测和智能导航。该自主作业林业机器人结构简单，四轮的驱动能力强，可在林区复杂地形条下灵活可靠地运动，具备智能决策和环境建模的能力，可完成林区作业环境信息检测任务；同时可在机器人上加装多种作业机械手，进一步自主完成林木整枝、间伐、采伐和集运等林业生产作业任务。

Description

自主作业林业机器人平台

技术领域

本发明涉及一种自主作业林业机器人平台，尤其涉及一种自主作业林业机器人平台。

背景技术

自主作业林业机器人属于特种机器人的一种。由于林区这个特定的环境，比如林区野外作业要受到光照、植被、特殊立地条件等影响，而且工作环境往往比较恶劣、危险，以及林区复杂的地形，要求林业机器人需具有很强的环境适应能力、越障涉水能力，同时要求具有较高的智能决策和环境感知能力，才能在适应复杂的环境中不同的任务需要。

目前还没有能够在上述环境中自主完成多种任务的机器人。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有较高运动能力和智能化程度的自主作业林业机器人平台。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的自主作业林业机器人平台，包括机器人本体和控制系统，所述机器人本体包括车底盘、车顶平台、车架，所述车底盘采用四轮驱动结构；

所述车底盘包括车底板，所述车底板设有四个越野轮，每个越野轮连接有单独的传动轴和直流有刷减速伺服电机，每个直流有刷减速伺服电机的输出轴分别通过小链轮、链条、大链轮与对应越野轮的传动轴连接；

所述直流有刷减速伺服电机通过电机座安装在车底板上，所述传动轴通过两个球面带座轴承固定在车底板上。

所述车顶平台设有导航定位装置、激光扫描装置、双目视觉装置、作业机械手。

所述车架用铝型材搭建，用于车体各部分之间的承重和连接。

所述控制系统包括硬件和软件部分；

所述硬件部分包括中央控制计算机、运动控制模块、导航定位模块、激光测量模块、双目视觉模块、电机驱动模块、无线通讯模块、电源模块、CAN通信模块，所述中央控制计算机与所述运动控制模块、导航定位模块、激光测量模块、双目视觉模块、无线通讯模块分别连接，所述运动控制模块与电机驱动模块连接，所述电源模板为各个电路和电机供电，所述CAN通信模块与所述中央控制计算机、运动控制模块、电机驱动模块之间通信连接；

所述软件系统包括中央控制计算机软件和在所述运动控制模块中运行的运动控制软件。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的自主作业林业机器人平台，由于车底盘采用四轮驱动结构，四个越野轮分别连接有单独的传动轴和直流有刷减速伺服电机，每个直流有刷减速伺服电机的输出轴分别通过小链轮、链条、大链轮与对应越野轮的传动轴连接；直流有刷减速伺服电机通过电机座安装在车底板上，传动轴通过两个球面带座轴承固定在车底板上。车顶平台设有激光扫描装置、双目视觉装置、机械手。控制系统包括中央控制计算机、运动控制模块、导航定位模块、激光测量模块、双目视觉模块、电机驱动模块、无线通讯模块、电源模块、CAN通信模块等，及其相应的软件系统。具有较高运动能力和智能化程度，可使机器人能够在林区的复杂地形下灵活可靠地自主运动，并具有一定的林区作业环境信息检测和一定的林业生产作业能力。

附图说明

图1为本发明自主作业林业机器人平台的整体结构示意图；

图2为本发明中机器人本体的车底盘整体结构示意图；

图3为本发明中机器人本体的车底盘的背面结构示意图；

图4为本发明中机器人控制系统的硬件结构框图。

具体实施方式

本发明的自主作业林业机器人平台，其较佳的具体实施方式如图1、图2、图3、图4所示，包括机器人本体和控制系统构成，机器人本体采用四轮驱动结构，包括车底盘、车顶平台、车架等。

机器人本体的车底盘包括车底板、四台直流有刷减速伺服电机、四个电机座、四个小链轮、四个大链轮、四个链条、四个传动轴、八个球面带座轴承、四个法兰盘、四个越野轮等构成。其中四台直流有刷减速伺服电机分别安装在四个电机座上，电机的输出轴分别接小链轮S1、S2、S3、S4，四个小链轮分别经四个链条与四个大链轮B1、B2、B3、B4连接，四个大链轮分别安装在传动轴Z1、Z2、Z3、Z4上，每个传动轴由两个球面带座轴承固定在车底板上，传动轴可绕球面带座轴承转动，四个传动轴的输出经法兰盘与各个越野轮连接。

机器人本体的车顶平台部分用于放置导航定位装置、激光扫描装置、双目视觉装置等多种传感器以及作业机械手等设备；

机器人本体的车架用铝型材搭建，用于车体各部分承重和连接。

自主作业林业机器人平台的控制系统包括硬件和软件两部分。

硬件部分包括中央控制计算机、运动控制模块、导航定位模块、激光测量模块、双目视觉模块、电机驱动模块、无线通讯模块、电源模块、CAN通信模块等九部分，中央控制计算机连接运动控制模块、导航定位模块、激光测量模块、双目视觉模块、无线通讯模块等，运动控制模块连接电机驱动模块，电源模板完成各个电路和电机供电，CAN通信模块完成中央控制计算机、运动控制模块、电机驱动模块之间通信。

软件部分包括中央控制计算机软件和运动控制软件。其中中央控制计算机软件主要完成自主作业林业机器人的复杂任务调度和整体控制决策、人机交互通讯、视觉信息处理和林区作业环境建模功能，同时可将由双目视觉系统和激光测量模块融合得到的林区作业环境三维模型信息和机器人运动状态显示在机器人的液晶显示器上，以方便调试和人机交互。运动控制软件在运动控制模块中的ARM处理器上运行，主要完成接收中央控制计算机的运动指令，控制完成机器人的四个驱动轮上直流有刷电机的协调运动，简单控制算法计算，CAN总线通讯等主要功能。

本发明具有以下优点：

机器人本体采取四电机的驱动模式，并采用了粗花纹耐磨的越野轮作为行走机构，使机器人承载能力、爬坡能力和越障能力较高；

机器人本体的驱动部分采用了链条的传动方式，结构简单可靠、传动效率高、控制方便；

机器人本体的车架采用了铝型材材料，强度较高，同时拆解方便。车顶平台可安装多种操作机构，完成林区作业任务；

机器人控制系统安装了多种智能导航、激光扫描、双目视觉等传感器，采用了信息融合的方式提高了机器人整体的信息感知能力和智能化程度；

在机器人上加装多种作业机械手，进一步自主完成林木整枝、间伐、采伐和集运等林业生产作业任务。

机器人控制系统采用了分布式的设计方法，将复杂的软件算法和任务由中央控制计算机中实现，而较简单和实时性要求高的控制任务在运动控制模块中实现，提高了机器人控制系统的整体处理能力和实时性。

以下结合附图对被发明的技术方案作进一步的描述：

自主作业林业机器人平台的整体结构在图1中，机器人整体呈长方形，主要由机器人本体和控制系统构成，机器人本体采用四轮驱动结构，包括车底盘、车顶平台、车架。机器人的四个驱动轮均采用粗花纹耐磨的越野车轮实现。同时，机器人的控制系统的硬件部分放置在机器人外壳上，包括中央控制计算机的液晶显示器、导航定位模块、激光测量模块、双目视觉模块、无线通讯模块等。

在图1中，中央控制计算机的液晶显示器嵌入安装在车顶平台上，导航定位模块放置在车顶平台中部，同时与机器人中含铁的零件隔离，防止磁场干扰；GPS天线架设在机器人顶部；激光测量模块放置在车顶平台前部的两自由度云台上；双目视觉安装在车顶平台前部的两自由度云台上；无线传输模块安装在车顶平台后部，经屏蔽线缆连接到中央控制计算机上，无线传输模块天线也架设在机器人车顶平台上。车顶平台其他空余部分可以安装其它传感器和操作机构。

在图1中，机器人本体的车架采用了铝型材材料，由铸铝角件、T型螺母和内六角螺丝链接，强度较高，质量较轻，同时拆解方便。

将机器人外壳打开后，自主作业型林业机器人平台的车底盘结构的整体图和底视图分别如图2和图3所示。

在图2中，机器人本体的车底盘由车底板、四台直流有刷减速伺服电机、四个电机座、四个小链轮、四个大链轮、四个链条、四个传动轴、八个球面带座轴承、四个法兰盘、四个越野轮等构成。在图2中，四台直流有刷减速伺服电机分别安装在四个电机座上，电机输出轴分别接小链轮S1、S2、S3、S4，四个小链轮分别经四个链条与四个大链轮B1、B2、B3、B4连接。

在图3中，四个大链轮分别安装在传动轴Z1、Z2、Z3、Z4上，每个传动轴由两个球面带座轴承固定在车底板上，传动轴可绕球面带座轴承转动，四个传动轴的输出经法兰盘与各个越野轮连接。

由图2和图3可以看出，直流有刷减速伺服电机输出轴的转动带动小链轮转动，小链轮的转动经链条传动，带动安装在传动轴上大链轮的转动，这样传动轴可绕球面带座轴承转动，经法兰盘就可使机器人的越野轮转动，完成整个轮系的驱动。

同时，在图2中，同时机器人控制系统的中央控制计算机、运动控制模块、电源模块安装在工控机箱中，工控机箱安装在车底盘中部的铝板平台前部，并用螺丝固定。给机器人供电的锰酸锂电池放置在车底盘中部的铝板平台后部。其中锂电池容量为50安时，输出电压为36伏。机器人控制系统的四个电机驱动模块放置在各个伺服电机附近，完成机器人的电流环、速度环和位置环的闭环伺服控制。

在图4中，每个方框表示机器人控制系统的一个功能单元，控制系统的硬件按其功能划分为：中央控制计算机、运动控制模块、导航定位模块、激光测量模块、双目视觉模块、电机驱动模块、无线通讯模块、电源模块、CAN通信总线等。

本发明中，中央控制计算机采用工业级控制主板，CPU采用主频2.7HZ的奔腾双核处理器，，内存大小4GB，硬盘大小160G，同时具有十路RS232接口，两路CAN总线接口，两路PCI接口，一路PCI-e接口，功耗小于120W。综合性能满足林业自主作业机器人复杂控制算法的运算速度、系统可靠性、低功耗和丰富接口要求；

在图4中，运动控制模块的核心是基于ARM7处理器的主控板，主处理器采用32位ARM处理器，其上运行uCOS-II实时操作系统，并运行机器人驱动轮上直流有刷电机的协调运动，简单控制算法计算等数据处理软件；具备1路CAN总线接口，2路RS232接口，四路LED指示灯等。中央控制计算机和运动控制模块之间采用CAN总线连接。

电机驱动模块接收机器人伺服电机上绝对式光电编码器反馈的电机转动角速度和角位移信号，通过内部的DSP处理器进行位置环、速度环和电流环控制，采用大功率MOS管搭建H桥电路，完成电机的电流驱动，同时具有电机的过流保护功能。电机驱动模块内部包含云台电机的驱动和控制。电机驱动模块和运动控制模块之间采用CAN总线连接。

导航定位模块通过传感器获得机器人的俯仰角和角速度、滚动角和角速度以及航向角和角速度，并可由GPS模块可获得机器人相对大地坐标系的位置，进而为机器人的全局定位和路径规划提供有效的数据。导航定位模块与中央控制计算机之间通过RS232接口连接，通信频率为19200bps；

激光测量模块包括两自由度云台和二维激光测量系统，二维激光测量系统可进行水平面内180°的激光测距扫描，角度精度为0.25°，测量最大距离是80米，测量精度为±45mm。二维激光测量系统放置在两自由度云台上，两自由度云台可完成水平面360°旋转和垂直105°的转动，从而完成三维的激光测量数据，经中央控制计算机处理可得到林区林木和地形三维地图，激光测量模块与中央控制计算机之间通过RS422接口连接，通信频率为500kbps；

双目视觉模块可进一步得到完整的林区作业环境的三维信息，从而为机器人的自主运动、林业生产作业和环境信息检测提供有效的数据。双目视觉模块通过支架安装在车顶平台前部的两自由度云台上，与中央控制计算机之间通过IEEE1394接口连接；

机器人的供电采用锰酸锂电池输出电压为直流+36V，容量为50安时，最大电流100安，电源模块将锰酸锂电池输出电压转变为直流+24V、直流+12V、直流+5V、ATX标准电压输出，为机器人上的各电机、电路和传感器供电；并为系统提供过流和限流保护；

无线通信模块采用了通信频率433MHz的数传电台，与中央控制计算机采用RS232连接，通信频率为38400bps，天线安装在机器人车顶平台上，实时给人工监控平台返回机器人状态数据，同时接收人工监控平台的指令；

机器控制系统的软件由中央控制计算机软件和运动控制软件组成。其中中央控制计算机软件主要完成自主作业型林业机器人的复杂任务调度和整体控制决策、人机交互通讯、视觉信息处理和林区作业环境建模等功能，同时可将由双目视觉系统和激光测量模块融合得到的林区作业环境三维模型信息和机器人运动状态显示在液晶显示器上，以方便调试和人机交互。运动控制软件在运动控制模块中的ARM处理器上运行，主要完成接收中央控制计算机的运动指令，控制完成机器人的四个驱动轮上直流有刷电机的协调运动，简单控制算法计算，CAN总线通讯等功能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种自主作业林业机器人平台，包括机器人本体和控制系统，其特征在于，所述机器人本体包括车底盘、车顶平台、车架，所述车底盘采用四轮驱动结构；

所述车底盘包括车底板，所述车底板设有四个越野轮，每个越野轮连接有单独的传动轴和直流有刷减速伺服电机，每个直流有刷减速伺服电机的输出轴分别通过小链轮、链条、大链轮与对应越野轮的传动轴连接；

所述直流有刷减速伺服电机通过电机座安装在车底板上，所述传动轴通过两个球面带座轴承固定在车底板上。

2.根据权利要求1所述的自主作业林业机器人平台，其特征在于，所述车顶平台设有导航定位装置、激光扫描装置、双目视觉装置、作业机械手。

3.根据权利要求2所述的自主作业林业机器人平台，其特征在于，所述车架用铝型材搭建，用于车体各部分之间的承重和连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的自主作业林业机器人平台，其特征在于，所述控制系统包括硬件和软件部分；

所述硬件部分包括中央控制计算机、运动控制模块、导航定位模块、激光测量模块、双目视觉模块、电机驱动模块、无线通讯模块、电源模块、CAN通信模块，所述中央控制计算机与所述运动控制模块、导航定位模块、激光测量模块、双目视觉模块、无线通讯模块分别连接，所述运动控制模块与电机驱动模块连接，所述电源模板为各个电路和电机供电，所述CAN通信模块与所述中央控制计算机、运动控制模块、电机驱动模块之间通信连接；

所述软件系统包括中央控制计算机软件和在所述运动控制模块中运行的运动控制软件。

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