CN107102598A - 一种农业机器人安全控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种农业机器人安全控制系统，包括定位模块、LCD显示及摄像模块、GPRS无线传输模块、电机驱动控制电路、无线通信接口电路、超声波振荡电路和机器人驱动电路；GPRS无线传输模块利用GPRS移动通信网络实现信息的双向传输，机器人传给远程监控平台的数据主要包括现场图像信息和小车当前定位信息；远程监控平台传给小车的主要是指令信息，实现远程控制，机器人驱动电路用于完成整个过程的模块间的驱动，无线通信接口电路采用PTR2000无线通信数据收发模块，接收发射合一，适合双工和单工通信，通信方式比较灵活，可直接接单片机串口模，本发明结构简单，控制便捷，实现远程智能控制，具有很强的创造性。

Description

一种农业机器人安全控制系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种农业机器人安全控制系统。

背景技术

机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。农业机器人是机器人在农业生产中的运用，是一种可由不同程序软件控制,以适应各种作业,能感觉并适应作物种类或环境变化,有检测(如视觉等)和演算等人工智能的新一代无人自动操作机械。区别于工业机器人，是一种新型多功能农业机械。农业机器人的广泛应用，改变了传统的农业劳动方式降低了农民的劳动力，促进了现代农业的发展。农业机器人出现后，发展很快，许多国家在农业机器人的研制和发展，出现了多种类型农业机器人。目前日本居于世界各国之首。在进入21世纪以后，新型多功能农业机器人得到日益广泛地应用，智能化机器人也会在广阔的田野上越来越多地代替手工完成各种农活，第二次农业革命将深入发展。目前，我国农业从业人口越来越少，对农业自动化要求越来越高。农药喷洒机器人能够有效减少农民劳动量，大规模推广后必然会减少对农业从业人口的需求数量。但目前所使用的农药喷洒机器人智能化程度较低，需一机一人针对操作控制，对减少劳动量和减少农业从业人口的作用有限。在专利号为CN201610406387的专利文件中，公开了一种农药喷洒机器人控制系统及控制方法，包括上位机监控装置和下位机控制器，上位机监控装置包括PC机和无线收发器，所述PC机通过无线收发器接收到农药喷洒机器人采集到的周围图像信息及其运行状态，监控者根据经验判断运行状态目前这种运行状态是否合理。所述下位机控制器包括主控芯片、剩余药量预测电路、GPS模块、摄像头、人机接口、无线收发电路、喷药驱动电路和电机驱动电路。本发明所设计机器人可通过监控人员通过无线信号得到运行状态及周围环境情况，设定工作方式，也可由现场操作人员通过人机接口设定工作方式，或通过摄像头采集信号，通过控制器自行设定工作方式。可有效减少农业从业人口数量，减轻农民劳动量。

上述专利文件可通过监控人员通过无线信号得到运行状态及周围环境情况，设定工作方式，也可由现场操作人员通过人机接口设定工作方式，或通过摄像头采集信号，通过控制器自行设定工作方式。可有效减少农业从业人口数量，减轻农民劳动量。但是对于如何提供一种结构简单，控制便捷，实现远程智能控制的农业机器人安全控制系统缺少技术性解决方案。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种农业机器人安全控制系统，用于解决如何提供一种结构简单，控制便捷，实现远程智能控制的农业机器人安全控制系统的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种农业机器人安全控制系统，其特征在于：包括定位模块、LCD显示及摄像模块、GPRS无线传输模块、电机驱动控制电路、无线通信接口电路、超声波振荡电路和机器人驱动电路，所述定位模块包括电机及其驱动电路、机械传动系统及光电编码器，驱动轮和光电编码器之间采用齿轮传动，传动比为i，光电编码器的分辨率为N，即编码器每旋转一周输出的脉冲数，驱动轮的半径为r，则编码器每输出一个脉冲，对应的轮子在地面走过的距离为：L＝2π*r÷Ni

基于DSP的半自主远程控制移动机器人系统，电机控制采用脉宽调制的调速方式，并以DSP自带的正交编码脉冲电路采集光电编码器的反馈信息，对电机进行闭环PID控制，所述LCD显示及摄像模块的F2407A提供了丰富的I/O接口，用I/O口可对LCD模块和摄像模块进行数据的写入和读取，进而实现机器人的眼部功能，所述GPRS无线传输模块利用GPRS移动通信网络实现信息的双向传输，机器人传给远程监控平台的数据主要包括现场图像信息和小车当前定位信息；远程监控平台传给小车的主要是指令信息，实现远程控制，机器人驱动电路用于完成整个过程的模块间的驱动。

优选的，所述电机驱动控制电路的驱动主芯片为L293B，内有四重推挽即双重H桥集成功放电路驱动电路，两个通道可以向各自的电机提供lA的驱动电流，并且如果芯片过热，芯片能够自动关断，保障系统不受损坏。

优选的，所述电机驱动控制电路中当A向、B向为高电平时，则电机A、B电流分别由3脚流向6脚和11脚流向14脚，电机正转；反之，当A向、B向为低电平时，电机电流分别由6脚流向3脚和14脚流向11脚，电机反转；此时，可以用PWM控制芯片上电机使能脚的通断时间比来对电机进行调速，F2407A型DSP芯片支持PWM输出，因此可对驱动电机进行调速。

优选的，所述GPRS无线传输模块的GPRS图像采集模块由采集终端、DSP外围接口、GPRS收发器、PC机接口及监控中心软件组成，图像数据经采集后，由DSP串口传输给GPRS收发器1，由收发器l将图像数据通过GPRS无线网络发送出去，再由GPRS收发器2将接收到的图像数据传输给PC机串口，接着监控中心软件从PC机串口读取数据并最终显示在监控中心界面上，完成现场的实时监控。

优选的，所述无线通信接口电路采用PTR2000无线通信数据收发模块，接收发射合一，适合双工和单工通信，通信方式比较灵活，可直接接单片机串口模。

优选的，所述超声波振荡电路由数字集成电路构成，其中的U1A和UlB产生与超声波频率相对应的高频电压信号，该信号通过反向器U1C变为标准方波信号，再经功率放大，C2隔除直流信号后加在超声波换能器MA40S2S进行超声波发射，U2A为74ALS00与非门，control_port引脚为控制口，当control_port为高电平时，超声波换能器发射超声波信号。

优选的，所述农业机器人安全控制系统还包括超声波接收电路，其超声波接收换能器采用MA40S2R,对换能器接收到的信号采用集成运算放大器LM324进行信号放大，经过三级放大后，通过电压比较器LM339将正弦信号转换为TTL脉冲信号。INT_Port与单片机中断管脚相连，当接收到中断信号后，单片机立即进入中断并对超声波信号进行处理和判断，实现超声波的感知过程。

优选的，所述机器人驱动电路给定为零时，转速调节器ASR、电流调节器ACR被零速封锁信号锁零，此时，系统主要由环流调节器ARR组成交叉反馈的恒流系统，由于环流给定的影响，2组可控硅均处于整流状态，输出的电压大小相等、极性相反，直流电机电枢电压为零，电机停转，输出的电流流经2组可控硅形成环流，环流不宜过大，一般限制在电机额定电流的5％左右，正向启动时，随着转速信号Ugn的增大，封锁信号解除，转速调节器ASR输正，电机正向运行，此时，正组电流反馈电压+Ufi2反映电机电枢电流与环流电流之和；反组电流反馈电压-Uril反映了电枢电流，因此可以对主电流进行调节，而正组环流调节器输入端所加的环流给定信号-Ugih和交叉电流反馈信号-Ufil对这个调节过程影响极小，反组环流调节器的输入电压为(+Uk)+(-Ugih)+(Ufi2)，随着电枢电流的不断增大，当达到一定程度时，环流自动消失，反组可控硅进入待逆变状态，反向启动时情况相反，另外，可控环流可逆调速系统制动时仍然具有本桥逆变，反接制动和反馈制动等过程，由于启动过程也是环流逐渐减小的过程，因此，电机停转时，系统的环流达最大值，环流有助于系统越过切换死区，改善过渡特性。

(三)有益效果

本发明的GPRS无线传输模块利用GPRS移动通信网络实现信息的双向传输，机器人传给远程监控平台的数据主要包括现场图像信息和小车当前定位信息；远程监控平台传给小车的主要是指令信息，实现远程控制，机器人驱动电路用于完成整个过程的模块间的驱动，无线通信接口电路采用PTR2000无线通信数据收发模块，接收发射合一，适合双工和单工通信，通信方式比较灵活，可直接接单片机串口模，本发明结构简单，控制便捷，实现远程智能控制，具有很强的创造性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，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是本发明的机器人驱动电路原理图；

图2是本发明的无线通信接口电路原理图；

图3是本发明的超声波振荡电路原理图；

图4是本发明的超声波接收电路原理图；

图5是本发明的LCD显示及摄像模块的通讯控制原理图；

图6是本发明的电机驱动电路原理图；

图7是本发明的GPRS组网方式结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种农业机器人安全控制系统，包括定位模块、LCD显示及摄像模块、GPRS无线传输模块、电机驱动控制电路、无线通信接口电路、超声波振荡电路和机器人驱动电路，定位模块包括电机及其驱动电路、机械传动系统及光电编码器，驱动轮和光电编码器之间采用齿轮传动，传动比为i，光电编码器的分辨率为N，即编码器每旋转一周输出的脉冲数，驱动轮的半径为r，则编码器每输出一个脉冲，对应的轮子在地面走过的距离为：L＝2π*r÷Ni

基于DSP的半自主远程控制移动机器人系统，电机控制采用脉宽调制的调速方式，并以DSP自带的正交编码脉冲电路采集光电编码器的反馈信息，对电机进行闭环PID控制，LCD显示及摄像模块的F2407A提供了丰富的I/O接口，用I/O口可对LCD模块和摄像模块进行数据的写入和读取，进而实现机器人的眼部功能，GPRS无线传输模块利用GPRS移动通信网络实现信息的双向传输，机器人传给远程监控平台的数据主要包括现场图像信息和小车当前定位信息；远程监控平台传给小车的主要是指令信息，实现远程控制，机器人驱动电路用于完成整个过程的模块间的驱动。

如图6所示的电机驱动控制电路的驱动主芯片为L293B，内有四重推挽即双重H桥集成功放电路驱动电路，两个通道可以向各自的电机提供lA的驱动电流，并且如果芯片过热，芯片能够自动关断，保障系统不受损坏。电机驱动控制电路中当A向、B向为高电平时，则电机A、B电流分别由3脚流向6脚和11脚流向14脚，电机正转；反之，当A向、B向为低电平时，电机电流分别由6脚流向3脚和14脚流向11脚，电机反转；此时，可以用PWM控制芯片上电机使能脚的通断时间比来对电机进行调速，F2407A型DSP芯片支持PWM输出，因此可对驱动电机进行调速。

如图7所示，GPRS无线传输模块的GPRS图像采集模块由采集终端、DSP外围接口、GPRS收发器、PC机接口及监控中心软件组成，图像数据经采集后，由DSP串口传输给GPRS收发器1，由收发器l将图像数据通过GPRS无线网络发送出去，再由GPRS收发器2将接收到的图像数据传输给PC机串口，接着监控中心软件从PC机串口读取数据并最终显示在监控中心界面上，完成现场的实时监控。

如图2所示的无线通信接口电路采用PTR2000无线通信数据收发模块，接收发射合一，适合双工和单工通信，通信方式比较灵活，可直接接单片机串口模。

如图3所示的超声波振荡电路由数字集成电路构成，其中的U1A和UlB产生与超声波频率相对应的高频电压信号，该信号通过反向器U1C变为标准方波信号，再经功率放大，C2隔除直流信号后加在超声波换能器MA40S2S进行超声波发射，U2A为74ALS00与非门，control_port引脚为控制口，当control_port为高电平时，超声波换能器发射超声波信号。

如图4所示的超声波接收电路，其超声波接收换能器采用MA40S2R,对换能器接收到的信号采用集成运算放大器LM324进行信号放大，经过三级放大后，通过电压比较器LM339将正弦信号转换为TTL脉冲信号。INT_Port与单片机中断管脚相连，当接收到中断信号后，单片机立即进入中断并对超声波信号进行处理和判断，实现超声波的感知过程。

如图1所示，机器人驱动电路给定为零时，转速调节器ASR、电流调节器ACR被零速封锁信号锁零，此时，系统主要由环流调节器ARR组成交叉反馈的恒流系统，由于环流给定的影响，2组可控硅均处于整流状态，输出的电压大小相等、极性相反，直流电机电枢电压为零，电机停转，输出的电流流经2组可控硅形成环流，环流不宜过大，一般限制在电机额定电流的5％左右，正向启动时，随着转速信号Ugn的增大，封锁信号解除，转速调节器ASR输正，电机正向运行，此时，正组电流反馈电压+Ufi2反映电机电枢电流与环流电流之和；反组电流反馈电压-Uril反映了电枢电流，因此可以对主电流进行调节，而正组环流调节器输入端所加的环流给定信号-Ugih和交叉电流反馈信号-Ufil对这个调节过程影响极小，反组环流调节器的输入电压为(+Uk)+(-Ugih)+(Ufi2)，随着电枢电流的不断增大，当达到一定程度时，环流自动消失，反组可控硅进入待逆变状态，反向启动时情况相反，另外，可控环流可逆调速系统制动时仍然具有本桥逆变，反接制动和反馈制动等过程，由于启动过程也是环流逐渐减小的过程，因此，电机停转时，系统的环流达最大值，环流有助于系统越过切换死区，改善过渡特性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种农业机器人安全控制系统，其特征在于：包括定位模块、LCD显示及摄像模块、GPRS无线传输模块、电机驱动控制电路、无线通信接口电路、超声波振荡电路和机器人驱动电路，所述定位模块包括电机及其驱动电路、机械传动系统及光电编码器，驱动轮和光电编码器之间采用齿轮传动，传动比为i，光电编码器的分辨率为N，即编码器每旋转一周输出的脉冲数，驱动轮的半径为r，则编码器每输出一个脉冲，对应的轮子在地面走过的距离为：L＝2π*r÷Ni基于DSP的半自主远程控制移动机器人系统，电机控制采用脉宽调制的调速方式，并以DSP自带的正交编码脉冲电路采集光电编码器的反馈信息，对电机进行闭环PID控制，所述LCD显示及摄像模块的F2407A提供了丰富的I/O接口，用I/O口可对LCD模块和摄像模块进行数据的写入和读取，进而实现机器人的眼部功能，所述GPRS无线传输模块利用GPRS移动通信网络实现信息的双向传输，机器人传给远程监控平台的数据主要包括现场图像信息和小车当前定位信息；远程监控平台传给小车的主要是指令信息，实现远程控制，机器人驱动电路用于完成整个过程的模块间的驱动。

2.根据权利要求1所述的农业机器人安全控制系统，其特征在于：所述电机驱动控制电路的驱动主芯片为L293B，内有四重推挽即双重H桥集成功放电路驱动电路，两个通道可以向各自的电机提供lA的驱动电流，并且如果芯片过热，芯片能够自动关断，保障系统不受损坏。

3.根据权利要求2所述的农业机器人安全控制系统，其特征在于：所述电机驱动控制电路中当A向、B向为高电平时，则电机A、B电流分别由3脚流向6脚和11脚流向14脚，电机正转；反之，当A向、B向为低电平时，电机电流分别由6脚流向3脚和14脚流向11脚，电机反转；此时，可以用PWM控制芯片上电机使能脚的通断时间比来对电机进行调速，F2407A型DSP芯片支持PWM输出，因此可对驱动电机进行调速。

4.根据权利要求1所述的农业机器人安全控制系统，其特征在于：所述GPRS无线传输模块的GPRS图像采集模块由采集终端、DSP外围接口、GPRS收发器、PC机接口及监控中心软件组成，图像数据经采集后，由DSP串口传输给GPRS收发器1，由收发器l将图像数据通过GPRS无线网络发送出去，再由GPRS收发器2将接收到的图像数据传输给PC机串口，接着监控中心软件从PC机串口读取数据并最终显示在监控中心界面上，完成现场的实时监控。

5.根据权利要求1所述的农业机器人安全控制系统，其特征在于：所述无线通信接口电路采用PTR2000无线通信数据收发模块，接收发射合一，适合双工和单工通信，通信方式比较灵活，可直接接单片机串口模。

6.根据权利要求1所述的农业机器人安全控制系统，其特征在于：所述超声波振荡电路由数字集成电路构成，其中的U1A和UlB产生与超声波频率相对应的高频电压信号，该信号通过反向器U1C变为标准方波信号，再经功率放大，C2隔除直流信号后加在超声波换能器MA40S2S进行超声波发射，U2A为74ALS00与非门，control_port引脚为控制口，当control_port为高电平时，超声波换能器发射超声波信号。

7.根据权利要求1所述的农业机器人安全控制系统，其特征在于：所述农业机器人安全控制系统还包括超声波接收电路，其超声波接收换能器采用MA40S2R,对换能器接收到的信号采用集成运算放大器LM324进行信号放大，经过三级放大后，通过电压比较器LM339将正弦信号转换为TTL脉冲信号。INT_Port与单片机中断管脚相连，当接收到中断信号后，单片机立即进入中断并对超声波信号进行处理和判断，实现超声波的感知过程。

8.根据权利要求1所述的农业机器人安全控制系统，其特征在于：所述机器人驱动电路给定为零时，转速调节器ASR、电流调节器ACR被零速封锁信号锁零，此时，系统主要由环流调节器ARR组成交叉反馈的恒流系统，由于环流给定的影响，2组可控硅均处于整流状态，输出的电压大小相等、极性相反，直流电机电枢电压为零，电机停转，输出的电流流经2组可控硅形成环流，环流不宜过大，一般限制在电机额定电流的5％左右，正向启动时，随着转速信号Ugn的增大，封锁信号解除，转速调节器ASR输正，电机正向运行，此时，正组电流反馈电压+Ufi2反映电机电枢电流与环流电流之和；反组电流反馈电压-Uril反映了电枢电流，因此可以对主电流进行调节，而正组环流调节器输入端所加的环流给定信号-Ugih和交叉电流反馈信号-Ufil对这个调节过程影响极小，反组环流调节器的输入电压为(+Uk)+(-Ugih)+(Ufi2)，随着电枢电流的不断增大，当达到一定程度时，环流自动消失，反组可控硅进入待逆变状态，反向启动时情况相反，另外，可控环流可逆调速系统制动时仍然具有本桥逆变，反接制动和反馈制动等过程，由于启动过程也是环流逐渐减小的过程，因此，电机停转时，系统的环流达最大值，环流有助于系统越过切换死区，改善过渡特性。