CN107291073A - 一种基于自主作业的农业机器人系统、方法及其装置 - Google Patents

一种基于自主作业的农业机器人系统、方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自主作业的农业机器人系统、方法及其装置，包括激光测距模块、定位模块、电机控制模块、云台、九轴传感器模块、中央处理模块。利用激光测距模块测距及定位模块的差分定位，结合九轴传感器模块、电机驱动模块与移动支撑平台，运用数据融合方法，可实现农业机器人自主导航。

Description

一种基于自主作业的农业机器人系统、方法及其装置
技术领域
本发明涉及智能农业机器人技术领域，特别是涉及一种基于自主作业的农业机器人系统、方法及其装置。
背景技术
自主作业是一种高难度的农业机器人技术，尤其是对陌生环境的地图感知与判断，是农业机器人领域中的一个基本且重要的问题。农业机器人在作业过程中根据传感器观测建立作业环境地图，进行自身定位、路线规划、航向修正，从而达到自主导航作业的作用。
现有的农业机器人一般利用GPS系统来进行定位并规划路线，但是由于民用GPS的精度较差，误差范围大，给农业机器人精准作业带来困难。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种基于自主作业的农业机器人系统、方法及其装置。
一种基于自主作业的农业机器人系统，包括：
激光测距模块，用于采集农业机器人与参考作业面的距离信息，并将距离信息传送至中央处理模块；
定位模块，用于对农业机器人自身的定位及定位校准，并将定位信息传送至中央处理模块；
电机控制模块，用于驱动电机、采集测速编码器信息，并将测速编码器信息传送至中央处理模块；
云台，用于保持激光测距模块处于水平状态、调整激光测距模块在水平面上的方向；
九轴传感器模块，用于采集农业机器人的姿态角及航向，并将姿态角信息及航向信息传送至中央处理模块；
中央处理模块，用于根据农业机器人与参考作业面的距离信息、定位信息和测速编码器信息，实时绘制所在作业区域的地图信息且进行路线规划，并通过调整电机转速和方向来达到自主导航的作用。
在其中一个实施例中，所述激光测距模块包括激光发射器、激光接收器，激光发射器及激光接收器安装在云台上；所述激光发射器发射激光，所述激光接收器接收反射回激光，以获得距离信息。
在其中一个实施例中，所述差分GPS模块与差分GPS基站通过433MHz频率进行通信；定位模块通过解析NMEA协议来获得经纬度、高度、时间等信息。
在其中一个实施例中，所述电机控制模块包括电机驱动模块、测速编码器，测速编码器安装在电机上和测速轮上；测速轮上的测速编码器通过与电机上的测速编码器进行转速比较来判断农业机器人是否处于打滑状态，并采集实际移动速度信息。
在其中一个实施例中，所述云台包括伺服电机、六轴传感器模块，伺服电机和六轴传感器模块安装在支架上。
在其中一个实施例中，所述九轴传感器模块解析农业机器人姿态角，并利用姿态角进行航向信息的倾角补偿。
在其中一个实施例中，所述中央处理模块接收距离信息、定位信息和测速编码器信息；中央处理模块通过信息融合技术，进行自主作业路线规划。
一种基于自主作业的农业机器人方法，包括以下步骤：
获取农业机器人与参考作业面的距离信息，并将距离信息传送至中央处理模块；
获取农业机器人定位信息及校准定位，并将定位信息传送至中央处理模块；
获取农业机器人的姿态角信息及航向信息，并将姿态角信息及航向信息传送至中央处理模块；
保持云台上的激光测距模块处于水平状态；
获取农业机器人的电机转速信息及实际移动速度信息，并将电机转速信息及实际移动速度信息传送至中央处理模块；
根据测距距离信息及定位信息，实时绘制作业区域的地图信息；
根据地图信息，进行路线规划；
根据电机转速信息及实际移动速度信息，进行自主导航。
一种基于自主作业的农业机器人装置，包括移动支撑平台和所述基于自主作业的农业机器人系统和方法，所述移动支撑平台用于基于自主作业的农业机器人系统的安装、固定及移动。
上述基于自主作业的农业机器人系统、方法和装置，利用激光测距及差分定位，结合九轴传感器模块、电机驱动模块与移动支撑平台，运用数据融合方法，可实现农业机器人自主导航。
附图说明
图1为一实施例中基于自主作业的农业机器人系统的结构框图；
图2为一实施例中基于自主作业的农业机器人方法的流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明基于自主作业的农业机器人系统、方法和装置进行更全面的描述。附图中给出了本发明基于自主作业的农业机器人系统、方法和装置的首选实施例。但是，本发明基于自主作业的农业机器人系统、方法和装置可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
在一些实施例中，如图1所示，一种基于自主作业的农业机器人系统100，包括：
激光测距模块101，用于采集农业机器人与参考作业面的距离信息，并将距离信息传送至中央处理模块。
在一些实施例中，所述激光测距模块101设置在农业机器人上，包括激光发射器1011、激光接收器1012，激光发射器1011及激光接收器1012安装在云台104上；所述激光发射器1011发射的激光照射到物体上后，从物体反射回，被激光接收器1012接收，通过记录时间差，可以计算农业机器人与参考作业面的距离信息。
定位模块102，用于对农业机器人自身的定位及定位校准，并将定位信息传送至中央处理模块。
在一些实施例中，所述GPS模块1021安装在农业机器人上，通过433MHz频率与差分GPS基站1022进行通信。通过差分定位法修正GPS信息，能够保持定位误差在5厘米的范围内。
在一些实施例中，所述定位模块102可通过解析NMEA协议来获得经纬度、高度、时间等信息。
电机控制模块103，用于驱动电机、采集测速编码器信息，并将测速编码器信息传送至中央处理模块。
在一些实施例中，所述电机控制模块包括电机驱动模块1031、测速编码器1032，测速编码器安装在电机上和测速轮上；测速轮上的测速编码器通过与电机上的测速编码器进行转速比较来判断农业机器人是否处于打滑状态，并采集实际移动速度信息。
云台104，用于保持激光测距模块处于水平状态、调整激光测距模块在水平面上的方向。
在一些实施例中，所述云台包括伺服电机1041、六轴传感器模块1042，伺服电机和六轴传感器模块安装在支架上。
九轴传感器模块105，用于采集农业机器人的姿态角及航向，并将姿态角信息及航向信息传送至中央处理模块。
在一些实施例中，所述九轴传感器模块解析农业机器人姿态角，并利用姿态角进行航向信息的倾角补偿。
中央处理模块106，用于根据农业机器人与参考作业面的距离信息、定位信息和测速编码器信息，实时绘制所在作业区域的地图信息且进行路线规划，并通过调整电机转速和方向来达到自主导航的作用。
在一些实施例中，所述中央处理模块接收距离信息、定位信息和测速编码器信息；中央处理模块通过信息融合技术，进行自主作业路线规划。
在一些实施例中，如图2所示，一种基于自主作业的农业机器人方法，包括以下步骤：
步骤201，获取农业机器人与参考作业面的距离信息，并将距离信息传送至中央处理模块。
在一些实施例中，通过激光的照射与反射，利用三角测量法，可计算出农业机器人与参考作业面的距离。
步骤202，获取农业机器人定位信息及校准定位，并将定位信息传送至中央处理模块。
在一些实施例中，利用差分GPS技术，GPS模块通过与邻近标准基站的通信，获得当地误差修正量，修正后提高GPS信息的精准度。
步骤203，获取农业机器人的姿态角信息及航向信息，并将姿态角信息及航向信息传送至中央处理模块。
在一些实施例中，通过获取三轴加速度分量、磁场分量，即可通过算法计算出姿态角信息和航向信息。
步骤204，保持云台上的激光测距模块处于水平状态。
在一些实施例中，利用六轴传感器获得激光测距模块的姿态角信息，通过调整三轴云台的角度，使激光测距模块处于水平面上。
步骤205，获取农业机器人的电机转速信息及实际移动速度信息，并将电机转速信息及实际移动速度信息传送至中央处理模块。
在一些实施例中，测速轮上的测速编码器通过与电机上的测速编码器进行转速比较来判断农业机器人是否处于打滑状态，并采集实际移动速度信息。
步骤206，根据测距距离信息及定位信息，实时绘制作业区域的地图信息。
在一些实施例中，采用数据融合技术，把GPS坐标与农业机器人周围的作业环境进行结合，绘制作业区域地图。
步骤207，根据地图信息，进行路线规划。
在一些实施例中，在已有作业区域地图的基础上，优化作业路线。
步骤208，根据电机转速信息及实际移动速度信息，进行自主导航。
在一些实施例中，通过电机转速信息及实际移动速度信息的反馈，不断修正速度和航向，减少实际路线与规划路线之间的误差。
一种基于自主作业的农业机器人装置，包括移动支撑平台和所述基于自主作业的农业机器人系统和方法，所述移动支撑平台用于基于自主作业的农业机器人系统的安装、固定及移动。
在一些实施例中，基于自主作业的农业机器人系统的激光测距模块、定位模块、电机控制模块、云台、九轴传感器模块可安装在具有移动能力的移动支撑平台上。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于自主作业的农业机器人系统，其特征在于，包括：
激光测距模块，用于采集农业机器人与参考作业面的距离信息，并将距离信息传送至中央处理模块；
定位模块，用于对农业机器人自身的定位及定位校准，并将定位信息传送至中央处理模块；
电机控制模块，用于驱动电机、采集测速编码器信息，并将测速编码器信息传送至中央处理模块；
云台，用于保持激光测距模块处于水平状态、调整激光测距模块在水平面上的方向；
九轴传感器模块，用于采集农业机器人的姿态角及航向，并将姿态角信息及航向信息传送至中央处理模块；
中央处理模块，用于根据农业机器人与参考作业面的距离信息、定位信息和测速编码器信息，实时绘制所在作业区域的地图信息且进行路线规划，并通过调整电机转速和方向来达到自主导航的作用。
2.根据权利要求1所述的基于自主作业的农业机器人系统，其特征在于，所述激光测距模块包括激光发射器、激光接收器，激光发射器及激光接收器安装在云台上；所述激光发射器发射激光，所述激光接收器接收反射回激光，以获得距离信息。
3.根据权利要求1所述的基于自主作业的农业机器人系统，其特征在于，所述定位模块包括差分GPS基站、差分GPS接收机，所述差分GPS基站与差分GPS接收机通过433MHz进行通信；定位模块通过解析NMEA协议来获得经纬度、高度、时间等信息。
4.根据权利要求1所述的基于自主作业的农业机器人系统，其特征在于，所述电机控制模块包括电机驱动模块、测速编码器，测速编码器安装在电机上和测速轮上；测速轮上的测速编码器通过与电机上的测速编码器进行转速比较来判断农业机器人是否处于打滑状态，并采集实际移动速度信息。
5.根据权利要求1所述的基于自主作业的农业机器人系统，其特征在于，所述云台包括伺服电机、六轴传感器模块，伺服电机和六轴传感器模块安装在支架上。
6.根据权利要求1所述的基于自主作业的农业机器人系统，其特征在于，所述九轴传感器模块解析农业机器人姿态角，并利用姿态角进行航向信息的倾角补偿。
7.根据权利要求1所述的基于自主作业的农业机器人系统，其特征在于，所述中央处理模块接收距离信息、定位信息和测速编码器信息；中央处理模块通过信息融合技术，进行自主作业路线规划。
8.一种基于自主作业的农业机器人方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取农业机器人与参考作业面的距离信息，并将距离信息传送至中央处理模块；
获取农业机器人定位信息及校准定位，并将定位信息传送至中央处理模块；
获取农业机器人的姿态角信息及航向信息，并将姿态角信息及航向信息传送至中央处理模块；
保持云台上的激光测距模块处于水平状态；
获取农业机器人的电机转速信息及实际移动速度信息，并将电机转速信息及实际移动速度信息传送至中央处理模块；
根据测距距离信息及定位信息，实时绘制作业区域的地图信息；
根据地图信息，进行路线规划；
根据电机转速信息及实际移动速度信息，进行自主导航。
9.一种基于自主作业的农业机器人装置，其特征在于，包括移动支撑平台和权利要求1至8任一项所述的基于自主作业的农业机器人系统和方法，所述移动支撑平台用于基于自主作业的农业机器人系统的安装、固定及移动。
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