CN108202325A - 自主作业林业机器人智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主作业林业机器人智能控制系统，应用于林业装备智能化技术领域，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。将复杂的任务调度和控制算法等在中央控制计算机中实现，而较简单和实时性要求高的控制算法在运动控制模块和电机驱动模块中实现，保证了系统的整体处理能力和实时性。对运动控制模块等采取了冗余设计，提高了系统可靠性。可满足自主作业型林业机器人智能决策和环境建模的任务需求，具有数据处理能力强、智能化和可靠性高的特点，提高了传统林业机器人控制系统的智能化程度。

Description

自主作业林业机器人智能控制系统

技术领域

本发明涉及一种林业机器人控制技术，尤其涉及一种自主作业林业机器人智能控制系统。

背景技术

自主作业林业机器人的研究其作业环境信息检测、提高林业生产效率、减轻林业工人劳动强度和提高工作安全等方面都有很重要的作用。目前林业机器人朝着智能化方向发展，林业机器人需要在林区未知动态环境中进行动态三维环境建模、运动控制和路径规划等复杂任务，所需信息需要从多种传感器得来，同时需要配备高性能、高可靠和较低功耗的计算机系统完成复杂的环境建模和协调控制算法。

现有技术中的林业机器人控制系统内安装的传感器较少、微型计算机的处理能力较低，造成机器人的智能化、自主程度和可靠性较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有较高智能化程度和数据处理能力的自主作业林业机器人智能控制系统，能满足林业机器人复杂实时控制任务、林区作业环境建模的需求和林区作业环境下系统可靠性要求。

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智能控制系统，其特征在于，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通过软件完成自主作业型林业机器人的整体任务调度、控制策略规划、人机通讯、视觉信息处理和林区作业环境建模功能，同时采集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的运动状态信息并实时显示到液晶显示器上；

所述运动控制模块包括两块冗余备份的主控板，所述主控板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；

所述电机驱动模块包括云台电机控制模块和四个直流有刷电机运动控制模块，四个直流有刷电机运动控制模块分别接收机器人四个驱动轮上的绝对式光电编码器的电机转动角速度和角位移反馈信号，完成直流有刷电机的电流驱动、位置环控制、速度环控制和电流环控制，同时具有电机的过流保护功能，并为机器人全局和局部定位提供信息，所述云台电机控制模块完成两自由度云台在水平面和垂直面的转动控制；

所述导航定位模块包括三个加速度传感器、一个磁场传感器、三个角速度传感器和一个GPS 模块，三个加速度传感器采集机器人的三维运动加速度，进而计算得到机器人的俯仰角和滚动角，磁场传感器采集和计算得到机器人的航向角度，三个角速度传感器采集机器人的运动过程中的俯仰角速度、滚动角速度、航向角速度，所述GPS 模块根据三个加速度传感器、一个磁场传感器和三个角速度传感器的采集数据获得机器人全局定位数据；

所述激光测量模块包括两自由度云台、二维激光测量系统，所述两自由度云台能完成水平面360 度旋转和垂直105 度的转动，二维激光测量系统放置在两自由度云台上，融合双目视觉模块的处理数据完成林区林木和地形动态三维地图的构建；

所述双目视觉模块完成机器人运动作业过程中林区作业环境彩色图像的采集和处理，并融合激光扫描模块的数据完成林区林木和地形的实时三维构建；

所述电源模块包括锰酸锂电池、DC 变换模块和保护模块，所述锰酸锂电池容量为40安时，输出电压为直流+36V，为机器人供电，所述DC 变换模块的输入接锰酸锂电池，输出为直流+24V、直流+12V、直流+5V、ATX 标准电压，为机器人上的各电机、电路和传感器供电，所述保护模块为系统提供过流和限流保护；

所述无线通信模块包括433MHz 的数传电台和天线，完成机器人与人工操作员的人机交互；

所述CAN 通信总线包括两个CAN 总线控制器、两个CAN 总线收发器、两条CAN 总线

线缆，整体具有双冗余备份的架构，完成中央控制计算机、运动控制模块、电机驱动模块之

间的通信。

所述中央控制计算机、运动控制模块、电机驱动模块之间通过双冗余的CAN 总线连接，所述导航定位模块与中央控制计算机之间通过RS232 接口连接，所述双目视觉模块与中央控制计算机之间通过IEEE1394 接口连接，所述激光测量模块与中央控制计算机之间通过RS422 接口连接。

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智能控制系统，充分利用了分布式控制系统设计的方法，将复杂的任务调度、路径规划、控制决策、视觉信息处理和林区作业环境建模等功能在中央控制计算机中实现，而较简单和实时性要求高的运动控制算法和电机闭环控制在运动控制模块和电机驱动模块中实现，提高了机器人控制系统的整体处理能力和实时性，可满足机器人的自主运动和林业建模等复杂任务的需求。同时对运动控制模块和CAN 通信模块采取了冗余容错设计，提高了机器人运动控制和通信的可靠性。同时安装了加速度传感器、磁场传感器和GPS、激光测量等多种传感器和测量设备、增强了林业机器人运动定位、环境建模和智能决策的能力，克服了传统林业机器人控制系统智能化程度较低缺点。

附图说明

图1 为本发明自主作业林业机器人智能控制系统的整体硬件设计框图；

图2 为本发明中运动控制模块结构框图；

图3 为本发明中主控板结构框图；

图4 为本发明中主控板状态转移图；

图5 为本发明中电源模块结构图。

具体实施方式

本发明的自主作业林业机器人智能控制系统，其较佳的具体实施方式如图1 至图5 所示：

在图1 中，每个方框表示一个功能单元，林业自主作业机器人控制系统按其功能划分为：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、运动控制模块、电源模块安装在工控机箱中，各输入输出电接口使用插接件安装在机箱外表面的一侧，方便调试和拆解。导航定位模块安装在机器人中部，同时与铁材料和电机隔离，防止产生磁场干扰，与中央控制计算机之间通过RS232 接口连接，通信频率为19200bps ；激光测量模块安装在机器人顶层前部的云台上，与中央控制计算机之间通过RS422 接口连接，通信频率为500kbps ；双目视觉模块通过支架安装在机器人顶层前部，与中央控制计算机之间通过IEEE1394 接口连接；无线通讯模块采用433mhz 通信频率，外接天线安装在机器人顶部，中央控制计算机之间通过RS232 接口连接，通信频率为38400bps。电机驱动模块安装在各个驱动电机和云台电机附近，与中央控制计算机和运动控制模块之间采用CAN 总线连接。

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2 中，运动控制模块的核心是主控板甲和主控板乙，两个主控板采用完全相同的原理设计，互为备份，可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，。主控板单板的设计原理框图如图3 所示。主要组成和功能如下：

主处理器采用32 位ARM 处理器( 本发明选型为AT91SAM7A3 芯片，但不限于该型片)，其上运行实时操作系统( 本发明选型为uCOS-II 实时操作系统，但不限于该型片)，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；

ARM 主处理器片内具备256K Byte Flash 存储器，用作软件的程序存储区域；

ARM 主处理器片内具备64KB Byte SRAM 存储器，用做软件的程序运行区；

ARM 主处理器片内具备一路CAN 控制器，兼容CAN2.0A/B 协议，其输出接CAN 驱动

器82C250。作用与中央控制计算机和运动驱动模块的通信总线；

ARM 主处理器片内的异步串行通信控制器USART0，其输出接RS232 驱动芯片MAX233作为RS232 接口0，作为与中央控制计算机的备用通信线；

ARM 主处理器片内的异步串行通信控制器USART1，其输出接RS233 驱动芯片MAX233作为RS232 接口1，作为与备板间的双机通信线；

ARM 主处理器片内的一路输入接口PB12，接收备板的心跳信号，一路输出接口PB13，发送本机的心跳信号给备板；

ARM 主处理器片内的四路输出接口PB0-PB3，接LED 指示灯，显示本机的工作状态；

主控板的电源利用LM1117-33 和LM1117-50 进行区域供电和限流；

复位和看门狗电路可人工或狗咬信号进行系统复位；

JTAG 接口为调试接口。

运动控制模块中的接口板为主控板甲和主控板乙提供总线联接及相互联接，便于调试、维修及功能扩充。同时接口板提供了主备机当班权切换逻辑( 采用CPLD 芯片内实现) 和过流检测功能( 采用LM139 芯片) 等，可由自主和外部人工指令进行两个主控板的主备当班权切换和开关电源，以实现双机冗余，并且便于调试和紧急关机。

主控板甲和主控板乙采用双机热备份的冗余容错方式，其状态转换逻辑如图4 所

示。分为断电、启动、工作三个阶段：

断电阶段，主控板甲和乙都无电；

在启动阶段，系统加电，接口板首先将主控板甲加电，主控板乙不加电；主控板甲进行系统自检，如果没自检问题，将主控板甲设为主机，此时接口板再将主控板乙加电，主控板乙设置为备机；如主控板甲自检不通过，则接口板将主控板乙加电，进行自检，并设计为主控板乙主机，主控板乙设置为备机；如两个主控板自检都不通过，则接口板发出报警提示。

在工作阶段，在主机出现故障时，由电源和仲裁板硬件并结合软件进行主备机切换或外部人工指令进行主备机切换。备机可以通过心跳信号、RS232 接口或CAN 总线监控主机工作状态，如果主机出现故障，则备机强权成为备机，同时在运行阶段，主板通过程序和看门狗定时监测进行自监控，如发现自身故障，也具备主动让权给备机的功能。

电机驱动模块内四个直流有刷电机运动控制模块。四个直流有刷电机运动控制模块分别接收四个驱动轮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 处理器位置环、速度环和电流环的PID 驱动，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。云台控制模块主要云台内部电机的电流驱动、角度控制和定位。

导航定位模块内部包括三个加速度传感器、一个磁场传感器、三个角速度传感器和一个GPS 模块构成。三个加速度传感器采集机器人的三维运动加速度，结合重力加速度，进而计算得到机器人的俯仰角和滚动角。磁场传感器采集和计算得到机器人的航向角度。

三个角速度传感器采集机器人在运动过程中的俯仰角速度、滚动角速度、航向角速度，同时

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，导航定位模块内的数据采用DSP 处理器完成数据的融合和计算。

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。同时与双目视觉模块配合进一步得到完整的林区林木和地形三维信息模型，从而为机器人的自主运动、林业生产作业和作业环境信息检测提供有效的数据。

图5 中，电源模块的锰酸锂电池输出电压为直流+36V，容量为40 安时，最大电流100 安，其输出一部分接电机驱动模块内的四个直流有刷电机运动控制模块，为其提供电流；锰酸锂电池另一部输出接到DC 转换模块，DC 转换模块将直流+36V 输入分别转换为直流+24V、直流+12V、直流+5V 电压、ATX 标准电压。其中直流+24V 的输出最大功率为200瓦，主要给云台控制模块和激光测量模块供电。直流+12V 输出功率为100 瓦，主要为双目

视觉模块和供电，直流+12V 输出功率为50 瓦，主要为运动控制模块等供电，ATX 标准电压输出最大为200 瓦，为中央控制计算机供电。在锰酸锂电池输出端使用限流电阻进行保护，并采用大功率继电器对锰酸锂电池输出的电源进行开关控制，开关电控制可通过外部人工遥控或手动进行。

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，天线安装在机器人顶部，实时给人工操作员返回机器人状态数据，同时接收人工操作

员的指令。

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 (2)

1.一种自主作业林业机器人智能控制系统，其特征在于，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通过软件完成自主作业型林业机器人的整体任务调度、控制策略规划、人机通讯、视觉信息处理和林区作业环境建模功能，同时采集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的运动状态信息并实时显示到液晶显示器上；

所述运动控制模块包括两块冗余备份的主控板，所述主控板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；

所述电机驱动模块包括云台电机控制模块和四个直流有刷电机运动控制模块，四个直流有刷电机运动控制模块分别接收机器人四个驱动轮上的绝对式光电编码器的电机转动角速度和角位移反馈信号，完成直流有刷电机的电流驱动、位置环控制、速度环控制和电流环控制，同时具有电机的过流保护功能，并为机器人全局和局部定位提供信息，所述云台电机控制模块完成两自由度云台在水平面和垂直面的转动控制；

所述导航定位模块包括三个加速度传感器、一个磁场传感器、三个角速度传感器和一

个GPS 模块，三个加速度传感器采集机器人的三维运动加速度，进而计算得到机器人的俯

仰角和滚动角，磁场传感器采集和计算得到机器人的航向角度，三个角速度传感器采集机

器人的运动过程中的俯仰角速度、滚动角速度、航向角速度，所述GPS 模块根据三个加速度传感器、一个磁场传感器和三个角速度传感器的采集数据获得机器人全局定位数据；

所述激光测量模块包括两自由度云台、二维激光测量系统，所述两自由度云台能完成水平面360 度旋转和垂直105 度的转动，二维激光测量系统放置在两自由度云台上，融合双目视觉模块的处理数据完成林区林木和地形动态三维地图的构建；

所述双目视觉模块完成机器人运动作业过程中林区作业环境彩色图像的采集和处理，

并融合激光扫描模块的数据完成林区林木和地形的实时三维构建；

所述电源模块包括锰酸锂电池、DC 变换模块和保护模块，所述锰酸锂电池容量为40安时，输出电压为直流+36V，为机器人供电，所述DC 变换模块的输入接锰酸锂电池，输出为直流+24V、直流+12V、直流+5V、ATX 标准电压，为机器人上的各电机、电路和传感器供电，所述保护模块为系统提供过流和限流保护；

所述无线通信模块包括433MHz 的数传电台和天线，完成机器人与人工操作员的人机交互；

所述CAN 通信总线包括两个CAN 总线控制器、两个CAN 总线收发器、两条CAN 总线线缆，整体具有双冗余备份的架构，完成中央控制计算机、运动控制模块、电机驱动模块之间的通信。

2.根据权利要求1 所述的自主作业型林业机器人智能控制系统，其特征在于，所述中央控制计算机、运动控制模块、电机驱动模块之间通过双冗余的CAN 总线连接，所述导航定位模块与中央控制计算机之间通过RS232 接口连接，所述双目视觉模块与中央控制计算机之间通过IEEE1394 接口连接，所述激光测量模块与中央控制计算机之间通过RS422 接口连接。