CN109407668A - 一种农业机器人远程视频遥控系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种农业机器人远程视频遥控系统及控制方法，涉及农业智能化机械领域，该系统包括控制终端、视频采集模块、障碍探测模块、姿态测量模块、控制模块和数据传输模块；视频采集模块通过数据传输模块向控制终端传输实时视频画面；姿态测量模块和障碍探测模块将测得的机器姿态信息和障碍信息传输给控制模块；控制终端连接互联网向服务器发送控制命令，控制模块通过数据传输模块接收到控制命令后控制机器人的行走、转弯和作业动作；该方法通过传感器进行机器人遥控和行走状态采集，融合后由控制模块自动做出决策，能够在信号丢失时自动停车并鸣笛示意，使得操作人员能够快速找到机器人的位置，提高了机器人的行走安全性和智能化程度。
Description
技术领域
本发明属于机器人智能控制领域，涉及一种远程视频遥控系统及辅助遥控方法，尤其是涉及一种农业机器人的远程视频遥控系统及控制方法。
背景技术
针对农业大田作业，包括耕、种、管、收等，目前通常仍采用人工驾驶机械进行作业，机械化作业虽然大大提高了效率，但仍旧需要人坐在作业机械驾驶室，还具有一定的劳动强度。
遥控技术的应用进一步提高了农业作业机械的自动化及智能化水平，一种电动式山地果园单轨运输车，包括车载控制装置和手持遥控器，可通过手持遥控器控制单轨运输车的前进、后退、加速、减速和停车，从而实现在无人驾驶的情况下对单轨运输车的安全、灵活控制。然而目前普通遥控农田作业机械多在视距范围内进行操作，遥控距离较短。
目前，遥控命令的传输方式主要包括有线网络传输和无线网络传输，有线网络受制于线缆连接和长度，难以用于远距离复杂工况下的命令传输；无线网络主要利用ZigBee、WiFi、蓝牙、RF433和2G/3G/4G公网网络等传输数据，其中ZigBee、WiFi、蓝牙和RF433，传输距离较短，信号易受障碍物遮挡，在有遮挡的情况下，传输距离通常缩短为10米以内，并且还会影响数据传输的稳定性，仅适用于视距范围内短距离遥控作业，如中国专利CN104298165B公开的一种果园作业平台的PLC控制系统，遥控距离仅有10m；2G/3G/4G公网网络受障碍物遮挡影响较小，在有基站覆盖的情况下，传输距离可以不受限制，能够满足控制的实时性。
目前遥控农业机器人本身智能化程度较低，缺乏在遥控模式下对行车过程中各个具体状态参数的监测，如车辆的横滚角与俯仰角，并对不同状态信息融合处理采取不同措施，因此机器人一旦失去控制，容易发生危险。
发明内容
针对以上提出的现有农田作业机械存在的问题，本发明公开一种农业机器人的远程视频遥控系统及辅助遥控方法，通过多路传感器进行机器人遥控和行走状态采集，融合后由控制模块自动做出决策，无需操作人员的过多参与，能够在信号丢失时自动停车并鸣笛示意，使得操作人员能够快速找到机器人的位置，提高了农业机器人的行走安全性和智能化程度。
本发明是通过如下技术方案得以实现的：
一种农业机器人远程视频遥控系统，所述系统包括控制终端、视频采集模块、障碍探测模块、姿态测量模块、控制模块和数据传输模块。视频采集模块通过数据传输模块向控制终端传输实时视频画面；姿态测量模块和障碍探测模块将测得的机器姿态信息和障碍信息传输给控制模块；控制终端连接互联网向服务器发送控制命令，控制模块通过数据传输模块接收到控制命令后控制机器人的行走、转弯和作业等动作。
所述视频采集模块包括摄像头、摄像头云台和摄像头驱动单元，摄像头初始位置以一定角度向下倾斜固定在摄像头云台上，摄像头云台安装在机器人前部的顶部位置，控制模块通过控制摄像头云台上的电机实现摄像头360°转动。
所述障碍探测模块包括超声波传感器和红外传感器，超声波传感器和红外传感器根据实际车头的总长度，左右各留出10-30cm的空隙，然后以等间隔安装在机器人车头位置，红外传感器安装在超声波传感器下方，具体安装数量根据实际情况来定；车头前端两侧各安装1-2个超声波传感器。
所述姿态测量模块包括电子罗盘、陀螺仪和速度传感器，电子罗盘和陀螺仪安装在机器人底盘中间位置，速度传感器安装在施药机器人左右轮中轴处，其中电子罗盘测量施药机器人的航向角，陀螺仪测量机器人的俯仰角及横滚角，速度传感器测量机器人左右轮转速。
所述控制模块包括单片机系统、外围数字量输入输出电路和模拟量输入输出电路。
所述数据传输模块包括串口到公网网络无线传输单元、短距离直连无线传输单元及云端服务器，云端服务器安装有控制命令转发服务端及数据库；短距离直连无线接收单元可通过ZigBee、WiFi、RF433和蓝牙等无线传输协议其中的一种或几种组合进行数据传输；串口到公网网络无线传输单元与短距离直连无线接收单元可根据信号质量自动切换。
所述控制终端包括但不仅限于手机、平板电脑和计算机。
一种农业机器人远程视频辅助遥控方法，控制模块对机器人前端超声波传感器测量的障碍物距离求取平均值并划分距离范围，实时提醒操作人员：2m以内为近，自动停车；2m-4m范围内为稍远，调整机器人速度为0.4-0.6m/s；4m-6m范围内为远，调整机器人速度为1m/s；当航向角偏差在0-5°范围内时，机器人自动纠正偏差角度，速度保持不变；当航向角偏差大于5°时，机器人速度降低为0.4-0.6m/s，此时控制模块发出警告，让操作人员及时修正偏差；俯仰角与横滚角作为判断机器人是否遇到坡度与沟壑，当俯仰角超过10°，横滚角超过5°，此时减慢速度，提醒操作人员；如果由于网络问题机器人丢失信号无法连接控制终端，则自动停车，控制模块控制机器人上的喇叭等间隔鸣笛，同时控制模块会自动尝试重新连接控制终端，如果重新连接成功，会发送提醒信息到控制终端，提示操作人员可继续操作，鸣笛结束；如尝试5次以上仍不能连接控制终端，则持续鸣笛。
有益效果是：
1.遥控信号的传输可根据无线传输信号质量自动切换，不限制遥控距离，大大提高机器人的环境适用性，使得暴露在恶劣操作环境下的操作人员解放出来；可实现机器人行走状态采集，对多状态参数融合后由控制模块做出决策并进行辅助遥控操作，且能够在信号丢失时自动停车并鸣笛警示，提高了农业机器人的行走安全性和智能化程度。
2.通过多路传感器进行机器人遥控和行走状态采集，融合后由控制模块自动做出决策，无需操作人员的过多参与，能够在信号丢失时自动停车并鸣笛示意，使得操作人员能够快速找到机器人的位置，提高了农业机器人的行走安全性和智能化程度。
附图说明
图1是农业机器人远程视频遥控系统结构框图；
图2是以履带式施药机为例，各模块安装位置示意图；
图3是机器人头部前端的超声波传感器与第二红外传感器安装位置示意图；
附图标记如下：
1.控制箱 2.摄像头 3.云台 4.第一超声波传感器 5.驾驶室 6.药箱 7.施药架8.喷头 9.履带 10.速度传感器 11.姿态测量模块 12.第二超声波传感器 13.红外传感器
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
本发明公开一种农业机器人的远程视频遥控系统，所述系统包括控制终端、视频采集模块、障碍探测模块、姿态测量模块、控制模块和数据传输模块。
视频采集模块通过数据传输模块向控制终端传输实时视频画面；操作人员根据实时视频图像及状态信息，发送控制命令，控制施药机器人；姿态测量模块和障碍探测模块通过RS232串口或RS485串口或I2C总线或SPI总线或A/D转换其中任意一种或几种方式将测得的机器姿态信息和障碍信息传输给控制模块；控制终端连接互联网向服务器发送控制命令，控制模块通过数据传输模块接收到控制命令后控制机器人的行走、转弯和作业等动作。
所述视频采集模块包括摄像头2、云台3和摄像头驱动器，摄像头2初始位置与水平成20°-30°夹角向下倾斜固定在云台3上，使得操作人员可以查看机器人前方3-5m范围内的视频图像，摄像头云台3安装在机器人前部的顶部位置，控制模块通过控制云台3上的电机实现摄像头360°转动。
机器人通过履带9行走，机器人背部设置有驾驶室5和药箱6，药箱6后设置有施药架7，施药架7上设置有数个喷头8。
所述障碍探测模块包括第二超声波传感器12和红外传感器13，第二超声波传感器12及红外传感器13以一定间隔安装在机器人车头位置，第二超声波传感器12根据实际车头的总长度，左右各留出10-30cm的空隙，然后以等间距安装3-6个，红外传感器13以等间距或其他合适间距安装2-3个，安装在超声波传感器13下方，可最大限度进行避障；车头前端两侧各安装1-2个第一超声波传感器4。
所述姿态测量模块11包括电子罗盘、陀螺仪和速度传感器10，电子罗盘和陀螺仪安装在机器人底盘中间位置，速度传感器10安装在施药机器人左右轮中轴处，其中电子罗盘测量施药机器人的航向角，保持机器人直线行走；陀螺仪测量机器人的俯仰角及横滚角，转换为机器人的颠簸程度，反馈给控制终端，提醒操作人员；速度传感器10测量机器人左右轮转速，当速度大于设定值时，提醒操作人员。
所述控制模块包括单片机系统、外围数字量输入输出电路和模拟量输入输出电路，控制模块安装在机器人前部的控制箱1中。
所述数据传输模块包括串口到公网网络无线传输单元、短距离直连无线传输单元及云端服务器，云端服务器安装有控制命令转发服务端及数据库；短距离直连无线接收单元可通过ZigBee、WiFi、RF433和蓝牙等无线传输协议其中的一种或几种组合进行数据传输；串口到公网网络无线传输单元与短距离直连无线接收单元可根据信号质量自动切换。
当控制终端与机器人距离在10m以内时，采用短距离直连无线传输单元，即控制终端点对点连接机器人，可以节省因使用串口到公网网络无线传输单元产生的数据流量，当超过10m时，通过判断控制命令执行率，即命令执行次数与发送次数的比值，当执行效率在90％以上时，使用短距离直连无线传输单元，当执行效率小于90％时，切换到串口到公网网络无线传输单元；
单片机系统通过串口到公网网络无线传输单元，如2G/3G/4G公网网络，连接云端服务器接收控制终端发送的控制命令，同时障碍探测模块采集的障碍物距离信息和姿态测量模块11采集的航向角以及俯仰角、横滚角进行辅助遥控，输出控制信号给执行机构，并且距离信息，航向角及俯仰角信息每定时1s，在内存卡中存储一次，并以一定时间间隔上传到云端服务器；
所述控制终端包括但不仅限于手机、平板电脑和计算机。
一种农业机器人远程视频辅助遥控方法，其特征在于：机器人前方第二超声波传感器12以等间距安装四个，红外传感器13在每两个超声波传感器下方等间距安装一个为例，如图3所示，超声波传感器分为左中右三组，每组有两个，控制模块对两个传感器测量的障碍物距离求取平均值并划分距离范围，实时提醒操作人员，2m以内为近，对应机器人速度为0m/s；2m-4m范围内为稍远，对应机器人速度为0.4-0.6m/s；4m-6m范围内为远，对应机器人速度为1m/s；当航向角偏差在0-5度范围内时，机器人自动纠正偏差角度，速度保持不变，为1m/s；当航向角偏差大于5度时，机器人速度降低为0.4-0.6m/s，此时控制模块发出警告，让操作人员及时修正偏差，机器人可能遇到障碍也可能发生侧滑；俯仰角与横滚角作为判断机器人是否遇到坡度与沟壑，当俯仰角超过10°，横滚角超过5°时，此时减慢速度，提醒操作人员；如果由于网络问题机器人丢失信号无法连接控制终端，则自动停车，控制模块控制机器人上的喇叭间隔5秒鸣笛一次，随后控制模块会自动尝试重新连接控制终端，一旦连接上，会发送提醒信息到控制终端，提示操作人员可继续操作，鸣笛结束；如尝试5次以上仍不能连接控制终端，则每间隔1秒鸣笛一次。
上面以具体实施例予以说明本发明的结构与工作原理，本发明并不局限于以上实施例，根据上述的说明内容，凡在本发明精神与原则之上所作的任何修改、同等替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种农业机器人远程视频遥控系统，其特征在于，包括控制终端、视频采集模块、障碍探测模块、姿态测量模块、控制模块和数据传输模块；所述视频采集模块通过数据传输模块向控制终端传输实时视频画面；姿态测量模块和障碍探测模块将测得的机器姿态信息和障碍信息传输给控制模块；控制终端连接互联网向服务器发送控制命令，控制模块通过数据传输模块接收到控制命令后控制机器人的行走、转弯和作业动作。
2.根据权利要求1所述的农业机器人远程视频遥控系统，其特征在于，所述视频采集模块包括摄像头(2)、云台(3)和摄像头驱动器；摄像头(2)固定在云台(3)上，云台(3)安装在机器人前端的顶部，控制模块通过控制云台(3)上的电机实现摄像头(2)360°转动。
3.根据权利要求1所述的农业机器人远程视频遥控系统，其特征在于，所述障碍探测模块包括第二超声波传感器(12)和红外传感器(13)，第二超声波传感器(12)和红外传感器(13)置于机器人车头前端。
4.根据权利要求1所述的农业机器人远程视频遥控系统，其特征在于，所述姿态测量模块(11)包括电子罗盘、陀螺仪和速度传感器(10)，电子罗盘和陀螺仪安装在机器人底盘中间位置，速度传感器(10)安装在施药机器人左右轮中轴处，其中电子罗盘测量施药机器人的航向角，陀螺仪测量机器人的俯仰角及横滚角，速度传感器(10)测量机器人左右轮转速。
5.根据权利要求1所述的农业机器人远程视频遥控系统，其特征在于，所述控制模块包括单片机系统、外围数字量输入输出电路和模拟量输入输出电路。
6.根据权利要求1所述的农业机器人远程视频遥控系统，其特征在于，所述数据传输模块包括串口到公网网络无线传输单元、短距离直连无线传输单元及云端服务器，云端服务器安装有控制命令转发服务端及数据库；短距离直连无线接收单元通过ZigBee、WiFi、RF433或者蓝牙无线传输协议中的一种或几种组合进行数据传输；串口到公网网络无线传输单元与短距离直连无线接收单元可根据信号质量自动切换。
7.根据权利要求1所述的农业机器人远程视频遥控系统，其特征在于，所述控制终端包括手机、平板电脑或者计算机。
8.一种农业机器人远程视频辅助遥控方法，其特征在于，控制模块对机器人前端第二超声波传感器(12)测量的障碍物距离求取平均值并划分距离范围，实时提醒操作人员：2m以内为近，自动停车；2m-4m范围内为稍远，调整机器人速度为0.4-0.6m/s；4m-6m范围内为远，调整机器人速度为1m/s；当航向角偏差在0-5°范围内时，机器人自动纠正偏差角度，速度保持不变；当航向角偏差大于5°时，机器人速度降低为0.4-0.6m/s，此时控制模块发出警告，让操作人员及时修正偏差；俯仰角与横滚角作为判断机器人是否遇到坡度与沟壑，当俯仰角超过10°，横滚角超过5°，此时减慢速度，提醒操作人员；如果由于网络问题机器人丢失信号无法连接控制终端，则自动停车，控制模块控制机器人上的喇叭等间隔鸣笛，同时控制模块会自动尝试重新连接控制终端，如果重新连接成功，会发送提醒信息到控制终端，提示操作人员可继续操作，鸣笛结束；如尝试5次以上仍不能连接控制终端，则持续鸣笛。
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