CN109964629B - 一种基于英伟达开发板的智能水草清理机器人及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于英伟达开发板的智能水草清理机器人，其中，机器人铝合金支架两侧并排设置有浮箱，并在位于浮箱上方的机器人铝合金支架上设置有与明轮驱动电机主动轴连接的明轮传动轴，明轮安装在明轮传动轴上；控制箱箱体设置在机器人铝合金支架后端，总控制器设置在控制箱箱体上；在机器人铝合金支架前端设置有CCD摄像头与切割装置，切割装置传动轴一端安装有切割装置往复式刀片，切割装置传动轴中部通过切割装置固定架固定在机器人铝合金支架上，切割装置传动轴另一端与切割装置电机连接；机器人按照预定路径航行有效提高清理漂浮物的效率；同时通过商用WiFi通讯模块与岸边服务器进行数据通讯，以实时监控机器人状况，实时性强。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于英伟达开发板的智能水草清理机器人及控制方法。
背景技术
在中国共有七大水系，其中有42％的水质超过了3类标准(不能做饮用水源)，目前全国一共约有36％的城市河段为劣5类水质，进而丧失了河道的基本使用功能。然而现有的大型淡水湖泊(水库)和城市湖泊一般水质普遍较差，大概有75％以上的湖泊具有富营养化加剧的现象，富营养化现象的原因主要由氮、磷污染引起，其中水草污染是在水污染中最难以防治的一类。因此，用于水草清理的智能机器人具有重要的实用价值，智能水草清理机器人导航控制系统中，机器人的路径跟踪控制与机器人速度控制方法是其中的关键环节，能否控制机器人按照预定路径航行将直接地影响到水草清理的效率。
目前已公开有用于控制机器人的自动导航路径跟踪方法，如专利申请号为201610095261.5的“一种水产养殖作业船自动导航路径跟踪方法”，其未设置视觉系统，对水面状况监视少；专利申请号为201710576344.0的“一种基于树莓派的智能混动水面清理和水质监测装置及方法”，其图像识别方法需远程服务器处理后再给机器控制指令，耗时高，实时性不强，均存在不足。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于英伟达开发板的智能水草清理机器人及控制方法，以解决上述背景技术中的缺点。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
一种基于英伟达开发板的智能水草清理机器人，包括控制箱箱体、浮箱顶板、明轮、CCD摄像头、明轮驱动电机、总控制器、机器人铝合金支架及切割装置，其中，机器人铝合金支架两侧并排设置有浮箱，并在位于浮箱上方的机器人铝合金支架上设置有与明轮驱动电机主动轴连接的明轮传动轴，明轮安装在明轮传动轴上；控制箱箱体设置在机器人铝合金支架后端，采用英伟达开发板的总控制器设置在控制箱箱体上，总控制器内设置有用于控制电机转速与智能水草清理机器人位置的控制系统；机器人铝合金支架前端设置有CCD摄像头与用于切割漂浮物的切割装置，切割装置传动轴一端安装有切割装置往复式刀片，切割装置传动轴中部通过切割装置固定架固定在机器人铝合金支架上，切割装置传动轴另一端与切割装置电机连接；且CCD摄像头、明轮驱动电机、切割装置电机分别与总控制器连接。
在本发明中，英伟达开发板上设置有机器人视觉模块、GPS定位模块及IMU惯性导航模块，IMU惯性导航模块用于实时获取机器人航向和加速度等信息，为总控制器提供导航信息，GPS定位模块用于实时获取机器人位置信息，机器视觉模块用于实时检测水面水草以及漂浮物种类，并将标记出来，为总控制器提供水草位置图像信息，CCD摄像头通过图像传输数据线与机器人视觉模块连接。
在本发明中，明轮驱动电机主动轴与明轮驱动电机减速器连接，明轮驱动电机减速器与联轴器连接，联轴器通过主链条与明轮传动轴连接。
在本发明中，机器人铝合金支架设置有两个明轮驱动电机，分别用于驱动机器人铝合金支架两侧的明轮。
在本发明中，英伟达开发板上设置有电机驱动板，用于对明轮驱动电机发送和接收速度控制信号，直接驱动明轮驱动电机转速。
在本发明中，总控制器内设置有商用WiFi通讯模块，用于机器人与岸边服务器进行数据通讯。
在本发明中，控制箱箱体上设置有蓄电池，蓄电池与总控制器连接。
在本发明中，在机器人铝合金支架下方安装有用于收集漂浮物的收集网。
基于英伟达开发板的智能水草清理机器人控制方法，具体步骤如下：
使用时，通过总控制器将CCD摄像头与明轮驱动电机开启，CCD摄像头将采集的漂浮物图像传输至总控制器，总控制器通过分析CCD摄像头采集的漂浮物图像，配合GPS定位模块与IMU惯性导航模块，从而得到漂浮物的位置信息，并标记出漂浮物方位信息，为智能水草清理机器人前进速度与航向提供图像数据支撑，而后总控制器利用改进型A*算法规划出机器人行进路线，通过控制明轮驱动电机与明轮以实时调整智能水草清理机器人的行驶路线和行进速度，A*算法使用如下的估价函数：
F(n)＝G(n)+H(n)，其中，F(n)为从起始点移动到第n个节点的估价值；G(n)为从起始点沿着产生的路径移动到第n个节点的代价值；H(n)为启发函数，用于估计从第n个节点移动到目标点的代价值；使用Open表和Closed表，Open表用于存放已生成而未访问的节点，Closed表用于保存已经访问过的节点；
智能水草清理机器人运动时，智能水草清理机器人在笛卡尔坐标系下的速度V和角速度ω，经笛卡尔直角坐标系中的位置(x,y)由下式转换为广义坐标向量，公式如下：
式(1)～(3)中，k表示明轮转速转化为实际船速系数(0＜k＜1)，ω表示智能水草清理机器人左右旋转移动的角速度，r表示明轮半径，L表示智能水草清理机器人上两个明轮中心点的距离，ωL,ωR分别表示智能水草清理机器人左侧与右侧的明轮角速度，VL,VR分别表示智能水草清理机器人左侧与右侧的明轮线速度，a表示智能水草清理机器人相对偏移角度；
总控制器中设置有控制系统，用于控制电机转速与智能水草清理机器人位置，该控制系统由速度反馈回路和位置反馈回路两个独立反馈回路组成，使用时，先输入智能水草清理机器人标定出的漂浮物位置(x,y,a)、航向信息a、线速度V、左侧与右侧的明轮角速度ωL、ωR，按照规划路线进行速度与航向控制，给两侧明轮转速设置阈值，并将两侧明轮实际转速与设定值的变化量ΔωL、ΔωR输入至总控制器，总控制器分别对两侧的明轮驱动电机发出转速控制指令，利用PWM脉宽调制技术配合电机驱动板实现电机调压控制转速；
在明轮驱动电机上输入不同电压时，利用IMU惯性导航模块实时检测智能水草清理机器人的线速度，并将实时线速度输入至总控制器，与设定的阈值进行校核，若检测到误差则进入速度反馈调节循环环节；
若智能水草清理机器人速度控制效果正常，则进一步利用公式(1)计算位置信息，并与规划路线的位置坐标信息进行校核，若与规划路线吻合则结束，如果与规划路线有偏差，则将位置偏差反馈至总控制器，总控制器通过控制两侧的明轮转速间接修正智能水草清理机器人航向；
明轮驱动电机输入电压V(s)与明轮角速度ω(s)之间关系如下：
其中，J表示明轮转动惯量，B表示明轮转动粘滞阻力与明轮角速度比例系数，L表示电机电枢电感，R表示电机内阻，KT表示明轮转矩与电枢电流比例系数，KF表示反馈系数；
当CCD摄像头内无漂浮物，机器人视觉模块给总控制器发送无漂浮物信息，电机驱动板发送向右转向指令，直至CCD摄像头传输的图像有漂浮物并标记，此时智能水草清理机器人停止转向，朝漂浮物前进，待行进至标记位置时，总控制器开启切割装置电机，切割装置往复式刀片在切割装置电机驱动下对漂浮物进行切割。
有益效果：本发明中总控制器通过分析CCD摄像头采集的漂浮物图像，配合GPS定位模块与IMU惯性导航模块，从而得到漂浮物的位置信息，利用改进型A*算法规划出机器人行进路线，通过控制明轮驱动电机与明轮以实时调整智能水草清理机器人的行驶路线和行进速度，待行进至标记位置时，总控制器开启切割装置电机，切割装置往复式刀片在切割装置电机驱动下对漂浮物进行切割，从而控制机器人按照预定路径航行有效提高清理漂浮物的效率；同时通过商用WiFi通讯模块与岸边服务器进行数据通讯，以实时监控智能水草清理机器人各项指标及工作状况，耗时低，实时性强。
附图说明
图1为本发明的较佳实施例的结构示意图。
图2为本发明的较佳实施例的控制流程示意图。
图3为本发明的较佳实施例中智能水草清理机器人运动模型在坐标系XOY(笛卡尔坐标系)下示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图1～3的一种基于英伟达开发板的智能水草清理机器人，包括控制箱箱体1、主链条2、联轴器3、浮箱顶板4、明轮5、CCD摄像头6、明轮驱动电机减速器7、明轮驱动电机8、蓄电池9、总控制器10、明轮传动轴11、切割装置电机12、切割装置固定架13、切割装置传动轴14、切割装置往复式刀片15、机器人铝合金支架16、明轮驱动电机主动轴17，其中，机器人铝合金支架16两侧并排设置有浮箱，浮箱上设置有浮箱顶板4，并在位于浮箱上方的机器人铝合金支架16上设置有通过主链条2与联轴器3连接的明轮传动轴11，联轴器3与明轮驱动电机减速器7连接，明轮驱动电机8上设置有明轮驱动电机主动轴17，明轮驱动电机减速器7与明轮驱动电机主动轴17连接，明轮5安装在明轮传动轴11上；控制箱箱体1设置在机器人铝合金支架16后端，蓄电池9与总控制器10设置在控制箱箱体1上；在机器人铝合金支架16前端设置有CCD摄像头6与用于切割漂浮物的切割装置，切割装置传动轴14一端安装有切割装置往复式刀片15，切割装置传动轴14中部通过切割装置固定架13固定在机器人铝合金支架16上，切割装置传动轴14另一端与切割装置电机12连接；且CCD摄像头6、明轮驱动电机8、切割装置电机12分别与总控制器10连接，蓄电池9与总控制器10连接；同时在机器人铝合金支架16下方安装有用于收集漂浮物的收集网；
总控制器10采用英伟达开发板，用于机器人总控，英伟达开发板上设置有机器人视觉模块、GPS定位模块及IMU惯性导航模块，IMU惯性导航模块用于实时获取机器人航向和加速度等信息，为总控制器10提供导航信息，GPS定位模块用于实时获取机器人位置信息，机器视觉模块用于实时检测水面水草以及漂浮物种类，并将标记出来，为总控制器10提供水草位置图像信息，CCD摄像头6通过图像传输数据线与机器人视觉模块连接，总控制器10通过分析CCD摄像头6采集的漂浮物图像，配合GPS定位模块与IMU惯性导航模块，从而得到漂浮物的位置信息，利用改进型A*算法规划出机器人行进路线，通过控制明轮驱动电机8与明轮5以实时调整船体的行驶路线和行进速度。
在本实施例中，机器人铝合金支架16设置有两个明轮驱动电机8，分别用于驱动机器人铝合金支架16两侧的明轮5。
在本实施例中，英伟达开发板上设置有电机驱动板，用于对明轮驱动电机8发送和接收速度控制信号，直接驱动明轮驱动电机8转速。
在本实施例中，总控制器10内设置有商用WiFi通讯模块，用于机器人与岸边服务器进行数据通讯。
在本实施例中，使用时，通过总控制器10将CCD摄像头6与明轮驱动电机8开启，CCD摄像头6将采集的漂浮物图像传输至总控制器10，总控制器10通过分析CCD摄像头6采集的漂浮物图像，配合GPS定位模块与IMU惯性导航模块，从而得到漂浮物的位置信息，并标记出漂浮物方位信息，为智能水草清理机器人前进速度与航向提供图像数据支撑，而后利用改进型A*算法规划出机器人行进路线，通过控制明轮驱动电机8与明轮5以实时调整智能水草清理机器人的行驶路线和行进速度，A*算法使用如下的估价函数：
F(n)＝G(n)+H(n)，其中，F(n)为从起始点移动到第n个节点的估价值；G(n)为从起始点沿着产生的路径移动到第n个节点的代价值；H(n)为启发函数，用于估计从第n个节点移动到目标点的代价值；使用Open表和Closed表，Open表用于存放已生成而未访问的节点，Closed表用于保存已经访问过的节点；
智能水草清理机器人运动时，智能水草清理机器人在笛卡尔坐标系下的速度V和角速度ω，经笛卡尔直角坐标系中的位置(x,y)由下式转换为广义坐标向量，公式如下：
式(1)～(3)中，k表示明轮5转速转化为实际船速系数(0＜k＜1)，ω表示智能水草清理机器人左右旋转移动的角速度，r表示明轮5半径，L表示智能水草清理机器人上两个明轮5中心点的距离，ωL,ωR分别表示智能水草清理机器人左侧与右侧的明轮5角速度，VL,VR分别表示智能水草清理机器人左侧与右侧的明轮5线速度，a表示智能水草清理机器人相对偏移角度；
总控制器10中设置有控制系统，用于控制电机转速与智能水草清理机器人位置，该控制系统由速度反馈回路和位置反馈回路两个独立反馈回路组成，整个控制系统的流程如图2所示：
输入智能水草清理机器人标定出的漂浮物位置(x,y,a)、航向信息a、线速度V、左侧与右侧的明轮5角速度ωL、ωR，按照规划路线进行速度与航向控制，预先给两侧明轮5转速设置阈值，并将两侧明轮5实际转速与设定值的变化量ΔωL、ΔωR输入至总控制器10，总控制器10分别对两侧的明轮驱动电机8发出转速控制指令，利用PWM脉宽调制技术配合电机驱动板实现电机调压控制转速；
在明轮驱动电机8上输入不同电压时，利用IMU惯性导航模块实时检测智能水草清理机器人的线速度，并将实时线速度输入至总控制器10，与设定值进行校核，若检测到误差则进入速度反馈调节循环环节；
若智能水草清理机器人速度控制效果正常，则进一步利用公式(1)计算位置信息，并与规划路线的位置坐标信息进行校核，若与规划路线吻合则结束，如果与规划路线有偏差，则将位置偏差反馈至总控制器10，总控制器10通过控制两侧的明轮5不同转速间接修正智能水草清理机器人航向；
明轮驱动电机8输入电压V(s)与明轮5角速度ω(s)之间关系如下：
其中，J表示明轮转动惯量，B表示明轮转动粘滞阻力与明轮角速度比例系数，L表示电机电枢电感，R表示电机内阻，KT表示明轮转矩与电枢电流比例系数，KF表示反馈系数；
可根据实际需要建立增量式PID控制传递函数：
当CCD摄像头6内无漂浮物，机器人视觉模块给总控制器10发送无漂浮物信息，电机驱动板发送向右转向指令，直至CCD摄像头6传输的图像有漂浮物并标记，此时智能水草清理机器人停止转向，朝漂浮物前进，待行进至标记位置时，总控制器10开启切割装置电机12，切割装置往复式刀片15在切割装置电机12驱动下对漂浮物进行切割，并收集至收集网；同时可通过商用WiFi通讯模块与岸边服务器进行数据通讯，以实时监控智能水草清理机器人各项指标及工作状况。
Claims (7)
1.一种基于英伟达开发板的智能水草清理机器人，包括控制箱箱体、浮箱顶板、明轮、CCD摄像头、明轮驱动电机、总控制器、机器人铝合金支架及切割装置，其特征在于，机器人铝合金支架两侧并排设置有浮箱，并在位于浮箱上方的机器人铝合金支架上设置有与明轮驱动电机主动轴连接的明轮传动轴，明轮安装在明轮传动轴上；控制箱箱体设置在机器人铝合金支架后端，采用英伟达开发板的总控制器设置在控制箱箱体上，总控制器内设置有用于控制电机转速与智能水草清理机器人位置的控制系统，控制系统由速度反馈回路和位置反馈回路两个独立反馈回路组成；机器人铝合金支架前端设置有CCD摄像头与用于切割漂浮物的切割装置，切割装置传动轴一端安装有切割装置往复式刀片，切割装置传动轴中部通过切割装置固定架固定在机器人铝合金支架上，切割装置传动轴另一端与切割装置电机连接；且CCD摄像头、明轮驱动电机、切割装置电机分别与总控制器连接；
并在英伟达开发板上设置有机器人视觉模块、GPS定位模块及IMU惯性导航模块，CCD摄像头通过图像传输数据线与机器人视觉模块连接；
使用时，通过总控制器将CCD摄像头与明轮驱动电机开启，CCD摄像头将采集的漂浮物图像传输至总控制器，总控制器通过分析CCD摄像头采集的漂浮物图像，配合GPS定位模块与IMU惯性导航模块，从而得到漂浮物的位置信息，并标记出漂浮物方位信息，为智能水草清理机器人前进速度与航向提供图像数据支撑，而后总控制器利用改进型A*算法规划出智能水草清理机器人行进路线，通过控制明轮驱动电机与明轮以实时调整智能水草清理机器人的行驶路线和行进速度；智能水草清理机器人运动时，智能水草清理机器人在笛卡尔坐标系下的速度V和角速度ω，经笛卡尔直角坐标系中的位置(x,y)由下式转换为广义坐标向量，公式如下：
式(1)～(3)中，k表示明轮转速转化为实际船速系数(0＜k＜1)，ω表示智能水草清理机器人左右旋转移动的角速度，r表示明轮半径，L表示智能水草清理机器人上两个明轮中心点的距离，ωL,ωR分别表示智能水草清理机器人左侧与右侧的明轮角速度，VL,VR分别表示智能水草清理机器人左侧与右侧的明轮线速度，a表示智能水草清理机器人相对偏移角度；
控制系统由速度反馈回路和位置反馈回路两个独立反馈回路组成，使用时，先输入智能水草清理机器人标定出的漂浮物位置(x,y,a)、航向信息a、线速度V、左侧与右侧的明轮角速度ωL、ωR，再按照规划路线进行速度与航向控制，给两侧明轮转速设置阈值，并将两侧明轮实际转速与设定值的变化量ΔωL、ΔωR输入至总控制器，总控制器分别对两侧的明轮驱动电机发出转速控制指令，利用PWM脉宽调制技术配合电机驱动板实现电机调压控制转速；
在明轮驱动电机上输入不同电压时，利用IMU惯性导航模块实时检测智能水草清理机器人的线速度，并将实时线速度输入至总控制器，与设定的阈值进行校核，若检测到误差则进入速度反馈调节循环环节；
若智能水草清理机器人速度控制效果正常，则进一步利用公式(1)计算位置信息，并与规划路线的位置坐标信息进行校核，若与规划路线吻合则结束，如果与规划路线有偏差，则将位置偏差反馈至总控制器，总控制器通过控制两侧的明轮转速间接修正智能水草清理机器人航向；
明轮驱动电机输入电压V(s)与明轮角速度ω(s)之间关系如下：
其中，J表示明轮转动惯量，B表示明轮转动粘滞阻力与明轮角速度比例系数，L表示电机电枢电感，R表示电机内阻，KT表示明轮转矩与电枢电流比例系数，KF表示反馈系数；
当CCD摄像头内无漂浮物，机器人视觉模块给总控制器发送无漂浮物信息，电机驱动板向明轮驱动电机发送向右转向指令，直至CCD摄像头传输的图像有漂浮物并标记，此时智能水草清理机器人停止转向，朝漂浮物前进，待行进至标记位置时，总控制器开启切割装置电机，切割装置往复式刀片在切割装置电机驱动下对漂浮物进行切割。
2.根据权利要求1所述的一种基于英伟达开发板的智能水草清理机器人，其特征在于，明轮驱动电机主动轴与明轮驱动电机减速器连接，明轮驱动电机减速器与联轴器连接，联轴器通过主链条与明轮传动轴连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于英伟达开发板的智能水草清理机器人，其特征在于，机器人铝合金支架设置有两个明轮驱动电机。
4.根据权利要求1所述的一种基于英伟达开发板的智能水草清理机器人，其特征在于，英伟达开发板上设置有电机驱动板。
5.根据权利要求1所述的一种基于英伟达开发板的智能水草清理机器人，其特征在于，总控制器内设置有商用WiFi通讯模块。
6.根据权利要求1所述的一种基于英伟达开发板的智能水草清理机器人，其特征在于，控制箱箱体上设置有蓄电池，蓄电池与总控制器连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于英伟达开发板的智能水草清理机器人，其特征在于，在机器人铝合金支架下方安装有用于收集漂浮物的收集网。
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