CN110587610A - 基于5g云调度系统的农场用独立悬架移动机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于5G云调度系统的农场用独立悬架移动机器人控制系统，包括设置在移动机器人车体上的驱动模块、启停模块、避障模块以及显示操纵模块，还包括：设置在移动机器人车体上用于行走定位精度的导航模块；与导航模块连接以用于完成移动机器人主要控制决策的上层控制器。相对于传统作业方式，本发明的整套系统的工作效率高，实时性好，极大的降低了工作人员的劳动强度和劳动力成本。另外采用GPS+陀螺仪+双目视觉复合导航方式导航，使用双目视觉确定路径上的图像信息特征，并根据已存储的路径信息，比对后确定移动机器人的位置信息作为GPS+陀螺仪组合导航的补充，有效拓展了组合导航信息融合方式，提高了行走定位精度和作业能力。

Description

基于5G云调度系统的农场用独立悬架移动机器人控制系统

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，具体为基于5G云调度系统的农场用独立悬架移动机器人控制系统。

背景技术

当前移动机器人涉及较多应用领域，尤其是在农场作业环境下，多个全地形独立悬架移动机器人使用时，需完成协调工作，构建一套调度系统，使得多台移动机器人协同作业时进行统一规划和调度，能够高效的配合完成较复杂的任务，以提高应用价值、推广市场和用户体验。在农场应用领域，采用基于5G云调度系统的农场用全地形独立悬架移动机器人控制系统完成移动机器人的多机协同作业，可以有效提高劳动效率，降低人力成本。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了基于5G云调度系统的农场用独立悬架移动机器人控制系统。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

基于5G云调度系统的农场用独立悬架移动机器人控制系统，包括设置在移动机器人车体上的驱动模块、启停模块、避障模块以及显示操纵模块，还包括：

设置在移动机器人车体上用于行走定位精度的导航模块；

与导航模块连接以用于完成移动机器人主要控制决策的上层控制器；

与驱动模块、启停模块、避障模块连接以用于完成移动机器人运动且与上层控制器进行串口通信的移动机器人运动控制器；

不设置在移动机器人车体上且与上层控制器通过无线通信连通以用于对多台移动机器人进行协调控制作业的调度系统，所述调度系统包括调度系统硬件和调度系统软件两部分。

进一步地，所述调度系统硬件包括用于实时监控移动机器人相关数据的手机端APP、与手机端APP无线连接的调度系统本体、与调度系统本体实时通信的车载端5G网络信号收发模块。

进一步地，所述手机端APP与调度系统本体之间通过通过5G网络信号收发模块连接。

进一步地，所述调度系统软件包括ROS调度系统软件核心、与ROS调度系统软件核心相连接的显示接口及数据指令输入接口、用于系统状态信息输出的数据输出接口、用于与移动机器人进行数据无线通信的数据无线通信接口。

进一步地，所述上层控制器与调度系统软件通过5G网络无线通信天线连接。

进一步地，所述导航模块包括设置在移动机器人车体上的陀螺仪、GPS传感器以及双目摄像头。

本发明的有益效果是：

相对于传统作业方式，本发明的整套系统的工作效率高，实时性好，极大的降低了工作人员的劳动强度和劳动力成本。另外采用GPS+陀螺仪+双目视觉复合导航方式导航，使用双目视觉确定路径上的图像信息特征，并根据已存储的路径信息，比对后确定移动机器人的位置信息作为GPS+陀螺仪组合导航的补充，有效拓展了组合导航信息融合方式，提高了行走定位精度和作业能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1为本发明整套系统的结构图；

图2为本发明的移动机器人外部俯视图；

图3为本发明的全移动机器人内部结构图；

图4为本发明的移动机器人前视图；

图5为本发明的调度系统软件基本结构图；

图6为本发明的调度系统软件的基本功能流程图；

图7为本发明的移动机器人导航基本控制策略图。

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，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。

如图1至图7所示，基于5G云调度系统的农场用独立悬架移动机器人控制系统，包括设置在移动机器人1-4车体上的驱动模块、启停模块、避障模块以及显示操纵模块，还包括：

设置在移动机器人1-4车体上用于行走定位精度的导航模块；

与导航模块连接以用于完成移动机器人1-4主要控制决策的上层控制器2-14；

与驱动模块、启停模块、避障模块连接以用于完成移动机器人1-4运动且与上层控制器2-14进行串口通信的移动机器人运动控制器2-12；

不设置在移动机器人1-4车体上且与上层控制器2-14通过无线通信连通以用于对多台移动机器人1-4进行协调控制作业的调度系统，所述调度系统包括调度系统硬件和调度系统软件两部分。

其中所述驱动模块包括设置在移动机器人1-4车体上的电机驱动器2-11、2-15、2-16、2-18，所述电机驱动器2-11、2-15、2-16、2-18移动机器人1-4的四轮电机的控制驱动器，用于控制四轮的基本运动，如前进、后退、转弯等。

所述启停模块包括设置在移动机器人1-4车体上的急停按钮2-3、启动按钮2-4、停止按钮2-8；其中所述急停按钮2-3用于意外情况下，手动紧急停止移动机器人；所述启动按钮2-4用于手动启动移动机器人；所述停止按钮2-8用于手动停止移动机器人。

所述避障模块包括设置在移动机器人1-4车体上的激光雷达2-6、遥控器天线2-7，所述激光雷达2-6是移动机器人的主要避障传感器，其功能是实时检测当前移动机器人前方是否有障碍物，并发指令给移动机器人；所述遥控器天线2-7用于无线遥控器对移动机器人的手动操作。

所述显示操纵模块包括设置在移动机器人1-4车体上的人机界面2-2、电源开关2-5、模式切换按钮2-9、电量显示器2-10；其中所述人机界面2-2用于移动机器人的状态数据显示，参数修改输入；所述所述电源开关2-5用于移动机器人1-4总电源的接通和断开；所述模式切换按钮2-9用于将移动机器人在正常工作模式和调试模式之间切换；所述电量显示器2-10用于实施显示移动机器人当前电池电量。

所述导航模块包括设置在移动机器人1-4车体上的陀螺仪2-13、GPS传感器2-17以及双目摄像头2-19；其中所述陀螺仪2-13用于移动机器人1-4的惯性导航及电子罗盘传感器以及用于移动机器人1-4导航过程中方位数据获取；所述GPS传感器2-17用于实时获取移动机器人GPS位置信息，并与陀螺仪2-13协作，共同完成移动机器人的导航功能；所述双目摄像头2-19用于移动机器人视觉信息的获取，完成机器人的视觉定位、现场环境监控等功能。

所述上层控制器2-14用于完成移动机器人1-4的主要控制决策，包括GPS+惯性导航数据融合算法、双目摄像头的图像处理相关算法、主要控制逻辑、数据分析、UI显示控制；另外，所述上层控制器2-14与调度系统软件之间通过5G网络无线通信天线2-1连接，以实两者之间的无线通信。

所述移动机器人运动控制器2-12分别与电机驱动器2-11、2-15、2-16、2-18连接以完成对移动机器人1-4的四轮运动控制、包括四轮的前进、后退、原地自转、左右转弯等动作；与激光雷达2-6连接以对其的避障信息进行实时处理，完成移动机器人1-4的避障功能；与上层控制器2-14之间进行串口通信，将移动机器人1-4的相关数据实时发送给上层控制器2-14。

所述移动机器人运动控制器2-12还通过设置在移动机器人1-4车体上的遥控器天线2-7用来接收遥控器的传输数据，以完成移动机器人1-4的遥控功能；以及接收按钮状态值，完成移动机器人1-4的启动、停止、急停等相关功能。

所述调度系统是一台独立的控制器，不安装在车体上，主要用于整套移动机器人作业系统的调度与控制，可以协调并控制多台移动机器人的作业。

其中所述调度系统硬件包括用于实时监控移动机器人1-4相关数据的手机端APP1-2、与手机端APP1-2无线连接的调度系统本体1-1、与调度系统本体1-1实时通信的车载端5G网络信号收发模块1-5。

其中所述手机端APP1-2与调度系统本体1-1之间通过通过5G网络信号收发模块1-3连接。

所述调度系统本体1-1主要由基本的显示器、键盘、鼠标、ROS控制器、无线收发模块构成。操作人员可以通过键盘输入相应指令，通过鼠标对系统进行相应操作。相关数据以及各台移动机器人状态信息通过显示器进行实时显示。

整套系统由数台移动机器人1-4构成，其中每一台移动机器人1-4上都有独立的车载端5G网络信号收发模块1-5，通过车载端5G网络信号收发模块1-5与调度系统本体1-1进行实时通信，上传当前移动机器人主要数据，并接收调度系统本体1-1的指令。

所述调度系统软件包括ROS调度系统软件核心5-1、与ROS调度系统软件核心5-1相连接的显示接口5-2及数据指令输入接口5-3、用于系统状态信息输出的数据输出接口5-4、用于与移动机器人1-4进行数据无线通信的数据无线通信接口5-5。

所述ROS调度系统软件核心5-1是一个独立的控制器，其运行在linux平台,基于ROS机器人开源操作系统，运算核心是ROS机器人开源操作系统，并在其基础上增加了相应的功能。

所述显示接口5-2使用常见的显示器，可以实时显示当前系统的运行状态。

通过数据指令输入接口5-3，操作人员可以将指令输入到ROS调度系统软件核心5-1内，并完成相应的工作。

所述数据输出口5-4可以将整个系统状态信息输出，可以输出到局域网内，或者输出给打印机，获取离线的数据。

所述数据无线输出接口5-5可以将调度系统与系统内的各台移动机器人1-4进行数据无线通信。

如图6所示，对本发明中的调度系统软件的基本工作流程进行阐述。

首先，启动调度系统软件及各台移动机器人。

第二步，检查各台移动机器人状态是否异常，如果有异常，则调度系统会报警并显示当前问题，如果没有则继续下一步。

第三步，调度系统向各台移动机器人发送工作任务，此时分为两个分支工作并行运行。

分支工作1，移动机器人1-4向调度系统发送实时位置/姿态信息，接着调度系统比对当前各台移动机器人1-4位置姿态等数据是否正确，如果否则检测位置姿态信息是否超过安全阈值并采取相应措施，如果否则继续任务。

分支工作2，调度系统向各台移动机器人1-4发送当前工作，调度系统对比当前各台移动机器人1-4工作任务是否完成，如果否，报警并采取相应措施及控制策略，协调任务工作；如果是，则继续任务。

如图7所示，进一步说明本发明中的移动机器人导航基本控制策略。

移动机器人1-4室外工作的基础就是导航功能，导航控制策略是其他功能是否顺利完成的最基本的前提条件。

室外导航主要分为两个部分，一部分由GPS+陀螺仪导航构成，另一部分是由双目摄像头完成路径导航功能。移动机器人1-4启动，GPS+陀螺仪以及双目摄像头2-19分布进入工作状态。

首先是GPS+陀螺仪导航部分：第一步，对GPS路径数据进行采样分析，同时对陀螺仪2-13数据进行采样分析；第二步，将数据从WGS84坐标系转换到东北天坐标系下；第三部，获得移动机器人当前的位置姿态值。

接着是双目摄像头2-19分布进入工作状态：第一步，双目摄像头2-19数据采样分析；第二步，提取路径上的图像特征信息值；第三部，与已经生成的路径图像特征信息进行比对，获取当前移动机器人1-4的图像位置信息值。

最后对获取到的GPS+陀螺仪导航数据与双目摄像头2-19数据进行加权处理，获取移动机器人1-4在已经生成的路径中的偏移量，最终获得纠正后的航向信息。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.基于5G云调度系统的农场用独立悬架移动机器人控制系统，包括设置在移动机器人(1-4)车体上的驱动模块、启停模块、避障模块以及显示操纵模块，其特征在于：还包括：

设置在移动机器人(1-4)车体上用于行走定位精度的导航模块；

与导航模块连接以用于完成移动机器人(1-4)主要控制决策的上层控制器(2-14)；

与驱动模块、启停模块、避障模块连接以用于完成移动机器人(1-4)运动且与上层控制器(2-14)进行串口通信的移动机器人运动控制器(2-12)；

不设置在移动机器人(1-4)车体上且与上层控制器(2-14)通过无线通信连通以用于对多台移动机器人(1-4)进行协调控制作业的调度系统，所述调度系统包括调度系统硬件和调度系统软件两部分。

2.根据权利要求1所述的基于5G云调度系统的农场用独立悬架移动机器人控制系统，其特征在于：所述调度系统硬件包括用于实时监控移动机器人(1-4)相关数据的手机端APP(1-2)、与手机端APP(1-2)无线连接的调度系统本体(1-1)、与调度系统本体(1-1)实时通信的车载端5G网络信号收发模块(1-5)。

3.根据权利要求2所述的基于5G云调度系统的农场用独立悬架移动机器人控制系统，其特征在于：所述手机端APP(1-2)与调度系统本体(1-1)之间通过通过5G网络信号收发模块(1-3)连接。

4.根据权利要求1所述的基于5G云调度系统的农场用独立悬架移动机器人控制系统，其特征在于：所述调度系统软件包括ROS调度系统软件核心(5-1)、与ROS调度系统软件核心(5-1)相连接的显示接口(5-2)及数据指令输入接口(5-3)、用于系统状态信息输出的数据输出接口(5-4)、用于与移动机器人(1-4)进行数据无线通信的数据无线通信接口(5-5)。

5.根据权利要求1所述的基于5G云调度系统的农场用独立悬架移动机器人控制系统，其特征在于：所述上层控制器(2-14)与调度系统软件通过5G网络无线通信天线(2-1)连接。

6.根据权利要求1所述的基于5G云调度系统的农场用独立悬架移动机器人控制系统，其特征在于：所述导航模块包括设置在移动机器人(1-4)车体上的陀螺仪(2-13)、GPS传感器(2-17)以及双目摄像头(2-19)。