CN113156943B - 一种高地隙垄间多功能移动平台结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高地隙垄间多功能移动平台结构及其控制方法，包括以辅助梁1、主梁7、支撑柱8、转接板15、底板17为核心的平台主体结构，所述平台主体结构上设有多个舵机、超声波模块、激光雷达模块12、控制系统集成模块14、视觉模块、减速电机等。所述舵机通过联轴器、转向轴和减速电机紧密连接，用于平台的转向及位姿调整；所述超声波模块对称固定在平台的四周，用于平台移动时的避障以及为平台位姿控制提供精确的距离数据；所述激光雷达模块固定于平台顶端，用于建立周围环境模型，使其在未知和复杂垄间环境下实现自主导航；所述视觉模块对称固定于平台两侧，用于检测垄上农作物的生长状况和病虫害程度。

Description

一种高地隙垄间多功能移动平台结构及其控制方法

技术领域

本发明适用于温室大棚等狭小封闭的农业场景。使用时，操作者可以控制舵机转动角度与减速电机转动速度来使本发明完成垄间移动、姿态调整、位置调整等动作。本发明可开发性强，操作者为其安装不同的作业机构，其可以完成多种农业任务。本发明属于农业机械自动化和机器人控制领域。

背景技术

随着我国温室大棚的面积不断增长，对适用于温室大棚的农业机械的需求也随之而来。传统的农业机械面临着机器体积大、质量大、需要特殊道路等难题，不易在温室大棚环境中作业。然而，市面上适用于温室大棚的农业机械也存在许多不足，例如功能单一、价格昂贵、自动化程度低等。

发明内容

基于上述现有技术的不足，本发明公开了一种方便、灵活且可以控制舵机与减速电机使其在垄间移动的高地隙垄间多功能移动平台结构及其控制方法。

本发明的技术方案包括：一种高地隙垄间多功能移动平台结构，包括平台主体结构，平台主体结构包括辅助梁(1)、主梁(7)、支撑柱(8)、转接板(15)、底板(17)；

两根平行设置的支撑柱(8)构成多功能移动平台结构的一腿，前后各两个腿，共八根支撑柱(8)；所述辅助梁(1)设置在前后支撑柱(8)之间的上部；支撑柱(8)的顶端为主梁(7)，前后两根主梁(7)之间的上方设置有转接板(15)，支撑柱(8)的下方设置有底板(17)，底板(17)的下端设有四个轮胎(11)；

所述平台主体结构上还设有舵机(2)、上联轴器(3)、超声波支架固定板(4)、超声波模块(5)、超声波支架(6)、转向轴(9)、下联轴器(10)、减速电机(18)和电机固定支架(19)；所述平台主体结构上安装有四个舵机(2)，均依次通过上联轴器(3)、转向轴(9)、下联轴器(10)以及电机固定支架(19)与减速电机(18)连接，从而实现平台主体结构的转向和平台主体结构的位姿调整；所述超声波支架(6)固定在底板(17)上，超声波支架(6)上设有超声波模块(5)，并通过超声波支架固定板(4)固定；

所述转接板(15)上方设置有控制系统集成模块(14)，所述控制系统集成模块(14)通过转接板(15)紧密固定在平台主体结构顶部，控制系统集成模块(14)包括嵌入式处理器、电池、电机驱动器和多传感器集成模块，用于快速解算各传感器返回的数据，从而精准控制平台移动与作业；控制系统集成模块(14)前后两侧对称固定有视觉模块(16)，在平台移动过程中获取垄背上农作物信息，为后续作业提供准确数据；控制系统集成模块(14)顶端通过激光雷达模块支架(13)固定有激光雷达模块(12)，用于建立周围环境模型，使其在未知和复杂垄间环境下实现自主导航，同时能够保障平台在运行过程中检测高处的障碍物。

进一步，所述辅助梁(1)、超声波支架固定板(4)、超声波支架(6)、主梁(7)、支撑柱(8)、激光雷达模块支架(13)、转接板(15)、底板(17)和电机固定支架(19)，均为铝质材料；其中，辅助梁(1)、主梁(7)和支撑柱(8)均为标准件铝型材；铝型材的凹槽结构还作为电源线和信号线的布线通道。所述上联轴器(3)、转向轴(9)和下联轴器(10)均采用钢质材料。

进一步，所述主梁(7)和底板(17)上均预留有安装孔，用于安装一个或多个模块化作业机构来完成不同的任务。

进一步，所述安装孔用于平台安装机械臂和储藏箱，完成在垄间采摘并储存农作物的任务；或者安装孔用于平台安装除草机构，完成在垄间除草的任务；或者安装孔用于平台安装激光喷雾机构，完成在垄间精准喷洒农药的任务。

进一步，所述控制系统集成模块(14)包括嵌入式处理器、电池、电机驱动器、遥控模块和多传感器集成模块，所述嵌入式处理器分别与舵机(2)、超声波模块(5)、激光雷达模块(12)、视觉模块(16)、多传感器集成模块以及电机驱动器相连；所述嵌入式处理器用于快速处理各传感器返回的数据，实现自主导航与路径规划，对平台进行姿态与位置的精确控制；所述电池为舵机(2)、超声波模块(5)、激光雷达模块(12)、视觉模块(16)、减速电机(18)、嵌入式处理器、电机驱动器、遥控模块和多传感器集成模块提供电源；所述电机驱动器用于接收嵌入式处理器的控制信号，进而驱动减速电机(18)；所述遥控模块用于接收操作者的控制信号，实现对平台的遥控；所述多传感器集成模块在内部集成了陀螺仪和加速度计，用于平台行进中位姿调整。

本发明的一种高地隙垄间多功能移动平台结构的控制方法，包括以下步骤：

在平台上电后，系统进行初始化操作并对各模块进行自检，假设有模块存在异常，平台会发出声光警告以提示操作者；

平台首先通过激光雷达模块(12)采集工作区域的环境信息，建立周围环境模型；

嵌入式处理器基于周围环境模型，利用路径规划算法规划出即将移动的路径；当路径规划结束后，嵌入式处理器发出移动指令给电机驱动器，从而使平台沿着规划的路径移动；在平台移动过程中，超声波模块(5)实时测量平台至垄壁的距离，结合加速度计与陀螺仪的数据，系统利用串级PID算法实时对平台的姿态、位置和速度进行控制，以使其沿着规划的路线正确移动；

平台在垄间行进时，视觉模块(14)开始工作，由嵌入式处理器对视觉模块(14)回传的图像数据进行处理，获取垄上农作物生长状况、病虫害程度等信息，为后续的作业提供数据支撑。

进一步，系统利用串级PID算法实时对平台的姿态、位置和速度进行控制的具体过程为：

使用了串级PID算法来对高地隙垄间多功能移动平台的位姿来进行控制，以角速度作为内环，角速度通过陀螺仪测得；外环是位置控制环，位置估计融合了激光雷达模块、超声波模块、陀螺仪和加速度计传感器的数据，从而精确控制高地隙垄间多功能移动平台的姿态和位置，最终实现基于路径规划的作业任务。

本设计在兼顾传统农用机械方便、省力、效率高等特点下，还具备传统农用机械不具备的特点：

1、本发明体积小，移动灵活，适用于空间受限的温室大棚环境。

2、本发明功能多样，其属于一个开发平台，使用者可以根据实际需要，自由选择安装作业机构或传感器，以实现作业或信息采集。

3、本发明主体采用铝质材料，结构简洁、自重小、强度高。在相同重量下，可以把更多运力用来配给作业机构或者更大容量的电池。

4、本发明作为一个基本单元，在需要时，可以组成集群，以实现更大面积的作业和获得更高的作业效率。

附图说明

图1为高地隙垄间多功能移动平台整体结构图；

图2为移动组细节图；

图3为平台结构示意图；

图4为平台动力学模型图；

图5为平台工作示意图；

图6为平台纵向位姿调整图；

图7为平台横向位姿调整图

图8为系统硬件结构图；

图9为串级PID控制图；

图10为系统控制逻辑图；

在图1和图2中，1-辅助梁；2-舵机；3-上联轴器；4-超声波支架固定板；5-超声波模块；6-超声波支架；7-主梁；8-支撑柱；9-转向轴；10-下联轴器；11-轮胎；12-激光雷达模块；13-激光雷达模块支架；14-控制系统集成模块；15-转接板；16-视觉模块；17-底板；18-减速电机；19-电机固定支架。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示的高地隙垄间多功能移动平台整体结构图，它主要由以下几个部分组成：1-辅助梁；2-舵机；3-上联轴器；4-超声波支架固定板；5-超声波模块；6-超声波支架；7-主梁；8-支撑柱；9-转向轴；10-下联轴器；11-轮胎；12-激光雷达模块；13-激光雷达模块支架；14-控制系统集成模块；15-转接板；16-视觉模块；17-底板；18-减速电机；19-电机固定支架。

在整个结构中，平台的移动由四个移动组构成的移动机构完成。如图2所示的移动组细节图，移动组以舵机2与减速电机18为主体，两者通过上联轴器3、转向轴9、下联轴器10和电机固定支架19紧密连接。舵机转动，减速电机随之转动，从而实现平台的转向与位姿调整。

如图3所示的平台结构示意图，六个超声波模块对称分布于平台侧面，按照逆时针的顺序，依次为L2，L1，F1，F2，R1，R2。四个移动组分别安装于平台的四角，按照左上、右上、左下和右下的顺序，依次为1号移动组，2号移动组，3号移动组，4号移动组。其中，1号移动组和2号移动组中的舵机通过软件层面相互联动，即1号移动组的舵机旋转，2号移动组中的舵机也同时做出相同的动作。同样的，3号移动组和4号移动组中的舵机也通过软件层面相互联动。因此，平台的动力学模型便可以简化，如图4所示。同时，平台的控制难度也得到一定程度的下降，有助于提高平台的可靠性和控制精度。

如图5所示为平台工作示意图，详细展现了平台在垄间移动的过程。当平台确定好工作区域并规划好路径后，径直驶入垄道。待平台完全进入垄道后，平台打开超声波模块、陀螺仪和加速度计，利用L1和L2测量的距离，融合陀螺仪和加速度计的数据，迅速调整平台位姿，使其平行于垄壁A且与垄壁A保持适当的距离。当平台头部超声波模块F1和F2检测到自身离垄壁B小于一定值时，平台开始减速直至到适当位置停下。紧接着，四个舵机带动相应的减速电机同方向旋转90°，从而实现平台的换向。平台继续利用超声波模块L1和L2的数据确保自身与垄壁A保持平行，并驱动减速电机驶入垄间。当平台完全进入垄间时，平台迅速切换超声波模块，利用F1和F2返回的数据来调整位姿。同时，平台进入作业模式，降低速度方便作业。待平台完成该垄的作业，即将驶出垄间时，平台再次切换超声波模块，利用R1和R2返回的数据来调整位姿，确保平台平行于垄壁C并在适当位置停下。然后，四个舵机一起按反方向旋转90°，再次实现平台的换向。平台驱动减速电机反转，利用超声波模块R1和R2保持位姿，以此来完成换垄。当超声波模块L1和L2的状态同时经历“未检测到障碍——检测到障碍——未检测到障碍”三种变化，换垄完成。在接下来的流程中，平台不断重复上述操作，直至作业完成，驶出工作区域。

如图6所示的平台纵向位姿调整图，具体展示了平台在纵向移动过程中位姿调整的策略。在平台纵向移动中，平台左侧超声波模块L1和L2分别测量自身与垄壁之间的距离。对比L1和L2的数据，当数据误差大于一定值且陀螺仪测量的角速度不为零时，可以判定此时平台位姿异常，急需调整。当L1的数据大于L2的数据，即平台姿态右偏时，嵌入式处理器利用串级PID算法控制1号舵机和2号舵机同时逆时针旋转适当角度，控制3号舵机和4号舵机同时顺时针旋转适当角度，从而起到快速调整平台位姿的作用。同理，当L1的数据小于L2的数据，即平台姿态左偏时，嵌入式处理器也采用相同的控制方法来快速调整平台位姿。图中以平台左侧超声波模块L1和L2为例，但实践中平台右侧超声波模块R1和R2同样适用于此策略。

如图7所示的平台横向位姿调整图，具体展示了平台在横向移动过程中位姿调整的策略。在横向移动中检测平台位姿异常的方式与纵向移动一样。唯一的区别是横向移动中用于测距的超声波模块为F1和F2。当F1的数据大于F2的数据，即平台姿态左偏时，嵌入式处理器利用串级PID算法控制四个舵机均同时顺时针旋转适当角度。同时，1号移动组和2号移动组的减速电机适当加速，3号移动组和4号移动组的减速电机则适当减速。这样平台便可以快速调整位姿。平台姿态右偏时也采用此调整策略。采取舵机加减速电机配合的调整策略，能够迅速调整好平台位姿，为后续的作业创造有利条件。

如图8所示为硬件系统结构图，在此结构图中主要包含了传感器、嵌入式处理器、电机驱动器、遥控模块和执行机构等不同的硬件模块。传感器包括超声波模块、激光雷达模块、视觉模块以及多传感器模块。这里的多传感器模块在内部集成了陀螺仪和加速度计，用于平台行进中姿态的调整。电机驱动器为多路电机驱动器，最多可控制四路电机。执行机构包括四个舵机与四个减速电机。

本平台的控制算法采用以PID算法为基础的串级PID控制算法。PID算法以其结构简单、工作可靠、调整方便等特点，成为现阶段工业控制的主流控制算法。PID控制器是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。在实践应用过程中，面对不同的被控对象需要对P、I、D的数据进行整定，以达到最佳的控制目的。而串级PID是利用多级PID组合而成的控制算法，可以较好地跟踪输入量，减小外部因素对系统带来的干扰，提高系统的鲁棒性。

如图9所示为串级PID控制图。以角速度作为内环，角速度通过陀螺仪测得；外环是位置控制环，位置估计融合了激光雷达模块、超声波模块、陀螺仪和加速度计等传感器的数据，从而精确控制高地隙垄间多功能移动平台的姿态和位置，最终实现基于路径规划的作业任务。

如图10所示为系统控制逻辑图，在平台上电后，系统进行初始化操作并对各模块进行自检。假设有模块存在异常，平台会发出声光警告以提示操作者。系统自检无误后，操作者选择遥控模式或者自动模式。选择遥控模式，操作者将遥控平台完成作业。选择自动模式，平台首先利用激光雷达模块采集工作区域的环境信息，在嵌入式传感器中建立周围环境模型。嵌入式处理器基于周围环境模型，利用路径规划算法规划出即将移动的路径。当路径规划结束后，嵌入式处理器发出移动指令给电机驱动器，从而使平台沿着规划的路径移动。在平台移动过程中，超声波模块实时测量平台至垄壁的距离，融合加速度计与陀螺仪的数据，系统利用串级PID算法实时对平台的位姿进行控制，以使其沿着规划的路线正确移动。同时，超声波模块和激光雷达模块分别检测地面和高空的障碍物，确保平台顺利移动。平台在垄间行进时，视觉模块开始工作，由嵌入式处理器对视觉模块回传的图像数据进行处理，获取垄上农作物生长状况、病虫害程度等信息，为后续的作业提供数据支撑。完成作业后，操作者发出一键返航的命令，平台沿原路径返回。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物。

Claims (5)

1.一种高地隙垄间多功能移动平台结构，其特征在于，包括平台主体结构，平台主体结构包括辅助梁(1)、主梁(7)、支撑柱(8)、转接板(15)、底板(17)；

两根平行设置的支撑柱(8)构成多功能移动平台结构的一腿，前后各两个腿，共八根支撑柱(8)；所述辅助梁(1)设置在前后支撑柱(8)之间的上部；支撑柱(8)的顶端为主梁(7)，前后两根主梁(7)之间的上方设置有转接板(15)，支撑柱(8)的下方设置有底板(17)，底板(17)的下端设有四个轮胎(11)；

所述平台主体结构上还设有舵机(2)、上联轴器(3)、超声波支架固定板(4)、超声波模块(5)、超声波支架(6)、转向轴(9)、下联轴器(10)、减速电机(18)和电机固定支架(19)；所述平台主体结构上安装有四个舵机(2)，均依次通过上联轴器(3)、转向轴(9)、下联轴器(10)以及电机固定支架(19)与减速电机(18)连接，从而实现平台主体结构的转向和平台主体结构的位姿调整；所述超声波支架(6)固定在底板(17)上，超声波支架(6)上设有超声波模块(5)，并通过超声波支架固定板(4)固定；

所述转接板(15)上方设置有控制系统集成模块(14)，所述控制系统集成模块(14)通过转接板(15)紧密固定在平台主体结构顶部，控制系统集成模块(14)包括嵌入式处理器、电池、电机驱动器和多传感器集成模块，用于快速解算各传感器返回的数据，从而精准控制平台移动与作业；控制系统集成模块(14)前后两侧对称固定有视觉模块(16)，在平台移动过程中获取垄背上农作物信息，为后续作业提供准确数据；控制系统集成模块(14)顶端通过激光雷达模块支架(13)固定有激光雷达模块(12)，用于建立周围环境模型，使其在未知和复杂垄间环境下实现自主导航，同时能够保障平台在运行过程中检测高处的障碍物；

所述辅助梁(1)、超声波支架固定板(4)、超声波支架(6)、主梁(7)、支撑柱(8)、激光雷达模块支架(13)、转接板(15)、底板(17)和电机固定支架(19)，均为铝质材料；其中，辅助梁(1)、主梁(7)和支撑柱(8)均为标准件铝型材；铝型材的凹槽结构还作为电源线和信号线的布线通道；所述上联轴器(3)、转向轴(9)和下联轴器(10)均采用钢质材料。

2.根据权利要求1所述的一种高地隙垄间多功能移动平台结构，其特征在于，所述主梁(7)和底板(17)上均预留有安装孔，用于安装一个或多个模块化作业机构来完成不同的任务。

3.根据权利要求2所述的一种高地隙垄间多功能移动平台结构，其特征在于，所述安装孔用于平台安装机械臂和储藏箱，完成在垄间采摘并储存农作物的任务；或者安装孔用于平台安装除草机构，完成在垄间除草的任务；或者安装孔用于平台安装激光喷雾机构，完成在垄间精准喷洒农药的任务。

4.根据权利要求1所述的一种高地隙垄间多功能移动平台结构，其特征在于，所述控制系统集成模块(14)包括嵌入式处理器、电池、电机驱动器、遥控模块和多传感器集成模块，所述嵌入式处理器分别与舵机(2)、超声波模块(5)、激光雷达模块(12)、视觉模块(16)、多传感器集成模块以及电机驱动器相连；所述嵌入式处理器用于快速处理各传感器返回的数据，实现自主导航与路径规划，对平台进行姿态与位置的精确控制；所述电池为舵机(2)、超声波模块(5)、激光雷达模块(12)、视觉模块(16)、减速电机(18)、嵌入式处理器、电机驱动器、遥控模块和多传感器集成模块提供电源；所述电机驱动器用于接收嵌入式处理器的控制信号，进而驱动减速电机(18)；所述遥控模块用于接收操作者的控制信号，实现对平台的遥控；所述多传感器集成模块在内部集成了陀螺仪和加速度计，用于平台行进中位姿调整。

5.根据权利要求1所述的一种高地隙垄间多功能移动平台结构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

在平台上电后，系统进行初始化操作并对各模块进行自检，假设有模块存在异常，平台会发出声光警告以提示操作者；

平台首先通过激光雷达模块(12)采集工作区域的环境信息，建立周围环境模型；

嵌入式处理器基于周围环境模型，利用路径规划算法规划出即将移动的路径；当路径规划结束后，嵌入式处理器发出移动指令给电机驱动器，从而使平台沿着规划的路径移动；在平台移动过程中，超声波模块(5)实时测量平台至垄壁的距离，结合加速度计与陀螺仪的数据，系统利用串级PID算法实时对平台的姿态、位置和速度进行控制，以使其沿着规划的路线正确移动；

平台在垄间行进时，视觉模块(16)开始工作，由嵌入式处理器对视觉模块(16)回传的图像数据进行处理，获取垄上农作物生长状况、病虫害程度的 信息，为后续的作业提供数据支撑；

系统利用串级PID算法实时对平台的姿态、位置和速度进行控制的具体过程为：

使用了串级PID算法来对高地隙垄间多功能移动平台的位姿来进行控制，以角速度作为内环，角速度通过陀螺仪测得；外环是位置控制环，位置估计融合了激光雷达模块、超声波模块、陀螺仪和加速度计传感器的数据，从而精确控制高地隙垄间多功能移动平台的姿态和位置，最终实现基于路径规划的作业任务。

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