CN115042894B - 一种旱田四轮电驱机器人运动控制系统及转向控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旱田四轮电驱机器人运动控制系统及转向控制方法，其中运动控制系统包括底盘模块、硬件模块、软件模块三大部分；转向控制方法为四轮差速转向控制。所述底盘模块包括行走控制机构、模式切换机构、举升控制机构，其中行走控制机构负责机器人的行走控制，模式切换机构负责改变机器人的运动模式，举升控制机构负责调节机器人的离地高度和两侧轮子距离；所述硬件模块包括电源管理模块、上层数据处理模块、底层控制模块，电机驱动模块、数据通信模块，其中数据通信模块为CAN信号线，通过CAN总线将上层数据处理模块、底层控制模块、电机驱动模块三层结构挂在同一条总线上；所述转向控制方法满足机器人在旱田作业，符合实际要求。
Description
技术领域
本发明属于农业机器人技术领域，具体涉及一种旱田四轮电驱机器人运动控制系统及转向控制方法。
背景技术
农业智能机器人作为现代农业机械化装备被广泛应用于农业生产活动中。
旱地田间作物植株种类繁多，不同作物植株的种植行距和种植高度大多不同，由于目前农业机器人多存在以下问题：结构不灵活、控制模式单一、使用范围局限，因此无法满足不同作物植株的行距和高度。
旱地田间地表路面复杂，且周围天气环境难以预测，机器人的运动控制系统会受到不确定因素的干扰，因此无法保证机器人在旱地田间长时间的稳定运行。
旱地田间的农业机器人的转向方式大多采用阿克曼转向，由于阿克曼转向需要车轴装置，机器人在田间行驶时，安装的横拉杆装置可能会损害作物植株，因此无法适应在作物植株密集的田间作业。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在不足，提供了一种旱田四轮电驱机器人运动控制系统及转向控制方法，旨在解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种旱田四轮电驱机器人运动控制系统，包括底盘模块、硬件模块、软件模块三大部分；
所述底盘模块包括行走控制机构、模式切换机构、举升控制机构；所述行走控制机构负责机器人的行走控制，包括前进、后退、左转、右转，所述行走控制机构由四个深纹橡胶充气轮及每个轮子所对应的行走伺服电机、减速机和行走传动装置组成，行走伺服电机与减速机相互连接并驱动行走传动装置，行走传动装置再带动轮子转动；
所述模式切换机构负责改变机器人的运动模式，包括前后移动模式、左右移动模式、举升控制模式，所述模型切换机构由四台扭矩伺服电机、减速机和切换传动装置组成，扭矩伺服电机与减速机相互连接并驱动切换传动装置，切换传动装置再带动轮子转过90°；
所述举升控制机构负责调节机器人的离地高度和两侧轮子距离，所述举升控制机构由四套结构相同的连杆装置和四根电动推杆组成，连杆装置一端固定在车体上，另一端固定在机械腿上，连杆装置在电动推杆的伸出或缩回动作下发生向外或向内旋转；
所述硬件模块包括电源管理模块、上层数据处理模块、底层控制模块，电机驱动模块、数据通信模块，电源管理模块通过电源线为其他硬件模块提供所需的电源电压，上层数据处理模块、底层控制模块，电机驱动模块三者共同在数据通信模块的作用下进行数据交互；所述软件模块包括电机驱动程序、数据通信程序、人机交互系统。
进一步，所述行走伺服电机自带增量式编码器，通过速度控制方式精准地控制电机转子的角速度；所述行走传动装置为链条、大小齿轮圆盘，行走伺服电机的转轴作为输入轴与所述减速机的末端凹槽锁死，减速机的输出轴与小齿轮圆盘啮合，小齿轮转动并通过链条带动大齿轮圆盘转动，大齿轮圆盘与车轮相连接，进而驱动车轮完成转动。
进一步，所述扭矩伺服电机与行走伺服电机的型号相同，通过位置控制方式精准地控制电机转子的角位移；所述切换传动装置为大小齿轮圆盘，扭矩伺服电机的转轴作为输入轴与所述减速机的末端凹槽锁死，减速机输出轴与小齿轮啮合，小齿轮再与大齿轮相互啮合，大齿轮安装于机器人的机械腿上，因此扭矩伺服电机可精准控制机械腿转过90°，进而使车轮滚动方向与车头前进方向在水平面上呈垂直状态。
进一步，所述连杆装置一端固定在车体上，另一端固定在机械腿上，连杆装置在所述电动推杆的伸出或缩回动作下发生向外或向内旋转，电动推杆的伸缩量为机器人平台高度和轮距的调节量。
进一步，所述上层数据处理模块负责业务层指令下达和数据处理；所述底层控制模块负责行走控制和电源管理；所述电机驱动模块与伺服电机相连，完成电机驱动；所述数据通信模块为CAN信号线，通过CAN总线将上层数据处理模块、底层控制模块、电机驱动模块挂在同一条总线上，接线上只需电源和CAN信号线，进而使整个系统线缆相对较少，系统可靠性在幅提高。
进一步，所述人机交互系统内置在所述上层数据处理模块中，上层数据处理模块嵌入在机器人控制车箱内随机器人一起运动，通过局域网将上层数据处理模块以远程桌面的形式登录在PC端，进而对上层数据处理模块里面的人机交互系统进行远程操作。
本发明的一种旱田四轮电驱机器人运动控制系统转向控制方法，包括以下步骤：
步骤1，伺服电机模型构建；
步骤2，四轮电驱机器人差速转向控制器的输入量为车体速度和目标转向角度，输出量为4台行走电机的转速，机器人差速转向控制器根据目标转向角度求出机器人后轴中心点C和机器人4个车轮的转弯半径，并结合机器人当前行驶过程中的车体速度，求出机器人当前行驶过程中4个车轮的线速度；
由于控制器的输出量为电机转速，因此需要将车轮线速度变换为电机转速，首先通过车轮线速度求出车轮转速，假如为1号电机所驱动的车轮，车轮转速表示为：
式中，n1′表示车轮的转速，单位rpm；V1表示车轮的线速度，单位m/s；C表示车轮的周长，长度为1.57m；
车轮并不是由电机直接驱动，而是通过行走传动装置间接驱动车轮转动，因此需要将车轮转速转换为电机转速，由机器人行走控制机构可知，电机通过行星减速机带动小齿轮转动，小齿轮再通过链条装置带动大齿轮转动，大齿轮与车轮相连，从而驱动车轮完成转动；
步骤3，利用差速转向控制器得出机器人行驶过程中当前电机的目标转速，并将目标转速输入到直流伺服电机闭环控制系统模型(该系统模型为现有技术)，模型的输出量分别为电机转速值；规定机器人的转弯半径为轮距的1.5倍，因此系统输入的目标转向角度为固定值；
步骤4，上位机控制软件设计；
步骤5，利用人机交互系统的操作界面将机器人行驶档位设置为4档，4档对应的行驶速度为0.3m/s，其次长按操作界面显示的前进右转按键，机器人开始做右转向运动，最后松开按键，机器人停止运动。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明地有益效果是：
1.本发明的机器人底盘模块包括模式切换机构和举升控制机构，可在不同运动模式之间自由切换，并可调节机器人的离地高度和两侧轮子距离，此发明的机器人结构灵活、控制模式多样、使用范围广，可满足不同作物植株的行距和高度。
2.本发明的机器人硬件模块控制单元采用上层数据处理模块、底层控制模块、电机驱动模块三层结构，并通过CAN总线的方式进行数据通信，系统可靠性在幅提高，此发明的机器人运动控制系统更稳定，可满足机器人在旱地田间长时间的稳定运行。
3.本发明的机器人行走控制机构采用独立悬架，四个轮子均可独立转动且互不影响，并利用四轮差速转向控制方法，控制机器人实现差速转向，此发明的机器人对于作物植株的保护性更好，满足作业需求。
附图说明
图1为本发明提供的机器人底盘模块的结构示意图；
图2为本发明提供的机器人四轮差速右转模型示意图；
图3为本发明提供的机器人硬件模块的结构示意图；
图4为本发明提供的机器人软件模块的结构示意图；
图5为本发明提供的机器人差速右转仿真时，四台行走伺服电机转速分配图；
图6为转向控制图；
图7为人机交互系统的操作界面。
图8为标转角度和行驶速度为机器人自动转向控制系统图；
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清楚，下面结合附图对本发明做进一步阐述。
如图1所示，所述底盘模块包括行走控制机构1、模式切换机构2、举升控制机构3；行走控制机构1由四个深纹橡胶充气轮及每个轮子所对应的行走伺服电机、减速机和行走传动装置组成，负责为车体提供前行动力，行走伺服电机与减速机相互连接并驱动行走传动装置，行走传动装置再带动轮子转动；模式切换机构2由四台扭矩伺服电机、减速机和切换传动装置组成,扭矩伺服电机与减速机相互连接并驱动切换传动装置，切换传动装置再带动轮子转过90°；举升控制机构3由四根连杆构成的双摇臂结构加上一个电动推杆支撑结构，四根连杆的一端固定在车体上，另一端安装在模式切换机构2上，四根连杆在电动推杆的伸出或缩回动作下发生向外或向内旋转，电动推杆的伸出量为机器人的高度变化量和轮距变化量，举升控制机构可以控制机器人平台调节的离地间隙高度范围为0.8m～1.3m，轮距宽度范围为1.2m～1.7m。
如图2所示，以右转为例，通过建立所述四轮差速转向运动学模型，进而改变四个车轮的线速度使机器人以车轮滑动的方式进行右转；规定后轴中心点C的瞬时转向半径为R，右前轮、右后轮、左前轮、左后轮的瞬时转向半径分别为R1、R2、R3、R4；机器人的瞬时转向角度为θ；机器人的轴距L为1m；轮距d为1.7m；依据图中模型的几何关系可将机器人的各个瞬时转向半径描述为：
后轴中心点C的瞬时转向半径：
(1-1)
右前轮的瞬时转向半径：
(1-2)
右后轮的瞬时转向半径：
(1-3)
左前轮的瞬时转向半径：
(1-4)
左后轮的瞬时转向半径：
(1-5)
机器人在转向状态时，由于后轴中心点和四轮与地面的触点都是围绕同一个点进行旋转，所以其各个转向角速度是相同的，可以描述为：
(1-6)
因此，当机器人进行右转向时，根据机器人的各个瞬时转向半径和转向角速度，并联立公式(1-6)，可以将四轮线速度分别描述为：
右前轮的线速度：
(1-7)
右后轮的线速度：
(1-8)
左前轮的线速度：
(1-9)
左后轮的线速度：
(1-10)
如图3所示，所述硬件模块包括电源管理模块、上层数据处理模块、底层控制模块，电机驱动模块、数据通信模块，且将上层数据处理模块、底层控制模块、电机驱动模块挂在同一条CAN总线上；电源管理模块采用48V锂电池作为总电源，因各个模块对于供电电压的要求有所差异，所以利用DC-DC电源转换器得到各个模块所需要的电源电压；上层数据处理模块采用工控机，工控机接口有LAN、RS-485、USB、WIFI、CAN，方便对接底层控制模块和其他模块；底层控制模块采用基于ARM-Cortex-M4为内核的32位控制器STM32F407作为主控制器对终端执行节点进行调控和管理；电机驱动模块采用伺服驱动器，通过CAN总线的方式将配套的8台伺服电机的伺服驱动器与底层主控制器的CAN接口相连接，由底层主控制器统一控制；底层控制器通过导线与继电器的输入端相连接，从而间接控制电动推杆装置的启停和伸缩。
如图4所示，所述软件模块可划分为三个层级：底层控制、中层控制以及上层控制；底层控制通过STM32进行电源管理和任务调度，并通过CAN总线的方式对机器人进行运动控制；中层控制通过工控机对作业数据进行处理和存储，并通过CAN总线的方式与底层控制器进行通讯，工控机嵌入在机器人控制车箱内随机器人一起运动；上层控制通过远程PC端对机器人进行作业发布和作业监控，方法是在机器人车身安装一个路由器，以此构建一个局域网，在这个局域网下将远程PC端与工控机通过远程桌面的形式进行连接，实现对工控机进行远程登录，并对工控机里面的人机交互系统进行远程操作。数据通信程序，就是通过CAN总线进行通讯，程序在stm32中。
利用Matlab/Simulink软件构建机器人四轮差速转向控制系统模型，将机器人的行驶速度设置为0.3m/s，目标转向角设置为21°，并作为输入量输入到机器人四轮差速转向控制系统模型中进行右转向运动测试，机器人四轮差速转向控制系统模型输出量为四台行走伺服电机的目标转速，规定右前轮、右后轮、左前轮、左后轮的行走伺服电机分别为1号电机、3号电机、5号电机、7号电机；如图5仿真结果所示，左侧行走伺服电机转速值大于右侧行走伺服电机转速值，同侧行走伺服电机转速值则非常接近，仿真结果表明机器人四轮差速转向控制系统模型的转向控制行为与理论基本一致，符合设计需求。
本发明的控制方法包括以下步骤：
如图6所示，先将上位机计算出的目标转向角度和行驶速度作为输入量输入到差速转向控制器中，控制器的输出量是机器人四个轮子所对应的行走电机的目标转速，然后将分配的目标转速与电机编码器反馈的实际转速进行比较，最后由PID控制器对转速进行偏差纠正，使电机的实际转速趋近于电机的目标转速。
步骤1:伺服电机模型构建(该部分内容为现有技术，可以调用伺服电机模型获取)
伺服控制系统是一种复杂的自动控制系统，系统能够使被控对象的状态、位置、方位等输出量，随着系统的输入量的变化而任意变化。伺服系统要实现精准的控制，主要通过PID算法来实现，PID算法内置在伺服系统的程序里。
步骤2：差速转向控制器构建
机器人差速转向控制器的输入量为车体速度和目标转向角度，输出量为4台行走电机的转速。机器人差速转向控制器根据目标转向角度求出机器人后轴中心点C和机器人4个车轮的转弯半径，并结合机器人当前行驶过程中的车体速度，求出机器人当前行驶过程中4个车轮的线速度。
由于控制器的输出量为电机转速，因此需要将车轮线速度变换为电机转速。首先通过车轮线速度求出车轮转速，以1号电机所驱动的车轮为例，车轮转速可以表示为：
式中，n1′表示车轮的转速，单位rpm；V1表示车轮的线速度，单位m/s。C表示车轮的周长，长度为1.57m；车轮并不是由电机直接驱动，而是通过传动装置间接驱动车轮转动，因此需要将车轮转速转换为电机转速。由机器人行走控制机构可知，电机通过行星减速机带动小齿轮转动，小齿轮再通过链条装置带动大齿轮转动，大齿轮与车轮相连，从而驱动车轮完成转动。行星减速机比为35:1，大小齿轮比为37:14，换算之后的电机转速与车轮转速比为92.5:1。
步骤3：差速转向控制器+伺服电机模型联合测试
如图8所示的目标转角度和行驶速度为机器人自动转向控制系统模型的输入量，利用差速转向控制器得出机器人行驶过程中当前电机的目标转速，并将目标转速输入到直流伺服电机闭环控制系统模型，模型的输出量分别为电机转速值。以作物表型监测机器人右转为例，规定机器人的转弯半径为轮距的1.5倍，因此系统输入的目标转向角度为固定值，经过换算得出目标转向角度值约为21°。
步骤4：上位机控制软件设计
人机交互界面最上方栏提供了行驶速度档位调节模块和运动模式选择模块(如图7所示)，用户可根据需求设置机器人行驶档位和选择机器人运动模式，行驶档位一共8个档位，每个档位对应的行驶速度如表1所示：
表1
步骤5：差速转向仿真模型测试和实际转向控制测试对比
利用人机交互系统的操作界面将机器人行驶档位设置为4档，4档对应的行驶速度为0.3m/s，其次长按操作界面显示的前进右转按键，机器人开始做右转向运动，最后松开按键，机器人停止运动。
在机器人实际设计情况中，机器人的转向半径是固定的，转向半径约为2.55m，经过换算可得到机器人的目标转向角度约为21°，因此测试时，将机器人的行驶速度设置为0.3m/s，目标转向角设置为21°，并输入到自动转向控制系统模型中进行右转向测试，模型的输出量为电机的转速。
将机器人转向测试的仿真控制数据与实际控制数据进行对比，验证仿真模型系统的转向控制行为与实际系统的转向控制行为是否一致，对比数据如表2所示。
表2
由电机转速对比数据可知，机器人转向控制仿真测试中的4台电机所分配的转速与实测中的4台电机所分配的转速基本一致。根据自动转向控制系统模型的设计要求可知，机器人在仿真环境转向过程中与机器人在实际转向过程中的4台行走电机转速的平均相对误差因控制在10％以内，测试结果显示的平均相对误差为6.75％，因此机器人自动转向控制系统模型可以精准预测机器人在实际控制中转向的真实情况，能够与实际转向控制效果相匹配，运动控制系统模型符合设计要求，具有相关性和可靠性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可；对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述地比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种旱田四轮电驱机器人运动控制系统转向控制方法，其特征在于：所述系统包括底盘模块、硬件模块、软件模块三大部分；
所述底盘模块包括行走控制机构、模式切换机构、举升控制机构；所述行走控制机构负责机器人的行走控制，包括前进、后退、左转、右转，所述行走控制机构由四个深纹橡胶充气轮及每个轮子所对应的行走伺服电机、减速机和行走传动装置组成，行走伺服电机与减速机相互连接并驱动行走传动装置，行走传动装置再带动轮子转动；
所述模式切换机构负责改变机器人的运动模式，包括前后移动模式、左右移动模式、举升控制模式，所述模式切换机构由四台扭矩伺服电机、减速机和切换传动装置组成，扭矩伺服电机与减速机相互连接并驱动切换传动装置，切换传动装置再带动轮子转过90°；
所述举升控制机构负责调节机器人的离地高度和两侧轮子距离，所述举升控制机构由四套结构相同的连杆装置和四根电动推杆组成，连杆装置一端固定在车体上，另一端固定在机械腿上，连杆装置在电动推杆的伸出或缩回动作下发生向外或向内旋转；
所述硬件模块包括电源管理模块、上层数据处理模块、底层控制模块，电机驱动模块、数据通信模块，电源管理模块通过电源线为其他硬件模块提供所需的电源电压，上层数据处理模块、底层控制模块，电机驱动模块三者共同在数据通信模块的作用下进行数据交互；所述软件模块包括电机驱动程序、数据通信程序、人机交互系统；
所述方法包括以下步骤：
步骤1，伺服电机模型构建；
步骤2，四轮电驱机器人差速转向控制器的输入量为车体速度和目标转向角度，输出量为4台行走电机的转速，机器人差速转向控制器根据目标转向角度求出机器人后轴中心点C和机器人4个车轮的转弯半径，并结合机器人当前行驶过程中的车体速度，求出机器人当前行驶过程中4个车轮的线速度；
由于控制器的输出量为电机转速，因此需要将车轮线速度变换为电机转速，首先通过车轮线速度求出车轮转速，假如为1号电机所驱动的车轮，车轮转速表示为：
式中，n1′表示车轮的转速，单位rpm；V1表示车轮的线速度，单位m/s；C表示车轮的周长，长度为1.57m；
车轮并不是由电机直接驱动，而是通过行走传动装置间接驱动车轮转动，因此需要将车轮转速转换为电机转速，由机器人行走控制机构可知，电机通过行星减速机带动小齿轮转动，小齿轮再通过链条装置带动大齿轮转动，大齿轮与车轮相连，从而驱动车轮完成转动；
步骤3，利用差速转向控制器得出机器人行驶过程中当前电机的目标转速，并将目标转速输入到直流伺服电机闭环控制系统模型，模型的输出量分别为电机转速值；规定机器人的转弯半径为轮距的1.5倍，因此系统输入的目标转向角度为固定值；
步骤4，上位机控制软件设计；
步骤5，利用人机交互系统的操作界面将机器人行驶档位设置为4档，4档对应的行驶速度为0.3m/s，其次长按操作界面显示的前进右转按键，机器人开始做右转向运动，最后松开按键，机器人停止运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述行走伺服电机自带增量式编码器，通过速度控制方式精准地控制电机转子的角速度；所述行走传动装置为链条、大小齿轮圆盘，行走伺服电机的转轴作为输入轴与所述减速机的末端凹槽锁死，减速机的输出轴与小齿轮圆盘啮合，小齿轮转动并通过链条带动大齿轮圆盘转动，大齿轮圆盘与车轮相连接，进而驱动车轮完成转动。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扭矩伺服电机与行走伺服电机的型号相同，通过位置控制方式精准地控制电机转子的角位移；所述切换传动装置为大小齿轮圆盘，扭矩伺服电机的转轴作为输入轴与所述减速机的末端凹槽锁死，减速机输出轴与小齿轮啮合，小齿轮再与大齿轮相互啮合，大齿轮安装于机器人的机械腿上，因此扭矩伺服电机可精准控制机械腿转过90°，进而使车轮滚动方向与车头前进方向在水平面上呈垂直状态。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连杆装置一端固定在车体上，另一端固定在机械腿上，连杆装置在所述电动推杆的伸出或缩回动作下发生向外或向内旋转，电动推杆的伸缩量为机器人平台高度和轮距的调节量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上层数据处理模块负责业务层指令下达和数据处理；所述底层控制模块负责行走控制和电源管理；所述电机驱动模块与伺服电机相连，完成电机驱动；所述数据通信模块为CAN信号线，通过CAN总线将上层数据处理模块、底层控制模块、电机驱动模块挂在同一条总线上，接线上只需电源和CAN信号线，进而使整个系统线缆相对较少，系统可靠性大幅提高。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述人机交互系统内置在所述上层数据处理模块中，上层数据处理模块嵌入在机器人控制车箱内随机器人一起运动，通过局域网将上层数据处理模块以远程桌面的形式登录在PC端，进而对上层数据处理模块里面的人机交互系统进行远程操作。
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