CN116215697A - 粮食采样系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种粮食采样系统，包括：无人机和采样机；采样机包括螺旋轮式轮胎、轮毂电机、电机驱动器、控制器、传感器、采样储存装置、电池模组、差速底盘和包覆外壳；无人机获取待采样区域的三维地貌，将信息实时传输给采样机；多个螺旋轮式轮胎分别与轮毂电机机械连接；多个轮毂电机分别置于差速底盘的轮毂位置，并与电机驱动器驱动连接；电机驱动器、控制器、传感器和电池模组置于包覆外壳内部，并全部置于差速底盘上；控制器分别与电机驱动器、传感器和采样储存装置电连接；电池模组分别与轮毂电机、电机驱动器、控制器、传感器、采样储存装置电连接。本发明能够实现自动建图和基于多传感器融合的导航，以及粮食采样的无人化处理。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体地，涉及一种粮食采样系统。
背景技术
我国人口众多，粮食生产和消费总量均为世界第一。为了更好地解决我国当前粮食需求较大的问题，我国从国外进口的粮食数量不断增加。目前，我国在船舶大宗散装粮谷采样过程中会产生熏蒸剂残留、粮谷陷落、登轮跌落等多项安全风险，存在着查验抽样环节高效智能化装备不足、原有装备自动化程度低、高度依赖人工作业等问题，这都会影响样品检验效果，同时会对检验人员的生命安全造成威胁。
移动机器人需要一定的运动结构才可以在对应的环境中进行运动，粮仓采样移动机器人在松散介质中的可移动能力至关重要。以大豆、小麦为典型代表的粮食松散介质具有松软易塌陷、滑转率过大的特点，机器人在其中运行非常困难，且很容易打滑甚至深陷其中。常见的运动结构无法在其表面正常运行，因此设计一套可以在松散介质表面运动的移动机器人至关重要。
便携式粮食抽样装置是实现海关船舶大宗散装粮谷采样十分重要的设备，如何实现结构轻巧，采样方便，分类存储是上船采样的重点难点。
海关船舶大宗散装粮谷为不规则多变的地貌，在复杂地貌下能够自动建图和导航对实现无人化海关粮食采样至关重要。
申请号为201510152651.7的中国发明专利公开了一种沙漠四足机器人，其技术方案是采用仿生的方式设计了一款足式移动机器人，但其结构较为复杂，设计加工难度较大，同时承载能力较低，只适用于本体机器人在松散介质中的运动，无法实现大负载运动，同时控制系统采用简单的嵌入式操作系统，通用性和开发利用率较低。
专利文献CN113510720A(申请号：CN202110665852.2)公开了一种实时分布式协作机器人控制系统，该控制系统与机器人本体连接，包括Linux操作系统单元、实时内核单元、数据分发服务单元、机器人控制单元、EtherCAT现场总线单元。然而该专利未涉及在松散介质中运动的描述，无法解决现有技术存在的弊端。
申请号为201911373680.0的发明专利公开了一种固定式智能扦样机，其技术方案是通过检测模块与电液控制模块生成取样方案并完成取样。现有技术的不足之处是：结构笨重，只适合在岸上进行固定式取样，无法进入到船舶上进行移动取样；采用电液控制，污染环境，对粮食样本会产生不可避免的污染。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种粮食采样系统。
根据本发明提供的一种粮食采样系统，所述方案如下：
一种粮食采样系统，该系统包括：无人机和采样机；
所述采样机包括螺旋轮式轮胎、轮毂电机、电机驱动器、控制器、传感器、采样储存装置、电池模组、差速底盘和包覆外壳；
所述无人机负责获取待采样区域的三维地貌，将信息实时传输给采样机；
所述螺旋轮式轮胎设置为多个，并分别与轮毂电机机械连接；
所述轮毂电机的设置为多个，分别置于差速底盘的轮毂位置，并与电机驱动器驱动连接；
所述电机驱动器、控制器、传感器和电池模组置于包覆外壳内部，并全部置于差速底盘上；
所述控制器分别与电机驱动器、传感器和采样储存装置电连接；
所述电池模组分别与轮毂电机、电机驱动器、控制器、传感器、采样储存装置电连接。
优选地，所述无人机搭载1080P高清摄像头，并能够随时调整镜头的俯仰角和方向，通过程序控制在等距点位停留并拍摄地貌图像。
优选地，所述螺旋轮式轮胎的形状为适用于颗粒介质环境的螺旋构型，材质为尼龙材料；
所述轮毂电机和电机驱动器采用四个单轴螺旋轮式轮毂电机及匹配的驱动器，额定功率为720W，输出转速为770RPM。
优选地，所述差速底盘通过控制车轮两边速度差来完成机器人的前进后退以及转向运动，通过轻量化处理将整车重量控制在100kg内，并将底盘高度升高。
优选地，所述传感器包括集成编码器、惯性测量单元IMU、GPS、激光雷达和双目相机，对机器人运行状态、自身姿态以及环境信息进行实时监测，为后续建图、定位及导航提供数据基础。
优选地，所述电池模组为48V36AH的锂电池，所述轮毂电机直接通过48V进行供电，将电压转换成12V后再供控制器和传感器。
优选地，所述采样储存装置包括：高压抽粮电机、上端盖、下端盖、取样管、偏心漏斗、存储罐、底盖和舵机；
所述高压抽粮电机置于所述上端盖内部，所述高压抽粮电机与所述上端盖的上部通过内外两层端面连接，所述高压抽粮电机与所述下端盖的上部通过卡口连接；
所述上端盖的下部通过紧定螺钉与所述下端盖的上部连接，所述上端盖与所述取样管螺纹连接；
所述下端盖的下部与底盖通过紧定螺钉连接；
所述偏心漏斗的中心与所述存储罐的中心通过舵机连接；
所述存储罐置于所述下端盖内部。
优选地，所述采样储存装置使用的高压抽粮电机的工作电压为AC220V，功率为1000W，所述电池模组通过AC220V逆变器转换为交流后再为高压抽粮电机供电；
所述采样储存装置的上端盖内部和所述下端盖内部均为肋板结构；
所述采样储存装置的偏心漏斗用于收集高压抽粮电机抽取到的粮食，通过偏心漏斗下部的小孔流入到存储罐内，存储罐内部分隔为多个单独的存储仓，所述偏心漏斗对准不同的存储仓，实现对不同位置的粮食实现单独存储；
所述采样储存装置的存储仓内部放置一个位置舵机，带动偏心漏斗运动，同时安装一个角接触球轴承，保证偏心漏斗转动过程中的同轴度；
所述采样储存装置的存储罐外表面具有数字标号，同时贴有RFID标签，对不同区域的粮食进行标记；
所述采样储存装置的底盖负责整个采样存储装置的底部密封；
所述采样储存装置的取样管的一端固定在一个直线电机上，带动取样管伸长和收缩，伸长插入粮食中实现取样，收缩回原始位置以不妨碍机器人运动，直线电机机身通过卡扣结构固定在差速底盘的后端一侧；取样管的另一端通过软管连接到采样储存装置的上端盖外延管道。
优选地，所述将控制器的层次划分为地面站PC、机器人上位机端和机器人下位机端；
所述机器人下位机端，对机器人进行运动控制，同时获取机器人的反馈数据，打包发送给机器人上位机端；
所述机器人上位机端包括与下位机和各传感器的数据通信接口、机器人状态参数初始化接口、数据预处理接口、仿真接口、运动学分析接口以及上层算法实现接口；
所述地面站PC用于提供可视化及手动控制界面。
优选地，所述机器人下位机端负责机器人控制，将机器人上位机端传输过来的运动指令转换成对各个电机的控制指令，并给电机驱动器发送相应命令带动轮毂电机运动，同时将编码器及传感器数据反馈给机器人上位机端；
所述机器人上位机端负责上层算法的实现，包括传感器信息采集、数据预处理、数据传输以及构建地图、定位和路径规划；
所述地面站PC提供通信及遥控界面和自主导航界面；
所述通信及遥控界面用于实时显示机器人运行过程中的速度、角速度信息、电池电压及剩余容量信息、运行时反馈信息及实时图像信息、基于ROS2主从机通信的参数配置和遥控模式下参数配置；
所述自主导航界面用于显示二维栅格地图、三维点云数据、设置初始化位置、设置目标位置、设置返航点、开始返航指令、机器人运行位置坐标及目标返航点坐标。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过采用四轮差速底盘结构，搭载螺旋轮式构型轮胎，并通过轻量化处理和高底盘设计，解决了传统四轮移动机器人在粮食这种颗粒介质中运行困难，且很容易打滑甚至深陷其中的问题,同时与其他足腿式机器人相比，结构简单，载重能力大，可行性好；
2、本发明通过采用分层式控制系统框架，集成多种传感器和控制终端，降低了各个层级间的耦合性，降低后期系统修改升级的成本；
3、本发明通过无人机在等距节点拍摄待采样区域的图片，通过立体视觉匹配技术可得到该区域的三维点云数据，由此可获得不同地形地貌环境的建图；
4、本发明通过采用多传感器融合技术，可以实现在不同地形地貌环境的定位及导航功能；
5、本发明通过采用便捷式整体结构设计的采样储存装置，从而可以方便搭载于海关粮食采样机器人上，可以实际应用于海关船舶粮食检验场景；
6、本发明通过采用旋转式偏心漏斗、分隔式存储仓以及RFID标签的设计，这样可以便于对不同区域内的粮食分别存储，分别标记，提高粮食检验的精确性；
7、本发明通过采用电子控制方式，这样可以便于接入机器人操作系统(RobotOperat ing System，ROS)，实现上位机统一控制。
本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为粮食采样系统图；
图2为为无人机拍摄待采样区域图像示意图；
图3为采样储存装置机械结构示意图；
图4为粮食采样机器人电气结构示意图；
图5为粮食采样机器人系统分层式控制系统框架图；
图6为基于ROS的控制消息传递流向示意图。
附图标记：1、无人机；2、螺旋轮式轮胎；3、轮毂电机；4、电机驱动器；5、控制器；6、传感器；7、采样储存装置；8、电池模组；9、差速底盘；10、包覆外壳；11、高压抽粮电机、12、上端盖、13、下端盖、14、取样管、15、偏心漏斗、16、存储罐、17、底盖、18、舵机。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种粮食采样系统，参照图1所示，该系统具体包括；无人机和采样机；采样机包括螺旋轮式轮胎、轮毂电机、电机驱动器、控制器、传感器、采样储存装置、电池模组、差速底盘和包覆外壳。
无人机负责获取待采样区域的三维地貌，将信息实时传输给采样机；螺旋轮式轮胎的数量为四个，并分别与轮毂电机机械连接；轮毂电机的数量为四个，分别置于差速底盘的轮毂位置，并与电机驱动器驱动连接。
电机驱动器、控制器、传感器和电池模组置于包覆外壳内部，并全部置于差速底盘上；控制器分别与电机驱动器、传感器和采样储存装置电连接；电池模组分别与轮毂电机、电机驱动器、控制器、传感器、采样储存装置电连接。
无人机搭载1080P高清摄像头，并可调整镜头的俯仰角和方向，可通过程序控制在等距点位停留并拍摄地貌图像。
螺旋轮式轮胎的形状为适用于颗粒介质环境的螺旋构型，材质为尼龙材料；轮毂电机和电机驱动器采用四个单轴螺旋轮式轮毂电机及匹配的驱动器，额定功率为720W，输出转速为770RPM。差速底盘通过控制车轮两边速度差来完成机器人的前进后退以及转向运动，通过轻量化处理将整车重量控制在100kg内，并将底盘高度升高。
传感器包括集成编码器、惯性测量单元IMU、GPS、激光雷达和双目相机，对机器人运行状态、自身姿态以及环境信息进行实时监测，为后续建图、定位及导航提供数据基础。电池模组为48V36AH的锂电池，所述轮毂电机直接通过48V进行供电，将电压转换成12V后再供控制器和传感器。
采样储存装置包括：高压抽粮电机、上端盖、下端盖、取样管、偏心漏斗、存储罐、底盖和舵机；高压抽粮电机置于所述上端盖内部，高压抽粮电机与上端盖的上部通过内外两层端面连接，高压抽粮电机与下端盖的上部通过卡口连接；上端盖的下部通过紧定螺钉与下端盖的上部连接，上端盖与取样管螺纹连接；下端盖的下部与底盖通过紧定螺钉连接；偏心漏斗的中心与存储罐的中心通过舵机连接；存储罐置于下端盖内部。
采样储存装置使用的高压抽粮电机的工作电压为AC220V，功率为1000W，所述电池模组通过AC220V逆变器转换为交流后再为高压抽粮电机供电；采样储存装置的上端盖内部和所述下端盖内部均为肋板结构；采样储存装置的偏心漏斗用于收集高压抽粮电机抽取到的粮食，通过偏心漏斗下部的小孔流入到存储罐内，存储罐内部分隔为多个单独的存储仓，偏心漏斗对准不同的存储仓，实现对不同位置的粮食实现单独存储。
采样储存装置的存储仓内部放置一个位置舵机，带动偏心漏斗运动，同时安装一个角接触球轴承，保证偏心漏斗转动过程中的同轴度；采样储存装置的存储罐外表面具有数字标号，同时贴有RFID标签，对不同区域的粮食进行标记。
采样储存装置的底盖负责整个采样存储装置的底部密封，采样储存装置的取样管的一端固定在一个直线电机上，带动取样管伸长和收缩，伸长插入粮食中实现取样，收缩回原始位置以不妨碍机器人运动，直线电机机身通过卡扣结构固定在差速底盘的后端一侧；取样管的另一端通过软管连接到采样储存装置的上端盖外延管道。
将控制器的层次划分为地面站PC、机器人上位机端和机器人下位机端；机器人下位机端，对机器人进行运动控制，同时获取机器人的反馈数据，打包发送给机器人上位机端。机器人上位机端包括与下位机和各传感器的数据通信接口、机器人状态参数初始化接口、数据预处理接口、仿真接口、运动学分析接口以及上层算法实现接口；地面站PC用于提供可视化及手动控制界面。
机器人下位机端负责机器人控制，将机器人上位机端传输过来的运动指令转换成对各个电机的控制指令，并给电机驱动器发送相应命令带动轮毂电机运动，同时将编码器及传感器数据反馈给机器人上位机端。机器人上位机端负责上层算法的实现，包括传感器信息采集、数据预处理、数据传输以及构建地图、定位和路径规划；地面站PC提供通信及遥控界面和自主导航界面。
通信及遥控界面用于实时显示机器人运行过程中的速度、角速度信息、电池电压及剩余容量信息、运行时反馈信息及实时图像信息、基于ROS2主从机通信的参数配置和遥控模式下参数配置；自主导航界面用于显示二维栅格地图、三维点云数据、设置初始化位置、设置目标位置、设置返航点、开始返航指令、机器人运行位置坐标及目标返航点坐标。
接下来，对本发明进行更为具体的说明。
本发明提供的一种粮食采样系统，参照图1和图2所示，包括：无人机1、螺旋轮式轮胎2、轮毂电机3、电机驱动器4、控制器5、传感器6、采样储存装置7、电池模组8、差速底盘9和包覆外壳10。
无人机1负责获取待采样区域的三维地貌；螺旋轮式轮胎2的数量为四个，分别与轮毂电机3机械连接；轮毂电机3的数量为四个，分别置于差速底盘9的轮毂位置，并与电机驱动器4驱动连接；电机驱动器4、控制器5、传感器6和电池模组8置于包覆外壳10内部，并全部置于差速底盘9上；控制器5分别与电机驱动器4、传感器6和采样储存装置7电连接；电池模组8分别与轮毂电机3、电机驱动器4、控制器5、传感器6、采样储存装置7电连接。
具体地，本发明设计的新型螺旋轮式海关粮食采样系统，基于机器人操作系统ROS搭建控制平台，可实现在颗粒介质环境中的复杂运动；基于无人机拍摄图像的立体匹配及三维点云重建，可实现复杂地形地貌建图；基于多种传感器融合技术，可实现定位及自主导航；同时采用便捷式整体结构设计的采样储存装置，可实现精确分类的粮食采样功能。主要包含以下几个部分：
1.无人机：程序控制在待采样区域上空等距节点拍摄图像，后续通过多幅图像的立体匹配及三维点云重建，可建立各种复杂地形地貌的三维地图及栅格地图。
2.螺旋轮式轮胎、轮毂电机及电机驱动器：螺旋轮式轮胎采用适用于颗粒介质环境的螺旋构型，使用尼龙材料机加工制造。轮毂电机无需繁杂的外部结构，使得车辆结构整体布局更加灵活。车体采用四个单轴轮毂电机及匹配的电机驱动器，额定功率可达720W，输出转速可达770RPM。
3.控制器模块：为满足复杂的机器人系统需求，采用分层式控制系统。上位机选择高性能Nvidia NX开发板，作为算法运行的主控核心；下位机采用基于STM32为主控的嵌入式开发板，负责机器人运动控制及底层避障。
4.传感器模块：集成编码器、惯性测量单元(IMU)、GPS、激光雷达、双目相机等多种传感器，可实现对机器人运行状态、自身姿态以及环境信息的实时监测，为后续建图、定位及导航等功能的实现提供数据基础。
5.采样储存装置：高压抽粮电机11、上端盖12、下端盖13、取样管14、偏心漏斗15、存储罐16、底盖17和舵机18，高压抽粮电机11的工作电压为AC220V，功率为1000W，可实现对30米深度下的粮食进行采样，上端盖12、下端盖13内部采用肋板设计提高采样储存装置的稳定性，偏心漏斗15通过安装在存储罐16中的角接触球轴承保证转动过程中的同轴度，转动则由舵机18控制，存储罐16内部分割为8个单独的存储仓，并通过RFID标签的设计，便于对不同区域内的粮食分别存储，分别标记，取样管14通过卡扣结构机械固定在差速底盘上，伸长和收缩由直线电机控制。
6.电池、逆变器及电压转换模块：采样机器人采用一块48V36AH锂电池供电，给平台上的所有用电设备提供电能。轮毂电机可直接通过48V进行供电，控制器、传感器需要使用12V电压供电，因此需要提供DC-DC直流电源转换模块进行电压转换。采样储存装置的高压抽粮电机11需要采用AC220V供电，因此需要提供DC-AC逆变器进行电压转换，舵机18需要使用5V电压供电，可通过STM32板载5V输出进行供电，直线电机需要使用12V电压供电，同时需要控制其伸长和收缩，因此需要提供给L298N电机驱动模块进行供电。
7.差速底盘：四轮独立驱动，通过控制车轮两边速度差来完成机器人的前进后退以及转向运动，不需要额外的转向结构。
8.包覆外壳：3D打印外壳，包覆电机驱动器、控制器、传感器和电池模组，并与差速底盘机械连接。含倒角设计，造型美观；顶部设开口，方便充电和关闭电源等操作。
采样机器人的主要功能即为在海关船舶大宗散装粮谷中进行粮食采样，需要用到采样储存装置，采样储存装置如图3所示。采样储存装置包括：高压抽粮电机11、上端盖12、下端盖13、偏心漏斗15、存储罐16、底盖17和取样管14，其工作流程为：到达采样点后，轮毂电机停止运动，直线电机带动取样管14插入正下方的粮食中，高压抽粮电机11运转，将粮食通过取样管14经由上端盖12汇集到偏心漏斗15内，由于偏心漏斗15表面具体光滑的大坡度，粮食可以顺经下端的小孔流入到对应的存储仓内，完成采样后，高压抽粮电机11停止运转，直线电机带动取样管14收缩回差速底盘附近。当需要对不同区域粮食进行存储时，舵机18提前运转，将偏心漏斗15下的小孔朝向新的存储仓，实现分类存储的作用。当整个船舶的粮谷被遍历完后，可以将存储仓单独取出，通过RFID标签可以获取粮食的具体抽样顺序。
采样机器人在工作过程中无法与外界进行任何有线连接，需要内部移动电源进行供电，电气结构连接示意图如图4所示。由图4可知，控制系统需要采用多种不同电压对不同设备进行供电，因此加入电压转换模块以及逆变模块进行电压转换。采用一块48V36AH的锂电池作为移动电源。其中轮毂电机及其电机驱动器的额定输入电压为48V，可采用移动电源直接供电。上位机Nvidia NX开发板与下位机STM32可使用DC12V供电。因此使用电源转换后的12V进行供电。无线路由器的供电电压为9-19V，因此也可采用12V进行供电。GPS、惯性测量单元(IMU)、激光雷达和双目相机等传感器的供电电压均为5V，可使用上下位机的USB口进行供电。同时，为了满足机器人平台搭载采样储存装置的需求，加装220V逆变模块。
采样机器人的控制系统进行分层设计，不同功能划分到不同层级，大大减小各个层级间的耦合性，降低后期修改升级的成本。分层式控制系统框架如图5所示，将层次划分为地面站PC、机器人上位机端和机器人下位机端三部分。机器人下位机端是最底层的部分，通过将获取到的运动指令转换成轮毂电机的控制信号，实现对采样机器人的运动控制，同时获取运动平台的反馈数据，打包发送给采样机器人上位机端。采样机器人上位机端是控制系统最重要的组成部分，主要包括与下位机、各个传感器的数据通信接口，机器人状态参数初始化接口，数据预处理接口，仿真接口，运动学分析接口以及上层算法实现接口。地面站PC处于控制系统的最上层，主要为工作人员提供一个可视化及手动控制界面。
机器人下位机端主要负责平台控制，将上位机端传输过来的运动指令转换成对各个电机的控制指令，并给电机驱动器发送相应命令带动轮毂电机运动，同时将编码器及传感器数据反馈给机器人上位机端。消息传递流向如图6所示。
基于ROS的机器人上位机端主要负责上层算法的实现，主要包括传感器信息采集、数据预处理、数据传输以及构建地图、定位、路径规划等算法的实现。
地面站PC主要为使用人员提供便捷的操作界面，通信及遥控界面可实时显示机器人运行过程中的速度、角速度信息，电池电压及剩余容量信息，运行时反馈信息及实时图像信息，基于ROS主从机通信的参数配置，遥控模式下参数配置。自主导航界面可显示二维栅格地图、三维点云数据，控制按键包括设置初始化位置、设置目标位置、设置返航点及开始返航指令，同时可以观测到机器人运行位置坐标及目标返航点坐标。
本发明实施例提供了一种粮食采样系统，通过采用四轮差速底盘结构，搭载螺旋轮式构型轮胎，并通过轻量化处理和高底盘设计，解决了传统四轮移动机器人在粮食这种颗粒介质中运行困难，且很容易打滑甚至深陷其中的问题；并根据无人机获取待采样区域的三维地貌，实现了自动建图和基于多传感器融合的导航，借助车载采样储存装置，实现了海关粮食采样的无人化处理。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种粮食采样系统，其特征在于，包括：无人机(1)和采样机；
所述采样机包括螺旋轮式轮胎(2)、轮毂电机(3)、电机驱动器(4)、控制器(5)、传感器(6)、采样储存装置(7)、电池模组(8)、差速底盘(9)和包覆外壳(10)；
所述无人机(1)负责获取待采样区域的三维地貌，将信息实时传输给采样机；
所述螺旋轮式轮胎(2)设置为多个，并分别与轮毂电机(3)机械连接；
所述轮毂电机(3)的设置为多个，分别置于差速底盘(9)的轮毂位置，并与电机驱动器(4)驱动连接；
所述电机驱动器(4)、控制器(5)、传感器(6)和电池模组(8)置于包覆外壳(10)内部，并全部置于差速底盘(9)上；
所述控制器(5)分别与电机驱动器(4)、传感器(6)和采样储存装置(7)电连接；
所述电池模组(8)分别与轮毂电机(3)、电机驱动器(4)、控制器(5)、传感器(6)、采样储存装置(7)电连接。
2.根据权利要求1所述的粮食采样系统，其特征在于，所述无人机(1)搭载1080P高清摄像头，并能够随时调整镜头的俯仰角和方向，通过程序控制在等距点位停留并拍摄地貌图像。
3.根据权利要求1所述的粮食采样系统，其特征在于，所述螺旋轮式轮胎(2)的形状为适用于颗粒介质环境的螺旋构型，材质为尼龙材料；
所述轮毂电机(3)和电机驱动器(4)采用四个单轴螺旋轮式轮毂电机及匹配的驱动器，额定功率为720W，输出转速为770RPM。
4.根据权利要求1所述的粮食采样系统，其特征在于，所述差速底盘(9)通过控制车轮两边速度差来完成机器人的前进后退以及转向运动，通过轻量化处理将整车重量控制在100kg内，并将底盘高度升高。
5.根据权利要求1所述的粮食采样系统，其特征在于，所述传感器(6)包括集成编码器、惯性测量单元IMU、GPS、激光雷达和双目相机，对机器人运行状态、自身姿态以及环境信息进行实时监测，为后续建图、定位及导航提供数据基础。
6.根据权利要求1所述的粮食采样系统，其特征在于，所述电池模组(8)为48V36AH的锂电池，所述轮毂电机(3)直接通过48V进行供电，将电压转换成12V后再供控制器(5)和传感器(6)。
7.根据权利要求1所述的粮食采样系统，其特征在于，所述采样储存装置(7)包括：高压抽粮电机(11)、上端盖(12)、下端盖(13)、取样管(14)、偏心漏斗(15)、存储罐(16)、底盖(17)和舵机(18)；
所述高压抽粮电机(11)置于所述上端盖(12)内部，所述高压抽粮电机(11)与所述上端盖(12)的上部通过内外两层端面连接，所述高压抽粮电机(11)与所述下端盖(13)的上部通过卡口连接；
所述上端盖(12)的下部通过紧定螺钉与所述下端盖(13)的上部连接，所述上端盖(12)与所述取样管(14)螺纹连接；
所述下端盖(13)的下部与底盖(17)通过紧定螺钉连接；
所述偏心漏斗(15)的中心与所述存储罐(16)的中心通过舵机(18)连接；
所述存储罐(16)置于所述下端盖(13)内部。
8.根据权利要求7所述的粮食采样系统，其特征在于，所述采样储存装置(7)使用的高压抽粮电机(11)的工作电压为AC220V，功率为1000W，所述电池模组(8)通过AC220V逆变器转换为交流后再为高压抽粮电机(11)供电；
所述采样储存装置(7)的上端盖(12)内部和所述下端盖(13)内部均为肋板结构；
所述采样储存装置(7)的偏心漏斗(15)用于收集高压抽粮电机(11)抽取到的粮食，通过偏心漏斗(15)下部的小孔流入到存储罐(16)内，存储罐(16)内部分隔为多个单独的存储仓，所述偏心漏斗(15)对准不同的存储仓，实现对不同位置的粮食实现单独存储；
所述采样储存装置(7)的存储仓内部放置一个位置舵机(18)，带动偏心漏斗(15)运动，同时安装一个角接触球轴承，保证偏心漏斗(15)转动过程中的同轴度；
所述采样储存装置(7)的存储罐(16)外表面具有数字标号，同时贴有RFID标签，对不同区域的粮食进行标记；
所述采样储存装置(7)的取样管(14)的一端固定在一个直线电机上，带动取样管(14)伸长和收缩，伸长插入粮食中实现取样，收缩回原始位置以不妨碍机器人运动，直线电机机身通过卡扣结构固定在差速底盘(9)的后端一侧；取样管(14)的另一端通过软管连接到采样储存装置(7)的上端盖(12)外延管道。
9.根据权利要求1所述的粮食采样系统，其特征在于，所述将控制器(5)的层次划分为地面站PC、机器人上位机端和机器人下位机端；
所述机器人下位机端，对机器人进行运动控制，同时获取机器人的反馈数据，打包发送给机器人上位机端；
所述机器人上位机端包括与下位机和各传感器的数据通信接口、机器人状态参数初始化接口、数据预处理接口、仿真接口、运动学分析接口以及上层算法实现接口；
所述地面站PC用于提供可视化及手动控制界面。
10.根据权利要求9所述的粮食采样系统，其特征在于，所述机器人下位机端负责机器人控制，将机器人上位机端传输过来的运动指令转换成对各个电机的控制指令，并给电机驱动器(4)发送相应命令带动轮毂电机(3)运动，同时将编码器及传感器数据反馈给机器人上位机端；
所述机器人上位机端负责上层算法的实现，包括传感器信息采集、数据预处理、数据传输以及构建地图、定位和路径规划；
所述地面站PC提供通信及遥控界面和自主导航界面；
所述通信及遥控界面用于实时显示机器人运行过程中的速度、角速度信息、电池电压及剩余容量信息、运行时反馈信息及实时图像信息、基于ROS2主从机通信的参数配置和遥控模式下参数配置；
所述自主导航界面用于显示二维栅格地图、三维点云数据、设置初始化位置、设置目标位置、设置返航点、开始返航指令、机器人运行位置坐标及目标返航点坐标。
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