CN204273018U - 基于WiFi控制的同轴双轮自主平衡果园喷药机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于WiFi控制的同轴双轮自主平衡果园喷药机器人，由主控操作部分和机器人执行部分组成；机器人执行部分包括控制器；驱动系统，由左轮驱动器和右轮驱动器组成，接收经D/A模块转换的控制器输出的驱动信号，分别驱动机器人的左轮电机和右轮电机；传感器信号检测系统，用于检测机器人的位置、速度、角速度、加速度和角加速度，并将检测到的信号传输至控制器；避障系统，利用传感器信号检测系统获得机器人与障碍物间的距离反馈至控制器；喷洒系统，接收控制器的信号控制喷杆的高度和旋转角度，以及喷头的开关；供电系统。

Description

基于WiFi控制的同轴双轮自主平衡果园喷药机器人

技术领域

本实用新型涉及机器人领域，尤其涉及一种基于WiFi控制的同轴双轮自主平衡果园喷药机器人。

背景技术

国产植保机械有20多个品种，80多个型号，其中80％处于发达国家上世纪五、六十年代的水平，尤其是年产量高达8000～10000万台，其中社会保有量1亿台的各种手动喷雾器，常用机具仍是单管、压缩、背负式喷雾器等老三样。目前农民普遍采用单一机型防治各种作物的病虫害、“打遍百药”，往往会造成施药不均匀、农药用量大、农产品农残超标、操作者中毒等情况。

在地处丘陵的果园，地形复杂、作业空间狭小，大型机械很难发挥作用，小型传统机械喷洒效果差、劳动强度大、作业环境恶劣，对操作者人身健康危害大，因此，开发一种机动性好、自动化程度高的植保机械具有极为重要的现实意义。

实用新型内容

本实用新型提供了一种减少农药对作业人员的伤害，移动灵活、环境适应能力强的基于WiFi控制的同轴双轮自主平衡果园喷药机器人，采用WiFi控制和人机协同的混合作业方式，实现操作者远离现场对机器人的灵活操控。

同轴双轮机器人为自身非稳定系统，使机器人可以稳定、自由行走的基本条件之一是保持机器人机构及质量分布的对称性，包括沿双轮轴线方向上的质量对称、机构几何尺寸对称，机构对称要求机器人设计中在满足机构合理性、可行性的前提下必须保持对称，否则系统的平衡与控制难度会大大增加。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于WiFi控制的同轴双轮自主平衡果园喷药机器人，由主控操作部分和机器人执行部分组成；所述机器人执行部分包括控制器；

所述主控操作部分包括计算机客户端和近距离遥控器，所述计算机客户端捕捉计算机外设输入的信号，经WiFi传入控制器；WiFi模式不正常或特殊环境下，所述近距离遥控器直接传送控制信号至控制器；

所述机器人执行部分，还包括：

驱动系统，由左轮驱动器和右轮驱动器组成，接收经D/A模块转换的控制器输出的驱动信号，分别驱动机器人的左轮电机和右轮电机；及

传感器信号检测系统，用于检测机器人的位置、速度、角速度、加速度和角加速度，并将检测到的信号传输至控制器；及

避障系统，利用传感器信号检测系统获得机器人与障碍物间的距离反馈至控制器，其作用是避开果树或紧急情况下而控制机器人自动停止行走；及

喷洒系统，由喷头和喷杆组成，接收控制器的信号控制喷杆的高度和旋转角度，以及喷头的开关；及

供电系统。 

所述传感器信号检测系统，包括：

测量加速度信号的加速度计；测量角加速度信号的陀螺仪以及冗余陀螺仪；其中所获取的加速度和角加速度信号经过滤波器处理后，通过A/D转换模块输入控制器，控制器计算出施加在两侧电机上的电压和方向来控制机器人平衡；

超声波传感器和红外测距传感器，用来获得机器人与障碍物间的绝对距离信息，并将所获得的信息传送至控制器；

压力传感器和液位传感器，用于获得机器人负载的重量信息，并将信息传输至控制器，以实现机器人负载自适应。

所述左轮电机和右轮电机的电机轴上分别安装有左轮增量码盘和右轮增量码盘，用于检测机器人左轮和右轮的当前速度，并将所检测的数据经A/D转换模块传送至控制器处理。

本实用新型的有益效果为：

(1)针对果园作业空间狭小、路面状况不良的丘陵地形，提出了同轴双轮自主平衡喷药机器人取代传统多轮移动机械设备，真正实现了原地转弯和任意差速转弯，移动更加灵活；减小了占地面积，对运行空间的要求大大降低，并具有出色的路面适应能力；减小了多轮干涉，功耗低，效率高，适合电池供电，节能环保；

(2)针对机器人作为农药喷洒移动平台时，药液在非平整路面的晃动并随喷洒过程进行而药液递减，机器人具有的质心不定性和系统参数时变性问题，利用压力传感器和液位传感器获得机器人负载的重量信息，并将信息传输至控制 器，从而实现对负载的自适应动态平衡控制；

(3)在主控操作部分中，提供了两种操作模式，一个是通过计算机客户端捕捉计算机外设输入的数据，经WiFi传入机器人控制器；另一种操作模式是使用RC遥控器操作，可以在当WiFi模式不正常或特殊环境下对机器人进行控制。

附图说明

图1为本实用新型的结构框图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于WiFi控制的同轴双轮自主平衡果园喷药机器人，由主控操作部分和机器人执行部分组成；所述机器人执行部分包括控制器；所述主控操作部分包括计算机客户端和近距离遥控器，所述计算机客户端捕捉计算机外设输入的信号，经WiFi传入控制器；WiFi模式不正常或特殊环境下，所述近距离遥控器直接传送控制信号至控制器；

所述机器人执行部分，还包括：驱动系统，由左轮驱动器和右轮驱动器组成，分别驱动机器人的左轮电机和右轮电机；及

传感器信号检测系统，用于检测机器人的位置、速度、角速度、加速度和角加速度，并将检测到的信号传输至控制器；及

喷洒系统，由喷头和喷杆组成；及

避障系统和供电系统。

在机器人执行部分中，传感器、控制器和电机驱动电路的相互配合，实现机器人的平衡、行走、转向功能；将双轮机器人的行走转向控制任务可以分为三个方面：平衡控制，速度控制，方向控制。

在平衡控制上，将加速度计测量的加速度信息和陀螺仪测量的角加速度信息经过滤波器处理后，通过A/D转换模块输入控制器；控制器将当前的角度信息处理后，计算出需要在机器人左轮和右轮的电机上施加的电压和方向。

在速度控制上，将增量码盘分别固定在机器人左轮和右轮的电机轴上，增加码盘在电机转动时跟随转动，发出当前的速度信息，经控制器处理后，可以获取当前速度，与Wifi传输来的给定速度相比较，计算出需要在机器人左轮和右轮的电机上施加的电压和方向。

在方向控制上，通过控制两侧轮子转动的速度差来实现，控制器处理由Wifi传输来的给定的方向信息，计算出需要在机器人左轮和右轮的电机上施加的电压和方向；最后，控制器将平衡控制，速度控制，方向控制计算出的输出信息进行叠加，输出给驱动器使电机按照一定的方向，速度运转，来实现同轴双轮自主平衡喷药机器人的平衡，行走和转向。

为了机器人作业时的安全，采用了超声波传感器和红外测距传感器获得机器人与障碍物间的距离，在紧急情况下可以自动停止行走。

控制器可以控制喷杆的高度以及旋转角度，使机器人在恶劣的作业环境下有更好的适应性，控制器可以控制喷头的开关，增加系统的实用性。

在双轮喷洒机器人中，液位传感器和压力传感器用于获得机器人负载的重量信息，用于机器人负载自适应控制。负载自适应是通过实时辨识机器人重心高度，进而修正状态反馈增益系数来实现的，液位传感器和压力传感器检测到负载的重量变化信息，传送至控制器，负载重心高度通过控制器处理实时更新。

1、负载自适应控制的原理

负载自适应控制的研究对象是被控对象的数学模型不是完全确定的，包含一些未知因素。在双轮机器人作为喷药平台使用时，它属于时变非线性系统，其原因在于药液重量在喷洒过程中逐渐减少。重量变化和药液晃动使得系统模型参数处于变动之中。对于双轮自平衡机器人而言，负载自适应的实现是通过对系统参数的辨识，即估计实现的。

2、避障控制原理

避障控制基本原理是模仿人的行为习惯及推理能力，通过实时采集机器人行进方向上的障碍物距离信息，以及机器人的当前速度信息，经过推理判断以调整机器人的实际控制输入量，使机器人在有限的距离内安全停下，或者强制其反向加速离开障碍物，以避免接触性碰撞发生。依据这一探测原理，将机器人当前速度和障碍物距离信息以及机器人反应时间联系起来，通过不断调整机器人的实际控制量实现机器人的安全停止，避免发生碰撞。

Claims (5)

1.一种基于WiFi控制的同轴双轮自主平衡果园喷药机器人，其特征在于，由主控操作部分和机器人执行部分组成；所述机器人执行部分包括控制器；

所述主控操作部分包括计算机客户端和近距离遥控器，所述计算机客户端捕捉计算机外设输入的信号，经WiFi传入控制器；WiFi模式不正常或特殊环境下，所述近距离遥控器直接传送控制信号至控制器；

所述机器人执行部分，还包括：

驱动系统，由左轮驱动器和右轮驱动器组成，接收经D/A模块转换的控制器输出的驱动信号，分别驱动机器人的左轮电机和右轮电机；及

传感器信号检测系统，用于检测机器人的位置、速度、角速度、加速度和角加速度，并将检测到的信号传输至控制器；及

避障系统，利用传感器信号检测系统获得机器人与障碍物间的距离反馈至控制器，其作用是避开果树或紧急情况下而控制机器人自动停止行走；及

喷洒系统，由喷头和喷杆组成，接收控制器的信号控制喷杆的高度和旋转角度，以及喷头的开关；及

供电系统。

2.如权利要求1所述的一种基于WiFi控制的同轴双轮自主平衡果园喷药机器人，其特征在于，所述传感器信号检测系统，包括：

测量加速度信号的加速度计；测量角加速度信号的陀螺仪以及冗余陀螺仪；所获取的加速度和角加速度信号经过滤波器处理后，通过A/D转换模块输入控制器，控制器计算出施加在两侧电机上的电压和方向来控制机器人平衡。

3.如权利要求1所述的一种基于WiFi控制的同轴双轮自主平衡果园喷药机器人，其特征在于，所述传感器信号检测系统，包括：

超声波传感器和红外测距传感器，用来获得机器人与障碍物间的绝对距离信息，并将所获得的信息传送至控制器。

4.如权利要求1所述的一种基于WiFi控制的同轴双轮自主平衡果园喷药机器人，其特征在于，所述传感器信号检测系统，还包括：

压力传感器和液位传感器，用于获得机器人负载的重量信息，并将信息传输至控制器，以实现机器人负载自适应。

5.如权利要求1所述的一种基于WiFi控制的同轴双轮自主平衡果园喷药机器人，其特征在于，所述左轮电机和右轮电机的电机轴上分别安装有左轮增量码盘和右轮增量码盘，用于检测机器人左轮和右轮的当前速度，并将所检测的数据经A/D转换模块传送至控制器处理。