CN211207169U - 一种温室采摘机器人底盘控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种温室采摘机器人底盘控制系统，其特征在于，包括主控模块、SLAM导航定位模块、底盘电机驱动模块、视觉模块、监视模块和供电模块，所述主控模块分别与所述视觉模块、SLAM导航定位模块、底盘电机驱动模块以及监视模块连接；所述SLAM导航定位模块包括激光雷达，所述激光雷达通过USB与所述主控模块相连。本实用新型适合温室自主作业，驱动采摘机器人完成设定任务，成本低，实用性强，导航精度高。

Description

一种温室采摘机器人底盘控制系统

技术领域

本实用新型属于农业机械技术领域，具体涉及一种温室采摘机器人底盘控制系统。

背景技术

上世纪 70 年代起，日光温室和大棚种植技术在我国逐步得到推广，近些年，在我国科学技术的推动下，推广规模大幅扩大，设施农业技术等得到了更广泛的应用。但大量中小型温室仍主要依靠人工作业，费时费力，经济效益低并且大多数温室高温高湿，空气质量差，长时间作业易对从业人员健康带来较大的负面影响。因此，这对设施农业中施肥，喷药，采摘等自动化装备需求更为迫，提高我国设施农业生产工具的自动化水平已成为现代农业发展亟待解决的问题。

在自主农业机器人中，可靠的定位导航技术是实现农业机器人智能化和自主作业的关键，机器人必须能沿温室过道进行直线行走、遍历巡航并且具备一定的环境感知能力方可出色的完成自主作业任务。目前，应用在农业领域较为成熟的导航定位技术主要有惯性导航、卫星定位导航、路标导航和基于UWB,RSSI等距离测量的定位导航等。

惯性导航：通过陀螺仪，加速度计，磁力计等传感器估计机器人运动的速度、距离和方向等参数，从而推算机器人位置坐标。成本低，但只适用于相对于起始位置确定的时候使用，且累积误差大。

卫星定位导航：通过GPS等全球卫星定位系统提供的经度，维度和高程等信息计算车辆位置和速度，但在温室卫星信号弱，易受农作物遮挡造成信号中断，单纯的卫星定位导航方式将难以满足温室环境中精准作业的要求。

路标导航：利用传感器探测作物行、垄等相对规则的环境特征，获得机器人相对于路标的位姿，从而实现机器人的定位和导航。

基于UWB,RSSI等距离测量的定位导航：在温室也有很多学者研究了基于UWB，WiFi，RSSI等距离测量原理的定位算法。根据接受信号强度，信号达到时间差等计算目标与环境特征的距离，从而进行定位。但是信号反射、作物遮挡等都会对定位和导航精度带来较大误差，并且搭建高精度信号基站成本较高。

实用新型内容

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型设计了一种温室采摘机器人底盘控制系统。

为了解决上述存在的问题，本实用新型采用了以下技术方案：

一种温室采摘机器人底盘控制系统，包括主控模块、SLAM导航定位模块、底盘电机驱动模块、视觉模块、监视模块和供电模块，所述主控模块分别与所述视觉模块、SLAM导航定位模块、底盘电机驱动模块以及监视模块连接；所述SLAM导航定位模块包括激光雷达，所述激光雷达通过USB与所述主控模块相连。

进一步，所述底盘电机驱动模块包括两个电机驱动器，所述电机驱动器控制相对应的轮毂电机；所述主控模块通过副控制模块与所述电机驱动器连接。

进一步，所述副控制模块包括STM32F103单片机；所述副控制模块通过485总线控制所述电机驱动器。

进一步，所述监视模块包括PC监控端，所述PC监控端通过WIFI与所述主控模块实时通信，所述WIFI为路由器搭建而成的局域网。

进一步，所述供电模块包括36V电源和DC-DC降压稳压模块，所述DC-DC降压稳压模块为所述主控模块和所述视觉模块供12V电压，所述DC-DC降压稳压模块为所述副控制模块供12V电压，所述36V电源直接为所述底盘电机驱动模块供电。

进一步，所述视觉模块包括深度相机，所述深度相机通过USB与所述主控模块相连。

进一步，所述深度相机采用Kinect V2相机。

进一步，所述主控模块包括工控机，所述工控机安装Ubuntu16.04系统，所述Ubuntu系统上安装kinetic版本的ROS系统。

进一步，所述工控机为HT780-i5工控机。

进一步，所述激光雷达采用 RPLIDAR A2 二维激光雷达。

工作时，PC监控端发布构图指令，主控模块1的工控机接收指令后，从SLAM导航模块2的激光雷达读取环境信息，从副控制模块4读取里程计信息，工控机对数据进行融合；根据处理后的数据创建二维栅格地图；结合机械臂工作空间选择合适间距并计算路径的子目标点，通过程序或者上位机界面设置导航的所有子目标点，并进一步选择巡航路径。启动导航节点，移动机器人结合已构建的环境地图，根据传感器实时返回的数据开始自动规划导航路径或者自动巡航完成采摘作业并且接收和识别监控系统发布的命令。

该温室采摘机器人底盘控制系统具有以下有益效果：

（1）本实用新型不仅可以连续的工作，有利于提高农业生产效率， 有望解决人口老龄化和农业从业人口减少的问题；而且作业行距和间距也能在导航技术的支持下得到保证，避免了人为影响，提高了作业精度。

（2）本实用新型适合温室自主作业，驱动采摘机器人完成设定任务，成本低，实用性强。

（3）本实用新型利用激光雷达和里程计结合导航，可实现温室采摘机器人地图即时构建和导航定位。

附图说明

图1：本实用新型实施方式中温室采摘机器人底盘控制系统的结构示意图；

图2：本实用新型实施方式中供电模块的供电框图；

图3：本实用新型实施方式中温室采摘机器人底盘控制系统的接线示意图；

图4：本实用新型实施方式中总程序结构图；

图5：本实用新型实施方式中mybot_navigation程序包的导航框架示意图；

图6：本实用新型实施方式中温室采摘机器人底盘与用户进行人机交互示意图；

图7：本实用新型实施方式中温室采摘机器人底盘的结构示意图。

附图标记说明：

1—主控模块；2—SLAM导航定位模块；3—底盘电机驱动模块；31—右电机驱动器；32—右轮毂电机；33—左电机驱动器；34—左轮毂电机；4—副控制模块；5—视觉模块；6—监视模块；61—路由器；62—PC监控端；7—供电模块；71—DC-DC降压稳压模块；72—36V电源。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做进一步说明：

图1至图7示出了本实用新型温室采摘机器人底盘控制系统的具体实施方式。图1是本实施方式中温室采摘机器人底盘控制系统的结构示意图；图2是本实施方式中供电模块的供电框图；图3是本实施方式中温室采摘机器人底盘控制系统的接线示意图；图4是本实施方式中总程序结构图；图5是本实施方式中mybot_navigation程序包的导航框架示意图；图6是本实施方式中温室采摘机器人底盘与用户进行人机交互示意图；图7是本实施方式中温室采摘机器人底盘的结构示意图。

如图1、图2和图3所示，本实施方式中的温室采摘机器人底盘控制系统，包括主控模块1、SLAM导航定位模块2、底盘电机驱动模块3、视觉模块5、监视模块6和供电模块7，主控模块1分别与视觉模块5、SLAM导航定位模块2、底盘电机驱动模块3以及监视模块6连接；SLAM导航定位模块2包括激光雷达，激光雷达通过USB与主控模块1相连。主控模块1通过SLAM导航定位模块2获取环境位置信息，主控模块1通过视觉模块5获取环境图像信息，主控模块1与监视模块6进行数据传输。

优选地，底盘电机驱动模块3包括两个电机驱动器，电机驱动器控制相对应的轮毂电机；主控模块1通过副控制模块4与电机驱动器连接。本实施例中，轮毂电机有两个，分别是右轮毂电机32和左轮毂电机34，电机驱动器有两个，分别是右电机驱动器31和左电机驱动器33，如图1和图3所示。

本实施例中，副控制模块4包括STM32F103单片机；副控制模块4通过485总线控制电机驱动器，如图1所示。

优选地，监视模块6包括PC监控端62， PC监控端62通过WIFI与主控模块1实时通信，所述WIFI为路由器61搭建而成的局域网，如图1和图6所示。本实施例中，所述WIFI为腾达F9路由器搭建而成的局域网。

优选地，供电模块7包括36V电源72和DC-DC降压稳压模块71， DC-DC降压稳压模块71为主控模块1和视觉模块5供12V电压， DC-DC降压稳压模块71为副控制模块4供12V电压，36V电源72直接为底盘电机驱动模块3供电，如图2所示。

优选地，视觉模块5包括深度相机，深度相机通过USB与主控模块1相连，如图1和图3所示。

本实施例中，所述深度相机采用Kinect V2相机。

优选地，主控模块1包括工控机，工控机安装Ubuntu16.04系统，所述Ubuntu系统上安装kinetic版本的ROS系统，如图1和图3所示。所述ROS系统为整个系统的处理与决策中心；主控模块1负责从各传感器读取环境信息，并对传感器数据进行融合，根据处理后的数据创建二维栅格地图，从而实现移动机器人的自主避障与导航,并接收和识别监控系统发布的命令等。

本实施例中，所述工控机采用HT780-i5工控机。

本实施例中，所述激光雷达采用海思岚公司生产的 RPLIDAR A2 二维激光雷达。

本实施例中，主控模块1、SLAM导航定位模块2、副控制模块4和供电模块7安装在温室采摘机器人底盘车体上，如图7所示，主控模块1和供电模块7固定在车体中间部分，4个万向轮均匀固定在车体的下部底板上。

如图3所示，图3是本施方式中温室采摘机器人底盘控制系统的接线示意图，SLAM导航定位模块2和视觉模块5通过USB与主控模块1连接，左轮毂电机34和右轮毂电机32通过U、V、W线分别与左电机驱动器33和右电机驱动器31相连，副控制模块4的TX与串口转485的RX相连，副控制模块4的RX与串口转485的TX相连，所述串口转485的A、B和GND线分别与左右电机驱动器的A、B和GND线相连。

如图4所示，图4是本实施方式中的总控制程序的结构示意图，程序依赖于Ubuntu16.04系统，所述程序集中在mybot程序包中，所述mybot程序包是基于ros机器人操作系统所创建的工作空间，主要包括 src 、 build 、 devel 三个路径。所述build和所述devel分别用于存放编译生成的中间文件和目标文件，所述src文件夹用于存放源码文件，即用户自己开发的功能包，内容包括数据接收节点、仿真、地图构建路径规划、传感器驱动等功能。在所述mybot工作空间中，主要靠所述src文件夹下的导航功能包帮助机器人实现自主路径规划的功能；所述导航功能包主要包括配置，启动，地图和源码这四个文件夹，分别用于存储节点参数，启动文件，地图和固定路径巡航节点程序。启动文件用于启动一系列节点，自适应蒙特卡洛定位启动文件用于启动自适应蒙特卡洛定位节点和估计机器人当前位姿；SLAM启动文件用于启动SLAM节点；导航功能启动文件用于启动导航节点。

如图5所示，图5是本实施方式中的导航功能包的导航框架。中间矩形表示所述导航节点，负责统筹整个路径规划。包含了全局路径规划、局部路径规划、全局地图、局部地图和异常恢复等一系列插件，其中所述全局路径规划负责全局路径规划，所述局部路径规划负责局部路径规划，所述异常恢复主要对路径规划过程中出现的异常行为进行恢复。所述全局路径规划应用了Dijkstra和A*全局规划算法，所述Dijkstra算法是一种经典的最短路径寻路算法，通过广度优先搜索的思想，以起始点为中心向外一层一层搜索，直至搜索到最终目标点为止，可计算出一个节点到其他节点的最短路径。所述A*算法在Dijkstra算法基础上增加了对状态空间中搜索点的评价，取得最佳节点，然后依据最佳节点继续进行搜寻，直到找到最佳路径。在实际导航任务中，启动导航节点，工控机提供里程计数据、激光雷达或深度摄像头检测数据、地图等数据，导航节点就可以自动规划出路径和机器人所需要的速度。

在实际现代化温室中，果蔬基本都是一行一行种植的，只需机器人能沿着中间过道按照“之”字型路径进行巡航就能自主完成作业要求。虽然不同温室种植室的尺寸，地形会有区别，但是基本都有“行种植”的共同特征。只需沿过道，逐行完成整个温室的巡航就能实现自主采摘的导航。

如图6所示，图6是本实施方式中温室采摘机器人与用户进行人机交互的示意图，用户开启主控模块1与PC监控端62，PC监控端62通过路由器61与主控模块1进行远程连接，用户通过PC监控端62远程控制主控模块1并对主控模块1发出构图命令，移动机器人在PC监控端62的远程控制下开始在未知环境中移动。副控制模块4通过串口接收从轮毂电机控制器传回的左右轮速度并及时将计算出的里程计数据发送给主控模块1，主控模块1将串口接收的里程计数据储存到相应的变量中，供其他节点调用。SLAM导航定位模块2不断将扫描地测量数据发送给主控模块1，主控模块1通过融合里程计和激光测量数据来建立工作环境下2D栅格地图。待机器人自主建立完工作环境下的2D栅格后，用户根据作业需要，结合机械臂工作空间选择合适间距并计算路径的子目标点，通过程序或者上位机界面设置导航的所有子目标点，并进一步选择巡航路径。用户在导航功能包中的设置到达目标点后需要等待时间的参数和配置巡逻时间的参数。待准备完成后，用户启动所述的导航节点，在导航功能包的支持下，移动机器人结合已构建的环境地图，根据传感器实时返回的数据开始自动规划导航路径或者自动巡航完成采摘作业。

工作前需提前配置好PC监控端62和主控模块1，PC监控端62采用笔记本电脑，在笔记本电脑安装putty工具，即可远程控制主控模块1。在putty输入建图命令，在笔记本电脑运行rviz，即可实时显示移动平台返回的地图。

工作时，PC监控端62发布构图指令，主控模块1的工控机接收指令后，从SLAM导航模块2的激光雷达读取环境信息，从副控制模块4读取里程计信息，工控机对数据进行融合；根据处理后的数据创建二维栅格地图；结合机械臂工作空间选择合适间距并计算路径的子目标点，通过程序或者上位机界面设置导航的所有子目标点，并进一步选择巡航路径。启动导航节点，移动机器人结合已构建的环境地图，根据传感器实时返回的数据开始自动规划导航路径或者自动巡航完成采摘作业并且接收和识别监控系统发布的命令。

本实用新型不仅可以连续的工作，有利于提高农业生产效率， 有望解决人口老龄化和农业从业人口减少的问题；而且作业行距和间距也能在导航技术的支持下得到保证，避免了人为影响，提高了作业精度。

本实用新型适合温室自主作业，驱动采摘机器人完成设定任务，成本低，实用性强。

本实用新型利用激光雷达和里程计结合导航，可实现温室采摘机器人地图即时构建和导航定位。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性的描述，显然本实用新型的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种温室采摘机器人底盘控制系统，其特征在于，包括主控模块、SLAM导航定位模块、底盘电机驱动模块、视觉模块、监视模块和供电模块，所述主控模块分别与所述视觉模块、SLAM导航定位模块、底盘电机驱动模块以及监视模块连接；所述SLAM导航定位模块包括激光雷达，所述激光雷达通过USB与所述主控模块相连；

所述底盘电机驱动模块包括两个电机驱动器，所述电机驱动器控制相对应的轮毂电机；所述主控模块通过副控制模块与所述电机驱动器连接；所述副控制模块包括STM32F103单片机；所述副控制模块通过485总线控制所述电机驱动器。

2.根据权利要求1所述的温室采摘机器人底盘控制系统，其特征在于，所述监视模块包括PC监控端，所述PC监控端通过WIFI与所述主控模块实时通信，所述WIFI为路由器搭建而成的局域网。

3.根据权利要求1所述的温室采摘机器人底盘控制系统，其特征在于，所述供电模块包括36V电源和DC-DC降压稳压模块，所述DC-DC降压稳压模块为所述主控模块和所述视觉模块供12V电压，所述DC-DC降压稳压模块为所述副控制模块供12V电压，所述36V电源直接为所述底盘电机驱动模块供电。

4.根据权利要求1所述的温室采摘机器人底盘控制系统，其特征在于，所述视觉模块包括深度相机，所述深度相机通过USB与所述主控模块相连。

5.根据权利要求4所述的温室采摘机器人底盘控制系统，其特征在于，所述深度相机采用Kinect V2相机。

6.根据权利要求1所述的温室采摘机器人底盘控制系统，其特征在于，所述主控模块包括工控机，所述工控机安装Ubuntu16.04系统，所述Ubuntu系统上安装kinetic版本的ROS系统。

7.根据权利要求6所述的温室采摘机器人底盘控制系统，其特征在于，所述工控机为HT780-i5工控机。

8.根据权利要求1所述的温室采摘机器人底盘控制系统，其特征在于，所述激光雷达采用 RPLIDAR A2 二维激光雷达。

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