CN212683969U - 一种果园多机器人物理模型 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种果园多机器人物理模型，该模型由PC机、果园领航机器人、果园跟随机器人1和果园跟随机器人2组成；PC机通过网线先后与果园领航机器人、果园跟随机器人1、果园跟随机器人2相连，用于程序调试和编译；果园领航机器人通过WIFI分别与果园跟随机器人1和果园跟随机器人2进行双向通信，果园跟随机器人1和果园跟随机器人2分别发送传感器信息至果园领航机器人，果园领航机器人发送计算后的位姿信息至果园跟随机器人1和果园跟随机器人2，用于多机器人协同控制；本实用新型提供的物理模型，功能丰富，满足果园多机器人协同作业需求，同时可缩短果园多机器人系统的开发周期，为果园多机器人的应用提供便利的研发平台。
Description
技术领域
本实用新型属于果园多机器人技术领域，具体涉及一种果园多机器人物理模型。
背景技术
随着产业结构的不断调整以及果园集约化经营模式的持续扩大，单机器人已经不能满足果农对果园作业效率的现实需求。与单机器人相比，多机器人系统具有灵活、高效以及容错能力强等优势，更加适用于当下的果园作业。
现阶段对果园多机器人的相关研究内容较少，且现有研究存在的技术缺点为：在果园环境调试多机器人时，存在为果园多机器人长时间供电问题；在调试过程中，多机器人需要不断往返于实验室和果园途中，增加了多机器人硬件故障的概率；此外，果树为季节性生长植物，多机器人可在果园作业的实际时间易受天气变化的影响，进而导致开发果园多机器人系统所需周期较长。为减少外界不稳定因素对研发果园多机器人的影响，提高开发效率，加快果园多机器人的开发，亟需提供一种果园多机器人物理模型。
发明内容
为了解决上述存在的技术问题，本实用新型设计了一种果园多机器人物理模型，在满足果园多机器人协同作业需求的同时，可缩短果园多机器人的开发周期，为果园多机器人系统提供便利的研究平台。
本实用新型采用以下的技术方案：
一种果园多机器人物理模型，该模型由PC机、果园领航机器人、果园跟随机器人1和果园跟随机器人2组成；
PC机通过网线先后与果园领航机器人、果园跟随机器人1、果园跟随机器人2相连，用于程序调试和编译；果园领航机器人通过WIFI分别与果园跟随机器人1和果园跟随机器人2进行双向通信，果园跟随机器人1和果园跟随机器人2分别发送传感器信息至果园领航机器人，果园领航机器人发送计算后的位姿信息至果园跟随机器人1和果园跟随机器人2，用于多机器人协同控制；
每个机器人包括上位机(1)、电源模块(2)、传感器感知模块(3)、2D激光雷达(4)、运动模块(5)、下位机(6)和果园机器人机械本体(7)；所述上位机（1）包括果园地图(11) 、树莓派(12)和显示屏(13)；所述电源模块（2）包括电源 (21)和降压模块(22)；所述传感器感知模块（3）包括GPS模块(31)、超声波传感器(32)、IMU(33)和里程计(34)；所述运动模块（5）包括电机驱动(51)和电机（52）；所述下位机（6）包括Arduino Mega 2560（61）和ArduinoNano（62）；所述果园机器人机械本体（7）包括履带底盘（71）和上层隔板（72）；上位机（1）、传感器感知模块（3）、2D激光雷达（4）、下位机（6）均安装在果园机器人机械本体（7）的上层隔板上（72）；电源模块（2）、运动模块（5）安装在果园机器人机械本体（7）的履带底盘（71）上；
所述树莓派（12）加载果园地图（11）,用于辅助多机器人在模拟果园环境内协同定位；所述2D激光雷达（4）结合已导入的果园地图（11）和传感器感知模块（3），用于单个机器人在果园定位；所述2D激光雷达（4）与树莓派（12）之间通过UART通信协议进行数据传输；所述显示屏（13）与树莓派（12）相连，用于实时显示果园机器人的运动参数及运行状态；
所述树莓派（12）与Arduino Mega 2560（61）相连，两者之间通过UART通信协议进行数据传输，用于读取和处理Arduino Mega 2560（61）发送的信息；所述Arduino Mega2560（61）与传感器感知模块（3）相连，两者之间通过I2C通信协议进行数据传输，用于采集传感器感知模块（3）的信息；所述GPS模块（31）用于获取机器人的位置和航向信息；所述超声波传感器（32）用于果园中障碍物检测；所述IMU（33）用于获取果园机器人的姿态、角速度以及加速度信息；所述里程计（34）用于获取果园机器人的速度信息；所述树莓派（12）与Arduino Nano（62）相连，两者之间通过UART通信协议进行数据传输，用于控制运动模块（5）的速度，实现机器人转弯、直行、后退和停车功能；所述电源模块（2）对上位机（1）、传感器感知模块（3）、下位机（6）、运动模块（5）进行供电。
进一步地，所述果园地图（11）采用WGS84大地坐标测量获得。
进一步地，所述超声波传感器（32）数与果园机器人机械本体（7）数之比为2:1，电源模块（2）、传感器感知模块（3）、运动模块（5）、下位机（6）和2D激光雷达（4）的数量与果园机器人机械本体（7）的数量相同。
进一步地，树莓派（12）型号为Raspberry Pi 3b；所述显示屏（13）选用5寸电阻式触摸屏；所述电源（21）选用输出电压为12V的可充电锂电池；所述降压模块（22）为LM2596S模块；所述GPS模块（31）为NEO-7N-0-002模块；所述超声波传感器（32）为HC-SR04模块；所述IMU（33）为MPU 9250 模块；所述里程计（34）为AB相增量式编码器；所述电机驱动（51）为L298N；所述电机（52）为JGA25-370/12V 直流减速电机。
本实用新型的有益效果在于：
本实用新型提供的物理模型，功能丰富，满足果园多机器人的协同作业需求，同时可缩短果园多机器人的开发周期，为果园多机器人系统提供便利的研究平台。
附图说明
图1：本实用新型一种果园多机器人物理模型的控制结构示意图；
图2：本实用新型一种果园多机器人物理模型的果园领航机器人内部硬件结构图；
图3：本实用新型一种果园多机器人物理模型的控制流程图。
附图标记说明：
1—上位机；11—果园地图；12—树莓派；13-显示屏；2—电源模块；21-电源；22-降压模块；3—传感器感知模块；31—GPS模块；32—超声波传感器；33-IMU；34-里程计；4—2D激光雷达；5-运动模块；51—电机驱动；52—电机；6—下位机；61—Arduino Mega 2560；62—Arduino Nano; 7—果园机器人机械本体;71-履带底盘；72-上层隔板。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型作进一步的详细说明：
如图1所示，果园多机器人物理模型由PC机、果园领航机器人、果园跟随机器人1和果园跟随机器人2组成；所述PC机通过网线先后与果园领航机器人、果园跟随机器人1、果园跟随机器人2相连，用于程序调试；果园领航机器人通过WIFI与果园跟随机器人1以及果园跟随机器人2进行通信，用于多机器人领航—跟随控制；
每个机器人包括上位机、电源模块、传感器感知模块、2D激光雷达、运动模块、下位机、和果园机器人机械本体。
图1为本实用新型一种果园多机器人物理模型的控制结构示意图，该方法包括以下步骤；
步骤100：各机器人的电源模块分别给各机器人供电；
步骤101：PC机与果园领航机器人通过网线相连，调试并编译程序；
步骤102：PC机与果园跟随机器人1通过网线相连，调试并编译程序；
步骤103：PC机与果园跟随机器人2通过网线相连，调试并编译程序；
步骤104：果园领航机器人通过WIFI与果园跟随机器人1通信，接收果园跟随机器人1发送的位置、姿态信息；
步骤105：果园领航机器人通过WIFI与果园跟随机器人2通信，接收果园跟随机器人2发送的位置、姿态信息；
步骤106：果园领航机器人对果园跟随机器人1的位置、姿态信息进行处理后，将果园领航机器人当前位置、姿态信息和果园跟随机器人1下一时刻的位置、姿态信息发送给果园跟随机器人1；
步骤107：果园领航机器人对果园跟随机器人2的位置、姿态信息进行处理后，将果园领航机器人当前位置、姿态信息和果园跟随机器人2下一时刻的位置、姿态信息发送给果园跟随机器人2。
如图2所示，所述上位机包括果园地图、树莓派和显示屏；所述电源模块包括电源和降压模块；所述传感器感知模块包括GPS模块、超声波传感器、IMU和里程计；所述运动模块包括电机驱动和电机；所述下位机包括Arduino Mega 2560和Arduino Nano；所述果园机器人机械本体包括履带底盘和上层隔板；上位机、传感器感知模块、2D激光雷达、下位机均安装在果园机器人机械本体的上层隔板上；电源模块、运动模块安装在果园机器人机械本体的履带底盘上；
所述树莓派加载果园地图,用于辅助多机器人在模拟果园环境内协同定位；所述2D激光雷达结合已导入的果园地图和传感器感知模块，用于单个机器人在果园定位；所述2D激光雷达与树莓派之间通过UART通信协议进行数据传输；所述显示屏与树莓派相连，用于实时显示果园机器人的运动参数及运行状态；
所述树莓派与Arduino Mega 2560相连，两者之间通过UART通信协议进行数据传输，用于读取和处理Arduino Mega 2560发送的信息；所述Arduino Mega 2560与传感器感知模块相连，两者之间通过I2C通信协议进行数据传输，用于采集传感器感知模块的信息；所述GPS模块用于获取机器人的位置和航向信息；所述超声波传感器用于果园中障碍物检测；所述IMU用于获取果园机器人的姿态、角速度以及加速度信息；所述里程计用于获取果园机器人的速度信息；所述树莓派与Arduino Nano相连，两者之间通过UART通信协议进行数据传输，用于控制运动模块的速度，实现机器人转弯、直行、后退和停车功能；所述电源模块对上位机、传感器感知模块、下位机、运动模块进行供电；所述跟随机器人1和2的内部硬件结构图与领航机器人一样。
如图3所示，领航机器人加载果园地图后，传感器感知模块采集到位置、姿态、速度、角速度、加速度、障碍物等信息通过I2C通信协议发送到Arduino Mega 2560控制板中，Arduino Mega 2560将经过处理后的位姿信息和2D激光雷达采集到的位置信息通过UART通信协议发送给树莓派，若采集到位姿位置信息与果园地图定位一致，则判断是否观测到跟随机器人此刻的位姿信息；若不能则返回至树莓派中，重新计算；若能则结合上一时刻园跟随机器人1、2发送来的位姿信息和此刻观测到跟随机器人1、2的位姿信息，发送下一时刻果园跟随机器人的位姿信息至跟随机器人1、2，并开始导航；当超声波传感器检测到障碍物时，发送信息至Arduino Mega 2560；当检测不到障碍物时，则通过Arduino Nano控制板驱动电机，果园领航机器人开始行走。
跟随机器人1和2 通过WIFI通信发送自己上一时刻的定位信息至领航机器人，若发送不成功则返回直至发送成功为止； GPS模块、IMU、里程计采集到的当前时刻机器人位置、姿态、速度、角速度、加速度信息发送至Arduino Mega 2560控制板，经Arduino Mega2560处理后发送至树莓派，树莓派结合2D激光雷达发送的位置信息、领航机器人发送的下一时刻果园跟随机器人的位姿信息，判断是否与果园地图定位一致；若不一致则返回至Arduino Mega 2560重新处理，若一致则判断下一时刻是否会碰撞到领航机器人；若碰不到则开始导航，并判断当前时刻是否有障碍物，若无障碍物则发送信息至Arduino Nano控制板驱动电机，果园跟随机器人1、2开始行走，若有障碍物则返回至Arduino Mega 2560；若收到该信息后，结合观测到的此刻跟随机器人的定位信息，将下一时刻果园跟随机器人的位姿信息发送至跟随机器人1、2，保证多机器人在果园协同作业。
上面以具体实施例予以说明实用新型的结构及工作原理，本实用新型并不局限于以上实施例，根据上述的说明内容，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种果园多机器人物理模型，其特征在于，该模型由PC机、果园领航机器人、果园跟随机器人1和果园跟随机器人2组成；
PC机通过网线先后与果园领航机器人、果园跟随机器人1、果园跟随机器人2相连，用于程序调试和编译；果园领航机器人通过WIFI分别与果园跟随机器人1和果园跟随机器人2进行双向通信，果园跟随机器人1和果园跟随机器人2分别发送传感器信息至果园领航机器人，果园领航机器人发送计算后的位姿信息至果园跟随机器人1和果园跟随机器人2，用于多机器人协同控制；
每个机器人包括上位机(1)、电源模块(2)、传感器感知模块(3)、2D激光雷达(4)、运动模块(5)、下位机(6)和果园机器人机械本体(7)；所述上位机（1）包括果园地图(11) 、树莓派(12)和显示屏(13)；所述电源模块（2）包括电源 (21)和降压模块(22)；所述传感器感知模块（3）包括GPS模块(31)、超声波传感器(32)、IMU(33)和里程计(34)；所述运动模块（5）包括电机驱动(51)和电机（52）；所述下位机（6）包括Arduino Mega 2560（61）和Arduino Nano（62）；所述果园机器人机械本体（7）包括履带底盘（71）和上层隔板（72）；上位机（1）、传感器感知模块（3）、2D激光雷达（4）、下位机（6）均安装在果园机器人机械本体（7）的上层隔板上（72）；电源模块（2）、运动模块（5）安装在果园机器人机械本体（7）的履带底盘（71）上；
所述树莓派（12）加载果园地图（11）,用于辅助多机器人在模拟果园环境内协同定位；所述2D激光雷达（4）结合已导入的果园地图（11）和传感器感知模块（3），用于单个机器人在果园定位；所述2D激光雷达（4）与树莓派（12）之间通过UART通信协议进行数据传输；所述显示屏（13）与树莓派（12）相连，用于实时显示果园机器人的运动参数及运行状态；
所述树莓派（12）与Arduino Mega 2560（61）相连，两者之间通过UART通信协议进行数据传输，用于读取和处理Arduino Mega 2560（61）发送的信息；所述Arduino Mega 2560（61）与传感器感知模块（3）相连，两者之间通过I2C通信协议进行数据传输，用于采集传感器感知模块（3）的信息；所述GPS模块（31）用于获取机器人的位置和航向信息；所述超声波传感器（32）用于果园中障碍物检测；所述IMU（33）用于获取果园机器人的姿态、角速度以及加速度信息；所述里程计（34）用于获取果园机器人的速度信息；所述树莓派（12）与ArduinoNano（62）相连，两者之间通过UART通信协议进行数据传输，用于控制运动模块（5）的速度，实现机器人转弯、直行、后退和停车功能；所述电源模块（2）对上位机（1）、传感器感知模块（3）、下位机（6）、运动模块（5）进行供电。
2.根据权利要求1所述的一种果园多机器人物理模型，其特征在于，所述果园地图（11）采用WGS84大地坐标测量获得。
3.根据权利要求1所述的一种果园多机器人物理模型，其特征在于，所述超声波传感器（32）数与果园机器人机械本体（7）数之比为2:1，电源模块（2）、传感器感知模块（3）、运动模块（5）、下位机（6）和2D激光雷达（4）的数量与果园机器人机械本体（7）的数量相同。
4.根据权利要求1所述的一种果园多机器人物理模型，其特征在于，所述树莓派（12）型号为Raspberry Pi 3b；所述显示屏（13）选用5寸电阻式触摸屏；所述电源（21）选用输出电压为12V的可充电锂电池；所述降压模块（22）为LM2596S模块；所述GPS模块（31）为NEO-7N-0-002模块；所述超声波传感器（32）为HC-SR04模块；所述IMU（33）为MPU 9250 模块；所述里程计（34）为AB相增量式编码器；所述电机驱动（51）为L298N；所述电机（52）为JGA25-370/12V 直流减速电机。
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|---|---|---|---|---|
| CN113485354A (zh) * | 2021-07-25 | 2021-10-08 | 西北农林科技大学 | 一种基于果园地图的异构多机器人定位和控制方法 |
| CN115026811A (zh) * | 2022-05-20 | 2022-09-09 | 北京理工大学 | 一种多机器人串口转wifi通讯及协同运动控制方法 |
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| CN113485354B (zh) * | 2021-07-25 | 2023-07-04 | 西北农林科技大学 | 一种基于果园地图的异构多机器人定位和控制方法 |
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