CN218226625U - 一种基于ros的轻小型农业机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于ROS的轻小型农业机器人，包括在运动底盘两侧下方分别安装驱动轮，运动底盘上方的机器人底盘外壳，在机器人底盘外壳的上安装有相互垂直的外壳固定架，机器人底盘外壳和外壳固定架之间安装有底盘外壳上层挡板，控制系统放置于底盘外壳上层挡板与机器人底盘外壳内部，外壳固定架上安装有激光雷达，外壳固定架上安装有相互平行的立杆，在立杆上固定有载物台安装架，在载物台安装架上安装有载物台，载物台安装架上安装有喷雾杆和双目立体相机，在前伸支架上安装有摄像头安装架，在摄像头安装架的下方安装相机固定及角度调节装置及双目立体相机，喷雾杆的正下方连接有雾滴喷头。本实用新型维护简单、成本低、智能化水平高，能够进行自主导航和智能作业，适合在田间和设施农业场景中进行病虫草害检测和精准喷雾等的应用。

Description

一种基于ROS的轻小型农业机器人

技术领域

本实用新型属于大田和设施农业场景中的智能检测与喷雾机器人技术领域，特别涉及一种基于ROS的轻小型农业机器人。

背景技术

大型农机多以化石能燃料(柴油、汽油等)作为动力来源，对能源的大需求和消耗量导致环境的污染和资源的浪费，此外，现有的大型农机因其大载重会使土壤条件发生变化，容易导致土壤板结和土质硬化，不利于作物的生长，尤其影响到苗期的作物。目前的农业机器人关键技术要素整合中，对环境的感知能力依然从属于弱人工智能或传统机器视觉认知阶段，已有的智能装备结构复杂、成本高、可操作性不强。

现有的大型农机结构载重大，安装过程复杂。能耗高，对土壤条件的破坏大，无法实施精准对靶喷雾。

发明内容

为了克服以上技术问题，本实用新型的目的在于提供一种基于 ROS的轻小型农业机器人，该机器人维护简单，成本低，适合在田间和温室大棚中进行应用。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种基于ROS的轻小型农业机器人，包括机器人运动底盘24，所述运动底盘24两侧下方分别安装右驱动轮1、右从动轮6、左驱动轮26、左从动轮25、左驱动轮电机27和右驱动轮电机28，左驱动轮电机27连接左驱动轮26，右驱动轮电机28连接右驱动轮1，所述运动底盘24为左右对称式结构，所述运动底盘24上方的机器人底盘外壳3，在机器人底盘外壳3的前进方向一侧通过固定结构安装有底盘前挡板2，后退方向一侧安装有急停按钮7，在机器人底盘外壳3 的正上方安装有4根相互垂直的外壳固定架8，机器人底盘外壳3和外壳固定架8之间安装有底盘外壳上层挡板22，所述底盘外壳上层挡板22前进方向一侧开有矩形口，用于散热和查看内部机器人内部控制系统23的状态，控制系统23放置于底盘外壳上层挡板22与机器人底盘外壳3内部，所述相互垂直的外壳固定架8的前进方向结构上安装有激光雷达4，外壳固定架8的正上方安装有4根相互平行的立杆9，在4根立杆9的正上方固定有4根载物台安装架11，在载物台安装架11上方安装有载物台10，载物台安装架11的前进方向一侧安装有前伸支架13，前伸支架13上设置喷雾杆17和双目立体相机16，在前伸支架13的正前方安装有摄像头安装架14，在摄像头安装架14的下方安装相机固定及角度调节装置15，摄像头固定及角度调节装置15上安装有双目立体相机16，所述喷雾杆17与喷雾软管 19的出水口相连接，喷雾杆17的正下方连接有雾滴喷头18。

所述运动底盘24采用高硬度铝合金材料。

所述右驱动轮1和左驱动轮26采用充气轮胎，左驱动轮电机27 和右驱动轮电机28为直流电机，内置编码器，所述右从动轮6和左从动轮25采用全向轮结构。

所述机器人底盘外壳3为左右对称结构，并采用高硬度铝合金材料，所述外壳固定架8采用标准铝合金型材，所述底盘外壳上层挡板 22为左右对称结构，采用高硬度铝合金材料。

所述激光雷达4采用思岚科技RPLIDAR 360A3型，测量半径为 25m，采样频率为16000次/s，采用无刷电机的皮带传动方式，运行流畅噪音低，可适用于室内室外等多种场景，所述激光雷达4可根据作业环境调整安装方向和安装高度。

所述4根立杆9和外壳固定架8相互垂直，立杆9采用标准铝合金型材，所述载物台10能够存放轻小型的工具和其他物品等，为机器人作业提供便利。

所述相机固定及角度调节装置15基于折页设计，能够根据作业需求调整相机的拍摄角度。

所述底盘外壳上层挡板22上放置储水罐及喷雾装置5，为便于加装农药或水肥混合液等，储水罐及喷雾装置5和底盘外壳上层挡板 22之间不设固定连接方式，喷雾软管19的进水口与储水罐及喷雾装置5之间通过喷雾软管接头21相连，储水罐及喷雾装置5内置微型水泵。

所述机器人底盘外壳3与底盘外壳上层挡板22之间安装固定机器人控制系统23，控制系统23中分为上位机和下位机，分别采用 Jetson TX2和STM32微控制器实现，控制系统基于ROS实现。

本实用新型的有益效果。

本实用新型以轻小型智能作业机器人的设计为目标，结构轻巧，安装过程简单。采用锂动力电池供电，能耗低、无污染，对土壤条件的破坏小，可以实施精准对靶喷雾。该实用新型控制系统的上位机基于ROS系统实现，开发过程简单、成本低，下位机利用STM32控制，控制性能良好。所述机器人安装有内部传感器(编码器、IMU)和外部传感器(激光雷达、摄像头)，能够智能感知机器人内部状态和外部环境信息，为机器人的运动控制和智能作业提供支撑。所设计的机器人维护简单，成本低，适合在田间和温室大棚中进行应用。

附图说明：

图1为本实用新型整体结构示意图(侧视图)。

图2为本实用新型整体结构示意图(斜侧图)。

图3为本实用新型运动底盘结构示意图。

图4为本实用新型本体结构示意图(不含喷雾系统)。

图5为本实用新型控制系统结构图。

图6为本实用新型远程控制工作及喷雾效果图。

图中，右驱动轮胎1、机器人本体前挡板2、机器人底盘外壳3、激光雷达4、储水罐及喷雾装置5、右从动轮6、急停按钮7、外壳固定架8、立杆9、载物台10、载物台安装架11、通信天线12、前伸支架13、摄像头安装架14、相机固定与角度调节装置15、双目立体相机16、喷雾杆17、雾滴喷头18、喷雾软管19、激光雷达安装架 20、喷雾软管接头21、底盘外壳上层挡板22、机器人控制系统23、机器人运动底盘24、左从动轮25、左驱动轮26、左驱动轮电机27、右驱动轮电机28、无线模块29、远程控制端30、作物苗31、杂草 32。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示：所述轻小型农业机器人采用四轮运动结构，两个前轮为驱动轮，两个后轮为从动轮。运动底盘上安装有外壳固定架和挡板，以保护内部控制系统和供电电源。激光雷达通过雷达安装架固定在底盘外壳的上方，其作用在于通过获取雷达数据生成点云并建立环境地图，为机器人自主导航规划作业提供环境地图支持。固定架摄像头装置和喷雾杆均安装在前进方向一侧，且两者在水平方向上留有一定的距离，目的是为在作业过程中抵消目标检测和喷雾决策存在的时间差。喷雾杆安装位置和机器人本体前挡板之间留有较大的距离，其目的在于避免喷雾时将雾滴喷在运动底盘和控制系统上。在本实用新型中，摄像头的位置、高度、角度均可以随环境和检测目标的不同进行调节，以提高工作的适用性。供电电源为锂动力电池，动力足、性能强、可循环使用次数多。

如图2所示：载物台在机器人本体的最上方，可以运输农田作业或温室作业期间常用的物资等。

如图3所示：机器人运动底盘结构简单，直流电机通过轮轴与两个驱动轮相连，直流电机内置编码器和里程计，可以方便地得出机器人的运动状态。

如图4所示：在不安装喷雾系统的情况下，该机器人可用于田间或温室中的作物生长监测以及货物运输，此时摄像头的位置一般较高，且摄像头主要获取正前方的目标物图像信息。

如图5所示：机器人控制系统的连接关系分为主控制器与STM32 微控制器之间的连接，外设与控制器之间的连接。控制器是机器人系统的核心部件，本实用新型专利所述机器人中用到了很多控制器和外设，控制器包括ROS主控(Jetson NX)和STM32微控制器，外部设备包括激光雷达、电机、编码器、水泵、驱动器、蓝牙、遥控模块、惯性测量单元等，同时提供了串口1方便后期拓展控制。STM32单片机控制器和ROS主控制器之间通过串口进行双向通信，STM32控制器使用的是串口3，波特率是115200。通信协议包括STM32控制器向ROS发送数据，ROS向STM32控制器发送数据。ROS主控负责接收来自STM32发送的编码器、IMU、GPS和电池电压等信息， STM32接收来自ROS主控器的运动底盘目标速度指令信息和电动喷雾器信息，同时STM32将机器人运动底盘的传感信息发送给ROS主控端。

如图6所示：机器人在田间环境下检测幼苗和杂草时的作业效果可以推广到更多场景中。为便于及时查看对田间目标检测的实时效果，通过远程控制端(笔记本或具备WiFi功能的台式机)与主控制器上的WiFi模块相连，借助远程控制端的可视化界面进行显示，并能实时控制机器人的运动状态。机器人检测到目标后，立即给STM32 微控制器相应的电平信号，驱动水泵开启，喷雾时长持续1-2s后结束，从而实现对靶精准喷雾。

本实用新型的工作原理：

本实用新型是集运动感知、环境感知、自主导航、目标检测、智能决策等一体的轻小型农业机器人系统，机器人的操作系统为机器人领域最常用、适合扩展应用的ROS系统。通过电机中内置的编码器和控制系统中安装的惯性测量单元IMU可以实现机器人运动状态的监测与反馈，获得机器人精确的位姿信息，为机器人运动控制和自主导航规划中的航迹推算与定位提供支持。机器人所安装的激光雷达装置能够感知作业环境信息，如环境中的静态障碍物和动态障碍物信息，并基于Cartographer算法建立环境地图，为机器人自主导航提供环境地图模型。摄像头是开展田间检测任务的视觉传感器，利用摄像头获取作物或杂草图像信息后，在上位机中的Jetson XavierNX系统中部署基于深度学习的目标检测算法(该算法经过离线训练生成)，对获取的图像信息进行目标检测。当检测到杂草信息时，上位机根据检测结果智能决策，给下位机的STM32微控制器发送信号，进而由 STM32控制水泵的开启，实现对靶喷雾。

所述基于ROS的轻小型农业机器人控制系统的连接方式为：远程控制端30通过机器人机载WiFi无线模块29与机器人ROS主控制器系统相连；ROS主控制器通过USB和激光雷达4、双目立体相机 16相连接；STM32和ROS主控制器中的连接方式为UART3；STM32 通过串口和车轮直流电机、水泵驱动相连。

Claims (9)

1.一种基于ROS的轻小型农业机器人，其特征在于，包括机器人运动底盘(24)，所述运动底盘(24)两侧下方分别安装右驱动轮(1)、右从动轮(6)、左驱动轮(26)、左从动轮(25)、左驱动轮电机(27)和右驱动轮电机(28)，左驱动轮电机(27)连接左驱动轮(26)，右驱动轮电机(28)连接右驱动轮(1)，所述运动底盘(24)为左右对称式结构，所述运动底盘(24)上方的机器人底盘外壳(3)，在机器人底盘外壳(3)的前进方向一侧通过固定结构安装有底盘前挡板(2)，后退方向一侧安装有急停按钮(7)，在机器人底盘外壳(3)的正上方安装有4根相互垂直的外壳固定架(8)，机器人底盘外壳(3)和外壳固定架(8)之间安装有底盘外壳上层挡板(22)，所述底盘外壳上层挡板(22)前进方向一侧开有矩形口，用于散热和查看内部机器人内部控制系统(23)的状态，控制系统(23)放置于底盘外壳上层挡板(22)与机器人底盘外壳(3)内部，所述相互垂直的外壳固定架(8)的前进方向结构上安装有激光雷达(4)，外壳固定架(8)的正上方安装有4根相互平行的立杆(9)，在4根立杆(9)的正上方固定有4根载物台安装架(11)，在载物台安装架(11)上方安装有载物台(10)，载物台安装架(11)的前进方向一侧安装有前伸支架(13)，前伸支架(13)上设置喷雾杆(17)和双目立体相机(16)，在前伸支架(13)的正前方安装有摄像头安装架(14)，在摄像头安装架(14)的下方安装相机固定及角度调节装置(15)，摄像头固定及角度调节装置(15)上安装有双目立体相机(16)，所述喷雾杆(17)与喷雾软管(19)的出水口相连接，喷雾杆(17)的正下方连接有雾滴喷头(18)。

2.根据权利要求1所述的一种基于ROS的轻小型农业机器人，其特征在于，所述运动底盘(24)采用高硬度铝合金材料。

3.根据权利要求1所述的一种基于ROS的轻小型农业机器人，其特征在于，所述右驱动轮(1)和左驱动轮(26)采用充气轮胎，左驱动轮电机(27)和右驱动轮电机(28)为直流电机，内置编码器，所述右从动轮(6)和左从动轮(25)采用全向轮结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于ROS的轻小型农业机器人，其特征在于，所述机器人底盘外壳(3)为左右对称结构，并采用高硬度铝合金材料，所述外壳固定架(8)采用标准铝合金型材，所述底盘外壳上层挡板(22)为左右对称结构，采用高硬度铝合金材料。

5.根据权利要求1所述的一种基于ROS的轻小型农业机器人，其特征在于，所述激光雷达(4)采用思岚科技RPLIDAR 360A3型，测量半径为25m，采样频率为16000次/s，采用无刷电机的皮带传动方式。

6.根据权利要求1所述的一种基于ROS的轻小型农业机器人，其特征在于，所述4根立杆(9)和外壳固定架(8)相互垂直，立杆(9)采用标准铝合金型材，所述载物台(10)能够存放轻小型的工具和其他物品。

7.根据权利要求1所述的一种基于ROS的轻小型农业机器人，其特征在于，所述相机固定及角度调节装置(15)基于折页设计，能够根据作业需求调整相机的拍摄角度。

8.根据权利要求1所述的一种基于ROS的轻小型农业机器人，其特征在于，所述底盘外壳上层挡板(22)上放置储水罐及喷雾装置(5)，储水罐及喷雾装置(5)和底盘外壳上层挡板(22)之间不设固定连接方式，喷雾软管(19)的进水口与储水罐及喷雾装置(5)之间通过喷雾软管接头(21)相连，储水罐及喷雾装置(5)内置微型水泵。

9.根据权利要求1所述的一种基于ROS的轻小型农业机器人，其特征在于，所述机器人底盘外壳(3)与底盘外壳上层挡板(22)之间安装固定机器人控制系统(23)，控制系统(23)中分为上位机和下位机，分别采用Jetson TX2和STM32微控制器实现。

Images