本发明属于智能农业机器人技术领域，具体涉及一种温室用机器人的底盘控制系统。
背景技术：
现实生活中，随着人们生活水平的提高，生活需求的进一步增长，蔬菜温室、花卉温室等温室的应用越来越普遍，如果始终沿用传统的人工操作的话，不仅劳作辛苦，而且效率低下。设计温室用机器人，用于移栽、施肥、修剪、采摘等环节的物料转移，搭载喷药机械、采摘机械等作业设备，进行温室的自动化作业势在必行。但由于温室造价高，用于非直接性生产的辅助空间狭小，温室用机器人的活动范围有限，这就要求温室用机器人结构紧凑、转向灵活、无污染、噪声小、不平地面通过性高。
技术实现要素：
为了解决上述存在的技术问题，本发明设计了一种温室用机器人的底盘控制系统，可以通过手机app，利用蓝牙遥控，控制温室喷药机器人移动到指定的作业地点，并根据传感器的检测数据，自行完成避障以及地头换行等作业。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
一种温室用机器人的底盘控制系统，包括主控制器，以及与所述主控制器连接的舵机控制器、各电机驱动、障碍物检测传感器和蓝牙模块，所述舵机控制器与各转向舵机连接，所述转向舵机与轮毂电机一一对应，所述电机驱动与所述轮毂电机一一对应连接，所述蓝牙模块与手机app配合工作。
进一步，所述舵机控制器通过32路舵机控制板与各转向舵机线路连接。
进一步，还包括角度传感器，所述角度传感器与所述轮毂电机一一对应，所述角度传感器设置在相对应轮毂电机的安装架立轴上，所述主控制器与各角度传感器连接。
进一步，所述角度传感器是栅格盘。
进一步，底盘本体的前后左右均设置有障碍物检测传感器，所述障碍物检测传感器是红外传感器。
进一步，所述主控制器的主体是单片机，所述主控制器还包括电压检测模块、测速模块和电机控制器。
进一步，所述主控制器的主体是pic16f877单片机。
进一步，所述电机控制器包括控制芯片、转子位置译码器、基准电压源、振荡器、误差放大器、脉冲宽度调制器，以及过流及过载保护电路和输出驱动电路。
进一步，所述控制芯片是mc33033芯片。
进一步，所述测速模块包括测速模块芯片和电机转子位置传感器。
进一步，所述测速模块芯片是mc33039芯片。
进一步，所述电压检测模块包括电位器及幅频转换器。
工作时，所述主控制器通过所述蓝牙模块，从串口读取来自手机app的指令，并将对应的指令发送给底盘驱动用的四个轮毂电机以及所述舵机控制器，进而使底盘完成指定的动作。接着进入自主移动状态，先是延时一段时间再启动，避免突然启动。然后，所述主控制器读取前后左右的红外传感器的数据，判断是否到达地头；如果到达地头，则底盘四轮转向进行换行；否则，判断底盘前方是否有障碍物。如果底盘前方没有障碍物，则底盘前行；否则，底盘先停下，保持静止状态，再判断底盘左侧是否有障碍物。如果底盘左侧没有障碍物，则底盘左移进行避障，之后再回到原来的作业轨道上去；否则，底盘会后退，退出该行。所述主控制器再次读取前后左右的红外传感器的数据，循环执行上述过程。之后所述舵机控制器会接收来自所述主控制器的指令，所述舵机控制器对来自所述主控制器的指令进行识别，并将其加工成能够直接控制32路舵机控制板的指令，进而同时控制四个转向舵机按照指令的要求进行转动。
一种温室用机器人的底盘结构，包括底盘本体及设置在底盘本体底端的四个轮毂电机，所述各轮毂电机分别与相对应的转向装置相连接以实现机器人底盘原地转向；所述底盘本体的前后左右均设置有障碍物检测传感器，所述底盘本体上还设置有主控制器。
进一步，所述转向装置包括转向舵机和传动机构，所述转向舵机通过相对应的传动机构与相对应轮毂电机的安装架立轴连接。
进一步，所述传动机构是齿轮传动机构，所述齿轮传动机构的初级主动齿轮与所述转向舵机的输出轴固连，所述齿轮传动机构的末级被动齿轮与所述轮毂电机的安装架立轴固连。
进一步，所述齿轮传动机构是一级齿轮传动机构。
进一步，所述各转向装置通过转向装置控制器与所述主控制器连接。
进一步，所述转向装置控制器是舵机控制器。
进一步，所述各轮毂电机分别通过相对应的安装架与所述底盘本体连接；所述安装架是叉结构，所述叉结构的上部立轴通过轴套和所述底盘本体可转动连接，所述叉结构下部的分叉部分与相对应轮毂电机的中心轴连接。
进一步，所述安装架与所述轮毂电机之间还设置有减震装置。
进一步，所述减震装置是设置在所述叉结构下部的分叉部分的减震弹簧。
进一步，所述障碍物检测传感器是红外传感器。
进一步，所述底盘本体上还设置有测速模块。
进一步，所述底盘本体包括上底板和下底板，所述上底板和下底板之间通过若干支架连接以形成容纳空间。
该温室用机器人的底盘控制系统具有以下有益效果：
（1）本发明可以通过app指令完成相应动作，也可以在温室中进行自动移动。
（2）本发明特别适合教学应用，携带方便，学生可以快速上手，驱动温室喷药机器人完成设定任务。
（3）本发明采用四轮驱动原地转向底盘，可以实现机器人上部保持不动，车轮以竖直的转轴为中心进行转动，从而实现小半径转弯甚至是零半径转弯。
（4）本发明中每个轮毂电机不论是行走还是转向均是单独驱动，使机器人底盘可实现复杂形式的运动。
（5）本发明可以用于移栽、施肥、修剪、采摘等环节的物料转移，也可搭载喷药机械、采摘机械等作业设备，进行温室的自动化作业。
（6）本发明可以在温室等狭小封闭的环境中应用，具有结构紧凑、转向灵活、无污染、噪声小、通过性能良好等特点。
附图说明
图1：本发明实施方式中温室用机器人底盘控制系统的结构示意图；
图2：本发明实施方式中温室用机器人底盘结构的正视图；
图3：本发明实施方式中温室用机器人底盘结构的左视图；
图4：本发明实施方式中温室用机器人底盘结构的布局示意图；
图5：本发明实施方式中单个车轮的转向检测结构示意图；
图6：本发明实施方式中车速的基本控制原理示意图；
图7：本发明实施方式中车轮电机正反转控制原理示意图；
图8：本发明实施方式中单个车轮原地转向的控制原理示意图；
图9：本发明实施方式中pic16f877单片机的最小系统电路图；
图10：本发明实施方式中车速控制电路结构示意图；
图11：本发明实施方式中保护电路结构示意图；
图12：本发明实施方式中温室用机器人底盘控制系统的主控制程序流程图；
图13：本发明实施方式中温室用机器人底盘自主移动状态的程序流程图；
图14：本发明实施方式中舵机控制器程序流程图。
附图标记说明：
1—底盘本体；11—上底板；12—下底板；13—支架；2—轮毂电机；21—电机驱动；31—转向舵机；32—传动机构；33—光栅盘；4—安装架；41—减震装置；5—轴套；6—舵机控制器；7—红外传感器；8—主控制器；9—测速模块；101—蓝牙模块；102—手机app。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步说明：
图1至图14示出了本发明温室用机器人底盘结构及其控制系统的一种实施方式。图1是本实施方式中温室用机器人底盘控制系统的结构示意图，图2是本实施方式中温室用机器人底盘结构的正视图，图3是本实施方式中温室用机器人底盘结构的左视图，图4是本实施方式中温室用机器人底盘结构的布局示意图。
如图2至图4所示，本实施方式中的温室用机器人底盘结构，包括底盘本体1及设置在底盘本体1底端的四个轮毂电机2，各轮毂电机2分别与相对应的转向装置相连接以实现机器人底盘原地转向；底盘本体1的前后左右均设置有障碍物检测传感器，底盘本体1上还设置有主控制器8。
如图2和图3所示，转向装置包括转向舵机31和传动机构32，转向舵机31通过相对应的传动机构32与相对应轮毂电机2的安装架立轴连接。
优选地，传动机构32是齿轮传动机构，齿轮传动机构的初级主动齿轮与转向舵机31的输出轴固连，齿轮传动机构的末级被动齿轮与轮毂电机2的安装架立轴固连。本实施例中，齿轮传动机构是一级齿轮传动机构，结构紧凑。
如图4所示，各转向装置通过转向装置控制器与主控制器8连接。本实施例中，转向装置控制器是舵机控制器6，各转向装置中的转向舵机31通过舵机控制器6与主控制器8连接。
如图2和图3所示，各轮毂电机2分别通过相对应的安装架4与底盘本体1连接；安装架4是叉结构，叉结构的上部立轴通过轴套5和底盘本体1的下底板12可转动连接，叉结构下部的分叉部分与相对应轮毂电机2的中心轴连接。安装架4与轮毂电机2之间还设置有减震装置41。本实施例中，减震装置41是设置在安装架4叉结构下部的分叉部分的减震弹簧，可减小震动噪声及减轻底盘上搭载的设备、物料的颠簸损伤。
如图4所示，本实施例方式中，所述障碍物检测传感器是红外传感器7。
如图2和图3所示，底盘本体1包括上底板11和下底板12，上底板11和下底板12之间通过若干支架13连接以形成容纳空间，该容纳空间可容纳安装该机器人底盘控制系统的其它零部件，以方便该机器人底盘控制系统的上表面搭载各种设备及物料。
本实施例中，各轮毂电机2、各红外传感器7、舵机控制器6分别与主控制器8相对应的io口线路连接；舵机控制器6分别与各转向舵机31通过线路连接。轮毂电机2的转向，是转向舵机31驱动传动机构的主动齿轮转动，带动从被动齿轮转动，将转向角度通过安装架4的立轴传递给轮毂电机2，实现轮毂电机2的转向，从而实现底盘的原地转向。机器人底盘的行走运动，是通过轮毂电机2围绕其中心轴线旋转从而实现其前进或后退的。本实施例中，因为各轮毂电机2的行走与转向，均是单独驱动，所以本机器人底盘可实现复杂形式的运动。
如图1所示，本实施方式中的温室用机器人底盘控制系统，包括主控制器8，以及与主控制器8连接的舵机控制器6、各电机驱动21、障碍物检测传感器和蓝牙模块101，舵机控制器6与各转向舵机31连接，转向舵机31与轮毂电机2一一对应，电机驱动21与轮毂电机2一一对应连接，蓝牙模块101与手机app102配合工作。
优选地，如图1所示，舵机控制器6通过32路舵机控制板与各转向舵机31线路连接。
优选地，还包括角度传感器，角度传感器与轮毂电机2一一对应，角度传感器设置在相对应轮毂电机2的安装架立轴上，如图5所示，图5式本实施方式中单个车轮的转向检测结构示意图，主控制器8与各角度传感器连接。本实施例中，角度传感器是栅格盘33。
优选地，底盘本体1的前后左右均设置有障碍物检测传感器，所述障碍物检测传感器是红外传感器7。
优选地，主控制器8的主体是单片机，主控制器8还包括电压检测模块、测速模块和电机控制器。本实施例中，主控制器的主体是pic16f877单片机。所述电机控制器包括控制器芯片、转子位置译码器、基准电压源、振荡器、误差放大器、脉冲宽度调制器，以及过流及过载保护电路和输出驱动电路，本实施例中，控制器芯片采用mc33033芯片。所述测速模块包括测速模块芯片和电机转子位置传感器。所述电压检测模块包括电位器及幅频转换器。本实施例中，测速模块芯片采用mc33039芯片。
具体地，如图6所示，图6是本实施方式中车速的基本控制原理示意图；包括pic16f877单片机、电压检测电路、测速模块和电机控制器，pic16f877单片机，其最小系统电路图，如图9所示。其中pin1为复位电路引脚，作为系统的开关，按下reset按钮后，内部指令重头开始执行，系统重新运作。电机控制器由转子位置译码器、基准电压源、振荡器、误差放大器、脉冲宽度调制器，以及保护电路和输出驱动电路组成。mc33033芯片、pic16f877单片机和测速模块mc33039，组成了车速控制电路，其车速控制电路如图10所示。单片机只与限流芯片mc33033的3、9、19号引脚相连，分别来控制电机的转向、转速和使能。pin15~17接电机的三相绕组，电机转子位置传感器输出接pin4~6，即接测速模块芯片mc33039的pin1~3。电机转子位置传感器将测得信号传输给mc33033，实现闭环控制。
过流及过载的保护电路如图11所示，其原理如下：r1为分压电阻，电阻r3和电容c1构成滤波器，用来消除由于电流尖峰引起的极限电路不稳定性。mosfet的源极经电流采样电阻r2后接地，通过r2将电流转换为电压，经过分压电阻r1和滤波器后，接至保护电路芯片的电流检测比较器（pin12）。因为保护电路芯片内部的反相端，已设定为100mv，用作电路限流基准。一旦电路出现过流，比较器翻转，使相应的触发器重置，将关闭mosfet上的输出，来限制电流增大。
如图7示出了车轮电机正反转控制原理，即对于正向、反向输入引脚，利用其反向作用在定子线圈上的电压，来改变电机的转动方向，即可实现调速。在控制器的基础上，事先预设一个电阻中值，当改变电位器电阻值，输入状态改变，单片机检测到的电压值变化，通过改变pwm的脉宽，控制功率管导通和关闭。设置电位器中间值，当需要执行前进或后退运动时，只需要改变电机的正反转。在程序中规定电压变大为逆时针旋转；电压变小为顺时针旋转。具体控制过程如下：将电位器两端未改变阻值时的电压进行v/f变换，得到的频率作为基准频率保存。调节电位器使之阻值变大，则其两端的电压值变大，将此时电位器两端电压进行v/f变换,将得到的频率保存。单片机采集变换后的频率，与基准频率做差，得出结果为正，则控制mc33033的输出驱动，改变转向相序，使电机逆时针转动，实现小车前进功能；反之，调节电位器使之阻值变小，使电机顺时针转动，实现后退功能。
如图5和8所示，转向电机通过一级齿轮传动，实现底盘的大角度转向。单片机接收到转向信号后，判断各个车轮立柱，及各安装架立轴的转向方向，然后驱动安装架立轴转向，在安装架立轴旋转的90°、180°、270°和360°（0°）的位置上，有角度检测开关，通过检测光栅盘33上的栅格数量，可以保证四个车轮安装架立轴大角度转向到位；转向舵机带动主动齿轮转动，驱动被动齿轮转动，实现车轮安装架立轴和车轮的共同原地转向。检测车轮转向角度的栅格盘33和车轮安装架立轴刚性连接，车轮安装架立轴转动时，主控制器8就可以获得车轮安装架立轴转过的栅格数量，就可以确定车轮转动的确定角度，完成一定范围内的精准转向。
如图12所示主控制器通过蓝牙模块101，从串口读取来自手机app102的指令，并将对应的指令发送给底盘驱动用的四个轮毂电机2以及舵机控制器6，进而使底盘完成指定的动作。其中值得注意的是，底盘是否进入到自主移动状态也是由蓝牙遥控的，底盘的自主移动程序也只是主程序的一部分。
如图13所示，底盘进入自主移动状态后，先是延时一段时间再启动，避免突然启动。然后，底盘读取前后左右的红外传感器的数据，判断是否到达地头。如果到达地头，则底盘四轮转向进行换行；否则，判断底盘前方是否有障碍物。如果底盘前方没有障碍物，则底盘前行；否则，底盘先停下，保持静止状态，再判断底盘左侧是否有障碍物。如果底盘左侧没有障碍物，则底盘左移进行避障，之后再回到原来的作业轨道上去；否则，底盘会后退，退出该行。底盘再次读取前后左右的红外传感器的数据，循环执行上述过程。
当底盘的前方和左侧都有障碍物时，底盘之所以要退出该行，是因为温室喷药机器人的喷杆和喷头是布置在温室喷药机器人右侧的，如果底盘右移避障，温室喷药机器人的喷杆和喷头可能会与植株发生干涉，从而对植株造成损伤，所以底盘只得退出该行，放弃对该行的施药作业。此时，就需要人工辅助完成行间道路的清理。
舵机控制器程序流程，如图14所示。舵机控制器6接收来自主控制器8的指令，舵机控制器6对来自主控制器8的指令进行识别，并将其加工成能够直接控制32路舵机控制板的指令，进而同时控制四个转向舵机31按照指令的要求进行转动。
本发明可以通过app指令完成相应动作，也可以在温室中进行自动移动。
本发明中，所述轮毂电机的转速的控制，是采用电位器代替电动车转把，通过改变电位器电阻值，使其两端输出不同的电压，经单片机采集后，根据输出电压的大小进行pwm脉宽调制，控制功率管导通关闭的比例来实现的。
本发明中，所述转向舵机的精确转向是通过检测车轮转向角度的栅格盘，和车轮安装架立轴刚性连接，车轮安装架立轴转动时，控制器就可以获得车轮立柱转过的栅格数量，就可以确定车轮转动的确定角度，来完成的。
本发明特别适合教学应用，携带方便，学生可以快速上手，驱动温室喷药机器人完成设定任务。
本发明采用四轮驱动原地转向底盘，可以实现机器人上部保持不动，车轮以竖直的转轴为中心进行转动，从而实现小半径转弯甚至是零半径转弯。
本发明可以在温室等狭小封闭的环境中应用，具有结构紧凑、转向灵活、无污染、噪声小、通过性能良好等特点。
本发明可以用于移栽、施肥、修剪、采摘等环节的物料转移，也可搭载喷药机械、采摘机械等作业设备，进行温室的自动化作业。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。