基于北斗卫星定位的浇花机器人系统的制作方法

本发明涉及一种浇花机器人系统。

背景技术：

水是生命之源，也是经济发展的命脉，人类生存的命脉，水的重要性已成为国际共识，水资源的开发、利用和保护己为世界各国所重视。而就如何合理高效利用有限的淡水资源，充分发挥资源效益己成为一个全球性急需解决的重要课题。

水资源的利用率和利用效率低下使水资源在节流方面呈现巨大的挖掘潜力，因此节水成为历史发展的必然。伴随着人们快节奏的生活、工作、学习，人们已没有很多时间去精心照顾自己种的花卉植物等，因此市场上急需一种可以代替人类劳动的产品。

现代生活中，随着人们生活水平的提高，人们对花卉、树木等绿色植物的喜爱和种植越来越多，然而以前对花木的浇灌、施肥等工作都需要靠人工来实现，由于现代生活节奏的加快，人们往往忙于工作而忘记定期、及时地为花卉补充水分及养料，或者由于放假回家而将花放在办公室没有人管理导致花木枯死。已有的浇水器需要有人控制或者定时的浇灌，不能根据植物正常生长所需要的光照、水分、温度来实时调节植物生长环境的参数，不利于花木的成长，而且现在的名贵花如果因为以上原因而死亡得不偿失。

鉴于以上情况，市场上急需提供一种能够根据温度、湿度的变化自动将水分补充给花木，达到定期、及时浇灌花木的花木自动浇灌器。

但由于现在市场上很多的喷灌设备主要是是针对温室、露天农作物、森林等大面积植物喷灌，而对于家庭小面积喷灌系统设备几乎没有。因此，需要一套能够满足家庭智能化需求的浇灌机器人。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种够满足家庭智能化需求的基于北斗卫星定位的浇花机器人系统。

本发明的技术解决方案是：

一种基于北斗卫星定位的浇花机器人系统，其特征是：包括蓄电箱、水箱，水箱底部装转向轮和驱动轮，水箱上装控制系统单元，控制系统单元上设有喷头的第一机械臂机构，控制系统单元上装设有土壤水分传感器和湿度传感器的第二机械臂机构；所述第一机械臂机构包括喷头旋转大臂组件，喷头旋转大臂组件前端装喷头旋转小臂组件，喷头旋转小臂前端装进行浇花的喷头，喷头由喷头旋转减速电机驱动，喷头旋转小臂由喷头旋转小臂减速电机驱动旋转，喷头旋转大臂由喷头旋转大臂减速电机驱动旋转；所述第二机械臂机构包括湿度探头旋转大臂组件，湿度探头旋转大臂组件前端装湿度探头旋转小臂组件，湿度探头旋转小臂组件前端设有土壤水分传感器和湿度传感器，湿度探头旋转大臂组件由湿度探头旋转大臂减速电机驱动，湿度探头旋转小臂组件由湿度探头旋转小臂减速电机驱动，湿度探头旋转小臂前端装有摄像头；控制系统单元上装超声波测距传感器；

所述控制系统包括嵌入式计算机，是控制系统的运算核心，为基于32位a9架构的arm芯片组；嵌入式计算机接有操作面板，实现对机器人的功能操作；嵌入式计算机接有rom和ram储存器，用于存储程序和参数，提供程序运行内存；嵌入式计算机接有数字和模拟量输入输出，对各种状态和控制命令的输入或输出；嵌入式计算机与土壤水分传感器、湿度传感器、超声波测距传感器连接；嵌入式计算机接有通信口，实现机器人和其他设备的信息交换，有基于rs-232/rs-485的com串口和以太网接口；

嵌入式计算机与定位系统连接，所述定位系统具有绝对坐标定位、相对定位功能；所述绝对坐标定位是采用北斗定位系统，通过北斗系统的任意四星系统所组成的定位系统，获得机器人的位置；所述相对定位功能，是采用光电编码器，通过轮系上光电编码器的数值，能精确获得当前机器人的运动位置；

所述控制系统包含三大模块：底层通讯模块，逻辑控制模块，人机交互界面；底层通讯模块：主要用于传感器/定位系统数据的采集，电机控制数字信号的输出；逻辑控制模块：浇灌逻辑控制，结合空气湿度和土壤含水量，精确匹配出当前的浇灌量，并预测下次浇灌时间；位移规划控制，通过定位信息和驱动轮的转动量，精确机器人位置，预测浇灌路径；浇灌机械臂及轮系运动控制；通过对多关节机械臂的空间位置解算，计算出机械臂各个关节控制器的运行位置；人机交互界面：通过设备运行界面，显示当前机器人的实时运行参数；通过设置界面，能设定该浇花机器人的各种控制参数或者增减不同的浇灌花卉信息，实现对机器人的最优控制。

绝对位置定位采用北斗系统终端定位模块，当接收机收到信号时，可以比对得到接收机上时间与接收到的卫星信息显示时间之间差距，这个差距乘以光速就是你和卫星之间的距离；那么你只需要解出四个参数：在地球上的三维坐标x，y，z和钟差，观测到四个卫星，就可以构建四个方程，解出四个未知数；由于定位卫星自身的特点，无时无刻不在发送则自己的空间信息，即x、y、z的坐标信息，以及发送的准确时刻；

其中只有机器人自身的x、y、z、vt0是未知数，其余数据均为各卫星发送的准确数据；

因此对于目前的第二代北斗卫星系统可以变成多元解方程组：

[(x1-x)²+(y1-y)²+(z1-z)²]^1/2+c(vt1-vt0)＝d1(1)

[(x2-x)²+(y2-y)²+(z2-z)²]^1/2+c(vt2-vt0)＝d2(2)

[(x3-x)²+(y3-y)²+(z3-z)²]^1/2+c(vt3-vt0)＝d3(3)

[(x4-x)²+(y4-y)²+(z4-z)²]^1/2+c(vt4-vt0)＝d4(4)

其中d1、d2、d3、d4分别为该接收机到各个卫星之间的距离，c为光速，(vtn-vt0)则为各个卫星发送信号与接收机信号之间的时差；通过该方程能解算出当前机器人的准确位置；x1、x2、x3、x4、y1、y2、y3、y4、z1、z2、z3、z4，分别是四个卫星在x、y、z的坐标信息。

本发明机器人系统融合多种传感器，使得浇花机器人能根据的土壤的实际情况有针对性的进行浇灌。在浇水量的控制方面实现全自动化。通过多自由度的机械手臂与伺服控制系统的结合，能实现对于浇花机器人的智能路径规划和浇灌控制。.将北斗卫星定位系统与浇花机器人相结合，能方便的实现对浇花机器人浇灌作业的自动控制。

本发明通过北斗定位系统，确定机器人当前的位置，再根据之前划定的浇灌范围，进行路径匹配计算。获取最佳的浇灌路径。通过控制器驱动电机，传动驱动轮，使得机器人靠近需要浇灌的花卉。伸出带有湿度和土壤传感器的机械臂，并插入花卉土壤，获取花卉当前土壤的准确水分含量和附近的空气湿度。根据土壤和空气湿度，匹配控制系统内部存储的对应喷灌信息。根据匹配的结果，控制带有喷头的机械臂，对准需要浇灌的花卉，进行精确控时控量的浇灌作业。浇花过程中，可开启微型摄像头，如果有需要可通过无线wifi网络将当前的喷灌画面传输到用户手机上。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

一种基于北斗卫星定位的浇花机器人系统，包括蓄电箱2、水箱20，水箱底部装转向轮1和驱动轮22，水箱上装控制系统单元17，控制系统单元上设有喷头12的第一机械臂机构，控制系统单元上装设有土壤水分传感器7和湿度传感器10的第二机械臂机构；所述第一机械臂机构包括喷头旋转大臂组件5，喷头旋转大臂组件前端装喷头旋转小臂组件11，喷头旋转小臂前端装进行浇花的喷头12，喷头由喷头旋转减速电机驱动13，喷头旋转小臂由喷头旋转小臂减速电机14驱动旋转，喷头旋转大臂由喷头旋转大臂减速电机4驱动旋转；所述第二机械臂机构包括湿度探头旋转大臂组件15，湿度探头旋转大臂组件前端装湿度探头旋转小臂组件8，湿度探头旋转小臂组件前端设有土壤水分传感器7和湿度传感器，湿度探头旋转大臂组件由湿度探头旋转大臂减速电机16驱动，湿度探头旋转小臂组件由湿度探头旋转小臂减速电机9驱动，湿度探头旋转小臂前端装有摄像头23；控制系统单元上装超声波测距传感器24；图中还有控制开关及电量显示器3、控制湿度传感器选择的的湿度探头旋转减速电机6、水箱进水口18、水箱出水口21、电源充电插口19。

所述控制系统包括：

1、嵌入式计算机：控制系统的运算核心。基于32位a9架构的arm芯片组。

2、操作面板：一块触摸屏。屏幕上提供各种操作按键、状态指示灯构成，实现对机器人的功能操作。

3、rom和ram储存器：存储程序和参数，提供程序运行内存。

4、数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。

5、土壤水分传感器：用于测量土壤当前水分含量。

6、湿度传感器：用于测量空气中水分的含量。

7、超声波测距传感器：用于判断机器人运动过程中与花卉或障碍物的距离，用于路径规划和躲避障碍。

8、电机控制器：主要由带2500线增量式编码器的伺服电机和伺服驱动器共同组成。实现机器人各关节位置、速度和加速度控制。其中伺服驱动器中自带rs485的通讯接口，可以与嵌入式计算机进行数据的交互。

9、辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制，如机械手限位开关等。

10、通信口：实现机器人和其他设备的信息交换，有基于rs-232/rs-485的com串口和以太网接口。

定位系统：

1、绝对坐标定位：北斗定位系统。通过北斗系统的任意四星系统所组成的定位系统，获得机器人的位置。

2、相对定位功能：光电编码器。通过轮系上光电编码器的数值，能精确获得当前机器人的运动位置。

嵌入式计算机与定位系统连接，所述定位系统具有绝对坐标定位、相对定位功能；所述绝对坐标定位是采用北斗定位系统，通过北斗系统的任意四星系统所组成的定位系统，获得机器人的位置；所述相对定位功能，是采用光电编码器，通过轮系上光电编码器的数值，能精确获得当前机器人的运动位置；

所述控制系统包含三大模块：底层通讯模块，逻辑控制模块，人机交互界面；底层通讯模块：主要用于传感器/定位系统数据的采集，电机控制数字信号的输出；逻辑控制模块：浇灌逻辑控制，结合空气湿度和土壤含水量，精确匹配出当前的浇灌量，并预测下次浇灌时间；位移规划控制，通过定位信息和驱动轮的转动量，精确机器人位置，预测浇灌路径；浇灌机械臂及轮系运动控制；通过对多关节机械臂的空间位置解算，计算出机械臂各个关节控制器的运行位置；人机交互界面：通过设备运行界面，显示当前机器人的实时运行参数；通过设置界面，能设定该浇花机器人的各种控制参数或者增减不同的浇灌花卉信息，实现对机器人的最优控制。

绝对位置定位采用北斗系统终端定位模块，当接收机收到信号时，可以比对得到接收机上时间与接收到的卫星信息显示时间之间差距，这个差距乘以光速就是你和卫星之间的距离；那么你只需要解出四个参数：在地球上的三维坐标x，y，z和钟差，观测到四个卫星，就可以构建四个方程，解出四个未知数；由于定位卫星自身的特点，无时无刻不在发送则自己的空间信息，即x、y、z的坐标信息，以及发送的准确时刻；

其中只有机器人自身的x、y、z、vt0是未知数，其余数据均为各卫星发送的准确数据；

因此对于目前的第二代北斗卫星系统可以变成多元解方程组：

[(x1-x)²+(y1-y)²+(z1-z)²]^1/2+c(vt1-vt0)＝d1(1)

[(x2-x)²+(y2-y)²+(z2-z)²]^1/2+c(vt2-vt0)＝d2(2)

[(x3-x)²+(y3-y)²+(z3-z)²]^1/2+c(vt3-vt0)＝d3(3)

[(x4-x)²+(y4-y)²+(z4-z)²]^1/2+c(vt4-vt0)＝d4(4)

其中d1、d2、d3、d4分别为该接收机到各个卫星之间的距离，c为光速，(vtn-vt0)则为各个卫星发送信号与接收机信号之间的时差；通过该方程能解算出当前机器人的准确位置；x1、x2、x3、x4、y1、y2、y3、y4、z1、z2、z3、z4，分别是四个卫星在x、y、z的坐标信息。

航位推算法：

它是一种经典的相对定位法，也是智能机器人目前最为广泛使用的一种定位方法。它利用机器人装备的各种传感器获取机器人的运动动态信息，通过递推累计公式获得机器人相对初试状态的估计位置。航位推算较常使用的传感器一般有：光电编码器、惯性传感器等。

出于成本考虑采用光电编码器。光电编码器一般使用安装在车轮上的光电码盘记录车轮的转数，进而获得机器人相对于上一采样时刻位置和姿态的改变量，通过这些位移量的累积就可以估计机器人的位置。码盘法优点是方法简单、价格低廉，但其容易受标定误差、车轮打滑、颠簸等因素影响，误差较大。但是由于码盘价格便宜，简单易用，可用于机器人较短时间距离内的位置估计。

增量式旋转编码器工作原理：

增量式旋转编码器通过两个光敏接收管来转化角度码盘的时序和相位关系，得到角度码盘角度位移量的增加(正方向)或减少(负方向)。