一种采摘机器人底盘控制系统的制作方法

本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种采摘机器人底盘控制系统。

背景技术

果蔬采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33%至50%，使用人工采摘，效率低、劳动量大。因此，果蔬采摘机器人在农业自动化技术中占有重要地位，但是，采摘机器人的采摘质量，严重影响着果蔬的经济价值，随着农业生产的精确化发展，采摘机器人底盘自动控制的发展成为热点话题。而现有的采摘机器人底盘控制系统，精度低，准确度差，难以适应复杂的农业环境。

技术实现要素：

本发明设计了一种采摘机器人底盘控制系统，结合平面定位系统以及视觉识别系统，实用性强，精准度高，便于推广，解决了现有技术中的采摘机器人底盘控制系统难以根据复杂的农业环境，精准到达采摘位置的问题。

为了解决上述存在的问题，本发明采用了以下技术方案：

一种采摘机器人底盘控制系统，包括主控模块、平面定位模块、视觉识别模块、底盘行走模块和供电模块，所述平面定位模块、视觉识别模块和底盘行走模块分别与所述主控模块连接；

所述视觉识别模块，获取机器人外部环境信息，并将获取的环境信息进行处理后传送给所述主控模块；

所述平面定位模块，实时获取机器人底盘车体的姿态信息和位置信息并传送给所述主控模块；

所述主控模块，接收、存储由所述平面定位模块反馈的底盘车体的姿态与位置信息，并根据所述视觉识别模块传送的环境信息，通过算法规划出底盘车体行驶路线，计算出底盘车体前行的位置信息并给所述底盘行走控制模块发出指令；所述底盘车体前行的位置信息包括所述底盘行走控制模块中各个车轮直流电机的转动方向、转速和时间；

所述底盘行走控制模块，接收并执行所述主控模块的指令；

所述供电模块，为底盘车体提供动力。

进一步，所述平面定位模块包括电子罗盘模块和编码器模块；所述电子罗盘模块获取底盘车体运动的角度数据，输出航向角；所述编码器模块记录底盘车轮转动圈数和转动瞬时位置，以获取底盘车体的行走轨迹。

进一步，所述电子罗盘模块包括包括磁力计传感器、加速度计传感器和陀螺仪传感器；所述各传感器安装于底盘车体上，所述各传感器的输出端分别与所述主控模块的控制器ⅰ上的a/d转换模块相连接。

进一步，所述编码器模块包括设置在各底盘车轮电机上的增量式磁编码器，所述各增量式磁编码器的输出端分别与所述主控模块的控制器ⅰ上的a/d转换模块相连接。

进一步，所述视觉识别模块包括双目摄像头组，所述双目摄像头组依次通过图像处理器、usbtottl模块与所述主控模块连接；所述双目摄像头组通过两自由度云台设置在底盘车体上，所述主控模块通过云台控制器控制控制自由度云台的动作。

进一步，所述底盘行走模块包括四个车轮直流电机和两个电机驱动单元，所述主控模块的控制器ⅰ分别与两个电机驱动单元连接；所述控制器ⅰ每两个输出端口对应一个电机驱动单元，其中每个电机驱动单元并联控制底盘车体同侧的两个车轮直流电机。

进一步，所述车轮直流电机是带编码器的直流电机。

进一步，所述主控模块包括控制器ⅰ，所述控制器ⅰ是嵌入式控制器；所述控制器ⅰ采用定时器产生若干路pwm波，所述若干路pwm波分别与所述底盘行走控制模块中的两个电机驱动单元的速度信号传输端口相连接。

进一步，还包括上位机模块，所述上位机模块与所述主控模块通讯连接；所述上位机模块接收并显示所述主控模块传输来的信息。

进一步，所述上位机模块包括显示屏和控制器ⅱ，所述显示屏的控制端口和数据接口分别与所述控制器ⅱ的控制端口和数据端口相连。

进一步，所述显示屏采用触摸屏，所述控制器ⅱ采用嵌入式控制器。

进一步，所述主控模块与所述上位机模块间设有传输模块，所述传输模块包括无线发射模块和无线接收模块，所述无线发射模块与所述主控模块的控制器ⅰ连接，所述无线接收模块与所述上位机控制模块的控制器ⅱ连接；所述控制器ⅰ通过spi通信接口将数据发送给所述无线发射模块，所述无线发射模块将spi接口接收来的数据通过所述无线接收模块发送给所述控制器ⅱ。

该采摘机器人底盘控制系统具有以下有益效果：

（1）本发明提供了一种新型的平面定位系统，通过能有效缩短采摘机器人底盘调试时间，增强行驶位置的准确性，提高生产效率，并且反应快速，使用方便灵活，成本低。

（2）本发明融合视觉识别系统，通过摄像头获取环境信息，反馈给主控模块，同时通过图像处理器的计算，主控模块可以给底盘行走模块发送行走位置命令。底盘行走控制模块可根据采摘机器人视觉系统反馈的果蔬位置信息，按规划的路径进行采摘作业。控制精度高，运行平稳。

（3）本发明带有人机交互界面的采摘机器人底盘控制系统，主控模块可将通过视觉识别系统获取的图像信息通过无线模块显示在显示屏上，即操作人员可通过控制界面，看到行驶路线上的果蔬情况，使用灵活，可有效提高采摘质量和效率。

（4）本发明融合各种传感器信息，并将信息传送给主控制模块，然后对车轮直流电机进行增量式pid控制，实现了采摘机器人的自主定位。

（5）本发明使用灵活，精准度高，缩短了调试时间，有效地提高了底盘行走效率及采摘效率。

附图说明

图1：本发明实施方式中采摘机器人底盘控制系统的结构示意图；

图2：本发明实施方式中平面定位模块的结构示意图；

图3：本发明实施方式中视觉识别模块的结构示意图。

附图标记说明：

1—上位机模块；11—显示屏；12—控制器ⅱ；13—无线发射模块；2—主控模块；21—无线接收模块；22—串口通讯模块；23—控制器ⅰ；3—视觉识别模块；31—双目摄像头组；32—两自由度云台；33—云台控制器；34—图像处理器；35—usbtottl模块；4—平面定位模块；41—电子罗盘模块；411—加速度计；412—磁力计；413—陀螺仪；42—编码器模块；5—底盘行走模块；51—电机驱动单元；52—车轮直流电机；6—供电模块。

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3示出了本发明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是本实施方式中平面定位模块的结构示意图；图3是本实施方式中视觉识别模块的结构示意图。

如图1所示，本实施方式中的采摘机器人底盘控制系统，包括主控模块2、平面定位模块4、视觉识别模块3、底盘行走模块5和供电模块6，平面定位模块4、视觉识别模块3和底盘行走模块5分别与主控模块2连接；

所述视觉识别模块3，获取机器人外部环境信息，并将获取的环境信息进行处理后传送给主控模块2；

所述平面定位模块4，实时获取机器人底盘车体的姿态信息和位置信息并传送给主控模块2；

所述主控模块2，接收、存储由平面定位模块4反馈的底盘车体的姿态与位置信息，并根据视觉识别模块3传送的环境信息，通过算法规划出底盘车体行驶路线，计算出底盘车体前行的位置信息并给底盘行走控制模块5发出指令；所述底盘车体前行的位置信息包括底盘行走控制模块5中各个车轮直流电机52的转动方向、转速和时间；

所述底盘行走控制模块5，接收并执行主控模块2的指令；

所述供电模块6，为底盘车体提供动力。

优选地，平面定位模块4包括电子罗盘模块41和编码器模块42；电子罗盘模块41获取底盘车体运动的角度数据，输出航向角；编码器模块42记录底盘车轮转动圈数和转动瞬时位置，以获取底盘车体的行走轨迹，如图2所示。

具体地，电子罗盘模块41包括包括磁力计传感器411、加速度计传感器412和陀螺仪传感器413；所述各传感器安装于底盘上，所述各传感器的输出端分别与主控模块2的控制器ⅰ23上的a/d转换模块相连接，如图2所示。陀螺仪传感器413可完成机器人角速度变化计算，经卡尔曼滤波算法计算后，与磁力计传感器411、加速度计传感器412的检测参数一起整合校正，融合计算，获取机器人的角度变化，得到机器人运动的角度数据，输出航向角。

具体地，所述编码器模块42包括设置在各底盘车轮电机上的增量式磁编码器，所述各增量式磁编码器的输出端分别与主控模块2的控制器ⅰ23上的a/d转换模块相连接，如图2所示。所述编码器模块采用增量式磁编码器，主要由光栅、码盘（挡板）和检测装置组成。通过检测轮子转角可记录轮子转动圈数和转动瞬时位置，结合轮子直径换算成行走路程，并通过测算，可获取机器人走过的轨迹。

优选地，视觉识别模块3包括双目摄像头组31，双目摄像头组31依次通过图像处理器34、usbtottl模块35与主控模块2连接；双目摄像头组31通过两自由度云台32设置在底盘车体上，主控模块2通过云台控制器33控制控制自由度云台32的动作，如图3所示。

优选地，底盘行走模块5包括四个车轮直流电机52和两个电机驱动单元51，主控模块2的控制器ⅰ23分别与两个电机驱动单元51连接；控制器ⅰ23每两个输出端口对应一个电机驱动单元51，其中每个电机驱动单元51并联控制底盘车体同侧的两个车轮直流电机52，如图1所示。本实施例中，四个车轮直流电机52分别是直流电机ⅰ、直流电机ⅱ、直流电机ⅲ和直流电机ⅳ，两个电机驱动单元51分别是电机驱动ⅰ和电机驱动ⅱ。

本实施例中，车轮直流电机52是带编码器的直流电机。

优选地，主控模块2包括控制器ⅰ23，控制器ⅰ23是嵌入式控制器；控制器ⅰ23采用定时器产生若干路pwm波，所述若干路pwm波分别与底盘行走控制模块5中的两个电机驱动单元51的速度信号传输端口相连接，如图1所示。

优选地，还包括上位机模块1，上位机模块1与主控模块2通讯连接；上位机模块1接收并显示主控模块2传输来的信息。

具体地，上位机模块1包括显示屏11和控制器ⅱ12，显示屏11的控制端口和数据接口分别与控制器ⅱ12的控制端口和数据端口相连。

本实施例中，显示屏11采用触摸屏，控制器ⅱ12采用嵌入式控制器。

优选地，主控模块2与上位机模块1间设有传输模块，所述传输模块包括无线发射模块21和无线接收模块13，无线发射模块21与主控模块2的控制器ⅰ23连接，无线接收模块13与上位机控制模块1的控制器ⅱ12连接；控制器ⅰ23通过spi通信接口将数据发送给无线发射模块21，无线发射模块21将spi接口接收来的数据通过无线接收模块13发送给控制器ⅱ12。

具体地，无线发射模块21和无线接收模块13的ce，csn，sck，mosi，miso，irq引脚分别与主控模块2控制器ⅰ23和上位机模块1的控制器ⅱ12的i/o，i/o/scn，sck，mosi，miso，i/o引脚相连接；控制器ⅰ23通过spi通信接口将数据发送给无线发射模块21，无线发射模块21将spi接口接收来的数据通过无线接收模块13发送给控制器ⅱ12。

采摘模式的工作流程为：视觉识别系统3将检测到的特征信息反馈给主控模块2的控制器ⅰ23，控制器ⅰ23根据视觉识别系统3反馈的信息进行路径规划，选择合适的前进路线，然后将规划好的位置信息发送给底盘行走模块5，对电机驱动单元51发送信号，驱动车轮直流电机52工作，带动车轮行驶，同时平面定位系统4通过对增量式编码器的控制以及对电子罗盘模块41中磁力计传感器411、加速度计传感器412、陀螺仪传感器413等多种传感器的调用，来控制位置与角度，到达采摘位置。

本发明提供了一种新型的平面定位系统，通过能有效缩短采摘机器人底盘调试时间，增强行驶位置的准确性，提高生产效率，并且反应快速，使用方便灵活，成本低。

本发明融合视觉识别系统，通过摄像头获取环境信息，反馈给主控模块，同时通过图像处理器的计算，主控模块可以给底盘行走模块发送行走位置命令。底盘行走控制模块可根据采摘机器人视觉系统反馈的果蔬位置信息，按规划的路径进行采摘作业。控制精度高，运行平稳。

本发明带有人机交互界面的采摘机器人底盘控制系统，主控模块可将通过视觉识别系统获取的图像信息通过无线模块显示在显示屏上，即操作人员可通过控制界面，看到行驶路线上的果蔬情况，使用灵活，可有效提高采摘质量和效率。

本发明融合各种传感器信息，并将信息传送给主控制模块，然后对车轮直流电机进行增量式pid控制，实现了采摘机器人的自主定位。

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。