一种农业机器人定位系统技术方案

本发明专利技术涉及一种农业机器人定位系统，其特征在于，包括主控模块，以及与所述主控模块连接的SLAM模块、地磁传感器、各电机驱动和测速传感器；所述SLAM模块与激光雷达和陀螺仪连接，所述电机驱动与驱动轮电机一一对应连接，所述驱动轮电机与驱动轮一一对应连接。所述驱动轮有四个，分别是左前轮、左后轮、右前轮和右后轮。所述测速传感器是编码器，所述编码器与所述驱动轮一一对应。本发明专利技术采用激光雷达、编码器、陀螺仪、地磁传感器，设计了多传感器信息融合的导航定位系统，实现地图绘制和定位功能，受农作物的影响较小。

An agricultural robot positioning system

The invention relates to an agricultural robot positioning system, which includes the main control module, the SLAM module, the geomagnetic sensor, the motor drive and the speed measuring sensor connected with the main control module. The SLAM module is connected with the laser radar and the gyroscope, and the electric machine is driven by the driving wheel motor one by one. The driving wheel motor is connected with the driving wheel one by one. There are four driving wheels, namely, the left front wheel, the left rear wheel, the right front wheel and the right rear wheel. The speed sensor is an encoder, and the encoder corresponds to the driving wheel one by one. Using laser radar, encoder, gyroscope and geomagnetic sensor, the navigation and positioning system of multi sensor information fusion is designed to realize map rendering and positioning function, which is less affected by the crops.

【技术实现步骤摘要】
一种农业机器人定位系统
本专利技术属于农业机器人
，具体涉及一种农业机器人定位系统。
技术介绍
目前的室内导航系统，有无线定位导航系统、自动寻线导航系统等。但是，在农业温室环境中，无线定位导航系统的信号传输会受到农作物的影响，自动寻线导航系统需要铺设导航线路，无法适应多变复杂的农业环境。
技术实现思路
为了解决上述存在的技术问题，本专利技术设计了一种农业机器人定位系统，受农作物的影响较小，不必铺设导航线路，可以实现农业机器人的在温室环境下自主定位导航的功能。为了解决上述存在的技术问题，本专利技术采用了以下方案：一种农业机器人定位系统，包括主控模块，以及与所述主控模块连接的SLAM模块、地磁传感器、各电机驱动和测速传感器；所述SLAM模块与激光雷达和陀螺仪连接，所述电机驱动与驱动轮电机一一对应连接，所述驱动轮电机与驱动轮一一对应连接。进一步，所述测速传感器是编码器，所述编码器与所述驱动轮一一对应。进一步，所述驱动轮有四个，分别是左前轮、左后轮、右前轮和右后轮。进一步，所述陀螺仪采用MPU-6050模块。进一步，所述主控模块的主体是以ARM架构的STM32F103VET6芯片。进一步，所述主控模块还包括电源转化电路、复位电路、时钟电路及去耦电路。进一步，所述主控模块还包括电源指示灯电路和蜂鸣器电路；所述蜂鸣器电路提示所述定位系统工作的相关进度。进一步，所述驱动轮电机是直流电机。进一步，所述主控模块、SLAM模块、各电机驱动、激光雷达、陀螺仪和地磁传感器固定在农业机器人的移动小车车体上。工作时，所述激光雷达扫描一个360度的二维平面地图数据并传送给所述SLAM模块，所述SLAM模块对该二维平面地图数据处理并提取地图中的特征点、判断机器人在环境中的位置；同时，所述陀螺仪采集农业机器人与水平面的夹角信息、所述地磁传感器采集农业机器人在水平面内的方向信息，并分别传送给所述SLAM模块，所述SLAM模块经过数据融合算法得到角度数据从而确定机器人的航向角；然后，所述SLAM模块根据航向角将机器人应该向X轴向（左右向）和Y轴向（前后向）移动的速度量，及机器人转向时的角速度量传输给所述主控模块；所述主控模块根据所述SLAM模块传输来的速度量、以及各编码器、所述地磁传感器、所述陀螺仪适时采集的信息，发送电机控制信号给各电机驱动，所述各电机驱动驱动各驱动轮电机进行正转或反转或调速，实现机器人的前进或后退或左转前进或右转前进或左转后退或右转后退或速度调节或停止的基本运动动作。具体地，所述SLAM模块将所述激光雷达扫描的二维平面地图这样的局部地图数据进行SLAM算法处理，并构建出增量式全局地图，同时确定机器人系统自身的位置。具体地，所述陀螺仪采集车轮与水平地面的夹角；当车轮因地面凹陷或凸起偏离水平位置时，所述陀螺仪采集两者之间的夹角并将数据传输到所述SLAM模块，经SLAM算法处理数据后继续传输到所述主控模块，进而由所述主控模块产生算法对农业机器人姿态进行调整；当小车处于上坡、下坡或平路的不同路况时，所述陀螺仪采集车轮与水平地面的夹角，并将数据通过所述SLAM模块传输到所述主控模块，所述主控模块产生算法对农业机器人的速度进行调控。具体地，所述各编码器分别采集各驱动轮的速度并传送给所述主控模块，所述主控模块采用PID速度控制算法精确控制机器人各驱动轮的速度。具体地，所述地磁传感器固定在农业机器人的移动小车车体上；当移动小车需要转向时，所述地磁传感器首先记录初始的地磁传感器和地磁场方向的夹角，然后随着移动小车转向不断获取所述地磁传感器和地磁场方向之间的动态的夹角，所述适时动态的夹角与初始的夹角相减，得到移动小车转过的角度；所述主控模块产生控制机器人速度的PWM波，再通过PID方向控制算法，保证机器人以目标方向移动。该农业机器人定位系统具有以下有益效果：（1）本专利技术采用激光雷达、测速传感器（编码器）、陀螺仪、地磁传感器，设计了多传感器信息融合的导航定位系统，实现地图绘制和定位导航功能，受农作物的影响较小。（2）本专利技术采用了分别独立驱动的四个驱动轮，相较于两个驱动轮的轮式机器人，本专利技术更适用于地面凹凸不平的农业温室环境，驱动力更强，克服障碍和防止打滑的能力也有所提升。（3）本专利技术系统研究了传感器融合算法和直流电机的增量式PID控制算法，编写了系统控制程序，实现了机器人的自主定位，并设计机器人行驶过程中的控制策略。最终，通过实地实验，验证了该系统能基本满足农业温室移动机器人的定位要求。附图说明图1：本专利技术实施方式中农业机器人定位系统的模块化结构示意图；图2：本专利技术实施方式中农业机器人定位系统的布局结构示意图；图3：本专利技术实施方式中农业机器人速度控制图；图4：本专利技术实施方式中农业机器人转向示意图；图5：本专利技术实施方式中定位系统整体的程序流程图；图6：本专利技术实施方式中SLAM模块通信程序流程图；图7：本专利技术实施方式中地磁传感器通信程序流程图；图8：本专利技术实施方式中速度控制程序流程图；图9：本专利技术实施方式中方向控制的程序流程图。附图标记说明：1—主控模块；2—SLAM模块；3—激光雷达；4—陀螺仪；5—地磁传感器；61—电机驱动Ⅰ；62—电机驱动Ⅱ；63—电机驱动Ⅲ；64—电机驱动Ⅳ；71—电机Ⅰ；72—电机Ⅱ；73—电机Ⅲ；74—电机Ⅳ；81—编码器Ⅰ；82—编码器Ⅱ；83—编码器Ⅲ；84—编码器Ⅳ；91—左前轮；92—左后轮；93—右前轮；94—右后轮。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术做进一步说明：图1至图9示出了本专利技术农业机器人定位系统的具体实施方式。图1是本实施方式中农业机器人定位系统的模块化结构示意图；图2是本实施方式中农业机器人定位系统的布局结构示意图。如图1和图2所示，本实施方式中的农业机器人定位系统，包括主控模块1，以及与主控模块1连接的SLAM模块2、地磁传感器5、各电机驱动和测速传感器；SLAM模块2与激光雷达3和陀螺仪4连接，电机驱动与驱动轮电机一一对应连接，驱动轮电机与驱动轮一一对应连接。本实施例中，驱动轮有四个，分别是左前轮91、左后轮92、右前轮93和右后轮94，各个驱动轮独立驱动，电机驱动Ⅰ61通过电机Ⅰ71驱动左前轮91，电机驱动Ⅱ62通过电机Ⅱ72驱动左后轮92，电机驱动Ⅲ63通过电机Ⅲ73驱动右前轮93，电机驱动Ⅳ64通过电机Ⅳ74驱动右后轮94。优选地，测速传感器是编码器，编码器与驱动轮一一对应。本实施例中，编码器有四个，分别是编码器Ⅰ81、编码器Ⅱ82、编码器Ⅲ83和编码器Ⅳ84，编码器Ⅰ81、编码器Ⅱ82、编码器Ⅲ83和编码器Ⅳ84分别采集左前轮91、左后轮92、右前轮93和右后轮94的速度，编码器Ⅰ81、编码器Ⅱ82、编码器Ⅲ83和编码器Ⅳ84与主控模块1相对应的IO口线路连接。本实施例中，主控模块1、SLAM模块2、各电机驱动、激光雷达3、陀螺仪4和地磁传感器5固定在农业机器人的移动小车车体上。本实施例中，陀螺仪4采用MPU-6050模块。此模块是一个6轴运动处理传感器。它集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计，可以通过其I2C接口输出一个6轴的信号，经过卡尔曼滤波算法与地磁传感器5进行整合校正，可以实时掌握机器人角度变化，同激光雷达3结合SLAM模块2确定机器人的位置及朝向。本实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种农业机器人定位系统，其特征在于，包括主控模块，以及与所述主控模块连接的SLAM模块、地磁传感器、各电机驱动和测速传感器；所述SLAM模块与激光雷达和陀螺仪连接，所述电机驱动与驱动轮电机一一对应连接，所述驱动轮电机与驱动轮一一对应连接。

【技术特征摘要】
1.一种农业机器人定位系统，其特征在于，包括主控模块，以及与所述主控模块连接的SLAM模块、地磁传感器、各电机驱动和测速传感器；所述SLAM模块与激光雷达和陀螺仪连接，所述电机驱动与驱动轮电机一一对应连接，所述驱动轮电机与驱动轮一一对应连接。2.根据权利要求1所述的农业机器人定位系统，其特征在于，所述驱动轮有四个，分别是左前轮、左后轮、右前轮和右后轮。3.根据权利要求1或2所述的农业机器人定位系统，其特征在于，所述测速传感器是编码器，所述编码器与所述驱动轮一一对应。4.根据权利要求1或2所述的农业机器人定位系统，其特征在于，所述陀螺仪采用MPU-6050模块。5.根据权利要求3所述的农业机器人定位系统，其特征在于，所述陀螺仪采用MPU-6050模块。6.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：史颖刚，刘利，李政坤，王勇，陈客舟，张鑫宇，陈昊，张德伟，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61