轮式机器人定位系统及其定位方法技术方案

本发明专利技术涉及轮式机器人定位系统及其定位方法，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、电机驱动模块、地磁传感器、陀螺仪和测速传感器；所述SLAM模块与激光雷达连接，所述电机驱动模块与各驱动轮电机连接。驱动轮有两个，分别是左驱动轮和右驱动轮，所述定位系统还包括前万向轮和后万向轮。本发明专利技术采用激光雷达、测速传感器、陀螺仪、地磁传感器，利用SLAM模块，获取机器人的姿态信息和环境信息，设计了多传感器信息融合的定位系统，实现地图绘制和定位功能，受农作物的影响较小，不必铺设导航线路。

Wheeled robot positioning system and its positioning method

The invention relates to a wheeled robot positioning system and a positioning method thereof, characterized in that the system comprises a main control module and a SLAM module, a motor driving module, a geomagnetic sensor, a gyroscope and a speed measuring sensor connected with the main control module; the SLAM module is connected with a laser radar, and the motor driving module and the driving wheels are connected with the main control module. Motor connection. The positioning system also includes a front universal wheel and a rear universal wheel. The invention adopts a lidar, a velocity sensor, a gyroscope, a geomagnetic sensor, and a SLAM module to acquire the attitude information and the environment information of the robot, and designs a multi-sensor information fusion positioning system to realize the map drawing and positioning function, which is less affected by crops and does not need to lay a navigation line.

【技术实现步骤摘要】
轮式机器人定位系统及其定位方法
本专利技术属于农业机器人
，具体涉及轮式机器人定位系统及其定位方法。
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，本专利技术设计了轮式机器人定位系统及其定位方法，受农作物的影响较小，不必铺设导航线路，可以实现轮式机器人的在温室环境下自主定位的功能。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：一种轮式机器人定位系统，包括主控模块，以及与所述主控模块连接的SLAM模块、电机驱动模块、地磁传感器、陀螺仪和测速传感器；所述SLAM模块与激光雷达连接，所述电机驱动模块与各驱动轮电机连接。进一步，所述测速传感器是编码器，所述编码器与驱动轮一一对应。进一步，驱动轮有两个，分别是左驱动轮和右驱动轮；所述定位系统还包括前万向轮和后万向轮。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自主设计的电源转化电路、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自主设计的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，所述主控模块、SLAM模块、电机驱动模块、激光雷达、陀螺仪和地磁传感器固定在轮式机器人的移动小车车体上。一种轮式机器人定位方法，包括以下步骤：S1，激光雷达扫描一个360度的二维平面地图数据并传送给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，陀螺仪采集轮式机器人与水平面的夹角信息、地磁传感器采集轮式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；S2，所述SLAM模块根据航向角将机器人应该向X轴向和Y轴向移动的速度量，及机器人转向时的角速度量传输给主控模块；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电机驱动模块，所述电机驱动模块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。进一步，上述S1中，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；然后，所述SLAM模块通过以太网进行信号传输，将增量式全局地图和机器人系统自身位置及机器人的航向角显示在上位机上。进一步，上述S2中，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轮式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轮式机器人的速度进行调控。进一步，上述S2中，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。进一步，上述S2中，所述地磁传感器固定在轮式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。该轮式机器人定位系统及其定位方法具有以下有益效果：（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，利用SLAM模块，获取机器人的姿态信息和环境信息，设计了多传感器信息融合的定位系统，实现地图绘制和定位功能，受农作物的影响较小，不必铺设导航线路。（2）相较于现有的四个驱动轮农业机器人，本专利技术只涉及两个驱动电路，设计更加简单，避免了内耗提升了传递效率，同时，移动小车的两个驱动轮在转向时的路线可以看作是以任意一车轮为圆心的半径不一样的同心圆弧，再结合两个万向轮可使小车转向更简单。（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轮式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轮式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主控模块芯片的接口示意图；图4：本专利技术实施方式中电源转化电路图；图5：本专利技术实施方式中复位电路图；图6：本专利技术实施方式中时钟电路图；图7：本专利技术实施方式中去耦电路图；图8：本专利技术实施方式中SLAM模块接口示意图；图9：本专利技术实施方式中部分接口示意图；图10：本专利技术实施方式中电源指示电路图；图11：本专利技术实施方式中蜂鸣器电路图；图12：本专利技术实施方式中轮式机器人速度控制图；图13：本专利技术实施方式中轮式机器人转向示意图；图14：本专利技术实施方式中定位系统整体的程序流程图；图15：本专利技术实施方式中SLAM模块通信程序流程图；图16：本专利技术实施方式中地磁传感器通信程序流程图；图17：本专利技术实施方式中速度控制程序流程图；图18：本专利技术实施方式中方向控制的程序流程图；图19：本专利技术实施方式中轮式机器人转向原理图。附图标记说明：1—主控模块；2—SLAM模块；3—电机驱动模块；41—电机Ⅰ；42—电机Ⅱ；5—激光雷达；6—陀螺仪；7—地磁传感器；81—编码器Ⅰ；82—编码器Ⅱ；91—前万向轮；92—后万向轮；101—左驱动轮；102—右驱动轮。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11示出了本专利技术轮式机器人定位系统的具体实施方式。图1是本实施方式中轮式机器人定位系统的模块化结构示意图；图2是本实施方式中轮式机器人定位系统的布局结构示意图。如图1和图2所示，本实施方式中的轮式机器人定位系统，包括主控模块1，以及与主控模块1连接的SLAM模块2、电机驱动模块3、地磁传感器7、陀螺仪6和测速传感器；SLAM模块2与激光雷达5连接，电机驱动模块3与各驱动轮电机连接。本实施例中，主控模块1、SLAM模块2、电机驱动模块3、激光雷达5、陀螺仪6和地磁传感器7固定在轮式机器人的移动小车车体上。SLAM模块2的接口示意图如图8所示。如图1和图2所示，本实施例中，驱动轮有两个，分别是左驱动轮101和右驱动轮102，左驱动轮101通过相应的联轴器与电机Ⅰ41连接，右驱动轮102通过相应的联轴器与电机Ⅱ42连接，电机驱动模块3与电机Ⅰ41和电机Ⅱ42连接；定位系统还包括前万向轮91和后万向轮92。如图1和图2所示，所述测速传感器是编码器，编码器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种轮式机器人定位系统，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、电机驱动模块、地磁传感器、陀螺仪和测速传感器；所述SLAM模块与激光雷达连接，所述电机驱动模块与各驱动轮电机连接。

【技术特征摘要】
1.一种轮式机器人定位系统，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、电机驱动模块、地磁传感器、陀螺仪和测速传感器；所述SLAM模块与激光雷达连接，所述电机驱动模块与各驱动轮电机连接。2.根据权利要求1所述的轮式机器人定位系统，其特征在于，所述测速传感器是编码器，所述编码器与驱动轮一一对应。3.根据权利要求1或2所述的轮式机器人定位系统，其特征在于，驱动轮有两个，分别是左驱动轮和右驱动轮；所述定位系统还包括前万向轮和后万向轮。4.根据权利要求1至3任一所述的轮式机器人定位系统，其特征在于，所述主控模块的主体是以ARM架构的STM32F103VET6芯片；所述主控模块还包括电源转化电路、复位电路、时钟电路、去耦电路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。5.根据权利要求1至4任一所述的轮式机器人定位系统，其特征在于，所述主控模块、SLAM模块、电机驱动模块、激光雷达、陀螺仪和地磁传感器固定在轮式机器人的移动小车车体上。6.一种轮式机器人定位方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，激光雷达扫描一个360度的二维平面地图数据并传送给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，陀螺仪采集轮式机器人与水平面的夹角信息、地磁传感器采集轮式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；S2，所述SLAM模块根据航向角将机器人应该向X轴向和Y轴向移动的速度量，及机器人转向时的角速度量传输给主控模块；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电机驱动模块，所述电机驱动模块驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：史颖刚，刘利，张鑫宇，慕文博，梁鑫，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