阅读说明：本技术 基于ros调度系统的农场用全地形独立悬架移动机器人 (ROS (reactive oxygen species) scheduling system-based all-terrain independent suspension mobile robot for farm ) 是由 汪步云 胡汉春 王志 许德章 邓启超 李公文 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及基于ROS调度系统的农场用全地形独立悬架移动机器人,包括底盘模块、对称分布在底盘模块两侧的驱动系统模块；所述驱动系统模块与底盘模块之间连接有与地形相匹配且软硬度可调节的独立悬架系统模块,所述底盘模块、车身模块、承载模块上均设有ROS控制系统模块,对称分布的驱动系统模块之间设有与底盘模块连接以用于抑制移动机器人转向侧倾的动力平衡分配系统模块。本发明通过软硬度可调节的独立悬架系统、动力平衡分配系统,增强了移动机器人对复杂地形的适应能力,提高了稳定性能、动力利用率及负载能力。通过传感与ROS控制系统模块,实现了移动机器人户外自主导航行走、单机辆智能高效精准作业及多机辆协同配合作业。(The invention relates to an ROS (reactive oxygen species) scheduling system-based all-terrain independent suspension mobile robot for a farm, which comprises a chassis module and driving system modules symmetrically distributed on two sides of the chassis module; the vehicle-mounted robot comprises a chassis module, a driving system module, a vehicle body module, a load bearing module, a ROS control system module, a power balance distribution system module and a control system module, wherein the independent suspension system module is connected between the driving system module and the chassis module, is matched with a terrain and is adjustable in hardness, the chassis module, the vehicle body module and the load bearing module are all provided with the ROS control system module, and the power balance distribution system module is connected with the chassis module and used for restraining the mobile. According to the invention, through the independent suspension system with adjustable hardness and the power balance distribution system, the adaptability of the mobile robot to complex terrains is enhanced, and the stability, the power utilization rate and the load capacity are improved. Through the sensing and ROS control system module, the outdoor autonomous navigation walking, single-vehicle intelligent high-efficiency accurate operation and multi-vehicle cooperative operation of the mobile robot are realized.)

基于ROS调度系统的农场用全地形独立悬架移动机器人

技术领域

本发明涉及农业移动机器人技术领域，具体为基于ROS调度系统的农场用全地形独立悬架移动机器人。

背景技术

随着科技与社会的发展，未来农场会作为一种通行的农业生产组织形式，对智能化、通用化农用移动平台有着强烈的使用需求。与传统工业机器人不同，智能移动机器人涉及的环境和技术系统更加广泛和复杂，息感知与导航算法还不能完全具有通用性，部分导航算法仍停留在理论阶段，没有经过实践阶段验证，智能移动机器人并没有如人们预期的那样大量出现在人们的工作和生活中。这也就引出了当今机器人研究领域以及人工智能领域的热点问题，即如何让机器人在环境中自主移动更加稳定和可靠。目前全地形移动平台多为履带式、腿式，其负载能力有限，转向、行走控制精度低，难以在农场环境中多机具协同稳定、精准、高效作业。

如中国专利号201711180569.0中公开了同轴式全地形轮腿移动机器人，包括车体、对称设置在车体前方两侧的前腿、对称设置在车体后方的后腿，设置在车体上方对前腿和后腿实现控制的控制部分，所述的前腿和后腿与车身之间通过金属舵盘相连；所述前腿由前大臂抬升电机、前车轮转向电机、前金属舵盘、前轮毂电机、前直角支撑、前U型支撑、前电机保持架、前车轮、前腿连接件和前转向电机保持架构成，所述后腿由后大臂抬升电机、后车轮转向电机、后金属舵盘、后轮毂电机、后直角支撑、后U型支撑、后电机保持架、后车轮、后退连接件和前转向电机保持架构成。这种全地形移动机器人不具有独立悬架减震机构、动力平衡分配系统，减震效果有限且电机力矩难以分配平衡，在农场环境下行走时，车身稳定性低，转向时易单电机过载，定位精度不高。

如中国专利号201710324381.2中公开了轮履复合式全向移动机器人，包括底盘架、底盘履带装置和底盘轮式装置，底盘履带装置和底盘轮式装置均安装在底盘架上。底盘轮式装置包括四个行走轮，两个行走轮设置在底盘架的纵向前端，并对称设在底盘架的横向两侧；另外两个行走轮设置在底盘架的纵向后端，对称设在底盘架的横向两侧；底盘履带装置具有环形履带，环形履带设置在两侧的行走轮之间并沿纵向环绕；环形履带前端伸出到前端的行走轮前方，环形履带后端伸出到后端的行走轮后方；环形履带的底部高于行走轮的底部。这种全地形移动机器人越障能力强，但其行走轮采用麦克纳姆轮，使其难以在农场环境下行走，且其不具有传感与ROS控制系统模块，不具备多移动机器人协同工作。

中国是制造大国也是农业大国，目前劳动力多集中在这两种产业，《中国制造2025》多次提及智能农业工程机械与移动服务平台，发展农用全地形智能化移动平台及其工程应用。农用移动机器人能适应多地形、可匹配多种作业工具，搭载农场调度系统，实现多机具协同配合工作，可降低农场劳动力需求。

因此一种具有独立悬架、动力平衡分配系统、传感与ROS控制系统的四轮驱动、自主行走的全地形移动机器人有着庞大的市场应用前景和和推广价值。这种面向农场的全地形移动机器人具有稳定可靠性高、负载能力强、信息智能化程度高等优点。

基于ROS的全地形独立悬架移动机器人是一种有效应对农场复杂环境、具备信息感知、自主导航、搭载农场调度系统的农用全地形智能化移动平台。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了基于ROS调度系统的农场用全地形独立悬架移动机器人。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

基于ROS调度系统的农场用全地形独立悬架移动机器人，包括底盘模块、对称分布在底盘模块两侧的驱动系统模块、设置在底盘模块上的车身模块、设置在车身模块上的承载模块；所述驱动系统模块与底盘模块之间连接有与地形相匹配且软硬度可调节的独立悬架系统模块，所述底盘模块、车身模块、承载模块上均设有传感与ROS控制系统模块，对称分布的驱动系统模块之间设有与底盘模块连接以用于抑制移动机器人转向侧倾的动力平衡分配系统模块。

进一步地，所述独立悬架系统模块包括与驱动系统模块连接的减振调节组件、与底盘模块连接的减振预紧限位组件、连接减振调节组件与减振预紧限位组件的减振组件。

进一步地，所述减振调节组件包括设置在驱动系统模块上的减振器动支座及支座调节固定板，所述减振器动支座与支座调节固定板之间连接有减振器动支座导杆及调节螺栓，所述调节螺栓上安装有防滑螺母。

进一步地，所述减振预紧限位组件包括与底盘模块连接的上限位板、下限位板及法兰衬套、安装在上限位板与下限位之间且穿过法兰衬套的预紧弹簧导杆，所述减速器安装座与上限位板、下限位板之间对应设有预紧弹簧、缓冲碟簧，所述预紧弹簧套在预紧弹簧导杆上。

进一步地，所述减振组件包括设置在底盘模块上的减振器定支座、通过销轴与减振器定支座、减振调节组件连接的减振器。

进一步地，所述动力平衡分配系统模块包括对称铰接在驱动系统模块上的稳定杆杆体、对称铰接在底盘模块上的固定套摆动杆，所述稳定杆杆体之间通过万向联轴器连接，所述固定套摆动杆与对应的稳定杆杆体以相对转动的方式连接。

进一步地，所述传感与ROS控制系统模块包括环境感知传感器以及用于接收并控制的ROS控制系统。

进一步地，所述环境感知传感器包括设置在承载模块上的双目摄像头、设置在车身模块上的GPS传感器、陀螺仪、激光雷达、超声波传感器、照明灯、遥控器天线及上位机无线通信天线、设置在底盘模块上的磁导航传感器及RFID传感器。

进一步地，所述ROS控制系统包括与系统模块相连接的伺服驱动器、与伺服驱动器相连接的底盘控制器、与底盘控制器相连接的上位机ROS控制器。

本发明的有益效果是：

本发明通过与地形相匹配的、软硬度可调节的独立悬架系统，通过性能高的承载式越野底盘，动力平衡分配系统，增强了移动机器人对复杂地形的适应能力，提高了移动机器人的稳定性能、动力利用率及负载能力。另外本发明具备传感与ROS控制系统模块，使移动机器人搭载多环境感知传感器及农场调度系统，实现了移动机器人户外自主导航行走、单机辆智能高效精准作业及多机辆协同配合作业。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构***示意图；

图3为本发明的底盘减振驱动模块结构示意图；

图4为本发明的驱动减振系统结构示意图；

图5为本发明的驱动减振系统剖视示意图；

图6为本发明中驱动系统模块与底盘模块连接方式结构局部放大示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及实施例对本发明进一步阐述。

如图1至图6所示，基于ROS调度系统的农场用全地形独立悬架移动机器人，包括移动机器人强度与挠度匹配的底盘模块7、对称分布在底盘模块7两侧的驱动系统模块4、设置在底盘模块7上的车身模块3、设置在车身模块3上的承载模块1。所述驱动系统模块4与底盘模块7之间连接有与地形相匹配的独立悬架系统模块6，所述底盘模块7、车身模块3、承载模块1上均设有传感与ROS控制系统模块2，对称分布的驱动系统模块4之间设有与底盘模块7连接的动力平衡分配系统模块5。

所述车身模块3安装在底盘模块7上部，所述承载模块1安装在车身模块3上部，所述传感与ROS控制系统模块2安装在车身模块3的内部及四周。

具体地，所述底盘模块7包括工字型桥架横梁705、对应设置在工字型桥架横梁705前、后两端的前车轮桥架702、后车轮桥架704，所述前车轮桥架702、后车轮桥架704上对应安装有前保险杆701、后保险杆703。

所述车身模块3包括设置在工字型桥架横梁705上方的壳体302、位于壳体302上方的壳体顶部盖板301、位于壳体302前侧的挡泥板303以及位于壳体302后侧的壳体后盖板304。

所述承载模块1包括设置在壳体顶部盖板301上的载物台101、位于载物台101前侧的前载物台支撑凸台102以及位于载物台101后侧的后载物台支撑凸台103。

所述驱动系统模块4设有四个，分别对应安装在底盘模块7的左前、左后、右前、右后位置。所述驱动系统模块4包括与底盘模块7连接的减速器安装座401、设置在减速器安装座401上的轴承座模块402、直角减速器404，所述轴承座模块402上设有车轮模块405，所述直角减速器404连接有伺服电机403；其中，所述直角减速器404与地面形成一个向上的夹角。

所述独立悬架系统模块6与驱动系统模块4数量一致，同样对应设有四个；如图4、图5所示，为单个独立悬架系统模块6的结构示意图。所述独立悬架系统模块6包括与驱动系统模块4连接的减振调节组件、与底盘模块7连接的减振预紧限位组件、连接减振调节组件与减振预紧限位组件的减振组件。

所述减振调节组件包括设置在减速器安装座401上的减振器动支座614及支座调节固定板606，所述减振器动支座614与支座调节固定板606之间连接有减振器动支座导杆603及调节螺栓605，所述调节螺栓605上安装有防滑螺母604。

所述减振预紧限位组件包括对应设置在前车轮架702一侧上部、底部的上限位板611、下限位板607、法兰衬套608、安装在上限位板611与下限位板607之间且穿过法兰衬套608的预紧弹簧导杆610，所述减速器安装座401与上限位板611、下限位板607之间对应设有预紧弹簧609、缓冲碟簧615，所述预紧弹簧609套在预紧弹簧导杆610上。

所述减振组件包括设置在前车轮桥架702上的减振器定支座601、通过销轴612与减振器定支座601、减振器动支座614连接的减振器602。

基于上述，在农场复杂环境中作业时，车轮受到来自地面的作用力时，作用力传递到驱动系统模块4上，再传递到独立悬架系统模块6上，作用力经过减振器602时，大部分被其耗损，传递到底盘模块7上的作用力衰减，降低了移动机器人底盘模块7的颠簸程度，提高了底盘模块7的稳定性；独立悬架系统模块6中的减振调节组件与减振预紧限位组件在减振过程中起独立悬架系统模块6软硬调节功能作用，减振调节组件对独立悬架系统模块6软硬调节范围小，通过旋转调节螺栓605调节减振器602的轴线倾角，改变其受垂直面上的作用力能力大小，调节独立悬架系统模块6软硬度程度，减振预紧限位组件对独立悬架系统模块6软硬调节范围大，通过更换不同刚度大小的预紧弹簧调节独立悬架系统模块6软硬度程度，使独立悬架系统模块6与作业地形相匹配，提高底盘模块7的稳定性。驱动系统模块4以及直角减速器404与伺服电机403组成的L型面与地面形成一个向上的夹角，增强了底盘模块7的越障能力。

所述动力平衡分配系统模块5包括对称铰接在驱动系统模块4上的稳定杆杆体505、对称铰接在底盘模块7上的固定套摆动杆503，所述稳定杆杆体505之间通过万向联轴器506连接，所述固定套摆动杆503与对应的稳定杆杆体505以相对转动的方式连接。

基于上述，在动力平衡分配系统模块5中，移动机器人在复杂农场环境中作业时，左右同轴线上的两个车轮受到不同作用力时，由于移动机器人具有独立悬架系统模块6，当两车轮相对于底盘模块7跳动的高度不同，稳定杆杆体505两端不在同一水平高度，则稳定杆杆体505发生形变，产生扭矩，稳定杆杆体505具有抗扭矩的能力，稳定杆杆体505恢复原状，使得稳定杆杆体505两端保持在同一水平高度，防止车身侧翻，同时也保证了车身的稳定性；当移动机器人在转向时，移动机器人会发生侧倾现象，左右同一轴线上内侧车辆受到来自地面的作用力大，外侧车轮受到来自地面的作用力小，则车轮受到的摩擦力大小不一致，伺服电机403输出扭矩不一致，内侧伺服电机403输出功率大，外侧伺服电机403输出功率小，易导致内侧伺服电机403过载，降低了移动机器人负载力，动力平衡分配系统模块5抑制了移动机器人转向侧倾，使得左右同一轴线上的车轮保持在同一水平高度，车轮受到地面的摩擦力差距缩小，以保证移动机器人动力充分利用，防止出现“木桶效应”。

所述传感与ROS控制系统模块2包括环境感知传感器以及用于接收并控制的ROS控制系统。

所述环境感知传感器包括设置在承载模块1上的双目摄像头202、设置在车身模块3上的GPS传感器203、陀螺仪230、激光雷达205、超声波传感器207、照明灯208、遥控器天线226及上位机无线通信天线228、设置在底盘模块7上的磁导航传感器210及RFID传感器231。

所述ROS控制系统包括与伺服电机403相连接的伺服驱动器218、与伺服驱动器218相连接的底盘控制器219、与底盘控制器219相连接的上位机ROS控制器224。

具体地，所述上位机ROS控制器224用于接收、分析环境感知传感器所获取的外部信息数据，识别移动机器人下一步动作指令，再将下一步指令信号传递到与之相连接的底盘控制器219，所述底盘控制器219控制与伺服电机403相连接的伺服驱动器218，所述伺服驱动器218控制伺服电机403的运转来实现移动机器人自主决策功能。

基于上述，传感与ROS控制系统模块2中的磁导航传感器210及RFID传感器231使得移动机器人具有室内磁条循迹功能；双目摄像头202、GPS传感器203、陀螺仪230使得移动机器人具有户外自主导航行走功能；激光雷达205使得移动机器人具有避障功能；伺服驱动器218、底盘控制器219则用于控制移动机器人前进、后退和转向；上位机ROS控制器224则使得移动机器人具有农场调度功能，保证了多机辆协同配合作业，同时使移动机器人控制系统可操控多种作业工具。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。