基于vslam的移动机器人控制系统设计(附件)【字数：6497】
本文针对基于运动控制系统的山区作业环境的自主农业，目前正在解决中国农业自动化程度低，现有植保机器人保护效率低，控制效果不足等问题，设计开发了自主作业植保机器人。中国大部分山区作物是单独的种植，具有地块面积小而分散的特点，再加上现有植保机械的高成本和多功能性不足。通过对国内农业自动化分析与验证，以特殊的葡萄种植环境为例，开始进行视觉采集和运动控制的研究工作。
目录
引言 1
一.移动机器人控制系统方案设计 1
（一）移动机器人功能 2
（二）方案设计 2
二.运动控制模块 6
（一）驱动模块 6
（二）底盘的控制系统 8
三.视觉采集模块 10
（一） VSLAM 整体框架简化 10
（二）VSLAM 算法选取方案 10
结论 13
致谢 14
参考文献 15
引言
自动移动植物保护机器人是提高中国垄作植物保护活动的情报水平，使果农摆脱繁重巡察的重要设备。为了实现植保机器人的自主运动，必须建立一个生态地图，且是基于所提供的实时环境信息为基础的地图。因此，在设计和生产这种机器人时，必须要有一个可靠的SLAM理论基础。并根据山区的特殊操作条件加以改进和完善[1]。
对于自主移动机器人来说，植物保护的主要技术是生态意识、SLAM、路径规划等运动控制。SLAM技术用于保护在未知环境中的植物，这是机器人自主移动的基础。传感器的选择也决定了不同方法的使用。因此，它们的特性可能有很大的不同。根据不同的环境感应器，通用的SLAM技术可分为（SLAM）同步定位和绘图技术）以视觉或激光雷达为基础[2]。
中国是世界第二大葡萄种植基地，葡萄种植面积高达1200万亩。然而，由于这些特殊条件，植物保护机器自动化水平低，人口红利消失，严重阻碍了相关行业的发展。因此，一个自主的移动植物保护机器人被设计为一个工作平台，可以取代果农巡察与记录，这将大大降低果农的劳动强度，减少环境污染，提高劳动效率。
一.移动机器人控制系统方案设计
（一）移动机器人功能
用于监测记录葡萄生长情况的四轮驱动机器人。在土质地面崎岖不平 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
、坑坑洼洼、方形种植园中，可灵活地在葡萄树间穿梭，采集葡萄的生长情况数据。
它需要对前进，后退，左右转弯有精确无延迟的控制，也要有足够的电机驱动力。路径规划为前进、右转、后退、左转，呈S型的走位。在有些情况下也实行油门加速控制、制动减速控制。
利用前端传感器采集道路的数据分析并记录，以及修改点云图以规划道路。还采集葡萄的生长情况数据，准确记录每一个藤枝的位置并保存到主控单元VCU中。
总体可分为决策模块和交通控制模块，通过所获取的环境信息和所得的旋转角来串起各系统的通信。它配备5芯电池组，具有超强续航功能。具体设计如图1.1所示。
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图11 3D模型和实体图
（二）方案设计
为了在山区环境中满足植物保护机器人的低成本，强大的多功能性和较敏捷灵活性，使用低成本的双筒相机作为一个前端的传感器来识别环境信息。植物和果树之间的局部相对方位联系和减少局部云图的大小是计划路线的下一步。用于准备在分类的障碍物网格上进行线性拟合，提取山脊中线，然后，根据一个数学模型，从而得到控制线的下一步的旋转角度信息。当VCU控制在旋转控制的底部，发动机、运行发动机和电动推杆完成指定动作，植物学家将与VCU反馈和调谐[1]。
如图12所示，植物机器人的总体编程可分为决策和交通控制模块。
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图 12 植保机器人原理图
1、传感器的选型
目前，获取环境信息的主要传感器主要包括视觉摄像机，激光雷达和RTKGPS。每一种方法都有其优点和缺点。视觉摄像机对广泛和低成本的检测具有获得完整信息的优势；照明对关键干部的识别有着重大影响，在很大程度上取决于数据处理算法和硬件。激光雷达精密稳定性能，广泛应用，但价格昂贵，特别是价值几十万的多线激光雷达，具有极大的影响。RTK GPS具有很高的导航精度，可以达到厘米，但是这种导航方法的成本太高，无法广泛宣传。
表 1.1 传感器性能对比
传感器类型
精度
布置
成本
光照影响
视觉相机
较好
好
低
强
单线激光雷达
好
好
高
一般
多线激光雷达
好
好
高
一般
RTKGPS
较好
差
高
弱
将表1.1中所示的四个传感器的性能与研究应用的场景以及植保机器人在精度，布局，成本和照明效果方面必须满足的要求进行比较，视觉摄像机就是一个难题。
2、主控单元的选型
底层传动装置的控制主要是通过“ROS决策信息”和“各种传感器的反馈信息”来进行的，以便分别控制旋转轴。在这种情况下，其精确度直接影响到整个系统的精确度。主要的VCU驱动控制模块（汽车控制模块）在系统中使用单片式STM32。它的核心是ARM CORTeX M3处理器，具有丰富的外部配置和工作频率72MHz，这通常是在自动控制领域。PID算法是通过STM32来控制汽车；同时，它也描述了ROS协议，上载车速和传感器信息以及从主机接收控制命令，通过串行端口与主机直接通信。这套协议基于发布主题订阅主题分发系统。
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图 13 STM32 图片
3、电机的选型
目前主电机分为直流电动机、交流电动机、伺服电动机和步进电动机，其中包括：直流电动机应用范围很广，负载特性好，经常超载/锁定转子特性以及较大的负载扭矩，因此可以安装减速器以根据应用进行减速/扩展并作出响应。速度也很快。但是，必须安装速度反馈设备才能实现闭环控制。
伺服电动机的主要优点是它相对容易控制速度和转矩，它重量轻并且具有良好的启动和停止特性，但是，它需要定期维护，不适合长期使用重负载。交流电动机结构简单，容易维护，但缺点是断开性能差，驱动电路过于复杂，成本较高。步进电机有良好的反馈和发射/停止特性，速度与脉冲频率相关，并且具有较宽的速度范围，然而，速度和扭矩性质太低，超载能力相对较低。考虑到低成本的应用程序驱动程序和启动驱动程序的需要，本篇文章选择无刷直流电动机作为线性起落架旋转和发动行程的发动机。
目录
引言 1
一.移动机器人控制系统方案设计 1
（一）移动机器人功能 2
（二）方案设计 2
二.运动控制模块 6
（一）驱动模块 6
（二）底盘的控制系统 8
三.视觉采集模块 10
（一） VSLAM 整体框架简化 10
（二）VSLAM 算法选取方案 10
结论 13
致谢 14
参考文献 15
引言
自动移动植物保护机器人是提高中国垄作植物保护活动的情报水平，使果农摆脱繁重巡察的重要设备。为了实现植保机器人的自主运动，必须建立一个生态地图，且是基于所提供的实时环境信息为基础的地图。因此，在设计和生产这种机器人时，必须要有一个可靠的SLAM理论基础。并根据山区的特殊操作条件加以改进和完善[1]。
对于自主移动机器人来说，植物保护的主要技术是生态意识、SLAM、路径规划等运动控制。SLAM技术用于保护在未知环境中的植物，这是机器人自主移动的基础。传感器的选择也决定了不同方法的使用。因此，它们的特性可能有很大的不同。根据不同的环境感应器，通用的SLAM技术可分为（SLAM）同步定位和绘图技术）以视觉或激光雷达为基础[2]。
中国是世界第二大葡萄种植基地，葡萄种植面积高达1200万亩。然而，由于这些特殊条件，植物保护机器自动化水平低，人口红利消失，严重阻碍了相关行业的发展。因此，一个自主的移动植物保护机器人被设计为一个工作平台，可以取代果农巡察与记录，这将大大降低果农的劳动强度，减少环境污染，提高劳动效率。
一.移动机器人控制系统方案设计
（一）移动机器人功能
用于监测记录葡萄生长情况的四轮驱动机器人。在土质地面崎岖不平 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
、坑坑洼洼、方形种植园中，可灵活地在葡萄树间穿梭，采集葡萄的生长情况数据。
它需要对前进，后退，左右转弯有精确无延迟的控制，也要有足够的电机驱动力。路径规划为前进、右转、后退、左转，呈S型的走位。在有些情况下也实行油门加速控制、制动减速控制。
利用前端传感器采集道路的数据分析并记录，以及修改点云图以规划道路。还采集葡萄的生长情况数据，准确记录每一个藤枝的位置并保存到主控单元VCU中。
总体可分为决策模块和交通控制模块，通过所获取的环境信息和所得的旋转角来串起各系统的通信。它配备5芯电池组，具有超强续航功能。具体设计如图1.1所示。
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图11 3D模型和实体图
（二）方案设计
为了在山区环境中满足植物保护机器人的低成本，强大的多功能性和较敏捷灵活性，使用低成本的双筒相机作为一个前端的传感器来识别环境信息。植物和果树之间的局部相对方位联系和减少局部云图的大小是计划路线的下一步。用于准备在分类的障碍物网格上进行线性拟合，提取山脊中线，然后，根据一个数学模型，从而得到控制线的下一步的旋转角度信息。当VCU控制在旋转控制的底部，发动机、运行发动机和电动推杆完成指定动作，植物学家将与VCU反馈和调谐[1]。
如图12所示，植物机器人的总体编程可分为决策和交通控制模块。
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图 12 植保机器人原理图
1、传感器的选型
目前，获取环境信息的主要传感器主要包括视觉摄像机，激光雷达和RTKGPS。每一种方法都有其优点和缺点。视觉摄像机对广泛和低成本的检测具有获得完整信息的优势；照明对关键干部的识别有着重大影响，在很大程度上取决于数据处理算法和硬件。激光雷达精密稳定性能，广泛应用，但价格昂贵，特别是价值几十万的多线激光雷达，具有极大的影响。RTK GPS具有很高的导航精度，可以达到厘米，但是这种导航方法的成本太高，无法广泛宣传。
表 1.1 传感器性能对比
传感器类型
精度
布置
成本
光照影响
视觉相机
较好
好
低
强
单线激光雷达
好
好
高
一般
多线激光雷达
好
好
高
一般
RTKGPS
较好
差
高
弱
将表1.1中所示的四个传感器的性能与研究应用的场景以及植保机器人在精度，布局，成本和照明效果方面必须满足的要求进行比较，视觉摄像机就是一个难题。
2、主控单元的选型
底层传动装置的控制主要是通过“ROS决策信息”和“各种传感器的反馈信息”来进行的，以便分别控制旋转轴。在这种情况下，其精确度直接影响到整个系统的精确度。主要的VCU驱动控制模块（汽车控制模块）在系统中使用单片式STM32。它的核心是ARM CORTeX M3处理器，具有丰富的外部配置和工作频率72MHz，这通常是在自动控制领域。PID算法是通过STM32来控制汽车；同时，它也描述了ROS协议，上载车速和传感器信息以及从主机接收控制命令，通过串行端口与主机直接通信。这套协议基于发布主题订阅主题分发系统。
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图 13 STM32 图片
3、电机的选型
目前主电机分为直流电动机、交流电动机、伺服电动机和步进电动机，其中包括：直流电动机应用范围很广，负载特性好，经常超载/锁定转子特性以及较大的负载扭矩，因此可以安装减速器以根据应用进行减速/扩展并作出响应。速度也很快。但是，必须安装速度反馈设备才能实现闭环控制。
伺服电动机的主要优点是它相对容易控制速度和转矩，它重量轻并且具有良好的启动和停止特性，但是，它需要定期维护，不适合长期使用重负载。交流电动机结构简单，容易维护，但缺点是断开性能差，驱动电路过于复杂，成本较高。步进电机有良好的反馈和发射/停止特性，速度与脉冲频率相关，并且具有较宽的速度范围，然而，速度和扭矩性质太低，超载能力相对较低。考虑到低成本的应用程序驱动程序和启动驱动程序的需要，本篇文章选择无刷直流电动机作为线性起落架旋转和发动行程的发动机。
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