一种能够实现位移补偿的智能巡检机器人及智能巡检方法

摘要

本发明提供一种能够实现位移补偿的智能巡检机器人及智能巡检方法，巡检机器人机身安装有树莓派、激光雷达、深度相机、云台、STM32F103RCT6开发板、底盘直流电机驱动器、底盘转向舵机、带编码器的底盘直流驱动电机、升降直流电机驱动器、升降直流电机，树莓派与远程控制计算机信号连接，便于实现对巡检机器人的远程控制以及对巡检区域的实时远程监控。本发明通过STM32F103RCT6开发板控制电机驱动器，实现对巡检机器人的直行、转弯等控制，智能化程度高，使得巡检工作更加安全方便。本发明基于CS‑BP神经网络对巡检机器人在X轴方向上产生的位移误差进行补偿，保证巡检机器人运行路线的准确性，提高其工作效率。

说明书

技术领域

本发明属于智能机器人技术领域，尤其涉及一种用于规模化鸡禽养殖场的能够实现位移补偿的智能巡检机器人及智能巡检方法。

背景技术

随着机器人技术的快速发展，智能机器人逐渐成为了现代化生产的主要力量。我国是一个鸡禽养殖大国，在鸡禽养殖过程中，对于鸡禽养殖场的每日巡检是一项十分重要的工作。鸡禽养殖场环境较为特殊，采用人工巡检的话，巡检效率较低，受人为因素影响易出现错漏，而且具有一定的危险性，而采用智能巡检机器人则能够避免上述问题。

运动控制系统是巡检机器人的重要组成部分，规模化养鸡场智能巡检机器人需具备对前进后退、转弯和制动等运动信号良好的灵敏性和准确性，且由于规模化养鸡场的环境限制，智能巡检机器人还需要具备较小的体积，且应兼具功能性和经济性。由于规模化养鸡场智能巡检机器人需要长时间在养鸡场中持续的进行巡检工作，这会导致其沿着固定轨迹行走所产生的位移误差也会不断的累积和增加，以致偏离原定的巡检路线，大大降低了机器人的工作效率。因此，有必要提供一种针对养鸡场的智能巡检机器人及相应的位移补偿方法来解决上述技术问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种能够实现位移补偿的智能巡检机器人及智能巡检方法，能够基于远程控制计算机实现对巡检机器人的远程动作控制，智能化程度高，使得巡检工作更加安全方便，还实现了对X轴方向上所产生的位移误差的计算，并能够对其进行补偿，有效保证了巡检机器人运行路线的准确性，有助于提高工作效率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种能够实现位移补偿的智能巡检机器人，包括机身，机身上安装有树莓派、导航与图像系统、STM32F103RCT6开发板、底盘直流电机驱动器、底盘转向舵机、带编码器的底盘直流驱动电机、供电系统；导航与图像系统、STM32F103RCT6开发板均与树莓派信号连接，树莓派通过无线通信方式与远程控制计算机信号连接；STM32F103RCT6开发板与多个底盘直流电机驱动器信号连接，用于控制巡检机器人前轮转向的底盘直流电机驱动器与底盘转向舵机信号连接，控制巡检机器人左右两组车轮的转速的底盘直流电机驱动器与带编码器的底盘直流驱动电机信号连接。

进一步地，所述导航与图像系统包括通过RS485总线与树莓派信号连接的安装有摄像机的云台，机身上安装有用于控制云台升降的升降直流电机，升降直流电机与升降直流电机驱动器信号连接，升降直流电机驱动器与STM32F103RCT6开发板信号连接。

进一步地，所述远程控制计算机上设置有运动控制软件系统，运动控制软件系统包括移动控制软件模块、升降控制软件模块、速度控制软件模块、加减速控制软件模块以及位移补偿模块；

移动控制软件模块控制巡检机器人的前进、后退、转弯、制动；升降控制软件模块控制云台的自适应升降运动；速度控制软件模块对巡检机器人左右两组车轮的速度进行计算与反馈修正；加减速控制软件模块对巡检机器人的加减速过程进行控制；位移补偿模块基于CS-BP神经网络，对巡检机器人运动过程中在X轴方向上产生的位移误差进行补偿。

进一步地，所述导航与图像系统包括通过USB接口与树莓派信号连接的激光雷达和深度相机，激光雷达用于辅助实现巡检机器人的实时导航与避障功能，深度相机用于辅助实现巡检机器人的寻迹与建图功能。

进一步地，所述供电系统中的锂电池组选用24V 15000mAH锂电池组，锂电池组由降压装置将24V电压转换为5V后为STM32F103RCT6开发板、树莓派供电；供电系统中连接有启动开关和急停开关，供电系统中设置有保险丝过载保护电路。

利用上述能够实现位移补偿的智能巡检机器人进行智能巡检的方法，包括如下过程：

通过WIFI将远程控制计算机与树莓派建立通信连接，远程控制巡检机器人；

导航与图像系统开启，并将实时检测数据传递给树莓派，树莓派将检测数据传递给远程控制计算机，供管理人员查看，同时对巡检机器人所处的环境进行建图，据此实现寻迹与导航；

远程控制计算机根据导航信息向树莓派发出直行指令以及直行速度控制指令，树莓派将接收到的指令同步传递给STM32F103RCT6开发板，STM32F103RCT6开发板接收并解析来自树莓派的运动指令，然后根据指令控制底盘直流电机驱动器工作，带动带编码器的底盘直流驱动电机转动，从而带动车轮转动，实现巡检机器人的直行运动；在此过程中，编码器将实时检测数据传递回STM32F103RCT6开发板，由STM32F103RCT6开发板进一步经由树莓派传递回远程控制计算机中进行分析处理，远程控制计算机中的移动控制软件模块根据巡检机器人输入的速度以及速度控制软件模块计算出的当前左右两组车轮的运动速度，计算出巡检机器人实际速度和目标指令速度的差值，调用加减速控制软件模块进行相应的加速或减速操作，下发加速或减速指令至STM32F103RCT6开发板，STM32F103RCT6开发板通过底盘直流电机驱动器控制底盘直流驱动电机的转速，对巡检机器人运动速度进行修正；

在转弯处，远程控制计算机根据导航信息，利用移动控制软件模块进行运动学算法分析，计算出相应的底盘转向舵机偏向角数据，据此发出转弯指令以及转弯速度指令至树莓派；树莓派将接收到的指令传递至STM32F103RCT6开发板，STM32F103RCT6开发板接收并解析来自树莓派的运动指令，然后根据指令控制底盘直流电机驱动器工作，控制底盘转向舵机向指定的方向偏转指定角度，从而控制与转向舵机连接的两个前轮进行转向动作；完成巡检作业任务后，远程控制计算机控制巡检机器人行驶至充电区域充电。

进一步地，所述远程控制计算机中的位移补偿模块基于CS-BP神经网络对巡检机器人在X轴方向上产生的位移误差进行补偿的具体方法如下：

选取巡检机器人在巡检过程中的五个运动参量：理论速度、实际速度、理论加速度、实际加速度、理论位移，将这五个参量作为CS-BP神经网络的输入特征，以实际位移与理论位移所产生的比值，即位移补偿系数，作为CS-BP神经网络的输出特征；

将CS-BP神经网络的输入层节点个数设置为5个，输出层节点个数设置为1个，隐含层的节点个数设置为6个，根据经验公式并在进行了多次CS-BP神经网络训练验证后，最终建立一个5-6-1的三层BP神经网络，其中，输入层和隐含层之间的传递函数选用tansig函数，隐含层和输出层之间的传递函数选用purelin函数；经验公式如下：

其中，N表示隐含层的节点个数，m表示输入层的节点个数，n表示输出层的节点个数，α表示1到10之间的常数；

实际运动过程中，CS-BP神经网络模型不断对巡检机器人的运动参量进行训练，从而持续得到下一时刻的位移补偿系数K，然后根据下式计算巡检机器人运动的实际位移，据此对巡检机器人的运动进行调整修正；

S_r＝K×S_t

其中，S_r表示机器人在X轴方向运动的实际位移；K表示位移补偿系数。

进一步地，所述巡检机器人到达指定的作业位置进行定点巡检作业时，远程控制计算机向树莓派发送制动指令，树莓派将接收到的指令传递给STM32F103RCT6开发板，STM32F103RCT6开发板通过底盘直流电机驱动器控制底盘直流驱动电机减速到零；

然后由远程控制计算机基于升降控制软件模块中的目标升降位移数据继续向树莓派发送云台升降指令，树莓派将接收到的指令传递给STM32F103RCT6开发板，STM32F103RCT6开发板接收并解析来自树莓派的运动指令后，发出PWM波控制升降直流电机驱动器的工作，带动云台升降到指定高度位置；接着，远程控制计算机向树莓派发送俯仰和旋转调整指令，树莓派根据指令，通过RS485通信方式，控制云台的俯仰自由度和旋转自由度。

进一步地，所述云台升降过程中，STM32F103RCT6开发板发出的PWM波是先增加后减少的，使得云台先进行升降加速到最大速度，临近目标高度时再进行减速升降直到停止。

本发明具有如下有益效果：

本发明所提供的智能巡检机器人满足规模化养殖场巡检机器人的实际运动需求，代替了传统的人工巡检，安全性更高，且行进和图像采集同时进行，兼具功能性和经济性；更重要的是，本发明实现了对巡检机器人X轴方向上所产生的位移误差的计算，并能够对其进行补偿，且在仿真结果中可知补偿后的位移误差远远小于未经补偿的理论值，由此可见本发明能够有效保证巡检机器人运行路线的准确性，防止发生运动路线偏移的情况，有助于提高工作效率。

本发明还能够实时准确地对巡检机器人所处的环境进行建图，从而实现巡检机器人的寻迹与导航功能。本发明整个系统能源损耗较低并且没有污染排放，应用于养殖场中时能够有效减少由于病死禽类不能及时发现而对环境造成的污染，在养殖场巡检方面具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述巡检机器人机身结构示意图；

图2为本发明所述巡检机器人的硬件系统连接示意图；

图3为本发明所述巡检机器人的供电系统连接示意图；

图4为本发明所述巡检机器人的运动控制示意图；

图5为本发明所述巡检机器人的运动控制软件系统示意图；

图6为本发明所述CS-BP神经网络模型图。

图中：101-机身；102-树莓派；103-激光雷达；104-深度相机；105-云台。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因为不能理解为对本发明的限制；术语“安装”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、2、3、5所示，本发明所述的能够实现位移补偿的智能巡检机器人包括机身101和远程控制计算机，机身101上安装有树莓派102、激光雷达103、深度相机104、云台105、STM32F103RCT6开发板、多个底盘直流电机驱动器、多个底盘转向舵机、多个带编码器的底盘直流驱动电机、升降直流电机驱动器、升降直流电机、供电系统。

如图1、2所示，机身101由树脂和铝合金材料制成；树莓派102型号为4B，树莓派102通过无线网络与远程控制计算机信号连接，用于实现巡检机器人的实时通信，同时解析传达远程计算机的指令、汇集反馈所有采集到的信息。激光雷达103、深度相机104以及安装有摄像机的云台105作为导航与图像系统，实时准确地采集巡检机器人周围的工作环境信息，并及时反馈给远程控制计算机；其中，激光雷达103通过USB接口与树莓派102信号连接，用于实现巡检机器人的实时导航与避障功能，深度相机104通过USB接口与树莓派102信号连接，用于实现机器人的寻迹与建图功能，安装有摄像机的云台105通过RS485总线与树莓派102信号连接，用于实现养鸡场内鸡群图像信息的采集，从而便于监测多层笼养鸡的健康状况。

如图2所示，STM32F103RCT6开发板通过USB接口与树莓派102信号连接，STM32F103RCT6开发板具有64个引脚以及51个IO接口，具有较高的实时处理能力，是巡检机器人的主控芯片。

如图3所示，供电系统中的锂电池组选用24V 15000mAH锂电池组，具有充电、过放、过冲、短路、过压等保护功能，为巡检机器人中的各器件并联供电；其中，锂电池组由降压装置将24V电压转换为5V后为STM32F103RCT6开发板和转接板、树莓派102供电。巡检机器人的整个供电系统中还连接有启动开关和急停开关，启动开关控制着整个巡检机器人电源的通断，基于急停开关可以在巡检机器人发生异常状况时人为断开电源，保证巡检机器人工作的安全性。供电系统还具有保险丝过载保护功能，当存在电机过载情况时，保险丝将会熔断从而保证整个系统电路不至于烧坏。

如图2、4所示，底盘直流电机驱动器均与STM32F103RCT6开发板信号连接，接收控制指定并传递数据；用于转向控制的底盘直流电机驱动器与底盘转向舵机信号连接，用于直行控制的底盘直流电机驱动器与带编码器的底盘直流驱动电机信号连接；底盘直流电机驱动器能够驱动底盘转向舵机、底盘直流驱动电机工作，从而带动巡检机器人的车轮进行转向运动和行走运动，同时编码器将采集到的巡检机器人行走速度信息传递回STM32F103RCT6开发板，供STM32F103RCT6开发板进行巡检机器人的运动分析。所述底盘直流电机驱动器均选用MOS直流电机驱动。

如图2、4所示，升降直流电机驱动器与STM32F103RCT6开发板信号连接，接收控制指定，升降直流电机驱动器还与云台上的升降直流电机信号连接，用于控制云台的升降运动；所述升降直流电机驱动器选用AQMD5410NS直流电机驱动器。

如图2、4所示，STM32F103RCT6开发板通过接收并解析来自树莓派102的运动指令，从而控制底盘直流电机驱动器工作，完成巡检机器人的前进、后退、转弯、制动等动作。STM32F103RCT6开发板通过接收并解析来自树莓派102的升降指令，并以PWM控制器调节升降直流电机的转速，从而控制云台升降的速度。

如图5所示，远程控制计算机上设置有运动控制软件系统，远程控制计算机通过运动控制软件系统控制巡检机器人的工作，运动控制软件系统包括移动控制软件模块、升降控制软件模块、速度控制软件模块、加减速控制软件模块以及位移补偿模块。移动控制软件模块用于控制巡检机器人的前进、后退、转弯、制动等动作；升降控制软件模块用于控制云台的自适应升降运动；速度控制软件模块用于对巡检机器人左右两组车轮的速度进行计算与反馈修正；加减速控制软件模块用于对巡检机器人的加减速过程进行控制；位移补偿模块采用布谷鸟搜索算法优化的BP神经网络，即如图6所示的CS-BP神经网络，对巡检机器人运动过程中在X轴方向上产生的位移误差进行补偿。

利用本发明所述的能够实现位移补偿的智能巡检机器人进行巡检的方法如下：

通过WIFI将远程控制计算机与树莓派102建立通信连接，对巡检机器人进行远程控制；

激光雷达103、深度相机104、云台105的摄像头均开启，并实时将检测数据传递给树莓派102，树莓派102将检测数据传递给远程控制计算机，以便实时准确地对巡检机器人所处的环境进行建图，据此实现巡检机器人的寻迹与导航功能，同时便于管理人员实时了解养殖场内部情况；

如图4所示，远程控制计算机根据导航信息向树莓派102发出直行指令以及直行速度控制指令，树莓派102将接收到的指令同步传递给STM32F103RCT6开发板，STM32F103RCT6开发板接收并解析来自树莓派102的运动指令，然后根据指令控制底盘直流电机驱动器工作，带动带编码器的底盘直流驱动电机转动，从而带动车轮转动，实现巡检机器人的直行运动；在此过程中，编码器将实时检测数据传递回STM32F103RCT6开发板，由STM32F103RCT6开发板进一步经由树莓派102传递回远程控制计算机中进行分析处理，远程控制计算机中的移动控制软件模块根据巡检机器人输入的速度以及速度控制软件模块计算出的当前左右两组车轮的运动速度，计算出巡检机器人实际速度和目标指令速度的差值，调用加减速控制软件模块进行相应的加速或减速操作，下发加速或减速指令至STM32F103RCT6开发板，STM32F103RCT6开发板通过底盘直流电机驱动器控制底盘直流驱动电机的转速，进而实现对巡检机器人运动速度的控制修正。

如图4所示，在转弯处，远程控制计算机根据导航信息，利用移动控制软件模块进行运动学算法分析，计算出相应的底盘转向舵机偏向角数据，据此发出转弯指令(即底盘转向舵机运动指令)以及转弯速度指令至树莓派102；树莓派102将接收到的指令传递至STM32F103RCT6开发板，STM32F103RCT6开发板接收并解析来自树莓派102的运动指令，然后根据指令控制底盘直流电机驱动器工作，控制底盘转向舵机向指定的方向偏转指定角度，从而控制与转向舵机连接的两个前轮进行转向动作，完成巡检机器人的转弯动作；在此过程中，转弯时的速度控制修正过程与直行时相同。

远程控制计算机继续以相同的方式控制巡检机器人根据导航进行巡检，当到达指定的作业位置后，需要巡检运动对养殖场内某一区域进行长期监控时，远程控制计算机向树莓派102发送制动指令，树莓派102将接收到的指令传递给STM32F103RCT6开发板，STM32F103RCT6开发板通过底盘直流电机驱动器控制底盘直流驱动电机减速到零。

然后由远程控制计算机基于升降控制软件模块中的目标升降位移数据继续向树莓派102发送云台升降指令，树莓派102将接收到的指令传递给STM32F103RCT6开发板，STM32F103RCT6开发板接收并解析来自树莓派102的运动指令后，发出PWM波控制升降直流电机驱动器的工作，带动云台升降到指定高度位置。云台升降过程中，STM32F103RCT6开发板发出的PWM波是先增加后减少的，以便于云台105能够先进行升降加速到最大速度，临近目标高度时再进行减速升降直到停止。接着，远程控制计算机向树莓派102发送俯仰和旋转调整指令，树莓派102根据指令，通过RS485通信方式，控制云台的俯仰自由度和旋转自由度，以便于巡检机器人可以很好地对多层笼养鸡的鸡只行为进行监测与反馈。

完成作业任务后，远程控制计算机控制巡检机器人重新运动，离开作业区域，行驶至充电区域进行充电。

巡检机器人经过长时间的巡检运动后，其沿着固定轨迹行走所产生的位移误差也会不断累积，如不加以修正会偏离原定的巡检路线。本发明中的位移补偿模块采采用布谷鸟搜索算法优化的BP神经网络，即CS-BP神经网络，对巡检机器人运动过程中在X轴方向上产生的位移误差进行补偿，具体如下：

影响巡检机器人产生位置偏差的因素主要分为运动参数变量与结构参数变量两大类，而由于巡检机器人的结构参数不同引起的误差最终也通过运动参量的变化体现，因此本发明选取巡检机器人在巡检过程中的五个运动参量：理论速度、实际速度、理论加速度、实际加速度、理论位移，将这五个参量作为CS-BP神经网络的输入特征，以实际位移与理论位移所产生的比值，即位移补偿系数作为CS-BP神经网络的输出特征；

将CS-BP神经网络的输入层节点个数设置为5个，输出层节点个数设置为1个，隐含层的节点个数设置为6个，根据经验公式并在进行了多次CS-BP神经网络训练验证后，最终建立一个5-6-1的三层BP神经网络，其中，输入层和隐含层之间的传递函数选用tansig函数，隐含层和输出层之间的传递函数选用purelin函数；经验公式如下：

其中，N表示隐含层的节点个数，m表示输入层的节点个数，n表示输出层的节点个数，α表示1到10之间的常数；

图6中，V_t表示理论速度、V_r表示实际速度、a_t表示理论加速度、a_r表示实际加速度、S_t表示巡检机器人在X轴方向运动的理论位移；W^1、W^2均表示权重；b^1、b^2均表示偏置；f^1表示tansig函数；f^2表示purelin函数；K表示位移补偿系数。

实际运动过程中，CS-BP神经网络模型不断对巡检机器人的运动参量进行训练，从而持续得到下一时刻的位移补偿系数K，然后根据下式计算巡检机器人运动的实际位移，据此对巡检机器人的运动进行调整修正；

S_r＝K×S_t

其中，S_r表示机器人在X轴方向运动的实际位移；K表示位移补偿系数。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。