一种除草机器人防侧翻的车身稳定系统

1.本发明涉及除草机器人技术领域，尤其涉及一种除草机器人防侧翻的车身稳定系统。


背景技术：

2.割草设备一般包括割草机器人和打草机，割草机器人为一种智能化庭院护理设备，可自动按照规划的路径进行大面积割草操作，而打草机具有打草头，能够发挥一般的打草和修边功能。
3.现有的除草机器人，在工作中往往会出现侧翻的情况，特别是在起伏较大或者草坪地形不平整的情况下，这不仅影响了机器人的工作效率，还给操作人员带来一定的安全隐患。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种除草机器人防侧翻的车身稳定系统，以解决现有除草机器人在除草时车身不稳定容易侧翻的问题。
5.基于上述目的，本发明提供了一种除草机器人防侧翻的车身稳定系统。
6.一种除草机器人防侧翻的车身稳定系统，包括惯性测量单元(imu)、自适应倾斜控制算法、电子防倾斜系统、底盘、重心传感器、控制系统、活塞和油管；
7.所述重心传感器安装于底盘，且重心传感器可检测机器人的重心位置，为控制系统提供数据支持；
8.所述活塞以及油管属于除草机器人的配重系统，活塞的伸缩和油管内油液的走向对除草机器人进行实时调节；
9.所述控制系统，可根据重心位置、倾斜角度、姿态速度等信息，配合活塞、油管调整除草机器人的稳定性；
10.所述电子防倾斜系统通过控制机器人的倾斜角度和转向角度，对机器人的稳定控制，该系统基于先进的电子控制技术，能够精确控制机器人的运动。
11.进一步的，所述控制系统由嵌入式微处理器、多机不锁存器和控制算法构成，所述控制算法分为姿态控制、偏航控制和避障控制。
12.进一步的，所述姿态控制算法使用加速度计和陀螺仪等内置传感器监测机器人的倾斜姿态，计算出机器人的倾斜角度，当机器人倾斜角度超过预设范围时，控制系统将会启动防侧翻稳定系统，机器人将会自动减速制动并/或发出警报信号，具体公式如下：
13.控制指令＝kp*姿态误差+ki*积分项+kd*微分项
14.其中：
15.kp、ki、kd是控制算法的参数，用于调节控制指令的比例、积分和微分部分的权重。
16.姿态误差是期望姿态与实际姿态之间的差异，可以使用欧拉角或四元数等方式表示；
17.积分项是姿态误差的累积，用于消除持续性的姿态误差；
18.微分项是姿态误差的变化率，用于预测姿态误差的趋势，以提前调整控制指令。
19.进一步的，所述偏航控制算法使用陀螺仪等传感器监测机器人的航向角度，调整机器人的方向并避免机器人偏离规划路径，在遇到障碍物时，机器人会发出避障信号并调整路径，具体公式如下：
20.控制指令＝kp_yaw*偏航角误差+ki_yaw*积分项_yaw
21.其中：
22.kp_yaw、ki_yaw是控制算法的参数，用于调节控制指令的比例和积分部分的权重；
23.偏航角误差是期望偏航角与实际偏航角之间的差异，通常使用欧拉角或角度值表示；
24.积分项_yaw是偏航角误差的累积，用于消除持续性的偏航角误差。
25.进一步的，所述避障控制算法使用摄像头或激光雷达等传感器在机器人前方作为导航，提供导航信息，当机器人与障碍物相遇时，控制系统将启动反转系统，具体公式如下：
26.控制指令＝kd*(目标距离-测量距离)
27.其中：
28.kd是控制算法的参数，用于调节控制指令的权重；
29.目标距离是机器人与目标路径或障碍物之间的期望安全距离；
30.测量距离是距离传感器测量到的机器人与障碍物之间的实际距离。
31.进一步的，所述惯性测量单元(imu)用于实时监测机器人的姿态、角速度和线加速度参数并综合分析整合数据，通过实时获取的数据，系统能够快速判断机器人的倾斜状态，所述惯性测量单元(imu)包括：
32.加速度计：加速度计用于测量机器人在三个轴向(通常是x、y和z轴)上的加速度，其基于质量与惯性之间的关系，通过检测物体的加速度来推测物体所受的力的大小，测量机器人在不同方向上的加速度，加速度计可以提供关于机器人位置变化和线加速度的信息；
33.陀螺仪：陀螺仪用于测量机器人在三个轴向上的角速度，即机器人围绕x、y和z轴旋转的速度，陀螺仪利用角动量守恒定律，通过测量旋转的角度变化率来获得角速度信息，实时监测机器人的旋转、转向或者倾斜状态；
34.磁力计：磁力计用于测量机器人所处的磁场强度和方向，它基于物体周围的磁场对传感器的影响，通过检测磁场的变化来确定机器人的朝向，磁力计配合加速度计、陀螺仪，提供准确姿态测量。
35.进一步的，所述自适应倾斜的控制算法基于传感器数据和机器人的运行状态，系统采用自适应控制算法来实时调整机器人的姿态，通过计算得到的控制指令，系统可以自动调整机器人的重心位置和车轮速度。
36.进一步的，所述自适应倾斜的控制算法具体包括：
37.传感器数据采集：除草机器人配备了各种传感器，例如倾斜传感器、加速度计、陀螺仪等，这些传感器实时测量机器人的姿态、角速度和线加速度等参数，并将数据传输给控制系统；
38.倾斜状态判定：控制系统利用传感器数据进行倾斜状态的判定，通过分析姿态数
据，控制系统能够检测到机器人是否发生了倾斜或者趋于倾斜的情况；
39.控制指令生成：一旦倾斜状态被检测到，控制系统根据传感器数据和预设的安全范围，生成相应的控制指令，这些控制指令包括调整机器人的重心位置、车轮速度等；
40.自适应调整：生成的控制指令被发送给机器人的执行单元，机器人根据指令进行相应的调整，这些调整可以包括调整车轮转速、调整工作装置的位置等，以实现稳定的运行状态。
41.实时反馈与调整：机器人在执行调整后，再次通过传感器测量自身的姿态数据，控制系统根据实时反馈的数据进行调整，不断优化控制指令，以使机器人保持稳定的工作状态。
42.本发明的有益效果：
43.本发明，通过在机器人底盘部分安装重心传感器，可以及时感知机器人重心的变化，并将其传回控制系统，控制系统通过实时计算机器人的重心位置、倾斜角度和速度等信息，自动控制机器人的结构和运动方式，以保持其稳定性，在机器人的两侧安装活塞，并通过油管相连，当机器人向一侧倾斜时，活塞会自动扩展并将油液转移到对侧的活塞中，来平衡重心而不倒。
44.本发明，通过设置的惯性测量单元(imu)，可以实时监测机器人的姿态、角速度和线加速度等参数，通过实时获取的数据，系统能够快速判断机器人的倾斜状态，为后续的控制提供准确的依据，通过采用自适应控制算法来实时调整机器人的姿态，通过计算得到的控制指令，可自动调整重心位置和轮速实现有效的防侧翻控制，还配合一套电子防倾斜系统，基于先进的电子控制技术，能够精确控制机器人的运动，提高其在复杂地形中的稳定性和可靠性。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
46.图1为本发明实施例的系统示意图；
47.图2为本发明实施例的控制系统示意图；
48.图3为本发明实施例的自适应倾斜控制算法示意图；
49.图4为本发明实施例的惯性测量单元各传感器示意图。
具体实施方式
50.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
51.需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举
的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
52.如图1-4所示，一种除草机器人防侧翻的车身稳定系统，包括惯性测量单元(imu)、自适应倾斜控制算法、电子防倾斜系统、底盘、重心传感器、控制系统、活塞和油管；
53.重心传感器安装于底盘，且重心传感器可检测机器人的重心位置，为控制系统提供数据支持；
54.活塞以及油管属于除草机器人的配重系统，活塞的伸缩和油管内油液的走向对除草机器人进行实时调节；
55.控制系统，可根据重心位置、倾斜角度、姿态速度等信息，配合活塞、油管调整除草机器人的稳定性；
56.电子防倾斜系统通过控制机器人的倾斜角度和转向角度，对机器人的稳定控制，该系统基于先进的电子控制技术，能够精确控制机器人的运动，提高其在复杂地形中的稳定性和可靠性。
57.控制系统由嵌入式微处理器、多机不锁存器和控制算法构成，控制算法分为姿态控制、偏航控制和避障控制。
58.姿态控制算法使用加速度计和陀螺仪等内置传感器监测机器人的倾斜姿态，计算出机器人的倾斜角度，当机器人倾斜角度超过预设范围时，控制系统将会启动防侧翻稳定系统，该算法根据机器人的姿态误差(期望姿态与实际姿态之间的差异)计算出一个控制指令，以调整机器人的姿态，具体公式如下：
59.控制指令＝kp*姿态误差+ki*积分项+kd*微分项
60.其中：
61.kp、ki、kd是控制算法的参数，用于调节控制指令的比例、积分和微分部分的权重。
62.姿态误差是期望姿态与实际姿态之间的差异，可以使用欧拉角或四元数等方式表示；
63.积分项是姿态误差的累积，用于消除持续性的姿态误差；
64.微分项是姿态误差的变化率，用于预测姿态误差的趋势，以提前调整控制指令；
65.通过不断调整控制指令，姿态控制算法可以使机器人快速且稳定地达到期望的姿态，从而实现精确的定位和导航。
66.偏航控制算法使用陀螺仪等传感器监测机器人的航向角度，调整机器人的方向并避免机器人偏离规划路径，在遇到障碍物时，机器人会发出避障信号并调整路径，避免碰撞，该算法根据偏航角误差(期望偏航角与实际偏航角之间的差异)计算出一个控制指令，以调整机器人的偏航运动，具体公式如下：
67.控制指令＝kp_yaw*偏航角误差+ki_yaw*积分项_yaw
68.其中：
69.kp_yaw、ki_yaw是控制算法的参数，用于调节控制指令的比例和积分部分的权重；
70.偏航角误差是期望偏航角与实际偏航角之间的差异，通常使用欧拉角或角度值表示；
71.积分项_yaw是偏航角误差的累积，用于消除持续性的偏航角误差。
72.避障控制算法使用摄像头或激光雷达等传感器在机器人前方作为导航，提供导航信息，当机器人与障碍物相遇时，控制系统将启动反转系统，机器人将会向后倒退一定距离来避免卡住或碰撞，该算法根据距离传感器测量到的障碍物距离信息，生成相应的控制指令，使机器人绕过障碍物，具体公式如下：
73.控制指令＝kd*(目标距离-测量距离)
74.其中：
75.kd是控制算法的参数，用于调节控制指令的权重；
76.目标距离是机器人与目标路径或障碍物之间的期望安全距离；
77.测量距离是距离传感器测量到的机器人与障碍物之间的实际距离；
78.通过计算控制指令，避障控制算法可以使机器人根据实时的障碍物距离调整其路径和速度，以避免与障碍物碰撞，并维持安全距离。
79.惯性测量单元(imu)用于实时监测机器人的姿态、角速度和线加速度参数并综合分析整合数据，通过实时获取的数据，系统能够快速判断机器人的倾斜状态，为后续的控制提供准确的依据。
80.自适应倾斜的控制算法基于传感器数据和机器人的运行状态，系统采用自适应控制算法来实时调整机器人的姿态，通过计算得到的控制指令，系统可以自动调整机器人的重心位置和车轮速度，以实现有效的防侧翻控制，自适应倾斜的控制算法具体包括：
81.传感器数据采集：除草机器人配备了各种传感器，例如倾斜传感器、加速度计、陀螺仪等，这些传感器实时测量机器人的姿态、角速度和线加速度等参数，并将数据传输给控制系统；
82.倾斜状态判定：控制系统利用传感器数据进行倾斜状态的判定，通过分析姿态数据，控制系统能够检测到机器人是否发生了倾斜或者趋于倾斜的情况；
83.控制指令生成：一旦倾斜状态被检测到，控制系统根据传感器数据和预设的安全范围，生成相应的控制指令，这些控制指令包括调整机器人的重心位置、车轮速度等；
84.自适应调整：生成的控制指令被发送给机器人的执行单元，机器人根据指令进行相应的调整，这些调整可以包括调整车轮转速、调整工作装置的位置等，以实现稳定的运行状态。
85.实时反馈与调整：机器人在执行调整后，再次通过传感器测量自身的姿态数据，控制系统根据实时反馈的数据进行调整，不断优化控制指令，以使机器人保持稳定的工作状态；
86.自适应倾斜控制算法的核心思想是通过实时监测和分析机器人的姿态数据，以及根据机器人当前的运行状态，动态调整控制指令，使机器人能够自适应地适应不同的工作环境和地形条件，从而实现有效的防侧翻稳定控制。这种算法能够提高除草机器人的稳定性和安全性，减少侧翻风险，保护机器人和周围环境的安全。
87.本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种除草机器人防侧翻的车身稳定系统，其特征在于，包括惯性测量单元(imu)、自适应倾斜控制算法、电子防倾斜系统、底盘、重心传感器、控制系统、活塞和油管；所述重心传感器安装于底盘，且重心传感器可检测机器人的重心位置，为控制系统提供数据支持；所述活塞以及油管属于除草机器人的配重系统，活塞的伸缩和油管内油液的走向对除草机器人进行实时调节；所述控制系统，可根据重心位置、倾斜角度、姿态速度等信息，配合活塞、油管调整除草机器人的稳定性；所述电子防倾斜系统通过控制机器人的倾斜角度和转向角度，对机器人的稳定控制。2.根据权利要求1所述的一种除草机器人防侧翻的车身稳定系统，其特征在于，所述控制系统由嵌入式微处理器、多机不锁存器和控制算法构成，所述控制算法分为姿态控制、偏航控制和避障控制。3.根据权利要求2所述的一种除草机器人防侧翻的车身稳定系统，其特征在于，所述姿态控制算法使用加速度计和陀螺仪等内置传感器监测机器人的倾斜姿态，计算出机器人的倾斜角度，该算法根据机器人的姿态误差(期望姿态与实际姿态之间的差异)计算出一个控制指令，以调整机器人的姿态，具体公式如下：控制指令＝kp*姿态误差+ki*积分项+kd*微分项其中：kp、ki、kd是控制算法的参数，用于调节控制指令的比例、积分和微分部分的权重。姿态误差是期望姿态与实际姿态之间的差异，可以使用欧拉角或四元数等方式表示；积分项是姿态误差的累积，用于消除持续性的姿态误差；微分项是姿态误差的变化率，用于预测姿态误差的趋势，以提前调整控制指令。4.根据权利要求2所述的一种除草机器人防侧翻的车身稳定系统，其特征在于，所述偏航控制算法使用陀螺仪等传感器监测机器人的航向角度，调整机器人的方向并避免机器人偏离规划路径，该算法根据偏航角误差(期望偏航角与实际偏航角之间的差异)计算出一个控制指令，以调整机器人的偏航运动，具体公式如下：控制指令＝kp_yaw*偏航角误差+ki_yaw*积分项_yaw其中：kp_yaw、ki_yaw是控制算法的参数，用于调节控制指令的比例和积分部分的权重；偏航角误差是期望偏航角与实际偏航角之间的差异，通常使用欧拉角或角度值表示；积分项_yaw是偏航角误差的累积，用于消除持续性的偏航角误差。5.根据权利要求2所述的一种除草机器人防侧翻的车身稳定系统，其特征在于，所述避障控制算法使用摄像头或激光雷达等传感器在机器人前方作为导航，提供导航信息，该算法根据距离传感器测量到的障碍物距离信息，生成相应的控制指令，使机器人绕过障碍物，具体公式如下：控制指令＝kd*(目标距离-测量距离)其中：kd是控制算法的参数，用于调节控制指令的权重；目标距离是机器人与目标路径或障碍物之间的期望安全距离；
测量距离是距离传感器测量到的机器人与障碍物之间的实际距离。6.根据权利要求1所述的一种除草机器人防侧翻的车身稳定系统，其特征在于，所述惯性测量单元(imu)用于实时监测机器人的姿态、角速度和线加速度参数并综合分析整合数据，所述惯性测量单元(imu)包括：加速度计：加速度计用于测量机器人在三个轴向(通常是x、y和z轴)上的加速度，其基于质量与惯性之间的关系，通过检测物体的加速度来推测物体所受的力的大小，测量机器人在不同方向上的加速度，加速度计可以提供关于机器人位置变化和线加速度的信息；陀螺仪：陀螺仪用于测量机器人在三个轴向上的角速度，即机器人围绕x、y和z轴旋转的速度，陀螺仪利用角动量守恒定律，通过测量旋转的角度变化率来获得角速度信息，实时监测机器人的旋转、转向或者倾斜状态；磁力计：磁力计用于测量机器人所处的磁场强度和方向，它基于物体周围的磁场对传感器的影响，通过检测磁场的变化来确定机器人的朝向，磁力计配合加速度计、陀螺仪，提供准确姿态测量；惯性测量单元(imu)中的上述传感器通过采集机器人的运动信息，并将数据传输给控制系统，对机器人姿态、角速度和线加速度等参数的实时监测，控制系统可以根据这些数据进行姿态估计和运动分析，稳定控制机器人，通过imu的实时监测，及时检测到机器人的倾斜、旋转或者加速度变化，为后续的控制算法提供准确的输入和反馈，以确保机器人在作业过程中的稳定性和安全性。7.根据权利要求1所述的一种除草机器人防侧翻的车身稳定系统，其特征在于，所述自适应倾斜的控制算法基于传感器数据和机器人的运行状态，系统采用自适应控制算法来实时调整机器人的姿态。8.根据权利要求7所述的一种除草机器人防侧翻的车身稳定系统，其特征在于，所述自适应倾斜的控制算法具体包括：传感器数据采集：除草机器人配备了各种传感器，例如倾斜传感器、加速度计、陀螺仪等，这些传感器实时测量机器人的姿态、角速度和线加速度等参数，并将数据传输给控制系统；倾斜状态判定：控制系统利用传感器数据进行倾斜状态的判定，通过分析姿态数据，控制系统能够检测到机器人是否发生了倾斜或者趋于倾斜的情况；控制指令生成：一旦倾斜状态被检测到，控制系统根据传感器数据和预设的安全范围，生成相应的控制指令，这些控制指令包括调整机器人的重心位置、车轮速度等；自适应调整：生成的控制指令被发送给机器人的执行单元，机器人根据指令进行相应的调整，这些调整可以包括调整车轮转速、调整工作装置的位置等，以实现稳定的运行状态。实时反馈与调整：机器人在执行调整后，再次通过传感器测量自身的姿态数据，控制系统根据实时反馈的数据进行调整，不断优化控制指令，以使机器人保持稳定的工作状态。

技术总结
本发明涉及除草机器人技术领域，具体涉及一种除草机器人防侧翻的车身稳定系统，包括惯性测量单元(IMU)、自适应倾斜控制算法、电子防倾斜系统、底盘、重心传感器、控制系统、活塞和油管；所述重心传感器安装于底盘，且重心传感器可检测机器人的重心位置，为控制系统提供数据支持；所述活塞以及油管属于除草机器人的配重系统，活塞的伸缩和油管内油液的走向对除草机器人进行实时调节；所述控制系统，可根据重心位置、倾斜角度、姿态速度等信息，配合活塞、油管调整除草机器人的稳定性。本发明，自动控制机器人的结构和运动方式，以保持其稳定性，可自动调整重心位置和轮速实现有效的防侧翻控制，提高其在复杂地形中的稳定性和可靠性。提高其在复杂地形中的稳定性和可靠性。提高其在复杂地形中的稳定性和可靠性。


技术研发人员：周斯加 孙明忠
受保护的技术使用者：温州大学平阳智能制造研究院
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/1