GPS在割草机器人中的应用
• • • • 1 GPS技术简介 2 割草机使用的定位方式 3 硬件设备 4 软件环境
什么是GPS，怎么运用GPS
• 全球定位系统,由GPS卫星(空间部分)地面支持系 统(地面监控部分)和GPS接收机(用户部分)组成 • GPS接收机就是利用空间的GPS卫星发送的精确 的时间和位置信息来进行定位,该系统可以提供地 球上所有点的三维坐标。由此可以实现探知草坪 边界，草坪中障碍的定位与回避。
差分定位原理
• 这四类差分方式的工作原理是相同的。 • 即，基站接收到的GPS定位数据与自己的实际位 置数据作差分,得到误差值,而在同一时刻被监测的 载体所得到的GPS卫星定位数据的误差值与基站 得到的误差值基本相同。由基站将这个误差值发 送到被测载体,在该载体上对它接收到的GPS位置 数据与基站发送来的误差值作差分,得到其位置的 真实(较精确)值,再把这个真实值发送给基站。
• GPS定位方式主要有单点定位方式和差分定位方 式 • 其中差分定位可消除影响定位精度的大部分测距 误差。目前，单点定位精度可提高到20米,但差分 定位可以进一步消除电离层对流层等带来的误差, 可使定位精度进一步提高。
差分定位
• 通过在固定测站和流动测站上进行同步观测，利 用在固定测站上所测得GPS定位误差数据改正流 动测站上定位结果的卫星定位。 • 根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分 GPS定位分为4类,即:位置差分,伪距差分,相位平滑 伪距差分,相位差分
具体软件实现
• 1 割草机器人相关运行参数的确定 根据割草机构设计者提出的要求,确定割草机器人 的运行速度 • 2 编制GPS接收机的数据接收的VisualC++程序 AgGPS132通过串口输出NMEA一0183格式的数 据信号,利用visualC++编制GPS接收机的数据接 收的程序并且实现与Access数据库链接储存定位 数据
• 美国国防部利用GPS提供的导航数据于军事目的, 同时也控制着该系统. • 尽管GPS系统主要用于军事目的,但是它在民用等 领域的价值不断得以发展,因此GPS卫星发送两种 代码:一种只为军方所使用的加密PPS码(也称P码), • 另外一种为民用的标准定位服务代码SPS码(也称 CA/码)
GPS定位方式
割草机器人的控制系统设计
思路概述
• • • • • • 1 常用割草导航方法 2 基于GPS的导航方法 3 如何实现GPS导航 4 割草机器人的运动控制系统 5 PID控制原理分析，参数的确定 6 PID控制的硬件实现与编程
Hale Waihona Puke 基于传感器的导航方法• 机器人智能化避障效果的好坏主要取决于机器人 的用于感知识别外部环境的外部传感器系统。 • 1 障碍物距离检测传感器 其中主要包括:红外测距 传感器，超声波测距传感器，激光测距传感器以 及其它可见光测距传感器等用于判断障碍物的有 无或测取障碍物的距离,适合一般的控制用 • 2 视觉传感器 本质上即为可安装在机器人上的一 类特殊用途的图像处理传感器,用于障碍物距离检 测障碍物边缘检测以及障碍物图像识别等,适用于 更高一级的控制用
GPS动态定位
• 动态定位也称运动定位,一般指接收机安装在运动 载体（小车）上在运动中进行实时或非实时(事后 处理)定位。 • 动态定位是接收机载体在连续运动状态下实现定 位
实现GPS定位的硬件设备
AgGPS132 GPS接收机 AS-RF型野外机器人
AgGPS132
• 为美国Trimble公司生产的12通道L波段卫星差分 改正双通道数字中频信标GPS接受机。它集成Ll 频段GPS，卫星差分和信标天线。其数据输入/输 出格式为:NMEA-0183输出，TRCMSC104输入。 差分位置精度为平面精度优于1米RMS,跟踪5颗卫 星, 由Trimble-4000RS或同等基准站发送RTCM SC-104格式差分信号。接收机采用差分定位模式 时可以达到亚米级差分定位精度
AS-RF型野外机器人
• AS-RF型野外机器人为上海上海广茂达伙伴机器人有限公 司生产的面向教 • 学，研究，比赛和训练的电动履带式移动机器人,其外形 尺寸为770巧50x440(长x宽x高),最大负载能力为60Kg,采 用24V1200Wh镍氢电池供电。履带左右主驱动轮分别采 用150W直流电机驱动,驱动控制方式为PWM控制,带方向 和使能信号,转向方式为左右履带差速转向,其运行最大速 度为.09米/秒,最大爬坡能力为50%grdae(30°),越障高度 为95厘米,跨沟宽度为30厘米。 • 控制程序以微软VC++6.0为平台编制,内建的库函数包括 运动控制，网络控制，基本图象处理，语音采集，AD采 样，测距，多路图象采集及处理和语音识别控制程序。我 们可以调用这些库函数来实现机器人的控制开发功能。
实时伪距差分定位
• 除在运动载体上安置有接收机外,还要求在一个己 知的基准点上安置一台接收机,在载体运动过程中, 两台接收机同时跟踪共视GPS卫星,在基准点上比 较伪距观测值和用基准点坐标计算的已知值,由此 确定伪距改正值,利用数据通讯将伪距改正值实时 发送至运动接收机进行校正。这种方法像一般差 分法可以消除钟差并显著消除星历误差和大气层 延迟误差,定位精度目前可达分米级,给出的频度可 超过每秒一次C/A码差分定位精度比单点动态定 位可提高35%
• 3 建立GPS误差模型 利用AgGPs132型接收机采集试验地点定点静态定 位数据并对数据进行分析处理,建立GPS误差模型
• 4 确定地块试验的路径
• 5 建立GPS卡尔曼滤波模型
割草机器人的运动学控制
• 主要包括对割草机器人的控制变量v和ω的控制 • 即割草机器人直线行驶v，原地转向ω
• 电机将轴的旋转运动输入到齿轮箱,然后齿轮箱的 输出轴控制轮子转动,从而驱动整个机器人的运动 • 机器人的转向通过左右履带的差速运动来实现 • 同时每个电机带有一个光电编码器, 两个电机分别 由两个电机驱动器驱动 • 光电编码器和电机的驱动器分别接入运动控制卡 • 运动控制卡输出信号给电机驱动器,同时可以读取 光电编码器的反馈值,实现各种闭环控制