智能割草機(jī)器人設(shè)計說明書

1、本科畢業(yè)設(shè)計說明書題 目: 智能割草機(jī)器人的研究院 （部 : 機(jī)電學(xué)院專 業(yè): 機(jī)械工程及自動化班 級: 姓 名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: 完成日期: 2013年6月15日文檔可自由編輯打印摘 要 本文首先對國內(nèi)外市場上現(xiàn)存的智能割草機(jī)器人進(jìn)行了介紹和比較，指出了現(xiàn)在智能割草機(jī)器人研制過程中需要注意的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合以往的成功經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)在的實(shí)際需求，選擇了結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)的三輪車體結(jié)構(gòu)。根據(jù)智能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)要求，確定了以AT89C51單片機(jī)為核心的智能割草機(jī)器人控制方案，將智能割草機(jī)器人的控制系統(tǒng)劃分成了電機(jī)驅(qū)動單元、電機(jī)控制單元和傳感單元等幾個部分，最終確定了智能割草機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)。 針對上

2、述要求，進(jìn)行了智能割草機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計。首先，根據(jù)相關(guān)的計算確定了所需驅(qū)動電機(jī)的參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行了電機(jī)選型。然后根據(jù)選擇的電機(jī)情況為智能割草機(jī)器人設(shè)計了驅(qū)動系統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)。最后，結(jié)合智能割草機(jī)器人的任務(wù)特點(diǎn)，為其設(shè)計了特制的割草機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動割草機(jī)器入自主執(zhí)行割草任務(wù)的關(guān)鍵部分，根據(jù)具體的任務(wù)要求結(jié)合低成本的思想，確定了為電機(jī)控制和傳感系統(tǒng)分別設(shè)置獨(dú)立處理芯片的策略，控制系統(tǒng)首先對各個傳感器件發(fā)送的環(huán)境信號進(jìn)行預(yù)處理，再為智能割草機(jī)器人的運(yùn)動控制反饋合適的環(huán)境信息。然后電機(jī)控制單元結(jié)合發(fā)送的信號對智能割草機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動調(diào)節(jié)。關(guān)鍵詞:智能割草機(jī)器人；移動機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)

3、計；電機(jī)控制；傳感系統(tǒng)；割草機(jī)構(gòu)Research and Development of Autonomous Robot Lawn MowerABSTRACTThis paper first introduces and compares existing mower robots，point out the key technologies and the successful experience for autonomous robot lawn mower development,chose a simple tricycle structure.According to the ne

4、eds of autonomous robot lawn mowercontrol system。selected a single chip as the core controller for robot motion control，anddivides the total control system into Motor Drive Unit，Motor controller and Sensor System.In response to these requests above，schcme out the mechanical framework of autonomous r

5、obot lawn mower.First，establish the kinematics and dynamics model of autonomous robot lawn mower, confirm the driving motor parameters by corresponding calculation，and use those parameters as the basis select the driving motors.Second，based on the selected driving motors，design a gear box for the au

6、tonomous robot lawn mower.Finally， design a special adjustable cutting mechanism for the robot according to its lawn trimming task.For implement of its lawn mowing tasks，the robots control system is a critical part，in accordance with the specific requirements，and lowdown its cost as much as possible

7、，decide a strategy that setting up of an independent chip for the motor control and sensor system respectively.Sensor systems controller make necessary pre process for the environment signals first，feedback appropriate environmental information to autonomous robot lawn mower, then motor control unit

8、 send corresponding signals to adjust the robots movement.Key Words:autonomous lawn mower robot；mobile robot mechanical frame design；DC motor control；sensor system；lawn mower structure1 前 言1.1智能割草機(jī)器人研究的背景與意義1.1.1智能割草機(jī)器人概述隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各國城市建設(shè)逐漸深化，城區(qū)的綠化程度也隨之提高，大量的公園草坪、足球場草坪、GOLF球場草坪等公共綠地均需要進(jìn)行維護(hù)。在各種草坪維護(hù)作業(yè)中，以

9、草皮修剪工作最為繁重，不僅枯燥，而且重復(fù)性強(qiáng)，通常需要消耗大量的人力和物力。為了降低草坪維護(hù)作業(yè)的勞動強(qiáng)度和成本，近年來我國提出用現(xiàn)代電子技術(shù)和智能控制技術(shù)改造和提升草坪機(jī)械產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略，希望在不久的將來用智能的智能割草機(jī)器人取代傳統(tǒng)的割草機(jī)。圖1.1智能割草機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成框圖智能割草機(jī)器人屬于民用戶外移動機(jī)器人領(lǐng)域，從系統(tǒng)科學(xué)的角度來講，它是集環(huán)境感知、路徑動態(tài)規(guī)劃與決策、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合機(jī)器人系統(tǒng)。圖1.1為智能割草機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成框圖，該圖概述了一個標(biāo)準(zhǔn)的全智能割草機(jī)器人系統(tǒng)，它通常由感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、移動機(jī)構(gòu)和割草機(jī)構(gòu)等四個部分組成。感知系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測外界環(huán)境變量、移動

10、機(jī)構(gòu)及割草機(jī)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)，并將結(jié)果輸送到控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)將獲得的數(shù)據(jù)與自身的數(shù)據(jù)庫做比較，并參照路徑規(guī)劃對移動機(jī)構(gòu)和割草機(jī)構(gòu)發(fā)出修正指令，以獲得穩(wěn)定的運(yùn)行情況。與傳統(tǒng)的草坪修剪機(jī)械相比，智能割草機(jī)器人具有環(huán)保、人力消耗低和高安全性等特點(diǎn)。1.1.2智能割草機(jī)器人的研究概況在智能割草機(jī)器人的研發(fā)領(lǐng)域,國外的許多公司做了大量的工作,己有部分產(chǎn)品上市如FrinediyMachines公司設(shè)計的Rboomower，是目前最成功的智能割草機(jī)器人產(chǎn)品之一,采用三輪小車的機(jī)構(gòu)，兩個后輪獨(dú)立驅(qū)動,前輪為萬向輪,能以一定策略為基礎(chǔ)反復(fù)遷回運(yùn)行于事先設(shè)定好的范圍內(nèi),當(dāng)遇到障礙物后能通過超聲波傳感器檢測然后簡單繞行

11、,但它不能保證除障礙物外的區(qū)域，缺乏全局地圖的概念,對是否已完成整塊草坪的割草任務(wù)也沒有概念。除此以外還有其它類似的產(chǎn)品,各具特色,如意大利uzeehetti公司的osear其豪華版的A811brigio甚至還配備了雨水傳感器,當(dāng)下雨的時候能自動躲避；瑞典Eleetrofux公司的Auotmower,除動力采用電池外,還可利用太陽能供電；比利時Berlbooties公司的BigMow,具備優(yōu)良的路徑算法,刀片覆蓋面積大,覆蓋率較高。國外的科研機(jī)構(gòu)對割草機(jī)器人展開的研究主要偏向割草機(jī)器人的智能控制技術(shù)，導(dǎo)航技術(shù)和路徑規(guī)劃等方向,而針對割草機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計相對較少。美國專利US4919224采用了

12、蓄電池供電,能在預(yù)定時間啟動,具有避障防盜及自動充電等功能,采用三根導(dǎo)線來進(jìn)行導(dǎo)航。當(dāng)遇到下雨濕地及電源不足等以外情況時,返回車庫,該專利采用超聲波來探測障礙,用震蕩探測器及密碼來防止非法用戶操作機(jī)器；美國專利US5204814采用了優(yōu)化的導(dǎo)航技術(shù),綜合利用存儲的路徑及環(huán)境信息，無磁無電流的金屬導(dǎo)線和埋在地下的金屬導(dǎo)線三種方式來指導(dǎo)割草機(jī)器人的移動,該專利還選用了內(nèi)燃機(jī)做動力,配合發(fā)電機(jī)及電池組使用,采用分布式控制方式。國內(nèi)對于割草機(jī)器人的研究起步時間較晚，參與該領(lǐng)域的研究單位也比較少，但仍取得了一定的成果。南京理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院設(shè)計了MORO型移動割草機(jī)器人，并成功開發(fā)出了MORO.I、MOR

13、O.II等若干型割草機(jī)器人樣機(jī)。南京理工大學(xué)對割草機(jī)器人的總體設(shè)計、路徑規(guī)劃、避障、定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等從理論上進(jìn)行了較全面的討論并提出了一種廉價實(shí)用的總體方案，還根據(jù)機(jī)器人動力學(xué)方程推導(dǎo)出驅(qū)動力矩的計算公式，為電機(jī)選擇、控制系統(tǒng)硬件電路主要元器件參數(shù)選擇提供了計算依據(jù)，為進(jìn)一步深入研究割草機(jī)器人打下了基礎(chǔ)。MORO型移動割草機(jī)器人的主要導(dǎo)航設(shè)備為驅(qū)動輪編碼器和磁航向傳感器，能自動生成無信標(biāo)邊界實(shí)現(xiàn)全區(qū)域覆蓋行走。該機(jī)器人的體積約為80X51X40 cm³，重約50kg，刀片的轉(zhuǎn)速高達(dá)5000r/min，適用于大面積草坪的修剪工作。此外，南京理工大學(xué)還將機(jī)器人領(lǐng)域的前沿技術(shù)引用到割草

14、機(jī)器人上來，如基于Internet的機(jī)器人控制技術(shù)和太陽能草坪割草機(jī)關(guān)鍵技術(shù)等。與其它輪式割草機(jī)器人不同，江蘇大學(xué)研制了一種履帶式割草機(jī)器人，具有GPS定位導(dǎo)航的功能，能高效高速地進(jìn)行作業(yè)，適用于大面積的草場區(qū)域。此機(jī)器人由兩部分組成，一部分為廣茂達(dá)公司生產(chǎn)的AS.RF型機(jī)器人，另一部分為自行設(shè)計的割草機(jī)臺。此外，江蘇大學(xué)還針對不同的草坪給出了合理的切割高度，這為割草機(jī)器人的研究提供了重要的依據(jù)。1.1.3智能割草機(jī)器人研究的必要性隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，草坪業(yè)已經(jīng)成為了我國一種新興的產(chǎn)業(yè)。草坪基本上已經(jīng)在全國城市園林綠化、運(yùn)動場建設(shè)中普及應(yīng)用。草坪業(yè)開始了一個緩慢、平穩(wěn)也是積蓄力量的發(fā)展時期。這促使

15、草坪業(yè)開始經(jīng)歷一個由勞動密集型到知識密集型的轉(zhuǎn)變過程，特別是草坪修剪維護(hù)工作，迫切需求一種效率更高，而人員消耗和能源消耗更低的草坪機(jī)械設(shè)備，但國外自動割草機(jī)器設(shè)備昂貴的價格和壟斷的技術(shù)制約了我國在自動化和智能化草坪機(jī)械方面的推廣進(jìn)度，因此必須依靠自己的力量研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能割草機(jī)器人。在科技迅猛發(fā)展的今天，人們生活水平逐漸提高，一些應(yīng)用于工業(yè)的科技正逐漸走出工廠，對智能割草機(jī)器人進(jìn)行研究為服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展提供了新的課題方向，也是服務(wù)機(jī)器人走向?qū)嶋H應(yīng)用的一種嘗試和探索，更重要的是，智能割草機(jī)器人的研制能為服務(wù)型機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程提供有利的參考。此外，對智能割草機(jī)器人進(jìn)行研究還有一定的學(xué)術(shù)

16、價值，智能割草機(jī)器人屬于戶外移動型機(jī)器人，在割草時它將工作在開放的非結(jié)構(gòu)化空間內(nèi)，而如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化空間的移動正是現(xiàn)今機(jī)器人研究的重要課題?；诟畈莨ぷ鞯奶攸c(diǎn)，還需要智能割草機(jī)器人能以一種比較理想的方法完全覆蓋整個工作區(qū)間，所反映的區(qū)域充滿路徑規(guī)劃問題也是路徑規(guī)劃的研究熱點(diǎn)。綜上所述，智能割草機(jī)器人的研究有著重要的商業(yè)價值、積極的社會價值和一定的學(xué)術(shù)價值，能側(cè)面地反映出我國自動化技術(shù)和機(jī)器人學(xué)的發(fā)展水平，因此開展對智能割草機(jī)器人相關(guān)研究工作是十分必要的。1.2課題研究的主要內(nèi)容及構(gòu)成本課題主要的任務(wù)是對研制一種適應(yīng)國內(nèi)市場需求的智能割草機(jī)器人。研究內(nèi)容為:機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計、安裝；傳感

17、系統(tǒng)選型和設(shè)計；機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計；機(jī)器人路徑規(guī)劃等任務(wù)。課題主要研究內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)如下:第二章為智能割草機(jī)器人系統(tǒng)的總體方案設(shè)計。首先對國內(nèi)外割草機(jī)器人的研究情況進(jìn)行調(diào)研，收集相關(guān)資料，然后結(jié)合智能化割草作業(yè)的特點(diǎn)提出智能割草機(jī)器人的總體設(shè)計，其中包括機(jī)械本體驅(qū)動方案的選擇、傳感器件的選擇、控制系統(tǒng)方案設(shè)計和技術(shù)指標(biāo)等方面。第三章是智能割草機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計。對多種本體方案進(jìn)行了討論和比較，選擇三輪結(jié)構(gòu)作為自動割草機(jī)器入的驅(qū)動方式，設(shè)計了機(jī)器人的本體。智能割草機(jī)器人的機(jī)械本體包括減速機(jī)構(gòu)、車體和割草機(jī)構(gòu)等主要部件。第四章介紹了智能割草機(jī)器人傳感系統(tǒng)設(shè)計，對戶外移動型機(jī)器人所需要的傳感元件進(jìn)

18、行了說明。通過分析和評價，結(jié)合實(shí)際選擇了合適的傳感器。還針對各個器件的引腳說明，以AT89C51單片機(jī)為核心設(shè)計了傳感器預(yù)處理模塊。第五章闡述了智能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計的過程，機(jī)器人的控制系統(tǒng)包括電機(jī)驅(qū)動和電機(jī)控制等兩方面。電機(jī)采用ST大功率H橋集成芯片L298N驅(qū)動，結(jié)合調(diào)壓電路，能為智能割草機(jī)器人的驅(qū)動電機(jī)提供安全穩(wěn)定的驅(qū)動電源。第六章討論了區(qū)域充滿路徑的規(guī)劃算法。第七章為論文的結(jié)論與展望。2 智能割草機(jī)器人總體方案的設(shè)計智能割草機(jī)器人是一個綜合的機(jī)器人系統(tǒng)，它集成了諸如機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計、環(huán)境感知、行為控制等多方面的技術(shù)，因此需要對智能割草機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行詳細(xì)的討論和研究，以確保智能割草

19、機(jī)器人最終設(shè)計方案的合理性。本章以實(shí)際需求為出發(fā)點(diǎn)，詳細(xì)地討論了智能割草機(jī)器人本體選型方案、控制系統(tǒng)方案和傳感器件選擇等多方面的內(nèi)容，最后給出了設(shè)計的技術(shù)參數(shù)。2.1智能割草機(jī)器人本體驅(qū)動方案的選擇割草機(jī)器人屬于戶外移動型機(jī)器人，針對該類型的機(jī)器人有各種驅(qū)動方案可供參考。根據(jù)戶外移動型機(jī)器人的工作特點(diǎn)，對自主移動機(jī)器人平臺的驅(qū)動方案進(jìn)行了詳細(xì)的討論。戶外移動機(jī)器人的運(yùn)動方式有輪式、履帶式和足式等多種。輪式和履帶式驅(qū)動方式適用于較平整路面，而足式驅(qū)動方式適用于特殊的、條件相對惡劣的環(huán)境，也有的移動機(jī)器人為了適應(yīng)各種路面將這幾種驅(qū)動方式混合使用。割草機(jī)器人一般工作在條件較好的草坪上，結(jié)合其他工作要

20、求，割草機(jī)器人大多選用輪式驅(qū)動方式。圖2.1移動機(jī)器人驅(qū)動方式的選擇輪式驅(qū)動方式根據(jù)輪子數(shù)目分三輪、四輪和六輪等幾種。三輪方式結(jié)構(gòu)比較簡單，能夠滿足一般需要，應(yīng)用也比較廣泛，如圖2.1中的(a)、(b)。四輪方式的穩(wěn)定性好，承載能力比較大，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，如圖2.1中的(c)、(d)。六輪方式與四輪方式類似，具有更高的承載能力、穩(wěn)定性和柔性，多用于未知環(huán)境的探測，如月球車和火星車等。根據(jù)轉(zhuǎn)向方式的不同，輪式驅(qū)動方式又可分為鉸軸轉(zhuǎn)向式和差動轉(zhuǎn)向式兩種。鉸軸轉(zhuǎn)向式如圖2.1中的(a)、(c)所示，轉(zhuǎn)向輪裝在轉(zhuǎn)向鉸軸上，轉(zhuǎn)向電機(jī)通過減速器和機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)控制鉸軸從而控制轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向。差動轉(zhuǎn)向式如圖2.

21、1中的(b)、(d)所示，在車體兩側(cè)的驅(qū)動輪上裝有不同的控制電機(jī)，通過兩輪的速度比來實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向，在該情況下，非驅(qū)動輪應(yīng)為自由的萬向輪。由于智能割草機(jī)器人屬于家用機(jī)器人，所以要求盡可能選擇簡潔、控制難度低的驅(qū)動方案，因此綜合上述內(nèi)容，選擇了典型的三輪差動的驅(qū)動方式(即圖2.1中的a方式)。該方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動靈活等，缺點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)同步轉(zhuǎn)動對電機(jī)的同軸度和控制系統(tǒng)的精度要求比較高。2.2傳感器件的選擇移動機(jī)器人為了能在未知或時變環(huán)境下自主地工作，應(yīng)具有感受作業(yè)環(huán)境和規(guī)劃自身動作的能力。移動機(jī)器人避障的關(guān)鍵問題是在運(yùn)動過程中如何利用傳感器對感知環(huán)境并對機(jī)器人在工作區(qū)域內(nèi)進(jìn)行定位，任何

22、類型的傳感器都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，選用時需要仔細(xì)考慮各種因素，傳感系統(tǒng)在移動機(jī)器人運(yùn)行時，需要為移動機(jī)器人提供機(jī)器入附近障礙物的存在信息以及障礙物與機(jī)器人問的距離，還有機(jī)器人導(dǎo)航的相關(guān)位置信息。智能割草機(jī)器人工作在開放的戶外空間內(nèi)，在執(zhí)行割草任務(wù)時需要獲得外圍障礙物信息和機(jī)器人自身位置信息，所涉及到的傳感器有距離傳感器和位置傳感器。此外，由于智能割草機(jī)器人內(nèi)設(shè)置有高速旋轉(zhuǎn)的割草刀片，還應(yīng)當(dāng)選用相關(guān)的傳感器以保證其安全性。移動機(jī)器人常用的距離傳感器有超聲波傳感器、紅外線傳感器和激光測距傳感器等。其中激光測距傳感器造價相對較高，不適宜采用在民用服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)上，因此在本文中不予考慮；超聲波傳感器是

23、利用超聲波的反射特性研制而成的傳感器，有效的檢測范圍為30cm-2m；紅外傳感器屬接近傳感器，發(fā)射出的紅外波波長大約在幾百納米范圍內(nèi)，屬短波長的電磁，有效的檢測范圍通常小于30cm。智能割草機(jī)器人在運(yùn)行時需要檢測其車體外lcm-1.5m內(nèi)的障礙物情況，不能單獨(dú)采用超聲波傳感器或紅外傳感器。因此，本文選擇超聲波傳感器和紅外傳感器相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)智能割草機(jī)器人的障礙物距離檢測。另外，智能割草機(jī)器人工作在溫度變化較大的戶外環(huán)境，超聲波傳感器測量結(jié)果會受溫度變化而與實(shí)際數(shù)值有偏差，因此，為了獲得精確和穩(wěn)定的采集數(shù)據(jù)，需要設(shè)置單獨(dú)的溫度傳感器采集環(huán)境溫度，用以修正產(chǎn)生的誤差。智能割草機(jī)器人在運(yùn)行時內(nèi)部

24、的割草刀片會高速旋轉(zhuǎn)，這會對人和動物造成潛在的傷害，還需要特別要注意安全問題，所以本論文的智能割草機(jī)器人還選用了接觸傳感器和人體熱釋傳感器。接觸傳感器屬于觸覺傳感器，以陣列的形式設(shè)置于機(jī)器人周圍，當(dāng)機(jī)器人與物體發(fā)生意外碰撞時，用于發(fā)生中斷信號；人體熱釋傳感器是一種檢測人或動物身體發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器，在智能割草機(jī)器人工作時，如有人或動物闖入到設(shè)定的安全范圍時，會發(fā)出對應(yīng)的警報信號。2.3智能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)方案設(shè)計智能割草機(jī)器人的控制系統(tǒng)是智能割草機(jī)器人的重要部分，需要對機(jī)器人進(jìn)行一系列的決策控制，它甚至在一定程度上決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣。因此，對智能割草機(jī)器人在芯片選擇、控制策

25、略和通訊方式等方面要進(jìn)行詳細(xì)的討論，并決定最佳方案。2.3.1控制系統(tǒng)需求分析作為戶外移動型服務(wù)機(jī)器人的研究平臺，為實(shí)現(xiàn)低成本高效率的運(yùn)動控制，智能割草機(jī)器人的控制系統(tǒng)需要具備以下功能或特點(diǎn):(1)成本低廉，具有較好的穩(wěn)定性。(2)有足夠的運(yùn)算能力，可在比較迅速的響應(yīng)時間內(nèi)同時接收傳感系統(tǒng)采集的信號和控制兩路驅(qū)動電機(jī)。(3)控制兩個驅(qū)動輪的起停、轉(zhuǎn)速。(4)控制兩個驅(qū)動輪并行運(yùn)動，以復(fù)合成特殊的運(yùn)動軌跡。(5)接收超聲波傳感器、紅外線傳感器、接觸傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器、人體熱釋電傳感器和溫度傳感器的信號。(6)傳感器信號綜合處理。(7)對割草機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行控制。(8)根據(jù)傳感器采集的信息，依照

26、特定的算法和策略，對智能割草機(jī)器人進(jìn)行控制(包括運(yùn)動控制和割草機(jī)構(gòu)控制)。2.3.2控制系統(tǒng)方案設(shè)計依照上述的控制系統(tǒng)需求，智能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要功能是對兩路電機(jī)進(jìn)行控制、對傳感信號進(jìn)行處理和根據(jù)反饋結(jié)果進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃。因此，智能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)包括電機(jī)驅(qū)動單元、電機(jī)控制單元和傳感系統(tǒng)信號處理單元三部分。電機(jī)驅(qū)動單元用于驅(qū)動直流調(diào)速電機(jī)、穩(wěn)定輸入電壓和過載保護(hù)。電機(jī)控制單元屬邏輯控制部分，用于電機(jī)的轉(zhuǎn)動控制，如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停和調(diào)速等。傳感系統(tǒng)信號處理單元用于處理各種傳感元件的輸入信號，將復(fù)雜的環(huán)境信息整理成簡單的條件參數(shù)反饋給電機(jī)控制單元。智能割草機(jī)器人屬于民用型機(jī)器人，特別需要考慮

27、到生產(chǎn)成本，結(jié)合實(shí)際控制系統(tǒng)的運(yùn)算量，控制系統(tǒng)不適宜采用造價昂貴的高速運(yùn)動控制芯片，但可適當(dāng)采用集成芯片以降低控制系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度。圖2.2智能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖如圖2.2所示，為智能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖，該系統(tǒng)采用了模塊化的設(shè)計方法，將控制功能劃分為三個相對獨(dú)立部分，即電機(jī)驅(qū)動單元、電機(jī)控制單元和傳感系統(tǒng)信號處理單元。控制系統(tǒng)的驅(qū)動單元用于驅(qū)動左右驅(qū)動電機(jī)和割草機(jī)構(gòu)電機(jī)。智能割草機(jī)器人為了獲得外部工作環(huán)境信息和自身位置信息，設(shè)置有大量的傳感元件，傳感系統(tǒng)信號處理單元用于預(yù)處理這些傳感元件的信號，將其綜合成簡單的反饋信號傳遞給電機(jī)控制單元。電機(jī)控制單元是智能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心部分

28、，能依靠特定的策略，結(jié)合傳感系統(tǒng)信號處理單元的反饋信息對電機(jī)驅(qū)動單元輸送控制信號，以實(shí)現(xiàn)對智能割草機(jī)器人的智能控制。2.4智能割草機(jī)器人的總體方案及技術(shù)指標(biāo)本課題所涉及的智能割草機(jī)器人以實(shí)用化技術(shù)應(yīng)用為主要目的，總體方案的設(shè)計要求實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定性強(qiáng)和維護(hù)簡單，因此盡可能采用成熟、可靠和實(shí)用的技術(shù)。2.4.1智能割草機(jī)器人的總體方案智能割草機(jī)器人主要分為機(jī)器人本體、傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等三部分。其中智能割草機(jī)器人本體又分為機(jī)器人車體和割草機(jī)構(gòu)。整個系統(tǒng)采用12V7Ah的鉛酸免維護(hù)電瓶供電。智能割草機(jī)器人本體采用差動的方式驅(qū)動，車體共設(shè)置三個車輪，分別為兩個同軸的驅(qū)動輪和一個萬向的導(dǎo)向輪。驅(qū)動輪用

29、兩個直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動，在電機(jī)輸出端和驅(qū)動輪之間設(shè)置了減速機(jī)構(gòu)，用于調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)速，驅(qū)動輪軸設(shè)置了旋轉(zhuǎn)編碼器，可向控制系統(tǒng)反饋位置信息。萬向輪采用工業(yè)用腳輪，能承受比較大的載荷。針對智能割草機(jī)器人的實(shí)際需求，設(shè)計了特制的割草機(jī)構(gòu)，智能割草機(jī)器人的割草機(jī)構(gòu)由調(diào)速電機(jī)驅(qū)動，同樣設(shè)置了旋轉(zhuǎn)編碼器反饋轉(zhuǎn)速，割草刀片的高度可上下調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同高度的草坪。圖2.3智能割草機(jī)器人割草機(jī)器入系統(tǒng)框圖傳感系統(tǒng)設(shè)置了超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸傳感器、人體熱釋傳感器和溫度傳感器等元件，結(jié)合各路電機(jī)的光電碼盤，可形成一個信息采集面較廣的系統(tǒng)，為智能割草機(jī)器人提供環(huán)境信息和位置信息?？刂葡到y(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思路，將整體

30、劃分為電機(jī)驅(qū)動單元、電機(jī)控制單元和傳感系統(tǒng)信息信號處理單元三部分。電機(jī)驅(qū)動單元最大程度上采用集成的電機(jī)控制芯片L298N，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)H橋電機(jī)驅(qū)動電路，并能接受PWM調(diào)速。電機(jī)控制單元和傳感系統(tǒng)信號處理單元均以51系列單片機(jī)開發(fā)板為基礎(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)智能割草機(jī)器人的靈活控制。2.4.2智能割草機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)智能割草機(jī)器人所配置硬件如表2.1所示。表2.1智能割草機(jī)器人硬件配置表2.5本章小結(jié)本章涉及智能割草機(jī)器人方案設(shè)計部分的內(nèi)容。針對論文緒論部分的具體需求，提出若干方案進(jìn)行了比較和分析，并確定了智能割草機(jī)器人的總體方案。智能割草機(jī)器人的總體方案中包括本體驅(qū)動方案的選擇、傳感器件的選擇和控制系統(tǒng)方案設(shè)

31、計等。最后，對所提出的方案進(jìn)行了總結(jié)和歸納，給出了智能割草機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)和硬件配置信息。3 智能割草機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計智能割草機(jī)器人本體采用三輪小車機(jī)構(gòu)的設(shè)計，前輪為其起導(dǎo)向作用的萬向輪，兩后輪為兩個電機(jī)利用差動的原理分別驅(qū)動的驅(qū)動輪，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:控制實(shí)現(xiàn)簡單，只需分別控制后兩輪驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，就能準(zhǔn)確控制智能割草機(jī)器人的動作；轉(zhuǎn)彎非常靈活，有利于移動機(jī)器人在行走過程中對路面障礙進(jìn)行實(shí)時避障。3.1機(jī)器人車體驅(qū)動電機(jī)的選擇驅(qū)動電機(jī)的功率由機(jī)器人質(zhì)量M、運(yùn)行速度v、驅(qū)動輪直徑d來確定。計算和分析機(jī)器人受力情況時，假設(shè)機(jī)器人在平地上直線加速行駛，不考慮機(jī)器人在行駛過程中的產(chǎn)生空氣阻

32、力。智能割草機(jī)器人的最大重力 ，行走速度0.5kmh，查手冊可知與草地的摩擦系數(shù)，電源為12V7Ah的鉛酸免維護(hù)電瓶供電，電壓12V。 （1）選擇電動機(jī)的容量電動機(jī)所需的工作功率為 （3-1）由式 （3-2） 由電機(jī)至傳動軸的總效率為 （3-3）式中:、分別為減速器、聯(lián)軸器的傳動效率，取=0.90, =0.99。所以 由以上計算則可選擇電機(jī)的功率約為18W，輸出轉(zhuǎn)矩10Kg.cm，結(jié)合市場上直流電機(jī)的情況，沒有符合該特性的電機(jī)產(chǎn)品，可選擇性能相近的電機(jī)，通過減速機(jī)構(gòu)調(diào)速來實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)根據(jù)實(shí)際需求和結(jié)構(gòu)要求，選擇無錫紅湖磁電機(jī)廠生產(chǎn)的37ZYJ一36ZY系列直流速電機(jī)，所選電機(jī)型號為37ZYJ.

33、36ZYl26000。該電機(jī)參數(shù)如表3.1所示。表3.1 電機(jī)參數(shù)其外型尺寸和實(shí)物圖如3.1和3.2所示。圖3.1所選電機(jī)外型尺寸圖3.2所選電機(jī)實(shí)物圖3.2機(jī)器人車體減速箱設(shè)計選定自動割革機(jī)器人的移動速度約為O.5Km/h，兩驅(qū)動輪直徑為d=250mm，則驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速為而電機(jī)實(shí)際的轉(zhuǎn)速為22rmin，因此需要設(shè)置一個減速比約為2的減速箱，以控制轉(zhuǎn)速。如圖3.3所示，為機(jī)器人車體減速機(jī)構(gòu)。1)大帶輪軸2)同步齒型帶輪大輪3)滾動軸承4)同步齒型帶輪小輪5)小帶輪軸7)同步齒型帶8)軸固定架圖3.3機(jī)器人車體減速箱如圖3.3所示。直流電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩傳遞到通過聯(lián)軸器聯(lián)接的同步齒型帶輪小輪2上，經(jīng)由同

34、步齒型帶7傳遞至同步齒型帶輪大輪2上，進(jìn)而帶動驅(qū)動輪軸1運(yùn)動(3為驅(qū)動輪軸的滾動軸承3，最終運(yùn)動由驅(qū)動輪軸1帶動的驅(qū)動輪實(shí)現(xiàn)。3.3智能割草機(jī)器人車體設(shè)計綜合智能割草機(jī)器人的工作特點(diǎn)和需求，智能割草機(jī)器人車體需具有以下特點(diǎn)；(1)底盤距地平面高度約為6090mm；(2)為了車輪能接觸地表，車輪寬度盡可能要小；(3)作為原理樣機(jī)，車體應(yīng)拆卸方便，利于調(diào)試；(4)車體要有一定的剛度；(5)車體重量要輕； .(6) 內(nèi)有高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，要留有空間散熱。根據(jù)上述特點(diǎn)，對智能割草機(jī)器人車體進(jìn)行設(shè)計。車體主要由硬質(zhì)鋁合金板件拼接而成，各板件依靠連接件與螺栓連接。采用該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是便于拆卸，結(jié)構(gòu)簡單，并且硬

35、質(zhì)鋁合金強(qiáng)度適中，密度小，能滿足設(shè)計的質(zhì)量和剛度要求。結(jié)合所選電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，設(shè)計機(jī)器人車體的車輪直徑為250mm，厚度為15ram，平面底盤，可滿足底盤距地平面高度約為60-90mm的設(shè)計要求。另外在機(jī)器人車輪內(nèi)外兩側(cè)還銑出對稱的深槽，用于增大摩擦，可確保機(jī)器人在地表穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)計機(jī)器人總體尺寸長×寬×高為680mmx500mmx260mm，總重量M約為15Kg(不包括電瓶重量)，機(jī)器人底盤距離地面高度為70mm，驅(qū)動車輪直徑為250mm，兩驅(qū)動輪輪距390mm。機(jī)器人導(dǎo)向輪直徑為150mm，高度150mm，導(dǎo)向輪和兩后驅(qū)輪之間的距離為350mm。圖3.4智能割草機(jī)器人車

36、體裝配圖如圖3.4所示，為智能割草機(jī)器人車體裝配圖。智能割草機(jī)器人的機(jī)器人車體包括機(jī)器人車體底盤、電池支架、驅(qū)動車輪和導(dǎo)向輪。機(jī)器人車體底盤大量采用厚度為4mm的鋁合金板件，板件間通過螺栓連接，該方式利于拆卸，并且有重量低，剛度好等特點(diǎn)。電池支架設(shè)置了活動的蓋板，可適應(yīng)蓄電池、鋰電池和干電池組等多種類型電池。大半徑的驅(qū)動車輪可保證機(jī)器人車體底盤距離地表的高度滿足草坪修建需要。如圖3.5所示，為智能割草機(jī)器人的機(jī)器人車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。智能割草機(jī)器人內(nèi)部包括支撐板件、直流電機(jī)和減速箱等部件，其中減速箱包括同步齒型帶輪小輪、同步齒型帶、同步齒型帶輪大輪和驅(qū)動車輪輪軸。支撐板用于保證車體內(nèi)部的剛度，并將

37、機(jī)器人車體內(nèi)部劃分為兩個區(qū)域:一部分為空腔，用于放置割草機(jī)構(gòu)，較大的容積為割草機(jī)構(gòu)提供了比較充足的散熱空間；另一部分用于放置直流電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動板。車體內(nèi)減速箱的減速比為2:1，調(diào)速方式選用同步齒型帶和帶輪，當(dāng)速比需要變更時只要更換相應(yīng)的同步齒型帶和帶輪即可，使用比較方便。圖3.5智能割草機(jī)器人車體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.4智能割草機(jī)器人割草機(jī)構(gòu)設(shè)計為了執(zhí)行割草任務(wù)，需要針對智能割草機(jī)器人車體的實(shí)際情況，設(shè)計專用的割草機(jī)構(gòu)。智能割草機(jī)器人的割草機(jī)構(gòu)所需轉(zhuǎn)速約為600-1200rpm，因此應(yīng)當(dāng)考慮割草機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)的散熱問題，此外為了適應(yīng)不同草坪，割草刀盤還應(yīng)具備高度調(diào)節(jié)、刀片更換等功能。圖3.6智能割草機(jī)器

38、人割草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖3.6所示，為智能割草機(jī)器人的割草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。智能割草機(jī)器人的割草機(jī)構(gòu)包括割草機(jī)構(gòu)刀片連接件、割草機(jī)構(gòu)電機(jī)和割草刀片等部件?？赏ㄟ^使用不同的刀片連接件來改變割草機(jī)構(gòu)刀片的位置，從而實(shí)現(xiàn)刀片的高度調(diào)節(jié)。3.5本章小結(jié)本章的涉及的內(nèi)容是智能割草機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計。作為一個綜合系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)和電源等其他重要組件均要安裝在機(jī)器人機(jī)械本體上，因此智能割草機(jī)器人的機(jī)械本體是實(shí)現(xiàn)其自動割草功能的基礎(chǔ)。本部分詳細(xì)討論了智能割草機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計問題，根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型選擇驅(qū)動電機(jī)，依照輸出的要求設(shè)計了驅(qū)動系統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)，最后給出了智能割草機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)

39、計圖紙。所設(shè)計的智能割草機(jī)器人本體結(jié)合實(shí)際需求，綜合考慮了各方面因素，這對后期的傳感系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計和路徑規(guī)劃算法研究提供了一個良好的平臺。4 智能割草機(jī)器人傳感系統(tǒng)設(shè)計傳感系統(tǒng)是智能割草機(jī)器人感知外界環(huán)境信息的重要單元。要實(shí)現(xiàn)智能割草機(jī)器人的預(yù)定工作任務(wù)，需要為機(jī)器人提供工作環(huán)境和機(jī)器人自身狀態(tài)等相關(guān)信息，為了保證工作區(qū)域內(nèi)人和動物的安全，還采取對應(yīng)的安全機(jī)制。所以，智能割草機(jī)器人傳感系統(tǒng)所需要的傳感器有:超聲波傳感器、紅外傳感器、人體熱釋傳感器、接觸傳感器、溫度傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器。4.1超聲波傳感器超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，

40、多由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小、方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波傳感器用于測量智能割草機(jī)器人工作環(huán)境中障礙物的距離信息和地圖構(gòu)造等方面。但是，當(dāng)障礙物與傳感器距離較近時(小于30cm左右)，則超聲波傳感器不能接收回波信號，形成傳感器的盲區(qū)，所以還應(yīng)當(dāng)結(jié)合其它的近距離傳感器使用才能獲得更全面的障礙物信息。另外，超聲波會受到溫度的影響，在應(yīng)用時應(yīng)當(dāng)注意補(bǔ)償。圖4.1超聲波傳感器原理超聲波傳感多采用渡越時間法測量障礙物距離，如圖4.1所示，為超聲波傳感器原理圖

41、，其中L表示被測物體與傳感器的直線距離，t代表發(fā)射信號和回聲的時間間隔。測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間t，再乘以超聲波的速度C就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離L， 即L=Ct/2 (4.1) 其中C為聲波在空氣中的傳播速度，單位msT為聲波發(fā)射信號和回聲的時間間隔，單位SL為被測物體與傳感器的直線距離，單位m如圖4.2所示，為所選用的URM37 V3.1型超聲波傳感器實(shí)物圖。圖4.2超聲波傳感器實(shí)物圖4.2紅外傳感器紅外傳感器是一種比較有效的接近傳感器，經(jīng)常被使用在各種機(jī)器人系統(tǒng)上。紅外傳感器發(fā)射出的紅外波長大約在幾百納米范圍內(nèi)，是短波長的電磁波。紅外傳感器不受電磁波、非噪聲源

42、的干擾、可實(shí)現(xiàn)非接觸性測量。另外，紅外線不受周圍可見光的影響，可在晝夜進(jìn)行測量。由于紅外傳感器對光的測量差異，受環(huán)境的影響非常大，物體的顏色、方向、周圍的光線都能導(dǎo)致測量誤差，所以在使用前需要進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，以確定不同物品的反饋信號波形。紅外傳感器測量范圍較近，大致為30cm以內(nèi)，可與超聲波傳感器結(jié)合使用，用于障礙物的測量。圖4.3選擇的紅外傳感器IRAS V3.0如圖4.3所示，為選用的IRAS V3.0型紅外傳感器實(shí)物圖，該型紅外傳感器大量采用貼片元件，極大地降低了傳感器的外型尺寸，兩個接收端公用一個紅外信號發(fā)生端，可同時檢測左右兩個方向的障礙信息。4.3人體熱釋傳感器熱釋電紅外傳感器是一種

43、檢測人或動物身體發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。熱釋電晶體己廣泛用與紅外譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器，作為一種理想的探測器，它正在逐漸地應(yīng)用到各種自動化控制裝置中。圖4.4人體熱釋傳感器CT-418該類型傳感器用于檢測人體或動物的活動情況。在智能割草機(jī)器人執(zhí)行割草任務(wù)時，需要特別注意到人體和動物的安全，因此還應(yīng)當(dāng)引入對活動物體特殊預(yù)警的機(jī)制。熱釋傳感器能精確地捕捉到外界環(huán)境的溫度變化，特別適合識別進(jìn)入工作區(qū)域的人體及動物等的檢測。本文選用了CT-418型人體熱釋傳感器，當(dāng)該傳感器監(jiān)測到周圍溫度有變化時，受熱釋電效應(yīng)影響會在傳感器內(nèi)部的兩個電極上產(chǎn)生電荷，即在兩電極之間產(chǎn)生微弱的電壓，經(jīng)放大

44、電路放大后，輸出信號。CT-418的實(shí)物圖如圖4.4所示。4.4接觸傳感器接觸傳感器屬于觸覺傳感器，一般成組使用，以陣列的形式設(shè)置于機(jī)器人周圍。智能割草機(jī)器人在車身上應(yīng)設(shè)置接觸傳感器組，當(dāng)與物體發(fā)生碰撞時，用于發(fā)生中斷信號，為控制系統(tǒng)提供信息。接觸傳感器的缺點(diǎn)是信號滯后，很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時避障。在本文中，接觸傳感器均布于智能割草機(jī)器人的前端，用于碰撞感測。4.5溫度傳感器由于智能割草機(jī)器人工作在溫度變化較大的戶外環(huán)境，超聲波傳感器會受溫度變化而與實(shí)際數(shù)值有偏差，因此，為了獲得精確和穩(wěn)定的采集數(shù)據(jù)，需要對溫度進(jìn)行測量，用以修正產(chǎn)生的誤差。根據(jù)對溫度信號的需求，智能割草機(jī)器人傳感器溫度補(bǔ)償元件應(yīng)盡量采用

45、數(shù)字式溫度傳感器。智能割草機(jī)器人的研制通常供移動機(jī)器人用的溫度傳感器為DSl8820型數(shù)字溫度傳感器M， DSl8820型數(shù)字溫度傳感器，該傳感器為三線系統(tǒng)，引腳分別為電源、信號輸出和電源地。由于所選用的超聲波傳感器已經(jīng)集成了DSl8820型溫度傳感器，故并在本文中沒有采用單獨(dú)的溫度傳感器。4.6旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量割草機(jī)器人驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速和割草刀盤轉(zhuǎn)速的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是單組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。4.7傳感器件在機(jī)

46、器人車體上的分布如圖4.5所示，為各傳感元件在智能割草機(jī)器人車體上的分布圖。超聲波傳感器(包括溫度傳感器DSl8820)位于智能割草機(jī)器人車體的前端，以割草電機(jī)軸線為圓心按照600的間隔分布，可剛好覆蓋車體前端1200范圍。紅外傳感器與超聲波傳感器配套使用，用于距離小于30cm的障礙物檢測。受測距傳感器位置的影響，在機(jī)器人車體側(cè)檔板的連接處的測距信號最為薄弱，因此在此成對的設(shè)置了接觸傳感器，當(dāng)產(chǎn)生碰撞時會產(chǎn)生中斷，為智能割草機(jī)器人提供障礙物信息。旋轉(zhuǎn)編碼期分別放置于機(jī)器人驅(qū)動輪內(nèi)側(cè)和割革電機(jī)輸出端附近，可反饋各電機(jī)的運(yùn)行速度。起安全保護(hù)的人體熱釋傳感器放置于機(jī)器人車體上板視野開闊處，有效范圍半

47、徑達(dá)7m。 超聲波傳感器，紅外傳感器，人體熱釋傳感器件旋轉(zhuǎn)編碼器，接觸傳感器圖4.5各傳感元件在機(jī)器人車體上的分布圖4.8本章小結(jié)本章涉及智能割草機(jī)器人傳感系統(tǒng)的設(shè)計。傳感系統(tǒng)用于獲得智能割草機(jī)器人的環(huán)境信息和自身位置信息，也是確保機(jī)器人安全工作的重要部分。根據(jù)智能割草機(jī)器人工作時對傳感信息的需求，在該部分對所選用的超聲波傳感器、紅外傳感器、人體熱釋傳感器、溫度傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器等傳感器件進(jìn)行了詳細(xì)的說明，最后給出了各傳感器在機(jī)器人車體上的分布情況。5 智能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計5.1電機(jī)驅(qū)動單元設(shè)計智能割草機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動單元，采用了4只ST大功率H橋集成芯片L298N，并且將每片芯片的2路

48、并聯(lián)成1路輸出，使得驅(qū)動電流增加一倍，峰值電流最高可達(dá)4A。輸出端可使用高速肖特基二極管做繼流保護(hù)，驅(qū)動電源輸入端采用大功率二集管為L298N作電源保護(hù)，以防電源反接而燒毀L298N芯片。5.2電機(jī)控制單元選擇智能割草機(jī)器人的電機(jī)控制單元采用增強(qiáng)型的單片機(jī)開發(fā)板為核心，該板上附帶有串口通訊模塊、無線收發(fā)模塊等相關(guān)擴(kuò)展資源。在智能割草機(jī)器人系統(tǒng)中，單片機(jī)承擔(dān)主要的控制任務(wù)，包括電機(jī)控制和路徑規(guī)劃等。在使用時，將該板的片上資源跳線短接，僅保留無線傳輸單元作為數(shù)據(jù)交換的通道，其他引腳如P1，P2等按照實(shí)際需求連接到電機(jī)驅(qū)動板J4端口的使能信號端口、控制信號輸入端口。5.3傳感系統(tǒng)信號處理單元設(shè)計由于

49、智能割草機(jī)器人在運(yùn)行時需要的信息相對較多，所以為各種傳感器單獨(dú)設(shè)置了處理器，用于對諸多傳感器輸出信號進(jìn)行預(yù)處理，這樣，僅對電機(jī)控制單元輸入少量的信號即可實(shí)現(xiàn)智能割草機(jī)器人的控制。傳感系統(tǒng)的預(yù)處理控制板(以下簡稱預(yù)處理板)是以AT89C51單片機(jī)開發(fā)板為基礎(chǔ)設(shè)計，因此該板包含了單片機(jī)開發(fā)板中的相關(guān)片上資源，如數(shù)碼管、小鍵盤、串口通訊模塊、IIC總線接口存儲器等。另外，還包含相關(guān)的傳感器件接口，傳感系統(tǒng)預(yù)處理板的詳細(xì)電路原理圖詳見附錄。在實(shí)際使用時，將該預(yù)處理板上單片機(jī)的輸出引腳與電機(jī)控制單元相連即可。5.3.1超聲波傳感器驅(qū)動電路預(yù)處理板上的超聲波傳感電路如圖5.1所示，該電路是遵照URM37系

50、列早期產(chǎn)品設(shè)計的，因此還需要外接超聲波發(fā)射和接受探頭，并且沒有溫度補(bǔ)償機(jī)制。當(dāng)使用URM37 V3.1型超聲波傳感器時間，僅需要將URM37 V3.1的引腳1接+5V、引腳2接GND、引腳8接單片機(jī)P3.O引腳、引腳9接單片機(jī)P3.1引腳即可。 圖5.2超聲波傳感器驅(qū)動電路5.3.2紅外傳感器驅(qū)動電路紅外傳感器的驅(qū)動電路如圖5.3所示，該電路同樣是為早期IRAS V1.0紅外傳感設(shè)計的，使用IRAS V3.0型紅外傳感器時，可將IRAS V3.0的引腳1接至單片機(jī)P1.2引腳，引腳2接和引腳3接至單片機(jī)的P1.3引腳和P1.4引腳。圖5.3紅外傳感器驅(qū)動電路5.3.3人體熱釋傳感器驅(qū)動電路人體

51、熱釋傳感器的驅(qū)動電路如圖5.4所示，將輸出端直接連至單片機(jī)的P3.7接口即可。另外，該端口還可用于驅(qū)動DSl8820(引腳類型與CT-418型人體熱釋傳感器相同)型數(shù)字溫度傳感器，如果采用早期的超聲波測距模塊URM37 V1.1時，可用于溫度補(bǔ)償。圖5.9人體熱釋傳感器驅(qū)動電路5.3.4其他傳感器件的驅(qū)動除上述傳感器件外，智能割草機(jī)器人的傳感系統(tǒng)還包括接觸傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器等(溫度傳感器已在超聲波傳感器中集成)。接觸傳感器為開關(guān)電路，僅一路輸出，由于接觸傳感器觸發(fā)的幾率較小，因此并沒有為其設(shè)計專用的接口，將接觸傳感器輸出端直接接入單片機(jī)的即可。旋轉(zhuǎn)編碼器也采用類似的方法，直連于單片機(jī)上。5.4

52、本章小結(jié)智能割草機(jī)器人的控制系統(tǒng)是智能割草機(jī)器人的核心部分。在控制系統(tǒng)的設(shè)計采用了模塊化的思想，將控制系統(tǒng)劃分為三個相對獨(dú)立的單元，分別為:電機(jī)驅(qū)動單元、傳感系統(tǒng)信號處理單元和電機(jī)控制單元。電機(jī)驅(qū)動單元用于驅(qū)動電機(jī)，傳感系統(tǒng)信號處理單元用于接收各傳感元件所采集的信息，并對此進(jìn)行預(yù)處理，將復(fù)雜的環(huán)境變量轉(zhuǎn)化為相對簡潔的反饋信號傳遞給電機(jī)控制單元。電機(jī)控制單元依照特定的策略，結(jié)合傳感系統(tǒng)信號處理單元的反饋信號，對電機(jī)驅(qū)動單元進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)智能割草機(jī)器人的預(yù)定功能。6 智能割草機(jī)器人區(qū)域充滿路徑規(guī)劃算法與傳統(tǒng)的移動機(jī)器人點(diǎn)對點(diǎn)路徑規(guī)劃不同的是，智能割草機(jī)器人的工作特點(diǎn)要求機(jī)器人的運(yùn)行軌跡能充滿一整

53、塊區(qū)域，即完全覆蓋所有無障礙的工作區(qū)間。因此需要對移動機(jī)器人的區(qū)域充滿(也叫遍歷區(qū)域)算法進(jìn)行研究。這個任務(wù)的困難性在于機(jī)器人運(yùn)行在非結(jié)構(gòu)化空間內(nèi)，環(huán)境具有多樣性和可變性的特點(diǎn)。遍歷規(guī)劃方法不同于通常所說的點(diǎn)到點(diǎn)規(guī)劃方法。遍歷規(guī)劃是在滿足某種性能評價指標(biāo)最優(yōu)或者比較優(yōu)的前提下尋找一條在設(shè)定區(qū)域內(nèi)從始點(diǎn)到終點(diǎn)且經(jīng)過所有可達(dá)點(diǎn)的連續(xù)路徑，而點(diǎn)到點(diǎn)規(guī)劃的目標(biāo)是尋求一條從始點(diǎn)到終點(diǎn)的無碰撞最優(yōu)路徑。6.1割草路徑規(guī)劃    智能割草機(jī)器人路徑規(guī)劃的遍歷策略是割草機(jī)設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)，涉及到割草機(jī)割草的效率。合理的遍歷策略可以使智能割草機(jī)器人在最短的時間內(nèi)遍歷整個割草區(qū)域

54、。常用的割草策略主要有兩種方式:直線運(yùn)行方式和邊界跟蹤運(yùn)行方式。兩種覆蓋區(qū)域方式如圖6.1、圖6.2所示。 圖6.1直線運(yùn)行方式 圖6.2 邊界跟蹤運(yùn)行方式采用直線運(yùn)行時，轉(zhuǎn)向處會有不可避免的重疊路徑，使總的運(yùn)行距離增加；采用邊界跟蹤的方式時，需要機(jī)器人不斷地調(diào)整進(jìn)行方向，容易帶來誤差。針對智能割草機(jī)器人以單片機(jī)為核心的控制器而言，需要智能割草機(jī)器人的運(yùn)行軌跡盡量簡單化和規(guī)范化。因此采取直線運(yùn)行方式遍歷子區(qū)間，在前向的電子籬笆傳感器感應(yīng)到邊界后，割草機(jī)器人后退一小段距離，然后以一個輪子為中心，另一個輪子左轉(zhuǎn)（或右轉(zhuǎn)）180°，完成掉頭，然后繼續(xù)前進(jìn)，下次再碰到邊界就向相反的方向旋轉(zhuǎn)1

55、80°，這樣就可以做到區(qū)域的覆蓋。6.2 割草邊界區(qū)域的處理方法    割草機(jī)器人在區(qū)域的邊角處行走是最容易出現(xiàn)問題的時候，不合理的行走策略可能導(dǎo)致割草機(jī)器人走出邊界。所以要利用割草機(jī)器人現(xiàn)有的傳感器去選擇在區(qū)域邊角的運(yùn)行策略。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)越界問題的情況主要有兩種。 （1）割草機(jī)到達(dá)邊界的一個角落，如圖6.3。在這種情況下割草機(jī)器人傳感器A4(或者A3)首先檢測到邊界L1的信息，根據(jù)直線運(yùn)行方式就應(yīng)該先后退再向左轉(zhuǎn)（或向右轉(zhuǎn)）。正常情況下走到這種角落時就應(yīng)該是先檢測到L1，然后后退一段距離，再向右方向轉(zhuǎn)180°。在轉(zhuǎn)彎的過程中，由于L2的

56、存在， A3就會感應(yīng)到角落的另外一個邊界L2，如果沒有特別的策略，就會執(zhí)行先后退一段距離，再向左轉(zhuǎn)180°的策略，這樣就很容易走出邊界，或者使控制變得混亂。要避免這種情況就需要在軟件上做出改動，即在轉(zhuǎn)彎過程中如果有其他傳感器檢測到邊界，就說明已經(jīng)到了另一個邊界角落的位置。最好的處理方法就是原路回轉(zhuǎn)過去，回到原位后再次左轉(zhuǎn)180°，開始從這個區(qū)域的頂端到另外一端的循環(huán)行走遍歷。 圖6.3邊界情況一   （2）割草機(jī)遇到了一個傾斜的邊界，如圖10。如果沒有特殊的策略，A4檢測到邊界后，就執(zhí)行轉(zhuǎn)向的策略，這樣就會有很大一片的前方區(qū)域（區(qū)域一）不能遍歷到，所以就需要利用右邊的A2去解決這個問題。在正常行走時，如果A2首先檢測到了邊界，則執(zhí)行先后退、然后左拐一定的角度、最后前進(jìn)的策略。智能割草機(jī)器人就會沿著這根斜線邊界不斷調(diào)整自己的角度前進(jìn)，而不會漏掉這些區(qū)域，適用于邊界不是很規(guī)則的草地。圖6.4邊界情況二6.3本章小結(jié)本章詳