基于ARM太陽(yáng)能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究

1、目 錄第一章 太陽(yáng)能割草機(jī)器人的研究現(xiàn)狀2第二章 太陽(yáng)能割草機(jī)器人總體方案的設(shè)計(jì)32.1太陽(yáng)能割草機(jī)器人設(shè)計(jì)要求32.2太陽(yáng)能割草機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)42.2.1太陽(yáng)能割草機(jī)器人關(guān)鍵部件的選擇52.2.2太陽(yáng)能割草機(jī)部件分布62.3傳感器的選擇82.4系統(tǒng)控制體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)92.5控制系統(tǒng)的中的數(shù)據(jù)管理102.6本章小結(jié)11第三章 太陽(yáng)能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成113.1太陽(yáng)能割草機(jī)的主控制器的介紹123.2 CPU核心電路的設(shè)計(jì)133.3傳感器的系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)- CMPS03電子羅盤的應(yīng)用14第四章 太陽(yáng)能割草機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)154.1嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用154.1.1嵌入式系統(tǒng)SQLite

2、簡(jiǎn)介164.2關(guān)鍵部分編程的實(shí)現(xiàn)184.2.1主程序的設(shè)計(jì)184.2.2超聲波避障程序的設(shè)計(jì)19第五章 總結(jié)與展望205.1總結(jié)205.2展望21基于ARM太陽(yáng)能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究第一章 太陽(yáng)能割草機(jī)器人的研究現(xiàn)狀太陽(yáng)能割草機(jī)器人為自動(dòng)割草機(jī)器人的一個(gè)類別，它與其它類型的自動(dòng)割草機(jī)的唯一區(qū)別是能源系統(tǒng)不同，太陽(yáng)能割草機(jī)器人的主要能量源為太陽(yáng)能?，F(xiàn)在在國(guó)際與國(guó)內(nèi)對(duì)太陽(yáng)能割草機(jī)器人的研究己經(jīng)十多年了，并且積累了一定經(jīng)驗(yàn)，但是現(xiàn)在比較成熟的產(chǎn)品應(yīng)該是瑞典Electrolux公司開發(fā)的Husqvarna AutoMower太陽(yáng)能割草機(jī)器人系列如圖1.1所示。它是以蓄電池與太陽(yáng)能電池板共同為系統(tǒng)提

3、供能源。Husqvarna AutoMower在比較好的天氣下每天大概能割0.65英畝的草坪，比只利用蓄電池的割草機(jī)割草面積的大小大概可以提高25%。但是在Husqvarna AutoMower割草的區(qū)域的四周仍然需要鋪設(shè)導(dǎo)線，以便于為太陽(yáng)能割草機(jī)器人提供導(dǎo)航與邊界標(biāo)示。圖1.1 Husqvarna AutoMower在國(guó)內(nèi)，太陽(yáng)能割草機(jī)器人還處于起步發(fā)展階段，現(xiàn)在投放市場(chǎng)的產(chǎn)品只有桂林豪明生物環(huán)保能源有限責(zé)任公司生產(chǎn)的肩背式太陽(yáng)能割草機(jī)，如圖1.2所示，它對(duì)太陽(yáng)能在割草機(jī)上的應(yīng)用起到技術(shù)積累的功效。智能化的太陽(yáng)能割草機(jī)在大中院校做了一些實(shí)驗(yàn)性的研究，雖然取得了一定的成果，但是到現(xiàn)在為止還沒有

4、推出成品化的機(jī)器。圖1.2 肩背式太陽(yáng)能割草機(jī)第二章 太陽(yáng)能割草機(jī)器人總體方案的設(shè)計(jì)本課題研究的對(duì)象為智能環(huán)保的家用割草機(jī)，它是一個(gè)綜合的體系結(jié)構(gòu)，其集成了能源利用、機(jī)械機(jī)構(gòu)、智能控制、環(huán)境的感知、行為的規(guī)劃、智能決策等多種技術(shù)。本文從實(shí)用出發(fā)討論了割草機(jī)車體的選型，能量管理，硬件電路的設(shè)計(jì)以及嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和硬件的控制算法。2.1太陽(yáng)能割草機(jī)器人設(shè)計(jì)要求太陽(yáng)能草坪割草機(jī)的基本任務(wù)就是完成草坪的割草工作。由于它采用了太陽(yáng)能作為能源，電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的機(jī)械式割草機(jī)有很大的區(qū)別，對(duì)其設(shè)計(jì)要求除了滿足傳統(tǒng)割草機(jī)的工作要求之外，還有一些特殊的設(shè)計(jì)要求。其設(shè)計(jì)要求包括以下幾個(gè)方面:(1)工

5、作要求:割草寬度46cm(18inches),割草高度25-55mm(1-2.2inch);割草電機(jī)轉(zhuǎn)速3500r/min;最大行進(jìn)速度0.4m/s;轉(zhuǎn)彎半徑為零。(2)結(jié)構(gòu)要求:太陽(yáng)能草坪割草機(jī)在結(jié)構(gòu)上要簡(jiǎn)潔，除去不必要的結(jié)構(gòu)，來減輕整機(jī)重量。(3)操作要求:太陽(yáng)能割草機(jī)要求操作簡(jiǎn)單，在無(wú)人職守的情況下可以獨(dú)立完成割草任務(wù)。2.2太陽(yáng)能割草機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與機(jī)械式割草機(jī)相比，太陽(yáng)能割草機(jī)器人能量和控制的傳遞是通過柔性的電線而不是剛性的機(jī)構(gòu)，這使太陽(yáng)能割草機(jī)便于模塊化，因此本系統(tǒng)將太陽(yáng)能割草機(jī)分為四個(gè)模塊:能量系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，割草系統(tǒng)。能量系統(tǒng)主要有控制器，蓄電池，太陽(yáng)能電池

6、池，電流調(diào)節(jié)器組成;電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)組成，其作用是通過差動(dòng)方式使太陽(yáng)能割草機(jī)器人完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎;割草系統(tǒng)主要由割草電機(jī)，割刀及高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成;控制系統(tǒng)主要有控制器與傳感器組成;除此之外還有割草機(jī)器人殼體等。太陽(yáng)能割草機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，其中粗實(shí)線為能量流動(dòng)方向，細(xì)實(shí)線為控制信號(hào)方向，粗淺色線為機(jī)械傳動(dòng)連接。圖2.1 太陽(yáng)能割草機(jī)的基本結(jié)構(gòu)2.2.1太陽(yáng)能割草機(jī)器人關(guān)鍵部件的選擇現(xiàn)在割草機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式主要有輪式、履帶式、足式等;履帶式割草機(jī)一般用于坡度較大的環(huán)境中，足式割草機(jī)一般用于特殊的場(chǎng)合，在比較平坦的環(huán)境下輪式割草機(jī)應(yīng)用廣泛。由于家庭草坪與公共綠地地

7、形平坦，因此本系統(tǒng)采用輪式運(yùn)動(dòng)方式。目前草坪機(jī)械主要有兩個(gè)基本類型:滾刀式修剪機(jī)和旋刀式修剪機(jī)，而滾刀價(jià)格較高，且要求嚴(yán)格的保養(yǎng)，所以割草機(jī)采用旋刀式設(shè)計(jì)，即以高速水平旋轉(zhuǎn)的刀片把草割下。對(duì)于家用割草機(jī)器人來說，其割刀尺寸不應(yīng)過大，因此割刀采用單刀片。割刀刀片由高速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。割刀驅(qū)動(dòng)電機(jī)在割草機(jī)中高速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此割草機(jī)內(nèi)部應(yīng)該有足夠的空間散熱。 蓄電池為割草機(jī)另一個(gè)能量源，在外部光照不足時(shí)起到主要供能的作用，選擇蓄電池的好壞會(huì)影響到割草機(jī)的壽命的長(zhǎng)短?，F(xiàn)在常用的蓄電池為鎳福蓄電池、鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池、鏗電池。雖然鎳福電池和鉛酸電池制作簡(jiǎn)單價(jià)格便宜，但是福元素和鉛元素會(huì)污染環(huán)境。鎳氫電池具

8、有較好的低溫放電性，且報(bào)廢后無(wú)污染，但是鎳氫電池高溫性能比較差，在陽(yáng)光下易于氧化，使蓄電池壽命過短，因此鎳氫電池不太適合本系統(tǒng)。鏗電池具有容量高、質(zhì)量輕、充放電效率高等優(yōu)點(diǎn);雖然價(jià)格相對(duì)其它三種高，但其性價(jià)比具有更大的優(yōu)勢(shì)，因此本系統(tǒng)采用鏗電池作為蓄電池。在太陽(yáng)能割草機(jī)中，電機(jī)的用途主要分為兩個(gè)種類:一種，電機(jī)用來驅(qū)動(dòng)割草刀片的高速旋轉(zhuǎn)，稱為割草電機(jī);另一種，電機(jī)用來驅(qū)動(dòng)割草機(jī)車輪的行走，稱為行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于直流電機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，適于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，因此本系統(tǒng)使用直流電機(jī)。直流電機(jī)又分為有刷直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)，但是有刷直流電機(jī)易于磨損，所以本系統(tǒng)采用無(wú)刷直流電機(jī)。2.2.2

9、太陽(yáng)能割草機(jī)部件分布本割草機(jī)器人本體采用三輪小車機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，前輪為其起導(dǎo)向作用的萬(wàn)向輪，兩后輪為兩個(gè)電機(jī)差動(dòng)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，只需分別控制后兩輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，就能準(zhǔn)確控制自動(dòng)割草機(jī)器的動(dòng)作，轉(zhuǎn)彎非常靈活，特別是能實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎，有利于移動(dòng)機(jī)器人在行走過程中對(duì)障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)避障。蓄電池為割草機(jī)最重的部件，由于要保證萬(wàn)向輪具有高的靈活度，不可以在萬(wàn)向輪上加載過大的力，因此將蓄電池放在割草機(jī)的后部。割草機(jī)的割刀安裝在刀盤上這樣可以增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量提高割草的質(zhì)量。割草電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，為了避免人割草機(jī)內(nèi)部的積累，將割刀放在割草機(jī)空間較大前半部分。具

10、體的結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。1、萬(wàn)向輪2、刀盤3、割刀4、割草機(jī)外殼5、液晶顯示器及鍵盤6、蓄電池7、驅(qū)動(dòng)輪8、變速器9、驅(qū)動(dòng)電機(jī)10、控制板11、割草電機(jī)圖2.2割草機(jī)的結(jié)構(gòu)圖太陽(yáng)能電池板采用帖附方式，將太陽(yáng)能電池板薄片貼在割草機(jī)器人的表面，用導(dǎo)流槽將每塊電池薄片串聯(lián)起來。這樣是割草機(jī)器人看起來比較美觀簡(jiǎn)約，并且大大減小割草機(jī)的重量?？紤]到太陽(yáng)能割草機(jī)器人的一個(gè)要求一重量盡可能的小，因此割草機(jī)的支架結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料，采用彎折成型與螺母鏈接將構(gòu)架搭建起。割草機(jī)的外殼采用ASA塑料，其優(yōu)點(diǎn)是:良好的物理性能，抗老化性能強(qiáng)，可以應(yīng)對(duì)比較惡劣的氣候變化，耐高溫性能好，并且還可以防止靜電，減少了車體靜電

11、對(duì)塵土的吸附和對(duì)電路板的噪聲干擾。2.3傳感器的選擇割草機(jī)器人在隨時(shí)變化的環(huán)境中自主工作，應(yīng)具有感知環(huán)境的變化的能力。在家用太陽(yáng)能割草機(jī)上利用的傳感器應(yīng)該具備以下特點(diǎn):滿足系統(tǒng)的要求;價(jià)格合理;技術(shù)成熟;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等。但是現(xiàn)在市場(chǎng)上的傳感器種類很多，但是它們各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此本系統(tǒng)采用幾種傳感器的組合。在內(nèi)部，采用電子羅盤與編碼器，在外部采用超聲波傳感器來感知障礙物。市場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)方位傳感器有很種，例如陀螺儀，傾角儀等。但是由于家庭草坪與公共綠地比較平坦對(duì)三維坐標(biāo)要求不嚴(yán)，另外陀螺儀與傾角儀價(jià)格比較昂貴，因此在本系統(tǒng)只選用了二維電子羅盤CMPS03，來獲得割草機(jī)的運(yùn)動(dòng)方位角，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在

12、比較常用的測(cè)距傳感器有超聲波傳感器，紅外傳感器，激光傳感器，但是激光傳感器價(jià)格比較高，不太適合應(yīng)用在家庭設(shè)備上，在本系統(tǒng)中不予考慮。紅外傳感器的有效測(cè)距范圍為5cm- 80cm ,測(cè)得有效距離過短，使割草機(jī)反應(yīng)時(shí)間減少，在高速情況下如果割草機(jī)反應(yīng)過慢就有可能與發(fā)生障礙物碰撞。超聲波傳感器選擇GH-311 RT模塊，它的有效距離為10cm-800cm，雖然存在著盲區(qū)，但是對(duì)家庭割草機(jī)來說己經(jīng)完全能夠滿足檢測(cè)障礙物的要求。超聲波傳感器的分布如圖2.3所示。圖2.3超聲波傳感器的分布2.4系統(tǒng)控制體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)太陽(yáng)能割草機(jī)器人屬于智能機(jī)器，它能感知外部環(huán)境，隨著外部的環(huán)境對(duì)變化，割草機(jī)器人能做出及時(shí)

13、的反應(yīng)。在本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了能量管理決策系統(tǒng)，基站系統(tǒng)，環(huán)境感知系統(tǒng)，電機(jī)控制系統(tǒng)等。太陽(yáng)能割草機(jī)的能量系統(tǒng)屬于以太陽(yáng)能為主要供能源蓄電池為輔助供能源的混合功能系統(tǒng)，但如何提供需要控制系統(tǒng)根據(jù)外部的環(huán)境進(jìn)行決策，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了能量管理系統(tǒng)。基站系統(tǒng)為定位系統(tǒng)，這里設(shè)計(jì)了超聲波傳感器、微波傳感器及電子羅盤結(jié)合得出割草機(jī)在割草區(qū)域內(nèi)的極坐標(biāo)，對(duì)割草機(jī)進(jìn)行定位，處理器根據(jù)割草機(jī)所在的位置進(jìn)行指導(dǎo)割草機(jī)的行走方向并可以根據(jù)坐標(biāo)判斷割草機(jī)是否走過該區(qū)域。環(huán)境感知系統(tǒng)為將外部的環(huán)境進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，傳送給中心處理器，中心處理器對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行分析，然后做出決策。電機(jī)控制系統(tǒng)用于對(duì)割草機(jī)的直行，加速，轉(zhuǎn)向，倒退的控制

14、。在電機(jī)控制系統(tǒng)中還設(shè)計(jì)對(duì)過流與過熱保護(hù)系統(tǒng)，用于保護(hù)電機(jī)與控制器避免意外的事故的發(fā)生。圖2.4太陽(yáng)能割草機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)2.5控制系統(tǒng)的中的數(shù)據(jù)管理在本系統(tǒng)中，牽扯到電子地圖的建立、行走過程位置的記錄、重復(fù)率的判斷、邊界的判斷、是否有未走過的判斷、在行走過程中障礙物位置的記錄及割草機(jī)對(duì)障礙物的躲避計(jì)算，這些都需要控制器具有高時(shí)效性和高信息吞吐量，因此本系統(tǒng)引入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)全局的存儲(chǔ)、處理和維護(hù)，整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)境和工作過程位置的記錄、推理知識(shí)以及融合傳感器信息。圖2.5太陽(yáng)能割草機(jī)器人的管理框架位置確定系統(tǒng)的作用是獲取割草機(jī)的位置并將位置坐標(biāo)傳送給處理器;避障系統(tǒng)獲得障礙物的距離，并傳送給處理

15、器;處理器將這些數(shù)據(jù)揉合，并將揉合的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫(kù)處理存儲(chǔ);規(guī)劃系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)處理的結(jié)果對(duì)割草機(jī)進(jìn)行行為規(guī)劃;行為控制系統(tǒng)用規(guī)劃好的結(jié)果指導(dǎo)割草機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作。2.6本章小結(jié)本章對(duì)太陽(yáng)能割草機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇了割草機(jī)各個(gè)部分，設(shè)計(jì)出割草機(jī)機(jī)體內(nèi)部各部件的分布，設(shè)計(jì)出了太陽(yáng)能割草機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)。第三章 太陽(yáng)能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成太陽(yáng)能割草機(jī)器人的控制硬件主要包括以下幾個(gè)模塊:中心控制系統(tǒng)(CPU與外設(shè))，傳感器系統(tǒng)，電機(jī)控制系統(tǒng)，位置確定系統(tǒng)。各系統(tǒng)的關(guān)系如圖3.1所示。圖3.1控制系統(tǒng)關(guān)系圖3.1太陽(yáng)能割草機(jī)的主控制器的介紹系統(tǒng)主控制器采用三

16、星公司生產(chǎn)的32位RISC處理器S3C2410331o S3C2410為一款性價(jià)比非常高的CPU，它的內(nèi)核基于ARM920T，帶有MMU (Memory Management Unit)功能，其主頻達(dá)到203MHz，同時(shí)它還采用了AMBA(Advanced Microcontroller BusArchitecture)的新型總線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了MMU, AMBABUS, Harvard的高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，同時(shí)支持Thumb 16位壓縮指令集，從而可以滿足以較小存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)指令的需求，獲得32位的系統(tǒng)性能。芯片不但價(jià)格適中，而且提供了豐富的片上資源。S3C2410X在包含ARM920T核的同時(shí)，增

17、加了豐富的外圍資源，如圖下圖所示。S3C2410X主要片內(nèi)外圍模塊包括:.1個(gè)LCD控制器，支持STN和TFT液晶顯示屏;.外部存儲(chǔ)器管理(SDRAM控制器和芯片選擇邏輯);.3個(gè)通道的DART;.4個(gè)通道的DMA，支持存儲(chǔ)器和I/O口之間的傳輸，以碎發(fā)模式提高傳輸率;.4個(gè)具有PWM功能的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和1個(gè)16位內(nèi)部定時(shí)器，支持外部時(shí)鐘源;.8通道的10位ADC，最高速率可達(dá)500kB/s, 10位分辨率;.觸摸屏接口;. IIS總線接口;.2個(gè)USB主機(jī)接口，1個(gè)USB設(shè)備接口;.2個(gè)SPI接口;.SD卡接口和MMC卡接口;.16位看門狗定時(shí)器;.117位通用I/0口和24位外部中斷

18、源;.8通道10位AD控制器;.電源管理。3.2 CPU核心電路的設(shè)計(jì)CPU電路是整個(gè)系統(tǒng)硬件的基礎(chǔ)和控制核心，由于S3C2410本身對(duì)RAM要求很大，但是S3C2410只有16K cache，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠系統(tǒng)的運(yùn)行，因此必須擴(kuò)展SDRAM作為數(shù)據(jù)暫存空間。S3C2410本身沒有FLASH，因此還必須外接FLASH用于啟動(dòng)代碼的存儲(chǔ)，程序數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。核心電路主要由CPU, SDRAM, Flash、電源電路、外部晶振、LCD和復(fù)位電路等部分組成，如圖3.2所示圖3.2核心電路連接圖3.3傳感器的系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)- CMPS03電子羅盤的應(yīng)用電子羅盤是機(jī)器人導(dǎo)航必須的方位傳感器。在本系統(tǒng)中采用CMP

19、S03電子羅盤。這種電子羅盤模塊是專門為機(jī)器人而制造，目的為了給機(jī)器人提供合適的方向?qū)Ш叫盘?hào)。電子羅盤可以方便的通過IZC總線或串行口連接到控制器上。輸出信號(hào)為一數(shù)值，其用來指示當(dāng)前傳感器和地球磁場(chǎng)之間的偏角。如圖5.20所示為CMPS03電子羅盤的實(shí)物照片。電子羅盤需要在5V電壓15mA的標(biāo)準(zhǔn)電流下工作，分辨率為0.10。可以通過兩種方法獲取模塊的測(cè)量結(jié)果:一種是通過對(duì)引腳4的PWM脈沖的正脈沖寬度的測(cè)量來判斷角度的大小。在這種模式下，PWM脈沖的正脈沖寬度代表角度的大小。正脈沖寬度在lms (0)和36. 99ms (359.9)之間變化，也就是說，每0.lms代表1度，并有l(wèi)ms的補(bǔ)償(

20、在lms時(shí)角度為零)。在PWM模式下，引腳2,3必須通過電阻接+5V電壓。另一種是通過2,3引腳的C接口直接獲取角度讀數(shù)。圖3.3 CMPS03實(shí)物圖第四章 太陽(yáng)能割草機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)4.1嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)分析在本系統(tǒng)中具有很重要的位置，它關(guān)系到機(jī)器人的實(shí)時(shí)性與高效性。太陽(yáng)能割草機(jī)器人在開始需要建立電子邊界地圖，本系統(tǒng)中地圖的邊界是以連續(xù)點(diǎn)的形式標(biāo)注，因此需要使機(jī)器人能以更優(yōu)化的方式管理數(shù)據(jù);在運(yùn)動(dòng)過程中，割草機(jī)還需要迅速的判斷出是否到達(dá)邊界。在本系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)全區(qū)覆蓋的遺漏率較低，采用的是坐標(biāo)比較法，在行走過程中控制器不斷記錄走過的坐標(biāo)并存儲(chǔ)，在行走的過程中不斷地提取走

21、過的位置數(shù)據(jù)與此刻的位置比較，以判斷是否已經(jīng)走過。但是這樣會(huì)牽扯到大量數(shù)據(jù)的處理，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)大多通過文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，根據(jù)地址提取，文件存儲(chǔ)的不足表現(xiàn)為存儲(chǔ)效率低，安全性能差和并發(fā)性能不佳。因此，為解決以上問題，本系統(tǒng)引入數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。圖4.1 割草運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)圖4.1.1嵌入式系統(tǒng)SQLite簡(jiǎn)介本系統(tǒng)使用嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite取代文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理。SQLite是2000年開發(fā)出來的一種中小型嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)，可以較為方便地運(yùn)用于嵌入式系統(tǒng)中。它的源代碼完全開放，可以免費(fèi)用于任何用途，包括商業(yè)目的。SQLite提供了對(duì)SQL92的大多數(shù)支持，支持多表和索引、事務(wù)、視圖、觸發(fā)

22、和一系列的用戶接口及驅(qū)動(dòng)。嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)有占用存儲(chǔ)空間小、可靠性高、可管理性和安全性好，功能齊全，健壯性與可裁減性，互操作性和可移植性好等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)無(wú)論在采集效率上還是系統(tǒng)穩(wěn)定性上都比傳統(tǒng)系統(tǒng)有了很大的提升。它的特點(diǎn)如下：.支持ACID事務(wù);.支持大部分的SQL命令.零配置一一一無(wú)需安裝和管理配置;.儲(chǔ)存在單一磁盤文件中的一個(gè)完整的數(shù)據(jù)庫(kù);.數(shù)據(jù)庫(kù)文件可以在不同字節(jié)順序的機(jī)器間自由共享;.存儲(chǔ)量大，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)大小至2 TB.體積小，全部源碼大概3萬(wàn)行C代碼，250 KB，代碼完全開放，可以免費(fèi)用于任何用途，包括商業(yè)目的。圖4.2 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖4.2關(guān)鍵部分編程的實(shí)現(xiàn)4.2.1主程序的設(shè)

23、計(jì)上一章已經(jīng)對(duì)割草機(jī)的控制硬件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的介紹，本系統(tǒng)控制硬件的工作原理是:定位系統(tǒng)的距離信號(hào)經(jīng)過單片機(jī)的簡(jiǎn)單處理得出簡(jiǎn)單的坐標(biāo)信號(hào)，傳給CPU-ARM芯片，CPU與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的記錄數(shù)據(jù)比較，并將割草機(jī)器人此刻坐標(biāo)存入存儲(chǔ)器;超聲波避障傳感器將障礙物的距離接收到，進(jìn)過單片機(jī)的簡(jiǎn)單處理得出障礙物距離，與允許距離比較，判斷如何走，將行走數(shù)據(jù)信號(hào)傳給CPU, CPU綜合各種外部信息，決策如何行走，并將障礙物的信息存儲(chǔ)在FLASH中。本系統(tǒng)的具體流程如下圖4.3。圖4.3割草機(jī)器人的總體框架在本系統(tǒng)中，每一部分都有一個(gè)單片機(jī)作為分處理器，中央處理器可以得到單片機(jī)傳出的經(jīng)過簡(jiǎn)單處理的數(shù)據(jù)。這樣可以大大減

24、少中央處理器的處理量，而且便于中央處理器的管理。由于單片機(jī)的價(jià)格比較低廉，因此不會(huì)過多的增加本系統(tǒng)的成本。4.2.2超聲波避障程序的設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了五個(gè)超聲波測(cè)距模塊，每個(gè)測(cè)距模塊都有一個(gè)AT89C51單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制計(jì)算，單片機(jī)與CPU用CAN總線相連。五個(gè)測(cè)距模塊均勻的分布在割草機(jī)的前部，五個(gè)超聲波模塊分不同的時(shí)間段發(fā)射超聲波，即:測(cè)距模塊1首先發(fā)射超聲波，延時(shí)一段時(shí)間tY，超聲波接收器啟動(dòng)，接收一段時(shí)間t、后停止接受;再延時(shí)，后，啟動(dòng)超聲波測(cè)距模塊2，如此運(yùn)行;當(dāng)碰到障礙物時(shí)，可以根據(jù)每個(gè)模塊兩個(gè)超聲波接受傳感器接到返回超聲波信號(hào)的時(shí)間確定其大體的位置。每個(gè)超聲波測(cè)距模塊的流程如

25、下圖4.4:圖4.4超聲波傳感器的流程傳感器每次發(fā)射超聲波后，為了防止余波干擾，延時(shí)ty后再打開接超聲波收傳感器接受返回信號(hào)，這樣會(huì)出現(xiàn)測(cè)距盲區(qū)，盲區(qū)距離為lm=vty/2。一般而言超聲波發(fā)射時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)得障礙物效果越好。但發(fā)射時(shí)間增長(zhǎng)，會(huì)增加盲區(qū)的距離。本系統(tǒng)設(shè)定發(fā)射時(shí)間為0.5ms，即將t，定為0.5ms，則n，大約為1 Ocm。在割草過程中，一般為了防止割草機(jī)由于碰撞產(chǎn)生的損壞，割草機(jī)沒有必要測(cè)到這樣短距離之內(nèi)障礙物，在割草機(jī)到障礙物還有一段距離時(shí)，割草機(jī)器人已經(jīng)做出了動(dòng)作。第五章 總結(jié)與展望5.1總結(jié)本文對(duì)太陽(yáng)能割草機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較全面的研究，著重研究了太陽(yáng)能割草機(jī)器人的總體

26、結(jié)構(gòu)，能源分配，電機(jī)控制系統(tǒng)，測(cè)距系統(tǒng)，超聲波避障系統(tǒng);在軟件部分介紹了Linux操作系統(tǒng)，將嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)引入割草機(jī)器人構(gòu)建了Linux-SQLite系統(tǒng)，以及給出了太陽(yáng)能割草機(jī)的主要部件的編程算法。 根據(jù)本文所做的工作，本系統(tǒng)的主要成果大致可以歸納為以下幾個(gè)方面:(1)本系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能割草機(jī)所在割草區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)定位和避障的方法進(jìn)行了研究。運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)器人的準(zhǔn)確定位是導(dǎo)航與路徑規(guī)劃的必要條件，本文提出了一種基于基站為定位基準(zhǔn)原點(diǎn)對(duì)割草區(qū)域坐標(biāo)化的方法，增加定位的準(zhǔn)確性，避免了在運(yùn)動(dòng)過程中誤差的積累。(2)分析了太陽(yáng)能割草機(jī)的能量構(gòu)成，以及能量的分配格式。本文根據(jù)能量的供應(yīng)方式提出了合理管理方式，即引入了Agent管理方法綜合分析能量的供應(yīng)環(huán)境，決策采用何種方案對(duì)割草機(jī)進(jìn)行供電，并對(duì)能量管理的進(jìn)行了電路的設(shè)計(jì)。(3)本文對(duì)電機(jī)的控制進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于粒子群優(yōu)化算法的模糊控制器，提高了模糊控制各參數(shù)的自我調(diào)節(jié)能力，提高模糊控制器控制電機(jī)的自適應(yīng)性。避障系統(tǒng)是每個(gè)機(jī)器人必不可少的關(guān)鍵部分，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)超聲波避障系統(tǒng)，其不但能準(zhǔn)確計(jì)算出障礙物的位置，而且減少了機(jī)器人成本。本文還采用COMPS03作為位置傳感器