智能割草機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、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(dòng)單元、電機(jī)控制單元和傳感單元等幾個(gè)局部，最終確定了智能割草機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)。 針對上述要求，進(jìn)行了智能割草機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)相關(guān)的計(jì)算確定了所需驅(qū)動(dòng)電機(jī)的參數(shù)，并以此為根底進(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(jì)了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)。最后，

2、結(jié)合智能割草機(jī)器人的任務(wù)特點(diǎn)，為其設(shè)計(jì)了特制的割草機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)割草機(jī)器入自主執(zhí)行割草任務(wù)的關(guān)鍵局部，根據(jù)具體的任務(wù)要求結(jié)合低本錢的思想，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(gè)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(dòng)控制反響適宜的環(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(dòng)調(diào)節(jié)。關(guān)鍵詞:智能割草機(jī)器人；移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計(jì)；電機(jī)控制；傳感系統(tǒng)；割草機(jī)構(gòu)1 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)的開展，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

3、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(dòng)強(qiáng)度和本錢，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(dòng)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(dòng)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(gè)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

4、制系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)構(gòu)和割草機(jī)構(gòu)等四個(gè)局部組成。感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測外界環(huán)境變量、移動(dòng)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(dòng)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、人力消耗低和高平安性等特點(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,己有局部產(chǎn)品上市如FrinediyMachines公司設(shè)計(jì)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(gè)后輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng),前輪為萬向輪,能以一定策略為根底反復(fù)遷

5、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,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(shí)候能自動(dòng)躲避；瑞典Eleetrofux公司的Auotmower,除動(dòng)力采用電池外,還可利用太陽能供電；比利時(shí)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

6、等方向,而針對割草機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對較少。美國專利US4919224采用了蓄電池供電,能在預(yù)定時(shí)間啟動(dòng),具有避障防盜及自動(dòng)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缺乏等以外情況時(shí),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(dòng),該專利還選用了內(nèi)燃機(jī)做動(dòng)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(shí)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

7、學(xué)機(jī)械學(xué)院設(shè)計(jì)了MORO型移動(dòng)割草機(jī)器人，并成功開發(fā)出了MORO.I、MORO.II等假設(shè)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(jì)、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(jià)實(shí)用的總體方案，還根據(jù)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)出驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)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(jì)算依據(jù)，為進(jìn)一步深入研究割草機(jī)器人打下了根底。MORO型移動(dòng)割草機(jī)器人的主要導(dǎo)航設(shè)備為驅(qū)動(dòng)輪編碼器和磁航向傳感器，能自動(dòng)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

8、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)器人由兩局部組成，一局部為廣茂達(dá)公司生產(chǎn)的AS.RF型機(jī)器人，另一局部為自行設(shè)計(jì)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)的開展，草坪業(yè)已經(jīng)成為了我國一種新興的產(chǎn)業(yè)。草坪根本上已經(jīng)在全國城市園林綠化、

9、運(yùn)動(dòng)場建設(shè)中普及應(yīng)用。草坪業(yè)開始了一個(gè)緩慢、平穩(wěn)也是積蓄力量的開展時(shí)期。這促使草坪業(yè)開始經(jīng)歷一個(gè)由勞動(dòng)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(dòng)割草機(jī)器設(shè)備昂貴的價(jià)格和壟斷的技術(shù)制約了我國在自動(dòng)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。在科技迅猛開展的今天，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)行研究為效勞機(jī)器人的開展提供了新的課題方向，也是效勞機(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)器人的研制能為效勞型

10、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)價(jià)值，智能割草機(jī)器人屬于戶外移動(dòng)型機(jī)器人，在割草時(shí)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(dòng)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(gè)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(jià)值、積極的社會(huì)價(jià)值和一定的學(xué)術(shù)價(jià)值，能側(cè)面地反映出我國自動(dòng)化技術(shù)和機(jī)器人學(xué)的開展水平，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

11、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(jì)、安裝；傳感系統(tǒng)選型和設(shè)計(jì)；機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；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(jì)。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(jì)，其中包括機(jī)械本體驅(qū)動(dòng)方案的選擇、傳感器件的選擇、控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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(jì)。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(dòng)割草機(jī)器入的驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)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

12、。第四章介紹了智能割草機(jī)器人傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對戶外移動(dòng)型機(jī)器人所需要的傳感元件進(jìn)行了說明。通過分析和評價(jià)，結(jié)合實(shí)際選擇了適宜的傳感器。還針對各個(gè)器件的引腳說明，以AT89C51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)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(jì)的過程，機(jī)器人的控制系統(tǒng)包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)，結(jié)合調(diào)壓電路，能為智能割草機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供平安穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)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(jì)智能割草機(jī)器人是一個(gè)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(jì)、環(huán)境感知、行為控制等多方面

13、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，以確保智能割草機(jī)器人最終設(shè)計(jì)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(jì)的技術(shù)參數(shù)。2.1智能割草機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)方案的選擇割草機(jī)器人屬于戶外移動(dòng)型機(jī)器人，針對該類型的機(jī)器人有各種驅(qū)動(dòng)方案可供參考。根據(jù)戶外移動(dòng)型機(jī)器人的工作特點(diǎn)，對自主移動(dòng)機(jī)器人平臺的驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行了詳細(xì)的討論。戶外移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式有輪式、履帶式和足式等多種。輪式和履帶式驅(qū)動(dòng)方式適用于較平整路面，而足式驅(qū)動(dòng)方式適用于特殊的、條件相對惡劣的環(huán)境，也有的移動(dòng)機(jī)器人為了適應(yīng)各種路面

14、將這幾種驅(qū)動(dòng)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)合其他工作要求，割草機(jī)器人大多項(xiàng)選擇用輪式驅(qū)動(dòng)方式。圖2.1移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的選擇輪式驅(qū)動(dòng)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(dòng)方式又可分為鉸軸轉(zhuǎn)向式和差動(dòng)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

15、，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(dòng)轉(zhuǎn)向式如圖2.1中的(b)、(d)所示，在車體兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)方案，因此綜合上述內(nèi)容，選擇了典型的三輪差動(dòng)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)靈活等，缺點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)兩電機(jī)同步轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)器人為了能在未知或時(shí)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(dòng)作的能力。移動(dòng)機(jī)器人避障的

16、關(guān)鍵問題是在運(yùn)動(dòng)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，任何類型的傳感器都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺乏，選用時(shí)需要仔細(xì)考慮各種因素，傳感系統(tǒng)在移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，需要為移動(dòng)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(shí)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)中選用相關(guān)的傳感器以保證其平安性。移動(dòng)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

17、價(jià)相對較高，不適宜采用在民用效勞機(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(shí)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(huì)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

18、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(shí)內(nèi)部的割草刀片會(huì)高速旋轉(zhuǎn)，這會(huì)對人和動(dòng)物造成潛在的傷害，還需要特別要注意平安問題，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(shí)，用于發(fā)生中斷信號；人體熱釋傳感器是一種檢測人或動(dòng)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(shí)，如有人或動(dòng)物闖入到設(shè)定的平安范圍時(shí)，會(huì)發(fā)出對應(yīng)的警報(bào)信號。2.3智能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)智能割草機(jī)器人的控制系統(tǒng)是智能割草機(jī)器人的重要局部，需要對機(jī)器人進(jìn)行一系列的決策控制，

19、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、控制策略和通訊方式等方面要進(jìn)行詳細(xì)的討論，并決定最正確方案。2.3.1控制系統(tǒng)需求分析作為戶外移動(dòng)型效勞機(jī)器人的研究平臺，為實(shí)現(xiàn)低本錢高效率的運(yùn)動(dòng)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)本錢低廉，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(shí)間內(nèi)同時(shí)接收傳感系統(tǒng)采集的信號和控制兩路驅(qū)動(dòng)電機(jī)。(3)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的起停、轉(zhuǎn)速。(4)控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪并行運(yùn)動(dòng)，以復(fù)合成特殊的運(yùn)動(dòng)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

20、器信號綜合處理。(7)對割草機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。(8)根據(jù)傳感器采集的信息，依照特定的算法和策略，對智能割草機(jī)器人進(jìn)行控制(包括運(yùn)動(dòng)控制和割草機(jī)構(gòu)控制)。2.3.2控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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)反響結(jié)果進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(dòng)單元、電機(jī)控制單元和傳感系統(tǒng)信號處理單元三局部。電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元用于驅(qū)動(dòng)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局部，用于電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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

21、整理成簡單的條件參數(shù)反響給電機(jī)控制單元。智能割草機(jī)器人屬于民用型機(jī)器人，特別需要考慮到生產(chǎn)本錢，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(jià)昂貴的高速運(yùn)動(dòng)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(jì)方法，將控制功能劃分為三個(gè)相對獨(dú)立局部，即電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)單元用于驅(qū)動(dòng)左右驅(qū)動(dòng)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

22、合成簡單的反響信號傳遞給電機(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)的核心局部，能依靠特定的策略，結(jié)合傳感系統(tǒng)信號處理單元的反響信息對電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)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)等三局部。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(gè)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

23、動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)，車體共設(shè)置三個(gè)車輪，分別為兩個(gè)同軸的驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)萬向的導(dǎo)向輪。驅(qū)動(dòng)輪用兩個(gè)直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在電機(jī)輸出端和驅(qū)動(dòng)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(dòng)輪軸設(shè)置了旋轉(zhuǎn)編碼器，可向控制系統(tǒng)反響位置信息。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(jì)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(dòng)，同樣設(shè)置了旋轉(zhuǎn)編碼器反響轉(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(gè)信息采集面較廣

24、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(jì)思路，將整體劃分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、電機(jī)控制單元和傳感系統(tǒng)信息信號處理單元三局部。電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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)板為根底，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(jì)局部的內(nèi)容。針對論文緒論局部的具體需求，提出假設(shè)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

25、方案。智能割草機(jī)器人的總體方案中包括本體驅(qū)動(dòng)方案的選擇、傳感器件的選擇和控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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(jì)智能割草機(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)向作用的萬向輪，兩后輪為兩個(gè)電機(jī)利用差動(dòng)的原理分別驅(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)確控制智能割草機(jī)器人的動(dòng)作；轉(zhuǎn)彎非常靈活，有利于移動(dòng)機(jī)器人在行走過程中對路面障礙進(jìn)行實(shí)時(shí)避障。3.1機(jī)器人車體驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率由機(jī)器人質(zhì)量M、運(yùn)行速度v、驅(qū)動(dòng)輪直徑d來確定。計(jì)算和分析

26、機(jī)器人受力情況時(shí)，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(dòng)機(jī)的容量電動(dòng)機(jī)所需的工作功率為 3-1由式 3-2 由電機(jī)至傳動(dòng)軸的總效率為 3-3式中:、分別為減速器、聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率，取=0.90, =0.99。所以 由以上計(jì)算那么可選擇電機(jī)的功率約為18W，輸出轉(zhuǎn)矩10Kg ，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

27、生產(chǎn)的37ZYJ一36ZY系列直流速電機(jī)，所選電機(jī)型號為37ZYJ.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(jì)選定自動(dòng)割革機(jī)器人的移動(dòng)速度約為O.5Km/h，兩驅(qū)動(dòng)輪直徑為d=250mm，那么驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)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

28、。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)由同步齒型帶7傳遞至同步齒型帶輪大輪2上，進(jìn)而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪軸1運(yùn)動(dòng)(3為驅(qū)動(dòng)輪軸的滾動(dòng)軸承3，最終運(yùn)動(dòng)由驅(qū)動(dòng)輪軸1帶動(dòng)的驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)。3.3智能割草機(jī)器人車體設(shè)計(jì)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??；(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(jì)。車體主要由硬質(zhì)鋁合金板件拼接而成，各

29、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，并且硬質(zhì)鋁合金強(qiáng)度適中，密度小，能滿足設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)車輪直徑為250mm，兩驅(qū)動(dòng)輪輪距390mm。機(jī)器人導(dǎo)向輪直徑為150mm，高度150

30、mm，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(dòng)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(dòng)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(dòng)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

31、帶、同步齒型帶輪大輪和驅(qū)動(dòng)車輪輪軸。支撐板用于保證車體內(nèi)部的剛度，并將機(jī)器人車體內(nèi)部劃分為兩個(gè)區(qū)域:一局部為空腔，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；另一局部用于放置直流電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(jì)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(jì)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(dòng)電機(jī)的散熱問題，此外為了適應(yīng)不

32、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(jì)。作為一個(gè)綜合系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)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(dòng)割草功能的根底。本局部詳細(xì)討論了智能割草機(jī)器人的機(jī)械本體設(shè)計(jì)問題，根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)，依照輸

33、出的要求設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)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)計(jì)圖紙。所設(shè)計(jì)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(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和路徑規(guī)劃算法研究提供了一個(gè)良好的平臺。4 智能割草機(jī)器人傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)物的平安，還采取對應(yīng)的平安機(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

34、用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，多由換能晶片在電壓的鼓勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)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(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動(dòng)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(shí)(小于30cm左右)，那么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(huì)受到溫度的影響，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意補(bǔ)償。圖4.1超聲波傳感器原理超聲波

35、傳感多采用渡越時(shí)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，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(shí)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(shí)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(shí)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

36、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)行屢次實(shí)驗(yàn)，以確定不同物品的反響信號波形。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(gè)接收端公用一個(gè)紅外信號發(fā)生端，可同

37、時(shí)檢測左右兩個(gè)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檢測人或動(dòng)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(dòng)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(dòng)物的活動(dòng)情況。在智能割草機(jī)器人執(zhí)行割草任務(wù)時(shí)，需要特別注意到人體和動(dòng)物的平安，因此還應(yīng)當(dāng)引入對活動(dòng)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(dòng)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(shí)，受熱釋電效應(yīng)影響

38、會(huì)在傳感器內(nèi)部的兩個(gè)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(shí)，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(shí)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(huì)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

39、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(dòng)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(dòng)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，

40、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)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(shí)會(huì)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(dòng)輪內(nèi)側(cè)和割革電機(jī)輸出端附近，可反響各電機(jī)的運(yùn)行速

41、度。起平安保護(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(jì)。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)器人平安工作的重要局部。根據(jù)智能割草機(jī)器人工作時(shí)對傳感信息的需求，在該局部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(jì)5.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元設(shè)計(jì)智能割草機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)

42、動(dòng)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路并聯(lián)成1路輸出，使得驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)，將該板的片上資源跳線短接，僅保存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(dòng)板J4

43、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(jì)由于智能割草機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)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)板為根底設(shè)計(jì)，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(shí)，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)

44、動(dòng)電路預(yù)處理板上的超聲波傳感電路如圖5.7所示，該電路是遵照URM37系列早期產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)電路5.3.2紅外傳感器驅(qū)動(dòng)電路紅外傳感器的驅(qū)動(dòng)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(jì)的，使用IRAS V3.0型紅外傳感器時(shí)，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

45、.4引腳。圖5.3紅外傳感器驅(qū)動(dòng)電路5.3.3人體熱釋傳感器驅(qū)動(dòng)電路人體熱釋傳感器的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shí)，可用于溫度補(bǔ)償。圖5.9人體熱釋傳感器驅(qū)動(dòng)電路5.3.4其他傳感器件的驅(qū)動(dòng)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(jì)專用的接口，將接觸傳感器輸出端

46、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)器人的核心局部。在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了模塊化的思想，將控制系統(tǒng)劃分為三個(gè)相對獨(dú)立的單元，分別為:電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)單元用于驅(qū)動(dòng)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)化為相對簡潔的反響信號傳遞給電機(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)信號處理單元的反響信號，對電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)器人點(diǎn)對點(diǎn)

47、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(dòng)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(gè)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(jià)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(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，涉及到割草機(jī)割草

48、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(shí)間內(nèi)遍歷整個(gè)割草區(qū)域。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(shí)，轉(zhuǎn)向處會(huì)有不可防止的重疊路徑，使總的運(yùn)行距離增加；采用邊界跟蹤的方式時(shí)，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標(biāo)準(zhǔn)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(gè)輪子為中心，另一個(gè)輪子左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)180&#

49、176;，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)180°，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(shí)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(gè)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(shí)就應(yīng)該是先檢測到L1，然后后退一段距離

50、，再向右方向轉(zhuǎn)180°。在轉(zhuǎn)彎的過程中，由于L2的存在， A3就會(huì)感應(yīng)到角落的另外一個(gè)邊界L2，如果沒有特別的策略，就會(huì)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。要防止這種情況就需要在軟件上做出改動(dòng)，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(gè)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(gè)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(gè)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)

51、向的策略，這樣就會(huì)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(gè)問題。在正常行走時(shí)，如果A2首先檢測到了邊界，那么執(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(huì)沿著這根斜線邊界不斷調(diào)整自己的角度前進(jìn)，而不會(huì)漏掉這些區(qū)域，適用于邊界不是很規(guī)那么的草地。圖6.4邊界情況二6.3本章小結(jié)本章詳細(xì)討論了智能割草機(jī)器人的區(qū)域充滿路徑的規(guī)劃問題。首先，提出了區(qū)域充滿檢測的標(biāo)準(zhǔn)和區(qū)域模型的簡化方法，然后以此為根底對子區(qū)域的遍歷展開研究，最后將遍歷問題擴(kuò)大至整個(gè)工作區(qū)間，最后給出了智能割草機(jī)器人工作流程圖。這對研究移動(dòng)機(jī)器人的區(qū)域填充問題能起到一定的積極意義。7 結(jié)論本文分析了智能割草機(jī)器人的實(shí)際需求，結(jié)合現(xiàn)有智能割草機(jī)器人產(chǎn)品開展現(xiàn)狀，提出了結(jié)構(gòu)簡單、本錢經(jīng)濟(jì)的智能割草機(jī)器人方案。在戶外移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析的根底上，進(jìn)行了智能割草機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計(jì)。根據(jù)智能割草機(jī)器人工作環(huán)境特