宣 峰，韓孟洋

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

0 引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和城市綠化建設(shè)的深化，各個城市草坪面積越來越大，而修剪和維護草坪是一項繁重且枯燥的工作，往往需要投入大量的人力、物力和財力。在智能制造2025的大背景下，為了最大限度地減少維護草坪工作的勞動力成本，我國提出了結(jié)合智能控制和先進電子技術(shù)研制開發(fā)智能型割草機的發(fā)展戰(zhàn)略，研究出一種適合大型場地的智能割草機，實現(xiàn)大型場地草坪維護工作的變革和創(chuàng)新，將為用戶創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟和社會價值。為此，本文以三星S5PV210微處理器為控制核心，設(shè)計和研發(fā)了一款智能割草機，能夠自動識別草坪和路徑規(guī)劃，對于草坪維護工作具有重要意義。

1 智能割草機整體架構(gòu)的設(shè)計

智能割草機是一個融合機械設(shè)計、環(huán)境感知、智能控制、路徑動態(tài)規(guī)劃和行為決策綜合性系統(tǒng)。本章以割草機本體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)管理模塊為切入點進行討論分析，以確保智能割草機最終設(shè)計方案的合理性。

1.1 智能割草機本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

智能割草機本體結(jié)構(gòu)包括電源、割草、控制和驅(qū)動4個模塊，如圖1所示。電源模塊包括鋰電池、PWM電流控制器及電源控制電路等，主要是實現(xiàn)對割草機的鋰電池進行合理充放電管理；割草模塊包括直流電機、割刀和高度調(diào)整器等，負(fù)責(zé)割刀的驅(qū)動及割刀高度的調(diào)整；驅(qū)動模塊包括機械傳動裝置、驅(qū)動電機和驅(qū)動輪3部分，負(fù)責(zé)割草機的前行、后退和轉(zhuǎn)向；控制模塊包括S5PV210處理器和傳感器檢測兩部分，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制及傳感信號的采集與處理。

圖1 智能割草機的本體結(jié)構(gòu)框架Fig.1 The structure frame of the intelligent lawn mower

1.2 智能割草機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

智能割草機具有一定的人工智能水平，能通過多傳感器組對作業(yè)區(qū)域環(huán)境進行實時感知，并根據(jù)感知的結(jié)果對自身的行為規(guī)劃進行實時指導(dǎo)。智能割草機控制系統(tǒng)包括超聲波障礙物檢測、位置定位、電子羅盤和驅(qū)動控制等子系統(tǒng)，如圖2所示。

微控制器將超聲波傳感器、位置接受傳感器及電子羅盤等信息進行融合計算，可以得到割草機的實時坐標(biāo)及障礙物的位置信息；另外，處理器還可以將其坐標(biāo)與數(shù)據(jù)庫中割草機已經(jīng)走過的路徑坐標(biāo)進行比較，判斷其是是否已經(jīng)經(jīng)過該區(qū)域，進一步規(guī)劃割草機的運動路徑。運動控制模塊獲得傳送過來的運動策略，給電機驅(qū)動模塊發(fā)送指令，進而采用差分方式驅(qū)動左右電機的運行，達到運動目的。

圖2 智能割草機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure diagram of the control system of the intelligent mower

1.3 智能割草機控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊的設(shè)計

在智能割草機控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊的設(shè)計中，涉及到了電子地圖、行走記錄、邊界判斷及障礙物檢測等信息。這些數(shù)據(jù)信息存儲量大，且需要S5PV210處理器能夠根據(jù)傳感器檢測進行快速的響應(yīng)，要求處理器具有很強的實時性和高信息吞吐量。因此，本系統(tǒng)引入了Sqlite數(shù)據(jù)庫，用于整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲、處理。系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊如圖3所示。

圖3 智能割草機控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊Fig.3 The data management module of the intelligent lawn mower control system

位置傳感器確定智能割草機的位置信息后，將割草機的坐標(biāo)發(fā)送給位置確定系統(tǒng)；障礙物檢測系統(tǒng)則實時獲得障礙物距離信息，然后微處理器將割草機位置與障礙物距離信息進行融合處理，并將結(jié)果存放在Sqlite數(shù)據(jù)庫；最后，根據(jù)數(shù)據(jù)庫解析結(jié)果對割草機的運動行為進行規(guī)劃，并指導(dǎo)行為控制系統(tǒng)對割草機做出相應(yīng)的動作指示。

2 智能割草機運動方式的設(shè)計

2.1 智能割草機運動結(jié)構(gòu)模型

智能割草機一般是戶外工作，工作環(huán)境比較差，且草坪比較柔軟，往往會出現(xiàn)移動困難等問題。因此，割草機一般采用輪式、履帶式和足式3種驅(qū)動方式：足式驅(qū)動方式動力足，移動速度快，一般適用于惡劣條件下的作業(yè)環(huán)境；輪式驅(qū)動根據(jù)輪子的多少又分為雙輪、三輪和四輪，三輪驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)相對簡單，承載能力也比較強，能夠滿足一般需要。由于智能割草機工作環(huán)境一般是在條件較好的草坪上，綜上述討論內(nèi)容，本文用三輪驅(qū)動方式，具有結(jié)構(gòu)簡單及運動靈活的優(yōu)勢。智能割草機三輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 智能割草機三輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The three wheel drive structure diagram of intelligent lawn mower

2.2 智能割草機運動學(xué)模型

智能割草機運動模塊是整個控制系統(tǒng)的重要模塊，高效、穩(wěn)定的運動系統(tǒng)是智能割草機高質(zhì)量完成作業(yè)的前提。為了使割草機在作業(yè)過程中具有穩(wěn)定、準(zhǔn)確、靈活等優(yōu)點，本文采用兩輪差動驅(qū)動的方式控制割草機的移動，前輪的作用用于保持車身的平衡。智能割草機運動學(xué)模型如圖5所示。

圖5 智能割草機運動學(xué)模型Fig.5 The kinematic model of the intelligent lawn mower

智能割草機采用兩輪差動驅(qū)動的驅(qū)動方式，在計算中以兩后輪中心線中點為運動中心點，設(shè)vl和vr為機器動力輪的移動速度，其運動學(xué)模型計算方程為

(1)

(2)

將式(1)和式(2)聯(lián)立離散化后得

(3)

(4)

其中，C(x,y)為模型計算參考點；θ為智能割草機的移動方向?qū)蚪?；ω為智能割草機運動角速度；v為智能割草機的前進速度；L為智能割草機兩后輪之間的距離；Ts為采樣周期。

2.3 智能割草機運動路徑規(guī)劃

智能割草機運動路徑規(guī)劃的要求是割草機最后能夠?qū)⒄麄€目標(biāo)草坪全部作業(yè)完畢，不會留下任何死角的地方。因此，合理的路徑規(guī)劃策略是割草機控制系統(tǒng)的重要部分，比較常用的運動路徑規(guī)劃策略有直線和邊界跟蹤兩種剪草模式，如圖6所示。

圖6 割草機的兩種剪草模式Fig.6 The two kinds of grass pattern of lawn mower

采用直線剪草模式時，割草機在轉(zhuǎn)向過程中，會出現(xiàn)不同程度的重疊路徑，增加割草機總行程；而采用邊界跟蹤剪草模式時，割草機器人轉(zhuǎn)向頻率會增加，重疊路徑較直線剪草模式不會減少太多，但頻繁轉(zhuǎn)向帶來的誤差卻會大大增加。因此，本文采用直線剪草模式遍歷整塊草坪區(qū)間，在前向的電子籬笆傳感器判斷即將達到草坪邊緣時，割草機自動后退1個車身的距離，并左轉(zhuǎn)180°，完整轉(zhuǎn)向作業(yè)，這樣就可以遍歷整個割草區(qū)域。

3 智能割草機控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

3.1 智能割草機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能割草機主體為一個三輪的移動小車，后輪采用差分雙電機驅(qū)動的方式，前輪采用萬向輪起到割草機方向引導(dǎo)的作用。智能割草機核心部分是控制割草機在指定區(qū)域按照要求進行移動，而不需要人為控制，也不涉及復(fù)雜的圖像處理算法。系統(tǒng)只需要S5PV210微處理器通過GPIO管腳輸出PWM，配合驅(qū)動控制模塊便可控制小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等操作，實現(xiàn)智能割草的功能。智能割草機控制系統(tǒng)硬件框架如圖7所示。

圖7 智能割草機控制系統(tǒng)硬件框架圖Fig.7 The hardware frame diagram of the control system of the intelligent mower

在小車的硬件設(shè)計中，為了更好地實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的高時效性和高高信息吞吐量，需要給S5PV210微處理配備強大的外設(shè)。S5PV210微處理器核心框架如圖8所示。

圖8 S5PV210處理器框架圖Fig.8 The framework diagram of S5PV210 processor

S5PV210處理器外圍器件主要包括UART、SDRAM(512MB)、JTAG、NandFlash(1G)、USB 、LCD、NorFlash(16MB)、網(wǎng)口(10M)、串口、SD/IF卡超聲波傳感器、電機驅(qū)動及電子羅盤等。

3.2 割草機器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了方便軟件的擴展和移植，系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計思想，程序采用C和C++混合編程，硬件開發(fā)環(huán)境為TITY210，軟件開發(fā)環(huán)境為Uboot2013.01 和Linux 3.14。系統(tǒng)軟件包括主程序、路徑規(guī)劃、電機驅(qū)動和傳感器數(shù)據(jù)采集等多個模塊。其中，路徑規(guī)劃子程序流程如圖9所示。

4 測試與分析

為了驗證該智能割草機控制系統(tǒng)是否滿足設(shè)計需求及其智能程度的高低，特在某草坪區(qū)域進行了實地割草測試，試驗結(jié)果如圖10所示。

圖10中，橢圓為割草機作業(yè)起點，方框為終點，三角形為障礙物區(qū)域。由此可以看出：該智能收割機實現(xiàn)了整個目標(biāo)草坪的割草作業(yè)，沒有留下任何死角地方，且路徑規(guī)劃路線最優(yōu)；割草機成功避開了障礙物，在整個過程沒有發(fā)生碰撞行為，成功地到達了終點，證明該智能割草機的高實時性和高可靠性。

圖9 路徑規(guī)劃子程序流程圖Fig.9 The subroutine flowchart of path planning

圖10 試驗結(jié)果圖Fig.10 Test results

5 結(jié)論

以智能割草機為研究對象，重點介紹了割草機本體結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)管理模塊，搭建了割草機運動結(jié)構(gòu)模型，建立了割草機運動學(xué)模型，討論并設(shè)計了割草機的運動路徑規(guī)劃策略。為了驗證該智能割草機的可行性和有效性，對智能割草機進行了實際割草測試。結(jié)果表明：各控制方案相對有效，能夠?qū)崿F(xiàn)整個目標(biāo)草坪的割草作業(yè)，驗證了智能割草機的高實時性和高可靠性。