宣 峰，韓孟洋

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

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市綠化建設(shè)的深化，各個(gè)城市草坪面積越來(lái)越大，而修剪和維護(hù)草坪是一項(xiàng)繁重且枯燥的工作，往往需要投入大量的人力、物力和財(cái)力。在智能制造2025的大背景下，為了最大限度地減少維護(hù)草坪工作的勞動(dòng)力成本，我國(guó)提出了結(jié)合智能控制和先進(jìn)電子技術(shù)研制開(kāi)發(fā)智能型割草機(jī)的發(fā)展戰(zhàn)略，研究出一種適合大型場(chǎng)地的智能割草機(jī)，實(shí)現(xiàn)大型場(chǎng)地草坪維護(hù)工作的變革和創(chuàng)新，將為用戶創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。為此，本文以三星S5PV210微處理器為控制核心，設(shè)計(jì)和研發(fā)了一款智能割草機(jī)，能夠自動(dòng)識(shí)別草坪和路徑規(guī)劃，對(duì)于草坪維護(hù)工作具有重要意義。

1 智能割草機(jī)整體架構(gòu)的設(shè)計(jì)

智能割草機(jī)是一個(gè)融合機(jī)械設(shè)計(jì)、環(huán)境感知、智能控制、路徑動(dòng)態(tài)規(guī)劃和行為決策綜合性系統(tǒng)。本章以割草機(jī)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(diǎn)進(jìn)行討論分析，以確保智能割草機(jī)最終設(shè)計(jì)方案的合理性。

1.1 智能割草機(jī)本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

智能割草機(jī)本體結(jié)構(gòu)包括電源、割草、控制和驅(qū)動(dòng)4個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)割草機(jī)的鋰電池進(jìn)行合理充放電管理；割草模塊包括直流電機(jī)、割刀和高度調(diào)整器等，負(fù)責(zé)割刀的驅(qū)動(dòng)及割刀高度的調(diào)整；驅(qū)動(dòng)模塊包括機(jī)械傳動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)輪3部分，負(fù)責(zé)割草機(jī)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(cè)兩部分，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制及傳感信號(hào)的采集與處理。

圖1 智能割草機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

智能割草機(jī)具有一定的人工智能水平，能通過(guò)多傳感器組對(duì)作業(yè)區(qū)域環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)感知，并根據(jù)感知的結(jié)果對(duì)自身的行為規(guī)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)指導(dǎo)。智能割草機(jī)控制系統(tǒng)包括超聲波障礙物檢測(cè)、位置定位、電子羅盤(pán)和驅(qū)動(dòng)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(pán)等信息進(jìn)行融合計(jì)算，可以得到割草機(jī)的實(shí)時(shí)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(kù)中割草機(jī)已經(jīng)走過(guò)的路徑坐標(biāo)進(jìn)行比較，判斷其是是否已經(jīng)經(jīng)過(guò)該區(qū)域，進(jìn)一步規(guī)劃割草機(jī)的運(yùn)動(dòng)路徑。運(yùn)動(dòng)控制模塊獲得傳送過(guò)來(lái)的運(yùn)動(dòng)策略，給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送指令，進(jìn)而采用差分方式驅(qū)動(dòng)左右電機(jī)的運(yùn)行，達(dá)到運(yùn)動(dòng)目的。

圖2 智能割草機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊的設(shè)計(jì)

在智能割草機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理模塊的設(shè)計(jì)中，涉及到了電子地圖、行走記錄、邊界判斷及障礙物檢測(cè)等信息。這些數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)量大，且需要S5PV210處理器能夠根據(jù)傳感器檢測(cè)進(jìn)行快速的響應(yīng)，要求處理器具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性和高信息吞吐量。因此，本系統(tǒng)引入了Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)，用于整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(jī)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(jī)的位置信息后，將割草機(jī)的坐標(biāo)發(fā)送給位置確定系統(tǒng)；障礙物檢測(cè)系統(tǒng)則實(shí)時(shí)獲得障礙物距離信息，然后微處理器將割草機(jī)位置與障礙物距離信息進(jìn)行融合處理，并將結(jié)果存放在Sqlite數(shù)據(jù)庫(kù)；最后，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)解析結(jié)果對(duì)割草機(jī)的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行規(guī)劃，并指導(dǎo)行為控制系統(tǒng)對(duì)割草機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作指示。

2 智能割草機(jī)運(yùn)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)

2.1 智能割草機(jī)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)模型

智能割草機(jī)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(huì)出現(xiàn)移動(dòng)困難等問(wèn)題。因此，割草機(jī)一般采用輪式、履帶式和足式3種驅(qū)動(dòng)方式：足式驅(qū)動(dòng)方式動(dòng)力足，移動(dòng)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(dòng)根據(jù)輪子的多少又分為雙輪、三輪和四輪，三輪驅(qū)動(dòng)方式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，承載能力也比較強(qiáng)，能夠滿足一般需要。由于智能割草機(jī)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(dòng)方式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及運(yùn)動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)。智能割草機(jī)三輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

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

2.2 智能割草機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

智能割草機(jī)運(yùn)動(dòng)模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的重要模塊，高效、穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是智能割草機(jī)高質(zhì)量完成作業(yè)的前提。為了使割草機(jī)在作業(yè)過(guò)程中具有穩(wěn)定、準(zhǔn)確、靈活等優(yōu)點(diǎn)，本文采用兩輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)的方式控制割草機(jī)的移動(dòng)，前輪的作用用于保持車身的平衡。智能割草機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖5所示。

圖5 智能割草機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Fig.5 The kinematic model of the intelligent lawn mower

智能割草機(jī)采用兩輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，在計(jì)算中以兩后輪中心線中點(diǎn)為運(yùn)動(dòng)中心點(diǎn)，設(shè)vl和vr為機(jī)器動(dòng)力輪的移動(dòng)速度，其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)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(jì)算參考點(diǎn)；θ為智能割草機(jī)的移動(dòng)方向?qū)蚪?；ω為智能割草機(jī)運(yùn)動(dòng)角速度；v為智能割草機(jī)的前進(jìn)速度；L為智能割草機(jī)兩后輪之間的距離；Ts為采樣周期。

2.3 智能割草機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃

智能割草機(jī)運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃的要求是割草機(jī)最后能夠?qū)⒄麄€(gè)目標(biāo)草坪全部作業(yè)完畢，不會(huì)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(jī)控制系統(tǒng)的重要部分，比較常用的運(yùn)動(dòng)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(jī)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(shí)，割草機(jī)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)不同程度的重疊路徑，增加割草機(jī)總行程；而采用邊界跟蹤剪草模式時(shí)，割草機(jī)器人轉(zhuǎn)向頻率會(huì)增加，重疊路徑較直線剪草模式不會(huì)減少太多，但頻繁轉(zhuǎn)向帶來(lái)的誤差卻會(huì)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(dá)到草坪邊緣時(shí)，割草機(jī)自動(dòng)后退1個(gè)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(gè)割草區(qū)域。

3 智能割草機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 智能割草機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能割草機(jī)主體為一個(gè)三輪的移動(dòng)小車，后輪采用差分雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，前輪采用萬(wàn)向輪起到割草機(jī)方向引導(dǎo)的作用。智能割草機(jī)核心部分是控制割草機(jī)在指定區(qū)域按照要求進(jìn)行移動(dòng)，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(guò)GPIO管腳輸出PWM，配合驅(qū)動(dòng)控制模塊便可控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等操作，實(shí)現(xiàn)智能割草的功能。智能割草機(jī)控制系統(tǒng)硬件框架如圖7所示。

圖7 智能割草機(jī)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(jì)中，為了更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的高時(shí)效性和高高信息吞吐量，需要給S5PV210微處理配備強(qiáng)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(jī)驅(qū)動(dòng)及電子羅盤(pán)等。

3.2 割草機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了方便軟件的擴(kuò)展和移植，系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，程序采用C和C++混合編程，硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境為T(mén)ITY210，軟件開(kāi)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(jī)驅(qū)動(dòng)和傳感器數(shù)據(jù)采集等多個(gè)模塊。其中，路徑規(guī)劃子程序流程如圖9所示。

4 測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證該智能割草機(jī)控制系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)需求及其智能程度的高低，特在某草坪區(qū)域進(jìn)行了實(shí)地割草測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10中，橢圓為割草機(jī)作業(yè)起點(diǎn)，方框?yàn)榻K點(diǎn)，三角形為障礙物區(qū)域。由此可以看出：該智能收割機(jī)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)目標(biāo)草坪的割草作業(yè)，沒(méi)有留下任何死角地方，且路徑規(guī)劃路線最優(yōu)；割草機(jī)成功避開(kāi)了障礙物，在整個(gè)過(guò)程沒(méi)有發(fā)生碰撞行為，成功地到達(dá)了終點(diǎn)，證明該智能割草機(jī)的高實(shí)時(shí)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(yàn)結(jié)果圖Fig.10 Test results

5 結(jié)論

以智能割草機(jī)為研究對(duì)象，重點(diǎn)介紹了割草機(jī)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(jī)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)模型，建立了割草機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，討論并設(shè)計(jì)了割草機(jī)的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃策略。為了驗(yàn)證該智能割草機(jī)的可行性和有效性，對(duì)智能割草機(jī)進(jìn)行了實(shí)際割草測(cè)試。結(jié)果表明：各控制方案相對(duì)有效，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)目標(biāo)草坪的割草作業(yè)，驗(yàn)證了智能割草機(jī)的高實(shí)時(shí)性和高可靠性。