張騫曉，蔣慶明，陳志丁，李建偉

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進，城市發(fā)展越來越快，城市環(huán)境也愈發(fā)被重視，各地將城鎮(zhèn)化建設(shè)作為政府的重要工作來抓，城市草坪覆蓋率越來越高，導(dǎo)致園林綠化建設(shè)等項目的維護工作日益繁重[1]，如果都需要人工去維護，不免會消耗大量人力、物力，所以現(xiàn)在亟須一種全自動修剪機器人技術(shù)的研發(fā)與推廣。

1 系統(tǒng)組成

全自動草坪修剪機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)草坪區(qū)域的自主定位、自動修剪、自動充電、規(guī)避障礙物等功能，適用于城市綠地場合，如圖1所示。設(shè)備利用GPS和慣性導(dǎo)航實現(xiàn)了室外高精準定位，可通過對草坪區(qū)域的設(shè)定實現(xiàn)自動定位、修剪，通過視覺檢測對復(fù)雜地形進行識別，采用非接觸式充電，保證戶外充電的安全性。

圖1 功能結(jié)構(gòu)圖

2 硬件組成

設(shè)備所需器件：輪轂電機4個，轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)角傳感器各4個，攝像頭2個，GPS模塊，慣導(dǎo)模塊，驅(qū)動除草刀片的電機，刀片。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）驅(qū)動使用4 個輪轂電機實現(xiàn)了四輪差速行駛，保證了全地形的無差別行駛，也保證了機器人的安全。輪轂電機可將動力裝置、傳動裝置和制動裝置結(jié)合到輪轂內(nèi)，簡化機械結(jié)構(gòu)，降低成本。同時輪轂電機可以通過左右車輪的不同轉(zhuǎn)速甚至反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)類似履帶式車輛的差動轉(zhuǎn)向，大大縮短車輛的轉(zhuǎn)彎半徑，在特殊情況下幾乎可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向（不過此時對車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)和輪胎的磨損較大），對于特種車輛很有價值，對于全自動草坪修剪機器人來說也十分有用[2]。此外，輪轂電機與電動機的集中動力輸出驅(qū)動相比，輪轂電機在這方面所具備的技術(shù)是有很大優(yōu)勢的，它在布局方面更加靈活，也不需要復(fù)雜的機械傳動結(jié)構(gòu)或者系統(tǒng)，就機器人組裝來說更加方便。

2）在四輪電機上還裝有轉(zhuǎn)速傳感器，這保證了對機器人速度的精確控制以及轉(zhuǎn)彎等差速的控制，也可以實時測速并準確地對電機速度進行調(diào)控；傳感器有檢測精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強的優(yōu)點，這些都適用于機器人行駛，所以最終選擇用傳感器來檢測電機狀態(tài)。

3）增加轉(zhuǎn)角傳感器，可以實時對機器人的角度進行控制，并通過上位機進行顯示，使得操控者可以實時獲得機器人的行駛狀況和行駛狀態(tài)。

4）攝像頭采用的兩個相機位置相對固定，同時拍攝同一場景的圖像，兩個相機分別在水平和豎直方向上安裝驅(qū)動電機實現(xiàn)仰俯和旋轉(zhuǎn)。在識別領(lǐng)域，與單目攝像頭相比，雙目攝像頭可以計算出深度信息，有更好的識別精度。單目攝像頭的缺點在于需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐，還需要不斷更新和維護以確保其工作的正常和穩(wěn)定，并且針對一些特殊地區(qū)、特殊情況，還需要不斷地優(yōu)化和處理，才能夠很好地適應(yīng)環(huán)境。

5）定位方面采用GPS 模塊，并且配備了與之配套的慣導(dǎo)模塊。慣導(dǎo)系統(tǒng)分為平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，相比之下，平臺式的需要搭建物理實體平臺，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，捷聯(lián)式的用起來比較方便。因此，最終采用了捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，得益于捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)作用的發(fā)揮，機器人整個結(jié)構(gòu)的體積、重量以及成本得到了降低；且捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)方便維修、更換，還可提供載體軸向的線加速度和角速度，這類信息雖然都是飛控所需要的，但在機器結(jié)構(gòu)上所發(fā)揮的作用也是不可小視的[3]，可以提供更多的導(dǎo)航和制導(dǎo)信息。此外，在機械結(jié)構(gòu)上也做了改良，使系統(tǒng)具有可靠、穩(wěn)定的特點。

6）除草機構(gòu)是由刀具升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和割草機刀具裝置組成。割草機構(gòu)是智能割草機器人的終端執(zhí)行機構(gòu)，用來進行草坪修剪作業(yè)，割草機構(gòu)的設(shè)計直接關(guān)系到割草機器人性能。

3 軟件部分

機器人采用了樹莓派作為主控芯片，選擇樹莓派作為主控芯片的原因是樹莓派優(yōu)秀的性能以及其強大的功能性。機器人如果采用傳統(tǒng)單片機作為主控，則會發(fā)生使用資源過多的問題，并且單片機的處理速度也滿足不了機器人的需求，所以最終采用了樹莓派實現(xiàn)對機器人的綜合控制[4]。因此，雙目識別部分就采用了樹莓派進行圖像的傳輸、處理及識別，幫助機器人更快更好地運行操作，以及更好地對周圍環(huán)境與物體進行識別與分析，軟件功能圖如圖3所示。

圖3 軟件功能圖

4 總結(jié)

智能除草機器人的研究發(fā)展對減少空氣污染、節(jié)約有效燃油資源、減少勞動力資源等具有十分重要的意義與價值[5]。而智能除草機器人所涉及的領(lǐng)域包括自動控制原理、人工智能、信息融合等多個領(lǐng)域，所以研究難度較大。筆者主要研究的是對于機器人框架以及主要結(jié)構(gòu)與功能的設(shè)計與開發(fā)，包括草坪修剪機械的設(shè)計原則及其載體輪轂電機式機器人的特點（運動學(xué)及動力學(xué)等的特點）。筆者研究了輪轂式機器人的草坪行駛運動模式以及其動力方面的性能，由于機器人采用了輪轂電機作為驅(qū)動的特殊機構(gòu)，所以想要實現(xiàn)其在草坪上行駛的特性就很難通過普遍的建立數(shù)學(xué)模型的方式來研究。因此采取了理論分析與試驗相結(jié)合的方式，即在研究其運動學(xué)性能的同時，根據(jù)其運動學(xué)方程及輪轂電機的特點通過試驗得出其草坪行駛運動學(xué)特性；再根據(jù)割草機器人的工作特點，對其進行路徑規(guī)劃，提出了基于傳感器測距的方法；最后通過試驗論證了控制方法的可行性與機器人最終結(jié)構(gòu)功能的完整性。

5 進一步研究

為了實現(xiàn)智能除草機器人的完善性與市場化，還需要進一步研究：

1）除草機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計與改進，需要設(shè)計出廉價且實用的機械結(jié)構(gòu)，用于機器人運動載體以及作為其除草結(jié)構(gòu)平臺；

2）目前還需要提高機器人的運動控制精度，主要包括路徑運動跟蹤控制以及定位系統(tǒng)精度。