王欣怡，鄧鑫宇，柯宇，王旭

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院 智能制造工程系，四川成都，611731）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及人類(lèi)命運(yùn)共同體和生態(tài)文明建設(shè)的提出，近十年來(lái)全球范圍內(nèi)綠地面積和公園面積逐年增加[1]。草坪的維護(hù)需要大量的人力，且勞動(dòng)成本高，工作效率低，且傳統(tǒng)的割草機(jī)器存在極大的安全隱患。智能割草機(jī)是可以代替人工修剪和自動(dòng)化的設(shè)備，大大節(jié)約了人力、財(cái)力以及物力。因此，研究智能割草機(jī)技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多高校和企業(yè)對(duì)智能割草機(jī)器人開(kāi)展了大量研究。例如：2020年，浙江紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐偉鋒團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)智能割草機(jī)器人時(shí)，將傳感系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及PLC 控制系統(tǒng)等模塊集于一體，提升了割草機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性[2]；2021 年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)謝逢博團(tuán)隊(duì)在對(duì)果園割草機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)，控制方法確定為橫向偏差修正算法，有效降低了機(jī)器人行進(jìn)的誤差[3]；2022 年，煙臺(tái)汽車(chē)職業(yè)工程學(xué)院王德蘭采用TRIZ 發(fā)明原理，構(gòu)建了割草機(jī)器人的問(wèn)題和沖突矛盾矩陣，提出了解決技術(shù)矛盾的方案，提升割草效率的同時(shí)，降低了機(jī)器人動(dòng)作時(shí)的故障率[4]；2023 年，江蘇科技大學(xué)王新彥團(tuán)隊(duì)采用改進(jìn)Yolov5 算法用于割草機(jī)器人的障礙物識(shí)別，提升了識(shí)別的準(zhǔn)確率[5]。從上述研究來(lái)看，割草機(jī)器人的智能化功能日趨完善，且控制系統(tǒng)的精度越來(lái)越高。因此上述研究表明，想要設(shè)計(jì)合理的智能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和使用需求進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，合理配置控制系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)模塊，從而滿(mǎn)足便捷割草動(dòng)作的同時(shí)，還能提升系統(tǒng)整體的控制精度。

1 割草機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體布局

本文以某工業(yè)園園區(qū)內(nèi)部草坪為修剪對(duì)象，設(shè)計(jì)割草機(jī)器人。園區(qū)內(nèi)的草坪具有面積較大、位置分散、清理高度較小以及不同位置清理要求不同等特點(diǎn)。故割草機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要考慮通過(guò)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的調(diào)整和設(shè)置升降結(jié)構(gòu)來(lái)適應(yīng)不同片區(qū)的割草環(huán)境。同時(shí)，還得設(shè)計(jì)循跡、避障、無(wú)線(xiàn)通信等模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行進(jìn)、人機(jī)交互等功能。鑒于此，控制系統(tǒng)的布局中，主控芯片可以選擇STM32 單片機(jī)。因?yàn)樵擃?lèi)型的單片機(jī)能耗較低，且內(nèi)部具有運(yùn)算速度比較快的處理器和內(nèi)存，比較適合處理復(fù)雜的控制系統(tǒng)[6]。主控芯片確定后，再根據(jù)其他的基本功能，可以確定系統(tǒng)的主要模塊。該控制系統(tǒng)的整體布局如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體布局

圖2 STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)圖

2 割草機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片的設(shè)計(jì)

智能割草機(jī)的主控芯片的選擇，主要考慮的依據(jù)是：（1）強(qiáng)大的處理能力，有高性能的運(yùn)算；（2）有豐富的儲(chǔ)存器，可以?xún)?chǔ)存大量的程序代碼和數(shù)據(jù)；（3）具有較高的抗干擾能力和穩(wěn)定性，可以在各種惡劣環(huán)境下工作。因此，單片機(jī)的型號(hào)確定為STM32F103C8T6[7]。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)模塊的作用是滿(mǎn)足割草機(jī)器人輪式結(jié)構(gòu)的行進(jìn)。當(dāng)機(jī)器人在草坪作業(yè)時(shí)，根據(jù)工作和地形的情況，需要完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎以及制動(dòng)等動(dòng)作。故在驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)中，需要選擇電磁轉(zhuǎn)矩較大、調(diào)速性能較好的電機(jī)。所以電機(jī)的類(lèi)型可以確定為直流電機(jī)。但傳統(tǒng)的直流電機(jī)運(yùn)行效率通常只有70%~80%且存在工作壽命相對(duì)短、噪音較大等問(wèn)題。因此，本文選擇無(wú)刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該類(lèi)型的電機(jī)工作效率可達(dá)90%以上，且系統(tǒng)性能穩(wěn)定、噪音較小、可靠性較高。在轉(zhuǎn)速控制方面，考慮到系統(tǒng)需要較高的控制精度，故采用脈寬調(diào)制（PWM）的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)割草機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整，根據(jù)電機(jī)的電感特性，通過(guò)對(duì)占空比的改變產(chǎn)生不同的波形，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。由于智能割草機(jī)為較大型的機(jī)器，所以在綜合考慮續(xù)航和效率的情況下，選擇將兩個(gè)22.2V 的航模電池并聯(lián)來(lái)進(jìn)行整個(gè)電路的供電。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用的是L298 系列，L298是雙H 橋結(jié)構(gòu)，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)[8]，單路可達(dá)到7A 大功率，寬電壓輸入為6.5V~27V。將PA4，PA5，PA6，PA7 引腳設(shè)置為推挽輸出模式，定義了PA1，PA2 號(hào)引腳，作為PWM 的輸出端口，然后將PA4，PA5，PA6，PA7 引腳分別接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的信號(hào)輸入引腳上，來(lái)控制旋轉(zhuǎn)方向，再將PA1，PA2 分別接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的PWM 輸入引腳上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制，電機(jī)接口控制信號(hào)邏輯如表1 所示。

表1 電機(jī)接口控制信號(hào)邏輯

2.3 循跡避障模塊的設(shè)計(jì)

避障模塊的主要目的是讓割草機(jī)能夠識(shí)別到前方的障礙物，并且能自動(dòng)避開(kāi)障礙物繼續(xù)完成割草任務(wù)。在循跡避障模塊方面，本文選擇用紅外避障模塊，原因在于紅外傳感器能夠較好地適應(yīng)外界環(huán)境的光線(xiàn)、抗干擾性能強(qiáng)、裝配便捷，且使用方便[9]。考慮到循跡避障模塊的運(yùn)行穩(wěn)定性，其比較器采用LM393。該模塊的OUT 端口與單片機(jī)PB12 引腳連接，在割草機(jī)器人工作時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)，電路板上的綠色輸出指示燈被點(diǎn)亮，同時(shí)模塊的 OUT 端口持續(xù) 輸出低電平信號(hào)。割草機(jī)的避障距離、前進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)角度等，都可以隨著割草機(jī)所處的環(huán)境而對(duì)程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。循跡避障模塊控制電路如圖3 所示。

圖3 循跡避障模塊控制電路

2.4 藍(lán)牙模塊的設(shè)計(jì)

割草機(jī)器人在運(yùn)行時(shí)，為確保主控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)掌握其狀態(tài)并根據(jù)情況做出對(duì)應(yīng)調(diào)控。無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的選擇顯得非常關(guān)鍵。本文在該模塊的設(shè)計(jì)中，選擇藍(lán)牙模塊作為無(wú)線(xiàn)通信方式。藍(lán)牙模塊的類(lèi)型確定為JDY-31。因?yàn)樵擃?lèi)型的藍(lán)牙模塊完全兼容HC-05/06 從機(jī)[10]，這樣可以實(shí)現(xiàn)Widows、Linux、android 數(shù)據(jù)透?jìng)鳎С质褂谜咄ㄟ^(guò)AT 命令修改設(shè)備名以及波特率等指令，方便快捷使用靈活。本藍(lán)牙模塊的設(shè)計(jì)是把PA9 設(shè)置成TX引腳，PA10 設(shè)置成RX 引腳，然后把藍(lán)牙模塊的TX 引腳和單片機(jī)上的RX 引腳進(jìn)行連接。藍(lán)牙模塊電路如圖4 所示。

圖4 藍(lán)牙模塊電路

2.5 刀具驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)升降系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

智能割草機(jī)的刀具驅(qū)動(dòng)主要是讓其針對(duì)不同的割草環(huán)境來(lái)調(diào)整刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到理想的割草效果。割草機(jī)的刀具部分設(shè)計(jì)有升降功能，使用者可以根據(jù)自己的需求來(lái)選擇留下的草的長(zhǎng)度，相對(duì)傳統(tǒng)的割草機(jī)，本割草機(jī)更具有個(gè)性化，且可以滿(mǎn)足不同的需求。電動(dòng)推桿精度高、無(wú)污染、維護(hù)成本低、環(huán)保節(jié)能，更能貼合大環(huán)境下的生態(tài)環(huán)保。電機(jī)推桿和割草電機(jī)的電路設(shè)計(jì)部分，定義了PC1，PC2，PC3，PC4 引腳為推挽輸出模式，PC1，PC2 和PC3，PC4分別接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)板上，來(lái)控制電機(jī)推桿的啟動(dòng)和割草電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。刀具驅(qū)動(dòng)電路如圖5 所示，自動(dòng)升降系統(tǒng)模塊電路如圖6 所示。

圖5 刀具驅(qū)動(dòng)電路圖

圖6 自動(dòng)升降系統(tǒng)電路圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行程序的編寫(xiě)

本割草機(jī)系統(tǒng)編程采用易讀性和移植性高的C 語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，使用Keil μVision5 by ARM 軟件進(jìn)行代碼編譯以及調(diào)試，這款I(lǐng)DEB 被廣泛地用于代碼的編寫(xiě)和測(cè)試。并且使用STM32CubeMX 對(duì)主控芯片的引腳進(jìn)行配置，配置完成后再用Keil5 進(jìn)行程序的編寫(xiě)。編程的思想采用模塊化編程思想，模塊化編寫(xiě)的程序不僅方便進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，而且方便移植，這樣大大減少了割草機(jī)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化配置包括定時(shí)器、延時(shí)函數(shù)、系統(tǒng)時(shí)鐘、串口等。系統(tǒng)初始化完成后割草機(jī)進(jìn)入等待接收命令狀態(tài)，當(dāng)收到模式改變命令時(shí)，割草機(jī)啟動(dòng)相應(yīng)的程序，然后再完成相應(yīng)的指令。以刀具驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例，部分主要運(yùn)行程序如下：

3.2 圖形用戶(hù)界面的布局

系統(tǒng)的GUI 界面是圖形用戶(hù)界面。基本的運(yùn)行理念為：系統(tǒng)內(nèi)部將用戶(hù)的指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼信息，然后GUI程序開(kāi)始運(yùn)行，并創(chuàng)建相對(duì)應(yīng)的消息列隊(duì)，最后程序?qū)﹃?duì)列中的消息進(jìn)行處理。在本文中 ，GUI 的界面主要有四個(gè)部分：（1）電推桿的升降；（2）刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)；（3）割草機(jī)的運(yùn)動(dòng)；（4）割草機(jī)的自動(dòng)模式。整個(gè)割草機(jī)的控制如圖7 所示，中間部分是控制割草機(jī)運(yùn)動(dòng)的，當(dāng)割草機(jī)運(yùn)動(dòng)到割草區(qū)域后，通過(guò)點(diǎn)擊電推桿部分的上升或下降就可調(diào)整刀盤(pán)的高度，刀盤(pán)的高度到理想位置后，就可點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，然后就可以開(kāi)始割草。除此外割草機(jī)還帶有自動(dòng)模式，點(diǎn)擊自動(dòng)模式后割草機(jī)就會(huì)開(kāi)始自動(dòng)割草GUI 界面的基本布局，如圖7所示。

圖7 GUI 界面布局

4 系統(tǒng)的性能測(cè)試

為了更好地評(píng)估割草機(jī)，需要對(duì)割草機(jī)器人的實(shí)際性能進(jìn)行測(cè)試。因此，本文制作了割草機(jī)器人實(shí)物模型，如圖8所示。并對(duì)模型展開(kāi)測(cè)試，部分主要的測(cè)試內(nèi)容包括：割草機(jī)的電推桿以及割草盤(pán)性能測(cè)試、機(jī)器人適應(yīng)地形測(cè)試、避障性能測(cè)試以及割草量測(cè)試。部分測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 部分主要測(cè)試結(jié)果

圖8 割草機(jī)器人實(shí)物

從表2 所示的最終測(cè)試結(jié)果來(lái)看，割草機(jī)預(yù)設(shè)的功能基本實(shí)現(xiàn)，且控制系統(tǒng)的精度符合要求，機(jī)器人能夠正常進(jìn)行工作，即機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案基本合理。

5 結(jié)論

草坪的管理工作對(duì)傳統(tǒng)割草機(jī)的功能、性能、效率等有著較高的要求，而傳統(tǒng)大功率的割草機(jī)污染大、噪音大，應(yīng)根據(jù)生態(tài)環(huán)境的發(fā)展要求對(duì)割草機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新。本文的智能割草機(jī)很大程度上降低了能源的消耗和對(duì)環(huán)境的污染，且對(duì)于普通的割草機(jī)來(lái)說(shuō)本文設(shè)計(jì)的智能割草機(jī)更加的安全，且避免了不必要的人力、財(cái)力花費(fèi)，且割草效果良好，為將來(lái)割草機(jī)的智能化提供了一種可行方案。