基于5G網絡下的全智能草坪修剪機器人設計

宋小飛　姚登銀　王巍巍

摘?要：本設計包括智能草坪修剪機器人、草坪修剪機無線充電系統、光伏充電系統、光伏雙軸追蹤系統、5G網絡下智能控制系統以及全新機械設計。結合微信小程序開發和GPS精確定位實現遠程控制。

關鍵詞：草坪修剪機機器人;單片機;無線充電;光伏追蹤;光伏雙軸;5G網絡;微信小程序;GPS定位;GSM網絡通信系統

目前隨著5G網絡的覆蓋物聯網的發展將更加快速，車輛無人駕駛識別將更加精確，遠程手術也更有了保障，在此給大家介紹一款基于5G網絡下的全智能草坪修剪機設計。隨著城市面積增大，同時城市綠化地帶也增大，草坪修剪也需要更多勞動力，這款全智能草坪修剪機將解決一切問題草坪的問題。

1 全智能草坪修剪機組成系統

該全智能草坪修剪機分為電路系統和機械系統兩部分。電路控制是以單片機為控制中心，GSM網絡通信系統與5G網絡對接，微信小程序可以通過網絡與GSM網絡通信系統進行通信控制，GSM網絡通信系統實現定位，使草坪修剪機精確的在指定地點工作。

1.1 智能草坪修剪機的手動模式功能

本功能模塊：無線通訊模塊、單片機控制模塊、手機或遙控器可視化操作界面、超聲波避障模塊、電機驅動模塊。

園藝師通過微信小程序或遙控器可視化操作界面下達指令，無線通訊模塊將接收到的指令送到單片機控制系統，然后在電機驅動模塊端輸入相應的數字信號，導致兩組電機工作情況出現變化，實現了智能草坪修剪機前后左右行駛方向的變化，當智能草坪修剪機遇到障礙物20厘米時，對前面實際情況進行360°全方位掃描進行判斷，然后單片機控制系統下達相應的左轉、右轉指令，進行障礙物的避讓，在避障命令執行過程中遙控器的中斷指令級別是低于避障中斷命令級別的。

1.2 智能草坪修剪機的自駕模式功能

本功能模塊：無線通訊模塊、單片機控制模塊、手機或遙控器可視化操作界面、高精度GPS進行定位模塊、超聲波避障模塊、電機驅動模塊、舵機。

自駕模式1：在自駕模式開啟之前先確定一塊矩形草地，然后大概了解下這塊草地的長度和寬度，然后在手機或遙控器可視化操作面輸入相應的長度和寬度，此時手機或遙控器將信號發送到智能草坪修剪機的單片機控制系統，對信號進行計算。獲取三個結果，一個是修建這塊草地所需要的時間T0，這個T0會在手機或遙控器可視化操作界面顯示出來;還有就是修建這款草地直行的時間T1，作為智能草坪修剪機直行時延時函數所需的時間;還有就是結合智能草坪修剪機的大小參數計算出智能草坪修剪機轉彎周期數K0作為編程參數的比較量，當累加器函數檢測到智能草坪修剪機實際自駕過程中轉彎周期數k與K0相等時，自駕工作任務完成，跳出任務返回無線充電平臺，在這個過程中GPS定位模塊起到智能草坪修剪機自駕過程中的路徑修正作用，保證智能草坪修剪機在走直線，同時起到監視的作用，在手機或遙控器可視化操作界面的地圖中能看到智能草坪修剪機所在的位置是否離開工作地點。

自駕模式2：通過微信小程序通過GPS探測草坪大概形狀，然后在微信小程序中劃定草坪范圍，智能草坪修剪機將在指定的范圍類通過灰度傳感器和超聲波傳感器進行探測對草坪修剪，到手機定位到草坪修剪機離開指定范圍是自動給智能草坪修剪機發出信號，破勢智能草坪修剪機回到指定范圍，當灰度傳感識別到綠色超聲波傳感器檢測草的高度對草地進行修剪，其他紅外線超聲波傳感器作為避障做起到白虎作用，當掃完整個指定范圍是任務完成，自動回到無線充電平臺。

1.3 智能草坪修剪機的一鍵返航功能

本功能模塊：無線通訊模塊、單片機控制模塊、手機或遙控器可視化操作界面、高精度GPS定位模塊、超聲波避障模塊、電機驅動模塊。

一鍵返航一般有兩種情況，但無論哪種情況，一鍵返航都是回到無線充電平臺。一種是操作者在手機或遙控器可視化操作界面一鍵返航回到無線充電平臺;另一種是當智能草坪修剪機中的電能監測電路模塊檢測到蓄電池電量不足時和完成草坪修剪任務時，將信號反饋到智能草坪修剪機單片機控制系統自身發起的一鍵返航指令。在一鍵返航命令執行的過程中，智能草坪修剪機走的是最短徑，次過程中可能遇到障礙物，超聲波避障模塊起到筆避障的作用，其工作過程與上述避障工作過程一樣，而GPS高精度定位模塊起到導航的作用。

1.4 無線充電平臺系統

本功能模塊：由單片機最小系統、無線充電發射模塊、無線充電接收模塊、無線充電線圈、GPS高精度定位模塊、智能草坪修剪機感應模塊。

無線充電的核心技術是磁耦合諧振式無線充電原理。當智能草坪修剪機回到無線充電平臺時，蓄電池中儲存的電能或光伏電池發出的電能有直流轉換成一定要求的交流電送到發射線圈端電路，發射線圈會產生一定規律變化的磁場，接收線圈會感應到同規律變化的交流電，該交流電通過整流電路轉換成直流電儲存在智能草坪修剪機的蓄電池中。發射線圈和接收線圈是由兩個可以發生共振的LC諧振電路組成，通過設計兩線圈的物理參數，使得兩線圈的固有頻率相同。發射線圈和接收線圈所在的電路中，電感線圈的材料常常是銅，線圈形狀通常是平面螺旋結構，電容的形成主要有兩種方式，一是電路寄生電容，二是通過匹配得到適合的外接補償電容。發射線圈不斷向接受線圈發射能，當智能草坪修剪機中電能監測電路模塊會監測蓄電池的充電量，當達到相應的電池電容量會切斷接收線圈，蓄電池將不會充電。單片機最小系統、GPS高精度定位模塊、構成了一個定位系統。目的在于讓智能草坪修剪找到無限充電平臺的位置。

1.5 光伏雙軸追蹤發電系統

本系統電路模塊：單片機最小系統、步進電機驅動模塊、數模轉換模塊、光線采集電路模塊、充電穩壓模塊、電能儲存系統、電壓實時跟蹤顯示系統、單晶硅高效太陽能電池組件。

光伏雙軸追蹤發電系統由兩部分組成，光伏雙軸追蹤系統和光伏發電系統。光線采集電路模塊的四個光敏電阻采集四個方向的光線分布差異轉換為四路模擬信號，四路模擬信號送到數模轉換模塊變成兩路數字信號，兩路數字信號送回單片機控制系統，單片機控制系統將給步電機控制模塊給一個信號，步電機控制模塊控制相應步進電機進行正轉、反轉或停止。一組步進電機控制光伏組件水平方向的調整，另一組的步進電機控制光伏組件垂直方向的調整從而實現了雙軸方向的調整。光伏發電系統由充電穩壓模塊、電能儲存系統和電壓實時跟蹤顯示系統、單晶硅高效太陽能電池組件組成，單晶硅高效太陽能電池組件將發出的電能輸送到充電穩壓模塊進行穩壓再送到電壓實時跟蹤顯示系統，電壓實時跟蹤顯示系統是顯示單晶硅高效太陽能電池組件發電情況的系統，通過上面的刻度表能看到實時發電量的，最后將發出的電能送到無線充電的蓄電池將電能儲存起來。

1.6 智能草坪修剪機機械設計

智能草坪修剪機采用鋸齒刀型，同時設計了草料收集和自動卸料裝置，當草料裝滿是，草料中的傳感器檢測到后反饋到單片機，單機將控制機械控制的電機，電機控制特定的機械系統打開排料口同時在卸料輔助機構下草料完全排出。

2 結語

全智能草坪修剪機是一款能源友好型、智能綜合性很高的設備。我們團對相關技術早已突破，有望做的更加控制友好，在未來農業智能化生產有著很大的潛力。

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