基于三星S5PV210的智能割草機控制系統設計

宣 峰，韓孟洋

(河南工業職業技術學院，河南 南陽 473000)

0 引言

隨著經濟的快速發展和城市綠化建設的深化，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，我國提出了結合智能控制和先進電子技術研制開發智能型割草機的發展戰略，研究出一種適合大型場地的智能割草機，實現大型場地草坪維護工作的變革和創新，將為用戶創造巨大的經濟和社會價值。為此，本文以三星S5PV210微處理器為控制核心，設計和研發了一款智能割草機，能夠自動識別草坪和路徑規劃，對于草坪維護工作具有重要意義。

1 智能割草機整體架構的設計

智能割草機是一個融合機械設計、環境感知、智能控制、路徑動態規劃和行為決策綜合性系統。本章以割草機本體結構、控制系統結構及數據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計方案的合理性。

1.1 智能割草機本體結構的設計

智能割草機本體結構包括電源、割草、控制和驅動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、割刀和高度調整器等，負責割刀的驅動及割刀高度的調整；驅動模塊包括機械傳動裝置、驅動電機和驅動輪3部分，負責割草機的前行、后退和轉向；控制模塊包括S5PV210處理器和傳感器檢測兩部分，負責整個系統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構框架Fig.1 The structure frame of the intelligent lawn mower

1.2 智能割草機控制系統結構的設計

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區域環境進行實時感知，并根據感知的結果對自身的行為規劃進行實時指導。智能割草機控制系統包括超聲波障礙物檢測、位置定位、電子羅盤和驅動控制等子系統，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及障礙物的位置信息；另外，處理器還可以將其坐標與數據庫中割草機已經走過的路徑坐標進行比較，判斷其是是否已經經過該區域，進一步規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，給電機驅動模塊發送指令，進而采用差分方式驅動左右電機的運行，達到運動目的。

圖2 智能割草機控制系統結構圖Fig.2 The structure diagram of the control system of the intelligent mower

1.3 智能割草機控制系統數據管理模塊的設計

在智能割草機控制系統數據管理模塊的設計中，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。這些數據信息存儲量大，且需要S5PV210處理器能夠根據傳感器檢測進行快速的響應，要求處理器具有很強的實時性和高信息吞吐量。因此，本系統引入了Sqlite數據庫，用于整個系統的數據存儲、處理。系統數據管理模塊如圖3所示。

圖3 智能割草機控制系統數據管理模塊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，將割草機的坐標發送給位置確定系統；障礙物檢測系統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，并將結果存放在Sqlite數據庫；最后，根據數據庫解析結果對割草機的運動行為進行規劃，并指導行為控制系統對割草機做出相應的動作指示。

2 智能割草機運動方式的設計

2.1 智能割草機運動結構模型

智能割草機一般是戶外工作，工作環境比較差，且草坪比較柔軟，往往會出現移動困難等問題。因此，割草機一般采用輪式、履帶式和足式3種驅動方式：足式驅動方式動力足，移動速度快，一般適用于惡劣條件下的作業環境；輪式驅動根據輪子的多少又分為雙輪、三輪和四輪，三輪驅動方式結構相對簡單，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境一般是在條件較好的草坪上，綜上述討論內容，本文用三輪驅動方式，具有結構簡單及運動靈活的優勢。智能割草機三輪驅動結構示意如圖4所示。

圖4 智能割草機三輪驅動結構圖Fig.4 The three wheel drive structure diagram of intelligent lawn mower

2.2 智能割草機運動學模型

智能割草機運動模塊是整個控制系統的重要模塊，高效、穩定的運動系統是智能割草機高質量完成作業的前提。為了使割草機在作業過程中具有穩定、準確、靈活等優點，本文采用兩輪差動驅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。智能割草機運動學模型如圖5所示。

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

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

(1)

(2)

將式(1)和式(2)聯立離散化后得

(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導向角；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劃

智能割草機運動路徑規劃的要求是割草機最后能夠將整個目標草坪全部作業完畢，不會留下任何死角的地方。因此，合理的路徑規劃策略是割草機控制系統的重要部分，比較常用的運動路徑規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，割草機在轉向過程中，會出現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180°，完整轉向作業，這樣就可以遍歷整個割草區域。

3 智能割草機控制系統的軟硬件設計

3.1 智能割草機控制系統硬件設計

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動的方式，前輪采用萬向輪起到割草機方向引導的作用。智能割草機核心部分是控制割草機在指定區域按照要求進行移動，而不需要人為控制，也不涉及復雜的圖像處理算法。系統只需要S5PV210微處理器通過GPIO管腳輸出PWM，配合驅動控制模塊便可控制小車的前進、后退、左轉、右轉等操作，實現智能割草的功能。智能割草機控制系統硬件框架如圖7所示。

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

在小車的硬件設計中，為了更好地實現數據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。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)、網口(10M)、串口、SD/IF卡超聲波傳感器、電機驅動及電子羅盤等。

3.2 割草機器人控制系統軟件設計

為了方便軟件的擴展和移植，系統軟件采用模塊化的設計思想，程序采用C和C++混合編程，硬件開發環境為TITY210，軟件開發環境為Uboot2013.01 和Linux 3.14。系統軟件包括主程序、路徑規劃、電機驅動和傳感器數據采集等多個模塊。其中，路徑規劃子程序流程如圖9所示。

4 測試與分析

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

圖10中，橢圓為割草機作業起點，方框為終點，三角形為障礙物區域。由此可以看出：該智能收割機實現了整個目標草坪的割草作業，沒有留下任何死角地方，且路徑規劃路線最優；割草機成功避開了障礙物，在整個過程沒有發生碰撞行為，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 路徑規劃子程序流程圖Fig.9 The subroutine flowchart of path planning

圖10 試驗結果圖Fig.10 Test results

5 結論

以智能割草機為研究對象，重點介紹了割草機本體結構、控制系統結構及數據管理模塊，搭建了割草機運動結構模型，建立了割草機運動學模型，討論并設計了割草機的運動路徑規劃策略。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。結果表明：各控制方案相對有效，能夠實現整個目標草坪的割草作業，驗證了智能割草機的高實時性和高可靠性。