基于STM32自動定位功能的“綠植”修剪車設計

杜傳祥 魏秀嶺 谷宇陽 胡耀雄

摘? 要：該文設計了一款帶自動定位功能的“綠植”修剪車。針對城市綠化帶修建各不同場所的不同需求，以GPS技術為核心實現自動定位測量，通過配合電子羅盤的定點指向計算，實現“綠植”修剪車的自動定位和移動指向。進行需求分析給出了修檢測的硬件系統的設計，并給出了定點指向計算和修剪車的總體設計圖。通過實物實驗，證明該修剪車的設計可以有效提升綠植修剪的工作效率。

關鍵詞：“綠植”修剪車? STM32? 自動定位

中圖分類號：U469 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）03（c）-0040-02

隨著時代發展，人們對于城市中的各場所的“綠植”的修剪要求也在不斷提高。當前“綠植”外觀多樣，修剪設備種類也比較多，但在使用中需要人工干預比較多，修剪的效果對工人的技術水平要求也比較高。為此該文設計了一種能自動定位工具角度，可以靈活調整修剪外形的綠化帶修剪車。

1? 定位方案

該文使用的定位方案采用GPS定位。最初的GPS應用以軍事用途為主要研究為主，針對軍事目標的導航和相關情報的收集等;軍事以為的應用受到美國政府的SA和AS政策的影響，測量精度低;但隨著預報星歷的準確、導航電文解算和定位誤差算法改進的發展，使得在GPS導航定位信號能夠進行厘米級、毫米級精度的靜態相對定位，而動態定位的精度頁提升至亞米級、厘米級的精度，同時解算的速度也在不斷提升。

GPS定位數據通過顯示裝置將有定位功能的“綠植”修剪車系統的坐標告知使用者。修剪車系統在進行修建綠化植被的位置定位的同時也進行行走線路測量，并能夠將相關數據存儲。實用GPS系統的定位功能，通過將被修建綠化植設為被目標點的坐標，通過獲得“綠植”修剪車系統的坐標，將兩者之間的坐標進行差值計算則能夠修剪車相對移動的方向。同時，通過電子羅盤設備獲得系統相對于地理坐標系，使得最終能夠為使用者修剪車提供應該移動的方向和距離。

2? 硬件系統設計

“綠植”修剪車的測量定位系統具有兩項基本功能，分別是綠植的定位與行進線路測量。系統以STM32f103VBT6芯片為主控MCU功能模塊，以LTC3521為電源驅動模塊，以便降低系統功耗，延長使用時間。矩陣鍵盤為輸入模塊，控制GPS模塊（ZYM-G5020-1）的定位測量;霍尼韋爾的雙周磁通傳感器HMC1052作為電子羅盤模塊，獲得相對于地理坐標系的方向;以STM32的SPI接口作為TF卡的讀寫口，以電子液晶屏為顯示模塊，使得測量定位系統的運算信息通過顯示模塊進行顯示，并且通過矩陣鍵盤進行交互與相關信息確認;同時能夠實現量和定位的數據存儲至TF卡中，以便后期應用能夠隨時調用。整體結構具體見圖1。

系統的工作流程為使用者統統GPS模塊的定位測量與雙周磁通傳感器HMC1052作為電子羅盤模塊進行位置和距離的數據獲取，同時能夠將信息存儲至TF卡與液晶顯示屏顯示。使用者通過矩陣鍵盤操作后，能夠將系統的USB接口將存儲介質中的數據傳輸至PC機。

3? 定點指向計算

“綠植”修剪車的測量定位系統指向功能需要手動輸入目標坐標點或者存儲的GPS坐標中提取信息作為目標坐標。以GPS模塊通過實時定位測距功能獲得修剪車的所在的坐標信息。將北方設定為基準方向的零度，以順時針旋轉角度為正的方向，即，北方為0°，東方為90°，南方為180°，西方為270°。由于測量的距離相對于地球坐標系很小，將所測量的范圍認作為一個平面;將目標“綠植”坐標和修剪車坐標的經度和緯度分別做差后，通過反三角函數，計算出“綠植”目標點相對于修剪車坐標點偏離北方的角度。通過電子羅盤的功能，使液晶顯示屏顯示的指示箭頭為正北方，以此為指向方向轉動相應的坐標點偏移角。

因此，已知“綠植”坐標點和修剪車坐標點的GPS坐標，使用地球大圓距離公式，計算兩點坐標的距離。當距離小于10mm時，即認為到達定位測量目標。

大圓距離公式為：

（1）

式（1）中：φs為“綠植”目標點緯度;λs為“綠植”目標點經度;φf修剪車起始點的緯度;λf為修剪車起始點的經度。公式（1）確定“綠植”坐標點和修剪車坐標點與地球球心構成的角的弧度，結果與地球半徑相乘獲得測量的距離。

4? 總體設計

自動定位功能的“綠植”修剪車由具有移動能力小車為基礎，車身內部設置上下升降的液壓器，小車頂部固定安裝電鋸，電鋸頂部安裝GPS天線，小車底部安裝定位測量控制器，并能夠通過RS232與控制機相連接。總體設計圖如圖2所示。

5? 結語

該設計方案采用先進的定位技術進行修剪刀的刀具工作位置的確定，可有效提升工作效率。工人不再需要同時關注手持綠籬修剪機的方位，降低了工人的操作技能要求和勞動強度，有很好的應用價值。

參考文獻

[1] 皮云仙，唐紅，張毅.基于單片機的GPS手持導航終端設計[J].微計算機信息，2009，25（2-1）：190-192.

[2] 王偉，唐傳茵，張宏，等.移動式綠籬修剪機設計[J].農機化研究，2010（6）：122-125，129.

[3] 賀婷.綠籬修剪移動機器人控制系統研究[D].南京林業大學，2010.

[4] 韓曉新，邢紹邦，沈琳.基于AT89C52單片機的液晶GPS 定位儀設計[J].工礦自動化，2010（2）：38-40.