基于STM32的智能草坪修剪機器人設計*

宋黎明，馬福貴

（洛陽理工學院機器人學院，河南洛陽 471023）

0 引言

隨著中國城市化進程的加快，草坪在城市綠化和居民生活區域中扮演著重要的角色。為了使草坪具有最佳的生長高度和觀賞效果，需要定期進行修剪作業。傳統的草坪修剪設備主要是手推式和背負式割草機，技術比較落后，人工成本高[1]，且由于自身問題會對環境造成一定污染[2]。智能草坪修剪機器人的出現將會改變這些狀況，具有較大的研究價值和應用前景。

在20 世紀70 年代，西方發達國家對割草機器人展開研究，創造了割草機器人的原型。以色列Robomow、瑞典Husqvarna AutoMower和意大利Robo-Lawnmower等[3-5]系列的割草機器人都沿用了移動式的結構設計，智能化程度以及具有的功能卻各不相同。在國內，江蘇大學自主研發了具有傾角傳感、定點割草等功能的，能夠在各種不同地形草坪上采用隨機式方式進行割草工作的割草機器人。上海大學研發的Kakamower具有四輪結構，具有自主定位、電子圍欄等功能。杭州蘇珀曼智能科技有限公司[7]研發的SupermanEzobot采用三角布局的割草刀片進行割草作業，提高了工作效率。綜合分析，現階段，關于草坪修剪機器人的研究主要側重在智能控制技術上，針對機械結構、刀具卻鮮有研究。本文通過改變修剪工具對草坪修剪機器人進行設計，為農業機器人設計提供了新的思路。

1 總體方案設計

智能草坪修剪機器人屬于智能移動機器人范疇，是集機械、智能控制、傳感器等多學科為一體的，應用機械結構設計、傳感器技術、定位技術和全區域覆蓋技術等實現全自動的修剪作業[5]。本文中針對草坪修剪問題，機器人應該具有以下功能：（1）能夠通過調整刀具高度完成草坪修剪，提高機器人適用性；（2）能夠自主規劃避障路徑，完成割草過程。基于以上分析，草坪修剪機器人設計主要包含機械結構設計和控制系統設計兩部分，這兩個部分相互依存，缺一不可，總體框架圖如圖1所示。

圖1 修剪機器人總體框圖

2 機械結構設計

修剪機器人本體必須具備良好的移動行走功能，從產品設計角度出發，一般情況下機器人工作的草地相對平整，因此采用四輪移動結構[8]。本體采用框架式結構，由連接管（空心）和三通管組合而成，如圖2所示。為了能夠盡量減輕機器人整體重量，本體結構材料采用ABS 樹脂打印而成。修剪機構由刀具、高度調節裝置、振動調節裝置和吹風裝置組成，如圖3所示。刀具由外圈鋼繩8和直鋼繩9組成。高度調節裝置用來調節刀具裝置的高度，修剪不同高度的草坪。振動調節裝置用來調整不同切割力度。吹風裝置能夠加快散熱和除去直鋼繩表面的草汁和草屑。

圖2 機器人本體結構組成圖

圖3 修剪機構組成圖

3 控制系統設計

根據修剪機器人的預實現功能，設計控制系統結構如圖4所示。控制系統中由編碼器采集驅動電機速度信號，通過處理器實現速度閉環，由傾角傳感器和電子羅盤信號信息融合得到傾角信息，通過處理器實現閉環控制，實現電機的雙閉環PID 控制[9]，如圖5 所示，進而較好地完成自主修剪草坪的任務。

圖4 控制系統結構圖

PID控制具有較強的穩定性，因此在電機控制中占有主導地位，控制的方式為：

圖5 多傳感器融合的雙閉環PID控制

式中：Ti、Td、Kp分別表示積分、微分和比例系數[10]。

3.1 硬件配置

根據機器人機械結構和控制系統結構的要求，硬件配置的關鍵在于主控系統、電機和傳感器的選型。本文中選用STM32F103 作為主控板，STM32 可以提供豐富的GPIO 數量，并且具有不斷接收和解析數據的能力。機器人中使用的電機可以分為兩類，一類是機器人中驅動電機，用于機器人移動的，另一類是調高電機、旋轉電機，其中調高電機用來實現刀具裝置的升降，旋轉電機用來控制刀具的轉速，兩種共同實現割草作業。因此，驅動電機選擇無刷直流電機（電壓：24 V，功率：18 W，轉速：12 r/min）；調高電機選擇直流減速電機（電壓：24 V，功率：8 W，轉速：500 r/min），輸出軸為螺紋軸；旋轉電機選擇永磁直流電機（電壓：24 V，功率：15 W，轉速：2 000～4 000 r/min）。同時，選用L298直流電機控制芯片對直流電機進行控制。

修剪機器人在運行過程中需要通過超聲波傳感器獲取草坪中的障礙物；傾角傳感器測得行駛過程中機器人與地面的傾角，計算地面凹凸高度，進而調高裝置調整直鋼繩高度或判斷是否繞道而行；電子羅盤獲取方向信息，保證機器人能夠直線行走，安裝時應遠離電機并做好防護措施，同時輔助GPS 定位模塊完成機器人定位；為了能夠測得周圍人或動物的情況，增加了人體熱釋傳感器。傳感器配置如表1所示。

表1 傳感器配置表

3.2 軟件設計

控制系統軟件設計是整個系統的核心部分。在對驅動控制器進行控制之前，需要明確機器人軟件部分的內容。本機器人軟件部分主要傳感器驅動程序和電機驅動程序等，如何能夠實現多傳感器信息融合實現電機控制是關鍵[11]。為此，將軟件系統劃分為驅動控制層和應用控制層。驅動控制層包括時鐘驅動程序、超聲波傳感器、人體熱釋傳感器等外設的驅動程序以及中斷初始化程序；應用控制層包括電機驅動程序、全覆蓋路徑規劃、跟蹤、顯示等應用程序。具體流程圖如圖6所示。

圖6 軟件系統流程圖

4 性能測試

機器人關鍵技術是移動作業，驅動模塊采用PWM方式進行調速控制[12]。本文中分別從前進速度、電池能力、剎車能力、刀具高度調整等方面進行反復多次性能測試，結果如表2所示。結果表明，機器人刀具高度調整、移動性能與設計參數吻合度較高，性能測試具有一定可行性。

表2 機器人性能參數對比

本文的設計重點是新型刀具的設計，在實驗中重點測試刀具的草坪修剪效果，結果如圖7 所示。由于機器人采用呈三角形布置的3 組刀具裝置，修剪寬度達到56 cm，經過各模塊相互協調作用，能夠達到6.04m2/min，修剪效率大大提高，并且吹風裝置能夠將草屑吹離刀具并帶走一定熱量。

圖7 修剪前后對比圖

5 結束語

針對草坪修剪機器人現狀，本文分別從結構上重新設計了本體和修剪機構，完成了修剪機構電機、風機、驅動電機和各類傳感器等硬件的選型，編寫了控制驅動程序，并進行了性能測試。測試結果表明：

（1）修剪機構中新型刀具能夠滿足草坪修剪的任務，結構簡單、噪聲小；

（2）采用的路徑規劃方式和避障方法能夠實現機器人正常、穩定運行；

（3）修剪裝置呈三角形分布，提高了修剪寬度，進而提高了修剪效率。

本設計未采用復雜的路徑規劃和軌跡跟蹤的算法，后期將從軌跡、路徑方面進行優化設計。綜上所述，本設計實現了草坪修剪機器人的預期要求，為農業機器人智能化、模塊化設計提供了新的思路。