全自動草坪修剪機器人＊

張騫曉，蔣慶明，陳志丁，李建偉

（天津職業技術師范大學，天津 300222）

隨著城鎮化建設的不斷推進，城市發展越來越快，城市環境也愈發被重視，各地將城鎮化建設作為政府的重要工作來抓，城市草坪覆蓋率越來越高，導致園林綠化建設等項目的維護工作日益繁重[1]，如果都需要人工去維護，不免會消耗大量人力、物力，所以現在亟須一種全自動修剪機器人技術的研發與推廣。

1 系統組成

全自動草坪修剪機器人，能夠實現草坪區域的自主定位、自動修剪、自動充電、規避障礙物等功能，適用于城市綠地場合，如圖1所示。設備利用GPS和慣性導航實現了室外高精準定位，可通過對草坪區域的設定實現自動定位、修剪，通過視覺檢測對復雜地形進行識別，采用非接觸式充電，保證戶外充電的安全性。

圖1 功能結構圖

2 硬件組成

設備所需器件：輪轂電機4個，轉速傳感器和轉角傳感器各4個，攝像頭2個，GPS模塊，慣導模塊，驅動除草刀片的電機，刀片。硬件系統結構圖如圖2所示。

圖2 硬件系統結構圖

1）驅動使用4 個輪轂電機實現了四輪差速行駛，保證了全地形的無差別行駛，也保證了機器人的安全。輪轂電機可將動力裝置、傳動裝置和制動裝置結合到輪轂內，簡化機械結構，降低成本。同時輪轂電機可以通過左右車輪的不同轉速甚至反轉，實現類似履帶式車輛的差動轉向，大大縮短車輛的轉彎半徑，在特殊情況下幾乎可以實現原地轉向（不過此時對車輛轉向機構和輪胎的磨損較大），對于特種車輛很有價值，對于全自動草坪修剪機器人來說也十分有用[2]。此外，輪轂電機與電動機的集中動力輸出驅動相比，輪轂電機在這方面所具備的技術是有很大優勢的，它在布局方面更加靈活，也不需要復雜的機械傳動結構或者系統，就機器人組裝來說更加方便。

2）在四輪電機上還裝有轉速傳感器，這保證了對機器人速度的精確控制以及轉彎等差速的控制，也可以實時測速并準確地對電機速度進行調控；傳感器有檢測精度高、穩定性好、抗干擾性強的優點，這些都適用于機器人行駛，所以最終選擇用傳感器來檢測電機狀態。

3）增加轉角傳感器，可以實時對機器人的角度進行控制，并通過上位機進行顯示，使得操控者可以實時獲得機器人的行駛狀況和行駛狀態。

4）攝像頭采用的兩個相機位置相對固定，同時拍攝同一場景的圖像，兩個相機分別在水平和豎直方向上安裝驅動電機實現仰俯和旋轉。在識別領域，與單目攝像頭相比，雙目攝像頭可以計算出深度信息，有更好的識別精度。單目攝像頭的缺點在于需要大量的數據作為支撐，還需要不斷更新和維護以確保其工作的正常和穩定，并且針對一些特殊地區、特殊情況，還需要不斷地優化和處理，才能夠很好地適應環境。

5）定位方面采用GPS 模塊，并且配備了與之配套的慣導模塊。慣導系統分為平臺式慣導系統和捷聯式慣導系統，相比之下，平臺式的需要搭建物理實體平臺，結構復雜，可靠性差，捷聯式的用起來比較方便。因此，最終采用了捷聯式慣導系統，得益于捷聯式慣導系統作用的發揮，機器人整個結構的體積、重量以及成本得到了降低；且捷聯式慣導系統方便維修、更換，還可提供載體軸向的線加速度和角速度，這類信息雖然都是飛控所需要的，但在機器結構上所發揮的作用也是不可小視的[3]，可以提供更多的導航和制導信息。此外，在機械結構上也做了改良，使系統具有可靠、穩定的特點。

6）除草機構是由刀具升降旋轉系統和割草機刀具裝置組成。割草機構是智能割草機器人的終端執行機構，用來進行草坪修剪作業，割草機構的設計直接關系到割草機器人性能。

3 軟件部分

機器人采用了樹莓派作為主控芯片，選擇樹莓派作為主控芯片的原因是樹莓派優秀的性能以及其強大的功能性。機器人如果采用傳統單片機作為主控，則會發生使用資源過多的問題，并且單片機的處理速度也滿足不了機器人的需求，所以最終采用了樹莓派實現對機器人的綜合控制[4]。因此，雙目識別部分就采用了樹莓派進行圖像的傳輸、處理及識別，幫助機器人更快更好地運行操作，以及更好地對周圍環境與物體進行識別與分析，軟件功能圖如圖3所示。

圖3 軟件功能圖

4 總結

智能除草機器人的研究發展對減少空氣污染、節約有效燃油資源、減少勞動力資源等具有十分重要的意義與價值[5]。而智能除草機器人所涉及的領域包括自動控制原理、人工智能、信息融合等多個領域，所以研究難度較大。筆者主要研究的是對于機器人框架以及主要結構與功能的設計與開發，包括草坪修剪機械的設計原則及其載體輪轂電機式機器人的特點（運動學及動力學等的特點）。筆者研究了輪轂式機器人的草坪行駛運動模式以及其動力方面的性能，由于機器人采用了輪轂電機作為驅動的特殊機構，所以想要實現其在草坪上行駛的特性就很難通過普遍的建立數學模型的方式來研究。因此采取了理論分析與試驗相結合的方式，即在研究其運動學性能的同時，根據其運動學方程及輪轂電機的特點通過試驗得出其草坪行駛運動學特性；再根據割草機器人的工作特點，對其進行路徑規劃，提出了基于傳感器測距的方法；最后通過試驗論證了控制方法的可行性與機器人最終結構功能的完整性。

5 進一步研究

為了實現智能除草機器人的完善性與市場化，還需要進一步研究：

1）除草機器人結構的設計與改進，需要設計出廉價且實用的機械結構，用于機器人運動載體以及作為其除草結構平臺；

2）目前還需要提高機器人的運動控制精度，主要包括路徑運動跟蹤控制以及定位系統精度。