一種智能割草機器人系統(tǒng)設(shè)計

管程 趙志科 李松營 常浩 劉森 黃昆

摘?要：該系統(tǒng)以微控制器為核心，采用OpenMV與超聲波傳感器相結(jié)合的方式實現(xiàn)導航與避障功能，通過陀螺儀實時檢測地況平整度來調(diào)整刀具傾角，通過搭載的UWB模塊與LORA模塊實現(xiàn)路徑規(guī)劃與遠程監(jiān)控，并設(shè)計了整體機械結(jié)構(gòu)及伸縮式刀具結(jié)構(gòu)，為智能割草機器人提供了完整設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：割草機器人；路徑規(guī)劃；遠程監(jiān)控

中圖分類號：TP242

草坪在城市和景區(qū)綠化方面發(fā)揮著重要作用，然而隨著草坪面積的不斷增大，草坪的日常修剪成為一項繁重的工作。為了減輕草坪修剪維護的成本，割草機器人應運而生［12］。現(xiàn)有的割草機器人主要有輪式驅(qū)動和履帶驅(qū)動兩種方式。履帶式割草機人具有爬坡能力強，適應不同地況的優(yōu)點，但自身重量偏重，對動力電池的要求較高。輪式割草機器人具有驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，在現(xiàn)有的割草機器人中應用最為廣泛。割草路徑規(guī)劃是割草機器人智能化的重要特征。現(xiàn)有的割草機器人主要借助超聲波傳感器、激光雷達、機器視覺、北斗導航等信息獲取方式，并通過Dijkstra算法、A*算法、D*算法、人工勢場法等路徑規(guī)劃算法實現(xiàn)最佳路徑選擇［34］。近年來，隨著人工智能和圖像處理硬件性能的大幅提升，使得實時圖像處理與控制決策成為可能，也使得YOLO等目標檢測算法越來越多地應用于割草機器人的路徑規(guī)劃之中。但是，這些割草機器人普遍存在智能化程度低，且僅能勝任平整草坪的修建工作，無法適應全天候、多種地況作業(yè)的修剪任務［5］。特別是因缺乏智能路徑選擇算法，容易出現(xiàn)重復作業(yè)和遺漏未修剪的情況出現(xiàn)。因此，迫切需要設(shè)計一種適應多種地況的新型智能割草機器人。

1?系統(tǒng)總體設(shè)計

本設(shè)計的智能割草機器人系統(tǒng)方案，如圖1所示。本設(shè)計的微控制選擇STM32F407作為整個控制系統(tǒng)的核心，用于處理各個傳感器獲得的數(shù)據(jù)信息，并做出控制決策。陀螺儀選用MPU6050，用于實時獲取行進中機器人的位置姿態(tài)，根據(jù)運行姿態(tài)來調(diào)整割草刀具的傾斜角度。選用L298N來驅(qū)動割草機器人的行進電機、刀具傾角電機、割草電機。通過OpenMV?H7實現(xiàn)視覺導航，并通過其內(nèi)部算法實現(xiàn)對草地與其他地況的區(qū)分。割草機器人在其四周安置了超聲波傳感器，用于輔助OpenMV開展障礙物識別，當檢測到了障礙物時，通過聲波報警模塊發(fā)出報警提示。通過搭載的UWB模塊，借助標簽實現(xiàn)對行進路徑進行監(jiān)測與規(guī)劃，通過LORA模塊實時地將采集到的數(shù)據(jù)進行上傳，便于開展遠程監(jiān)控。系統(tǒng)具有電源管理模塊用于實時監(jiān)測電池剩余容量。

2?硬件設(shè)計

2.1?L298電機驅(qū)動電路

L298N是專用驅(qū)動集成電路芯片，屬于H橋集成電路。本系統(tǒng)采用L298N驅(qū)動所涉及的控制電機，如圖2所示。U3和U4為L298N芯片，U2為DCDC降壓芯片LM2596S。

2.2?MPU6050割草姿態(tài)檢測電路

基于MPU6050的割草機器人姿態(tài)檢測電路，如圖3所示。MPU6050其內(nèi)部整合了3軸陀螺儀和3軸加速度傳感器，通過主IIC接口，向本系統(tǒng)的主控制器STM32F407單片機實時輸出姿態(tài)數(shù)據(jù)。

2.3?UWB定位接口電路

UWB定位接口電路，如圖4所示。U52為DWM1000模塊，其將天線、所有射頻電路、電源管理和時鐘電路集成在一個模塊中，可用于雙向測距或時差定位系統(tǒng)，定位精度可達10厘米，并支持高達6.8Mbps的數(shù)據(jù)速率。

2.4?LORA模塊接口電路

LORA模塊接口電路，如圖5所示。M1為RA01SCI，該模塊用于超長距離擴頻通信，其射頻芯片LLCC68主要采用LoRaTM遠程調(diào)制解調(diào)器，用于超長距離擴頻通信，抗干擾性強，功耗低。

2.5?UWB定位接口電路

OpenMV攝像頭接口電路，如圖6所示。OpenMV是一款具有圖像處理功能的可編程的單片機攝像頭，利用其完成對草坪的識別，并將信息實時傳送給微控制器。

3?軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)主流程圖，如圖7所示。系統(tǒng)上電后，首先完成系統(tǒng)的初始化，開啟電池剩余容量監(jiān)測，獲取UWB定位信息，開啟LORA數(shù)據(jù)遠程傳輸。開啟詢問是否接受遠程路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)，如果監(jiān)控平臺的上位機下發(fā)路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)將接受到的路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)替換原來系統(tǒng)默認的規(guī)劃數(shù)據(jù)。如果沒有接收到遠程路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)指令，則運行原割草路徑。當OpenMV和超聲波傳感器檢測到障礙物后，進行聲光報警并調(diào)整轉(zhuǎn)向繞開障礙物行進。陀螺儀實時檢測割草機器人運行坡度的變化，當割草機器人坡度變化時，動態(tài)調(diào)整割草刀具傾角，以保證割草的平整性。當割草機器人檢測坡度無變化時，保持當前刀具的割草傾角不變。當系統(tǒng)接收到遠程返回指令或檢測到電池剩余容量不足時，會執(zhí)行返回任務。否則，繼續(xù)輪詢執(zhí)行。

4?機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能割草機器人整車機械結(jié)構(gòu)，如圖8所示。割草刀具機械結(jié)構(gòu)，如圖9所示。割草機器人包括車架1、電池組2、割草機構(gòu)和控制系統(tǒng)單元3，車架1的左側(cè)部和右側(cè)部均設(shè)置有兩個前后間隔的車輪4，四個車輪的中心均內(nèi)置有驅(qū)動其轉(zhuǎn)動的直流電機，車架1的上部設(shè)置有車體5，車體5的頂部和底部均為敞口的箱體結(jié)構(gòu)，車體5內(nèi)中部設(shè)置有水平承載板6，電池組2固定在水平承載板6的上表面且位于車體5內(nèi)上側(cè)部，車體5的頂部通過螺栓固定連接有車蓋7，割草機構(gòu)通過升降翻轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在水平承載板6的下表面，車體5的前側(cè)中部上下間隔設(shè)置有前視攝像頭8和前視燈9，車體5的后側(cè)中部上下間隔設(shè)置有后視攝像頭10和后視燈11，車體5的前下部和后下部的左右兩側(cè)均設(shè)置有一個超聲波探頭12，車架1上設(shè)置有陀螺儀傳感器。升降翻轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機構(gòu)包括連接板21、電動推桿13、第一舵機22、U型板14、第二舵機23和水平電機座15，連接板21水平設(shè)置在水平承載板6的下表面，電動推桿13豎向設(shè)置，電動推桿13的伸縮桿向下伸出缸體的底部，電動推桿13的缸體頂部固定在連接板21的下表面，第一舵機22固定設(shè)置在電動推桿13的伸縮桿下端部，第一舵機22的動力軸沿左右方向水平設(shè)置，U型板14的下側(cè)、前側(cè)和后側(cè)均敞口，U型板14的后側(cè)邊為左高右低的斜邊，U型板14的頂板上部通過一根沿左右方向水平設(shè)置的第一銷軸16轉(zhuǎn)動連接在電動推桿13的伸縮桿下端部，第一舵機22的動力軸同軸傳動連接第一銷軸16，第二舵機23固定設(shè)置在U型板14下側(cè)部，第二舵機23的動力軸沿左右方向水平設(shè)置，水平電機座15的前側(cè)上部通過一根沿左右方向水平設(shè)置的第二銷軸17轉(zhuǎn)動連接在U型板14下側(cè)部，第二舵機23的動力軸同軸傳動連接第二銷軸17，電池組2分別與電動推桿13、第一舵機22和第二舵機23電連接。割草機構(gòu)包括割草電機18和割草刀片19，割草電機18豎向設(shè)置并固定連接在水平電機座15的下表面中部，割草電機18的動力軸位于割草電機18的下部，割草刀片19呈長方形且水平設(shè)置，割草刀片19的中部固定連接在割草電機18的動力軸下端。車體5上設(shè)置有天線20和蜂鳴器，控制系統(tǒng)單元3分別與天線20和蜂鳴器信號連接，控制系統(tǒng)單元3的外部設(shè)置有全密封罩。

結(jié)語

本文提供了一種智能割草機器人的設(shè)計方案，利用多傳感數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將超聲波傳感器與機器視覺檢測相結(jié)合實現(xiàn)目標檢測，通過陀螺儀獲取運行姿態(tài)動態(tài)調(diào)整刀具傾角，確保草坪修整高低一致，利用UWV技術(shù)實現(xiàn)定位與路徑規(guī)劃，通過LORA實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時上傳或接受遠程路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)及控制指令，能夠?qū)崿F(xiàn)電池容量監(jiān)測與自動返回功能。

參考文獻：

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基金項目：河南省高等學校大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（S202110463010）；教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目（220803203302008）；河南工業(yè)大學高層次人才科研啟動基金項目（2020BS011）

作者簡介：管程（2001—?），男，漢族，河南開封人，本科，研究方向：機器人設(shè)計。

*通訊作者：趙志科（1987—?），男，漢族，河南濟源人，博士研究生，講師，研究方向：檢測技術(shù)與自動化裝置。