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硕士论文基于a r m 太阳能割草机器人控制系统的研究 摘要 本文以太阳能割草机器人为研究对象，以经济实用为研究目标，主要研究了太阳能 割草机器人的定位行走、能量管理、基于a r m 的控制硬件构成和软件设计以及嵌入式 数据库系统构建等关键技术。 全区域覆盖路径规划一直是智能割草机研究的一个难点，本课题从相对定位入手， 提出了一种以基站为参考原点建立全局坐标的方法，其为路径规划提供了准确的定位， 消除了在路径规划过程中误差的积累。根据太阳能电池板及蓄电池混合供能的特点设计 了能量的人工智能决策系统a g e n t 反应型决策系统，为能量的供应提供了优化的决策 算法。控制系统是体现太阳能割草机器人智能化水平的关键部分，根据应用要求，结合 结构简单实用的理念，设计了太阳能割草机器人基于a r m 中心控制模块、电机控制模 块、传感器系统以及定位系统模块的硬件部分。在硬件设计的基础上设计了操作系统以 及嵌入式数据库系统，并给出了每个模块具体的算法。 本文主要研究的太阳能割草机器人控制系统，提供了一套低成本、切实可行的设计 方案，具有一定的理论意义和实用价值。 关键词：太阳能割草机器人，嵌入式数据库，能量管理系统，定位系统，基于a r m 的 软硬件设计 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t b a s e do nt h es o l a ra u t o m a t i cl a w n m o w e r , t h i st h e s i sm a i n l ya d d r e s s e st h ep a t hp l a n n i n g a n do r i e n t a t i o n , t h ee n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，t h ed e s i g no ft h ea r m b a s e dh a r d w a r ea n d s o f t w a r eo ft h el a w n m o w e r sc o n t r o l l e r , a l s ot h ee m b e d d e dd a t a b a s e t h ea r e a - c o v e r a g ep a t hp l a n n i n gt e c h n i q u eh a sb e e nad i f f i c u l tp o i n ti nt h es t u d yo ft h e a u t o m a t i cl a w n m o w e rm o v i n g f r o mt h er e l a t i v ep o s i t i o na st h es t a r to ft h i sa r t i c l e ，a r e f e r e n c et ot h eb a s es t a t i o nc o o r d i n a t e st h ee s t a b l i s h m e n to ft h eo v e r a l la p p r o a c hf o rp a t h p l a n n i n gt op r o v i d ea c c u r a t ep o s i t i o n i n g ，e l i m i n a t e st h ep a t ht h ep l a n n i n gp r o c e s so ft h e a c c u m u l a t i o no fe r r o r s t h es o l a ra u t o m a t i cl a w n m o w e ri sah y b r i ds o l a re n e r g ys y s t e m ， w h i c hi sb a s e do nf e a t u r e b a s e ds o l a rp a n e l s ，b a t t e r i e sf o ra s u p p l e m e n tt o ；t h i sp a p e rd e s i g n s t h ee n e r g ys y s t e m so fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c ei nd e c i s i o n - m a k i n g ，w h i c hi sa g e n t ，i no r d e rt o t h es u p p l yo fe n e r g yt op r o v i d et h eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s c o n t r o ls y s t e mi st h el e v e lo f e m b o d i e di n t e l l i g e n ta u t o m a t i cl a w n m o w e ra n dt h ek e yp a r to ft h i sp a p e r c o m b i n e dw i t ht h e s t r u c t u r eo fs i m p l ea n dp r a c t i c a li d e a , a r m - b a s e dc e n t e rc o n t r o l ，t h em o t o rc o n t r o l ，s e n s o r s y s t e m s ，a sw e l la st h eh a r d w a r ep o s i t i o n i n gs y s t e ma r ed e s i g n e d ，a c c o r d i n gt o 印p l i c a t i o n r e q u i r e m e n t s f i n a l l y , ad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h eo p e r a t i n gs y s t e ma n de m b e d d e dd a t a b a s e s y s t e m ，c o m b i n e dw i t ht h eh a r d w a r ep a r to ft h ea l g o r i t h ma r eg i v e ni nd e t a i l t h es o l a r - p o w e r e dm o w i n gr o b o tc o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e dt op r o v i d eas e to fl o w - c o s t p r a c t i c a ld e s i g n ，、访戗1ac e r t a i nd e g r e eo ft h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u ei nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：s o l a ra u t o m a t i cl a w n m o w e r , e m b e d d e dd a t a b a s e ，e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ， p o s i t i o n i n gs y s t e m ，d e s i g no ft h ea r m - b a s e dh a r d w a r ea n ds o t t w a r e i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 硕士论文基于a r m 太阳能割草机器人控制系统的研究 1 绪论 1 1 课题背景及研究现状 随着经济的增长，人们生活水平的提高，人们绿色环保意识的增加，促使各国绿化 面积不断增大，其中草坪业是整个绿化事业主要部分。草坪业的快速发展也带动了草坪 机械需求的快速增加，其中需求最大的为割草机械。虽然草坪机械已经有一百多年的发 展史，但是现在用于修整草坪的割草机械大部分还是单一功能以汽油燃料发动机为动 力。这类割草机械在使用时存在噪声震动大、浪费时间、能源消耗多、环境污染严重以 及需要大量的人力等问题；而随着新技术、清洁能源的发展及应用，人们已经注意到需 要用绿色环保的清洁能源来代替传统的汽油能源，智能机械代替传统人力机械，太阳能 割草机器人就是其中理想的发展方向之一。这种草坪割草机器人不但对环境无污染，而 且降低了噪音，节约人的体力与时间，使草坪割草机成为真正的环保智能的产品p j 。 1 1 1自动割草机器人国内外的现状 目前，为了实现割草机械的智能化、环保化，国内外许多研究机构与高校做了大量 的研究，但是它们主要研究方向是以蓄电池为动力的自动割草机器人。现在国外已经有 一些公司已经推出了自己自动割草机器人产品，而且有部分产品已经进入了市场。例如： f r i e n d ym a c h i n e s 公司设计的f r i e n d l yr o b o m o w 是目前市场化比较成功的智能割草机器 人产品之一。该机器人重大约2 2 k g ，电源为两个2 4 v 、1 7 a h 铅酸蓄电池。f r i e n d l y r o b o m o w 采用三轮小车结构，后轮为驱动轮由两个直流电机驱动，前轮为起导向作用 万向轮；车体的前端有三个7 5 w 的由速电机驱动的割刀，能形成5 3 c m 左右的切割区域。 f r i e n d l yr o b o m o w 的割刀可以把割下来得草粉碎成碎草沫，形成天然有机肥返回到草坪 中。f r i e n d l yr o b o m o w 可以自动充电，每次充电后可以工作2 5 3 h 。但f r i e n d l yr o b o m o w 在割草前需要将草坪边缘用电缆围起来，以及割草机不能进入的区域和静止障碍物也必 须由电缆围起来。割草机通过检测电缆中的信号来识别割草区域边界以及障碍物边界， 并通过其进行导航。非被电缆围绕的小型障碍物通过位于割草机前端的一排超声波传感 器检验其位置并进行简单的绕行，因此f r i e n d l yr o b o m o w 不能保证对割草区域进行全 区域覆盖。国外还有很多公司和机构也在研发割草机器人，并推出自己的产品，但是它 们已研发出的产品与f r i e n d l yr o b o m o w 比较相似，都必须利用电缆围绕，通过检测电 缆的信号来确定边界以及大型障碍物。这样使割草机的实用性与普及性大大降低【5 】【6 l 1 3 1 o 在国内，虽然对自动割草机器的研究起步较晚，但也取得了长足的发展。但是现在 1 硕论女 这些研究还主要是在高等院校内，并且真正将研究的自动割草机转化为产品并投放市场 的还没有。其中比较成熟的成品化机器有南京理工大学机械学院开发出的m o r o 系列 割草机，江苏大学的研制的履带式割草机器人，上海大学研制割草机器人k a k a m o w e r 。 江苏大学的研制的履带式割草机器人具有g p s 定位系统，并能高速的作业。k a k a m o w 目 每次充电3 个小时，可以连续工作两个小时，并且其具有一定的避障与导航能力当电 量不足时还可以自动寻找充电插座，下雨时还具有避雨的功能。其它有报道的正在研制 的还有浙江大学与昆山市金联塑料制品有限公司联合研制。款割草机器人，其具有中等 智能水平。 1 1 2 太阳能割草机器人的研究现状 太阳能割草机器人为自动割草机器人的一个类别，它与其它类型的自动割草机的唯 一区别是能源系统不同，太阳能割草机器人的主要能量源为太阳能。现在在国际与国内 对太阳能割草机器人的研究已经十多年了，并且积累了一定经验，但足现在比较成熟的 产品应该是瑞典e l e c t r o l u x 公司升发的h u s q v a m a a u t o m o w e r 太阳能割草机器人系列如 图1 1 所示。它是以蓄电池与太阳能电池板共同为系统提供能源。h u s q v a r n a a u t o m o w e r 在比较好的天气下每天大概能割o6 5 英亩的草坪，比只利用蓄电池的割草机割草面积的 大小大概可以提高2 5 。但是在h u s q v a m a a u t o m o w e r 割草的区域的四周仍然需要铡设 导线，以便于为太阳能割草机器人提供导航与边界标示“q 。 围ll h u s q v a r n a a m o m o w e r 在国内，太阳能割草机器人还处于起步发展阶段，现在投放巾场的产品只有桂林豪 明生物环保能源有限责任公司生产的肩背式太阳能割草机，如图1 2 所示，它对太阳能 在割草机上的应用起到技术积累的功效。智能化的太阳能割草机在火中院校做了一些实 验性的研究，虽然取得了一定的成果，但是到现在为止还没有推出成品化的机器。 顿十论文 基十a r m 太m 能割p 机器 拄制系统的 f 究 图12 肩背式太阳能割草机 1 2 太阳能割草机器人所用技术 1 , 2 1 太阳能的光伏发电技术 太阳光伏系统主要包括太阳能电池阵列，控制器，蓄电池组等部分。太阳能电池阵 列是整个系统的能量的源头；控制器是系统的大脑部件；蓄电池的功能是储存太阳能电 池阵列受光照时所发的电能并在无光照时向负载供电口“。常见的太阳能系统的结构如图 13 所示。 圈13 太阳能发电系统 太阳能电池板本质r 是一个大面积半导体薄片，它利用光伏效应原理把光辐射转换 成电能。当太阳光照射到太阳能电池板上并被吸收时其中能量大于禁带宽度e 。( 形 成一个电子与一个空穴的能量，每种半导体都有特定的禁带宽度) 的光于能把价带中的 电了激发到导带上去，形成自由电子，价带巾留下带正电的自由空穴，巳电子一卒穴对， 通常称它们为光生载流子。自由电子和空穴在不停的运动中扩散到p n 节的空问电荷区， 被该区的内建电场分离，电子被扫到n 型一侧，空穴被手= 1 到p 型一侧，从而形成证负电 荷的秘累t 产生“光牛电；”，即光伏效应。若电池两端引出电搬并接t 负载，负载中 1 绪论硕士论文 就会有电流通过，这就是太阳能电池的工作原理【2 4 】【2 5 】。 1 2 2 太阳能割草机器人的避障、定位导航技术 太阳能割草机器人的智能化水平主要表现在避障与定位导航上，避障性能越好，定 位导航越准确，智能化水平越高。现在，国内外已经对机器入的避障和导航做了大量的 研究，并且取得一定得成果。太阳能割草机器人也属于机器人的一个种类，因此其避障 和导航定位与机器人相同。 机器人的避障就有很多方法，例如：超声避障、视觉避障、红外传感器避障、激光 避障、接近觉传感器、微波雷达等避障方法。但是由于激光传感器，微波雷达，在设计 上复杂，价格上比较昂贵，现在用的比较多的是超声避障和红外传感器避障。在算法上 现在也有很多方法，例如：基于模糊控制技术的机器入避障控制方法、基于分子优化算 法的机器人避障规划、基于神经网络的机器人避障控制等。 定位导航准确性对割草机器人的全区覆盖率有巨大的影响，它决定着割草机能否把 整个区域完全无遗漏的行走一遍。现在导航主要有两大类：相对位置导航和绝对位置导 航。常用的方法有：传感器组合定位导航、g p s 定位导航、雷达定位导航等。但是g p s 定位导航的精度比较低，而且容易丢星，因此限制了其在全区覆盖的领域的应用【s l 。传 感器组合导航价格上比较便宜，但是容易产生行走误差，误差积累也比较严重。虽然可 以通过一些方法进行减少误差，但是还不适合机器人长时间运行。雷达定位导航是当前 的一个热点，对机器人导航将会产生深远的影响，但是现在雷达系统价格偏高，将其应 用在家用设备上其成本大大提高【7 】【1 6 1 。 1 2 3 机器人的信息融合技术 单一传感器只能获得环境特征的部分信息段，为了完整、准确地反映环境特征，在智 能移动机器人导航系统中往往装有多种传感器，它们提供的信息有些是互补的，有些是 冗余的，必须以一定的方法融合这些互补或冗余的传感器信息，以充分利用多传感器提 供的信息，才能获得最佳的、可靠的信息，从而更准确，更全面地反映出外界环境的特征， 为导航决策提供正确的依据。多传感器信息融合是协调使用多个传感器，把分布在不同 位置的多个同质或异质传感器所提供的局部不完整测量及相关联数据库中的相关信息 加以综合，消除多传感器之间可能存在的冗余和矛盾，并加以互补，降低其不确定性，获 得对物体或环境的一致性描述的过程。信息融合技术可以增加各类传感器信息的互补性， 对环境变化的适应性，使智能机器人具有完成某一任务所需的完备信息，实现各种复杂、 动态、不确定环境下的自主性，提高决策的正确性和导航控制的鲁棒性嘲。 融合模型主要有功能模型和结构模型。功能模型从融合过程出发，描述数据融合包 括哪些主要功能和数据库，以及进行数据融合时系统各组成部分之间的相互作用过程； 结构模型从数据融合的组成出发，说明数据融合系统的软、硬件组成，相关数据流、系 4 硕士论文基于a r m 太阳能割草机器人控制系统的研究 统与外部环境的人机界面。 信息融合方法很多，有的对数据源直接操作：有的利用对象的统计特性，对概率模 型进行操作；有的是基于推理模型，对置信度、隶属度等进行操作等。主要方法有加权 平均法、最小二乘法、扩展的卡尔曼滤波、贝叶斯估计、统计决策理论、产生式规则、 模糊逻辑、粗集理论、证据推理、小波变换等。智能移动机器人领域中采用的多传感器 信息融合方法f i l l 主要包括：加权平均法、卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、贝叶斯估计、 d - s 证据推理、模糊逻辑、神经网络以及基于行为方法和基于规则方法等。应用这些方 法可以进行数据层、特征层、以及决策层等不同的层次的融合等，也可以实现测距传感 器信息、内部航迹推算系统信息、全局定位信息之间的信息融合，进而准确、全面地认 识和描述被测对象与环境，从而做出移动机器人能够做出正确的判断与决策【1 6 1 。 多传感器融合系统与机器人相结合，构成了智能型机器人。概括的说，使用多传感 器信息融合技术将使系统具有如下优势：( 1 ) 提高系统的可靠性和鲁棒性；( 2 ) 扩展时间 上的覆盖范围；( 3 ) 扩展空间上的观测范围；( 4 ) 增强数据的可信任度；( 5 ) 缩短反应时 间。 1 2 4 割草机器人控制器的应用 一个智能化的割草机必须有一个能快速反应的处理器。虽然现在应用在自动割草机 上的控制处理器很多种，但主要还是以单片机及p c 机为主。单片机具有价格便宜，接 口简单，易于对接口进行编程，使用灵活，但是单片机为8 位微处理器，且运行速度较 慢，虽然有些升级产品将其提高为1 6 位，并且提高了其核心频率，但是其仍然无法满 足复杂算法的运行【l5 1 。p c 具有高的运算速度，能胜任任何复杂的算法；其操作系统可 以用通用的w i n d o w s 操作系统系列，编程与开发比较简单【1 4 1 。但是p c 机价格昂贵，且 其耗能巨大。为了解决以上缺点，太阳能割草机器人采用a r m 作为主控制芯片。 a r m 具有耗能低，处理速度快，能满足各种中等智能的要求，随着集成技术的发展， 其价格不断下降，已经到了广泛应用的时候了。a r m 处理器本身为3 2 位，但也配备1 6 位指令集。一般来讲存储器比等价3 2 位代码节省达3 5 ，然而保留了3 2 位系统的所有 优势。c p u 功能上增加d s p 指令集提供增强的1 6 位和3 2 位算术运算能力，提高了性能 和灵活性【3 9 1 1 4 0 1 1 4 。 1 2 5电子边界的获取技术 太阳能割草机器人的工作地点一般是家庭草坪、运动场草坪、公共绿地等，地形一 般比较平整，因此建立二维电子地图就可以满足本系统的要求。现在对无标示草坪的边 界获取是割草机器人研究的一个热点。目前，在解决边界问题上美国些专利 ( u s 5 ，1 6 3 ，2 7 3 、u s 4 ，9 1 9 ，2 2 4 、w 0 9 9 1 5 9 4 1 ) 提出了预先使用电缆包围整个区域，然后 在电缆上通电，机器人通过检测通电电缆所形成的磁场来获取边界信息；还有些专利采 5 1 绪论硕士论文 用边界撤荧光粉，通过机器人检测光信号来确定边界，但是以上方法操作起来过于复杂， 在现实生活中并不适用【2 7 】。本教研室已经对边界的获取做了大量的研究，其中祖丽博士 在其论文中利用将工作区域边界分为若干段进行处理，割草机器人每次从起始点出发， 基于r b f 神经网络算法以一定的频率获取某段边界点的信息，割草机器人每获取一段边 界信息就将其加入到不断扩展的边界信息数据库中，来建立一个数字电子边界地图。本 系统采用祖丽博士的r b f 神经网络算法获取边界1 8 j 。 1 3 本论文所做的工作 太阳能割草机器人是一个综合性比较强的系统，它涉及到许多学科，如计算机科学、 自动控制学、机械工艺学、动力学等，需要多个学科的共同协调与合作才能完成其设计。 由于本人的能力有限，因此仅对太阳能割草机的结构设计，能源的决策设计，硬件的电 路设计以及软件的设计进行研究，主要研究工作如下： ( 1 ) 太阳能割草机器入总体方案的研究。太阳能割草机器人的方案设计主要包括机 器人外形的设计、控制系统的设计、电机的分布以及其它附件的布置情况等。 ( 2 ) 太阳能割草机器人的能源决策及能源管理决策控制系统的设计。根据太阳能割 草机器人的能量方式设计了反应型a g e n t 能量决策系统，并根据能量的决策系统设计出 了其中关键的控制硬件。 ( 3 ) 太阳能割草机器人的控制系统硬件设计。太阳能割草机人硬件系统是机器人的 中心，本系统对机器人c p u 外围电路，避障模块、导航模块、电机运动模块进行了电 路设计。 ( 4 ) 太阳能割草机机器人控制系统的软件设计。割草机在运动过程中要求系统具有 高时效性和高信息吞吐量，以满足坐标的处理与存储，但是传统的割草机数据处理方式 已经无法满足这种要求，因此本系统引入数据库系统，它大大提高割草机器人的实时性 以及数据处理能力。本系统还对太阳能割草机器入主要模块的算法进行研究并给出了具 体的工作过程。 6 硕士论文 基于a r m 太阳能割草机器入控制系统的研究 2 太阳能割草机器人总体方案的设计 本课题研究的对象为智能环保的家用割草机，它是个综合的体系结构，其集成了 能源利用、机械机构、智能控制、环境的感知、行为的规划、智能决策等多种技术。本 文从实用出发讨论了割草机车体的选型，能量管理，硬件电路的设计以及嵌入式数据库 系统和硬件的控制算法。 2 1 太阳能割草机器人设计要求 太阳能草坪割草机的基本任务就是完成草坪的割草工作。由于它采用了太阳能作为 能源，电动机作为动力，其结构与传统的机械式割草机有很大的区别，对其设计要求除 了满足传统割草机的工作要求之外，还有一些特殊的设计要求【l 】【2 】。其设计要求包括以 下几个方面： ( 1 ) 工作要求：割草宽度4 6 c m ( 1 8 i n c h e s ) ，割草高度2 5 5 5 m m ( 1 2 2 i n c h ) ；割草电 机转速3 5 0 0 r m i n ；最大行进速度0 4 r n s ；转弯半径为零。 ( 2 ) 结构要求：太阳能草坪割草机在结构上要简洁，除去不必要的结构，来减轻整 机重量。 ( 3 ) 操作要求：太阳能割草机要求操作简单，在无人职守的情况下可以独立完成割 草任务【4 】。 2 2 太阳能割草机器人本体结构的设计 与机械式割草机相比，太阳能割草机器人能量和控制的传递是通过柔性的电线而不 是刚性的机构，这使太阳能割草机便于模块化，因此本系统将太阳能割草机分为四个模 块：能量系统，电机驱动系统，控制系统，割草系统。能量系统主要有控制器，蓄电池， 太阳能电池池，电流调节器组成；电机驱动模块主要由驱动电机和驱动轮驱动组成，其 作用是通过差动方式使太阳能割草机器人完成前进、后退、转弯；割草系统主要由割草 电机，割刀及高度调节机构组成；控制系统主要有控制器与传感器组成；除此之外还有 割草机器人壳体等。太阳能割草机器人的基本结构如图2 1 所示，其中粗实线为能量流 动方向，细实线为控制信号方向，粗浅色线为机械传动连接。 7 2 太阳能割草机器人总体方案的设计硕士论文 图2 1 太阳能割草机的基本结构 2 2 1 太阳能割草机器人关键部件的选择 现在割草机的运动方式主要有轮式、履带式、足式等；履带式割草机一般用于坡度 较大的环境中，足式割草机一般用于特殊的场合，在比较平坦的环境下轮式割草机应用 广泛。由于家庭草坪与公共绿地地形平坦，因此本系统采用轮式运动方式。 目前草坪机械主要有两个基本类型：滚刀式修剪机和旋刀式修剪机，而滚刀价格较 高，且要求严格的保养，所以割草机采用旋刀式设计，即以高速水平旋转的刀片把草割 下。对于家用割草机器人来说，其割刀尺寸不应过大，因此割刀采用单刀片。割刀刀片 由高速直流电机驱动。割刀驱动电机在割草机中高速运转，因此割草机内部应该有足够 的空间散热。 蓄电池为割草机另一个能量源，在外部光照不足时起到主要供能的作用，选择蓄电 池的好坏会影响到割草机的寿命的长短。现在常用的蓄电池为镍镉蓄电池、铅酸蓄电池、 镍氢蓄电池、锂电池。虽然镍镉电池和铅酸电池制作简单价格便宜，但是镉元素和铅元 素会污染环境。镍氢电池具有较好的低温放电性，且报废后无污染，但是镍氢电池高温 性能比较差，在阳光下易于氧化，使蓄电池寿命过短，因此镍氢电池不太适合本系统。 锂电池具有容量高、质量轻、充放电效率高等优点；虽然价格相对其它三种高，但其性 价比具有更大的优势，因此本系统采用锂电池作为蓄电池【1 0 】。 8 硕士论文 基于a r m 太阳能割草机器人控制系统的研究 在太阳能割草机中，电机的用途主要分为两个种类：一种，电机用来驱动割草刀片 的高速旋转，称为割草电机；另一种，电机用来驱动割草机车轮的行走，称为行走驱动 电机。由于直流电机具有良好的起、制动性能，适于在大范围内平滑调速，因此本系统 使用直流电机。直流电机又分为有刷直流电机和无刷直流电机，但是有刷直流电机易于 磨损，所以本系统采用无刷直流电机。 2 2 2 太阳能割草机部件分布 本割草机器人本体采用三轮小车机构的设计，前轮为其起导向作用的万向轮，两后 轮为两个电机差动驱动的驱动轮，这种结构的优点是：控制实现简单，只需分别控制后 两轮驱动电机的转速和转角，就能准确控制自动割草机器的动作，转弯非常灵活，特别 是能实现零半径转弯，有利于移动机器人在行走过程中对障碍物进行实时避障。蓄电池 为割草机最重的部件，由于要保证万向轮具有高的灵活度，不可以在万向轮上加载过大 的力，因此将蓄电池放在割草机的后部。割草机的割刀安装在刀盘上这样可以增加转动 惯量提高割草的质量。割草电机在高速旋转的过程中会产生大量的热能，为了避免人割 草机内部的积累，将割刀放在割草机空间较大前半部分。具体的结构如图2 2 所示。 1 、万向轮2 、刀盘3 、割刀4 、割草机外壳5 、液晶显示器及键盘6 、蓄电池7 、驱动轮 8 、变速器9 、驱动电机1 0 、控制板1 1 、割草电机 图2 2 割草机的结构图 9 2 太阳能割草机器人总体方案的设计 硕士论文 太阳能电池板采用帖附方式，将太阳能电池板薄片贴在割草机器人的表面，用导流 槽将每块电池薄片串联起来。这样是割草机器人看起来比较美观简约，并且大大减小割 草机的重量。考虑到太阳能割草机器人的一个要求一重量尽可能的小，因此割草机的支 架结构采用铝合金材料，采用弯折成型与螺母链接将构架搭建起。割草机的外壳采用 a s a 塑料，其优点是：良好的物理性能，抗老化性能强，可以应对比较恶劣的气候变化， 耐高温性能好，并且还可以防止静电，减少了车体静电对尘土的吸附和对电路板的噪声 干扰。 2 。3 传感器的选择 割草机器人在随时变化的环境中自主工作，应具有感知环境的变化的能力。在家用 太阳能割草机上利用的传感器应该具备以下特点：满足系统的要求；价格合理；技术成 熟；结构简单等。但是现在市场上的传感器种类很多，但是它们各有优缺点，因此本系 统采用几种传感器的组合。在内部，采用电子罗盘与编码器，在外部采用超声波传感器 来感知障碍物。 市场上的运动方位传感器有很种，例如陀螺仪，倾角仪等。但是由于家庭草坪与公 共绿地比较平坦对三维坐标要求不严，另外陀螺仪与倾角仪价格比较昂贵，因此在本系 统只选用y - - 维电子罗盘c m p s 0 3 ，来获得割草机的运动方位角，且结构简单易于实现。 现在比较常用的测距传感器有超声波传感器，红外传感器，激光传感器，但是激光 传感器价格比较高，不太适合应用在家庭设备上，在本系统中不予考虑。红外传感器的 有效测距范围为5 c m - - - 8 0 c m ，测得有效距离过短，使割草机反应时间减少，在高速情况 下如果割草机反应过慢就有可能与发生障碍物碰撞。超声波传感器选择g h 3 1 1 r t 模块， 它的有效距离为1 0 c m - - 8 0 0 c m ，虽然存在着盲区，但是对家庭割草机来说已经完全能够 满足检测障碍物的要求。超声波传感器的分布如图2 2 所示： 1 0 3 、。一： 图2 2 超声波传感器的分布 硕士论文 基于a r m 太阳能割草机器人控制系统的研究 2 4 系统控制体系结构的设计 太阳能割草机器人属于智能机器，它能感知外部环境，随着外部的环境对变化，割 草机器人能做出及时的反应。在本系统中设计了能量管理决策系统，基站系统，环境感 知系统，电机控制系统等。太阳能割草机的能量系统属于以太阳能为主要供能源蓄电池 为辅助供能源的混合功能系统，但如何提供需要控制系统根据外部的环境进行决策，因 此系统设计了能量管理系统。基站系统为定位系统，这里设计了超声波传感器、微波传 感器及电子罗盘结合得出割草机在割草区域内的极坐标，对割草机进行定位，处理器根 据割草机所在的位置进行指导割草机的行走方向并可以根据坐标判断割草机是否走过 该区域。环境感知系统为将外部的环境进行简单处理，传送给中心处理器，中心处理器 对外部环境进行分析，然后做出决策。电机控制系统用于对割草机的直行，加速，转向， 倒退的控制。在电机控制系统中还设计对过流与过热保护系统，用于保护电机与控制器 避免意外的事故的发生。 图2 3 太阳能割草机器人控制结构 2 太阳能割草机器人总体方案的设计 硕士论文 2 5 控制系统的中的数据管理 在本系统中，牵扯到电子地图的建立、行走过程位置的记录、重复率的判断、边界 的判断、是否有未走过的判断、在行走过程中障碍物位置的记录及割草机对障碍物的躲 避计算，这些都需要控制器具有高时效性和高信息吞吐量，因此本系统引入数据库系统， 负责全局的存储、处理和维护，整个系统的环境和工作过程位置的记录、推理知识以及 融合传感器信息。 ，、 行 位置确定系统卜信行为 息 嵌入式数 为 控 糅 据库、 规制 ：检测障碍物系统l 厶 划 、f 系口 统 图2 4 太阳能割草机器人的管理框架 位置确定系统的作用是获取割草机的位置并将位置坐标传送给处理器；避障系统获 得障碍物的距离，并传送给处理器；处理器将这些数据糅合，并将糅合的数据放入数据 库处理存储；规划系统根据数据库处理的结果对割草机进行行为规划；行为控制系统用 规划好的结果指导割草机做出相应的动作。 2 6 本章小结 本章对太阳能割草机器人的基本结构进行了设计，根据设计要求选择了割草机各个 部分，设计出割草机机体内部各部件的分布，设计出了太阳能割草机器人控制结构以及 数据处理结构。 1 2 硕士论文基于a r m 太阳能割草机器人控制系统的研究 3 太阳能割草机器人定位行走规划 割草机器人全区域覆盖的任务是将草坪走完一遍，完成整个区域的割草任务。割草 机在行走过程中，一般要考虑的问题为能量的消耗、割草效率、割草的重复率、割草的 质量、全区覆盖率( 也称为无遗漏率) 等问题，本系统采用太阳能提供能量，因此不需 过于考虑能量问题。但是在解决其它问题的时，会出现很多博弈的问题，例如：一是定 位不准引起的行走误差导致遗漏的百分比过高，但是在降低无遗漏率过程中，又会出现 重复率过高的问题。二是再有障碍的区域内进行采用分子区域法进行全区覆盖，会遇到 如何行走，判断子区域边界算法过于复杂，导致无法在割草机器人上实现。在很多的研 究中也提到用g p s 系统导航定位，但是g p s 系统导航精度太低，在大树下或者在强乌 云下容易丢失信号。对定位要求比较高的割草机来说g p s 系统不太实用i s 。 本系统采用以静止的基站为定为基准参考，通过传感器测出机器人到基站的距离， 用电子罗盘进行确定割草机器人行走方向的夹角，进而确定机器人的位置，而后把机器 人具体的位置存入数据库。在行走过程中，数据库不断将接收到的数据代入行走方程进 行拟合，不断调整行走方向，使行走误差达到最小，重复率达到最低，遗漏率达到最低。 在行走到一定距离，行走位置不断与边界坐标进行比较，以防走出边界。由于数据处理 量比较大，对机器人实时性要求比较高，所以本系统引入嵌入式数据库对割草机进行数 据管理，详见第六章。根据常识家庭与公共草坪一般比较平坦，本系统建立坐标系时， 采用平面坐标系，其结构简单，减少了计算的复杂度。 3 1 行走坐标的建立 割草机在行走的过程中，本系统可以通过电子罗盘得到机器人行走瞬时方向角，通 过传感器得出机器人与基站的距离，仅有这些还无法的出机器人的相对与参照( 基站) 的具体位置坐标，因此还要对距离与行走方位角进行处理。以基站为原点，以电子罗盘 所指的北方为极轴方向建立极坐标系。设太阳能割草机在某一时刻，割草机距离基站的 距离为_ ，与x 正半轴的方向角为0 p ，则p 为( 名，0 p ) ，用二维矩阵表示为p = p ，y ，) r ， 可以得到 0p 。二 ( 3 j 设在此时割草机器人的瞬时位移方向与x 正半轴的夹角为由p ，及瞬时速度方向与x 正半轴也为巾p 。 1 3 傩m c s p p r 尸 = = p p x y ，、l 3 太阳能割草机器人定位行走规划硕士论文 3 2 方位角的计算 图3 1 割草区域点的坐标 利用现有的传感器只可以得出太阳能割草机器人到基站的距离，机器人行走的方向 角，无法直接得出任意点p 的方位角0 p 。因此必须通过其它参数才能得出割草机器人 方位角o p 。在此系统中应用的电机为直流伺服电机，其速度为p w m 控制，控制器可以 通过读取p w m 与编码器来取得电机任意时刻速度，并可以得出任意一段时间内的位 移出。 设系统在某一时刻获得割草机与基站的距离与下一次获得距离的时间间隔为& ，可 以得出a 1 = v p f 。假设某一时刻传感器测得太阳能割草机所在位置a 与基站的距离 为，。，这一时刻割草机的方位角为0 口；下一次测到割草机所在位置b 与基站的距离为， 此时割草机的方位角为o 。，此段时间内割草机的运动方位角为巾，则如图3 2 所示。 o 图3 2 方位角计算示意图 过a 点作极轴的平行线交o b 于m 点，则可以得到 1 4 硕士论文摹子a r m 太阳能割草机器入控制系统的研究 c 。sp ：盟! 婴盟 ( 3 2 ) 2 z 。z 、。 c 嘶州：盟哗 ( 3 3 )、“ 2 ， 、 。 1 3 ：a r c c o s 她! 掣兰丝】 ( 3 4 ) 2 z 。z 。 、7 伐+ 巾= s 【盟专俨】 ( 3 5 ) 通过几何关系得到 0 口= 冗一伐( 3 6 ) 0 6 = 咖+ p( 3 。7 ) 因此可以得出a 、b 两点的极坐标为( 吃，0 。) ，( r b ，0 6 ) 。 但是割草机在行走过程中，割草机驱动轮会出现打滑现象，使割草机在行走过程中 会出现行走误差，由于本系统采用即时采集距离与速度，每次采集的距离值与前一次和 后一次采集的数据具有相对独立性，因此这里不会出现误差的积累。割草机器人在行走 过程中出现的误差包括：电子罗盘的本身误差、行走打滑误差、测距误差。但本系统采 用每个周期内得出五个距离值，可以通过数据综合分析，将误差控制在合理的范围内。 3 3 割草机遇到障碍物后行走的探究 为了提高避障的准确性，本系统应用五个超声波传感器，它们分布在割革机的前端， 分布示意图如图2 2 ，五个传感器均匀的分布在半圆形的前端，其每个传感器的分布夹 角为3 0 。 割草机在割草区域内碰到的障碍物可以分为大块障碍物、小块障碍物或者墙体。由 于大块障碍物体积相对较大，为了简化算法可以认为其为一个墙体障碍物。因此可以得 出障碍物各种情况： ( 1 ) 遇到小型障碍物，传感器可以计算出障碍物具体的位置( 详细算法见第五章) ， 例如：设传感器到前端中心的距离为r ，则r 可以测出。在割草机的左边有一小障碍物 p ，由于传感器为均匀分布，超声波传感器距离中心的距离r 可以测出，还可以通过计算 得出障碍物到传感器的距离l r 和切相角币，因此可以很容易得出障碍物到中心的距离 = 、，z + 月z + 2 ，r c o s 巾 ( 3 8 ) 1 5 3 太阳能割草机器人定位行走规划 硕- 上论文 丫：一叩3 一锄c c 。s c 竿， c 3 9 ， 为了不使割草机与障碍物相撞，割草机必须满足边缘到中心的距离r c o s y 。当 p 图3 4 探测障碍物不意图 如此类推小障碍物在右边或正前方时，也利用比较障碍物到割草机中心的距离与r 大小来决定是小角度绕行还是直行。 ( 2 ) 当在割草区域内割草机遇到墙体障碍物或者形体较大的障碍物时，采用分块法， 如图3 5 所示。当前方为墙体障碍物时，采用返回走。例如，在区域d 往返走，将走过 的区域坐标存入数据库，建立行走过的地图，以便于判断是否走过。割草机的前方、左 边或者右边有墙体障碍物时，传感器会收到一段时间连续的超声波返回信号，控制器可 以根据接收到连续信号时间的长短判断障碍物的大小( 详见第五章) ，并决策是采用返回 走，还是绕行。 1 6 硕士论文 基于a r m 太阳能割草机器人控制系统的研究 3 4 本章小结 图3 5 行走路线示意图 本章主要研究了割草机在运动过程的定位以及避障问题。首先建立了位置坐标，将 割草区域离散化为无数的点，这样便于记录点位置；其次通过计算割草区域内点所在的 方位角得出该点极坐标；最后分析了割草机在运动过程中遇到障碍物的情况，并给出了 每种情况下割草机如何躲避障碍物。 1 7 4 太阳能割草机器人的能量管理 硕士论文 4 太阳能割草机器人能量管理 太阳能割草机的能量供应是一个复杂的过程，它牵扯到太阳能电池峰值的跟踪，蓄 电池何时供应能量，蓄电池供应能量的多少。本系统设计了一个人工智能体，用作决策 太阳能电池与蓄电池的能量供应关系。 4 1 a g e n t 决策系统 4 1 1 a g e n t 的简单介绍 a g e n t 是处于一个环境之中，能感知这个环境相应的行为，可以建立自己的行为规 范的智能体【2 1 1 。它是一种智能决策的模型。a g e n t 的结构模型通常分为慎思型、反应型、 混合型三种结构模型【1 7 】。 慎思型是一种显示符号模型，包括环境和智能行为的逻辑推理能力。慎思型是通过 感知各种外界环境信息，根据内部的状态进行信息融合，产生当前状态的描述。虽然慎 思型有较高的智能，但无法对环境的变化做出快速响应，而且执行效率较低。 反应型a g e n t 系统结构为不包括符号事件模型，其不使用复杂的符号推理的系统结 构。反应型a g e n t 1 8 】的智能取决于感知与动作，从而提出一种a g e n t 智能行为的“感知 一动作模型。它不需要知识、不需要表示、不需要推理，就像人类的局部进化一样， a g e n t 的行为只能在现实世界与周围环境的交互作用中表现出来。反应型a g e n t 能及时 而快速的响应外来信息和环境变化，但其智能程度较低，灵活性也有些欠缺。 混合型a g e n t 是综合以上两种结构的优点，具有较强的灵活性和快速反应性。它通 常设计成两种层次结构：高层是包括符号世界模型的认识层，它采用传统的符号人工智 能的方法处理规则和进行决策：低层采用能够快速响应与处理环境中的突发事件的反应 层。但是混合型算法复杂不适合低智能结构。因此在本系统中采用反应型a g e n t 结构模 型。 a g e n t 与环境交互的基本模型如下：环境从某个初始状态开始，a g e n t 选择一个动作 作用于该状态，该状态可能使环境达到某些新的状态，但是只有一个状态可以正常实现； 在第二个状态的基础上，a g e n t 继续选择一个动作执行，使环境达到可能状态集中于一 个。这样，a g e n t 在环境中的一次执行r 是环境状态与动作交替的一个序列： a c t a c t a c t a c t ，：j 0 一一旦js l 一一s 2 一一上j 一一卫：上_ s 扰 ( 4 1 ) 式中，u 为动作次数，s ，第i + 1 次动作后的环境，a c t ，为第i + l 此动作。 a g e n t 的基本模型可以看作一个黑箱，通过感知来了解环境如图4 1 所示，a g e n t 不 仅与环境交互，更主要的处理接收的信息，达到自己的目的。一旦a g e n t 接受信息后， 1 8 硕士论文基于a r m 太阳能割草机器人控制系统的研究 仅与环境交互，更主要的处理接收的信息，达到自己的目的。一旦a g e n t 接受信息后， 处理这些信息和做出反应就成为了a g e n t 的核心，因为这才是a g e n t 的作用。信息处理 的目的是解释输入的数据，形成具体的规划。因为每个a g e n