智能割草机器人设计.doc

摘 要 本文首先对国内外市场上现存的智能割草机器人进行了介绍和比较，指出了现在智能割草机器人研制过程中需要注意的关键技术，并结合以往的成功经验和现在的实际需求，选择了结构易于实现的三轮车体结构。根据智能割草机器人控制系统要求，确定了以AT89C51单片机为核心的智能割草机器人控制方案，将智能割草机器人的控制系统划分成了电机驱动单元、电机控制单元和传感单元等几个部分，最终确定了智能割草机器人的技术指标。 针对上述要求，进行了智能割草机器人机械本体的设计。首先，根据相关的计算确定了所需驱动电机的参数，并以此为基础进行了电机选型。然后根据选择的电机情况为智能割草机器人设计了驱动系统的减速机构。最后，结合智能割草机器人的任务特点，为其设计了特制的割草机构。控制系统是实现自动割草机器入自主执行割草任务的关键部分，根据具体的任务要求结合低成本的思想，确定了为电机控制和传感系统分别设置独立处理芯片的策略，控制系统首先对各个传感器件发送的环境信号进行预处理，再为智能割草机器人的运动控制反馈合适的环境信息。然后电机控制单元结合发送的信号对智能割草机器人进行相应的运动调节。关键词:智能割草机器人；移动机器人机械本体设计；电机控制；传感系统；割草机构1 前 言1.1智能割草机器人研究的背景与意义1.1.1智能割草机器人概述随着经济的发展，各国城市建设逐渐深化，城区的绿化程度也随之提高，大量的公园草坪、足球场草坪、GOLF球场草坪等公共绿地均需要进行维护。在各种草坪维护作业中，以草皮修剪工作最为繁重，不仅枯燥，而且重复性强，通常需要消耗大量的人力和物力。为了降低草坪维护作业的劳动强度和成本，近年来我国提出用现代电子技术和智能控制技术改造和提升草坪机械产业的战略，希望在不久的将来用智能的智能割草机器人取代传统的割草机。图1.1智能割草机器人系统构成框图智能割草机器人属于民用户外移动机器人领域，从系统科学的角度来讲，它是集环境感知、路径动态规划与决策、行为控制与执行等多种功能于一体的综合机器人系统。图1.1为智能割草机器人系统构成框图，该图概述了一个标准的全智能割草机器人系统，它通常由感知系统、控制系统、移动机构和割草机构等四个部分组成。感知系统实时监测外界环境变量、移动机构及割草机构运行参数，并将结果输送到控制系统；控制系统将获得的数据与自身的数据库做比较，并参照路径规划对移动机构和割草机构发出修正指令，以获得稳定的运行情况。与传统的草坪修剪机械相比，智能割草机器人具有环保、人力消耗低和高安全性等特点。1.1.2智能割草机器人的研究概况在智能割草机器人的研发领域,国外的许多公司做了大量的工作,己有部分产品上市如FrinediyMachines公司设计的Rboomower，是目前最成功的智能割草机器人产品之一,采用三轮小车的机构，两个后轮独立驱动,前轮为万向轮,能以一定策略为基础反复迁回运行于事先设定好的范围内,当遇到障碍物后能通过超声波传感器检测然后简单绕行,但它不能保证除障碍物外的区域，缺乏全局地图的概念,对是否已完成整块草坪的割草任务也没有概念。除此以外还有其它类似的产品,各具特色,如意大利uzeehetti公司的osear其豪华版的A811brigio甚至还配备了雨水传感器,当下雨的时候能自动躲避；瑞典Eleetrofux公司的Auotmower,除动力采用电池外,还可利用太阳能供电；比利时Berlbooties公司的BigMow,具备优良的路径算法,刀片覆盖面积大,覆盖率较高。国外的科研机构对割草机器人展开的研究主要偏向割草机器人的智能控制技术，导航技术和路径规划等方向,而针对割草机器人的系统设计相对较少。美国专利US4919224采用了蓄电池供电,能在预定时间启动,具有避障防盗及自动充电等功能,采用三根导线来进行导航。当遇到下雨湿地及电源不足等以外情况时,返回车库,该专利采用超声波来探测障碍,用震荡探测器及密码来防止非法用户操作机器；美国专利US5204814采用了优化的导航技术,综合利用存储的路径及环境信息，无磁无电流的金属导线和埋在地下的金属导线三种方式来指导割草机器人的移动,该专利还选用了内燃机做动力,配合发电机及电池组使用,采用分布式控制方式。国内对于割草机器人的研究起步时间较晚，参与该领域的研究单位也比较少，但仍取得了一定的成果。南京理工大学机械学院设计了MORO型移动割草机器人，并成功开发出了MORO.I、MORO.II等若干型割草机器人样机。南京理工大学对割草机器人的总体设计、路径规划、避障、定位系统、控制系统等从理论上进行了较全面的讨论并提出了一种廉价实用的总体方案，还根据机器人动力学方程推导出驱动力矩的计算公式，为电机选择、控制系统硬件电路主要元器件参数选择提供了计算依据，为进一步深入研究割草机器人打下了基础。MORO型移动割草机器人的主要导航设备为驱动轮编码器和磁航向传感器，能自动生成无信标边界实现全区域覆盖行走。该机器人的体积约为80X51X40 cm，重约50kg，刀片的转速高达5000r/min，适用于大面积草坪的修剪工作。此外，南京理工大学还将机器人领域的前沿技术引用到割草机器人上来，如基于Internet的机器人控制技术和太阳能草坪割草机关键技术等。与其它轮式割草机器人不同，江苏大学研制了一种履带式割草机器人，具有GPS定位导航的功能，能高效高速地进行作业，适用于大面积的草场区域。此机器人由两部分组成，一部分为广茂达公司生产的AS.RF型机器人，另一部分为自行设计的割草机台。此外，江苏大学还针对不同的草坪给出了合理的切割高度，这为割草机器人的研究提供了重要的依据。1.1.3智能割草机器人研究的必要性随着经济的发展，草坪业已经成为了我国一种新兴的产业。草坪基本上已经在全国城市园林绿化、运动场建设中普及应用。草坪业开始了一个缓慢、平稳也是积蓄力量的发展时期。这促使草坪业开始经历一个由劳动密集型到知识密集型的转变过程，特别是草坪修剪维护工作，迫切需求一种效率更高，而人员消耗和能源消耗更低的草坪机械设备，但国外自动割草机器设备昂贵的价格和垄断的技术制约了我国在自动化和智能化草坪机械方面的推广进度，因此必须依靠自己的力量研究具有自主知识产权的智能割草机器人。在科技迅猛发展的今天，人们生活水平逐渐提高，一些应用于工业的科技正逐渐走出工厂，对智能割草机器人进行研究为服务机器人的发展提供了新的课题方向，也是服务机器人走向实际应用的一种尝试和探索，更重要的是，智能割草机器人的研制能为服务型机器人产业化的进程提供有利的参考。此外，对智能割草机器人进行研究还有一定的学术价值，智能割草机器人属于户外移动型机器人，在割草时它将工作在开放的非结构化空间内，而如何实现机器人在非结构化空间的移动正是现今机器人研究的重要课题。基于割草工作的特点，还需要智能割草机器人能以一种比较理想的方法完全覆盖整个工作区间，所反映的区域充满路径规划问题也是路径规划的研究热点。综上所述，智能割草机器人的研究有着重要的商业价值、积极的社会价值和一定的学术价值，能侧面地反映出我国自动化技术和机器人学的发展水平，因此开展对智能割草机器人相关研究工作是十分必要的。1.2课题研究的主要内容及构成本课题主要的任务是对研制一种适应国内市场需求的智能割草机器人。研究内容为:机器人机械本体设计、安装；传感系统选型和设计；机器人控制系统的设计；机器人路径规划等任务。课题主要研究内容和组织结构如下:第二章为智能割草机器人系统的总体方案设计。首先对国内外割草机器人的研究情况进行调研，收集相关资料，然后结合智能化割草作业的特点提出智能割草机器人的总体设计，其中包括机械本体驱动方案的选择、传感器件的选择、控制系统方案设计和技术指标等方面。第三章是智能割草机器人机械本体设计。对多种本体方案进行了讨论和比较，选择三轮结构作为自动割草机器入的驱动方式，设计了机器人的本体。智能割草机器人的机械本体包括减速机构、车体和割草机构等主要部件。第四章介绍了智能割草机器人传感系统设计，对户外移动型机器人所需要的传感元件进行了说明。通过分析和评价，结合实际选择了合适的传感器。还针对各个器件的引脚说明，以AT89C51单片机为核心设计了传感器预处理模块。第五章阐述了智能割草机器人控制系统设计的过程，机器人的控制系统包括电机驱动和电机控制等两方面。电机采用ST大功率H桥集成芯片L298N驱动，结合调压电路，能为智能割草机器人的驱动电机提供安全稳定的驱动电源。第六章讨论了区域充满路径的规划算法。第七章为论文的结论与展望。2 智能割草机器人总体方案的设计智能割草机器人是一个综合的机器人系统，它集成了诸如机械系统设计、环境感知、行为控制等多方面的技术，因此需要对智能割草机器人的实现方案进行详细的讨论和研究，以确保智能割草机器人最终设计方案的合理性。本章以实际需求为出发点，详细地讨论了智能割草机器人本体选型方案、控制系统方案和传感器件选择等多方面的内容，最后给出了设计的技术参数。2.1智能割草机器人本体驱动方案的选择割草机器人属于户外移动型机器人，针对该类型的机器人有各种驱动方案可供参考。根据户外移动型机器人的工作特点，对自主移动机器人平台的驱动方案进行了详细的讨论。户外移动机器人的运动方式有轮式、履带式和足式等多种。轮式和履带式驱动方式适用于较平整路面，而足式驱动方式适用于特殊的、条件相对恶劣的环境，也有的移动机器人为了适应各种路面将这几种驱动方式混合使用。割草机器人一般工作在条件较好的草坪上，结合其他工作要求，割草机器人大多选用轮式驱动方式。图2.1移动机器人驱动方式的选择轮式驱动方式根据轮子数目分三轮、四轮和六轮等几种。三轮方式结构比较简单，能够满足一般需要，应用也比较广泛，如图2.1中的(a)、(b)。四轮方式的稳定性好，承载能力比较大，但结构相对复杂，如图2.1中的(c)、(d)。六轮方式与四轮方式类似，具有更高的承载能力、稳定性和柔性，多用于未知环境的探测，如月球车和火星车等。根据转向方式的不同，轮式驱动方式又可分为铰轴转向式和差动转向式两种。铰轴转向式如图2.1中的(a)、(c)所示，转向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连杆机构控制铰轴从而控制转向轮的转向。差动转向式如图2.1中的(b)、(d)所示，在车体两侧的驱动轮上装有不同的控制电机，通过两轮的速度比来实现车体的转向，在该情况下，非驱动轮应为自由的万向轮。由于智能割草机器人属于家用机器人，所以要求尽可能选择简洁、控制难度低的驱动方案，因此综合上述内容，选择了典型的三轮差动的驱动方式(即图2.1中的a方式)。该方式的优点是结构简单、运动灵活等，缺点在于实现两电机同步转动对电机的同轴度和控制系统的精度要求比较高。2.2传感器件的选择移动机器人为了能在未知或时变环境下自主地工作，应具有感受作业环境和规划自身动作的能力。移动机器人避障的关键问题是在运动过程中如何利用传感器对感知环境并对机器人在工作区域内进行定位，任何类型的传感器都有各自的优点和不足，选用时需要仔细考虑各种因素，传感系统在移动机器人运行时，需要为移动机器人提供机器入附近障碍物的存在信息以及障碍物与机器人问的距离，还有机器人导航的相关位置信息。智能割草机器人工作在开放的户外空间内，在执行割草任务时需要获得外围障碍物信息和机器人自身位置信息，所涉及到的传感器有距离传感器和位置传感器。此外，由于智能割草机器人内设置有高速旋转的割草刀片，还应当选用相关的传感器以保证其安全性。移动机器人常用的距离传感器有超声波传感器、红外线传感器和激光测距传感器等。其中激光测距传感器造价相对较高，不适宜采用在民用服务机器人系统上，因此在本文中不予考虑；超声波传感器是利用超声波的反射特性研制而成的传感器，有效的检测范围为30cm-2m；红外传感器属接近传感器，发射出的红外波波长大约在几百纳米范围内，属短波长的电磁，有效的检测范围通常小于30cm。智能割草机器人在运行时需要检测其车体外lcm-1.5m内的障碍物情况，不能单独采用超声波传感器或红外传感器。因此，本文选择超声波传感器和红外传感器相结合的方式来实现智能割草机器人的障碍物距离检测。另外，智能割草机器人工作在温度变化较大的户外环境，超声波传感器测量结果会受温度变化而与实际数值有偏差，因此，为了获得精确和稳定的采集数据，需要设置单独的温度传感器采集环境温度，用以修正产生的误差。智能割草机器人在运行时内部的割草刀片会高速旋转，这会对人和动物造成潜在的伤害，还需要特别要注意安全问题，所以本论文的智能割草机器人还选用了接触传感器和人体热释传感器。接触传感器属于触觉传感器，以阵列的形式设置于机器人周围，当机器人与物体发生意外碰撞时，用于发生中断信号；人体热释传感器是一种检测人或动物身体发射的红外线而输出电信号的传感器，在智能割草机器人工作时，如有人或动物闯入到设定的安全范围时，会发出对应的警报信号。2.3智能割草机器人控制系统方案设计智能割草机器人的控制系统是智能割草机器人的重要部分，需要对机器人进行一系列的决策控制，它甚至在一定程度上决定了机器人性能的优劣。因此，对智能割草机器人在芯片选择、控制策略和通讯方式等方面要进行详细的讨论，并决定最佳方案。2.3.1控制系统需求分析作为户外移动型服务机器人的研究平台，为实现低成本高效率的运动控制，智能割草机器人的控制系统需要具备以下功能或特点:(1)成本低廉，具有较好的稳定性。(2)有足够的运算能力，可在比较迅速的响应时间内同时接收传感系统采集的信号和控制两路驱动电机。(3)控制两个驱动轮的起停、转速。(4)控制两个驱动轮并行运动，以复合成特殊的运动轨迹。(5)接收超声波传感器、红外线传感器、接触传感器、旋转编码器、人体热释电传感器和温度传感器的信号。(6)传感器信号综合处理。(7)对割草机构的驱动电机进行控制。(8)根据传感器采集的信息，依照特定的算法和策略，对智能割草机器人进行控制(包括运动控制和割草机构控制)。2.3.2控制系统方案设计依照上述的控制系统需求，智能割草机器人控制系统的主要功能是对两路电机进行控制、对传感信号进行处理和根据反馈结果进行运动规划。因此，智能割草机器人控制系统应包括电机驱动单元、电机控制单元和传感系统信号处理单元三部分。电机驱动单元用于驱动直流调速电机、稳定输入电压和过载保护。电机控制单元属逻辑控制部分，用于电机的转动控制，如正转、反转、急停和调速等。传感系统信号处理单元用于处理各种传感元件的输入信号，将复杂的环境信息整理成简单的条件参数反馈给电机控制单元。智能割草机器人属于民用型机器人，特别需要考虑到生产成本，结合实际控制系统的运算量，控制系统不适宜采用造价昂贵的高速运动控制芯片，但可适当采用集成芯片以降低控制系统硬件的复杂程度。图2.2智能割草机器人控制系统框图如图2.2所示，为智能割草机器人控制系统框图，该系统采用了模块化的设计方法，将控制功能划分为三个相对独立部分，即电机驱动单元、电机控制单元和传感系统信号处理单元。控制系统的驱动单元用于驱动左右驱动电机和割草机构电机。智能割草机器人为了获得外部工作环境信息和自身位置信息，设置有大量的传感元件，传感系统信号处理单元用于预处理这些传感元件的信号，将其综合成简单的反馈信号传递给电机控制单元。电机控制单元是智能割草机器人控制系统的核心部分，能依靠特定的策略，结合传感系统信号处理单元的反馈信息对电机驱动单元输送控制信号，以实现对智能割草机器人的智能控制。2.4智能割草机器人的总体方案及技术指标本课题所涉及的智能割草机器人以实用化技术应用为主要目的，总体方案的设计要求实用、经济、稳定性强和维护简单，因此尽可能采用成熟、可靠和实用的技术。2.4.1智能割草机器人的总体方案智能割草机器人主要分为机器人本体、传感系统和控制系统等三部分。其中智能割草机器人本体又分为机器人车体和割草机构。整个系统采用12V7Ah的铅酸免维护电瓶供电。智能割草机器人本体采用差动的方式驱动，车体共设置三个车轮，分别为两个同轴的驱动轮和一个万向的导向轮。驱动轮用两个直流调速电机驱动，在电机输出端和驱动轮之间设置了减速机构，用于调节输出转速，驱动轮轴设置了旋转编码器，可向控制系统反馈位置信息。万向轮采用工业用脚轮，能承受比较大的载荷。针对智能割草机器人的实际需求，设计了特制的割草机构，智能割草机器人的割草机构由调速电机驱动，同样设置了旋转编码器反馈转速，割草刀片的高度可上下调节以适应不同高度的草坪。图2.3智能割草机器人割草机器入系统框图传感系统设置了超声波传感器、红外传感器、接触传感器、人体热释传感器和温度传感器等元件，结合各路电机的光电码盘，可形成一个信息采集面较广的系统，为智能割草机器人提供环境信息和位置信息。控制系统采用模块化的设计思路，将整体划分为电机驱动单元、电机控制单元和传感系统信息信号处理单元三部分。电机驱动单元最大程度上采用集成的电机控制芯片L298N，实现标准H桥电机驱动电路，并能接受PWM调速。电机控制单元和传感系统信号处理单元均以51系列单片机开发板为基础，可实现智能割草机器人的灵活控制。2.4.2智能割草机器人的技术参数智能割草机器人所配置硬件如表2.1所示。表2.1智能割草机器人硬件配置表2.5本章小结本章涉及智能割草机器人方案设计部分的内容。针对论文绪论部分的具体需求，提出若干方案进行了比较和分析，并确定了智能割草机器人的总体方案。智能割草机器人的总体方案中包括本体驱动方案的选择、传感器件的选择和控制系统方案设计等。最后，对所提出的方案进行了总结和归纳，给出了智能割草机器人的技术参数和硬件配置信息。3 智能割草机器人的机械本体设计智能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，两后轮为两个电机利用差动的原理分别驱动的驱动轮，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，就能准确控制智能割草机器人的动作；转弯非常灵活，有利于移动机器人在行走过程中对路面障碍进行实时避障。3.1机器人车体驱动电机的选择驱动电机的功率由机器人质量M、运行速度v、驱动轮直径d来确定。计算和分析机器人受力情况时，假设机器人在平地上直线加速行驶，不考虑机器人在行驶过程中的产生空气阻力。智能割草机器人的最大重力 ，行走速度0.5kmh，查手册可知与草地的摩擦系数，电源为12V7Ah的铅酸免维护电瓶供电，电压12V。 （1）选择电动机的容量电动机所需的工作功率为 （3-1）由式 （3-2） 由电机至传动轴的总效率为 （3-3）式中:、分别为减速器、联轴器的传动效率，取=0.90, =0.99。所以 由以上计算则可选择电机的功率约为18W，输出转矩10Kg.cm，结合市场上直流电机的情况，没有符合该特性的电机产品，可选择性能相近的电机，通过减速机构调速来实现预定目标根据实际需求和结构要求，选择无锡红湖磁电机厂生产的37ZYJ一36ZY系列直流速电机，所选电机型号为37ZYJ.36ZYl26000。该电机参数如表3.1所示。表3.1 电机参数其外型尺寸和实物图如3.1和3.2所示。图3.1所选电机外型尺寸图3.2所选电机实物图3.2机器人车体减速箱设计选定自动割革机器人的移动速度约为O.5Km/h，两驱动轮直径为d=250mm，则驱动轮转速为而电机实际的转速为22rmin，因此需要设置一个减速比约为2的减速箱，以控制转速。如图3.3所示，为机器人车体减速机构。1)大带轮轴2)同步齿型带轮大轮3)滚动轴承4)同步齿型带轮小轮5)小带轮轴7)同步齿型带8)轴固定架图3.3机器人车体减速箱如图3.3所示。直流电机输出的转矩传递到通过联轴器联接的同步齿型带轮小轮2上，经由同步齿型带7传递至同步齿型带轮大轮2上，进而带动驱动轮轴1运动(3为驱动轮轴的滚动轴承3，最终运动由驱动轮轴1带动的驱动轮实现。3.3智能割草机器人车体设计综合智能割草机器人的工作特点和需求，智能割草机器人车体需具有以下特点；(1)底盘距地平面高度约为6090mm；(2)为了车轮能接触地表，车轮宽度尽可能要小；(3)作为原理样机，车体应拆卸方便，利于调试；(4)车体要有一定的刚度；(5)车体重量要轻； .(6) 内有高速旋转的电机，要留有空间散热。根据上述特点，对智能割草机器人车体进行设计。车体主要由硬质铝合金板件拼接而成，各板件依靠连接件与螺栓连接。采用该结构的特点是便于拆卸，结构简单，并且硬质铝合金强度适中，密度小，能满足设计的质量和刚度要求。结合所选电机的输出转矩，设计机器人车体的车轮直径为250mm，厚度为15ram，平面底盘，可满足底盘距地平面高度约为60-90mm的设计要求。另外在机器人车轮内外两侧还铣出对称的深槽，用于增大摩擦，可确保机器人在地表稳定运行。设计机器人总体尺寸长宽高为680mmx500mmx260mm，总重量M约为15Kg(不包括电瓶重量)，机器人底盘距离地面高度为70mm，驱动车轮直径为250mm，两驱动轮轮距390mm。机器人导向轮直径为150mm，高度150mm，导向轮和两后驱轮之间的距离为350mm。图3.4智能割草机器人车体装配图如图3.4所示，为智能割草机器人车体装配图。智能割草机器人的机器人车体包括机器人车体底盘、电池支架、驱动车轮和导向轮。机器人车体底盘大量采用厚度为4mm的铝合金板件，板件间通过螺栓连接，该方式利于拆卸，并且有重量低，刚度好等特点。电池支架设置了活动的盖板，可适应蓄电池、锂电池和干电池组等多种类型电池。大半径的驱动车轮可保证机器人车体底盘距离地表的高度满足草坪修建需要。如图3.5所示，为智能割草机器人的机器人车体内部结构图。智能割草机器人内部包括支撑板件、直流电机和减速箱等部件，其中减速箱包括同步齿型带轮小轮、同步齿型带、同步齿型带轮大轮和驱动车轮轮轴。支撑板用于保证车体内部的刚度，并将机器人车体内部划分为两个区域:一部分为空腔，用于放置割草机构，较大的容积为割草机构提供了比较充足的散热空间；另一部分用于放置直流电机和电机驱动板。车体内减速箱的减速比为2:1，调速方式选用同步齿型带和带轮，当速比需要变更时只要更换相应的同步齿型带和带轮即可，使用比较方便。图3.5智能割草机器人车体内部结构图3.4智能割草机器人割草机构设计为了执行割草任务，需要针对智能割草机器人车体的实际情况，设计专用的割草机构。智能割草机器人的割草机构所需转速约为600-1200rpm，因此应当考虑割草机构驱动电机的散热问题，此外为了适应不同草坪，割草刀盘还应具备高度调节、刀片更换等功能。图3.6智能割草机器人割草机构结构图如图3.6所示，为智能割草机器人的割草机构结构图。智能割草机器人的割草机构包括割草机构刀片连接件、割草机构电机和割草刀片等部件。可通过使用不同的刀片连接件来改变割草机构刀片的位置，从而实现刀片的高度调节。3.5本章小结本章的涉及的内容是智能割草机器人机械本体设计。作为一个综合系统，传感系统、控制系统、驱动电机和电源等其他重要组件均要安装在机器人机械本体上，因此智能割草机器人的机械本体是实现其自动割草功能的基础。本部分详细讨论了智能割草机器人的机械本体设计问题，根据机器人的运动学和动力学模型选择驱动电机，依照输出的要求设计了驱动系统的减速机构，最后给出了智能割草机器人机械本体的设计图纸。所设计的智能割草机器人本体结合实际需求，综合考虑了各方面因素，这对后期的传感系统设计、控制系统设计和路径规划算法研究提供了一个良好的平台。4 智能割草机器人传感系统设计传感系统是智能割草机器人感知外界环境信息的重要单元。要实现智能割草机器人的预定工作任务，需要为机器人提供工作环境和机器人自身状态等相关信息，为了保证工作区域内人和动物的安全，还采取对应的安全机制。所以，智能割草机器人传感系统所需要的传感器有:超声波传感器、红外传感器、人体热释传感器、接触传感器、温度传感器和旋转编码器。4.1超声波传感器超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，多由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波传感器用于测量智能割草机器人工作环境中障碍物的距离信息和地图构造等方面。但是，当障碍物与传感器距离较近时(小于30cm左右)，则超声波传感器不能接收回波信号，形成传感器的盲区，所以还应当结合其它的近距离传感器使用才能获得更全面的障碍物信息。另外，超声波会受到温度的影响，在应用时应当注意补偿。图4.1超声波传感器原理超声波传感多采用渡越时间法测量障碍物距离，如图4.1所示，为超声波传感器原理图，其中L表示被测物体与传感器的直线距离，t代表发射信号和回声的时间间隔。测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间t，再乘以超声波的速度C就得到二倍的声源与障碍物之间的距离L， 即L=Ct/2 (4.1) 其中C为声波在空气中的传播速度，单位msT为声波发射信号和回声的时间间隔，单位SL为被测物体与传感器的直线距离，单位m如图4.2所示，为所选用的URM37 V3.1型超声波传感器实物图。图4.2超声波传感器实物图4.2红外传感器红外传感器是一种比较有效的接近传感器，经常被使用在各种机器人系统上。红外传感器发射出的红外波长大约在几百纳米范围内，是短波长的电磁波。红外传感器不受电磁波、非噪声源的干扰、可实现非接触性测量。另外，红外线不受周围可见光的影响，可在昼夜进行测量。由于红外传感器对光的测量差异，受环境的影响非常大，物体的颜色、方向、周围的光线都能导致测量误差，所以在使用前需要进行多次实验，以确定不同物品的反馈信号波形。红外传感器测量范围较近，大致为30cm以内，可与超声波传感器结合使用，用于障碍物的测量。图4.3选择的红外传感器IRAS V3.0如图4.3所示，为选用的IRAS V3.0型红外传感器实物图，该型红外传感器大量采用贴片元件，极大地降低了传感器的外型尺寸，两个接收端公用一个红外信号发生端，可同时检测左右两个方向的障碍信息。4.3人体热释传感器热释电红外传感器是一种检测人或动物身体发射的红外线而输出电信号的传感器。热释电晶体己广泛用与红外谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，作为一种理想的探测器，它正在逐渐地应用到各种自动化控制装置中。图4.4人体热释传感器CT-418该类型传感器用于检测人体或动物的活动情况。在智能割草机器人执行割草任务时，需要特别注意到人体和动物的安全，因此还应当引入对活动物体特殊预警的机制。热释传感器能精确地捕捉到外界环境的温度变化，特别适合识别进入工作区域的人体及动物等的检测。本文选用了CT-418型人体热释传感器，当该传感器监测到周围温度有变化时，受热释电效应影响会在传感器内部的两个电极上产生电荷，即在两电极之间产生微弱的电压，经放大电路放大后，输出信号。CT-418的实物图如图4.4所示。4.4接触传感器接触传感器属于触觉传感器，一般成组使用，以阵列的形式设置于机器人周围。智能割草机器人在车身上应设置接触传感器组，当与物体发生碰撞时，用于发生中断信号，为控制系统提供信息。接触传感器的缺点是信号滞后，很难实现实时避障。在本文中，接触传感器均布于智能割草机器人的前端，用于碰撞感测。4.5温度传感器由于智能割草机器人工作在温度变化较大的户外环境，超声波传感器会受温度变化而与实际数值有偏差，因此，为了获得精确和稳定的采集数据，需要对温度进行测量，用以修正产生的误差。根据对温度信号的需求，智能割草机器人传感器温度补偿元件应尽量采用数字式温度传感器。智能割草机器人的研制通常供移动机器人用的温度传感器为DSl8820型数字温度传感器M， DSl8820型数字温度传感器，该传感器为三线系统，引脚分别为电源、信号输出和电源地。由于所选用的超声波传感器已经集成了DSl8820型温度传感器，故并在本文中没有采用单独的温度传感器。4.6旋转编码器旋转编码器是用来测量割草机器人驱动轮转速和割草刀盘转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是单组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。4.7传感器件在机器人车体上的分布如图4.5所示，为各传感元件在智能割草机器人车体上的分布图。超声波传感器(包括温度传感器DSl8820)位于智能割草机器人车体的前端，以割草电机轴线为圆心按照600的间隔分布，可刚好覆盖车体前端1200范围。红外传感器与超声波传感器配套使用，用于距离小于30cm的障碍物检测。受测距传感器位置的影响，在机器人车体侧档板的连接处的测距信号最为薄弱，因此在此成对的设置了接触传感器，当产生碰撞时会产生中断，为智能割草机器人提供障碍物信息。旋转编码期分别放置于机器人驱动轮内侧和割革电机输出端附近，可反馈各电机的运行速度。起安全保护的人体热释传感器放置于机器人车体上板视野开阔处，有效范围半径达7m。 超声波传感器，红外传感器，人体热释传感器件旋转编码器，接触传感器图4.5各传感元件在机器人车体上的分布图4.8本章小结本章涉及智能割草机器人传感系统的设计。传感系统用于获得智能割草机器人的环境信息和自身位置信息，也是确保机器人安全工作的重要部分。根据智能割草机器人工作时对传感信息的需求，在该部分对所选用的超声波传感器、红外传感器、人体热释传感器、温度传感器和旋转编码器等传感器件进行了详细的说明，最后给出了各传感器在机器人车体上的分布情况。5 智能割草机器人控制系统设计5.1电机驱动单元设计智能割草机器人的电机驱动单元，采用了4只ST大功率H桥集成芯片L298N，并且将每片芯片的2路并联成1路输出，使得驱动电流增加一倍，峰值电流最高可达4A。输出端可使用高速肖特基二极管做继流保护，驱动电源输入端采用大功率二集管为L298N作电源保护，以防电源反接而烧毁L298N芯片。5.2电机控制单元选择智能割草机器人的电机控制单元采用增强型的单片机开发板为核心，该板上附带有串口通讯模块、无线收发模块等相关扩展资源。在智能割草机器人系统中，单片机承担主要的控制任务，包括电机控制和路径规划等。在使用时，将该板的片上资源跳线短接，仅保留无线传输单元作为数据交换的通道，其他引脚如P1，P2等按照实际需求连接到电机驱动板J4端口的使能信号端口、控制信号输入端口。5.3传感系统信号处理单元设计由于智能割草机器人在运行时需要的信息相对较多，所以为各种传感器单独设置了处理器，用于对诸多传感器输出信号进行预处理，这样，仅对电机控制单元输入少量的信号即可实现智能割草机器人的控制。传感系统的预处理控制板(以下简称预处理板)是以AT89C51单片机开发板为基础设计，因此该板包含了单片机开发板中的相关片上资源，如数码管、小键盘、串口通讯模块、IIC总线接口存储器等。另外，还包含相关的传感器件接口，传感系统预处理板的详细电路原理图详见附录。在实际使用时，将该预处理板上单片机的输出引脚与电机控制单元相连即可。5.3.1超声波传感器驱动电路预处理板上的超声波传感电路如图5.7所示，该电路是遵照URM37系列早期产品设计的，因此还需要外接超声波发射和接受探头，并且没有温度补偿机制。当使用URM37 V3.1型超声波传感器时间，仅需要将URM37 V3.1的引脚1接+5V、引脚2接GND、引脚8接单片机P3.O引脚、引脚9接单片机P3.1引脚即可。 图5.2超声波传感器驱动电路5.3.2红外传感器驱动电路红外传感器的驱动电路如图5.3所示，该电路同样是为早期IRAS V1.0红外传感设计的，使用IRAS V3.0型红外传感器时，可将IRAS V3.0的引脚1接至单片机P1.2引脚，引脚2接和引脚3接至单片机的P1.3引脚和P1.4引脚。图5.3红外传感器驱动电路5.3.3人体热释传感器驱动电路人体热释传感器的驱动电路如图5.4所示，将输出端直接连至单片机的P3.7接口即可。另外，该端口还可用于驱动DSl8820(引脚类型与CT-418型人体热释传感器相同)型数字温度传感器，如果采用早期的超声波测距模块URM37 V1.1时，可用于温度补偿。图5.9人体热释传感器驱动电路5.3.4其他传感器件的驱动除上述传感器件外，智能割草机器人的传感系统还包括接触传感器和旋转编码器等(温度传感器已在超声波传感器中集成)。接触传感器为开关电路，仅一路输出，由于接触传感器触发的几率较小，因此并没有为其设计专用的接口，将接触传感器输出端直接接入单片机的即可。旋转编码器也采用类似的方法，直连于单片机上。5.4本章小结智能割草机器人的控制系统是智能割草机器人的核心部分。在控制系统的设计采用了模块化的思想，将控制系统划分为三个相对独立的单元，分别为:电机驱动单元、传感系统信号处理单元和电机控制单元。电机驱动单元用于驱动电机，传感系统信号处理单元用于接收各传感元件所采集的信息，并对此进行预处理，将复杂的环境变量转化为相对简洁的反馈信号传递给电机控制单元。电机控制单元依照特定的策略，结合传感系统信号处理单元的反馈信号，对电机驱动单元进行控制，以实现智能割草机器人的预定功能。6 智能割草机器人区域充满路径规划算法与传统的移动机器人点对点路径规划不同的是，智能割草机器人的工作特点要求机器人的运行轨迹能充满一整块区域，即完全覆盖所有无障碍的工作区间。因此需要对移动机器人的区域充满(也叫遍历区域)算法进行研究。这个任务的困难性在于机器人运行在非结构化空间内，环境具有多样性和可变性的特点。遍历规划方法不同于通常所说的点到点规划方法。遍历规划是在满足某种性能评价指标最优或者比较优的前提下寻找一条在设定区域内从始点到终点且经过所有可达点的连续路径，而点到点规划的目标是寻求一条从始点到终点的无碰撞最优路径。6.1割草路径规划 智能割草机器人路径规划的遍历策略是割草机设计中的一个重要环节，涉及到割草机割草的效率。合理的遍历策略可以使智能割草机器人在最短的时间内遍历整个割草区域。常用的割草策略主要有两种方式:直线运行方式和边界跟踪运行方式。两种覆盖区域方式如图6.1、图6.2所示。 图6.1直线运行方式 图6.2 边界跟踪运行方式采用直线运行时，转向处会有不可避免的重叠路径，使总的运行距离增加；采用边界跟踪的方式时，需要机器人不断地调整进行方向，容易带来误差。针对智能割草机器人以单片机为核心的控制器而言，需要智能割草机器人的运行轨迹尽量简单化和规范化。因此采取直线运行方式遍历子区间，在前向的电子篱笆传感器感应到边界后，割草机器人后退一小段距离，然后以一个轮子为中心，另一个轮子左转（或右转）180，完成掉头，然后继续前进，下次再碰到边界就向相反的方向旋转180，这样就可以做到区域的覆盖。6.2 割草边界区域的处理方法 割草机器人在区域的边角处行走是最容易出现问题的时候，不合理的行走策略可能导致割草机器人走出边界。所以要利用割草机器人现有的传感器去选择在区域边角的运行策略。经过实验发现，出现越界问题的情况主要有两种。 （1）割草机到达边界的一个角落，如图6.3。在这种情况下割草机器人传感器A4(或者A3)首先检测到边界L1的信息，根据直线运行方式就应该先后退再向左转（或向右转）。正常情况下走到这种角落时就应该是先检测到L1，然后后退一段距离，再向右方向转180。在转弯的过程中，由于L2的存在， A3就会感应到角落的另外一个边界L2，如果没有特别的策略，就会执行先后退一段距离，再向左转180的策略，这样就很容易走出边界，或者使控制变得混乱。要避免这种情况就需要在软件上做出改动，即在转弯过程中如果有其他传感器检测到边界，就说明已经到了另一个边界角落的位置。最好的处理方法就是原路回转过去，回到原位后再次左转180，开始从这个区域的顶端到另外一端的循环行走遍历。 图6.3边界情况一（2）割草机遇到了一个倾斜的边界，如图10。如果没有特殊的策略，A4检测到边界后，就执行转向的策略，这样就会有很大一片的前方区域（区域一）不能遍历到，所以就需要利用右边的A2去解决这个问题。在正常行走时，如果A2首先检测到了边界，则执行先后退、然后左拐一定的角度、最后前进的策略。智能割草机器人就会沿着这根斜线边界不断调整自己的角度前进，而不会漏掉这些区域，适用于边界不是很规则的草地。图6.4边界情况二6.3本章小结本章详细讨论了智能割草机器人的区域充满路径的规划问题。首先，提出了区域充满检测的标准和区域模型的简化方法，然后以此为基础对子区域的遍历展开研究，最后将遍历问题扩大至整个工作区间，最后给出了智能割草机器人工作流程图。这对研究移动机器人的区域填充问题能起到一定的积极意义。7 结论本文分析了智能割草机器人的实际需求，结合现有智能割草机器人产品发展现状，提出了结构简单、成本经济的智能割草机器人方案。在户外移动机器人运动学和动力学分析的基础上，进行了智能割草机器人机械本体设计。根据智能割草机器人工作环境特点，选择了合适的传感器件，设计了智能割草机器人控制系统。最后，本文得到的主要结论如下:(1)以移动机器人的运动学和动力学模型为数学基础，结合自动割草任务的实际需求，设计了智能割草机器人的机械本体，该机械本体大量采用