模擬電子下割草機器人自適應系統(tǒng)設計

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摘要:針對割草機器人自適應性能和自動避障性能較差的問題，基于模擬電子技術對割草機器人的自適應系統(tǒng)進行設計。割草機器人采用模塊化結構設計，主要組成包括單片機控制模塊、機器人本體、傳感器模塊、電機驅動模塊、電源模塊和無線遙控模塊。為提升割草機器人的自適應能力，并且能夠識別障礙物和作業(yè)邊界，對其進行動力學控制和邊界識別方法設計，包括采用PID控制器對行駛過程進行控制、采用超聲波傳感器和電子籬笆傳感器對障礙物和邊界識別。為驗證割草機器人性能，對其進行障礙物、邊界檢測和割草試驗，結果表明:割草機器人能夠達到對障礙物和邊界檢測的要求，且割草效果良好。

關鍵詞:割草機器人;自適應系統(tǒng);模擬電子;障礙物和邊界識別;動力學控制;PID控制器

0引言

隨著我國經濟的發(fā)展和城市化進程的加快，城市綠化面積逐年增加，而草坪是其中最主要的綠化方式。為了保持這些草坪的美觀和生長高度，需要投入大量的人力物力對草坪進行維護，且最為繁重的工作是草坪的修剪，工作重復性很強，造成人力成本的增加［1］。為了降低勞動成本，西方國家提出采用智能割草機器人進行草坪的修剪。智能割草機器人集成了機械設計、行為控制和傳感器等技術，具有環(huán)境感知、路徑規(guī)劃和運動控制等功能，是能夠自動割草的機器人設備［2］。與傳統(tǒng)的割草機相比，其具有自動化和智能化程度較高、能耗較低和噪聲低等優(yōu)點，但是仍然存在無法根據地形調整作業(yè)狀態(tài)和自動避障性能較差等問題。自適應系統(tǒng)通過采集被控對象的信息調整自身特性，以適應被控對象變化，從而產生自適應規(guī)律，使系統(tǒng)保持最優(yōu)運行狀態(tài)的系統(tǒng)［3］，具有適應復雜環(huán)境的特點。目前，自適應系統(tǒng)主要包括模糊自適應控制、增益自適應控制等方式，且已經在機器人、電力等領域具有較為廣泛的應用，但目前還未在割草機器人中得到應用。模擬電子技術是模擬電子運行過程的一種設備，一般將其與超聲波傳感器聯(lián)合應用于機器人的自適應系統(tǒng)，以實現(xiàn)作業(yè)過程中的避障作業(yè)。因此，可以考慮將自適應系統(tǒng)和模擬電子技術應用于割草機器人，以提升其狀態(tài)控制和避障能力。

1硬件設計

1．1總體設計

割草機器人采用模塊化結構設計，主要包括單片機控制模塊、機器人本體、傳感器模塊、電機驅動模塊、電源模塊和無線遙控模塊，如圖1所示。

1．2單片機控制模塊

單片機控制模塊是割草機器人的核心控制模塊，用于對機器人的整體進行控制，包括作業(yè)過程信息采集、處理和指令下達，直到完成整個作業(yè)過程。為了實現(xiàn)割草機的控制功能，單片機選擇STC12c5410AD型號，主頻最高可達40MHz，共設計有8路輸入信號，可以滿足作業(yè)過程中模擬信號的輸入要求。

1．3機器人本體

機器人本體主要包括割草機器人車體和割草機構兩大部分，設計原則是保證機器人作業(yè)過程中的安全性、可靠性和靈活性。對機器人車體的設計，主要包括兩方面:一是確定其運動方式;二是確定其驅動方式?？紤]到大面積草坪一般較為平整，工作條件相對較好，運動方式確定為輪式運動方式。為了保證機器人的靈活性和自適應程度，車輪采用三輪的差動驅動方式，即前方設置萬向輪起導向作用，后方為兩個同軸的驅動輪，分別安裝1個驅動電機，以調節(jié)轉速并控制轉向。在輪軸中央設置旋轉編碼器，及時地采集機器人位置信息，傳遞至單片機［4－5］。割草機構簡圖如圖2所示。在割草機構電機外部設計有割草機構電機外套，以增加電機運行過程熱量的散發(fā);割草刀片可上下調節(jié)，以適應不同高度的草坪，同時刀片可以從反方向彈開，防止割草過程中觸碰物體導致刀片斷裂的情況出現(xiàn)。

1．4傳感器模塊

傳感器模塊一方面用于檢測機器人作業(yè)過程周圍的障礙物信息，以及時地判斷潛在危險并躲避;另一方面用于采集自身位置和周圍環(huán)境信息，以對割草區(qū)域進行全區(qū)域路徑覆蓋規(guī)劃［6］。傳感器模塊主要包括紅外傳感器、超聲波傳感器、人體釋熱傳感器、接觸傳感器和電子籬笆傳感器等。其中，電子籬笆傳感器是最為重要的傳感器之一，通過感應電子籬笆發(fā)出的脈沖信號，產生感應電流，以確定機器人是否到達邊界區(qū)域附近。電子籬笆的檢測電路如圖3所示。

1．5電機驅動模塊

電機驅動模塊主要用于對機器人實現(xiàn)行駛和割草的智能控制。通過傳感器模塊接收到機器人作業(yè)和周圍環(huán)境信息，實時傳遞給單片機模塊，經處理分析后向電機驅動模塊下達命令，控制機器人進行割草作業(yè)，從而實現(xiàn)機器人的智能控制。該模塊主要包括行動電機驅動和割草機構電機驅動。工作時，根據機器人的行動要求，行動電機驅動模塊又分為左驅動和右驅動，分別用于控制左右輪的電機，進而控制轉向和行駛速度;割草機構電機則用于控制割草機構，進而控制割草速度。

1．6電源模塊

電源模塊主要用于為機器人的正常作業(yè)提供電量，采用18V電源進行供電，但由于各模塊所需電壓不同，根據需要采用不同穩(wěn)壓片來獲取不同的電壓。割草機器人所有模塊共包含兩種電壓，分別為3V和5V，，穩(wěn)壓片分別選擇為LM2576－5和AMS1117－3．3，兩種電壓的電源轉換電路相同，如圖4所示。

1．7無線遙控接收模塊

無線遙控接收模塊可根據需要進行安裝，一般采用無線傳感網進行信號的接收和發(fā)送，以保證對割草機器人的遠程操控和監(jiān)控。

2動力學控制和邊界識別設計

割草機器人的智能化控制主要體現(xiàn)在其割草行為具有一定的功能性、分布性和自適應的特點，并且能夠智能識別障礙物以及作業(yè)邊界區(qū)域，因此需要對割草機器人的動力學控制和邊界識別方法進行設計。

2．1動力學控制設計

割草機器人在作業(yè)過程中的行駛軌跡圖如圖5所示。首先，需要確定割草機器人的運動方程，將左右輪的編碼器數值作為參數，結合行駛軌跡進行確定。機器人的運動方程為其中，(x0，y0)為機器人作業(yè)的初始位置;(xs，ys)為s時刻時機器人的位置;θ0為機器人作業(yè)初始航向角;θs為s時刻機器人的航向角;DSA和DSB分別為左輪和右輪由起始位置至s時刻位置距離;l為機器人兩輪之間寬度。將編碼器相關信息帶入運動方程可得到以下方程，即其中，DA和DB分別為左輪和右輪用脈沖值表示的行駛距離;N為在s時間內的脈沖數量;m為齒輪的轉速比;NA和NB分別為左輪和右輪的編碼器脈沖數量。由于割草機器人在運動過程中的差動模型為非線性系統(tǒng)模型［7］，采用PID控制器對其進行分段線性控制，以實現(xiàn)對其速度和位置的控制［8］。分段控制器的設計模型如圖6所示。該控制器的參數為Kp、Ki和Kd。其中Kp為比例調節(jié)增益，用于保證系統(tǒng)的相應速率;Ki為積分調節(jié)增益，用于減小調節(jié)過程的誤差;Kd為微分調節(jié)增益，用于對系統(tǒng)進行超前調節(jié)。該PID調節(jié)器為數字增量式，符合以下要求，即

2．2邊界識別方法設計

割草機器人在作業(yè)過程中，需要進行障礙物和割草邊界識別。其中，障礙物識別通過超聲波傳感器進行識別，一旦檢測到障礙物，即調整行駛方向進行躲避;割草邊界識別則是在邊界設置電子籬笆，利用電磁感應原理進行識別。在邊界外圍電路中，阻抗的大小與割草機器人至邊界的距離有關，則其中，L為割草機器人內部線圈長度;C為常數;R為機器人內部線圈電阻;R(d)和L(d)為機器人與割草邊界的距離函數。通過以上方法可以對割草機器人進行動力學控制，在作業(yè)過程中能夠識別障礙物，調整行駛方向，還可以識別邊界區(qū)域，使機器人在邊界區(qū)域附近或者較遠處作業(yè)。

3試驗結果

本文主要對割草機器人的動力學控制方法和邊界識別方法進行設計，主要進行以下兩個試驗:一是障礙物和邊界檢測試驗;二是割草試驗。

3．1障礙物和邊界檢測試驗

將割草機器人放置于一片空地，在其前方將1塊5cm×5cm的塑料板在機器人前方移動。一般超聲波傳感器的檢測范圍為距離障礙物5m，左右邊線夾角60°范圍;電子籬笆傳感器檢測范圍為距離障礙物30m。開啟割草機器人，將塑料板在機器人前方1、2、3、4m范圍左右移動，分別由超聲波傳感器和電子籬笆傳感器測量障礙物距離。為保證測量結果的準確性，每個距離測量3次，取平均值，結果如表1所示。由表1可知，超聲波傳感器和電子籬笆傳感器的距離測量誤差均在0．3%以下，測量結果重復性較好，可以滿足割草機器人對于障礙物和邊界檢測的要求。

3．2割草試驗

選擇1片20m×20m的草坪區(qū)域，將割草機器人在草坪進行割草試驗。草坪總面積為400m2，設定割草機器人的行駛速度為0．28m/s，開啟機器人進行割草作業(yè)，試驗結果如表2所示。由表2可知，割草機器人能夠進行草坪全區(qū)域覆蓋的割草，覆蓋率為87%，割草效率為330m2/h。在割草過程中，設備運行狀況良好，且沒有出現(xiàn)越界行為，符合割草機器人的設計要求。

4結論

1)針對割草機器人自適應性能和自動避障性能較差的問題，基于模擬電子技術對割草機器人的自適應系統(tǒng)進行設計。割草機器人采用模塊化結構設計，主要組成包括單片機控制模塊、機器人本體、傳感器模塊、電機驅動模塊、電源模塊和無線遙控模塊。2)為提升割草機器人的自適應能力，且能夠識別障礙物和作業(yè)邊界，對其進行動力學控制和邊界識別方法設計，包括采用PID控制器對行駛過程進行控制，采用超聲波傳感器和電子籬笆傳感器對障礙物和邊界進行識別。3)為驗證割草機器人性能，對其進行障礙物、邊界檢測和割草試驗，結果表明:割草機器人能夠達到對障礙物和邊界檢測的要求，且割草效果良好。

作者:李娟 秦芳 單位:河北傳媒學院