一種小型智能割草機器人的設(shè)計與實現(xiàn)

高　飛，丁學(xué)明，李　鍵

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院, 上海 200093)

隨著人們健康理念的形成，園林綠化建設(shè)的地位日益提高。如何高效推進綠化養(yǎng)護成為一個重要研究課題[1]。傳統(tǒng)割草機污染高、能耗高、噪音大、需要額外的人力、物力、財力且具有一定安全隱患[1]。而割草機器人無需人工干預(yù)，可自動工作和回充，具有低噪音、能耗少且環(huán)保的優(yōu)點，因此割草機器人的應(yīng)用越來越廣泛，受到國內(nèi)外研究人員的普遍關(guān)注[2]。

智能割草機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)割草機，需保證機器人在特定區(qū)域內(nèi)進行高效率自動工作。目前，對于識別特定區(qū)域和路徑規(guī)劃已推出多種方案。例如，文獻[3～6]中均采用圖像處理的方式來識別邊界線和區(qū)域內(nèi)的各種物體信息，但戶外光線變化嚴重，且環(huán)境較復(fù)雜，需大量數(shù)據(jù)確保其準確性。文獻[7～8]中通過GPS定位系統(tǒng)定位機器人的位置，可識別特定區(qū)域并做出較好的路徑規(guī)劃，但精度不準確，且價格高昂，不適合家用式小型割草機器人。

本文運用電子圍欄線圈定特定區(qū)域，通過電磁感應(yīng)原理識別邊界線，根據(jù)傳感器檢測數(shù)據(jù)分析識別機器人周邊的環(huán)境特征，綜合分析來控制機器人執(zhí)行相應(yīng)的動作完成草地修整養(yǎng)護工作。設(shè)計了自主回充實現(xiàn)預(yù)約模式的多次工作，解決了割草機器人無法在斜坡上直線行進的問題，并設(shè)計實現(xiàn)了一種自主尋草算法，提高了機器人的割草效率。

1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

智能割草機器人主要由控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和人機交互系統(tǒng)五部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　智能割草機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1　控制系統(tǒng)

主控芯片采用意法半導(dǎo)體公司的32位ARM的Coterx-M3內(nèi)核的STM32F103ZET6芯片，由文獻[9]可知，該芯片最高主頻為72 MHz，具有512 kB ROM和64 kB RAM空間，具有3個12位的ADC轉(zhuǎn)換器，包含21個通道，高達11個定時器，并具有2個I2C接口，5個USART接口，3個SPI接口，資源充足。

1.2　動力系統(tǒng)

行動電機和割草電機均使用無刷直流電機，文獻[10～14]中說明其優(yōu)點在于：(1)采用電子換相器代替電刷，壽命將遠遠高于有刷直流電機；(2)調(diào)速性能好，可以替代有刷直流電機；(3)無刷直流電機避免使用電刷，噪音明顯小于有刷電機；(4)效率高，割草機器人使用續(xù)航更持久；(5)更加可靠穩(wěn)定。

1.3　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

采用電子圍欄線圈定工作區(qū)域作為邊界，通過電磁感應(yīng)原理檢測機器人與邊界線的距離來識別邊界[2]。這是目前智能割草機最常見的識別邊界方案。圍界檢測傳感器采用自制感應(yīng)線圈結(jié)合檢測電路獲取邊界線中導(dǎo)線交變電流產(chǎn)生的磁場信號，具體電路如圖2所示。電感線圈通過感應(yīng)邊界線中交變電流產(chǎn)生的磁場得到感應(yīng)電動勢，并經(jīng)過圖2中的反向放大器得到正確相序的信號，然后主控板對信號進行濾波和放大，將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電壓信號，通過A/D采樣得到感應(yīng)電動勢的大小，從而判斷機器人與邊界線的距離大小。

圖2　圍界檢測電路

MPU6050陀螺儀6軸加速度傳感器模塊測量3軸加速度和3軸角速度，利用四元素法計算機器的偏航角、俯仰角和翻滾角，通過三角變換得到機器人的傾斜角度以及地形坡度等信息。

此外，由國際現(xiàn)行割草機器人安全標準 (IEC 60335-2-107-2012)[15]知，障礙物傳感器和提升傳感器是割草機器人必備的檢測元件，本文采用霍爾傳感器的工作原理，獲取機器人的碰撞狀態(tài)信息和提升狀態(tài)信息，傳輸給主控系統(tǒng)進行分析處理。

1.4　通信系統(tǒng)

割草機器人與充電站采用433 MHz無線傳輸模塊進行通信。該定制模塊通信距離在空曠地帶可達到1 km，采用USART通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互。具體通信協(xié)議如表1和表2所示。

表1　機器人發(fā)送數(shù)據(jù)

表2　充電站發(fā)送數(shù)據(jù)

如表1和表2所示，機器人啟動時，傳輸?shù)谝唤M數(shù)據(jù)幀到充電站，充電站收到正確的數(shù)據(jù)幀后，將返回第一組數(shù)據(jù)幀給割草機器人，割草機器人收到準確數(shù)據(jù)幀后開始工作。若充電站出現(xiàn)邊界線斷開或充電站斷電，則傳輸對應(yīng)的第2、3組數(shù)據(jù)幀到割草機器人，割草機器人接收到數(shù)據(jù)幀后立刻剎車停機，避免機器離開邊界線出現(xiàn)安全事故。

1.5　人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)包括兩種方式，一種是通過矩陣按鍵輸入指令，并顯示到12864液晶顯示屏；一種是手機APP通過藍牙模塊發(fā)送指令到割草機器人，并在APP上顯示已設(shè)置的相關(guān)狀態(tài)。

2　邊界檢測及環(huán)境識別

2.1　邊界檢測

奧斯特實驗表明在通電長直導(dǎo)線周圍會形成一個圓形的磁場。垂直于導(dǎo)線的平面上，安裝一對垂直和水平方向的線圈，即可感應(yīng)到通電導(dǎo)線周圍電磁場垂直和水平方向的分量。機器平臺平面會高于地面距離固定值R，故磁場分量圖如圖3所示。

圖3　磁場分量

(1)

產(chǎn)生的電磁場水平方向和垂直方向的分量的大小分別為

(2)

(3)

由式(2)和式(3)可知，水平方向分量隨著機器人與導(dǎo)線距離r的增大而變小，垂直方向分量和機器人與導(dǎo)線的距離r的關(guān)系相對復(fù)雜，隨距離r從0變?yōu)闊o窮大，垂直分量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。因此采用機器人平面內(nèi)垂直和水平兩個線圈檢測磁場，具體電感線圈擺放位置如圖4所示，A1、A2、A3和A4為與水平面平行的機器人平臺所處平面上放置的4個線圈。

圖4　圍界檢測傳感器擺放位置

導(dǎo)線中通過交變電流時，導(dǎo)線周圍的磁場將發(fā)生變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由法拉第電磁感應(yīng)定律知，電路中感應(yīng)電動勢大小與穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。具體關(guān)系為

(4)

式(4)中，N為線圈匝數(shù)；S為磁通量橫截面積。由式(4)可知，感應(yīng)電動勢與導(dǎo)線中的電流變化率和距離有關(guān)系，通電電流已知，通過檢測感應(yīng)電動勢的大小即可計算割草機器人與邊界線的距離關(guān)系。

2.2　環(huán)境感知與識別

環(huán)境感知與識別是機器人行動的關(guān)鍵，機器人工作中將遇到多種復(fù)雜區(qū)域，例如直角區(qū)域、銳角區(qū)域、1 m寬長通道區(qū)域和1 m寬偽長通道區(qū)域等。機器人工作中將從不同的角度與邊界線相遇，當(dāng)電感線圈與邊界線形成一定的角度θ，感應(yīng)電動勢將會與垂直于邊界線情況下的感應(yīng)電動勢形成三角變換關(guān)系，通過反三角計算即可得出角度θ。

(1)直角區(qū)域的感應(yīng)電動勢大小如圖5所示。

圖5　直角區(qū)域的感應(yīng)電動勢

圖5中，EA1、EA2、EA2和EA4分別代表線圈A1、A2、A3和A4檢測到感應(yīng)電動勢大小和方向，通過反三角變換可知

(5)

(6)

通過θ1和θ2可得出此區(qū)域為直角區(qū)域或銳角區(qū)域，機器人執(zhí)行相應(yīng)的動作迅速離開此區(qū)域，避免長時間工作在此區(qū)域，降低工作效率以及損傷草皮。

(2)在1 m寬長通道區(qū)域和偽長通道區(qū)域，若機器人右側(cè)線圈檢測到邊界線，則左側(cè)的感應(yīng)電動勢會偏小，機器人會判斷為長直導(dǎo)線，繼續(xù)向前工作。判斷多次遇到邊界的相遇角度、間隔時間和總時間等特征，可區(qū)分長直導(dǎo)線區(qū)域、1 m寬偽長通道區(qū)域和1 m寬長通道區(qū)域。若為1 m寬長通道區(qū)域，則直接通過通道區(qū)域，完成多塊區(qū)域的工作任務(wù)；若為1 m寬偽通道區(qū)域，機器遇到邊界線的狀態(tài)和時間上與長通道區(qū)域的數(shù)據(jù)會明顯不同，以此來區(qū)分兩者，從而執(zhí)行不同的行為動作，保證機器迅速切換置其他區(qū)域繼續(xù)工作。

3　關(guān)鍵算法與技術(shù)

3.1　自主巡線回充

傳統(tǒng)的割草機電量不足時，需用戶自行更換蓄電池，損耗工作時間，且增加人工操作時間。本文設(shè)計自主巡線回充方案，通過跟蹤邊界線回到充電站進行充電，充電完畢再次進入?yún)^(qū)域割草，以此實現(xiàn)預(yù)約模式工作，減少人工操作，并提高了機器人割草效率。而電感線圈測量邊界線信號的強弱與相隔距離以及高度的關(guān)系如圖7所示。

圖7　圍界傳感器檢測信號值與距離和高度的關(guān)系

圖7中，隨著距離的增加，圍界信號傳感器檢測值逐漸減弱，距離較近和較遠的時候，幾乎無變化。隨著高度的增加，信號逐級遞減。因此在位置式PID控制下，機器人會在圍界線上頻繁擺動，在直角彎道等復(fù)雜區(qū)域，則會出現(xiàn)大幅度的機身擺動。而在擺動超過±4CM的情況下，則會造成機器人無法準確對接上充電站，從而充電失敗的情況。故提出積分分離式PID算法控制割草機器人跟蹤邊界線信號，減小割草機器人機身的擺動。積分分離式PID控制算法為

(7)

式(7)中，積分項的開關(guān)系數(shù)β為

(8)

實際測試巡線中，機器人巡線通過直角彎道和加入人為干擾工作曲線圖如圖8所示，11 s時進入直角彎道，28 s時加入人為干擾。

圖8　巡線回充曲線

圖8中，11 s時機器進入直角彎道，經(jīng)過4 s的調(diào)節(jié)時間，機器人穩(wěn)定下來，巡線偏差數(shù)據(jù)在計數(shù)±200內(nèi)波動，根據(jù)圖7所示，在高度1 cm、距離0 cm條件下，機器人檢測的偏差數(shù)據(jù)在距圍界中心線±2 cm內(nèi)的波動值為±100。巡線過程以兩組圍界檢測傳感器檢測值的和作為輸入偏差，故采集巡線偏差數(shù)據(jù)會加倍，因此推斷機器人穩(wěn)定時距離圍界中心線的波動在±2 cm內(nèi)，而實際測試效果顯示割草機器人的擺動幅度在±2 cm內(nèi)，機器人幾乎無擺動。28 s時，人為添加干擾力，使機器人頭部偏離邊界線約15 cm，如圖8所示，機器人迅速進行調(diào)節(jié)，并在3 s內(nèi)穩(wěn)定下來，達到穩(wěn)定巡線的目的，保證割草機器人準確無誤的進入充電站對接上充電片，進入充電狀態(tài)。充電完畢之后，若未工作完畢，則機器人再次進入工作區(qū)域內(nèi)進行割草工作。多次往復(fù)，實現(xiàn)割草機器人的預(yù)約模式，減少了人工操作的次數(shù)。

3.2　坡度補償

本文設(shè)計的割草機器人為四輪機器人，包括兩個行動大輪和兩個萬向輪。由于萬向輪無法固定其行進方向，而機器人的重力分量作用導(dǎo)致機器人在上坡過程無法直線行進，反而呈現(xiàn)曲線運動的軌跡，從而無法越過20°的斜坡，最終無法對20°坡度的斜坡上的草地進行整修養(yǎng)護。因此，提出一種坡度補償?shù)乃惴?，使機器人在上坡過程保持直線行進，從而完成斜坡上的割草工作。

為了測試坡度補償算法的有效性，搭建了坡度為20°的斜坡平臺，坡的高度為90 cm，斜坡平臺分為坡下水平面、坡中、坡上水平面，其中坡上水平面比坡下水平面高90 cm。在斜坡平面上測試曲線圖如圖9所示。

圖9　坡度未補償和補償后的偏航角曲線圖

坡度補償算法基本思想：機器人工作到坡度6°以下則無需進行坡度補償，基本無曲線偏移；工作在坡度為6°以上的地形時，開始坡度補償，記錄此時偏航角，采用位置式PID算法控制機器人跟蹤當(dāng)前偏航角，保證機器人始終沿當(dāng)前偏航角前行，以此控制機器人在20°以下坡度地形上直線前進，從而越過坡度地形，達到坡度補償?shù)男Ч?/p>

圖9(a)在未加入坡度補償算法情況下，機器人前5 s處于坡下水平面，5～13 s處于20°坡中，13～15 s處于坡上水平面。5～7 s作為濾波環(huán)節(jié)，確認機器人處于高于6°的坡上，實際上機器人已經(jīng)進入坡中，故測量偏航角呈現(xiàn)一定的上升趨勢。7 s時，檢測機器在坡中，此時機器人由于重力原因，開始呈曲線形式下滑，測量偏航角從-20°直線下降到近-80°，在下滑到坡下水平面時，解除坡度補償狀態(tài)，參考偏航角歸零?？梢钥闯觯瑱C器在未加入坡度補償算法時，完全無法越過20°的坡度地形。

在同樣條件下，圖9(b)加入坡度補償算法后，機器前4.5 s處于坡下水平面，4.5～13 s處于20°坡中，13～15 s處于坡上水平面。從圖中可以看出，在5.8 s確認機器進入坡中后，機器人在2 s內(nèi)迅速調(diào)節(jié)機器偏航角達到參考偏航角，在坡中偏航角最大誤差約為2°，穩(wěn)定后誤差在1°以內(nèi)，基本無誤差。由于坡度平面與坡上水平面相接處未做機械緩沖處理，在13 s機器解除坡度補償狀態(tài)后，機器人機身會存在一定抖動，故測量偏航角數(shù)據(jù)存在一定的波動，在進入坡上水平面后，數(shù)據(jù)迅速穩(wěn)定下來。由此驗證了坡度補償算法的有效性。

3.3　自主尋草

割草機器人工作中常采用遇邊界線后隨機轉(zhuǎn)彎行走的方式進行草皮整修工作，機器人行走路線雜亂無章，導(dǎo)致工作效率不高。本文根據(jù)割草電機遇草后，阻力變大，割草電流變大的原理，提出一種自主尋草的算法來提高割草效率。自主尋草算法流程圖如圖10所示。

圖10　自主尋草算法流程圖

算法主要思想：機器人定時采樣3個割草電機的電流值，將其分別進行閾值二值化，從而控制機器人的轉(zhuǎn)彎方向，若只有左側(cè)割草電機電流超過閾值，則左轉(zhuǎn)彎；若只有右側(cè)割草電機電流超過閾值，則右轉(zhuǎn)彎；若左右割草電機電流均超過閾值，則直行，不進行轉(zhuǎn)向動作。根據(jù)3個電機校準過后的電流大小，調(diào)整其轉(zhuǎn)彎的角度大小，電流偏差越大，轉(zhuǎn)彎角度越大；電流偏差越小，轉(zhuǎn)彎角度越小，以此實現(xiàn)機器人自主尋草。實際草地測試效果顯著，明顯提升了機器人的割草工作效率。

4　結(jié)束語

本文設(shè)計的智能割草機器人以國際現(xiàn)行割草機器人安全規(guī)格檢測標準制作。針對調(diào)試機器人中遇到的問題，提出了自主巡線回充算法、斜坡補償算法和自主尋草算法。實現(xiàn)了無人工干預(yù)的預(yù)約工作模式，解決了機器人在20°斜坡上無法直行割草的問題，設(shè)計實現(xiàn)了一種自主尋草算法，提升了割草機器人的效率。經(jīng)過大量實地測試，割草機器人能準確識別各種復(fù)雜地形，并能穩(wěn)定可靠完成預(yù)約和自主回充模式的工作，在20°角度以下的坡度上均能直行割草工作。同時具備各種安全報警機制確保人身安全，系統(tǒng)具有功能多、成本低、效率高和安全等級高等優(yōu)點。

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