基于5G網(wǎng)絡(luò)下的全智能草坪修剪機器人設(shè)計

宋小飛　姚登銀　王巍巍

摘?要：本設(shè)計包括智能草坪修剪機器人、草坪修剪機無線充電系統(tǒng)、光伏充電系統(tǒng)、光伏雙軸追蹤系統(tǒng)、5G網(wǎng)絡(luò)下智能控制系統(tǒng)以及全新機械設(shè)計。結(jié)合微信小程序開發(fā)和GPS精確定位實現(xiàn)遠程控制。

關(guān)鍵詞：草坪修剪機機器人;單片機;無線充電;光伏追蹤;光伏雙軸;5G網(wǎng)絡(luò);微信小程序;GPS定位;GSM網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)

目前隨著5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將更加快速，車輛無人駕駛識別將更加精確，遠程手術(shù)也更有了保障，在此給大家介紹一款基于5G網(wǎng)絡(luò)下的全智能草坪修剪機設(shè)計。隨著城市面積增大，同時城市綠化地帶也增大，草坪修剪也需要更多勞動力，這款全智能草坪修剪機將解決一切問題草坪的問題。

1 全智能草坪修剪機組成系統(tǒng)

該全智能草坪修剪機分為電路系統(tǒng)和機械系統(tǒng)兩部分。電路控制是以單片機為控制中心，GSM網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)對接，微信小程序可以通過網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)進行通信控制，GSM網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)實現(xiàn)定位，使草坪修剪機精確的在指定地點工作。

1.1 智能草坪修剪機的手動模式功能

本功能模塊：無線通訊模塊、單片機控制模塊、手機或遙控器可視化操作界面、超聲波避障模塊、電機驅(qū)動模塊。

園藝師通過微信小程序或遙控器可視化操作界面下達指令，無線通訊模塊將接收到的指令送到單片機控制系統(tǒng)，然后在電機驅(qū)動模塊端輸入相應(yīng)的數(shù)字信號，導(dǎo)致兩組電機工作情況出現(xiàn)變化，實現(xiàn)了智能草坪修剪機前后左右行駛方向的變化，當(dāng)智能草坪修剪機遇到障礙物20厘米時，對前面實際情況進行360°全方位掃描進行判斷，然后單片機控制系統(tǒng)下達相應(yīng)的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)指令，進行障礙物的避讓，在避障命令執(zhí)行過程中遙控器的中斷指令級別是低于避障中斷命令級別的。

1.2 智能草坪修剪機的自駕模式功能

本功能模塊：無線通訊模塊、單片機控制模塊、手機或遙控器可視化操作界面、高精度GPS進行定位模塊、超聲波避障模塊、電機驅(qū)動模塊、舵機。

自駕模式1：在自駕模式開啟之前先確定一塊矩形草地，然后大概了解下這塊草地的長度和寬度，然后在手機或遙控器可視化操作面輸入相應(yīng)的長度和寬度，此時手機或遙控器將信號發(fā)送到智能草坪修剪機的單片機控制系統(tǒng)，對信號進行計算。獲取三個結(jié)果，一個是修建這塊草地所需要的時間T0，這個T0會在手機或遙控器可視化操作界面顯示出來;還有就是修建這款草地直行的時間T1，作為智能草坪修剪機直行時延時函數(shù)所需的時間;還有就是結(jié)合智能草坪修剪機的大小參數(shù)計算出智能草坪修剪機轉(zhuǎn)彎周期數(shù)K0作為編程參數(shù)的比較量，當(dāng)累加器函數(shù)檢測到智能草坪修剪機實際自駕過程中轉(zhuǎn)彎周期數(shù)k與K0相等時，自駕工作任務(wù)完成，跳出任務(wù)返回?zé)o線充電平臺，在這個過程中GPS定位模塊起到智能草坪修剪機自駕過程中的路徑修正作用，保證智能草坪修剪機在走直線，同時起到監(jiān)視的作用，在手機或遙控器可視化操作界面的地圖中能看到智能草坪修剪機所在的位置是否離開工作地點。

自駕模式2：通過微信小程序通過GPS探測草坪大概形狀，然后在微信小程序中劃定草坪范圍，智能草坪修剪機將在指定的范圍類通過灰度傳感器和超聲波傳感器進行探測對草坪修剪，到手機定位到草坪修剪機離開指定范圍是自動給智能草坪修剪機發(fā)出信號，破勢智能草坪修剪機回到指定范圍，當(dāng)灰度傳感識別到綠色超聲波傳感器檢測草的高度對草地進行修剪，其他紅外線超聲波傳感器作為避障做起到白虎作用，當(dāng)掃完整個指定范圍是任務(wù)完成，自動回到無線充電平臺。

1.3 智能草坪修剪機的一鍵返航功能

本功能模塊：無線通訊模塊、單片機控制模塊、手機或遙控器可視化操作界面、高精度GPS定位模塊、超聲波避障模塊、電機驅(qū)動模塊。

一鍵返航一般有兩種情況，但無論哪種情況，一鍵返航都是回到無線充電平臺。一種是操作者在手機或遙控器可視化操作界面一鍵返航回到無線充電平臺;另一種是當(dāng)智能草坪修剪機中的電能監(jiān)測電路模塊檢測到蓄電池電量不足時和完成草坪修剪任務(wù)時，將信號反饋到智能草坪修剪機單片機控制系統(tǒng)自身發(fā)起的一鍵返航指令。在一鍵返航命令執(zhí)行的過程中，智能草坪修剪機走的是最短徑，次過程中可能遇到障礙物，超聲波避障模塊起到筆避障的作用，其工作過程與上述避障工作過程一樣，而GPS高精度定位模塊起到導(dǎo)航的作用。

1.4 無線充電平臺系統(tǒng)

本功能模塊：由單片機最小系統(tǒng)、無線充電發(fā)射模塊、無線充電接收模塊、無線充電線圈、GPS高精度定位模塊、智能草坪修剪機感應(yīng)模塊。

無線充電的核心技術(shù)是磁耦合諧振式無線充電原理。當(dāng)智能草坪修剪機回到無線充電平臺時，蓄電池中儲存的電能或光伏電池發(fā)出的電能有直流轉(zhuǎn)換成一定要求的交流電送到發(fā)射線圈端電路，發(fā)射線圈會產(chǎn)生一定規(guī)律變化的磁場，接收線圈會感應(yīng)到同規(guī)律變化的交流電，該交流電通過整流電路轉(zhuǎn)換成直流電儲存在智能草坪修剪機的蓄電池中。發(fā)射線圈和接收線圈是由兩個可以發(fā)生共振的LC諧振電路組成，通過設(shè)計兩線圈的物理參數(shù)，使得兩線圈的固有頻率相同。發(fā)射線圈和接收線圈所在的電路中，電感線圈的材料常常是銅，線圈形狀通常是平面螺旋結(jié)構(gòu)，電容的形成主要有兩種方式，一是電路寄生電容，二是通過匹配得到適合的外接補償電容。發(fā)射線圈不斷向接受線圈發(fā)射能，當(dāng)智能草坪修剪機中電能監(jiān)測電路模塊會監(jiān)測蓄電池的充電量，當(dāng)達到相應(yīng)的電池電容量會切斷接收線圈，蓄電池將不會充電。單片機最小系統(tǒng)、GPS高精度定位模塊、構(gòu)成了一個定位系統(tǒng)。目的在于讓智能草坪修剪找到無限充電平臺的位置。

1.5 光伏雙軸追蹤發(fā)電系統(tǒng)

本系統(tǒng)電路模塊：單片機最小系統(tǒng)、步進電機驅(qū)動模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、光線采集電路模塊、充電穩(wěn)壓模塊、電能儲存系統(tǒng)、電壓實時跟蹤顯示系統(tǒng)、單晶硅高效太陽能電池組件。

光伏雙軸追蹤發(fā)電系統(tǒng)由兩部分組成，光伏雙軸追蹤系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)。光線采集電路模塊的四個光敏電阻采集四個方向的光線分布差異轉(zhuǎn)換為四路模擬信號，四路模擬信號送到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊變成兩路數(shù)字信號，兩路數(shù)字信號送回單片機控制系統(tǒng)，單片機控制系統(tǒng)將給步電機控制模塊給一個信號，步電機控制模塊控制相應(yīng)步進電機進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或停止。一組步進電機控制光伏組件水平方向的調(diào)整，另一組的步進電機控制光伏組件垂直方向的調(diào)整從而實現(xiàn)了雙軸方向的調(diào)整。光伏發(fā)電系統(tǒng)由充電穩(wěn)壓模塊、電能儲存系統(tǒng)和電壓實時跟蹤顯示系統(tǒng)、單晶硅高效太陽能電池組件組成，單晶硅高效太陽能電池組件將發(fā)出的電能輸送到充電穩(wěn)壓模塊進行穩(wěn)壓再送到電壓實時跟蹤顯示系統(tǒng)，電壓實時跟蹤顯示系統(tǒng)是顯示單晶硅高效太陽能電池組件發(fā)電情況的系統(tǒng)，通過上面的刻度表能看到實時發(fā)電量的，最后將發(fā)出的電能送到無線充電的蓄電池將電能儲存起來。

1.6 智能草坪修剪機機械設(shè)計

智能草坪修剪機采用鋸齒刀型，同時設(shè)計了草料收集和自動卸料裝置，當(dāng)草料裝滿是，草料中的傳感器檢測到后反饋到單片機，單機將控制機械控制的電機，電機控制特定的機械系統(tǒng)打開排料口同時在卸料輔助機構(gòu)下草料完全排出。

2 結(jié)語

全智能草坪修剪機是一款能源友好型、智能綜合性很高的設(shè)備。我們團對相關(guān)技術(shù)早已突破，有望做的更加控制友好，在未來農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)有著很大的潛力。

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