基于STM32的智能草坪修剪機(jī)器人設(shè)計(jì)*

宋黎明，馬福貴

（洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)器人學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471023）

0 引言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加快，草坪在城市綠化和居民生活區(qū)域中扮演著重要的角色。為了使草坪具有最佳的生長(zhǎng)高度和觀賞效果，需要定期進(jìn)行修剪作業(yè)。傳統(tǒng)的草坪修剪設(shè)備主要是手推式和背負(fù)式割草機(jī)，技術(shù)比較落后，人工成本高[1]，且由于自身問(wèn)題會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定污染[2]。智能草坪修剪機(jī)器人的出現(xiàn)將會(huì)改變這些狀況，具有較大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

在20 世紀(jì)70 年代，西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)割草機(jī)器人展開(kāi)研究，創(chuàng)造了割草機(jī)器人的原型。以色列Robomow、瑞典Husqvarna AutoMower和意大利Robo-Lawnmower等[3-5]系列的割草機(jī)器人都沿用了移動(dòng)式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，智能化程度以及具有的功能卻各不相同。在國(guó)內(nèi)，江蘇大學(xué)自主研發(fā)了具有傾角傳感、定點(diǎn)割草等功能的，能夠在各種不同地形草坪上采用隨機(jī)式方式進(jìn)行割草工作的割草機(jī)器人。上海大學(xué)研發(fā)的Kakamower具有四輪結(jié)構(gòu)，具有自主定位、電子圍欄等功能。杭州蘇珀曼智能科技有限公司[7]研發(fā)的SupermanEzobot采用三角布局的割草刀片進(jìn)行割草作業(yè)，提高了工作效率。綜合分析，現(xiàn)階段，關(guān)于草坪修剪機(jī)器人的研究主要側(cè)重在智能控制技術(shù)上，針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、刀具卻鮮有研究。本文通過(guò)改變修剪工具對(duì)草坪修剪機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，為農(nóng)業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了新的思路。

1 總體方案設(shè)計(jì)

智能草坪修剪機(jī)器人屬于智能移動(dòng)機(jī)器人范疇，是集機(jī)械、智能控制、傳感器等多學(xué)科為一體的，應(yīng)用機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器技術(shù)、定位技術(shù)和全區(qū)域覆蓋技術(shù)等實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的修剪作業(yè)[5]。本文中針對(duì)草坪修剪問(wèn)題，機(jī)器人應(yīng)該具有以下功能：（1）能夠通過(guò)調(diào)整刀具高度完成草坪修剪，提高機(jī)器人適用性；（2）能夠自主規(guī)劃避障路徑，完成割草過(guò)程?；谝陨戏治觯萜盒藜魴C(jī)器人設(shè)計(jì)主要包含機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分，這兩個(gè)部分相互依存，缺一不可，總體框架圖如圖1所示。

圖1 修剪機(jī)器人總體框圖

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

修剪機(jī)器人本體必須具備良好的移動(dòng)行走功能，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度出發(fā)，一般情況下機(jī)器人工作的草地相對(duì)平整，因此采用四輪移動(dòng)結(jié)構(gòu)[8]。本體采用框架式結(jié)構(gòu)，由連接管（空心）和三通管組合而成，如圖2所示。為了能夠盡量減輕機(jī)器人整體重量，本體結(jié)構(gòu)材料采用ABS 樹(shù)脂打印而成。修剪機(jī)構(gòu)由刀具、高度調(diào)節(jié)裝置、振動(dòng)調(diào)節(jié)裝置和吹風(fēng)裝置組成，如圖3所示。刀具由外圈鋼繩8和直鋼繩9組成。高度調(diào)節(jié)裝置用來(lái)調(diào)節(jié)刀具裝置的高度，修剪不同高度的草坪。振動(dòng)調(diào)節(jié)裝置用來(lái)調(diào)整不同切割力度。吹風(fēng)裝置能夠加快散熱和除去直鋼繩表面的草汁和草屑。

圖2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)組成圖

圖3 修剪機(jī)構(gòu)組成圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)修剪機(jī)器人的預(yù)實(shí)現(xiàn)功能，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)中由編碼器采集驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度信號(hào)，通過(guò)處理器實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)，由傾角傳感器和電子羅盤信號(hào)信息融合得到傾角信息，通過(guò)處理器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙閉環(huán)PID 控制[9]，如圖5 所示，進(jìn)而較好地完成自主修剪草坪的任務(wù)。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

PID控制具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，因此在電機(jī)控制中占有主導(dǎo)地位，控制的方式為：

圖5 多傳感器融合的雙閉環(huán)PID控制

式中：Ti、Td、Kp分別表示積分、微分和比例系數(shù)[10]。

3.1 硬件配置

根據(jù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求，硬件配置的關(guān)鍵在于主控系統(tǒng)、電機(jī)和傳感器的選型。本文中選用STM32F103 作為主控板，STM32 可以提供豐富的GPIO 數(shù)量，并且具有不斷接收和解析數(shù)據(jù)的能力。機(jī)器人中使用的電機(jī)可以分為兩類，一類是機(jī)器人中驅(qū)動(dòng)電機(jī)，用于機(jī)器人移動(dòng)的，另一類是調(diào)高電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中調(diào)高電機(jī)用來(lái)實(shí)現(xiàn)刀具裝置的升降，旋轉(zhuǎn)電機(jī)用來(lái)控制刀具的轉(zhuǎn)速，兩種共同實(shí)現(xiàn)割草作業(yè)。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇無(wú)刷直流電機(jī)（電壓：24 V，功率：18 W，轉(zhuǎn)速：12 r/min）；調(diào)高電機(jī)選擇直流減速電機(jī)（電壓：24 V，功率：8 W，轉(zhuǎn)速：500 r/min），輸出軸為螺紋軸；旋轉(zhuǎn)電機(jī)選擇永磁直流電機(jī)（電壓：24 V，功率：15 W，轉(zhuǎn)速：2 000～4 000 r/min）。同時(shí)，選用L298直流電機(jī)控制芯片對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制。

修剪機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中需要通過(guò)超聲波傳感器獲取草坪中的障礙物；傾角傳感器測(cè)得行駛過(guò)程中機(jī)器人與地面的傾角，計(jì)算地面凹凸高度，進(jìn)而調(diào)高裝置調(diào)整直鋼繩高度或判斷是否繞道而行；電子羅盤獲取方向信息，保證機(jī)器人能夠直線行走，安裝時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離電機(jī)并做好防護(hù)措施，同時(shí)輔助GPS 定位模塊完成機(jī)器人定位；為了能夠測(cè)得周圍人或動(dòng)物的情況，增加了人體熱釋傳感器。傳感器配置如表1所示。

表1 傳感器配置表

3.2 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。在對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器進(jìn)行控制之前，需要明確機(jī)器人軟件部分的內(nèi)容。本機(jī)器人軟件部分主要傳感器驅(qū)動(dòng)程序和電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序等，如何能夠?qū)崿F(xiàn)多傳感器信息融合實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制是關(guān)鍵[11]。為此，將軟件系統(tǒng)劃分為驅(qū)動(dòng)控制層和應(yīng)用控制層。驅(qū)動(dòng)控制層包括時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)程序、超聲波傳感器、人體熱釋傳感器等外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序以及中斷初始化程序；應(yīng)用控制層包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、全覆蓋路徑規(guī)劃、跟蹤、顯示等應(yīng)用程序。具體流程圖如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)流程圖

4 性能測(cè)試

機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)是移動(dòng)作業(yè)，驅(qū)動(dòng)模塊采用PWM方式進(jìn)行調(diào)速控制[12]。本文中分別從前進(jìn)速度、電池能力、剎車能力、刀具高度調(diào)整等方面進(jìn)行反復(fù)多次性能測(cè)試，結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，機(jī)器人刀具高度調(diào)整、移動(dòng)性能與設(shè)計(jì)參數(shù)吻合度較高，性能測(cè)試具有一定可行性。

表2 機(jī)器人性能參數(shù)對(duì)比

本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是新型刀具的設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)中重點(diǎn)測(cè)試刀具的草坪修剪效果，結(jié)果如圖7 所示。由于機(jī)器人采用呈三角形布置的3 組刀具裝置，修剪寬度達(dá)到56 cm，經(jīng)過(guò)各模塊相互協(xié)調(diào)作用，能夠達(dá)到6.04m2/min，修剪效率大大提高，并且吹風(fēng)裝置能夠?qū)⒉菪即惦x刀具并帶走一定熱量。

圖7 修剪前后對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)草坪修剪機(jī)器人現(xiàn)狀，本文分別從結(jié)構(gòu)上重新設(shè)計(jì)了本體和修剪機(jī)構(gòu)，完成了修剪機(jī)構(gòu)電機(jī)、風(fēng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和各類傳感器等硬件的選型，編寫了控制驅(qū)動(dòng)程序，并進(jìn)行了性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：

（1）修剪機(jī)構(gòu)中新型刀具能夠滿足草坪修剪的任務(wù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪聲小；

（2）采用的路徑規(guī)劃方式和避障方法能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人正常、穩(wěn)定運(yùn)行；

（3）修剪裝置呈三角形分布，提高了修剪寬度，進(jìn)而提高了修剪效率。

本設(shè)計(jì)未采用復(fù)雜的路徑規(guī)劃和軌跡跟蹤的算法，后期將從軌跡、路徑方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。綜上所述，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了草坪修剪機(jī)器人的預(yù)期要求，為農(nóng)業(yè)機(jī)器人智能化、模塊化設(shè)計(jì)提供了新的思路。