全自動(dòng)草坪修剪機(jī)器人＊

張騫曉，蔣慶明，陳志丁，李建偉

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)，城市發(fā)展越來(lái)越快，城市環(huán)境也愈發(fā)被重視，各地將城鎮(zhèn)化建設(shè)作為政府的重要工作來(lái)抓，城市草坪覆蓋率越來(lái)越高，導(dǎo)致園林綠化建設(shè)等項(xiàng)目的維護(hù)工作日益繁重[1]，如果都需要人工去維護(hù)，不免會(huì)消耗大量人力、物力，所以現(xiàn)在亟須一種全自動(dòng)修剪機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)與推廣。

1 系統(tǒng)組成

全自動(dòng)草坪修剪機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)草坪區(qū)域的自主定位、自動(dòng)修剪、自動(dòng)充電、規(guī)避障礙物等功能，適用于城市綠地場(chǎng)合，如圖1所示。設(shè)備利用GPS和慣性導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)了室外高精準(zhǔn)定位，可通過(guò)對(duì)草坪區(qū)域的設(shè)定實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、修剪，通過(guò)視覺(jué)檢測(cè)對(duì)復(fù)雜地形進(jìn)行識(shí)別，采用非接觸式充電，保證戶外充電的安全性。

圖1 功能結(jié)構(gòu)圖

2 硬件組成

設(shè)備所需器件：輪轂電機(jī)4個(gè)，轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)角傳感器各4個(gè)，攝像頭2個(gè)，GPS模塊，慣導(dǎo)模塊，驅(qū)動(dòng)除草刀片的電機(jī)，刀片。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）驅(qū)動(dòng)使用4 個(gè)輪轂電機(jī)實(shí)現(xiàn)了四輪差速行駛，保證了全地形的無(wú)差別行駛，也保證了機(jī)器人的安全。輪轂電機(jī)可將動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置和制動(dòng)裝置結(jié)合到輪轂內(nèi)，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低成本。同時(shí)輪轂電機(jī)可以通過(guò)左右車(chē)輪的不同轉(zhuǎn)速甚至反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)類(lèi)似履帶式車(chē)輛的差動(dòng)轉(zhuǎn)向，大大縮短車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎半徑，在特殊情況下幾乎可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向（不過(guò)此時(shí)對(duì)車(chē)輛轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和輪胎的磨損較大），對(duì)于特種車(chē)輛很有價(jià)值，對(duì)于全自動(dòng)草坪修剪機(jī)器人來(lái)說(shuō)也十分有用[2]。此外，輪轂電機(jī)與電動(dòng)機(jī)的集中動(dòng)力輸出驅(qū)動(dòng)相比，輪轂電機(jī)在這方面所具備的技術(shù)是有很大優(yōu)勢(shì)的，它在布局方面更加靈活，也不需要復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)或者系統(tǒng)，就機(jī)器人組裝來(lái)說(shuō)更加方便。

2）在四輪電機(jī)上還裝有轉(zhuǎn)速傳感器，這保證了對(duì)機(jī)器人速度的精確控制以及轉(zhuǎn)彎等差速的控制，也可以實(shí)時(shí)測(cè)速并準(zhǔn)確地對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)控；傳感器有檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，這些都適用于機(jī)器人行駛，所以最終選擇用傳感器來(lái)檢測(cè)電機(jī)狀態(tài)。

3）增加轉(zhuǎn)角傳感器，可以實(shí)時(shí)對(duì)機(jī)器人的角度進(jìn)行控制，并通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行顯示，使得操控者可以實(shí)時(shí)獲得機(jī)器人的行駛狀況和行駛狀態(tài)。

4）攝像頭采用的兩個(gè)相機(jī)位置相對(duì)固定，同時(shí)拍攝同一場(chǎng)景的圖像，兩個(gè)相機(jī)分別在水平和豎直方向上安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)仰俯和旋轉(zhuǎn)。在識(shí)別領(lǐng)域，與單目攝像頭相比，雙目攝像頭可以計(jì)算出深度信息，有更好的識(shí)別精度。單目攝像頭的缺點(diǎn)在于需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐，還需要不斷更新和維護(hù)以確保其工作的正常和穩(wěn)定，并且針對(duì)一些特殊地區(qū)、特殊情況，還需要不斷地優(yōu)化和處理，才能夠很好地適應(yīng)環(huán)境。

5）定位方面采用GPS 模塊，并且配備了與之配套的慣導(dǎo)模塊。慣導(dǎo)系統(tǒng)分為平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，相比之下，平臺(tái)式的需要搭建物理實(shí)體平臺(tái)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，捷聯(lián)式的用起來(lái)比較方便。因此，最終采用了捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，得益于捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)作用的發(fā)揮，機(jī)器人整個(gè)結(jié)構(gòu)的體積、重量以及成本得到了降低；且捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)方便維修、更換，還可提供載體軸向的線加速度和角速度，這類(lèi)信息雖然都是飛控所需要的，但在機(jī)器結(jié)構(gòu)上所發(fā)揮的作用也是不可小視的[3]，可以提供更多的導(dǎo)航和制導(dǎo)信息。此外，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上也做了改良，使系統(tǒng)具有可靠、穩(wěn)定的特點(diǎn)。

6）除草機(jī)構(gòu)是由刀具升降旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和割草機(jī)刀具裝置組成。割草機(jī)構(gòu)是智能割草機(jī)器人的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來(lái)進(jìn)行草坪修剪作業(yè)，割草機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到割草機(jī)器人性能。

3 軟件部分

機(jī)器人采用了樹(shù)莓派作為主控芯片，選擇樹(shù)莓派作為主控芯片的原因是樹(shù)莓派優(yōu)秀的性能以及其強(qiáng)大的功能性。機(jī)器人如果采用傳統(tǒng)單片機(jī)作為主控，則會(huì)發(fā)生使用資源過(guò)多的問(wèn)題，并且單片機(jī)的處理速度也滿足不了機(jī)器人的需求，所以最終采用了樹(shù)莓派實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的綜合控制[4]。因此，雙目識(shí)別部分就采用了樹(shù)莓派進(jìn)行圖像的傳輸、處理及識(shí)別，幫助機(jī)器人更快更好地運(yùn)行操作，以及更好地對(duì)周?chē)h(huán)境與物體進(jìn)行識(shí)別與分析，軟件功能圖如圖3所示。

圖3 軟件功能圖

4 總結(jié)

智能除草機(jī)器人的研究發(fā)展對(duì)減少空氣污染、節(jié)約有效燃油資源、減少勞動(dòng)力資源等具有十分重要的意義與價(jià)值[5]。而智能除草機(jī)器人所涉及的領(lǐng)域包括自動(dòng)控制原理、人工智能、信息融合等多個(gè)領(lǐng)域，所以研究難度較大。筆者主要研究的是對(duì)于機(jī)器人框架以及主要結(jié)構(gòu)與功能的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，包括草坪修剪機(jī)械的設(shè)計(jì)原則及其載體輪轂電機(jī)式機(jī)器人的特點(diǎn)（運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)等的特點(diǎn)）。筆者研究了輪轂式機(jī)器人的草坪行駛運(yùn)動(dòng)模式以及其動(dòng)力方面的性能，由于機(jī)器人采用了輪轂電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)的特殊機(jī)構(gòu)，所以想要實(shí)現(xiàn)其在草坪上行駛的特性就很難通過(guò)普遍的建立數(shù)學(xué)模型的方式來(lái)研究。因此采取了理論分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，即在研究其運(yùn)動(dòng)學(xué)性能的同時(shí)，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及輪轂電機(jī)的特點(diǎn)通過(guò)試驗(yàn)得出其草坪行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)特性；再根據(jù)割草機(jī)器人的工作特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行路徑規(guī)劃，提出了基于傳感器測(cè)距的方法；最后通過(guò)試驗(yàn)論證了控制方法的可行性與機(jī)器人最終結(jié)構(gòu)功能的完整性。

5 進(jìn)一步研究

為了實(shí)現(xiàn)智能除草機(jī)器人的完善性與市場(chǎng)化，還需要進(jìn)一步研究：

1）除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，需要設(shè)計(jì)出廉價(jià)且實(shí)用的機(jī)械結(jié)構(gòu)，用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)載體以及作為其除草結(jié)構(gòu)平臺(tái)；

2）目前還需要提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制精度，主要包括路徑運(yùn)動(dòng)跟蹤控制以及定位系統(tǒng)精度。