基于STM32 的智能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

王欣怡，鄧鑫宇，柯宇，王旭

（電子科技大學(xué)成都學(xué)院 智能制造工程系，四川成都，611731）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及人類命運共同體和生態(tài)文明建設(shè)的提出，近十年來全球范圍內(nèi)綠地面積和公園面積逐年增加[1]。草坪的維護(hù)需要大量的人力，且勞動成本高，工作效率低，且傳統(tǒng)的割草機(jī)器存在極大的安全隱患。智能割草機(jī)是可以代替人工修剪和自動化的設(shè)備，大大節(jié)約了人力、財力以及物力。因此，研究智能割草機(jī)技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用價值。

近年來，國內(nèi)許多高校和企業(yè)對智能割草機(jī)器人開展了大量研究。例如：2020年，浙江紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐偉鋒團(tuán)隊在設(shè)計智能割草機(jī)器人時，將傳感系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)以及PLC 控制系統(tǒng)等模塊集于一體，提升了割草機(jī)器人運行的穩(wěn)定性[2]；2021 年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)謝逢博團(tuán)隊在對果園割草機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃時，控制方法確定為橫向偏差修正算法，有效降低了機(jī)器人行進(jìn)的誤差[3]；2022 年，煙臺汽車職業(yè)工程學(xué)院王德蘭采用TRIZ 發(fā)明原理，構(gòu)建了割草機(jī)器人的問題和沖突矛盾矩陣，提出了解決技術(shù)矛盾的方案，提升割草效率的同時，降低了機(jī)器人動作時的故障率[4]；2023 年，江蘇科技大學(xué)王新彥團(tuán)隊采用改進(jìn)Yolov5 算法用于割草機(jī)器人的障礙物識別，提升了識別的準(zhǔn)確率[5]。從上述研究來看，割草機(jī)器人的智能化功能日趨完善，且控制系統(tǒng)的精度越來越高。因此上述研究表明，想要設(shè)計合理的智能割草機(jī)器人控制系統(tǒng)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和使用需求進(jìn)行針對性設(shè)計，合理配置控制系統(tǒng)的對應(yīng)模塊，從而滿足便捷割草動作的同時，還能提升系統(tǒng)整體的控制精度。

1 割草機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體布局

本文以某工業(yè)園園區(qū)內(nèi)部草坪為修剪對象，設(shè)計割草機(jī)器人。園區(qū)內(nèi)的草坪具有面積較大、位置分散、清理高度較小以及不同位置清理要求不同等特點。故割草機(jī)器人的設(shè)計主要考慮通過刀盤轉(zhuǎn)速的調(diào)整和設(shè)置升降結(jié)構(gòu)來適應(yīng)不同片區(qū)的割草環(huán)境。同時，還得設(shè)計循跡、避障、無線通信等模塊，來實現(xiàn)機(jī)器人的行進(jìn)、人機(jī)交互等功能。鑒于此，控制系統(tǒng)的布局中，主控芯片可以選擇STM32 單片機(jī)。因為該類型的單片機(jī)能耗較低，且內(nèi)部具有運算速度比較快的處理器和內(nèi)存，比較適合處理復(fù)雜的控制系統(tǒng)[6]。主控芯片確定后，再根據(jù)其他的基本功能，可以確定系統(tǒng)的主要模塊。該控制系統(tǒng)的整體布局如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體布局

圖2 STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)圖

2 割草機(jī)器人硬件設(shè)計

2.1 主控芯片的設(shè)計

智能割草機(jī)的主控芯片的選擇，主要考慮的依據(jù)是：（1）強大的處理能力，有高性能的運算；（2）有豐富的儲存器，可以儲存大量的程序代碼和數(shù)據(jù)；（3）具有較高的抗干擾能力和穩(wěn)定性，可以在各種惡劣環(huán)境下工作。因此，單片機(jī)的型號確定為STM32F103C8T6[7]。

2.2 驅(qū)動模塊設(shè)計

驅(qū)動模塊的作用是滿足割草機(jī)器人輪式結(jié)構(gòu)的行進(jìn)。當(dāng)機(jī)器人在草坪作業(yè)時，根據(jù)工作和地形的情況，需要完成前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎以及制動等動作。故在驅(qū)動模塊的設(shè)計中，需要選擇電磁轉(zhuǎn)矩較大、調(diào)速性能較好的電機(jī)。所以電機(jī)的類型可以確定為直流電機(jī)。但傳統(tǒng)的直流電機(jī)運行效率通常只有70%~80%且存在工作壽命相對短、噪音較大等問題。因此，本文選擇無刷直流電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)，該類型的電機(jī)工作效率可達(dá)90%以上，且系統(tǒng)性能穩(wěn)定、噪音較小、可靠性較高。在轉(zhuǎn)速控制方面，考慮到系統(tǒng)需要較高的控制精度，故采用脈寬調(diào)制（PWM）的方法來實現(xiàn)對割草機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)整，根據(jù)電機(jī)的電感特性，通過對占空比的改變產(chǎn)生不同的波形，來實現(xiàn)對小車電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變。由于智能割草機(jī)為較大型的機(jī)器，所以在綜合考慮續(xù)航和效率的情況下，選擇將兩個22.2V 的航模電池并聯(lián)來進(jìn)行整個電路的供電。電機(jī)驅(qū)動模塊選用的是L298 系列，L298是雙H 橋結(jié)構(gòu)，可以同時驅(qū)動兩個直流電機(jī)[8]，單路可達(dá)到7A 大功率，寬電壓輸入為6.5V~27V。將PA4，PA5，PA6，PA7 引腳設(shè)置為推挽輸出模式，定義了PA1，PA2 號引腳，作為PWM 的輸出端口，然后將PA4，PA5，PA6，PA7 引腳分別接到電機(jī)驅(qū)動板的信號輸入引腳上，來控制旋轉(zhuǎn)方向，再將PA1，PA2 分別接到電機(jī)驅(qū)動板的PWM 輸入引腳上，從而實現(xiàn)對電機(jī)速度的控制，電機(jī)接口控制信號邏輯如表1 所示。

表1 電機(jī)接口控制信號邏輯

2.3 循跡避障模塊的設(shè)計

避障模塊的主要目的是讓割草機(jī)能夠識別到前方的障礙物，并且能自動避開障礙物繼續(xù)完成割草任務(wù)。在循跡避障模塊方面，本文選擇用紅外避障模塊，原因在于紅外傳感器能夠較好地適應(yīng)外界環(huán)境的光線、抗干擾性能強、裝配便捷，且使用方便[9]?？紤]到循跡避障模塊的運行穩(wěn)定性，其比較器采用LM393。該模塊的OUT 端口與單片機(jī)PB12 引腳連接，在割草機(jī)器人工作時，當(dāng)檢測到前方有障礙物時，電路板上的綠色輸出指示燈被點亮，同時模塊的 OUT 端口持續(xù) 輸出低電平信號。割草機(jī)的避障距離、前進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)角度等，都可以隨著割草機(jī)所處的環(huán)境而對程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。循跡避障模塊控制電路如圖3 所示。

圖3 循跡避障模塊控制電路

2.4 藍(lán)牙模塊的設(shè)計

割草機(jī)器人在運行時，為確保主控系統(tǒng)能夠?qū)崟r掌握其狀態(tài)并根據(jù)情況做出對應(yīng)調(diào)控。無線通信技術(shù)的選擇顯得非常關(guān)鍵。本文在該模塊的設(shè)計中，選擇藍(lán)牙模塊作為無線通信方式。藍(lán)牙模塊的類型確定為JDY-31。因為該類型的藍(lán)牙模塊完全兼容HC-05/06 從機(jī)[10]，這樣可以實現(xiàn)Widows、Linux、android 數(shù)據(jù)透傳，支持使用者通過AT 命令修改設(shè)備名以及波特率等指令，方便快捷使用靈活。本藍(lán)牙模塊的設(shè)計是把PA9 設(shè)置成TX引腳，PA10 設(shè)置成RX 引腳，然后把藍(lán)牙模塊的TX 引腳和單片機(jī)上的RX 引腳進(jìn)行連接。藍(lán)牙模塊電路如圖4 所示。

圖4 藍(lán)牙模塊電路

2.5 刀具驅(qū)動和自動升降系統(tǒng)模塊設(shè)計

智能割草機(jī)的刀具驅(qū)動主要是讓其針對不同的割草環(huán)境來調(diào)整刀盤的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到理想的割草效果。割草機(jī)的刀具部分設(shè)計有升降功能，使用者可以根據(jù)自己的需求來選擇留下的草的長度，相對傳統(tǒng)的割草機(jī)，本割草機(jī)更具有個性化，且可以滿足不同的需求。電動推桿精度高、無污染、維護(hù)成本低、環(huán)保節(jié)能，更能貼合大環(huán)境下的生態(tài)環(huán)保。電機(jī)推桿和割草電機(jī)的電路設(shè)計部分，定義了PC1，PC2，PC3，PC4 引腳為推挽輸出模式，PC1，PC2 和PC3，PC4分別接到電機(jī)驅(qū)動板上，來控制電機(jī)推桿的啟動和割草電機(jī)的旋轉(zhuǎn)。刀具驅(qū)動電路如圖5 所示，自動升降系統(tǒng)模塊電路如圖6 所示。

圖5 刀具驅(qū)動電路圖

圖6 自動升降系統(tǒng)電路圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)運行程序的編寫

本割草機(jī)系統(tǒng)編程采用易讀性和移植性高的C 語言進(jìn)行編寫，使用Keil μVision5 by ARM 軟件進(jìn)行代碼編譯以及調(diào)試，這款I(lǐng)DEB 被廣泛地用于代碼的編寫和測試。并且使用STM32CubeMX 對主控芯片的引腳進(jìn)行配置，配置完成后再用Keil5 進(jìn)行程序的編寫。編程的思想采用模塊化編程思想，模塊化編寫的程序不僅方便進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，而且方便移植，這樣大大減少了割草機(jī)的開發(fā)時間。先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化配置包括定時器、延時函數(shù)、系統(tǒng)時鐘、串口等。系統(tǒng)初始化完成后割草機(jī)進(jìn)入等待接收命令狀態(tài)，當(dāng)收到模式改變命令時，割草機(jī)啟動相應(yīng)的程序，然后再完成相應(yīng)的指令。以刀具驅(qū)動系統(tǒng)為例，部分主要運行程序如下：

3.2 圖形用戶界面的布局

系統(tǒng)的GUI 界面是圖形用戶界面。基本的運行理念為：系統(tǒng)內(nèi)部將用戶的指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的代碼信息，然后GUI程序開始運行，并創(chuàng)建相對應(yīng)的消息列隊，最后程序?qū)﹃犃兄械南⑦M(jìn)行處理。在本文中 ，GUI 的界面主要有四個部分：（1）電推桿的升降；（2）刀盤的轉(zhuǎn)動；（3）割草機(jī)的運動；（4）割草機(jī)的自動模式。整個割草機(jī)的控制如圖7 所示，中間部分是控制割草機(jī)運動的，當(dāng)割草機(jī)運動到割草區(qū)域后，通過點擊電推桿部分的上升或下降就可調(diào)整刀盤的高度，刀盤的高度到理想位置后，就可點擊啟動按鈕，然后就可以開始割草。除此外割草機(jī)還帶有自動模式，點擊自動模式后割草機(jī)就會開始自動割草GUI 界面的基本布局，如圖7所示。

圖7 GUI 界面布局

4 系統(tǒng)的性能測試

為了更好地評估割草機(jī)，需要對割草機(jī)器人的實際性能進(jìn)行測試。因此，本文制作了割草機(jī)器人實物模型，如圖8所示。并對模型展開測試，部分主要的測試內(nèi)容包括：割草機(jī)的電推桿以及割草盤性能測試、機(jī)器人適應(yīng)地形測試、避障性能測試以及割草量測試。部分測試結(jié)果如表2 所示。

表2 部分主要測試結(jié)果

圖8 割草機(jī)器人實物

從表2 所示的最終測試結(jié)果來看，割草機(jī)預(yù)設(shè)的功能基本實現(xiàn)，且控制系統(tǒng)的精度符合要求，機(jī)器人能夠正常進(jìn)行工作，即機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計方案基本合理。

5 結(jié)論

草坪的管理工作對傳統(tǒng)割草機(jī)的功能、性能、效率等有著較高的要求，而傳統(tǒng)大功率的割草機(jī)污染大、噪音大，應(yīng)根據(jù)生態(tài)環(huán)境的發(fā)展要求對割草機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新。本文的智能割草機(jī)很大程度上降低了能源的消耗和對環(huán)境的污染，且對于普通的割草機(jī)來說本文設(shè)計的智能割草機(jī)更加的安全，且避免了不必要的人力、財力花費，且割草效果良好，為將來割草機(jī)的智能化提供了一種可行方案。