智能割草机器人设计

12摘要本文首先对国内外市场上现存的智能割草机器人进行了介绍和比较，指出了现在智能割草机器人研制过程中需要注意的关键技术，并结合以往的成功经验和现在的实际需求，选择了结构易于实现的三轮车体结构。根据智能割草机器人控制系统要求，确定了以AT89C51单片机为核心的智能割草机器人控制方案，将智能割草机器人的控制系统划分成了电机驱动单元、电机控制单元和传感单元等几个部分，最终确定了智能割草机器人的技术指标。针对上述要求，进行了智能割草机器人机械本体的设计。首先，根据相关的计算确定了所需驱动电机的参数，并以此为基础进行了电机选型。然后根据选择的电机情况为智能割草机器人设计了驱动系统的减速机构。最后，结合智能割草机器人的任务特点，为其设计了特制的割草机构。控制系统是实现自动割草机器入自主执行割草任务的关键部分，根据具体的任务要求结合低成本的思想，确定了为电机控制和传感系统分别设置独立处理芯片的策略，控制系统首先对各个传感器件发送的环境信号进行预处理，再为智能割草机器人的运动控制反馈合适的环境信息。然后电机控制单元结合发送的信号对智能割草机器人进行相应的运动调节。关键词:智能割草机器人；移动机器人机械本体设计；电机控制；传感系统；割草机构31前言1.1智能割草机器人研究的背景与意义1.1.1智能割草机器人概述随着经济的发展，各国城市建设逐渐深化，城区的绿化程度也随之提高，大量的公园草坪、足球场草坪、GOLF球场草坪等公共绿地均需要进行维护。在各种草坪维护作业中，以草皮修剪工作最为繁重，不仅枯燥，而且重复性强，通常需要消耗大量的人力和物力。为了降低草坪维护作业的劳动强度和成本，近年来我国提出用现代电子技术和智能控制技术改造和提升草坪机械产业的战略，希望在不久的将来用智能的智能割草机器人取代传统的割草机。图1.1智能割草机器人系统构成框图智能割草机器人属于民用户外移动机器人领域，从系统科学的角度来讲，它是集环境感知、路径动态规划与决策、行为控制与执行等多种功能于一体的综合机器人系统。图1.1为智能割草机器人系统构成框图，该图概述了一个标准的全智能割草机器人系统，它通常由感知系统、控制系统、移动机构和割草机构等四个部分组成。感知系统实时监测外界环境变量、移动机构及割草机构运行参数，并将结果输送到控制系统；控制系统将获得的数据与自身的数据库做比较，并参照路径规划对移动机构和割草机构发出修正指令，以获得稳定的运行情况。与传统的草坪修剪机械相比，智能割草机器人具有环保、人力消耗低和高安全性等特点。1.1.2智能割草机器人的研究概况在智能割草机器人的研发领域,国外的许多公司做了大量的工作,己有部分产品上市如FrinediyMachines公司设计的Rboomower，是目前最成功的智能割草机器人产品之一,采用三轮小车的机构，两个后轮独立驱动,前轮为万向轮,能以一定策略为基础反复迁回运行于事先设定好的范围内,当遇到障碍物后能通过超声波传感器检测然后简单绕行,但它不能保证除障碍物外的区域，缺乏全局地图的概念,对是否已完成整块草坪的4割草任务也没有概念。除此以外还有其它类似的产品,各具特色,如意大利uzeehetti公司的osear其豪华版的A811brigio甚至还配备了雨水传感器,当下雨的时候能自动躲避；瑞典Eleetr—ofux公司的Auotmower,除动力采用电池外,还可利用太阳能供电；比利时Berlbooties公司的BigMow,具备优良的路径算法,刀片覆盖面积大,覆盖率较高。国外的科研机构对割草机器人展开的研究主要偏向割草机器人的智能控制技术，导航技术和路径规划等方向,而针对割草机器人的系统设计相对较少。美国专利US4919224采用了蓄电池供电,能在预定时间启动,具有避障防盗及自动充电等功能,采用三根导线来进行导航。当遇到下雨湿地及电源不足等以外情况时,返回车库,该专利采用超声波来探测障碍,用震荡探测器及密码来防止非法用户操作机器；美国专利US5204814采用了优化的导航技术,综合利用存储的路径及环境信息，无磁无电流的金属导线和埋在地下的金属导线三种方式来指导割草机器人的移动,该专利还选用了内燃机做动力,配合发电机及电池组使用,采用分布式控制方式。国内对于割草机器人的研究起步时间较晚，参与该领域的研究单位也比较少，但仍取得了一定的成果。南京理工大学机械学院设计了MORO型移动割草机器人，并成功开发出了MORO.I、MORO.II等若干型割草机器人样机。南京理工大学对割草机器人的总体设计、路径规划、避障、定位系统、控制系统等从理论上进行了较全面的讨论并提出了一种廉价实用的总体方案，还根据机器人动力学方程推导出驱动力矩的计算公式，为电机选择、控制系统硬件电路主要元器件参数选择提供了计算依据，为进一步深入研究割草机器人打下了基础。MORO型移动割草机器人的主要导航设备为驱动轮编码器和磁航向传感器，能自动生成无信标边界实现全区域覆盖行走。该机器人的体积约为80X51X40cm³，重约50kg，刀片的转速高达5000r/min，适用于大面积草坪的修剪工作。此外，南京理工大学还将机器人领域的前沿技术引用到割草机器人上来，如基于Internet的机器人控制技术和太阳能草坪割草机关键技术等。与其它轮式割草机器人不同，江苏大学研制了一种履带式割草机器人，具有GPS定位导航的功能，能高效高速地进行作业，适用于大面积的草场区域。此机器人由两部分组成，一部分为广茂达公司生产的AS.RF型机器人，另一部分为自行设计的割草机台。此外，江苏大学还针对不同的草坪给出了合理的切割高度，这为割草机器人的研究提供了重要的依据。51.1.3智能割草机器人研究的必要性随着经济的发展，草坪业已经成为了我国一种新兴的产业。草坪基本上已经在全国城市园林绿化、运动场建设中普及应用。草坪业开始了一个缓慢、平稳也是积蓄力量的发展时期。这促使草坪业开始经历一个由劳动密集型到知识密集型的转变过程，特别是草坪修剪维护工作，迫切需求一种效率更高，而人员消耗和能源消耗更低的草坪机械设备，但国外自动割草机器设备昂贵的价格和垄断的技术制约了我国在自动化和智能化草坪机械方面的推广进度，因此必须依靠自己的力量研究具有自主知识产权的智能割草机器人。在科技迅猛发展的今天，人们生活水平逐渐提高，一些应用于工业的科技正逐渐走出工厂，对智能割草机器人进行研究为服务机器人的发展提供了新的课题方向，也是服务机器人走向实际应用的一种尝试和探索，更重要的是，智能割草机器人的研制能为服务型机器人产业化的进程提供有利的参考。此外，对智能割草机器人进行研究还有一定的学术价值，智能割草机器人属于户外移动型机器人，在割草时它将工作在开放的非结构化空间内，而如何实现机器人在非结构化空间的移动正是现今机器人研究的重要课题。基于割草工作的特点，还需要智能割草机器人能以一种比较理想的方法完全覆盖整个工作区间，所反映的区域充满路径规划问题也是路径规划的研究热点。综上所述，智能割草机器人的研究有着重要的商业价值、积极的社会价值和一定的学术价值，能侧面地反映出我国自动化技术和机器人学的发展水平，因此开展对智能割草机器人相关研究工作是十分必要的。1.2课题研究的主要内容及构成本课题主要的任务是对研制一种适应国内市场需求的智能割草机器人。研究内容为:机器人机械本体设计、安装；传感系统选型和设计；机器人控制系统的设计；机器人路径规划等任务。课题主要研究内容和组织结构如下:第二章为智能割草机器人系统的总体方案设计。首先对国内外割草机器人的研究情况进行调研，收集相关资料，然后结合智能化割草作业的特点提出智能割草机器人的总体设计，其中包括机械本体驱动方案的选择、传感器件的选择、控制系统方案设计和技术指标等方面。第三章是智能割草机器人机械本体设计。对多种本体方案进行了讨论和比较，选择三轮结构作为自动割草机器入的驱动方式，设计了机器人的本体。智能割草机器人的机械本体包括减速机构、车体和割草机构等主要部件。6第四章介绍了智能割草机器人传感系统设计，对户外移动型机器人所需要的传感元件进行了说明。通过分析和评价，结合实际选择了合适的传感器。还针对各个器件的引脚说明，以AT89C51单片机为核心设计了传感器预处理模块。第五章阐述了智能割草机器人控制系统设计的过程，机器人的控制系统包括电机驱动和电机控制等两方面。电机采用ST大功率H桥集成芯片L298N驱动，结合调压电路，能为智能割草机器人的驱动电机提供安全稳定的驱动电源。第六章讨论了区域充满路径的规划算法。第七章为论文的结论与展望。72智能割草机器人总体方案的设计智能割草机器人是一个综合的机器人系统，它集成了诸如机械系统设计、环境感知、行为控制等多方面的技术，因此需要对智能割草机器人的实现方案进行详细的讨论和研究，以确保智能割草机器人最终设计方案的合理性。本章以实际需求为出发点，详细地讨论了智能割草机器人本体选型方案、控制系统方案和传感器件选择等多方面的内容，最后给出了设计的技术参数。2.1智能割草机器人本体驱动方案的选择割草机器人属于户外移动型机器人，针对该类型的机器人有各种驱动方案可供参考。根据户外移动型机器人的工作特点，对自主移动机器人平台的驱动方案进行了详细的讨论。户外移动机器人的运动方式有轮式、履带式和足式等多种。轮式和履带式驱动方式适用于较平整路面，而足式驱动方式适用于特殊的、条件相对恶劣的环境，也有的移动机器人为了适应各种路面将这几种驱动方式混合使用。割草机器人一般工作在条件较好的草坪上，结合其他工作要求，割草机器人大多选用轮式驱动方式。图2.1移动机器人驱动方式的选择轮式驱动方式根据轮子数目分三轮、四轮和六轮等几种。三轮方式结构比较简单，能够满足一般需要，应用也比较广泛，如图2.1中的(a)、(b)。四轮方式的稳定性好，承载能力比较大，但结构相对复杂，如图2.1中的(c)、(d)。六轮方式与四轮方式类似，具有更高的承载能力、稳定性和柔性，多用于未知环境的探测，如月球车和火星车等。根据转向方式的不同，轮式驱动方式又可分为铰轴转向式和差动转向式两种。铰轴转向式如图2.1中的(a)、(c)所示，转向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连杆机构控制铰轴从而控制转向轮的转向。差动转向式如图2.1中的(b)、(d)所示，在车体两侧的驱动轮上装有不同的控制电机，通过两轮的速度比来实现车体的转向，在该情8况下，非驱动轮应为自由的万向轮。由于智能割草机器人属于家用机器人，所以要求尽可能选择简洁、控制难度低的驱动方案，因此综合上述内容，选择了典型的三轮差动的驱动方式(即图2.1中的a方式)。该方式的优点是结构简单、运动灵活等，缺点在于实现两电机同步转动对电机的同轴度和控制系统的精度要求比较高。2.2传感器件的选择移动机器人为了能在未知或时变环境下自主地工作，应具有感受作业环境和规划自身动作的能力。移动机器人避障的关键问题是在运动过程中如何利用传感器对感知环境并对机器人在工作区域内进行定位，任何类型的传感器都有各自的优点和不足，选用时需要仔细考虑各种因素，传感系统在移动机器人运行时，需要为移动机器人提供机器入附近障碍物的存在信息以及障碍物与机器人问的距离，还有机器人导航的相关位置信息。智能割草机器人工作在开放的户外空间内，在执行割草任务时需要获得外围障碍物信息和机器人自身位置信息，所涉及到的传感器有距离传感器和位置传感器。此外，由于智能割草机器人内设置有高速旋转的割草刀片，还应当选用相关的传感器以保证其安全性。移动机器人常用的距离传感器有超声波传感器、红外线传感器和激光测距传感器等。其中激光测距传感器造价相对较高，不适宜采用在民用服务机器人系统上，因此在本文中不予考虑；超声波传感器是利用超声波的反射特性研制而成的传感器，有效的检测范围为30cm-2m；红外传感器属接近传感器，发射出的红外波波长大约在几百纳米范围内，属短波长的电磁，有效的检测范围通常小于30cm。智能割草机器人在运行时需要检测其车体外lcm-1.5m内的障碍物情况，不能单独采用超声波传感器或红外传感器。因此，本文选择超声波传感器和红外传感器相