基于ARM太阳能割草机器人控制系统的研究

1目录第一章太阳能割草机器人的研究现状.........................................................................................2第二章太阳能割草机器人总体方案的设计.................................................................................32.1太阳能割草机器人设计要求.............................................................................................32.2太阳能割草机器人本体结构的设计.................................................................................42.2.1太阳能割草机器人关键部件的选择......................................................................52.2.2太阳能割草机部件分布..........................................................................................62.3传感器的选择.....................................................................................................................82.4系统控制体系结构的设计.................................................................................................92.5控制系统的中的数据管理...............................................................................................102.6本章小结...........................................................................................................................11第三章太阳能割草机器人控制系统的硬件构成.......................................................................113.1太阳能割草机的主控制器的介绍...................................................................................123.2CPU核心电路的设计......................................................................................................133.3传感器的系统模块设计--CMPS03电子罗盘的应用....................................................14第四章太阳能割草机器人的软件设计.......................................................................................154.1嵌入式数据库的应用.......................................................................................................154.1.1嵌入式系统SQLite简介......................................................................................164.2关键部分编程的实现.......................................................................................................184.2.1主程序的设计........................................................................................................184.2.2超声波避障程序的设计........................................................................................19第五章总结与展望.......................................................................................................................205.1总结...................................................................................................................................205.2展望...................................................................................................................................212基于ARM太阳能割草机器人控制系统的研究第一章太阳能割草机器人的研究现状太阳能割草机器人为自动割草机器人的一个类别，它与其它类型的自动割草机的唯一区别是能源系统不同，太阳能割草机器人的主要能量源为太阳能。现在在国际与国内对太阳能割草机器人的研究己经十多年了，并且积累了一定经验，但是现在比较成熟的产品应该是瑞典Electrolux公司开发的HusqvarnaAutoMower太阳能割草机器人系列如图1.1所示。它是以蓄电池与太阳能电池板共同为系统提供能源。HusqvarnaAutoMower在比较好的天气下每天大概能割0.65英亩的草坪，比只利用蓄电池的割草机割草面积的大小大概可以提高25%。但是在HusqvarnaAutoMower割草的区域的四周仍然需要铺设导线，以便于为太阳能割草机器人提供导航与边界标示。图1.1HusqvarnaAutoMower在国内，太阳能割草机器人还处于起步发展阶段，现在投放市场3的产品只有桂林豪明生物环保能源有限责任公司生产的肩背式太阳能割草机，如图1.2所示，它对太阳能在割草机上的应用起到技术积累的功效。智能化的太阳能割草机在大中院校做了一些实验性的研究，虽然取得了一定的成果，但是到现在为止还没有推出成品化的机器。图1.2肩背式太阳能割草机第二章太阳能割草机器人总体方案的设计本课题研究的对象为智能环保的家用割草机，它是一个综合的体系结构，其集成了能源利用、机械机构、智能控制、环境的感知、行为的规划、智能决策等多种技术。本文从实用出发讨论了割草机车体的选型，能量管理，硬件电路的设计以及嵌入式数据库系统和硬件的控制算法。2.1太阳能割草机器人设计要求太阳能草坪割草机的基本任务就是完成草坪的割草工作。由于它采用了太阳能作为能源，电动机作为动力，其结构与传统的机械式割4草机有很大的区别，对其设计要求除了满足传统割草机的工作要求之外，还有一些特殊的设计要求。其设计要求包括以下几个方面:(1)工作要求:割草宽度46cm(18inches),割草高度25-55mm(1-2.2inch);割草电机转速3500r/min;最大行进速度0.4m/s;转弯半径为零。(2)结构要求:太阳能草坪割草机在结构上要简洁，除去不必要的结构，来减轻整机重量。(3)操作要求:太阳能割草机要求操作简单，在无人职守的情况下可以独立完成割草任务。2.2太阳能割草机器人本体结构的设计与机械式割草机相比，太阳能割草机器人能量和控制的传递是通过柔性的电线而不是刚性的机构，这使太阳能割草机便于模块化，因此本系统将太阳能割草机分为四个模块:能量系统，电机驱动系统，控制系统，割草系统。能量系统主要有控制器，蓄电池，太阳能电池池，电流调节器组成;电机驱动模块主要由驱动电机和驱动轮驱动组成，其作用是通过差动方式使太阳能割草机器人完成前进、后退、转弯;割草系统主要由割草电机，割刀及高度调节机构组成;控制系统主要有控制器与传感器组成;除此之外还有割草机器人壳体等。太阳能割草机器人的基本结构如图2.1所示，其中粗实线为能量流动方向，细实线为控制信号方向，粗浅色线为机械传动连接。5图2.1太阳能割草机的基本结构2.2.1太阳能割草机器人关键部件的选择现在割草机的运动方式主要有轮式、履带式、足式等;履带式割草机一般用于坡度较大的环境中，足式割草机一般用于特殊的场合，在比较平坦的环境下轮式割草机应用广泛。由于家庭草坪与公共绿地地形平坦，因此本系统采用轮式运动方式。目前草坪机械主要有两个基本类型:滚刀式修剪机和旋刀式修剪机，而滚刀价格较高，且要求严格的保养，所以割草机采用旋刀式设计，即以高速水平旋转的刀片把草割下。对于家用割草机器人来说，其割刀尺寸不应过大，因此割刀采用单刀片。割刀刀片由高速直流电6机驱动。割刀驱动电机在割草机中高速运转，因此割草机内部应该有足够的空间散热。蓄电池为割草机另一个能量源，在外部光照不足时起到主要供能的作用，选择蓄电池的好坏会影响到割草机的寿命的长短。现在常用的蓄电池为镍福蓄电池、铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、铿电池。虽然镍福电池和铅酸电池制作简单价格便宜，但是福元素和铅元素会污染环境。镍氢电池具有较好的低温放电性，且报废后无污染，但是镍氢电池高温性能比较差，在阳光下易于氧化，使蓄电池寿命过短，因此镍氢电池不太适合本系统。铿电池具有容量高、质量轻、充放电效率高等优点;虽然价格相对其它三种高，但其性价比具有更大的优势，因此本系统采用铿电池作为蓄电池。在太阳能割草机中，电机的用途主要分为两个种类:一种，电机用来驱动割草刀片的高速旋转，称为割草电机;另一种，电机用来驱动割草机车轮的行走，称为行走驱动电机。由于直流电机具有良好的起、制动性能，适于在大范围内平滑调速，因此本系统使用直流电机。直流电机又分为有刷直流电机和无刷直流电机，但是有刷直流电机易于磨损，所以本系统采用无刷直流电机。2.2.2太阳能割草机部件分布本割草机器人本体采用三轮小车机构的设计，前轮为其起导向作用的万向轮，两后轮为两个电机差动驱动的驱动轮，这种结构的优点是:控制实现简单，只需分别控制后两轮驱动电机的转速和转角，就7能准确控制自动割草机器的动作，转弯非常灵活，特别是能实现零半径转弯，有利于移动机器人在行走过程中对障碍物进行实时避障。蓄电池为割草机最重的部件，由于要保证万向轮具有高的灵活度，不可以在万向轮上加载过大的力，因此将蓄电池放在割草机的后部。割草机的割刀安装在刀盘上这样可以增加转动惯量提高割草的质量。割草电机在高速旋转的过程中会产生大量的热能，为了避免人割草机内部的积累，将割刀放在割草机空间较大前半部分。具体的结构如图2.2所示。1、万向轮2、刀盘3、割刀4、割草机外壳5、液晶显示器及键盘6、蓄电池7、驱动轮8、变速器9、驱动电机10、控制板11、割草电机图2.2割草机的结构图太阳能电池板采用帖附方式，将太阳能电池板薄片贴在割草机