智能割草機器人設計1摘要本文首先對國內外市場上現存的智能割草機器人進行了介紹和比較，指出了現在智能割草機器人研制過程中需要注意的關鍵技術，并結合以往的成功經驗和現在的實際需求，選擇了結構易于實現的三輪車體結構。根據智能割草機器人控制系統(tǒng)要求，確定了以AT89C51單片機為核心的智能割草機器人控制方案，將智能割草機器人的控制系統(tǒng)劃分成了電機驅動單元、電機控制單元和傳感單元等幾個部分，最終確定了智能割草機器人的技術指標。針對上述要求，進行了智能割草機器人機械本體的設計。首先，根據相關的計算確定了所需驅動電機的參數，并以此為基礎進行了電機選型。然后根據選擇的電機情況為智能割草機器人設計了驅動系統(tǒng)的減速機構。最后，結合智能割草機器人的任務特點，為其設計了特制的割草機構?？刂葡到y(tǒng)是實現自動割草機器入自主執(zhí)行割草任務的關鍵部分，根據具體的任務要求結合低成本的思想，確定了為電機控制和傳感系統(tǒng)分別設置獨立處理芯片的策略，控制系統(tǒng)首先對各個傳感器件發(fā)送的環(huán)境信號進行預處理，再為智能割草機器人的運動控制反饋合適的環(huán)境信息。然后電機控制單元結合發(fā)送的信號對智能割草機器人進行相應的運動調節(jié)。關鍵詞:智能割草機器人；移動機器人機械本體設計；電機控制；傳感系統(tǒng)；割草機構1.1智能割草機器人研究的背景與意義1.1.1智能割草機器人概述隨著經濟的發(fā)展，各國城市建設逐漸深化，城區(qū)的綠化程度也隨之提高，大量的公園草坪、足球場草坪、GOLF球場草坪等公共綠地均需要進行維護。在各種草坪維護作業(yè)中，以草皮修剪工作最為繁重，不僅枯燥，而且重復性強，通常需要消耗大量的人力和物力。為了降低草坪維護作業(yè)的勞動強度和成本，近年來我國提出用現代電子技術和智能控制技術改造和提升草坪機械產業(yè)的戰(zhàn)略，希望在不久的將來用智能的智能割草機器人取代傳統(tǒng)的割草機。圖1.1智能割草機器人系統(tǒng)構成框圖智能割草機器人屬于民用戶外移動機器人領域，從系統(tǒng)科學的角度來講，它是集環(huán)境感知、路徑動態(tài)規(guī)劃與決策、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合機器人系統(tǒng)。圖1.1為智能割草機器人系統(tǒng)構成框圖，該圖概述了一個標準的全智能割草機器人系統(tǒng)，它通常由感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、移動機構和割草機構等四個部分組成。感知系統(tǒng)實時監(jiān)測外界環(huán)境變量、移動機構及割草機構運行參數，并將結果輸送到控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)將獲得的數據與自身的數據庫做比較，并參照路徑規(guī)劃對移動機構和割草機構發(fā)出修正指令，以獲得穩(wěn)定的運行情況。與傳統(tǒng)的草坪修剪機械相比，智能割草機器人具有環(huán)保、人力消耗低和高安全性等特點。1.1.2智能割草機器人的研究概況在智能割草機器人的研發(fā)領域，國外的許多公司做了大量的工作，己有部分產品上市如FrinediyMachines公司設計的Rboomower，是目前最成功的智能割草機器人產品之一，采用三輪小車的機構，兩個后輪獨立驅動，前輪為萬向輪,能以一定策略為基礎反復遷回運行于事先設定好的范圍內，當遇到障礙物后能通過超聲波傳感器檢測然后簡單繞行，但它不能保證除障礙物外的區(qū)域，缺乏全局地圖的概念，對是否已完成整塊草坪的3割草任務也沒有概念。除此以外還有其它類似的產品，各具特色，如意大利uzeehetti公司的osear其豪華版的A811brigio甚至還配備了雨水傳感器，當下雨的時候能自動躲避;瑞典Eleetr-ofux公司的Auotmower，除動力采用電池外，還可利用太陽能供電；比利時Berlbooties公司的BigMow,具備優(yōu)良的路徑算法，刀片覆蓋面積大,覆蓋率較高。國外的科研機構對割草機器人展開的研究主要偏向割草機器人的智能控制技術，導航技術和路徑規(guī)劃等方向，而針對割草機器人的系統(tǒng)設計相對較少。美國專利US4919224采用了蓄電池供電，能在預定時間啟動，具有避障防盜及自動充電等功能，采用三根導線來進行導航。當遇到下雨濕地及電源不足等以外情況時，返回車庫,該專利采用超聲波來探測障礙,用震蕩探測器及密碼來防止非法用戶操作機器；美國專利US5204814采用了優(yōu)化的導航技術，綜合利用存儲的路徑及環(huán)境信息，無磁無電流的金屬導線和埋在地下的金屬導線三種方式來指導割草機器人的移動，該專利還選用了內燃機做動力，配合發(fā)電機及電池組使用，采用分布式控制方式。國內對于割草機器人的研究起步時間較晚，參與該領域的研究單位也比較少，但仍取得了一定的成果。南京理工大學機械學院設計了MORO型移動割草機器人，并成功開發(fā)出了MORO.I、MORO.II等若干型割草機器人樣機。南京理工大學對割草機器人的總體設計、路徑規(guī)劃、避障、定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等從理論上進行了較全面的討論并提出了一種廉價實用的總體方案，還根據機器人動力學方程推導出驅動力矩的計算公式，為電機選擇、控制系統(tǒng)硬件電路主要元器件參數選擇提供了計算依據，為進一步深入研究割草機器人打下了基礎。MORO型移動割草機器人的主要導航設備為驅動輪編碼器和磁航向傳感器，能自動生成無信標邊界實現全區(qū)域覆蓋行走。該機器人的體積約為80X51X40cm3，重約50kg，刀片的轉速高達5000r/min，適用于大面積草坪的修剪工作。此外，南京理工大學還將機器人領域的前沿技術引用到割草機器人上來，如基于Internet的機器人控制技術和太陽能草坪割草機關鍵技術等。與其它輪式割草機器人不同，江蘇大學研制了一種履帶式割草機器人，具有GPS定位導航的功能，能高效高速地進行作業(yè)，適用于大面積的草場區(qū)域。此機器人由兩部分組成，一部分為廣茂達公司生產的AS.RF型機器人，另一部分為自行設計的割草機臺。此外，江蘇大學還針對不同的草坪給出了合理的切割高度，這為割草機器人的研究提供了重要的依據。41.1.3智能割草機器人研究的必要性隨著經濟的發(fā)展，草坪業(yè)已經成為了我國一種新興的產業(yè)。草坪基本上已經在全國城市園林綠化、運動場建設中普及應用。草坪業(yè)開始了一個緩慢、平穩(wěn)也是積蓄力量的發(fā)展時期。這促使草坪業(yè)開始經歷一個由勞動密集型到知識密集型的轉變過程，特別是草坪修剪維護工作，迫切需求一種效率更高，而人員消耗和能源消耗更低的草坪機械設備，但國外自動割草機器設備昂貴的價格和壟斷的技術制約了我國在自動化和智能化草坪機械方面的推廣進度，因此必須依靠自己的力量研究具有自主知識產權的智能割草機器人。在科技迅猛發(fā)展的今天，人們生活水平逐漸提高，一些應用于工業(yè)的科技正逐漸走出工廠，對智能割草機器人進行研究為服務機器人的發(fā)展提供了新的課題方向，也是服務機器人走向實際應用的一種嘗試和探索，更重要的是，智能割草機器人的研制能為服務型機器人產業(yè)化的進程提供有利的參考。此外，對智能割草機器人進行研究還有一定的學術價值，智能割草機器人屬于戶外移動型機器人，在割草時它將工作在開放的非結構化空間內，而如何實現機器人在非結構化空間的移動正是現今機器人研究的重要課題?；诟畈莨ぷ鞯奶攸c，還需要智能割草機器人能以一種比較理想的方法完全覆蓋整個工作區(qū)間，所反映的區(qū)域充滿路徑規(guī)劃問題也是路徑規(guī)劃的研究熱點。綜上所述，智能割草機器人的研究有著重要的商業(yè)價值、積極的社會價值和一定的學術價值，能側面地反映出我國自動化技術和機器人學的發(fā)展水平，因此開展對智能割草機器人相關研究工作是十分必要的。1.2課題研究的主要內容及構成本課題主要的任務是對研制一種適應國內市場需求的智能割草機器人。研究內容為:機器人機械本體設計、安裝；傳感系統(tǒng)選型和設計；機器人控制系統(tǒng)的設計；機器人路徑規(guī)劃等任務。課題主要研究內容和組織結構如下：第二章為智能割草機器人系統(tǒng)的總體方案設計。首先對國內外割草機器人的研究情況進行調研，收集相關資料，然后結合智能化割草作業(yè)的特點提出