模拟电子下割草机器人自适应系统设计

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摘要:针对割草机器人自适应性能和自动避障性能较差的问题，基于模拟电子技术对割草机器人的自适应系统进行设计。割草机器人采用模块化结构设计，主要组成包括单片机控制模块、机器人本体、传感器模块、电机驱动模块、电源模块和无线遥控模块。为提升割草机器人的自适应能力，并且能够识别障碍物和作业边界，对其进行动力学控制和边界识别方法设计，包括采用PID控制器对行驶过程进行控制、采用超声波传感器和电子篱笆传感器对障碍物和边界识别。为验证割草机器人性能，对其进行障碍物、边界检测和割草试验，结果表明:割草机器人能够达到对障碍物和边界检测的要求，且割草效果良好。

关键词:割草机器人;自适应系统;模拟电子;障碍物和边界识别;动力学控制;PID控制器

0引言

随着我国经济的发展和城市化进程的加快，城市绿化面积逐年增加，而草坪是其中最主要的绿化方式。为了保持这些草坪的美观和生长高度，需要投入大量的人力物力对草坪进行维护，且最为繁重的工作是草坪的修剪，工作重复性很强，造成人力成本的增加［1］。为了降低劳动成本，西方国家提出采用智能割草机器人进行草坪的修剪。智能割草机器人集成了机械设计、行为控制和传感器等技术，具有环境感知、路径规划和运动控制等功能，是能够自动割草的机器人设备［2］。与传统的割草机相比，其具有自动化和智能化程度较高、能耗较低和噪声低等优点，但是仍然存在无法根据地形调整作业状态和自动避障性能较差等问题。自适应系统通过采集被控对象的信息调整自身特性，以适应被控对象变化，从而产生自适应规律，使系统保持最优运行状态的系统［3］，具有适应复杂环境的特点。目前，自适应系统主要包括模糊自适应控制、增益自适应控制等方式，且已经在机器人、电力等领域具有较为广泛的应用，但目前还未在割草机器人中得到应用。模拟电子技术是模拟电子运行过程的一种设备，一般将其与超声波传感器联合应用于机器人的自适应系统，以实现作业过程中的避障作业。因此，可以考虑将自适应系统和模拟电子技术应用于割草机器人，以提升其状态控制和避障能力。

1硬件设计

1．1总体设计

割草机器人采用模块化结构设计，主要包括单片机控制模块、机器人本体、传感器模块、电机驱动模块、电源模块和无线遥控模块，如图1所示。

1．2单片机控制模块

单片机控制模块是割草机器人的核心控制模块，用于对机器人的整体进行控制，包括作业过程信息采集、处理和指令下达，直到完成整个作业过程。为了实现割草机的控制功能，单片机选择STC12c5410AD型号，主频最高可达40MHz，共设计有8路输入信号，可以满足作业过程中模拟信号的输入要求。

1．3机器人本体

机器人本体主要包括割草机器人车体和割草机构两大部分，设计原则是保证机器人作业过程中的安全性、可靠性和灵活性。对机器人车体的设计，主要包括两方面:一是确定其运动方式;二是确定其驱动方式。考虑到大面积草坪一般较为平整，工作条件相对较好，运动方式确定为轮式运动方式。为了保证机器人的灵活性和自适应程度，车轮采用三轮的差动驱动方式，即前方设置万向轮起导向作用，后方为两个同轴的驱动轮，分别安装1个驱动电机，以调节转速并控制转向。在轮轴中央设置旋转编码器，及时地采集机器人位置信息，传递至单片机［4－5］。割草机构简图如图2所示。在割草机构电机外部设计有割草机构电机外套，以增加电机运行过程热量的散发;割草刀片可上下调节，以适应不同高度的草坪，同时刀片可以从反方向弹开，防止割草过程中触碰物体导致刀片断裂的情况出现。

1．4传感器模块

传感器模块一方面用于检测机器人作业过程周围的障碍物信息，以及时地判断潜在危险并躲避;另一方面用于采集自身位置和周围环境信息，以对割草区域进行全区域路径覆盖规划［6］。传感器模块主要包括红外传感器、超声波传感器、人体释热传感器、接触传感器和电子篱笆传感器等。其中，电子篱笆传感器是最为重要的传感器之一，通过感应电子篱笆发出的脉冲信号，产生感应电流，以确定机器人是否到达边界区域附近。电子篱笆的检测电路如图3所示。

1．5电机驱动模块

电机驱动模块主要用于对机器人实现行驶和割草的智能控制。通过传感器模块接收到机器人作业和周围环境信息，实时传递给单片机模块，经处理分析后向电机驱动模块下达命令，控制机器人进行割草作业，从而实现机器人的智能控制。该模块主要包括行动电机驱动和割草机构电机驱动。工作时，根据机器人的行动要求，行动电机驱动模块又分为左驱动和右驱动，分别用于控制左右轮的电机，进而控制转向和行驶速度;割草机构电机则用于控制割草机构，进而控制割草速度。

1．6电源模块

电源模块主要用于为机器人的正常作业提供电量，采用18V电源进行供电，但由于各模块所需电压不同，根据需要采用不同稳压片来获取不同的电压。割草机器人所有模块共包含两种电压，分别为3V和5V，，稳压片分别选择为LM2576－5和AMS1117－3．3，两种电压的电源转换电路相同，如图4所示。

1．7无线遥控接收模块

无线遥控接收模块可根据需要进行安装，一般采用无线传感网进行信号的接收和发送，以保证对割草机器人的远程操控和监控。

2动力学控制和边界识别设计

割草机器人的智能化控制主要体现在其割草行为具有一定的功能性、分布性和自适应的特点，并且能够智能识别障碍物以及作业边界区域，因此需要对割草机器人的动力学控制和边界识别方法进行设计。

2．1动力学控制设计

割草机器人在作业过程中的行驶轨迹图如图5所示。首先，需要确定割草机器人的运动方程，将左右轮的编码器数值作为参数，结合行驶轨迹进行确定。机器人的运动方程为其中，(x0，y0)为机器人作业的初始位置;(xs，ys)为s时刻时机器人的位置;θ0为机器人作业初始航向角;θs为s时刻机器人的航向角;DSA和DSB分别为左轮和右轮由起始位置至s时刻位置距离;l为机器人两轮之间宽度。将编码器相关信息带入运动方程可得到以下方程，即其中，DA和DB分别为左轮和右轮用脉冲值表示的行驶距离;N为在s时间内的脉冲数量;m为齿轮的转速比;NA和NB分别为左轮和右轮的编码器脉冲数量。由于割草机器人在运动过程中的差动模型为非线性系统模型［7］，采用PID控制器对其进行分段线性控制，以实现对其速度和位置的控制［8］。分段控制器的设计模型如图6所示。该控制器的参数为Kp、Ki和Kd。其中Kp为比例调节增益，用于保证系统的相应速率;Ki为积分调节增益，用于减小调节过程的误差;Kd为微分调节增益，用于对系统进行超前调节。该PID调节器为数字增量式，符合以下要求，即

2．2边界识别方法设计

割草机器人在作业过程中，需要进行障碍物和割草边界识别。其中，障碍物识别通过超声波传感器进行识别，一旦检测到障碍物，即调整行驶方向进行躲避;割草边界识别则是在边界设置电子篱笆，利用电磁感应原理进行识别。在边界外围电路中，阻抗的大小与割草机器人至边界的距离有关，则其中，L为割草机器人内部线圈长度;C为常数;R为机器人内部线圈电阻;R(d)和L(d)为机器人与割草边界的距离函数。通过以上方法可以对割草机器人进行动力学控制，在作业过程中能够识别障碍物，调整行驶方向，还可以识别边界区域，使机器人在边界区域附近或者较远处作业。

3试验结果

本文主要对割草机器人的动力学控制方法和边界识别方法进行设计，主要进行以下两个试验:一是障碍物和边界检测试验;二是割草试验。

3．1障碍物和边界检测试验

将割草机器人放置于一片空地，在其前方将1块5cm×5cm的塑料板在机器人前方移动。一般超声波传感器的检测范围为距离障碍物5m，左右边线夹角60°范围;电子篱笆传感器检测范围为距离障碍物30m。开启割草机器人，将塑料板在机器人前方1、2、3、4m范围左右移动，分别由超声波传感器和电子篱笆传感器测量障碍物距离。为保证测量结果的准确性，每个距离测量3次，取平均值，结果如表1所示。由表1可知，超声波传感器和电子篱笆传感器的距离测量误差均在0．3%以下，测量结果重复性较好，可以满足割草机器人对于障碍物和边界检测的要求。

3．2割草试验

选择1片20m×20m的草坪区域，将割草机器人在草坪进行割草试验。草坪总面积为400m2，设定割草机器人的行驶速度为0．28m/s，开启机器人进行割草作业，试验结果如表2所示。由表2可知，割草机器人能够进行草坪全区域覆盖的割草，覆盖率为87%，割草效率为330m2/h。在割草过程中，设备运行状况良好，且没有出现越界行为，符合割草机器人的设计要求。

4结论

1)针对割草机器人自适应性能和自动避障性能较差的问题，基于模拟电子技术对割草机器人的自适应系统进行设计。割草机器人采用模块化结构设计，主要组成包括单片机控制模块、机器人本体、传感器模块、电机驱动模块、电源模块和无线遥控模块。2)为提升割草机器人的自适应能力，且能够识别障碍物和作业边界，对其进行动力学控制和边界识别方法设计，包括采用PID控制器对行驶过程进行控制，采用超声波传感器和电子篱笆传感器对障碍物和边界进行识别。3)为验证割草机器人性能，对其进行障碍物、边界检测和割草试验，结果表明:割草机器人能够达到对障碍物和边界检测的要求，且割草效果良好。

作者:李娟 秦芳 单位:河北传媒学院