基于三星S5PV210的智能割草机控制系统设计

宣 峰，韩孟洋

(河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000)

0 引言

随着经济的快速发展和城市绿化建设的深化，各个城市草坪面积越来越大，而修剪和维护草坪是一项繁重且枯燥的工作，往往需要投入大量的人力、物力和财力。在智能制造2025的大背景下，为了最大限度地减少维护草坪工作的劳动力成本，我国提出了结合智能控制和先进电子技术研制开发智能型割草机的发展战略，研究出一种适合大型场地的智能割草机，实现大型场地草坪维护工作的变革和创新，将为用户创造巨大的经济和社会价值。为此，本文以三星S5PV210微处理器为控制核心，设计和研发了一款智能割草机，能够自动识别草坪和路径规划，对于草坪维护工作具有重要意义。

1 智能割草机整体架构的设计

智能割草机是一个融合机械设计、环境感知、智能控制、路径动态规划和行为决策综合性系统。本章以割草机本体结构、控制系统结构及数据管理模块为切入点进行讨论分析，以确保智能割草机最终设计方案的合理性。

1.1 智能割草机本体结构的设计

智能割草机本体结构包括电源、割草、控制和驱动4个模块，如图1所示。电源模块包括锂电池、PWM电流控制器及电源控制电路等，主要是实现对割草机的锂电池进行合理充放电管理；割草模块包括直流电机、割刀和高度调整器等，负责割刀的驱动及割刀高度的调整；驱动模块包括机械传动装置、驱动电机和驱动轮3部分，负责割草机的前行、后退和转向；控制模块包括S5PV210处理器和传感器检测两部分，负责整个系统的控制及传感信号的采集与处理。

图1 智能割草机的本体结构框架Fig.1 The structure frame of the intelligent lawn mower

1.2 智能割草机控制系统结构的设计

智能割草机具有一定的人工智能水平，能通过多传感器组对作业区域环境进行实时感知，并根据感知的结果对自身的行为规划进行实时指导。智能割草机控制系统包括超声波障碍物检测、位置定位、电子罗盘和驱动控制等子系统，如图2所示。

微控制器将超声波传感器、位置接受传感器及电子罗盘等信息进行融合计算，可以得到割草机的实时坐标及障碍物的位置信息；另外，处理器还可以将其坐标与数据库中割草机已经走过的路径坐标进行比较，判断其是是否已经经过该区域，进一步规划割草机的运动路径。运动控制模块获得传送过来的运动策略，给电机驱动模块发送指令，进而采用差分方式驱动左右电机的运行，达到运动目的。

图2 智能割草机控制系统结构图Fig.2 The structure diagram of the control system of the intelligent mower

1.3 智能割草机控制系统数据管理模块的设计

在智能割草机控制系统数据管理模块的设计中，涉及到了电子地图、行走记录、边界判断及障碍物检测等信息。这些数据信息存储量大，且需要S5PV210处理器能够根据传感器检测进行快速的响应，要求处理器具有很强的实时性和高信息吞吐量。因此，本系统引入了Sqlite数据库，用于整个系统的数据存储、处理。系统数据管理模块如图3所示。

图3 智能割草机控制系统数据管理模块Fig.3 The data management module of the intelligent lawn mower control system

位置传感器确定智能割草机的位置信息后，将割草机的坐标发送给位置确定系统；障碍物检测系统则实时获得障碍物距离信息，然后微处理器将割草机位置与障碍物距离信息进行融合处理，并将结果存放在Sqlite数据库；最后，根据数据库解析结果对割草机的运动行为进行规划，并指导行为控制系统对割草机做出相应的动作指示。

2 智能割草机运动方式的设计

2.1 智能割草机运动结构模型

智能割草机一般是户外工作，工作环境比较差，且草坪比较柔软，往往会出现移动困难等问题。因此，割草机一般采用轮式、履带式和足式3种驱动方式：足式驱动方式动力足，移动速度快，一般适用于恶劣条件下的作业环境；轮式驱动根据轮子的多少又分为双轮、三轮和四轮，三轮驱动方式结构相对简单，承载能力也比较强，能够满足一般需要。由于智能割草机工作环境一般是在条件较好的草坪上，综上述讨论内容，本文用三轮驱动方式，具有结构简单及运动灵活的优势。智能割草机三轮驱动结构示意如图4所示。

图4 智能割草机三轮驱动结构图Fig.4 The three wheel drive structure diagram of intelligent lawn mower

2.2 智能割草机运动学模型

智能割草机运动模块是整个控制系统的重要模块，高效、稳定的运动系统是智能割草机高质量完成作业的前提。为了使割草机在作业过程中具有稳定、准确、灵活等优点，本文采用两轮差动驱动的方式控制割草机的移动，前轮的作用用于保持车身的平衡。智能割草机运动学模型如图5所示。

图5 智能割草机运动学模型Fig.5 The kinematic model of the intelligent lawn mower

智能割草机采用两轮差动驱动的驱动方式，在计算中以两后轮中心线中点为运动中心点，设vl和vr为机器动力轮的移动速度，其运动学模型计算方程为

(1)

(2)

将式(1)和式(2)联立离散化后得

(3)

(4)

其中，C(x,y)为模型计算参考点；θ为智能割草机的移动方向导向角；ω为智能割草机运动角速度；v为智能割草机的前进速度；L为智能割草机两后轮之间的距离；Ts为采样周期。

2.3 智能割草机运动路径规划

智能割草机运动路径规划的要求是割草机最后能够将整个目标草坪全部作业完毕，不会留下任何死角的地方。因此，合理的路径规划策略是割草机控制系统的重要部分，比较常用的运动路径规划策略有直线和边界跟踪两种剪草模式，如图6所示。

图6 割草机的两种剪草模式Fig.6 The two kinds of grass pattern of lawn mower

采用直线剪草模式时，割草机在转向过程中，会出现不同程度的重叠路径，增加割草机总行程；而采用边界跟踪剪草模式时，割草机器人转向频率会增加，重叠路径较直线剪草模式不会减少太多，但频繁转向带来的误差却会大大增加。因此，本文采用直线剪草模式遍历整块草坪区间，在前向的电子篱笆传感器判断即将达到草坪边缘时，割草机自动后退1个车身的距离，并左转180°，完整转向作业，这样就可以遍历整个割草区域。

3 智能割草机控制系统的软硬件设计

3.1 智能割草机控制系统硬件设计

智能割草机主体为一个三轮的移动小车，后轮采用差分双电机驱动的方式，前轮采用万向轮起到割草机方向引导的作用。智能割草机核心部分是控制割草机在指定区域按照要求进行移动，而不需要人为控制，也不涉及复杂的图像处理算法。系统只需要S5PV210微处理器通过GPIO管脚输出PWM，配合驱动控制模块便可控制小车的前进、后退、左转、右转等操作，实现智能割草的功能。智能割草机控制系统硬件框架如图7所示。

图7 智能割草机控制系统硬件框架图Fig.7 The hardware frame diagram of the control system of the intelligent mower

在小车的硬件设计中，为了更好地实现数据处理的高时效性和高高信息吞吐量，需要给S5PV210微处理配备强大的外设。S5PV210微处理器核心框架如图8所示。

图8 S5PV210处理器框架图Fig.8 The framework diagram of S5PV210 processor

S5PV210处理器外围器件主要包括UART、SDRAM(512MB)、JTAG、NandFlash(1G)、USB 、LCD、NorFlash(16MB)、网口(10M)、串口、SD/IF卡超声波传感器、电机驱动及电子罗盘等。

3.2 割草机器人控制系统软件设计

为了方便软件的扩展和移植，系统软件采用模块化的设计思想，程序采用C和C++混合编程，硬件开发环境为TITY210，软件开发环境为Uboot2013.01 和Linux 3.14。系统软件包括主程序、路径规划、电机驱动和传感器数据采集等多个模块。其中，路径规划子程序流程如图9所示。

4 测试与分析

为了验证该智能割草机控制系统是否满足设计需求及其智能程度的高低，特在某草坪区域进行了实地割草测试，试验结果如图10所示。

图10中，椭圆为割草机作业起点，方框为终点，三角形为障碍物区域。由此可以看出：该智能收割机实现了整个目标草坪的割草作业，没有留下任何死角地方，且路径规划路线最优；割草机成功避开了障碍物，在整个过程没有发生碰撞行为，成功地到达了终点，证明该智能割草机的高实时性和高可靠性。

图9 路径规划子程序流程图Fig.9 The subroutine flowchart of path planning

图10 试验结果图Fig.10 Test results

5 结论

以智能割草机为研究对象，重点介绍了割草机本体结构、控制系统结构及数据管理模块，搭建了割草机运动结构模型，建立了割草机运动学模型，讨论并设计了割草机的运动路径规划策略。为了验证该智能割草机的可行性和有效性，对智能割草机进行了实际割草测试。结果表明：各控制方案相对有效，能够实现整个目标草坪的割草作业，验证了智能割草机的高实时性和高可靠性。