基于STM32的智能草坪修剪机器人设计*

宋黎明，马福贵

（洛阳理工学院机器人学院，河南洛阳 471023）

0 引言

随着中国城市化进程的加快，草坪在城市绿化和居民生活区域中扮演着重要的角色。为了使草坪具有最佳的生长高度和观赏效果，需要定期进行修剪作业。传统的草坪修剪设备主要是手推式和背负式割草机，技术比较落后，人工成本高[1]，且由于自身问题会对环境造成一定污染[2]。智能草坪修剪机器人的出现将会改变这些状况，具有较大的研究价值和应用前景。

在20 世纪70 年代，西方发达国家对割草机器人展开研究，创造了割草机器人的原型。以色列Robomow、瑞典Husqvarna AutoMower和意大利Robo-Lawnmower等[3-5]系列的割草机器人都沿用了移动式的结构设计，智能化程度以及具有的功能却各不相同。在国内，江苏大学自主研发了具有倾角传感、定点割草等功能的，能够在各种不同地形草坪上采用随机式方式进行割草工作的割草机器人。上海大学研发的Kakamower具有四轮结构，具有自主定位、电子围栏等功能。杭州苏珀曼智能科技有限公司[7]研发的SupermanEzobot采用三角布局的割草刀片进行割草作业，提高了工作效率。综合分析，现阶段，关于草坪修剪机器人的研究主要侧重在智能控制技术上，针对机械结构、刀具却鲜有研究。本文通过改变修剪工具对草坪修剪机器人进行设计，为农业机器人设计提供了新的思路。

1 总体方案设计

智能草坪修剪机器人属于智能移动机器人范畴，是集机械、智能控制、传感器等多学科为一体的，应用机械结构设计、传感器技术、定位技术和全区域覆盖技术等实现全自动的修剪作业[5]。本文中针对草坪修剪问题，机器人应该具有以下功能：（1）能够通过调整刀具高度完成草坪修剪，提高机器人适用性；（2）能够自主规划避障路径，完成割草过程。基于以上分析，草坪修剪机器人设计主要包含机械结构设计和控制系统设计两部分，这两个部分相互依存，缺一不可，总体框架图如图1所示。

图1 修剪机器人总体框图

2 机械结构设计

修剪机器人本体必须具备良好的移动行走功能，从产品设计角度出发，一般情况下机器人工作的草地相对平整，因此采用四轮移动结构[8]。本体采用框架式结构，由连接管（空心）和三通管组合而成，如图2所示。为了能够尽量减轻机器人整体重量，本体结构材料采用ABS 树脂打印而成。修剪机构由刀具、高度调节装置、振动调节装置和吹风装置组成，如图3所示。刀具由外圈钢绳8和直钢绳9组成。高度调节装置用来调节刀具装置的高度，修剪不同高度的草坪。振动调节装置用来调整不同切割力度。吹风装置能够加快散热和除去直钢绳表面的草汁和草屑。

图2 机器人本体结构组成图

图3 修剪机构组成图

3 控制系统设计

根据修剪机器人的预实现功能，设计控制系统结构如图4所示。控制系统中由编码器采集驱动电机速度信号，通过处理器实现速度闭环，由倾角传感器和电子罗盘信号信息融合得到倾角信息，通过处理器实现闭环控制，实现电机的双闭环PID 控制[9]，如图5 所示，进而较好地完成自主修剪草坪的任务。

图4 控制系统结构图

PID控制具有较强的稳定性，因此在电机控制中占有主导地位，控制的方式为：

图5 多传感器融合的双闭环PID控制

式中：Ti、Td、Kp分别表示积分、微分和比例系数[10]。

3.1 硬件配置

根据机器人机械结构和控制系统结构的要求，硬件配置的关键在于主控系统、电机和传感器的选型。本文中选用STM32F103 作为主控板，STM32 可以提供丰富的GPIO 数量，并且具有不断接收和解析数据的能力。机器人中使用的电机可以分为两类，一类是机器人中驱动电机，用于机器人移动的，另一类是调高电机、旋转电机，其中调高电机用来实现刀具装置的升降，旋转电机用来控制刀具的转速，两种共同实现割草作业。因此，驱动电机选择无刷直流电机（电压：24 V，功率：18 W，转速：12 r/min）；调高电机选择直流减速电机（电压：24 V，功率：8 W，转速：500 r/min），输出轴为螺纹轴；旋转电机选择永磁直流电机（电压：24 V，功率：15 W，转速：2 000～4 000 r/min）。同时，选用L298直流电机控制芯片对直流电机进行控制。

修剪机器人在运行过程中需要通过超声波传感器获取草坪中的障碍物；倾角传感器测得行驶过程中机器人与地面的倾角，计算地面凹凸高度，进而调高装置调整直钢绳高度或判断是否绕道而行；电子罗盘获取方向信息，保证机器人能够直线行走，安装时应远离电机并做好防护措施，同时辅助GPS 定位模块完成机器人定位；为了能够测得周围人或动物的情况，增加了人体热释传感器。传感器配置如表1所示。

表1 传感器配置表

3.2 软件设计

控制系统软件设计是整个系统的核心部分。在对驱动控制器进行控制之前，需要明确机器人软件部分的内容。本机器人软件部分主要传感器驱动程序和电机驱动程序等，如何能够实现多传感器信息融合实现电机控制是关键[11]。为此，将软件系统划分为驱动控制层和应用控制层。驱动控制层包括时钟驱动程序、超声波传感器、人体热释传感器等外设的驱动程序以及中断初始化程序；应用控制层包括电机驱动程序、全覆盖路径规划、跟踪、显示等应用程序。具体流程图如图6所示。

图6 软件系统流程图

4 性能测试

机器人关键技术是移动作业，驱动模块采用PWM方式进行调速控制[12]。本文中分别从前进速度、电池能力、刹车能力、刀具高度调整等方面进行反复多次性能测试，结果如表2所示。结果表明，机器人刀具高度调整、移动性能与设计参数吻合度较高，性能测试具有一定可行性。

表2 机器人性能参数对比

本文的设计重点是新型刀具的设计，在实验中重点测试刀具的草坪修剪效果，结果如图7 所示。由于机器人采用呈三角形布置的3 组刀具装置，修剪宽度达到56 cm，经过各模块相互协调作用，能够达到6.04m2/min，修剪效率大大提高，并且吹风装置能够将草屑吹离刀具并带走一定热量。

图7 修剪前后对比图

5 结束语

针对草坪修剪机器人现状，本文分别从结构上重新设计了本体和修剪机构，完成了修剪机构电机、风机、驱动电机和各类传感器等硬件的选型，编写了控制驱动程序，并进行了性能测试。测试结果表明：

（1）修剪机构中新型刀具能够满足草坪修剪的任务，结构简单、噪声小；

（2）采用的路径规划方式和避障方法能够实现机器人正常、稳定运行；

（3）修剪装置呈三角形分布，提高了修剪宽度，进而提高了修剪效率。

本设计未采用复杂的路径规划和轨迹跟踪的算法，后期将从轨迹、路径方面进行优化设计。综上所述，本设计实现了草坪修剪机器人的预期要求，为农业机器人智能化、模块化设计提供了新的思路。