休閑園林割草機器人設(shè)計及性能測試

陳 峰，趙 萍

(1.沈陽理工大學(xué)，沈陽 110168；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，沈陽 110866)

0 引言

隨著園林城市化、休閑化及多元功能化的發(fā)展，對于園林景觀的功能及要求日益提高，作業(yè)于園林草地的割草機器人作為一種應(yīng)用廣泛的草坪機械，起著不可或缺的作用。為進一步達到高效修整草地、美化園林的目標，不斷對割草機器人進行優(yōu)化設(shè)計、完善工作性能勢在必行。割草機器人的自動控制作業(yè)性能決定了其園林修飾及作業(yè)效率的高低。圖1為應(yīng)用于休閑園林的割草機器人外觀簡圖。

圖1 休閑園林割草機器人外觀簡圖

休閑園林割草機器人集準確識別、自動割草、智能避障及返回自充電功能于一身，通過內(nèi)置電動馬達、精度高的傳感裝置及輸入控制程序?qū)崿F(xiàn)割草作業(yè)。割草機器人的工作首要環(huán)節(jié)是對草地圖像進行精準識別，通過不間斷進行信息融合與提取、路徑實時規(guī)劃與調(diào)整，在導(dǎo)航控制定位的指導(dǎo)下開展工作邊界建立與割草作業(yè)。其中，傳感與控制至關(guān)重要。本文將對休閑園林割草機器人的關(guān)鍵部件進行設(shè)計改進試驗，達到更為人性化的性能要求。

1 設(shè)計方案

根據(jù)休閑園林智能割草機器人的工作原理，在傳統(tǒng)割草作業(yè)的基礎(chǔ)上，對其整體的控制方案進行設(shè)計優(yōu)化，主要控制組成如圖2所示。

圖2 休閑園林割草機器人控制系統(tǒng)組成

此設(shè)計方案主要包含割草機器人的軟硬件、路徑規(guī)劃與路障等方面的改進。針對軟件，主要是控制驅(qū)動的優(yōu)化，包括中間層、應(yīng)用層及中心驅(qū)動模塊的細節(jié)設(shè)計；針對硬件，在定位、超聲測距和羅盤控制等方面進行優(yōu)化整合，形成能夠進行閉合協(xié)調(diào)作業(yè)的控制回路，在控制程序的驅(qū)動之下，展開進一步實地性能測試，達到良好作業(yè)效果。

1.1 軟件系統(tǒng)

休閑園林割草機器人的軟件部分主要包括攝像裝置控制程序及電機驅(qū)動程序等，如何成功協(xié)調(diào)各控制系統(tǒng)的運作是優(yōu)化的關(guān)鍵。表1給出攝像模塊的主要文件程序接口信號，攝像、傳遞、控制、顯示由此程序段調(diào)用執(zhí)行。在電機驅(qū)動控制階段則設(shè)計為閉環(huán)控制，控制流程如圖3所示。

表1 割草機器人攝像裝置主要程序及接口信號

圖3 休閑園林割草機器人簡易閉環(huán)控制

通過多任務(wù)嵌入控制各操作執(zhí)行硬件裝置，利用OS TaskCreate函數(shù)，實現(xiàn)各個傳感裝置之間的有序動作，最終控制割草機器人高效自主識別、智能并趨于人性路徑規(guī)劃。關(guān)鍵技術(shù)程序為：

int8 OSTaskCreate {

void (*task)(void *pd),

void * pdata,

OS_STK * ptos,

INT8U prio}

Void main (void)

{ ……

OSInit ();

OSTaskCreate (TaskStart,……);

OSStart ();}

void TaskStart (void *pdata)

{ ……

OSStartInit ();

for(; ;)

{ TaskStart代碼

}

}

1.2 硬件配置

在軟件程序控制下，對割草機器人的電機驅(qū)動、電路控制、行走裝置及割草執(zhí)行等裝置進行設(shè)計。硬件配置關(guān)鍵在于傳感模塊的優(yōu)化與電機型號選取。內(nèi)部微型刀片割草機構(gòu)設(shè)計還應(yīng)考慮傳動與碰撞等因素。工作時，在能量供應(yīng)系統(tǒng)匹配前提下，通過超聲波傳感裝置獲取休閑園林周邊環(huán)境作業(yè)信息，在中央電機與微處理控制系統(tǒng)的調(diào)配下，驅(qū)動行走機構(gòu)(包括碼盤、減速、轉(zhuǎn)向等構(gòu)件)，螺旋連續(xù)傳動方式自動調(diào)高，實現(xiàn)割草刀盤的升降與割草作業(yè)。硬件配置參數(shù)如下：①KS103超聲測距裝置；②HJ-IR2紅外避障部件；③鋰電池電源模塊：電流10Ah，電壓24V；④調(diào)高電機，功率60W，轉(zhuǎn)速4 000r/min。

2 路徑規(guī)劃與避障

2.1 路徑規(guī)劃優(yōu)化

利用標準草地圖像識別理論模型，進行草地顏色比例與草地邊緣比例的參數(shù)設(shè)定，以及草地與非草地及邊緣識別，并準確通過視覺傳感裝置進行角度方位反饋。HSI基礎(chǔ)判別方法為

針對邊緣控制算法,則采用如下公式進行判斷。若大于某一設(shè)定范圍值，則智能割草機器人給以判定結(jié)果并傳遞信息至中央控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)動作，即

G(x,y)=|Δxf(x,y)|+|Δyf(x,y)|

(1)

2.2 避障技術(shù)融入

在路徑規(guī)劃好的基礎(chǔ)上，得出割草機器人在各行走部件的控制下運動軌跡，如圖4所示。

圖4 休閑園林割草機器人運動學(xué)模型

結(jié)合機體的運動學(xué)原理，給出割草機器人的運動學(xué)模型，即

融入割草機器人避障技術(shù)，該避障過程關(guān)鍵點在于對草地進行模擬視覺化識別，對割草機器人周邊進行A、B、C、D區(qū)域劃分，如圖5所示。利用超聲波收發(fā)脈沖的優(yōu)勢，結(jié)合攝像頭定位調(diào)整功能，實現(xiàn)智能非接觸避障，即在割草機器人與障礙物進入一定范圍內(nèi)實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)角運動，及時改變割草作業(yè)方向。

圖5 休閑園林草地劃分區(qū)域示意圖

3 性能測試

利用矩形思維建立試驗的環(huán)境模型，進行割草機器人全區(qū)域覆蓋及路徑實時調(diào)整優(yōu)化，表2給出所選驅(qū)動電機關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。草地修整效率對比環(huán)節(jié)，實地性能測試的割草模塊針對休閑園林草地的品種特性等在合適的刀片作用下，實時實地發(fā)揮調(diào)高模塊性能，修剪整齊，且在障礙碰撞及避讓模塊系統(tǒng)下通過控制準確讓刀，進而有效地避開硬質(zhì)障礙物。各模塊間的相互協(xié)調(diào)作用使割草效率大大提高，可達2.5～3m2/min。

表2 割草機器人驅(qū)動電機關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)表

Table 2 The table of key technical parameters of the Mowing robot drive motor

參數(shù)編號參數(shù)名稱單位參數(shù)值1額定電壓V242額定電流A13轉(zhuǎn)速(空載)r/min604轉(zhuǎn)速(負載)r/min485轉(zhuǎn)矩kg·cm116減速比1:84

休閑園林割草機器人此次設(shè)計的核心在于行走作業(yè)模塊，采用PWM方式進行無級調(diào)速。通過對割草機器人行走模塊進行反復(fù)性能測試與設(shè)計期望值進行對比(見表3)，分別從割草機器人樣機的前進速度、爬坡能力、定位范圍等6大項性能進行實測。結(jié)果表明：割草機器人測試行走與預(yù)期設(shè)計吻合度較好，性能測試具有可行性。

表3 割草機器人性能測試參數(shù)對比

4 結(jié)論

在考慮智能割草機器人性能提升與成本兼顧的基礎(chǔ)上，針對休閑園林用割草機器人工作特點，以最小限度消耗能量為原則，有效融合當(dāng)前割草機器人自主識別、全區(qū)域覆蓋作業(yè)與避障實現(xiàn)等關(guān)鍵控制技術(shù)，從而對割草機器人的視覺感知系統(tǒng)、控制作業(yè)及避障系統(tǒng)等發(fā)面展開優(yōu)化設(shè)計。同時，對硬件裝置攝像頭、驅(qū)動電機等同步匹配選型，控制驅(qū)動程序及電路完善，并對其去進行性能測試，實現(xiàn)預(yù)期割草機器人路徑識別與軌跡優(yōu)化。結(jié)果表明：此割草機器人的設(shè)計及優(yōu)化可行，整體工作性能良好，可為相關(guān)專業(yè)人員深入開展割草機器人的智能化、通用化及模塊化設(shè)計提供有益的參考。