一種自動(dòng)割草機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

◎葛 陽(yáng)

（青島工學(xué)院 266300）

自動(dòng)割草機(jī)屬于智能機(jī)器人的一種，功能是自動(dòng)完成割草，不需要人力。其工作優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需人力比較安全，噪音比較小，效率相對(duì)人工高。但缺點(diǎn)相對(duì)而言存在可靠性比較低，靈活性差，價(jià)格貴，移植性不好，采用單片機(jī)作為控制單元，對(duì)體積的控制不方便，價(jià)格相對(duì)較高。在設(shè)計(jì)中，采用運(yùn)動(dòng)控制器，其優(yōu)勢(shì)在于處理速度滿足要求，可靠性比較高。自動(dòng)割草機(jī)在工作過(guò)程中，會(huì)沿著制定的路線開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，在限定的范圍內(nèi)，割草機(jī)會(huì)自動(dòng)回避障礙物，完成割草工作，為草坪的維護(hù)和管理提供了更好的解決方案。

一、自動(dòng)割草機(jī)硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)割草機(jī)主體構(gòu)成為一輛小車，四輪結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向裝置為萬(wàn)向輪結(jié)構(gòu)的前輪，后輪驅(qū)動(dòng)使用伺服電機(jī)。工作情況下，后輪在系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)下做出動(dòng)作，前輪由后輪動(dòng)作改變運(yùn)動(dòng)方向，不需要人為干預(yù)，自動(dòng)工作。

二、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

自動(dòng)割草機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用模塊化的方式，優(yōu)點(diǎn)是比較直觀、效率高?？刂葡到y(tǒng)的各個(gè)部分獨(dú)立工作，工作過(guò)程中又都相關(guān)，如果有其中一個(gè)模塊發(fā)生損壞，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程都將被影響?？刂葡到y(tǒng)的組成主要由五個(gè)模塊組成，分別為執(zhí)行模塊、管理模塊、控制模塊、交互模塊以及反饋與檢測(cè)模塊。

運(yùn)動(dòng)控制器與上位機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器等進(jìn)行準(zhǔn)確快速地通訊。運(yùn)動(dòng)控制器的特點(diǎn)是響應(yīng)快，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)地傳輸和處理，由于反饋快速有效，控制效果好，準(zhǔn)確度高。運(yùn)動(dòng)控制器主要是接收檢測(cè)裝置的各種信息的同步反饋，另外根據(jù)得到的信息，把相關(guān)的程序發(fā)送到伺服驅(qū)動(dòng)器。在伺服控制器的作用下，伺服電機(jī)按照指令開(kāi)始工作，自動(dòng)完成割草工作。

自動(dòng)割草機(jī)中使用的檢測(cè)裝置多為傳感器，主要有超聲波傳感器、紅外接觸傳感器、溫度傳感器、接觸傳感器等。超聲波傳感器用于自動(dòng)割草機(jī)在工作時(shí)與障礙物的距離檢測(cè)，但對(duì)其前方一段距離內(nèi)的障礙物不能及時(shí)進(jìn)行可靠地檢測(cè)，反饋效果差。為了檢測(cè)效果的準(zhǔn)確，有效規(guī)避各種障礙物，在系統(tǒng)中可加入紅外傳感器，專門進(jìn)行近距離的檢測(cè)，改進(jìn)工作效果。

伺服電機(jī)作為自動(dòng)割草機(jī)的執(zhí)行裝置，主要驅(qū)動(dòng)后輪，控制信號(hào)來(lái)自脈沖信號(hào)的輸入，這種控制方式能很好地保證精確度。采用位置控制模式對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行相關(guān)的控制，對(duì)相關(guān)的路徑定位也會(huì)更加準(zhǔn)確。伺服驅(qū)動(dòng)器把來(lái)自運(yùn)動(dòng)控制器的驅(qū)動(dòng)命令轉(zhuǎn)為脈沖信號(hào)，送到相關(guān)的伺服電機(jī)中。伺服電機(jī)采用差速控制的方式，兩個(gè)后輪產(chǎn)生不同的速度，自動(dòng)割草機(jī)的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行了有效控制。

三、軟件程序的設(shè)計(jì)

自動(dòng)割草機(jī)工作流程按照以下步驟進(jìn)行：首先打開(kāi)設(shè)備開(kāi)關(guān)，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，工作人員可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡的選擇，參數(shù)的設(shè)置。割草機(jī)開(kāi)始正常工作，一旦遇到障礙，系統(tǒng)會(huì)做出繼續(xù)工作還是中斷工作的判斷。如果遇到特殊情況，行走中斷，那么系統(tǒng)將重新進(jìn)行系統(tǒng)初始化，繼續(xù)工作。

工作情況下，運(yùn)動(dòng)控制器得到信息來(lái)控制執(zhí)行裝置，信息通過(guò)檢測(cè)裝置獲得，信息的輸入、指令信息的輸出，都是在運(yùn)動(dòng)控制器的輸入、輸出接口當(dāng)中來(lái)達(dá)到的。檢測(cè)裝置按照順序，跟運(yùn)動(dòng)控制器的輸入接口連接在一起；運(yùn)動(dòng)控制器的輸出口，連接執(zhí)行裝置。運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)檢測(cè)裝置檢測(cè)到的信號(hào)反饋進(jìn)來(lái)。根據(jù)這些信息，運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)割草機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行有效控制，完成相關(guān)的割草工作。

割草機(jī)的軟件編寫主要實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃工作。使用的是運(yùn)動(dòng)控制器自身所用的程序語(yǔ)言。程序完成后，要幫助自動(dòng)割草機(jī)完成整個(gè)工作期間的自動(dòng)化，并且要完成覆蓋全部需要處理的草坪，完成工作要求不能有漏割、少割等情況。路徑規(guī)劃在理論上有兩個(gè)方法：一個(gè)是擴(kuò)展覆蓋的方法，從中心開(kāi)始輻射；另一個(gè)是推進(jìn)覆蓋法，采用直線循環(huán)的方式。兩個(gè)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)：第一個(gè)方法，從一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始，作為中心，向四邊慢慢輻射，對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行全部的覆蓋遇到。在有障礙物的情況下，系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)工作，選擇有效避開(kāi)，并且不至于影響工作效果，此時(shí)會(huì)以障礙物為中心，重新工作，缺點(diǎn)是效率降低，運(yùn)行時(shí)路徑可能會(huì)覆蓋之前走過(guò)的區(qū)域，降低工作效率；第二個(gè)方法，采用一層一層推進(jìn)的方法，工作方式簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎較多，轉(zhuǎn)彎處會(huì)重復(fù)工作。優(yōu)點(diǎn)是遇到障礙物時(shí)候，不會(huì)影響原有的工作路徑的進(jìn)行，有效的規(guī)避工作，可以完成原定的整個(gè)工作區(qū)域，工作效率很高，重疊工作進(jìn)行了有效控制。

四、工作效果分析

整個(gè)工作過(guò)程，自動(dòng)割草機(jī)無(wú)需人工，過(guò)程自動(dòng)化，工作效率提高，成本降低。在每一個(gè)模塊的有效工作下，在規(guī)劃好路徑的情況下，自動(dòng)割草機(jī)完成工作狀況良好，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)相關(guān)的調(diào)整方案提供了有意義的參考。