淺談基于5G網(wǎng)絡(luò)下的全智能草坪修剪機(jī)器人設(shè)計(jì)

董文亮，王雷，王沁軒

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大和5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐?；诖?，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步將有效提高其應(yīng)用的車輛無人駕駛和遠(yuǎn)程手術(shù)等領(lǐng)域的識(shí)別和操作精確性等，從而為人們的生活帶來巨大的便利。在這樣的背景下，本文主要聚焦于一款基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的全智能草坪修剪機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作，包括機(jī)器人的外形設(shè)計(jì)、內(nèi)部構(gòu)造機(jī)械設(shè)計(jì)和各個(gè)組成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，為實(shí)現(xiàn)更高的美觀性能，在城市規(guī)劃過程中為綠化帶劃出了較大的面積，從而增加了草坪等的修剪難度，以期通過設(shè)計(jì)并應(yīng)用全智能草坪修剪機(jī)器人提高工作效率，減輕工作量。

1 全智能草坪修剪機(jī)組成系統(tǒng)

基于5G網(wǎng)絡(luò)下的全智能草坪修剪機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分，分別是內(nèi)部電路系統(tǒng)和整體機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中，電路系統(tǒng)中的電路控制機(jī)制主要是圍繞單片機(jī)這一核心，實(shí)現(xiàn)GSM網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的對(duì)接，基于此，操控人員就可以通過與該全智能草坪修剪機(jī)適配的微信小程序，在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)利用GSM網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)對(duì)草坪修剪機(jī)進(jìn)行遙控操作。同時(shí)，這樣還有利于為草坪修剪機(jī)在工作過程中提供更加精確的定位信息。

1.1 智能草坪修剪機(jī)的手動(dòng)模式功能

在設(shè)計(jì)智能草坪修剪機(jī)的手動(dòng)模式時(shí)，需要充分考慮其應(yīng)該具備的無線通信、單片機(jī)控制、手機(jī)或其他遙控設(shè)備的可視化操作界面、超聲波躲避障礙和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等模塊的功能設(shè)計(jì)。

在智能草坪修剪機(jī)的手動(dòng)模式下，從操作到實(shí)現(xiàn)操作的過程如下。操控人員在手機(jī)或其他作為遙控設(shè)備的可視化操作界面輸入操作指令，并借助無線通信功能傳輸?shù)讲萜盒藜魴C(jī)的指令接收處，該指令被轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字信息并順利到達(dá)控制中心——單片機(jī)控制模塊，指令信息再次被分解和翻譯成不同的機(jī)器語(yǔ)言并精確地傳輸?shù)礁鱾€(gè)模塊。在這一過程中，不同的電機(jī)收到指令信息開始驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了草坪修剪機(jī)分別向前后左右各個(gè)方向的移動(dòng)。在草坪修剪機(jī)移動(dòng)的過程中，超聲波避障模塊的運(yùn)作使得機(jī)器在距離障礙物大約20cm的地方就能檢測(cè)并有效躲避開障礙物。在草坪修剪機(jī)躲避障礙物的過程中，遙控設(shè)備發(fā)出的指令級(jí)別低于單片機(jī)控制中心發(fā)出的指令級(jí)別，這樣就能夠避免出現(xiàn)機(jī)器前進(jìn)受阻甚至是受到外物撞擊造成損壞的情況。

1.2 智能草坪修剪機(jī)的自駕模式功能

在設(shè)計(jì)智能草坪修剪機(jī)的自駕模式時(shí)，除了上文中提到的手動(dòng)模式下的各個(gè)模塊功能外，還需要考慮自駕模式必須具備的高精度GPS定位模塊和掌控方位的舵機(jī)的功能設(shè)計(jì)。

智能草坪修剪機(jī)的自駕模式可以進(jìn)一步細(xì)分為兩類，實(shí)現(xiàn)過程如下。

在第一類自駕模式下，首先，需要了解草坪修剪機(jī)應(yīng)用的實(shí)際矩形草坪的長(zhǎng)度、寬度和面積等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)輸入遙控設(shè)備的可視化操作界面，同樣，這些數(shù)據(jù)信息將通過無線通信模塊傳輸?shù)綑C(jī)器內(nèi)部的單片機(jī)控制中心。自駕模式下的單片機(jī)控制模塊擁有獨(dú)特的算法，這些數(shù)據(jù)信息會(huì)在經(jīng)過一系列的計(jì)算過程中被輸出為三個(gè)結(jié)果，分別是修剪完成整塊草坪預(yù)計(jì)需要的時(shí)間T0，該時(shí)間結(jié)果會(huì)被反饋到遙控設(shè)備，并顯示在其可視化界面上。第二個(gè)結(jié)果是由延時(shí)函數(shù)計(jì)算得出的草坪修剪機(jī)在修剪草坪過程中所有直行的時(shí)間總和T1，而GPS高精度定位模塊的作用就在于修正機(jī)器的路線，確保整個(gè)修剪過程機(jī)器是在特定草坪區(qū)域內(nèi)保持直線前行的狀態(tài)，并將其精準(zhǔn)定位反映在遙控設(shè)備的可視化界面上。最后一個(gè)結(jié)果是跟進(jìn)草坪修剪機(jī)器外形參數(shù)計(jì)算得出的在修剪草坪全程中機(jī)器的轉(zhuǎn)彎周期數(shù)K0。其中，K0是程序編定的比較量，即意味著在實(shí)際修剪草坪的過程中，當(dāng)機(jī)器實(shí)際轉(zhuǎn)彎次數(shù)K與K0相等時(shí)，程序自動(dòng)判定修剪過程已經(jīng)結(jié)束，從而結(jié)束自駕模式進(jìn)入無線充電模式。

在第二類自駕模式下，將手機(jī)與草坪修剪機(jī)的GPS定位綁定在一起，利用手機(jī)上的微信小程序?qū)C(jī)器進(jìn)行操控。首先，在微信小程序上劃定需要修剪的矩形草坪區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，智能草坪修剪機(jī)利用內(nèi)部的灰度傳感器和超聲波傳感器開展草坪修剪工作，這兩個(gè)傳感器能夠有效確保草坪修剪機(jī)在規(guī)定區(qū)域內(nèi)修剪草坪，同時(shí)做到順利躲避障礙物。當(dāng)機(jī)器離開指定區(qū)域時(shí)，手機(jī)會(huì)接收到GPS傳送的定位信息并自動(dòng)傳輸信號(hào)讓機(jī)器返回規(guī)定區(qū)域。當(dāng)傳感器檢測(cè)到規(guī)定區(qū)域的草坪都已經(jīng)完成修剪時(shí)，機(jī)器同樣會(huì)自動(dòng)進(jìn)入無線充電模式。

1.3 智能草坪修剪機(jī)的一鍵返航功能

無論處于哪種模式，一鍵返航都是為了讓草坪修剪機(jī)進(jìn)入無線充電的模式。由于功能的相似性，在設(shè)計(jì)智能草坪修剪機(jī)的自駕模式和一鍵返航功能時(shí)，需要考慮的模塊具有高度的重合性。一鍵返航功能同樣有兩種操作方式，第一種是操控人員直接在遙控設(shè)備的可視化操作界面點(diǎn)擊一鍵返航功能鍵，第二種則是有草坪修剪機(jī)內(nèi)部的電路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控到機(jī)器的蓄電池電量不足或機(jī)器已經(jīng)完成規(guī)定的修剪任務(wù)兩種狀態(tài)，此時(shí)，該系統(tǒng)傳輸信號(hào)到單片機(jī)控制中心，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)一鍵返航操作。第二種操作方式下，機(jī)器在返回?zé)o線充電平臺(tái)的過程中，由超聲波避障模塊和GPS高精度定位模塊發(fā)揮上文中提到的相同的功能確保機(jī)器順利進(jìn)入無線充電模式。

1.4 無線充電平臺(tái)系統(tǒng)

智能草坪修剪機(jī)器的無線充電平臺(tái)依據(jù)的工作原理是磁耦合諧振式無線充電原理。具體的工作流程為當(dāng)草坪修剪機(jī)進(jìn)入無線充電模式時(shí)，由無線充電平臺(tái)的蓄電池或光伏電池為其傳輸電能。這些電能經(jīng)一系列的轉(zhuǎn)換成適用于草坪修剪機(jī)器的交流電并傳輸?shù)桨l(fā)射線圈端電路，經(jīng)過其中的磁場(chǎng)作用的直流電能最終從接收線圈端進(jìn)入并儲(chǔ)存在草坪修剪機(jī)器內(nèi)部的蓄電池內(nèi)。其中涉及的發(fā)射端和接收端線圈使用的金屬材料通常都是銅，形狀則為最常見的平面螺旋結(jié)構(gòu)。這一過程電流通過的電路匹配的電容包括電路寄生電容和外部補(bǔ)償電容兩種，當(dāng)蓄電池中的電能充滿時(shí)，電容會(huì)檢測(cè)到并自動(dòng)切斷接線圈，阻斷充電過程，從而起到保護(hù)電路以及保護(hù)整體機(jī)器不受破壞。

1.5 光伏雙軸追蹤發(fā)電系統(tǒng)

光伏雙軸追蹤發(fā)電系統(tǒng)是由追蹤系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)兩部分組成的。光伏雙軸追蹤是指整個(gè)過程是由光線經(jīng)由采集電路模塊的光敏電阻到單片機(jī)控制系統(tǒng)，再到電機(jī)控制模塊，在其中經(jīng)過一系列的信號(hào)轉(zhuǎn)換最終實(shí)現(xiàn)光伏組件在水平方向和垂直方向上的調(diào)整。光伏充電整個(gè)過程主要是單晶硅高效太陽(yáng)能電池組件發(fā)出電能，電能依次通過充電穩(wěn)壓模塊、電能儲(chǔ)存系統(tǒng)和電壓跟蹤系統(tǒng)，輸出為電壓和頻率穩(wěn)定的電能，最終被儲(chǔ)存在草坪修剪機(jī)內(nèi)部的蓄電池內(nèi)。

1.6 智能草坪修剪機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)較高的修剪效率和呈現(xiàn)出較好的修剪效果，在對(duì)智能草坪修剪機(jī)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，通常選用鋸齒刀型。除了修剪刀外，還根據(jù)實(shí)際需求為機(jī)器配備了收集容納草料和卸載草料的裝置。當(dāng)裝置內(nèi)的草料裝滿時(shí)，草料的卸載操作同樣是在傳感器和單片機(jī)控制中心的共同協(xié)作下實(shí)現(xiàn)的。

2 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，我國(guó)各類計(jì)算機(jī)信息技術(shù)發(fā)展十分迅速，尤其是5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展更是當(dāng)前社會(huì)各界關(guān)注的熱點(diǎn)問題。為了實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更好地服務(wù)于人們的日常生活這一目標(biāo)，本文主要從基于5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一款全智能的草坪修剪機(jī)器人的設(shè)計(jì)出發(fā)，分別探討了機(jī)器的手動(dòng)模式、自駕模式、一鍵返航功能、無線充電平臺(tái)系統(tǒng)、光伏雙軸追蹤發(fā)電系統(tǒng)以及整體的機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的工作原理和涉及的模塊功能的設(shè)計(jì)工作內(nèi)容，以期通過對(duì)這款全智能機(jī)器的設(shè)計(jì)工作的分析，映射出5G網(wǎng)絡(luò)在未來可能為人們帶來的生活方面的巨大便利。