自動(dòng)割草機(jī)器人的傳感器選擇及路徑規(guī)劃簡(jiǎn)介

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上寧波理工學(xué)院題 目 自動(dòng)割草機(jī)器人的傳感器選擇及路徑規(guī)劃簡(jiǎn)介姓 名 蔡炳清學(xué) 號(hào) s分院(系) 機(jī)能分院專業(yè)班級(jí) 機(jī)械制造及其自動(dòng)化完成時(shí)間 2012 年5 月7日自動(dòng)割草機(jī)器人的傳感器選擇及路徑規(guī)劃簡(jiǎn)介自動(dòng)割草機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于家庭庭院草坪的維護(hù)、大型草地的修剪。自動(dòng)割草機(jī)器人的平臺(tái)融合了運(yùn)動(dòng)控制、多傳感器融合、路徑規(guī)劃等技術(shù)。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自動(dòng)割草機(jī)器人主控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3大部分組成。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要通過單片機(jī)給出的多路PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號(hào)對(duì)自動(dòng)割草機(jī)器人的行動(dòng)電機(jī)以及割草電機(jī)進(jìn)行控制。傳感器系統(tǒng)由電

2、子籬笆傳感器、光電開關(guān)傳感器、碰撞開關(guān)傳感器、雨水傳感器、無線遙控接收模塊等組成。其中，電子籬笆傳感器用于探測(cè)割草區(qū)域的邊緣； 光電開關(guān)傳感器用于避開慢速的或者靜止的障礙物； 碰撞開關(guān)傳感器用于避開快速的或者主動(dòng)碰向割草機(jī)的物體； 雨水傳感器用于檢測(cè)下雨天氣，并且相應(yīng)作出回基站的操作；傾角開關(guān)傳感器用于安全措施，防止自動(dòng)割草機(jī)器人在割草過程中發(fā)生意外事件翻倒，一旦傳感器檢測(cè)的角度超過設(shè)定的閾值，系統(tǒng)自動(dòng)停止一切工作，進(jìn)入休眠狀態(tài)；無線遙控部分用于方便使用者無線控制自動(dòng)割草機(jī)器人，無線遙控的距離約20 m。各個(gè)系統(tǒng)都采用模塊化設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性高、升級(jí)維護(hù)方便、二次開發(fā)周期短。表1 為自動(dòng)割草機(jī)器人

3、參數(shù)表。2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主控系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在此處省略，主要說下傳感器系統(tǒng)2.1 電子籬笆感應(yīng)電路電子籬笆傳感器是自動(dòng)割草機(jī)器人最重要的傳感器，它可以使割草機(jī)不走出工作區(qū)域（由連在基站上的電線圍成的區(qū)域）,這樣可以保證自動(dòng)割草機(jī)器人工作在有效區(qū)域。電子籬笆傳感器感應(yīng)的是電子籬笆所發(fā)出的一定頻率的脈沖信號(hào)，感應(yīng)線圈在靠近通有交變電流的電線邊界時(shí)，會(huì)產(chǎn)生特定頻率的感應(yīng)電流,根據(jù)檢測(cè)特定頻率下信號(hào)幅度的大小可以得到割草機(jī)是否接近邊界的信息。電子籬笆傳感器在感應(yīng)出信號(hào)后進(jìn)行放大、濾波，然后再送入單片機(jī)的AD輸入端口。實(shí)驗(yàn)證明，越是接近電子籬笆邊界，感應(yīng)出給MCU的電壓越大，選擇一個(gè)合適的閾值進(jìn)行判

4、斷就可以得到割草機(jī)的狀態(tài)。在實(shí)際中設(shè)定接近邊界還有3cm時(shí)感應(yīng)出的電壓大小作為閾值，割草機(jī)在接收這個(gè)信號(hào)后就會(huì)給出相應(yīng)的處理，如后轉(zhuǎn)彎180°然后繼續(xù)前進(jìn)。電子籬笆檢測(cè)電路圖如圖3。2.2 傾角開關(guān)在割草機(jī)運(yùn)行過程中，有可能因?yàn)橐馔馐垢畈輽C(jī)傾斜或者翻倒。由于割草機(jī)底盤有一對(duì)高速運(yùn)行的割草刀片，所以底盤暴露在外面就會(huì)威脅到人或者動(dòng)物的安全。在車子傾斜到一定角度時(shí)，傾角開關(guān)就會(huì)給出一個(gè)開關(guān)信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)這個(gè)信號(hào)關(guān)斷所有的電機(jī)控制信號(hào)，并且進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待操作者手動(dòng)開機(jī)。2.3 碰撞開關(guān)碰撞開關(guān)是為了讓割草機(jī)可以躲開光電避障開關(guān)檢測(cè)不到的盲區(qū)障礙物和快速移動(dòng)物體，是一種被動(dòng)的避障方式。

5、碰撞開關(guān)的原理是在割草機(jī)被外物碰撞到前方的一個(gè)機(jī)械的彈簧結(jié)構(gòu)后，會(huì)讓一個(gè)觸點(diǎn)短路， 這樣能給單片機(jī)一個(gè)低電平信號(hào)， 通知單片機(jī)遇到了障礙物， 單片機(jī)就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的避障措施。2.4 雨水傳感器雨水傳感器由一個(gè)濕敏電阻和一個(gè)比較器組成。在正常工作情況下，濕敏電阻阻值為1 M左右，這樣可使比較器輸出為高(正極電壓( 約2.5 V)大于負(fù)極電壓(約2V)。如果有雨水碰到濕敏電阻， 則電阻的阻值會(huì)急劇下降到1 k左右，比較器輸出為低(正極電壓(約0 V) 小于負(fù)極(約2V)。這樣就能使單片機(jī)得到雨水感應(yīng)信號(hào)，執(zhí)行回基站避雨的操作。圖4為雨水傳感器電路圖。2.5 光電開關(guān)避障光電避障是最主要的避障方式，也

6、是一種主動(dòng)的避障方式。優(yōu)點(diǎn)是不用碰到障礙物就可以檢測(cè)到并且躲開，避免直接碰撞到障礙物。光電開關(guān)可檢測(cè)的距離可以根據(jù)實(shí)際控制的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。2.6 傳感器在車體位置上的排布多傳感器系統(tǒng)傳感器的位置和排布對(duì)于控制精度有很大影響， 在借鑒了其他多傳感器系統(tǒng)的排布后，設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)的傳感器排布圖， 如圖5 所示。A1、A2、A3、A4 都是電子籬笆探頭的放置位置。B1和B2是光電傳感器和碰撞開關(guān)的安裝位置，盡量放在邊緣有利于檢測(cè)障礙物減小檢測(cè)的盲區(qū)。其中，A3、A4這兩個(gè)電子籬笆探頭主要用于檢測(cè)前端電子籬笆區(qū)域，如果檢測(cè)到，執(zhí)行后退再轉(zhuǎn)向的動(dòng)作。A1、A2則是用于進(jìn)入基站時(shí)的尋線，因?yàn)檫M(jìn)入基站的任務(wù)是通

7、過首先尋找到邊界的電子籬笆線，然后再切入電子籬笆線中，最后通過尋線的方式一直走入基站。A1、A2也可以在自動(dòng)割草時(shí)發(fā)揮作用，避免割草機(jī)走出邊界， 特別是在割草區(qū)域的邊角地帶，成為處理邊界算法中的一個(gè)重要輔助信號(hào)。3 割草路徑規(guī)劃自動(dòng)割草機(jī)器人路徑規(guī)劃的遍歷策略是割草機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，涉及到割草機(jī)割草的效率。合理的遍歷策略可以使自動(dòng)割草機(jī)器人在最短的時(shí)間內(nèi)遍歷整個(gè)割草區(qū)域。常用的割草策略主要有兩種方式：直線運(yùn)行方式和邊界跟蹤運(yùn)行方式。兩種覆蓋區(qū)域方式如圖7、圖8所示。采用直線運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向處會(huì)有不可避免的重疊路徑，使總的運(yùn)行距離增加； 采用邊界跟蹤的方式時(shí)，需要機(jī)器人不斷地調(diào)整進(jìn)行方向， 容

8、易帶來誤差。針對(duì)自動(dòng)割草機(jī)器人以單片機(jī)為核心的控制器而言，需要自動(dòng)割草機(jī)器人的運(yùn)行軌跡盡量簡(jiǎn)單化和規(guī)范化。因此采取直線運(yùn)行方式遍歷子區(qū)間，在前向的電子籬笆傳感器感應(yīng)到邊界后 割草機(jī)器人后退一小段距離， 然后以一個(gè)輪子為中心，另一個(gè)輪子左轉(zhuǎn)（ 或右轉(zhuǎn)）180°，完成掉頭，然后繼續(xù)前進(jìn)，下次再碰到邊界就向相反的方向旋轉(zhuǎn)180°，這樣就可以做到區(qū)域的覆蓋。3.1 割草邊界區(qū)域的處理方法割草機(jī)器人在區(qū)域的邊角處行走是最容易出現(xiàn)問題的時(shí)候， 不合理的行走策略可能導(dǎo)致割草機(jī)器人走出邊界。所以要利用割草機(jī)器人現(xiàn)有的傳感器去選擇在區(qū)域邊角的運(yùn)行策略。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 出現(xiàn)越界問題的情況主要有

9、兩種。(1) 割草機(jī)到達(dá)邊界的一個(gè)角落，如圖9。在這種情況下割草機(jī)器人傳感器A4( 或者A3) 首先檢測(cè)到邊界L1的信息，根據(jù)直線運(yùn)行方式就應(yīng)該先后退再向左轉(zhuǎn)（或向右轉(zhuǎn)）。正常情況下走到這種角落時(shí)就應(yīng)該是先檢測(cè)到L1，然后后退一段距離，再向右方向轉(zhuǎn)180°。在轉(zhuǎn)彎的過程中，由于L2 的存在，A3就會(huì)感應(yīng)到角落的另外一個(gè)邊界L2，如果沒有特別的策略，就會(huì)執(zhí)行先后退一段距離，再向左轉(zhuǎn)180°的策略 這樣就很容易走出邊界，或者使控制變得混亂。要避免這種情況就需要在軟件上做出改動(dòng)，即在轉(zhuǎn)彎過程中如果有其他傳感器檢測(cè)到邊界，就說明已經(jīng)到了另一個(gè)邊界角落的位置。最好的處理方法就是原路回轉(zhuǎn)過去，回到原位后再次左轉(zhuǎn)180°，開始從這個(gè)區(qū)域的頂端到另外一端的循環(huán)行走遍歷。(2) 割草機(jī)遇到了一個(gè)傾斜的邊界，如圖10。如果沒有特殊的策略，A4 檢測(cè)到邊界后，就執(zhí)行轉(zhuǎn)向的策略，這樣就會(huì)有