模擬電子下割草機(jī)器人自適應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要:針對(duì)割草機(jī)器人自適應(yīng)性能和自動(dòng)避障性能較差的問(wèn)題，基于模擬電子技術(shù)對(duì)割草機(jī)器人的自適應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。割草機(jī)器人采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要組成包括單片機(jī)控制模塊、機(jī)器人本體、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊和無(wú)線遙控模塊。為提升割草機(jī)器人的自適應(yīng)能力，并且能夠識(shí)別障礙物和作業(yè)邊界，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)控制和邊界識(shí)別方法設(shè)計(jì)，包括采用PID控制器對(duì)行駛過(guò)程進(jìn)行控制、采用超聲波傳感器和電子籬笆傳感器對(duì)障礙物和邊界識(shí)別。為驗(yàn)證割草機(jī)器人性能，對(duì)其進(jìn)行障礙物、邊界檢測(cè)和割草試驗(yàn)，結(jié)果表明:割草機(jī)器人能夠達(dá)到對(duì)障礙物和邊界檢測(cè)的要求，且割草效果良好。
關(guān)鍵詞:割草機(jī)器人;自適應(yīng)系統(tǒng);模擬電子;障礙物和邊界識(shí)別;動(dòng)力學(xué)控制;PID控制器
0引言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市綠化面積逐年增加，而草坪是其中最主要的綠化方式。為了保持這些草坪的美觀和生長(zhǎng)高度，需要投入大量的人力物力對(duì)草坪進(jìn)行維護(hù)，且最為繁重的工作是草坪的修剪，工作重復(fù)性很強(qiáng)，造成人力成本的增加［1］。為了降低勞動(dòng)成本，西方國(guó)家提出采用智能割草機(jī)器人進(jìn)行草坪的修剪。智能割草機(jī)器人集成了機(jī)械設(shè)計(jì)、行為控制和傳感器等技術(shù)，具有環(huán)境感知、路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制等功能，是能夠自動(dòng)割草的機(jī)器人設(shè)備［2］。與傳統(tǒng)的割草機(jī)相比，其具有自動(dòng)化和智能化程度較高、能耗較低和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但是仍然存在無(wú)法根據(jù)地形調(diào)整作業(yè)狀態(tài)和自動(dòng)避障性能較差等問(wèn)題。自適應(yīng)系統(tǒng)通過(guò)采集被控對(duì)象的信息調(diào)整自身特性，以適應(yīng)被控對(duì)象變化，從而產(chǎn)生自適應(yīng)規(guī)律，使系統(tǒng)保持最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)的系統(tǒng)［3］，具有適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的特點(diǎn)。目前，自適應(yīng)系統(tǒng)主要包括模糊自適應(yīng)控制、增益自適應(yīng)控制等方式，且已經(jīng)在機(jī)器人、電力等領(lǐng)域具有較為廣泛的應(yīng)用，但目前還未在割草機(jī)器人中得到應(yīng)用。模擬電子技術(shù)是模擬電子運(yùn)行過(guò)程的一種設(shè)備，一般將其與超聲波傳感器聯(lián)合應(yīng)用于機(jī)器人的自適應(yīng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)作業(yè)過(guò)程中的避障作業(yè)。因此，可以考慮將自適應(yīng)系統(tǒng)和模擬電子技術(shù)應(yīng)用于割草機(jī)器人，以提升其狀態(tài)控制和避障能力。
1硬件設(shè)計(jì)
1．1總體設(shè)計(jì)
割草機(jī)器人采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括單片機(jī)控制模塊、機(jī)器人本體、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊和無(wú)線遙控模塊，如圖1所示。
1．2單片機(jī)控制模塊
單片機(jī)控制模塊是割草機(jī)器人的核心控制模塊，用于對(duì)機(jī)器人的整體進(jìn)行控制，包括作業(yè)過(guò)程信息采集、處理和指令下達(dá)，直到完成整個(gè)作業(yè)過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)割草機(jī)的控制功能，單片機(jī)選擇STC12c5410AD型號(hào)，主頻最高可達(dá)40MHz，共設(shè)計(jì)有8路輸入信號(hào)，可以滿足作業(yè)過(guò)程中模擬信號(hào)的輸入要求。
1．3機(jī)器人本體
機(jī)器人本體主要包括割草機(jī)器人車體和割草機(jī)構(gòu)兩大部分，設(shè)計(jì)原則是保證機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中的安全性、可靠性和靈活性。對(duì)機(jī)器人車體的設(shè)計(jì)，主要包括兩方面:一是確定其運(yùn)動(dòng)方式;二是確定其驅(qū)動(dòng)方式。考慮到大面積草坪一般較為平整，工作條件相對(duì)較好，運(yùn)動(dòng)方式確定為輪式運(yùn)動(dòng)方式。為了保證機(jī)器人的靈活性和自適應(yīng)程度，車輪采用三輪的差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，即前方設(shè)置萬(wàn)向輪起導(dǎo)向作用，后方為兩個(gè)同軸的驅(qū)動(dòng)輪，分別安裝1個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速并控制轉(zhuǎn)向。在輪軸中央設(shè)置旋轉(zhuǎn)編碼器，及時(shí)地采集機(jī)器人位置信息，傳遞至單片機(jī)［4－5］。割草機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。在割草機(jī)構(gòu)電機(jī)外部設(shè)計(jì)有割草機(jī)構(gòu)電機(jī)外套，以增加電機(jī)運(yùn)行過(guò)程熱量的散發(fā);割草刀片可上下調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同高度的草坪，同時(shí)刀片可以從反方向彈開(kāi)，防止割草過(guò)程中觸碰物體導(dǎo)致刀片斷裂的情況出現(xiàn)。
1．4傳感器模塊
傳感器模塊一方面用于檢測(cè)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程周圍的障礙物信息，以及時(shí)地判斷潛在危險(xiǎn)并躲避;另一方面用于采集自身位置和周圍環(huán)境信息，以對(duì)割草區(qū)域進(jìn)行全區(qū)域路徑覆蓋規(guī)劃［6］。傳感器模塊主要包括紅外傳感器、超聲波傳感器、人體釋熱傳感器、接觸傳感器和電子籬笆傳感器等。其中，電子籬笆傳感器是最為重要的傳感器之一，通過(guò)感應(yīng)電子籬笆發(fā)出的脈沖信號(hào)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，以確定機(jī)器人是否到達(dá)邊界區(qū)域附近。電子籬笆的檢測(cè)電路如圖3所示。
1．5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要用于對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)行駛和割草的智能控制。通過(guò)傳感器模塊接收到機(jī)器人作業(yè)和周圍環(huán)境信息，實(shí)時(shí)傳遞給單片機(jī)模塊，經(jīng)處理分析后向電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊下達(dá)命令，控制機(jī)器人進(jìn)行割草作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能控制。該模塊主要包括行動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和割草機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。工作時(shí)，根據(jù)機(jī)器人的行動(dòng)要求，行動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊又分為左驅(qū)動(dòng)和右驅(qū)動(dòng)，分別用于控制左右輪的電機(jī)，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)向和行駛速度;割草機(jī)構(gòu)電機(jī)則用于控制割草機(jī)構(gòu)，進(jìn)而控制割草速度。
1．6電源模塊
電源模塊主要用于為機(jī)器人的正常作業(yè)提供電量，采用18V電源進(jìn)行供電，但由于各模塊所需電壓不同，根據(jù)需要采用不同穩(wěn)壓片來(lái)獲取不同的電壓。割草機(jī)器人所有模塊共包含兩種電壓，分別為3V和5V，，穩(wěn)壓片分別選擇為L(zhǎng)M2576－5和AMS1117－3．3，兩種電壓的電源轉(zhuǎn)換電路相同，如圖4所示。
1．7無(wú)線遙控接收模塊
無(wú)線遙控接收模塊可根據(jù)需要進(jìn)行安裝，一般采用無(wú)線傳感網(wǎng)進(jìn)行信號(hào)的接收和發(fā)送，以保證對(duì)割草機(jī)器人的遠(yuǎn)程操控和監(jiān)控。
2動(dòng)力學(xué)控制和邊界識(shí)別設(shè)計(jì)
割草機(jī)器人的智能化控制主要體現(xiàn)在其割草行為具有一定的功能性、分布性和自適應(yīng)的特點(diǎn)，并且能夠智能識(shí)別障礙物以及作業(yè)邊界區(qū)域，因此需要對(duì)割草機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)控制和邊界識(shí)別方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2．1動(dòng)力學(xué)控制設(shè)計(jì)
割草機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中的行駛軌跡圖如圖5所示。首先，需要確定割草機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程，將左右輪的編碼器數(shù)值作為參數(shù)，結(jié)合行駛軌跡進(jìn)行確定。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程為其中，(x0，y0)為機(jī)器人作業(yè)的初始位置;(xs，ys)為s時(shí)刻時(shí)機(jī)器人的位置;θ0為機(jī)器人作業(yè)初始航向角;θs為s時(shí)刻機(jī)器人的航向角;DSA和DSB分別為左輪和右輪由起始位置至s時(shí)刻位置距離;l為機(jī)器人兩輪之間寬度。將編碼器相關(guān)信息帶入運(yùn)動(dòng)方程可得到以下方程，即其中，DA和DB分別為左輪和右輪用脈沖值表示的行駛距離;N為在s時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)量;m為齒輪的轉(zhuǎn)速比;NA和NB分別為左輪和右輪的編碼器脈沖數(shù)量。由于割草機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的差動(dòng)模型為非線性系統(tǒng)模型［7］，采用PID控制器對(duì)其進(jìn)行分段線性控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其速度和位置的控制［8］。分段控制器的設(shè)計(jì)模型如圖6所示。該控制器的參數(shù)為Kp、Ki和Kd。其中Kp為比例調(diào)節(jié)增益，用于保證系統(tǒng)的相應(yīng)速率;Ki為積分調(diào)節(jié)增益，用于減小調(diào)節(jié)過(guò)程的誤差;Kd為微分調(diào)節(jié)增益，用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行超前調(diào)節(jié)。該P(yáng)ID調(diào)節(jié)器為數(shù)字增量式，符合以下要求，即
2．2邊界識(shí)別方法設(shè)計(jì)
割草機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中，需要進(jìn)行障礙物和割草邊界識(shí)別。其中，障礙物識(shí)別通過(guò)超聲波傳感器進(jìn)行識(shí)別，一旦檢測(cè)到障礙物，即調(diào)整行駛方向進(jìn)行躲避;割草邊界識(shí)別則是在邊界設(shè)置電子籬笆，利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行識(shí)別。在邊界外圍電路中，阻抗的大小與割草機(jī)器人至邊界的距離有關(guān)，則其中，L為割草機(jī)器人內(nèi)部線圈長(zhǎng)度;C為常數(shù);R為機(jī)器人內(nèi)部線圈電阻;R(d)和L(d)為機(jī)器人與割草邊界的距離函數(shù)。通過(guò)以上方法可以對(duì)割草機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)控制，在作業(yè)過(guò)程中能夠識(shí)別障礙物，調(diào)整行駛方向，還可以識(shí)別邊界區(qū)域，使機(jī)器人在邊界區(qū)域附近或者較遠(yuǎn)處作業(yè)。
3試驗(yàn)結(jié)果
本文主要對(duì)割草機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)控制方法和邊界識(shí)別方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要進(jìn)行以下兩個(gè)試驗(yàn):一是障礙物和邊界檢測(cè)試驗(yàn);二是割草試驗(yàn)。
3．1障礙物和邊界檢測(cè)試驗(yàn)
將割草機(jī)器人放置于一片空地，在其前方將1塊5cm×5cm的塑料板在機(jī)器人前方移動(dòng)。一般超聲波傳感器的檢測(cè)范圍為距離障礙物5m，左右邊線夾角60°范圍;電子籬笆傳感器檢測(cè)范圍為距離障礙物30m。開(kāi)啟割草機(jī)器人，將塑料板在機(jī)器人前方1、2、3、4m范圍左右移動(dòng)，分別由超聲波傳感器和電子籬笆傳感器測(cè)量障礙物距離。為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)距離測(cè)量3次，取平均值，結(jié)果如表1所示。由表1可知，超聲波傳感器和電子籬笆傳感器的距離測(cè)量誤差均在0．3%以下，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性較好，可以滿足割草機(jī)器人對(duì)于障礙物和邊界檢測(cè)的要求。
3．2割草試驗(yàn)
選擇1片20m×20m的草坪區(qū)域，將割草機(jī)器人在草坪進(jìn)行割草試驗(yàn)。草坪總面積為400m2，設(shè)定割草機(jī)器人的行駛速度為0．28m/s，開(kāi)啟機(jī)器人進(jìn)行割草作業(yè)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，割草機(jī)器人能夠進(jìn)行草坪全區(qū)域覆蓋的割草，覆蓋率為87%，割草效率為330m2/h。在割草過(guò)程中，設(shè)備運(yùn)行狀況良好，且沒(méi)有出現(xiàn)越界行為，符合割草機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。
4結(jié)論
1)針對(duì)割草機(jī)器人自適應(yīng)性能和自動(dòng)避障性能較差的問(wèn)題，基于模擬電子技術(shù)對(duì)割草機(jī)器人的自適應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。割草機(jī)器人采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要組成包括單片機(jī)控制模塊、機(jī)器人本體、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊和無(wú)線遙控模塊。2)為提升割草機(jī)器人的自適應(yīng)能力，且能夠識(shí)別障礙物和作業(yè)邊界，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)控制和邊界識(shí)別方法設(shè)計(jì)，包括采用PID控制器對(duì)行駛過(guò)程進(jìn)行控制，采用超聲波傳感器和電子籬笆傳感器對(duì)障礙物和邊界進(jìn)行識(shí)別。3)為驗(yàn)證割草機(jī)器人性能，對(duì)其進(jìn)行障礙物、邊界檢測(cè)和割草試驗(yàn)，結(jié)果表明:割草機(jī)器人能夠達(dá)到對(duì)障礙物和邊界檢測(cè)的要求，且割草效果良好。
作者:李娟 秦芳 單位:河北傳媒學(xué)院