李偉林++馬文凱++賈夢(mèng)鴿++苗虎

摘 要：“綠茵舞者”是一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能草坪打印機(jī)，使用自動(dòng)化程度高的路徑規(guī)劃和組合定位技術(shù)使得草坪的創(chuàng)意修整成為可能。麥田怪圈不再只屬于外星人，使用“綠茵舞者”可以輕松地在自家草坪上創(chuàng)作出屬于自己的專屬圖形。

關(guān)鍵詞：綠茵舞者；智能草坪打印機(jī)；路徑規(guī)劃；組合定位技術(shù)

1 作品簡(jiǎn)介

“綠茵舞者”是一款基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能草坪打印機(jī)，以超聲波感知定位技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、自主導(dǎo)引技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、蟻群算法路徑規(guī)劃技術(shù)為依托，通過運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、組合定位系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合賦予草坪修整新的理念?！熬G茵舞者”將割草機(jī)和智能控制相結(jié)合，除了具有常規(guī)修整草坪的功能，還可以將預(yù)先輸入的圖案或文字通過控制算法在草坪上“打印”出相應(yīng)的圖形，隨人們的想法對(duì)草坪進(jìn)行藝術(shù)修整與美化?！熬G茵舞者”可以通過計(jì)算機(jī)軟件輸入圖案或文字，設(shè)置草坪區(qū)域的面積和修整速度，之后便可以進(jìn)行藝術(shù)修整。計(jì)算機(jī)軟件會(huì)對(duì)輸入的圖像進(jìn)行處理并規(guī)劃出最優(yōu)路徑，通過無(wú)線通信裝置遠(yuǎn)程控制修整路線，通過定位裝置返回位置姿態(tài)，利用慣性導(dǎo)航模塊進(jìn)行航跡推算修正路線，保證了修整的準(zhǔn)確美觀。該智能草坪打印機(jī)的控制界面如圖1所示，其簡(jiǎn)圖與實(shí)物圖如圖2所示。

2 工作原理

“綠茵舞者”包含一款計(jì)算機(jī)軟件和一臺(tái)智能草坪打印機(jī)。在計(jì)算機(jī)軟件上，可以打開一張圖片并對(duì)其進(jìn)行腐蝕膨脹細(xì)化等圖像處理，然后使用蟻群算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，得到運(yùn)動(dòng)路線的坐標(biāo)值。蟻群算法是模擬蟻群在搜索食物的過程中尋找最優(yōu)路徑行為的新型仿生算法，草坪打印機(jī)的路徑規(guī)劃算法包括設(shè)置參數(shù)、輸入圖像、邊緣檢測(cè)、腐蝕膨脹、細(xì)化處理、計(jì)算坐標(biāo)、規(guī)劃路徑和判斷是否達(dá)到要求等步驟，相關(guān)參數(shù)選擇為蟻群規(guī)模m=50、信息素衰減系數(shù)=0.1、信息啟發(fā)式因子=1和期望啟發(fā)式因子=5。智能草坪打印機(jī)上包含遠(yuǎn)程主控板和車載端兩項(xiàng)控制軟件，核心技術(shù)是基于超聲波感知慣導(dǎo)技術(shù)和自主導(dǎo)引技術(shù)的草坪打印機(jī)組合定位技術(shù)，超聲波感知裝置測(cè)定位置坐標(biāo)，慣導(dǎo)模塊推算航跡，自主導(dǎo)引減小誤差并引導(dǎo)該打印機(jī)按坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)修整。計(jì)算機(jī)軟件通過串口把指令數(shù)據(jù)包發(fā)送給遠(yuǎn)程控制板，遠(yuǎn)程控制板通過無(wú)線發(fā)送給車載端控制板進(jìn)行數(shù)據(jù)解算，控制運(yùn)動(dòng)的方向和速度。每經(jīng)過一段時(shí)間由車載端控制板連接的超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波，并用串口讀取姿態(tài)角，通過無(wú)線發(fā)送給遠(yuǎn)程控制板。分布在修整區(qū)域四個(gè)角上的超聲波接收器會(huì)收到超聲波信號(hào)并啟動(dòng)定時(shí)器，通過接收的時(shí)間和超聲波速率計(jì)算出車載端發(fā)射器和各接收器之間的距離，將這些距離值和姿態(tài)角打成數(shù)據(jù)包通過串口上傳到計(jì)算機(jī)軟件，計(jì)算機(jī)軟件利用定位算法計(jì)算出坐標(biāo)，結(jié)合下一點(diǎn)坐標(biāo)值和當(dāng)前姿態(tài)角規(guī)劃下一步的行進(jìn)模式、方向和速度。如此反復(fù)，將預(yù)先規(guī)劃好的路線在草坪上修整出來(lái)，形成相應(yīng)的圖案或文字。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知流程圖如圖3所示，整修區(qū)域示意圖如圖4所示，草坪打印機(jī)的路徑規(guī)劃算法流程圖如圖5所示，通信處理流程圖如圖6所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

3 創(chuàng)新點(diǎn)

“綠茵舞者”改變了傳統(tǒng)修整機(jī)半機(jī)器半人工的操作方式，以全自動(dòng)操作方式呈現(xiàn)，將割草機(jī)與“打印”結(jié)合，將草坪與藝術(shù)結(jié)合，將傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)+新業(yè)態(tài)結(jié)合，為智能園藝打開新的發(fā)展空間。它通過圖像處理路徑規(guī)劃和組合定位技術(shù)，在草坪上修整出經(jīng)過預(yù)設(shè)的圖案或文字，在完成常規(guī)清整草坪高度作業(yè)的基礎(chǔ)上，將草坪修整藝術(shù)化，使修整后的草坪充滿美感和層次感，還可以提高修整效率，減少人力物力的浪費(fèi)，使草坪修整符合現(xiàn)代生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益的統(tǒng)一。

4 市場(chǎng)前景

以“綠茵舞者”為代表的智能草坪打印機(jī)，其目標(biāo)市場(chǎng)涵蓋所有草坪管理領(lǐng)域。無(wú)論是大面積草坪（球場(chǎng)草坪、公園草坪、高速綠化帶草坪），還是小面積草坪（家庭院落草坪、公司綠化草坪），均可以使用“綠茵舞者”來(lái)進(jìn)行草坪的養(yǎng)護(hù)管理和美化。典型市場(chǎng)是需要通過一定機(jī)械來(lái)實(shí)現(xiàn)草坪修整的單位群體。目前市場(chǎng)上的割草機(jī)以手動(dòng)和半自動(dòng)為主，“綠茵舞者”的全自動(dòng)操作和草坪打印功能會(huì)為草坪帶來(lái)別具一格的藝術(shù)美感，可以大大激發(fā)市場(chǎng)的購(gòu)買熱情。