綠茵舞者

李偉林++馬文凱++賈夢鴿++苗虎

摘 要：“綠茵舞者”是一款基于物聯網技術的智能草坪打印機，使用自動化程度高的路徑規劃和組合定位技術使得草坪的創意修整成為可能。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作出屬于自己的專屬圖形。

關鍵詞：綠茵舞者；智能草坪打印機；路徑規劃；組合定位技術

1 作品簡介

“綠茵舞者”是一款基于物聯網技術的智能草坪打印機，以超聲波感知定位技術、慣性導航技術、自主導引技術、無線通信技術、蟻群算法路徑規劃技術為依托，通過運動控制系統、組合定位系統、刀具系統的有機結合賦予草坪修整新的理念。“綠茵舞者”將割草機和智能控制相結合，除了具有常規修整草坪的功能，還可以將預先輸入的圖案或文字通過控制算法在草坪上“打印”出相應的圖形，隨人們的想法對草坪進行藝術修整與美化。“綠茵舞者”可以通過計算機軟件輸入圖案或文字，設置草坪區域的面積和修整速度，之后便可以進行藝術修整。計算機軟件會對輸入的圖像進行處理并規劃出最優路徑，通過無線通信裝置遠程控制修整路線，通過定位裝置返回位置姿態，利用慣性導航模塊進行航跡推算修正路線，保證了修整的準確美觀。該智能草坪打印機的控制界面如圖1所示，其簡圖與實物圖如圖2所示。

2 工作原理

“綠茵舞者”包含一款計算機軟件和一臺智能草坪打印機。在計算機軟件上，可以打開一張圖片并對其進行腐蝕膨脹細化等圖像處理，然后使用蟻群算法進行路徑規劃，得到運動路線的坐標值。蟻群算法是模擬蟻群在搜索食物的過程中尋找最優路徑行為的新型仿生算法，草坪打印機的路徑規劃算法包括設置參數、輸入圖像、邊緣檢測、腐蝕膨脹、細化處理、計算坐標、規劃路徑和判斷是否達到要求等步驟，相關參數選擇為蟻群規模m=50、信息素衰減系數=0.1、信息啟發式因子=1和期望啟發式因子=5。智能草坪打印機上包含遠程主控板和車載端兩項控制軟件，核心技術是基于超聲波感知慣導技術和自主導引技術的草坪打印機組合定位技術，超聲波感知裝置測定位置坐標，慣導模塊推算航跡，自主導引減小誤差并引導該打印機按坐標運動修整。計算機軟件通過串口把指令數據包發送給遠程控制板，遠程控制板通過無線發送給車載端控制板進行數據解算，控制運動的方向和速度。每經過一段時間由車載端控制板連接的超聲波發射器發射超聲波，并用串口讀取姿態角，通過無線發送給遠程控制板。分布在修整區域四個角上的超聲波接收器會收到超聲波信號并啟動定時器，通過接收的時間和超聲波速率計算出車載端發射器和各接收器之間的距離，將這些距離值和姿態角打成數據包通過串口上傳到計算機軟件，計算機軟件利用定位算法計算出坐標，結合下一點坐標值和當前姿態角規劃下一步的行進模式、方向和速度。如此反復，將預先規劃好的路線在草坪上修整出來，形成相應的圖案或文字。運動狀態感知流程圖如圖3所示，整修區域示意圖如圖4所示，草坪打印機的路徑規劃算法流程圖如圖5所示，通信處理流程圖如圖6所示，系統結構圖如圖7所示。

3 創新點

“綠茵舞者”改變了傳統修整機半機器半人工的操作方式，以全自動操作方式呈現，將割草機與“打印”結合，將草坪與藝術結合，將傳統產業與互聯網+新業態結合，為智能園藝打開新的發展空間。它通過圖像處理路徑規劃和組合定位技術，在草坪上修整出經過預設的圖案或文字，在完成常規清整草坪高度作業的基礎上，將草坪修整藝術化，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，使草坪修整符合現代生態環境保護的要求和社會經濟發展的要求，實現經濟效益與生態效益的統一。

4 市場前景

以“綠茵舞者”為代表的智能草坪打印機，其目標市場涵蓋所有草坪管理領域。無論是大面積草坪（球場草坪、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”來進行草坪的養護管理和美化。典型市場是需要通過一定機械來實現草坪修整的單位群體。目前市場上的割草機以手動和半自動為主，“綠茵舞者”的全自動操作和草坪打印功能會為草坪帶來別具一格的藝術美感，可以大大激發市場的購買熱情。