休閑園林割草機器人設計及性能測試

陳 峰，趙 萍

(1.沈陽理工大學，沈陽 110168；2.沈陽農業大學，沈陽 110866)

0 引言

隨著園林城市化、休閑化及多元功能化的發展，對于園林景觀的功能及要求日益提高，作業于園林草地的割草機器人作為一種應用廣泛的草坪機械，起著不可或缺的作用。為進一步達到高效修整草地、美化園林的目標，不斷對割草機器人進行優化設計、完善工作性能勢在必行。割草機器人的自動控制作業性能決定了其園林修飾及作業效率的高低。圖1為應用于休閑園林的割草機器人外觀簡圖。

圖1 休閑園林割草機器人外觀簡圖

休閑園林割草機器人集準確識別、自動割草、智能避障及返回自充電功能于一身，通過內置電動馬達、精度高的傳感裝置及輸入控制程序實現割草作業。割草機器人的工作首要環節是對草地圖像進行精準識別，通過不間斷進行信息融合與提取、路徑實時規劃與調整，在導航控制定位的指導下開展工作邊界建立與割草作業。其中，傳感與控制至關重要。本文將對休閑園林割草機器人的關鍵部件進行設計改進試驗，達到更為人性化的性能要求。

1 設計方案

根據休閑園林智能割草機器人的工作原理，在傳統割草作業的基礎上，對其整體的控制方案進行設計優化，主要控制組成如圖2所示。

圖2 休閑園林割草機器人控制系統組成

此設計方案主要包含割草機器人的軟硬件、路徑規劃與路障等方面的改進。針對軟件，主要是控制驅動的優化，包括中間層、應用層及中心驅動模塊的細節設計；針對硬件，在定位、超聲測距和羅盤控制等方面進行優化整合，形成能夠進行閉合協調作業的控制回路，在控制程序的驅動之下，展開進一步實地性能測試，達到良好作業效果。

1.1 軟件系統

休閑園林割草機器人的軟件部分主要包括攝像裝置控制程序及電機驅動程序等，如何成功協調各控制系統的運作是優化的關鍵。表1給出攝像模塊的主要文件程序接口信號，攝像、傳遞、控制、顯示由此程序段調用執行。在電機驅動控制階段則設計為閉環控制，控制流程如圖3所示。

表1 割草機器人攝像裝置主要程序及接口信號

圖3 休閑園林割草機器人簡易閉環控制

通過多任務嵌入控制各操作執行硬件裝置，利用OS TaskCreate函數，實現各個傳感裝置之間的有序動作，最終控制割草機器人高效自主識別、智能并趨于人性路徑規劃。關鍵技術程序為：

int8 OSTaskCreate {

void (*task)(void *pd),

void * pdata,

OS_STK * ptos,

INT8U prio}

Void main (void)

{ ……

OSInit ();

OSTaskCreate (TaskStart,……);

OSStart ();}

void TaskStart (void *pdata)

{ ……

OSStartInit ();

for(; ;)

{ TaskStart代碼

}

}

1.2 硬件配置

在軟件程序控制下，對割草機器人的電機驅動、電路控制、行走裝置及割草執行等裝置進行設計。硬件配置關鍵在于傳感模塊的優化與電機型號選取。內部微型刀片割草機構設計還應考慮傳動與碰撞等因素。工作時，在能量供應系統匹配前提下，通過超聲波傳感裝置獲取休閑園林周邊環境作業信息，在中央電機與微處理控制系統的調配下，驅動行走機構(包括碼盤、減速、轉向等構件)，螺旋連續傳動方式自動調高，實現割草刀盤的升降與割草作業。硬件配置參數如下：①KS103超聲測距裝置；②HJ-IR2紅外避障部件；③鋰電池電源模塊：電流10Ah，電壓24V；④調高電機，功率60W，轉速4 000r/min。

2 路徑規劃與避障

2.1 路徑規劃優化

利用標準草地圖像識別理論模型，進行草地顏色比例與草地邊緣比例的參數設定，以及草地與非草地及邊緣識別，并準確通過視覺傳感裝置進行角度方位反饋。HSI基礎判別方法為

針對邊緣控制算法,則采用如下公式進行判斷。若大于某一設定范圍值，則智能割草機器人給以判定結果并傳遞信息至中央控制系統發出相應動作，即

G(x,y)=|Δxf(x,y)|+|Δyf(x,y)|

(1)

2.2 避障技術融入

在路徑規劃好的基礎上，得出割草機器人在各行走部件的控制下運動軌跡，如圖4所示。

圖4 休閑園林割草機器人運動學模型

結合機體的運動學原理，給出割草機器人的運動學模型，即

融入割草機器人避障技術，該避障過程關鍵點在于對草地進行模擬視覺化識別，對割草機器人周邊進行A、B、C、D區域劃分，如圖5所示。利用超聲波收發脈沖的優勢，結合攝像頭定位調整功能，實現智能非接觸避障，即在割草機器人與障礙物進入一定范圍內實現快速轉角運動，及時改變割草作業方向。

圖5 休閑園林草地劃分區域示意圖

3 性能測試

利用矩形思維建立試驗的環境模型，進行割草機器人全區域覆蓋及路徑實時調整優化，表2給出所選驅動電機關鍵技術參數。草地修整效率對比環節，實地性能測試的割草模塊針對休閑園林草地的品種特性等在合適的刀片作用下，實時實地發揮調高模塊性能，修剪整齊，且在障礙碰撞及避讓模塊系統下通過控制準確讓刀，進而有效地避開硬質障礙物。各模塊間的相互協調作用使割草效率大大提高，可達2.5～3m2/min。

表2 割草機器人驅動電機關鍵技術參數表

Table 2 The table of key technical parameters of the Mowing robot drive motor

參數編號參數名稱單位參數值1額定電壓V242額定電流A13轉速(空載)r/min604轉速(負載)r/min485轉矩kg·cm116減速比1:84

休閑園林割草機器人此次設計的核心在于行走作業模塊，采用PWM方式進行無級調速。通過對割草機器人行走模塊進行反復性能測試與設計期望值進行對比(見表3)，分別從割草機器人樣機的前進速度、爬坡能力、定位范圍等6大項性能進行實測。結果表明：割草機器人測試行走與預期設計吻合度較好，性能測試具有可行性。

表3 割草機器人性能測試參數對比

4 結論

在考慮智能割草機器人性能提升與成本兼顧的基礎上，針對休閑園林用割草機器人工作特點，以最小限度消耗能量為原則，有效融合當前割草機器人自主識別、全區域覆蓋作業與避障實現等關鍵控制技術，從而對割草機器人的視覺感知系統、控制作業及避障系統等發面展開優化設計。同時，對硬件裝置攝像頭、驅動電機等同步匹配選型，控制驅動程序及電路完善，并對其去進行性能測試，實現預期割草機器人路徑識別與軌跡優化。結果表明：此割草機器人的設計及優化可行，整體工作性能良好，可為相關專業人員深入開展割草機器人的智能化、通用化及模塊化設計提供有益的參考。