一種新型太陽(yáng)能靜音智能剪草機(jī)器人的設(shè)計(jì)

徐狀 翟娟

摘? 要： 剪草機(jī)器人廣泛應(yīng)用于城市綠化，然而傳統(tǒng)充電式剪草機(jī)器人在充電時(shí)必須停止作業(yè)，并且機(jī)器人所消耗的電能以及帶來的噪聲干擾不可忽視。為此設(shè)計(jì)出一種新型的剪草機(jī)器人，以STC89C52單片機(jī)作為機(jī)器人的控制核心，采用太陽(yáng)能供電，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。為了減小作業(yè)時(shí)的噪聲，采用多個(gè)低速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)新型往復(fù)式旋轉(zhuǎn)剪草刀頭，提高剪草機(jī)器人環(huán)境友好性。該剪草機(jī)器人在作業(yè)時(shí)具有自動(dòng)避障功能，可實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè)。

關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能; 往復(fù)式旋轉(zhuǎn)剪草刀頭; 環(huán)境友好性; 自動(dòng)避障

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2019）04-36-04

Abstract： The mowing robot is widely used in urban greening. However， the traditional rechargeable mowing robot must stop working when charging， and the power consumed by the robot and the noise disturbance cannot be ignored. A new type of mowing robot is designed，which the STC89C52 microcontroller is used as the control core of the robot， and the solar energy is used to supply power to realize energy saving. In order to reduce the noise during the operation， several low-speed DC motors are used to drive a new type reciprocated rotating blade to improve the environmental friendliness of the mowing robot. The mowing robot has the function of automatic obstacle avoidance when operating， and can realize the intelligent unmanned operation.

Key words： solar energy; reciprocated rotating blade; environmental friendliness; automatic obstacle avoidance

0 引言

伴隨社會(huì)的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量，特別是居住環(huán)境的要求越來越高，因此城市的綠化問題變得非常重要。草坪建設(shè)是城市綠化最基礎(chǔ)也是最重要的環(huán)節(jié)，如城市園林綠化、足球場(chǎng)、高爾夫球場(chǎng)等均離不開高質(zhì)量的草坪建設(shè)。作為草坪建設(shè)與維護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，剪草機(jī)在實(shí)際中的應(yīng)用越來越廣泛，但目前廣泛使用的剪草機(jī)普遍存在如下問題：①以燃油作為動(dòng)力源，該方案不僅會(huì)給環(huán)境帶來一定危害，同時(shí)與如今提倡的最大限度地使用可再生能源的趨勢(shì)背道而馳;②以市電作為動(dòng)力源，該方案充電過程中必須中斷作業(yè)，一定程度上限制了剪草機(jī)的工作效率;③傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方案和剪草刀頭的噪音大，環(huán)境友好性較差;④剪草過程中需專門的操作人員，經(jīng)濟(jì)性較差。針對(duì)目前剪草機(jī)方案普遍存在的上述缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種新型太陽(yáng)能靜音智能剪草機(jī)器人，以STC89C52單片機(jī)作為機(jī)器人的控制核心，可再生能源太陽(yáng)能[1]作為動(dòng)力源，并且采用多個(gè)低速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)新型往復(fù)式旋轉(zhuǎn)刀頭的方案，此外，機(jī)器人采用HC-SR04超聲波傳感法和紅外線探測(cè)法結(jié)合微控制器實(shí)現(xiàn)了剪草機(jī)器人的自動(dòng)避障[2-3]，可實(shí)現(xiàn)無人作業(yè)，最后搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，結(jié)果表明該方案可顯著提高剪草機(jī)器人的環(huán)境友好性和經(jīng)濟(jì)性。

1 總體設(shè)計(jì)原理

該系統(tǒng)（如圖1）主要利用太陽(yáng)能電池板采集能量，經(jīng)蓄電池保護(hù)電路后對(duì)蓄電池充電，穩(wěn)壓濾波后對(duì)機(jī)器人供電，STC89C52芯片負(fù)責(zé)傳感器的狀態(tài)，并發(fā)出指令控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。隨后驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)、刀頭電機(jī)啟動(dòng)開始巡線前進(jìn)，開始剪草工作。其中智能規(guī)避模塊使用HR-SR04超聲波傳感法進(jìn)行測(cè)距和紅外探測(cè)法進(jìn)行物質(zhì)識(shí)別相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)，該模塊在單片機(jī)的控制指令下，對(duì)前方的路況進(jìn)行檢查，并將檢測(cè)信息反饋給STC89C52單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理分析后，反饋正確的控制指令，通過控制前轉(zhuǎn)向輪，后驅(qū)動(dòng)輪調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)行的方向，達(dá)到剪草機(jī)器人避障循跡的目的。剪草完畢后，蜂鳴器指示燈報(bào)警，機(jī)器人回收。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能靜音智能剪草機(jī)器人以STC89C52單片機(jī)為控制核心，主要電路包括主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、智能規(guī)避模塊、電源模塊等。

2.1 主控模塊

采用STC89C52單片機(jī)[5-7]為整個(gè)系統(tǒng)的主控單元，來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，使機(jī)器人能夠智能運(yùn)行。

STC89C52芯片以經(jīng)典的MCS-51為核心，但在芯片的功能上做了較多的改進(jìn)。在單芯片上，擁有8 位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案。STC89C52主要功能、性能參數(shù)：

⑴ 8051單片機(jī)增強(qiáng)型，6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容經(jīng)典8051。

⑵ 工作電壓為5 5V～3 3V/3 8V～2 0V。

⑶ 工作頻率范圍為0～40MHz，相當(dāng)于普通8051的0～80MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz。