淺談基于5G網絡下的全智能草坪修剪機器人設計

董文亮，王雷，王沁軒

（甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅 武威 733006）

5G網絡覆蓋范圍的不斷擴大和5G網絡技術的高速發展，為物聯網的進一步發展提供了有力的技術支撐。基于此，物聯網技術的進步將有效提高其應用的車輛無人駕駛和遠程手術等領域的識別和操作精確性等，從而為人們的生活帶來巨大的便利。在這樣的背景下，本文主要聚焦于一款基于5G網絡技術的全智能草坪修剪機器人的設計工作，包括機器人的外形設計、內部構造機械設計和各個組成系統的設計等。隨著我國城市化進程的不斷推進，為實現更高的美觀性能，在城市規劃過程中為綠化帶劃出了較大的面積，從而增加了草坪等的修剪難度，以期通過設計并應用全智能草坪修剪機器人提高工作效率，減輕工作量。

1 全智能草坪修剪機組成系統

基于5G網絡下的全智能草坪修剪機的系統設計主要分為兩個部分，分別是內部電路系統和整體機械系統的設計。其中，電路系統中的電路控制機制主要是圍繞單片機這一核心，實現GSM網絡通信系統與5G網絡環境的對接，基于此，操控人員就可以通過與該全智能草坪修剪機適配的微信小程序，在5G網絡環境下實現利用GSM網絡通信系統對草坪修剪機進行遙控操作。同時，這樣還有利于為草坪修剪機在工作過程中提供更加精確的定位信息。

1.1 智能草坪修剪機的手動模式功能

在設計智能草坪修剪機的手動模式時，需要充分考慮其應該具備的無線通信、單片機控制、手機或其他遙控設備的可視化操作界面、超聲波躲避障礙和電機驅動等模塊的功能設計。

在智能草坪修剪機的手動模式下，從操作到實現操作的過程如下。操控人員在手機或其他作為遙控設備的可視化操作界面輸入操作指令，并借助無線通信功能傳輸到草坪修剪機的指令接收處，該指令被轉化為相應的數字信息并順利到達控制中心——單片機控制模塊，指令信息再次被分解和翻譯成不同的機器語言并精確地傳輸到各個模塊。在這一過程中，不同的電機收到指令信息開始驅動，從而實現了草坪修剪機分別向前后左右各個方向的移動。在草坪修剪機移動的過程中，超聲波避障模塊的運作使得機器在距離障礙物大約20cm的地方就能檢測并有效躲避開障礙物。在草坪修剪機躲避障礙物的過程中，遙控設備發出的指令級別低于單片機控制中心發出的指令級別，這樣就能夠避免出現機器前進受阻甚至是受到外物撞擊造成損壞的情況。

1.2 智能草坪修剪機的自駕模式功能

在設計智能草坪修剪機的自駕模式時，除了上文中提到的手動模式下的各個模塊功能外，還需要考慮自駕模式必須具備的高精度GPS定位模塊和掌控方位的舵機的功能設計。

智能草坪修剪機的自駕模式可以進一步細分為兩類，實現過程如下。

在第一類自駕模式下，首先，需要了解草坪修剪機應用的實際矩形草坪的長度、寬度和面積等數據，并將這些數據輸入遙控設備的可視化操作界面，同樣，這些數據信息將通過無線通信模塊傳輸到機器內部的單片機控制中心。自駕模式下的單片機控制模塊擁有獨特的算法，這些數據信息會在經過一系列的計算過程中被輸出為三個結果，分別是修剪完成整塊草坪預計需要的時間T0，該時間結果會被反饋到遙控設備，并顯示在其可視化界面上。第二個結果是由延時函數計算得出的草坪修剪機在修剪草坪過程中所有直行的時間總和T1，而GPS高精度定位模塊的作用就在于修正機器的路線，確保整個修剪過程機器是在特定草坪區域內保持直線前行的狀態，并將其精準定位反映在遙控設備的可視化界面上。最后一個結果是跟進草坪修剪機器外形參數計算得出的在修剪草坪全程中機器的轉彎周期數K0。其中，K0是程序編定的比較量，即意味著在實際修剪草坪的過程中，當機器實際轉彎次數K與K0相等時，程序自動判定修剪過程已經結束，從而結束自駕模式進入無線充電模式。

在第二類自駕模式下，將手機與草坪修剪機的GPS定位綁定在一起，利用手機上的微信小程序對機器進行操控。首先，在微信小程序上劃定需要修剪的矩形草坪區域，在該區域內，智能草坪修剪機利用內部的灰度傳感器和超聲波傳感器開展草坪修剪工作，這兩個傳感器能夠有效確保草坪修剪機在規定區域內修剪草坪，同時做到順利躲避障礙物。當機器離開指定區域時，手機會接收到GPS傳送的定位信息并自動傳輸信號讓機器返回規定區域。當傳感器檢測到規定區域的草坪都已經完成修剪時，機器同樣會自動進入無線充電模式。

1.3 智能草坪修剪機的一鍵返航功能

無論處于哪種模式，一鍵返航都是為了讓草坪修剪機進入無線充電的模式。由于功能的相似性，在設計智能草坪修剪機的自駕模式和一鍵返航功能時，需要考慮的模塊具有高度的重合性。一鍵返航功能同樣有兩種操作方式，第一種是操控人員直接在遙控設備的可視化操作界面點擊一鍵返航功能鍵，第二種則是有草坪修剪機內部的電路監測系統監控到機器的蓄電池電量不足或機器已經完成規定的修剪任務兩種狀態，此時，該系統傳輸信號到單片機控制中心，自動實現一鍵返航操作。第二種操作方式下，機器在返回無線充電平臺的過程中，由超聲波避障模塊和GPS高精度定位模塊發揮上文中提到的相同的功能確保機器順利進入無線充電模式。

1.4 無線充電平臺系統

智能草坪修剪機器的無線充電平臺依據的工作原理是磁耦合諧振式無線充電原理。具體的工作流程為當草坪修剪機進入無線充電模式時，由無線充電平臺的蓄電池或光伏電池為其傳輸電能。這些電能經一系列的轉換成適用于草坪修剪機器的交流電并傳輸到發射線圈端電路，經過其中的磁場作用的直流電能最終從接收線圈端進入并儲存在草坪修剪機器內部的蓄電池內。其中涉及的發射端和接收端線圈使用的金屬材料通常都是銅，形狀則為最常見的平面螺旋結構。這一過程電流通過的電路匹配的電容包括電路寄生電容和外部補償電容兩種，當蓄電池中的電能充滿時，電容會檢測到并自動切斷接線圈，阻斷充電過程，從而起到保護電路以及保護整體機器不受破壞。

1.5 光伏雙軸追蹤發電系統

光伏雙軸追蹤發電系統是由追蹤系統和發電系統兩部分組成的。光伏雙軸追蹤是指整個過程是由光線經由采集電路模塊的光敏電阻到單片機控制系統，再到電機控制模塊，在其中經過一系列的信號轉換最終實現光伏組件在水平方向和垂直方向上的調整。光伏充電整個過程主要是單晶硅高效太陽能電池組件發出電能，電能依次通過充電穩壓模塊、電能儲存系統和電壓跟蹤系統，輸出為電壓和頻率穩定的電能，最終被儲存在草坪修剪機內部的蓄電池內。

1.6 智能草坪修剪機機械設計

為實現較高的修剪效率和呈現出較好的修剪效果，在對智能草坪修剪機進行機械設計時，通常選用鋸齒刀型。除了修剪刀外，還根據實際需求為機器配備了收集容納草料和卸載草料的裝置。當裝置內的草料裝滿時，草料的卸載操作同樣是在傳感器和單片機控制中心的共同協作下實現的。

2 結語

現階段，我國各類計算機信息技術發展十分迅速，尤其是5G網絡技術的發展更是當前社會各界關注的熱點問題。為了實現5G網絡技術更好地服務于人們的日常生活這一目標，本文主要從基于5G網絡技術的一款全智能的草坪修剪機器人的設計出發，分別探討了機器的手動模式、自駕模式、一鍵返航功能、無線充電平臺系統、光伏雙軸追蹤發電系統以及整體的機械設計等方面的工作原理和涉及的模塊功能的設計工作內容，以期通過對這款全智能機器的設計工作的分析，映射出5G網絡在未來可能為人們帶來的生活方面的巨大便利。