基于三星Ｓ５ＰＶ２１０的智能割草机控制系统设计宣　峰ꎬ韩孟洋(河南工业职业技术学院ꎬ河南南阳　４７３０００)摘　要:为了满足割草机全自动的作业需求ꎬ提出了一种基于三星Ｓ５ＰＶ２１０的智能割草机控制系统ꎮ该系统融合了机械设计、环境感知、智能控制、路径动态规划和行为决策等技术ꎬ能够自主地对目标草坪进行作业ꎮ试验结果表明:该智能收割机能够实现整个目标草坪的割草作业ꎬ且路径规划路线最优ꎬ割草机成功避开了障碍物ꎬ在整个过程没有发生碰撞行为ꎬ具有高实时性和高可靠性ꎬ应用前景广阔ꎮ关键词:智能割草机ꎻ路径规划ꎻ环境感知ꎻＳ５ＰＶ２１０中图分类号:Ｓ８１７.１１＋１ꎻＴＭ５７１ 文献标识码:Ａ文章编号:１００３－１８８Ｘ(２０１９)０６－０２２８－０５

０　引言随着经济的快速发展和城市绿化建设的深化ꎬ各个城市草坪面积越来越大ꎬ而修剪和维护草坪是一项繁重且枯燥的工作ꎬ往往需要投入大量的人力、物力和财力ꎮ在智能制造２０２５的大背景下ꎬ为了最大限度地减少维护草坪工作的劳动力成本ꎬ我国提出了结合智能控制和先进电子技术研制开发智能型割草机的发展战略ꎬ研究出一种适合大型场地的智能割草机ꎬ实现大型场地草坪维护工作的变革和创新ꎬ将为用户创造巨大的经济和社会价值ꎮ为此ꎬ本文以三星Ｓ５ＰＶ２１０微处理器为控制核心ꎬ设计和研发了一款智能割草机ꎬ能够自动识别草坪和路径规划ꎬ对于草坪维护工作具有重要意义ꎮ１　智能割草机整体架构的设计智能割草机是一个融合机械设计、环境感知、智能控制、路径动态规划和行为决策综合性系统ꎮ本章以割草机本体结构、控制系统结构及数据管理模块为切入点进行讨论分析ꎬ以确保智能割草机最终设计方案的合理性ꎮ１.１　智能割草机本体结构的设计智能割草机本体结构包括电源、割草、控制和驱动４个模块ꎬ如图１所示ꎮ电源模块包括锂电池、ＰＷＭ电流控制器及电源控制电路等ꎬ主要是实现对收稿日期:２０１８－０２－１２基金项目:河南省高等学校重点科研计划项目(１８Ｂ４６００１０)作者简介:宣　峰(１９８１－)ꎬ男ꎬ河南南阳人ꎬ讲师ꎬ硕士ꎮ通讯作者:韩孟洋(１９８９－)ꎬ男ꎬ河南南阳人ꎬ助教ꎬ(Ｅ－ｍａｉｌ)３５７８６１７７８＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ割草机的锂电池进行合理充放电管理ꎻ割草模块包括直流电机、割刀和高度调整器等ꎬ负责割刀的驱动及割刀高度的调整ꎻ驱动模块包括机械传动装置、驱动电机和驱动轮３部分ꎬ负责割草机的前行、后退和转向ꎻ控制模块包括Ｓ５ＰＶ２１０处理器和传感器检测两部分ꎬ负责整个系统的控制及传感信号的采集与处理ꎮ

图１　智能割草机的本体结构框架Ｆｉｇ.１　Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｒａｍｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌａｗｎｍｏｗｅｒ

１.２　智能割草机控制系统结构的设计

智能割草机具有一定的人工智能水平ꎬ能通过多传感器组对作业区域环境进行实时感知ꎬ并根据感知的结果对自身的行为规划进行实时指导ꎮ智能割草机控制系统包括超声波障碍物检测、位置定位、电子罗盘和驱动控制等子系统ꎬ如图２所示ꎮ微控制器将超声波传感器、位置接受传感器及电子罗盘等信息进行融合计算ꎬ可以得到割草机的实时坐标及障碍物的位置信息ꎻ另外ꎬ处理器还可以将其坐标与数据库中割草机已经走过的路径坐标进行比较ꎬ判断其是是否已经经过该区域ꎬ进一步规划割草机的运动路径ꎮ运动控制模块获得传送过来的运动策略ꎬ给电机驱动模块发送指令ꎬ进而采用差分方式驱动左右电机的运行ꎬ达到运动目的ꎮ􀅰８２２􀅰

２０１９年６月 农机化研究 第６期图２　智能割草机控制系统结构图Ｆｉｇ.２　Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｏｗｅｒ

１.３　智能割草机控制系统数据管理模块的设计

在智能割草机控制系统数据管理模块的设计中ꎬ涉及到了电子地图、行走记录、边界判断及障碍物检测等信息ꎮ这些数据信息存储量大ꎬ且需要Ｓ５ＰＶ２１０处理器能够根据传感器检测进行快速的响应ꎬ要求处理器具有很强的实时性和高信息吞吐量ꎮ因此ꎬ本系统引入了Ｓｑｌｉｔｅ数据库ꎬ用于整个系统的数据存储、处理ꎮ系统数据管理模块如图３所示ꎮ

图３　智能割草机控制系统数据管理模块Ｆｉｇ.３　Ｔｈｅｄａｔａｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌａｗｎ

ｍｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ

位置传感器确定智能割草机的位置信息后ꎬ将割草机的坐标发送给位置确定系统ꎻ障碍物检测系统则实时获得障碍物距离信息ꎬ然后微处理器将割草机位置与障碍物距离信息进行融合处理ꎬ并将结果存放在Ｓｑｌｉｔｅ数据库ꎻ最后ꎬ根据数据库解析结果对割草机的

运动行为进行规划ꎬ并指导行为控制系统对割草机做出相应的动作指示ꎮ

２　智能割草机运动方式的设计

２.１　智能割草机运动结构模型智能割草机一般是户外工作ꎬ工作环境比较差ꎬ且草坪比较柔软ꎬ往往会出现移动困难等问题ꎮ因此ꎬ割草机一般采用轮式、履带式和足式３种驱动方式:足式驱动方式动力足ꎬ移动速度快ꎬ一般适用于恶劣条件下的作业环境ꎻ轮式驱动根据轮子的多少又分为双轮、三轮和四轮ꎬ三轮驱动方式结构相对简单ꎬ承载能力也比较强ꎬ能够满足一般需要ꎮ由于智能割草机工作环境一般是在条件较好的草坪上ꎬ综上述讨论内容ꎬ本文用三轮驱动方式ꎬ具有结构简单及运动灵活的优势ꎮ智能割草机三轮驱动结构示意如图４

所示ꎮ图４　智能割草机三轮驱动结构图Ｆｉｇ.４　Ｔｈｅｔｈｒｅｅｗｈｅｅｌｄｒｉｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌａｗｎｍｏｗｅｒ

２.２　智能割草机运动学模型

智能割草机运动模块是整个控制系统的重要模块ꎬ高效、稳定的运动系统是智能割草机高质量完成作业的前提ꎮ为了使割草机在作业过程中具有稳定、准确、灵活等优点ꎬ本文采用两轮差动驱动的方式控制割草机的移动ꎬ前轮的作用用于保持车身的平衡ꎮ智能割草机运动学模型如图５所示ꎮ

图５　智能割草机运动学模型Ｆｉｇ.５　Ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌａｗｎｍｏｗｅｒ

智能割草机采用两轮差动驱动的驱动方式ꎬ在计算中以两后轮中心线中点为运动中心点ꎬ设ｖｌ和ｖｒ为机器动力轮的移动速度ꎬ其运动学模型计算方程为ｘ′

ｙ′θ′

éëêêêêêùûúúúúú＝ｃｏｓθ０ｓｉｎθ００１éëêêêêêù

ûú

úúúú

􀅰ｖωéëêêùûúú(１)

ｖ＝ｖｔ＋ｖｒ()/２

ω＝ｖｒ－ｖｔ()/Ｌ

{(２)

􀅰９２２􀅰

２０１９年６月 农机化研究 第６期将式(１)和式(２)联立离散化后得ｘｋ＋１()＝ｘｋ()＋ｖｋ()Ｔｓｃｏｓθｋ()ｙｋ＋１()＝ｙｋ()＋ｖｋ()Ｔｓｓｉｎθｋ()θｋ＋１()＝θｋ()＋ωｋ()Ｔｓìîíïïïï(３)ｖｋ()＝ｖｌｋ()＋ｖｒｋ()[]/２ωｋ()＝ｖｒｋ()－ｖｌｋ()[]/Ｌ{(４)其中ꎬＣ(ｘꎬｙ)为模型计算参考点ꎻθ为智能割草机的移动方向导向角ꎻω为智能割草机运动角速度ꎻｖ为智能割草机的前进速度ꎻＬ为智能割草机两后轮之间的距离ꎻＴｓ为采样周期ꎮ２.３　智能割草机运动路径规划智能割草机运动路径规划的要求是割草机最后能够将整个目标草坪全部作业完毕ꎬ不会留下任何死角的地方ꎮ因此ꎬ合理的路径规划策略是割草机控制系统的重要部分ꎬ比较常用的运动路径规划策略有直线和边界跟踪两种剪草模式ꎬ如图６所示ꎮ图６　割草机的两种剪草模式Ｆｉｇ.６　Ｔｈｅｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｇｒａｓｓｐａｔｔｅｒｎｏｆｌａｗｎｍｏｗｅｒ采用直线剪草模式时ꎬ割草机在转向过程中ꎬ会出现不同程度的重叠路径ꎬ增加割草机总行程ꎻ而采用边界跟踪剪草模式时ꎬ割草机器人转向频率会增加ꎬ重叠路径较直线剪草模式不会减少太多ꎬ但频繁转向带来的误差却会大大增加ꎮ因此ꎬ本文采用直线剪草模式遍历整块草坪区间ꎬ在前向的电子篱笆传感器判断即将达到草坪边缘时ꎬ割草机自动后退１个车身的距离ꎬ并左转１８０°ꎬ完整转向作业ꎬ这样就可以遍历整个割草区域ꎮ３　智能割草机控制系统的软硬件设计３.１　智能割草机控制系统硬件设计智能割草机主体为一个三轮的移动小车ꎬ后轮采用差分双电机驱动的方式ꎬ前轮采用万向轮起到割草机方向引导的作用ꎮ智能割草机核心部分是控制割草机在指定区域按照要求进行移动ꎬ而不需要人为控制ꎬ也不涉及复杂的图像处理算法ꎮ系统只需要Ｓ５ＰＶ２１０微处理器通过ＧＰＩＯ管脚输出ＰＷＭꎬ配合驱动控制模块便可控制小车的前进、后退、左转、右转等操作ꎬ实现智能割草的功能ꎮ智能割草机控制系统硬件框架如图７所示ꎮ

图７　智能割草机控制系统硬件框架图Ｆｉｇ.７　Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｆｒａｍｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆ

ｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｏｗｅｒ

在小车的硬件设计中ꎬ为了更好地实现数据处理的高时效性和高高信息吞吐量ꎬ需要给Ｓ５ＰＶ２１０微处理配备强大的外设ꎮＳ５ＰＶ２１０微处理器核心框架如图８所示ꎮ

图８　Ｓ５ＰＶ２１０处理器框架图Ｆｉｇ.８　ＴｈｅｆｒａｍｅｗｏｒｋｄｉａｇｒａｍｏｆＳ５ＰＶ２１０ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ

Ｓ５ＰＶ２１０处理器外围器件主要包括ＵＡＲＴ、

ＳＤＲＡＭ(５１２ＭＢ)、ＪＴＡＧ、ＮａｎｄＦｌａｓｈ(１Ｇ)、ＵＳＢ、ＬＣＤ、ＮｏｒＦｌａｓｈ(１６ＭＢ)、网口(１０Ｍ)、串口、ＳＤ/ＩＦ卡超声波

传感器、电机驱动及电子罗盘等ꎮ３.２　割草机器人控制系统软件设计

为了方便软件的扩展和移植ꎬ系统软件采用模块化的设计思想ꎬ程序采用Ｃ和Ｃ＋＋混合编程ꎬ硬件开发环境为ＴＩＴＹ２１０ꎬ软件开发环境为Ｕｂｏｏｔ２０１３.０１和Ｌｉｎｕｘ３.１４ꎮ系统软件包括主程序、路径规划、电机驱

动和传感器数据采集等多个模块ꎮ其中ꎬ路径规划子程序流程如图９所示ꎮ

４　测试与分析

为了验证该智能割草机控制系统是否满足设计需求及其智能程度的高低ꎬ特在某草坪区域进行了实地割草测试ꎬ试验结果如图１０所示ꎮ图１０中ꎬ椭圆为割草机作业起点ꎬ方框为终点ꎬ三角形为障碍物区域ꎮ由此可以看出:该智能收割机实现了整个目标草坪的割草作业ꎬ没有留下任何死角地方ꎬ且路径规划路线最优ꎻ割草机成功避开了障碍物ꎬ在整个过程没有发生碰撞行为ꎬ成功地到达了终点ꎬ证明该智能割草机的高实时性和高可靠性ꎮ

􀅰０３２􀅰

２０１９年６月 农机化研究 第６期