1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上寧波理工學院題 目 自動割草機器人的傳感器選擇及路徑規(guī)劃簡介姓 名 蔡炳清學 號 s分院(系) 機能分院專業(yè)班級 機械制造及其自動化完成時間 2012 年5 月7日自動割草機器人的傳感器選擇及路徑規(guī)劃簡介自動割草機器人被廣泛應用于家庭庭院草坪的維護、大型草地的修剪。自動割草機器人的平臺融合了運動控制、多傳感器融合、路徑規(guī)劃等技術(shù)。1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自動割草機器人主控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖1所示。系統(tǒng)主要由單片機控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)3大部分組成。運動系統(tǒng)主要通過單片機給出的多路PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號對自動割草機器人的行動電機以及割草電機進行控制。傳感器系統(tǒng)由電

2、子籬笆傳感器、光電開關(guān)傳感器、碰撞開關(guān)傳感器、雨水傳感器、無線遙控接收模塊等組成。其中，電子籬笆傳感器用于探測割草區(qū)域的邊緣； 光電開關(guān)傳感器用于避開慢速的或者靜止的障礙物； 碰撞開關(guān)傳感器用于避開快速的或者主動碰向割草機的物體； 雨水傳感器用于檢測下雨天氣，并且相應作出回基站的操作；傾角開關(guān)傳感器用于安全措施，防止自動割草機器人在割草過程中發(fā)生意外事件翻倒，一旦傳感器檢測的角度超過設定的閾值，系統(tǒng)自動停止一切工作，進入休眠狀態(tài)；無線遙控部分用于方便使用者無線控制自動割草機器人，無線遙控的距離約20 m。各個系統(tǒng)都采用模塊化設計，可擴展性高、升級維護方便、二次開發(fā)周期短。表1 為自動割草機器人

3、參數(shù)表。2 硬件系統(tǒng)設計 主控系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)在此處省略，主要說下傳感器系統(tǒng)2.1 電子籬笆感應電路電子籬笆傳感器是自動割草機器人最重要的傳感器，它可以使割草機不走出工作區(qū)域（由連在基站上的電線圍成的區(qū)域）,這樣可以保證自動割草機器人工作在有效區(qū)域。電子籬笆傳感器感應的是電子籬笆所發(fā)出的一定頻率的脈沖信號，感應線圈在靠近通有交變電流的電線邊界時，會產(chǎn)生特定頻率的感應電流,根據(jù)檢測特定頻率下信號幅度的大小可以得到割草機是否接近邊界的信息。電子籬笆傳感器在感應出信號后進行放大、濾波，然后再送入單片機的AD輸入端口。實驗證明，越是接近電子籬笆邊界，感應出給MCU的電壓越大，選擇一個合適的閾值進行判

4、斷就可以得到割草機的狀態(tài)。在實際中設定接近邊界還有3cm時感應出的電壓大小作為閾值，割草機在接收這個信號后就會給出相應的處理，如后轉(zhuǎn)彎180°然后繼續(xù)前進。電子籬笆檢測電路圖如圖3。2.2 傾角開關(guān)在割草機運行過程中，有可能因為意外使割草機傾斜或者翻倒。由于割草機底盤有一對高速運行的割草刀片，所以底盤暴露在外面就會威脅到人或者動物的安全。在車子傾斜到一定角度時，傾角開關(guān)就會給出一個開關(guān)信號，單片機根據(jù)這個信號關(guān)斷所有的電機控制信號，并且進入待機狀態(tài)，等待操作者手動開機。2.3 碰撞開關(guān)碰撞開關(guān)是為了讓割草機可以躲開光電避障開關(guān)檢測不到的盲區(qū)障礙物和快速移動物體，是一種被動的避障方式。

5、碰撞開關(guān)的原理是在割草機被外物碰撞到前方的一個機械的彈簧結(jié)構(gòu)后，會讓一個觸點短路， 這樣能給單片機一個低電平信號， 通知單片機遇到了障礙物， 單片機就會執(zhí)行相應的避障措施。2.4 雨水傳感器雨水傳感器由一個濕敏電阻和一個比較器組成。在正常工作情況下，濕敏電阻阻值為1 M左右，這樣可使比較器輸出為高(正極電壓( 約2.5 V)大于負極電壓(約2V)。如果有雨水碰到濕敏電阻， 則電阻的阻值會急劇下降到1 k左右，比較器輸出為低(正極電壓(約0 V) 小于負極(約2V)。這樣就能使單片機得到雨水感應信號，執(zhí)行回基站避雨的操作。圖4為雨水傳感器電路圖。2.5 光電開關(guān)避障光電避障是最主要的避障方式，也

6、是一種主動的避障方式。優(yōu)點是不用碰到障礙物就可以檢測到并且躲開，避免直接碰撞到障礙物。光電開關(guān)可檢測的距離可以根據(jù)實際控制的需要進行調(diào)節(jié)。2.6 傳感器在車體位置上的排布多傳感器系統(tǒng)傳感器的位置和排布對于控制精度有很大影響， 在借鑒了其他多傳感器系統(tǒng)的排布后，設計出本系統(tǒng)的傳感器排布圖， 如圖5 所示。A1、A2、A3、A4 都是電子籬笆探頭的放置位置。B1和B2是光電傳感器和碰撞開關(guān)的安裝位置，盡量放在邊緣有利于檢測障礙物減小檢測的盲區(qū)。其中，A3、A4這兩個電子籬笆探頭主要用于檢測前端電子籬笆區(qū)域，如果檢測到，執(zhí)行后退再轉(zhuǎn)向的動作。A1、A2則是用于進入基站時的尋線，因為進入基站的任務是通

7、過首先尋找到邊界的電子籬笆線，然后再切入電子籬笆線中，最后通過尋線的方式一直走入基站。A1、A2也可以在自動割草時發(fā)揮作用，避免割草機走出邊界， 特別是在割草區(qū)域的邊角地帶，成為處理邊界算法中的一個重要輔助信號。3 割草路徑規(guī)劃自動割草機器人路徑規(guī)劃的遍歷策略是割草機設計中的一個重要環(huán)節(jié)，涉及到割草機割草的效率。合理的遍歷策略可以使自動割草機器人在最短的時間內(nèi)遍歷整個割草區(qū)域。常用的割草策略主要有兩種方式：直線運行方式和邊界跟蹤運行方式。兩種覆蓋區(qū)域方式如圖7、圖8所示。采用直線運行時，轉(zhuǎn)向處會有不可避免的重疊路徑，使總的運行距離增加； 采用邊界跟蹤的方式時，需要機器人不斷地調(diào)整進行方向， 容

8、易帶來誤差。針對自動割草機器人以單片機為核心的控制器而言，需要自動割草機器人的運行軌跡盡量簡單化和規(guī)范化。因此采取直線運行方式遍歷子區(qū)間，在前向的電子籬笆傳感器感應到邊界后 割草機器人后退一小段距離， 然后以一個輪子為中心，另一個輪子左轉(zhuǎn)（ 或右轉(zhuǎn)）180°，完成掉頭，然后繼續(xù)前進，下次再碰到邊界就向相反的方向旋轉(zhuǎn)180°，這樣就可以做到區(qū)域的覆蓋。3.1 割草邊界區(qū)域的處理方法割草機器人在區(qū)域的邊角處行走是最容易出現(xiàn)問題的時候， 不合理的行走策略可能導致割草機器人走出邊界。所以要利用割草機器人現(xiàn)有的傳感器去選擇在區(qū)域邊角的運行策略。經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)， 出現(xiàn)越界問題的情況主要有

9、兩種。(1) 割草機到達邊界的一個角落，如圖9。在這種情況下割草機器人傳感器A4( 或者A3) 首先檢測到邊界L1的信息，根據(jù)直線運行方式就應該先后退再向左轉(zhuǎn)（或向右轉(zhuǎn)）。正常情況下走到這種角落時就應該是先檢測到L1，然后后退一段距離，再向右方向轉(zhuǎn)180°。在轉(zhuǎn)彎的過程中，由于L2 的存在，A3就會感應到角落的另外一個邊界L2，如果沒有特別的策略，就會執(zhí)行先后退一段距離，再向左轉(zhuǎn)180°的策略 這樣就很容易走出邊界，或者使控制變得混亂。要避免這種情況就需要在軟件上做出改動，即在轉(zhuǎn)彎過程中如果有其他傳感器檢測到邊界，就說明已經(jīng)到了另一個邊界角落的位置。最好的處理方法就是原路回轉(zhuǎn)過去，回到原位后再次左轉(zhuǎn)180°，開始從這個區(qū)域的頂端到另外一端的循環(huán)行走遍歷。(2) 割草機遇到了一個傾斜的邊界，如圖10。如果沒有特殊的策略，A4 檢測到邊界后，就執(zhí)行轉(zhuǎn)向的策略，這樣就會有