基于三星S5PV210的智能割草机控制系统设计

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基于三星Ｓ５ＰＶ２１０的智能割草机控制系统设计

宣㊀峰ꎬ韩孟洋

(河南工业职业技术学院ꎬ河南南阳㊀４７３０００)

摘㊀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㊁环境感知㊁智能控制㊁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＋１ꎻＴＭ５７１㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ文章编号:１００３－１８８Ｘ(２０１９)０６－０２２８－０５

０㊀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㊁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ꎮ

１㊀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㊁环境感知㊁智能控制㊁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㊁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ꎮ

１.１㊀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㊁割草㊁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㊁ＰＷＭ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㊀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㊁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㊁驱动电机和驱动轮３部分ꎬ负责割草机的前行㊁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１㊀智能割草机的本体结构框架

Ｆｉｇ.１㊀Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｒａｍｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌａｗｎｍｏｗｅｒ

１.２㊀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㊁位置定位㊁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㊁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

图２㊀智能割草机控制系统结构图

Ｆｉｇ.２㊀Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍｏｗｅｒ１.３㊀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㊁行走记录㊁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㊁处理ꎮ系统数据管理模块如图３所示ꎮ

图３㊀智能割草机控制系统数据管理模块

Ｆｉｇ.３㊀Ｔｈｅｄａｔａｍａｎａｇｅｍｅｎｔｍｏｄｕｌｅｏｆｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌａｗｎ

㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ｍｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ

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

２㊀智能割草机运动方式的设计

２.１㊀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㊁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㊁三轮和四轮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４㊀智能割草机三轮驱动结构图

Ｆｉｇ.４㊀Ｔｈｅｔｈｒｅｅｗｈｅｅｌｄｒｉｖｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌａｗｎｍｏｗｅｒ２.２㊀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㊁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㊁准确㊁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５㊀智能割草机运动学模型

Ｆｉｇ.５㊀Ｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｌａｗｎｍｏｗｅｒ

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

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