绿茵舞者

李伟林++马文凯++贾梦鸽++苗虎

摘 要：“绿茵舞者”是一款基于物联网技术的智能草坪打印机，使用自动化程度高的路径规划和组合定位技术使得草坪的创意修整成为可能。麦田怪圈不再只属于外星人，使用“绿茵舞者”可以轻松地在自家草坪上创作出属于自己的专属图形。

关键词：绿茵舞者；智能草坪打印机；路径规划；组合定位技术

1 作品简介

“绿茵舞者”是一款基于物联网技术的智能草坪打印机，以超声波感知定位技术、惯性导航技术、自主导引技术、无线通信技术、蚁群算法路径规划技术为依托，通过运动控制系统、组合定位系统、刀具系统的有机结合赋予草坪修整新的理念。“绿茵舞者”将割草机和智能控制相结合，除了具有常规修整草坪的功能，还可以将预先输入的图案或文字通过控制算法在草坪上“打印”出相应的图形，随人们的想法对草坪进行艺术修整与美化。“绿茵舞者”可以通过计算机软件输入图案或文字，设置草坪区域的面积和修整速度，之后便可以进行艺术修整。计算机软件会对输入的图像进行处理并规划出最优路径，通过无线通信装置远程控制修整路线，通过定位装置返回位置姿态，利用惯性导航模块进行航迹推算修正路线，保证了修整的准确美观。该智能草坪打印机的控制界面如图1所示，其简图与实物图如图2所示。

2 工作原理

“绿茵舞者”包含一款计算机软件和一台智能草坪打印机。在计算机软件上，可以打开一张图片并对其进行腐蚀膨胀细化等图像处理，然后使用蚁群算法进行路径规划，得到运动路线的坐标值。蚁群算法是模拟蚁群在搜索食物的过程中寻找最优路径行为的新型仿生算法，草坪打印机的路径规划算法包括设置参数、输入图像、边缘检测、腐蚀膨胀、细化处理、计算坐标、规划路径和判断是否达到要求等步骤，相关参数选择为蚁群规模m=50、信息素衰减系数=0.1、信息启发式因子=1和期望启发式因子=5。智能草坪打印机上包含远程主控板和车载端两项控制软件，核心技术是基于超声波感知惯导技术和自主导引技术的草坪打印机组合定位技术，超声波感知装置测定位置坐标，惯导模块推算航迹，自主导引减小误差并引导该打印机按坐标运动修整。计算机软件通过串口把指令数据包发送给远程控制板，远程控制板通过无线发送给车载端控制板进行数据解算，控制运动的方向和速度。每经过一段时间由车载端控制板连接的超声波发射器发射超声波，并用串口读取姿态角，通过无线发送给远程控制板。分布在修整区域四个角上的超声波接收器会收到超声波信号并启动定时器，通过接收的时间和超声波速率计算出车载端发射器和各接收器之间的距离，将这些距离值和姿态角打成数据包通过串口上传到计算机软件，计算机软件利用定位算法计算出坐标，结合下一点坐标值和当前姿态角规划下一步的行进模式、方向和速度。如此反复，将预先规划好的路线在草坪上修整出来，形成相应的图案或文字。运动状态感知流程图如图3所示，整修区域示意图如图4所示，草坪打印机的路径规划算法流程图如图5所示，通信处理流程图如图6所示，系统结构图如图7所示。

3 创新点

“绿茵舞者”改变了传统修整机半机器半人工的操作方式，以全自动操作方式呈现，将割草机与“打印”结合，将草坪与艺术结合，将传统产业与互联网+新业态结合，为智能园艺打开新的发展空间。它通过图像处理路径规划和组合定位技术，在草坪上修整出经过预设的图案或文字，在完成常规清整草坪高度作业的基础上，将草坪修整艺术化，使修整后的草坪充满美感和层次感，还可以提高修整效率，减少人力物力的浪费，使草坪修整符合现代生态环境保护的要求和社会经济发展的要求，实现经济效益与生态效益的统一。

4 市场前景

以“绿茵舞者”为代表的智能草坪打印机，其目标市场涵盖所有草坪管理领域。无论是大面积草坪（球场草坪、公园草坪、高速绿化带草坪），还是小面积草坪（家庭院落草坪、公司绿化草坪），均可以使用“绿茵舞者”来进行草坪的养护管理和美化。典型市场是需要通过一定机械来实现草坪修整的单位群体。目前市场上的割草机以手动和半自动为主，“绿茵舞者”的全自动操作和草坪打印功能会为草坪带来别具一格的艺术美感，可以大大激发市场的购买热情。