一种自动割草机控制系统设计

◎葛 阳

（青岛工学院 266300）

自动割草机属于智能机器人的一种，功能是自动完成割草，不需要人力。其工作优点是无需人力比较安全，噪音比较小，效率相对人工高。但缺点相对而言存在可靠性比较低，灵活性差，价格贵，移植性不好，采用单片机作为控制单元，对体积的控制不方便，价格相对较高。在设计中，采用运动控制器，其优势在于处理速度满足要求，可靠性比较高。自动割草机在工作过程中，会沿着制定的路线开始运动，在限定的范围内，割草机会自动回避障碍物，完成割草工作，为草坪的维护和管理提供了更好的解决方案。

一、自动割草机硬件设计

自动割草机主体构成为一辆小车，四轮结构，导向装置为万向轮结构的前轮，后轮驱动使用伺服电机。工作情况下，后轮在系统控制驱动下做出动作，前轮由后轮动作改变运动方向，不需要人为干预，自动工作。

二、控制系统的设计

自动割草机控制系统的设计采用模块化的方式，优点是比较直观、效率高。控制系统的各个部分独立工作，工作过程中又都相关，如果有其中一个模块发生损坏，整个运行过程都将被影响。控制系统的组成主要由五个模块组成，分别为执行模块、管理模块、控制模块、交互模块以及反馈与检测模块。

运动控制器与上位机、伺服驱动器等进行准确快速地通讯。运动控制器的特点是响应快，能够对数据进行及时地传输和处理，由于反馈快速有效，控制效果好，准确度高。运动控制器主要是接收检测装置的各种信息的同步反馈，另外根据得到的信息，把相关的程序发送到伺服驱动器。在伺服控制器的作用下，伺服电机按照指令开始工作，自动完成割草工作。

自动割草机中使用的检测装置多为传感器，主要有超声波传感器、红外接触传感器、温度传感器、接触传感器等。超声波传感器用于自动割草机在工作时与障碍物的距离检测，但对其前方一段距离内的障碍物不能及时进行可靠地检测，反馈效果差。为了检测效果的准确，有效规避各种障碍物，在系统中可加入红外传感器，专门进行近距离的检测，改进工作效果。

伺服电机作为自动割草机的执行装置，主要驱动后轮，控制信号来自脉冲信号的输入，这种控制方式能很好地保证精确度。采用位置控制模式对伺服电机进行相关的控制，对相关的路径定位也会更加准确。伺服驱动器把来自运动控制器的驱动命令转为脉冲信号，送到相关的伺服电机中。伺服电机采用差速控制的方式，两个后轮产生不同的速度，自动割草机的运动路径进行了有效控制。

三、软件程序的设计

自动割草机工作流程按照以下步骤进行：首先打开设备开关，进行系统初始化，工作人员可以进行运动轨迹的选择，参数的设置。割草机开始正常工作，一旦遇到障碍，系统会做出继续工作还是中断工作的判断。如果遇到特殊情况，行走中断，那么系统将重新进行系统初始化，继续工作。

工作情况下，运动控制器得到信息来控制执行装置，信息通过检测装置获得，信息的输入、指令信息的输出，都是在运动控制器的输入、输出接口当中来达到的。检测装置按照顺序，跟运动控制器的输入接口连接在一起；运动控制器的输出口，连接执行装置。运动控制器通过检测装置检测到的信号反馈进来。根据这些信息，运动控制器对割草机的运行进行有效控制，完成相关的割草工作。

割草机的软件编写主要实现路径规划工作。使用的是运动控制器自身所用的程序语言。程序完成后，要帮助自动割草机完成整个工作期间的自动化，并且要完成覆盖全部需要处理的草坪，完成工作要求不能有漏割、少割等情况。路径规划在理论上有两个方法：一个是扩展覆盖的方法，从中心开始辐射；另一个是推进覆盖法，采用直线循环的方式。两个方法各有优缺点：第一个方法，从一个点开始，作为中心，向四边慢慢辐射，对整个区域进行全部的覆盖遇到。在有障碍物的情况下，系统进行调节工作，选择有效避开，并且不至于影响工作效果，此时会以障碍物为中心，重新工作，缺点是效率降低，运行时路径可能会覆盖之前走过的区域，降低工作效率；第二个方法，采用一层一层推进的方法，工作方式简单，缺点是转弯较多，转弯处会重复工作。优点是遇到障碍物时候，不会影响原有的工作路径的进行，有效的规避工作，可以完成原定的整个工作区域，工作效率很高，重叠工作进行了有效控制。

四、工作效果分析

整个工作过程，自动割草机无需人工，过程自动化，工作效率提高，成本降低。在每一个模块的有效工作下，在规划好路径的情况下，自动割草机完成工作状况良好，为进一步开发相关的调整方案提供了有意义的参考。