浅谈基于5G网络下的全智能草坪修剪机器人设计

董文亮，王雷，王沁轩

（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006）

5G网络覆盖范围的不断扩大和5G网络技术的高速发展，为物联网的进一步发展提供了有力的技术支撑。基于此，物联网技术的进步将有效提高其应用的车辆无人驾驶和远程手术等领域的识别和操作精确性等，从而为人们的生活带来巨大的便利。在这样的背景下，本文主要聚焦于一款基于5G网络技术的全智能草坪修剪机器人的设计工作，包括机器人的外形设计、内部构造机械设计和各个组成系统的设计等。随着我国城市化进程的不断推进，为实现更高的美观性能，在城市规划过程中为绿化带划出了较大的面积，从而增加了草坪等的修剪难度，以期通过设计并应用全智能草坪修剪机器人提高工作效率，减轻工作量。

1 全智能草坪修剪机组成系统

基于5G网络下的全智能草坪修剪机的系统设计主要分为两个部分，分别是内部电路系统和整体机械系统的设计。其中，电路系统中的电路控制机制主要是围绕单片机这一核心，实现GSM网络通信系统与5G网络环境的对接，基于此，操控人员就可以通过与该全智能草坪修剪机适配的微信小程序，在5G网络环境下实现利用GSM网络通信系统对草坪修剪机进行遥控操作。同时，这样还有利于为草坪修剪机在工作过程中提供更加精确的定位信息。

1.1 智能草坪修剪机的手动模式功能

在设计智能草坪修剪机的手动模式时，需要充分考虑其应该具备的无线通信、单片机控制、手机或其他遥控设备的可视化操作界面、超声波躲避障碍和电机驱动等模块的功能设计。

在智能草坪修剪机的手动模式下，从操作到实现操作的过程如下。操控人员在手机或其他作为遥控设备的可视化操作界面输入操作指令，并借助无线通信功能传输到草坪修剪机的指令接收处，该指令被转化为相应的数字信息并顺利到达控制中心——单片机控制模块，指令信息再次被分解和翻译成不同的机器语言并精确地传输到各个模块。在这一过程中，不同的电机收到指令信息开始驱动，从而实现了草坪修剪机分别向前后左右各个方向的移动。在草坪修剪机移动的过程中，超声波避障模块的运作使得机器在距离障碍物大约20cm的地方就能检测并有效躲避开障碍物。在草坪修剪机躲避障碍物的过程中，遥控设备发出的指令级别低于单片机控制中心发出的指令级别，这样就能够避免出现机器前进受阻甚至是受到外物撞击造成损坏的情况。

1.2 智能草坪修剪机的自驾模式功能

在设计智能草坪修剪机的自驾模式时，除了上文中提到的手动模式下的各个模块功能外，还需要考虑自驾模式必须具备的高精度GPS定位模块和掌控方位的舵机的功能设计。

智能草坪修剪机的自驾模式可以进一步细分为两类，实现过程如下。

在第一类自驾模式下，首先，需要了解草坪修剪机应用的实际矩形草坪的长度、宽度和面积等数据，并将这些数据输入遥控设备的可视化操作界面，同样，这些数据信息将通过无线通信模块传输到机器内部的单片机控制中心。自驾模式下的单片机控制模块拥有独特的算法，这些数据信息会在经过一系列的计算过程中被输出为三个结果，分别是修剪完成整块草坪预计需要的时间T0，该时间结果会被反馈到遥控设备，并显示在其可视化界面上。第二个结果是由延时函数计算得出的草坪修剪机在修剪草坪过程中所有直行的时间总和T1，而GPS高精度定位模块的作用就在于修正机器的路线，确保整个修剪过程机器是在特定草坪区域内保持直线前行的状态，并将其精准定位反映在遥控设备的可视化界面上。最后一个结果是跟进草坪修剪机器外形参数计算得出的在修剪草坪全程中机器的转弯周期数K0。其中，K0是程序编定的比较量，即意味着在实际修剪草坪的过程中，当机器实际转弯次数K与K0相等时，程序自动判定修剪过程已经结束，从而结束自驾模式进入无线充电模式。

在第二类自驾模式下，将手机与草坪修剪机的GPS定位绑定在一起，利用手机上的微信小程序对机器进行操控。首先，在微信小程序上划定需要修剪的矩形草坪区域，在该区域内，智能草坪修剪机利用内部的灰度传感器和超声波传感器开展草坪修剪工作，这两个传感器能够有效确保草坪修剪机在规定区域内修剪草坪，同时做到顺利躲避障碍物。当机器离开指定区域时，手机会接收到GPS传送的定位信息并自动传输信号让机器返回规定区域。当传感器检测到规定区域的草坪都已经完成修剪时，机器同样会自动进入无线充电模式。

1.3 智能草坪修剪机的一键返航功能

无论处于哪种模式，一键返航都是为了让草坪修剪机进入无线充电的模式。由于功能的相似性，在设计智能草坪修剪机的自驾模式和一键返航功能时，需要考虑的模块具有高度的重合性。一键返航功能同样有两种操作方式，第一种是操控人员直接在遥控设备的可视化操作界面点击一键返航功能键，第二种则是有草坪修剪机内部的电路监测系统监控到机器的蓄电池电量不足或机器已经完成规定的修剪任务两种状态，此时，该系统传输信号到单片机控制中心，自动实现一键返航操作。第二种操作方式下，机器在返回无线充电平台的过程中，由超声波避障模块和GPS高精度定位模块发挥上文中提到的相同的功能确保机器顺利进入无线充电模式。

1.4 无线充电平台系统

智能草坪修剪机器的无线充电平台依据的工作原理是磁耦合谐振式无线充电原理。具体的工作流程为当草坪修剪机进入无线充电模式时，由无线充电平台的蓄电池或光伏电池为其传输电能。这些电能经一系列的转换成适用于草坪修剪机器的交流电并传输到发射线圈端电路，经过其中的磁场作用的直流电能最终从接收线圈端进入并储存在草坪修剪机器内部的蓄电池内。其中涉及的发射端和接收端线圈使用的金属材料通常都是铜，形状则为最常见的平面螺旋结构。这一过程电流通过的电路匹配的电容包括电路寄生电容和外部补偿电容两种，当蓄电池中的电能充满时，电容会检测到并自动切断接线圈，阻断充电过程，从而起到保护电路以及保护整体机器不受破坏。

1.5 光伏双轴追踪发电系统

光伏双轴追踪发电系统是由追踪系统和发电系统两部分组成的。光伏双轴追踪是指整个过程是由光线经由采集电路模块的光敏电阻到单片机控制系统，再到电机控制模块，在其中经过一系列的信号转换最终实现光伏组件在水平方向和垂直方向上的调整。光伏充电整个过程主要是单晶硅高效太阳能电池组件发出电能，电能依次通过充电稳压模块、电能储存系统和电压跟踪系统，输出为电压和频率稳定的电能，最终被储存在草坪修剪机内部的蓄电池内。

1.6 智能草坪修剪机机械设计

为实现较高的修剪效率和呈现出较好的修剪效果，在对智能草坪修剪机进行机械设计时，通常选用锯齿刀型。除了修剪刀外，还根据实际需求为机器配备了收集容纳草料和卸载草料的装置。当装置内的草料装满时，草料的卸载操作同样是在传感器和单片机控制中心的共同协作下实现的。

2 结语

现阶段，我国各类计算机信息技术发展十分迅速，尤其是5G网络技术的发展更是当前社会各界关注的热点问题。为了实现5G网络技术更好地服务于人们的日常生活这一目标，本文主要从基于5G网络技术的一款全智能的草坪修剪机器人的设计出发，分别探讨了机器的手动模式、自驾模式、一键返航功能、无线充电平台系统、光伏双轴追踪发电系统以及整体的机械设计等方面的工作原理和涉及的模块功能的设计工作内容，以期通过对这款全智能机器的设计工作的分析，映射出5G网络在未来可能为人们带来的生活方面的巨大便利。