一种智能割草机器人系统设计

管程 赵志科 李松营 常浩 刘森 黄昆

摘 要：该系统以微控制器为核心，采用OpenMV与超声波传感器相结合的方式实现导航与避障功能，通过陀螺仪实时检测地况平整度来调整刀具倾角，通过搭载的UWB模块与LORA模块实现路径规划与远程监控，并设计了整体机械结构及伸缩式刀具结构，为智能割草机器人提供了完整设计方案。

关键词：割草机器人；路径规划；远程监控

中图分类号：TP242

草坪在城市和景区绿化方面发挥着重要作用，然而随着草坪面积的不断增大，草坪的日常修剪成为一项繁重的工作。为了减轻草坪修剪维护的成本，割草机器人应运而生［12］。现有的割草机器人主要有轮式驱动和履带驱动两种方式。履带式割草机人具有爬坡能力强，适应不同地况的优点，但自身重量偏重，对动力电池的要求较高。轮式割草机器人具有驱动结构简单的优点，在现有的割草机器人中应用最为广泛。割草路径规划是割草机器人智能化的重要特征。现有的割草机器人主要借助超声波传感器、激光雷达、机器视觉、北斗导航等信息获取方式，并通过Dijkstra算法、A*算法、D*算法、人工势场法等路径规划算法实现最佳路径选择［34］。近年来，随着人工智能和图像处理硬件性能的大幅提升，使得实时图像处理与控制决策成为可能，也使得YOLO等目标检测算法越来越多地应用于割草机器人的路径规划之中。但是，这些割草机器人普遍存在智能化程度低，且仅能胜任平整草坪的修建工作，无法适应全天候、多种地况作业的修剪任务［5］。特别是因缺乏智能路径选择算法，容易出现重复作业和遗漏未修剪的情况出现。因此，迫切需要设计一种适应多种地况的新型智能割草机器人。

1 系统总体设计

本设计的智能割草机器人系统方案，如图1所示。本设计的微控制选择STM32F407作为整个控制系统的核心，用于处理各个传感器获得的数据信息，并做出控制决策。陀螺仪选用MPU6050，用于实时获取行进中机器人的位置姿态，根据运行姿态来调整割草刀具的倾斜角度。选用L298N来驱动割草机器人的行进电机、刀具倾角电机、割草电机。通过OpenMV H7实现视觉导航，并通过其内部算法实现对草地与其他地况的区分。割草机器人在其四周安置了超声波传感器，用于辅助OpenMV开展障碍物识别，当检测到了障碍物时，通过声波报警模块发出报警提示。通过搭载的UWB模块，借助标签实现对行进路径进行监测与规划，通过LORA模块实时地将采集到的数据进行上传，便于开展远程监控。系统具有电源管理模块用于实时监测电池剩余容量。

2 硬件设计

2.1 L298电机驱动电路

L298N是专用驱动集成电路芯片，属于H桥集成电路。本系统采用L298N驱动所涉及的控制电机，如图2所示。U3和U4为L298N芯片，U2为DCDC降压芯片LM2596S。

2.2 MPU6050割草姿态检测电路

基于MPU6050的割草机器人姿态检测电路，如图3所示。MPU6050其内部整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，通过主IIC接口，向本系统的主控制器STM32F407单片机实时输出姿态数据。

2.3 UWB定位接口电路

UWB定位接口电路，如图4所示。U52为DWM1000模块，其将天线、所有射频电路、电源管理和时钟电路集成在一个模块中，可用于双向测距或时差定位系统，定位精度可达10厘米，并支持高达6.8Mbps的数据速率。

2.4 LORA模块接口电路

LORA模块接口电路，如图5所示。M1为RA01SCI，该模块用于超长距离扩频通信，其射频芯片LLCC68主要采用LoRaTM远程调制解调器，用于超长距离扩频通信，抗干扰性强，功耗低。

2.5 UWB定位接口电路

OpenMV摄像头接口电路，如图6所示。OpenMV是一款具有图像处理功能的可编程的单片机摄像头，利用其完成对草坪的识别，并将信息实时传送给微控制器。

3 软件程序设计

系统主流程图，如图7所示。系统上电后，首先完成系统的初始化，开启电池剩余容量监测，获取UWB定位信息，开启LORA数据远程传输。开启询问是否接受远程路径规划数据，如果监控平台的上位机下发路径规划数据，则系统将接受到的路径规划数据替换原来系统默认的规划数据。如果没有接收到远程路径规划数据指令，则运行原割草路径。当OpenMV和超声波传感器检测到障碍物后，进行声光报警并调整转向绕开障碍物行进。陀螺仪实时检测割草机器人运行坡度的变化，当割草机器人坡度变化时，动态调整割草刀具倾角，以保证割草的平整性。当割草机器人检测坡度无变化时，保持当前刀具的割草倾角不变。当系统接收到远程返回指令或检测到电池剩余容量不足时，会执行返回任务。否则，继续轮询执行。

4 机械结构设计

智能割草机器人整车机械结构，如图8所示。割草刀具机械结构，如图9所示。割草机器人包括车架1、电池组2、割草机构和控制系统单元3，车架1的左侧部和右侧部均设置有两个前后间隔的车轮4，四个车轮的中心均内置有驱动其转动的直流电机，车架1的上部设置有车体5，车体5的顶部和底部均为敞口的箱体结构，车体5内中部设置有水平承载板6，电池组2固定在水平承载板6的上表面且位于车体5内上侧部，车体5的顶部通过螺栓固定连接有车盖7，割草机构通过升降翻转调节机构固定在水平承载板6的下表面，车体5的前侧中部上下间隔设置有前视摄像头8和前视灯9，车体5的后侧中部上下间隔设置有后视摄像头10和后视灯11，车体5的前下部和后下部的左右两侧均设置有一个超声波探头12，车架1上设置有陀螺仪传感器。升降翻转调节机构包括连接板21、电动推杆13、第一舵机22、U型板14、第二舵机23和水平电机座15，连接板21水平设置在水平承载板6的下表面，电动推杆13竖向设置，电动推杆13的伸缩杆向下伸出缸体的底部，电动推杆13的缸体顶部固定在连接板21的下表面，第一舵机22固定设置在电动推杆13的伸缩杆下端部，第一舵机22的动力轴沿左右方向水平设置，U型板14的下侧、前侧和后侧均敞口，U型板14的后侧边为左高右低的斜边，U型板14的顶板上部通过一根沿左右方向水平设置的第一销轴16转动连接在电动推杆13的伸缩杆下端部，第一舵机22的动力轴同轴传动连接第一销轴16，第二舵机23固定设置在U型板14下侧部，第二舵机23的动力轴沿左右方向水平设置，水平电机座15的前侧上部通过一根沿左右方向水平设置的第二销轴17转动连接在U型板14下侧部，第二舵机23的动力轴同轴传动连接第二销轴17，电池组2分别与电动推杆13、第一舵机22和第二舵机23电连接。割草机构包括割草电机18和割草刀片19，割草电机18竖向设置并固定连接在水平电机座15的下表面中部，割草电机18的动力轴位于割草电机18的下部，割草刀片19呈长方形且水平设置，割草刀片19的中部固定连接在割草电机18的动力轴下端。车体5上设置有天线20和蜂鸣器，控制系统单元3分别与天线20和蜂鸣器信号连接，控制系统单元3的外部设置有全密封罩。

结语

本文提供了一种智能割草机器人的设计方案，利用多传感数据融合技术，将超声波传感器与机器视觉检测相结合实现目标检测，通过陀螺仪获取运行姿态动态调整刀具倾角，确保草坪修整高低一致，利用UWV技术实现定位与路径规划，通过LORA实现数据实时上传或接受远程路径规划数据及控制指令，能够实现电池容量监测与自动返回功能。

参考文献：

［1］孙晓红.割草机器人控制系统及路径规划设计［J］.机械管理开发，2023，38（03）：163164+167.

［2］徐晨.基于计算机视觉的割草机器人作业控制研究［J］.农机化研究，2022，44（12）：235238.

［3］王新彦，易政洋.基于改进YOLOv5的割草机器人工作环境障碍物检测方法研究［J］.中国农机化学报，2023，44（03）：171176.

［4］王新彦，盛冠杰，张凯，等.基于改进A*算法和DFS算法的割草机器人遍历路径规划［J］.中国农机化学报，2023，44（02）：142147.

［5］陈镜宇，郭志军，金鑫，等.基于激光扫描雷达的智能割草机器人障碍物检测［J］.现代電子技术，2022，45（18）：177181.

基金项目：河南省高等学校大学生创新创业训练计划项目（S202110463010）；教育部产学合作协同育人项目（220803203302008）；河南工业大学高层次人才科研启动基金项目（2020BS011）

作者简介：管程（2001— ），男，汉族，河南开封人，本科，研究方向：机器人设计。

*通讯作者：赵志科（1987— ），男，汉族，河南济源人，博士研究生，讲师，研究方向：检测技术与自动化装置。