前言:想要寫出一篇引人入勝的文章?我們特意為您整理了模擬電子下割草機器人自適應系統(tǒng)設計范文,希望能給你帶來靈感和參考,敬請閱讀。
摘要:針對割草機器人自適應性能和自動避障性能較差的問題,基于模擬電子技術對割草機器人的自適應系統(tǒng)進行設計。割草機器人采用模塊化結構設計,主要組成包括單片機控制模塊、機器人本體、傳感器模塊、電機驅動模塊、電源模塊和無線遙控模塊。為提升割草機器人的自適應能力,并且能夠識別障礙物和作業(yè)邊界,對其進行動力學控制和邊界識別方法設計,包括采用PID控制器對行駛過程進行控制、采用超聲波傳感器和電子籬笆傳感器對障礙物和邊界識別。為驗證割草機器人性能,對其進行障礙物、邊界檢測和割草試驗,結果表明:割草機器人能夠達到對障礙物和邊界檢測的要求,且割草效果良好。
關鍵詞:割草機器人;自適應系統(tǒng);模擬電子;障礙物和邊界識別;動力學控制;PID控制器
0引言
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快,城市綠化面積逐年增加,而草坪是其中最主要的綠化方式。為了保持這些草坪的美觀和生長高度,需要投入大量的人力物力對草坪進行維護,且最為繁重的工作是草坪的修剪,工作重復性很強,造成人力成本的增加[1]。為了降低勞動成本,西方國家提出采用智能割草機器人進行草坪的修剪。智能割草機器人集成了機械設計、行為控制和傳感器等技術,具有環(huán)境感知、路徑規(guī)劃和運動控制等功能,是能夠自動割草的機器人設備[2]。與傳統(tǒng)的割草機相比,其具有自動化和智能化程度較高、能耗較低和噪聲低等優(yōu)點,但是仍然存在無法根據(jù)地形調整作業(yè)狀態(tài)和自動避障性能較差等問題。自適應系統(tǒng)通過采集被控對象的信息調整自身特性,以適應被控對象變化,從而產(chǎn)生自適應規(guī)律,使系統(tǒng)保持最優(yōu)運行狀態(tài)的系統(tǒng)[3],具有適應復雜環(huán)境的特點。目前,自適應系統(tǒng)主要包括模糊自適應控制、增益自適應控制等方式,且已經(jīng)在機器人、電力等領域具有較為廣泛的應用,但目前還未在割草機器人中得到應用。模擬電子技術是模擬電子運行過程的一種設備,一般將其與超聲波傳感器聯(lián)合應用于機器人的自適應系統(tǒng),以實現(xiàn)作業(yè)過程中的避障作業(yè)。因此,可以考慮將自適應系統(tǒng)和模擬電子技術應用于割草機器人,以提升其狀態(tài)控制和避障能力。
1硬件設計
1.1總體設計
割草機器人采用模塊化結構設計,主要包括單片機控制模塊、機器人本體、傳感器模塊、電機驅動模塊、電源模塊和無線遙控模塊,如圖1所示。
1.2單片機控制模塊
單片機控制模塊是割草機器人的核心控制模塊,用于對機器人的整體進行控制,包括作業(yè)過程信息采集、處理和指令下達,直到完成整個作業(yè)過程。為了實現(xiàn)割草機的控制功能,單片機選擇STC12c5410AD型號,主頻最高可達40MHz,共設計有8路輸入信號,可以滿足作業(yè)過程中模擬信號的輸入要求。
1.3機器人本體
機器人本體主要包括割草機器人車體和割草機構兩大部分,設計原則是保證機器人作業(yè)過程中的安全性、可靠性和靈活性。對機器人車體的設計,主要包括兩方面:一是確定其運動方式;二是確定其驅動方式??紤]到大面積草坪一般較為平整,工作條件相對較好,運動方式確定為輪式運動方式。為了保證機器人的靈活性和自適應程度,車輪采用三輪的差動驅動方式,即前方設置萬向輪起導向作用,后方為兩個同軸的驅動輪,分別安裝1個驅動電機,以調節(jié)轉速并控制轉向。在輪軸中央設置旋轉編碼器,及時地采集機器人位置信息,傳遞至單片機[4-5]。割草機構簡圖如圖2所示。在割草機構電機外部設計有割草機構電機外套,以增加電機運行過程熱量的散發(fā);割草刀片可上下調節(jié),以適應不同高度的草坪,同時刀片可以從反方向彈開,防止割草過程中觸碰物體導致刀片斷裂的情況出現(xiàn)。
1.4傳感器模塊
傳感器模塊一方面用于檢測機器人作業(yè)過程周圍的障礙物信息,以及時地判斷潛在危險并躲避;另一方面用于采集自身位置和周圍環(huán)境信息,以對割草區(qū)域進行全區(qū)域路徑覆蓋規(guī)劃[6]。傳感器模塊主要包括紅外傳感器、超聲波傳感器、人體釋熱傳感器、接觸傳感器和電子籬笆傳感器等。其中,電子籬笆傳感器是最為重要的傳感器之一,通過感應電子籬笆發(fā)出的脈沖信號,產(chǎn)生感應電流,以確定機器人是否到達邊界區(qū)域附近。電子籬笆的檢測電路如圖3所示。
1.5電機驅動模塊
電機驅動模塊主要用于對機器人實現(xiàn)行駛和割草的智能控制。通過傳感器模塊接收到機器人作業(yè)和周圍環(huán)境信息,實時傳遞給單片機模塊,經(jīng)處理分析后向電機驅動模塊下達命令,控制機器人進行割草作業(yè),從而實現(xiàn)機器人的智能控制。該模塊主要包括行動電機驅動和割草機構電機驅動。工作時,根據(jù)機器人的行動要求,行動電機驅動模塊又分為左驅動和右驅動,分別用于控制左右輪的電機,進而控制轉向和行駛速度;割草機構電機則用于控制割草機構,進而控制割草速度。
1.6電源模塊
電源模塊主要用于為機器人的正常作業(yè)提供電量,采用18V電源進行供電,但由于各模塊所需電壓不同,根據(jù)需要采用不同穩(wěn)壓片來獲取不同的電壓。割草機器人所有模塊共包含兩種電壓,分別為3V和5V,,穩(wěn)壓片分別選擇為LM2576-5和AMS1117-3.3,兩種電壓的電源轉換電路相同,如圖4所示。
1.7無線遙控接收模塊
無線遙控接收模塊可根據(jù)需要進行安裝,一般采用無線傳感網(wǎng)進行信號的接收和發(fā)送,以保證對割草機器人的遠程操控和監(jiān)控。
2動力學控制和邊界識別設計
割草機器人的智能化控制主要體現(xiàn)在其割草行為具有一定的功能性、分布性和自適應的特點,并且能夠智能識別障礙物以及作業(yè)邊界區(qū)域,因此需要對割草機器人的動力學控制和邊界識別方法進行設計。
2.1動力學控制設計
割草機器人在作業(yè)過程中的行駛軌跡圖如圖5所示。首先,需要確定割草機器人的運動方程,將左右輪的編碼器數(shù)值作為參數(shù),結合行駛軌跡進行確定。機器人的運動方程為其中,(x0,y0)為機器人作業(yè)的初始位置;(xs,ys)為s時刻時機器人的位置;θ0為機器人作業(yè)初始航向角;θs為s時刻機器人的航向角;DSA和DSB分別為左輪和右輪由起始位置至s時刻位置距離;l為機器人兩輪之間寬度。將編碼器相關信息帶入運動方程可得到以下方程,即其中,DA和DB分別為左輪和右輪用脈沖值表示的行駛距離;N為在s時間內的脈沖數(shù)量;m為齒輪的轉速比;NA和NB分別為左輪和右輪的編碼器脈沖數(shù)量。由于割草機器人在運動過程中的差動模型為非線性系統(tǒng)模型[7],采用PID控制器對其進行分段線性控制,以實現(xiàn)對其速度和位置的控制[8]。分段控制器的設計模型如圖6所示。該控制器的參數(shù)為Kp、Ki和Kd。其中Kp為比例調節(jié)增益,用于保證系統(tǒng)的相應速率;Ki為積分調節(jié)增益,用于減小調節(jié)過程的誤差;Kd為微分調節(jié)增益,用于對系統(tǒng)進行超前調節(jié)。該PID調節(jié)器為數(shù)字增量式,符合以下要求,即
2.2邊界識別方法設計
割草機器人在作業(yè)過程中,需要進行障礙物和割草邊界識別。其中,障礙物識別通過超聲波傳感器進行識別,一旦檢測到障礙物,即調整行駛方向進行躲避;割草邊界識別則是在邊界設置電子籬笆,利用電磁感應原理進行識別。在邊界外圍電路中,阻抗的大小與割草機器人至邊界的距離有關,則其中,L為割草機器人內部線圈長度;C為常數(shù);R為機器人內部線圈電阻;R(d)和L(d)為機器人與割草邊界的距離函數(shù)。通過以上方法可以對割草機器人進行動力學控制,在作業(yè)過程中能夠識別障礙物,調整行駛方向,還可以識別邊界區(qū)域,使機器人在邊界區(qū)域附近或者較遠處作業(yè)。
3試驗結果
本文主要對割草機器人的動力學控制方法和邊界識別方法進行設計,主要進行以下兩個試驗:一是障礙物和邊界檢測試驗;二是割草試驗。
3.1障礙物和邊界檢測試驗
將割草機器人放置于一片空地,在其前方將1塊5cm×5cm的塑料板在機器人前方移動。一般超聲波傳感器的檢測范圍為距離障礙物5m,左右邊線夾角60°范圍;電子籬笆傳感器檢測范圍為距離障礙物30m。開啟割草機器人,將塑料板在機器人前方1、2、3、4m范圍左右移動,分別由超聲波傳感器和電子籬笆傳感器測量障礙物距離。為保證測量結果的準確性,每個距離測量3次,取平均值,結果如表1所示。由表1可知,超聲波傳感器和電子籬笆傳感器的距離測量誤差均在0.3%以下,測量結果重復性較好,可以滿足割草機器人對于障礙物和邊界檢測的要求。
3.2割草試驗
選擇1片20m×20m的草坪區(qū)域,將割草機器人在草坪進行割草試驗。草坪總面積為400m2,設定割草機器人的行駛速度為0.28m/s,開啟機器人進行割草作業(yè),試驗結果如表2所示。由表2可知,割草機器人能夠進行草坪全區(qū)域覆蓋的割草,覆蓋率為87%,割草效率為330m2/h。在割草過程中,設備運行狀況良好,且沒有出現(xiàn)越界行為,符合割草機器人的設計要求。
4結論
1)針對割草機器人自適應性能和自動避障性能較差的問題,基于模擬電子技術對割草機器人的自適應系統(tǒng)進行設計。割草機器人采用模塊化結構設計,主要組成包括單片機控制模塊、機器人本體、傳感器模塊、電機驅動模塊、電源模塊和無線遙控模塊。2)為提升割草機器人的自適應能力,且能夠識別障礙物和作業(yè)邊界,對其進行動力學控制和邊界識別方法設計,包括采用PID控制器對行駛過程進行控制,采用超聲波傳感器和電子籬笆傳感器對障礙物和邊界進行識別。3)為驗證割草機器人性能,對其進行障礙物、邊界檢測和割草試驗,結果表明:割草機器人能夠達到對障礙物和邊界檢測的要求,且割草效果良好。
作者:李娟 秦芳 單位:河北傳媒學院