自動(dòng)割草機(jī)器人主控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)割草機(jī)器人主控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3大部分組成。其中單片機(jī)控制系統(tǒng)的處理器采用國產(chǎn)芯片STC12C5410AD，包含10 bit的ADC以及串口、I2C等通用串行接口，高達(dá)40 MHz的主頻完全可以勝任本系統(tǒng)的計(jì)算和處理速度。

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要通過單片機(jī)給出的多路PWM信號(hào)對自動(dòng)割草機(jī)器人的行動(dòng)電機(jī)以及割草電機(jī)進(jìn)行控制。傳感器系統(tǒng)由電子籬笆傳感器、光電開關(guān)傳感器、碰撞開關(guān)傳感器、雨水傳感器、無線遙控接收模塊等組成。其中，電子籬笆傳感器用于探測割草區(qū)域的邊緣；光電開關(guān)傳感器用于避開慢速的或者靜止的障礙物；碰撞開關(guān)傳感器用于避開快速的或者主動(dòng)碰向割草機(jī)的物體；雨水傳感器用于檢測下雨天氣，并且相應(yīng)作出回基站的操作；傾角開關(guān)傳感器用于安全措施，防止自動(dòng)割草機(jī)器人在割草過程中發(fā)生意外事件翻倒，一旦傳感器檢測的角度超過設(shè)定的閾值，系統(tǒng)自動(dòng)停止一切工作，進(jìn)入休眠狀態(tài)；無線遙控部分用于方便使用者無線控制自動(dòng)割草機(jī)器人，無線遙控的距離約20 m.各個(gè)系統(tǒng)都采用模塊化設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展性高、升級維護(hù)方便、二次開發(fā)周期短。表1為自動(dòng)割草機(jī)器人參數(shù)表。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)采用STC12c5410AD單片機(jī)，最高主頻40 MHz，8路AD輸入，可以滿足自動(dòng)割草機(jī)器人系統(tǒng)的控制需求。本系統(tǒng)采用30 MHz的有源晶振，8路AD輸入基本上可以滿足系統(tǒng)中模擬量的采集需求。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中行動(dòng)電機(jī)部分采用2片L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片對直流電機(jī)進(jìn)行控制。1片L298驅(qū)動(dòng)芯片可以提供最高3 A的驅(qū)動(dòng)電流，本系統(tǒng)的行動(dòng)電機(jī)供電電壓為24 V，對于設(shè)計(jì)要求行動(dòng)總功率不大于60 W的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來說，2片L298擁有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，電機(jī)軸上使用了減速齒輪，用于加大最大電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，提高在草地上行走的能力。

割草電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用mosfet驅(qū)動(dòng)，IRLR2705這款mosfet可以提供峰值28 A的電流，滿足了割草電機(jī)的要求。割草電機(jī)的開通和關(guān)斷由一個(gè)單片機(jī)IO控制。割草電機(jī)驅(qū)動(dòng)有一個(gè)電流檢測反饋環(huán)節(jié)，當(dāng)割草電機(jī)的工作電流過大（一般是堵轉(zhuǎn)時(shí)），電流信號(hào)被采樣電阻取出并且送往單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換器中進(jìn)行檢測并且軟件保護(hù)。防止堵轉(zhuǎn)的電機(jī)燒毀mosfet管。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2.

2.3 傳感器系統(tǒng)

2.3.1 電子籬笆感應(yīng)電路

對空間目標(biāo)的搜索和跟蹤一般采用相控陣?yán)走_(dá)，其相控陣天線以電子方式控制波束方向，它可以同時(shí)搜索和測量不同方向的多個(gè)波束，建立空間目標(biāo)的運(yùn)行軌道和測量空間目標(biāo)的窄帶特性。如美國海軍的空間監(jiān)視“NAVSPASUR”系統(tǒng)、法國的GRAVES雷達(dá)等，以及計(jì)劃中的歐洲空間監(jiān)視系統(tǒng)，這三個(gè)系統(tǒng)是由雷達(dá)電子波束在空間設(shè)置一道攔截屏（或攔截空域），所以通常稱為“電子籬笆”。

電子籬笆傳感器是自動(dòng)割草機(jī)器人最重要的傳感器，它可以使割草機(jī)不走出工作區(qū)域（由連在基站上的電線圍成的區(qū)域），這樣可以保證自動(dòng)割草機(jī)器人工作在有效區(qū)域。電子籬笆傳感器感應(yīng)的是電子籬笆所發(fā)出的一定頻率的脈沖信號(hào)，感應(yīng)線圈在靠近通有交變電流的電線邊界時(shí)，會(huì)產(chǎn)生特定頻率的感應(yīng)電流，根據(jù)檢測特定頻率下信號(hào)幅度的大小可以得到割草機(jī)是否接近邊界的信息。電子籬笆傳感器在感應(yīng)出信號(hào)后進(jìn)行放大、濾波［1］，然后再送入單片機(jī)的AD輸入端口。實(shí)驗(yàn)證明，越是接近電子籬笆邊界，感應(yīng)出給MCU的電壓越大，選擇一個(gè)合適的閾值進(jìn)行判斷就可以得到割草機(jī)的狀態(tài)。在實(shí)際中設(shè)定接近邊界還有3 cm時(shí)感應(yīng)出的電壓大小作為閾值，割草機(jī)在接收這個(gè)信號(hào)后就會(huì)給出相應(yīng)的處理，如后轉(zhuǎn)彎180°然后繼續(xù)前進(jìn)。電子籬笆檢測電路圖如圖3.

傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。