智能割草机器人设计.doc

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摘要
本文首先对国内外市场上现存的智能割草机器人进行了介绍和比较，指出了现在智能割草机器人研制过程中需要注意的关键技术，并结合以往的成功经验和现在的实际需求，选择了结构易于实现的三轮车体结构。根据智能割草机器人控制系统要求，确定了以AT89C51单片机为核心的智能割草机器人控制方案，将智能割草机器人的控制系统划分成了电机驱动单元、电机控制单元和传感单元等几个部分，最终确定了智能割草机器人的技术指标。
针对上述要求，进行了智能割草机器人机械本体的设计。首先，根据相关的计算确定了所需驱动电机的参数，并以此为基础进行了电机选型。然后根据选择的电机情况为智能割草机器人设计了驱动系统的减速机构。最后，结合智能割草机器人的任务特点，为其设计了特制的割草机构。控制系统是实现自动割草机器入自主执行割草任务的关键部分，根据具体的任务要求结合低成本的思想，确定了为电机控制和传感系统分别设置独立处理芯片的策略，控制系统首先对各个传感器件发送的环境信号进行预处理，再为智能割草机器人的运动控制反馈合适的环境信息。然后电机控制单元结合发送的信号对智能割草机器人进行相应的运动调节。

关键词:智能割草机器人；移动机器人机械本体设计；电机控制；传感系统；割草机构

1前言
1.1智能割草机器人研究的背景与意义
1.1.1智能割草机器人概述
随着经济的发展，各国城市建设逐渐深化，城区的绿化程度也随之提高，大量的公园草坪、足球场草坪、GOLF球场草坪等公共绿地均需要进行维护。在各种草坪维护作业中，以草皮修剪工作最为繁重，不仅枯燥，而且重复性强，通常需要消耗大量的人力和物力。为了降低草坪维护作业的劳动强度和成本，近年来我国提出用现代电子技术和智能控制技术改造和提升草坪机械产业的战略，希望在不久的将来用智能的智能割草机器人取代传统的割草机。

图1.1智能割草机器人系统构成框图
智能割草机器人属于民用户外移动机器人领域，从系统科学的角度来讲，它是集环境感知、路径动态规划与决策、行为控制与执行等多种功能于一体的综合机器人系统。图1.1为智能割草机器人系统构成框图，该图概述了一个标准的全智能割草机器人系统，它通常由感知系统、控制系统、移动机构和割草机构等四个部分组成。感知系统实时监测外界环境变量、移动机构及割草机构运行参数，并将结果输送到控制系统；控制系统将获得的数据与自身的数据库做比较，并参照路径规划对移动机构和割草机构发出修正指令，以获得稳定的运行情况。与传统的草坪修剪机械相比，智能割草机器人具有环保、人力消耗低和高安全性等特点。
1.1.2智能割草机器人的研究概况
在智能割草机器人的研发领域,国外的许多公司做了大量的工作,己有部分产品上市如FrinediyMachines公司设计的Rboomower，是目前最成功的智能割草机器人产品之一,采用三轮小车的机构，两个后轮独立驱动,前轮为万向轮,能以一定策略为基础反复迁回运行于事先设定好的范围内,当遇到障碍物后能通过超声波传感器检测然后简单绕行,但它不能保证除障碍物外的区域，缺乏全局地图的概念,对是否已完成整块草坪的割草任务也没有概念。除此以外还有其它类似的产品,各具特色,如意大利uzeehetti公司的osear其豪华版的A811brigio甚至还配备了雨水传感器,当下雨的时候能自动躲避；瑞典Eleetr—ofux公司的Auotmower,除动力采用电池外,还可利用太阳能供电；比利时Berlbooties公司的BigMow,具备优良的路径算法,刀片覆盖面积大,覆盖率较高。
国外的科研机构对割草机器人展开的研究主要偏向割草机器人的智能控制技术，导航技术和路径规划等方向,而针对割草机器人的系统设计相对较少。美国专利US4919224采用了蓄电池供电,能在预定时间启动,具有避障防盗及自动充电等功能,采用三根导线来进行导航。当遇到下雨湿地及电源不足等以外情况时,返回车库,该专利采用超声波来探测障碍,用震荡探测器及密码来防止非法用户操作机器；美国专利US5204814采用了优化的导航技术,综合利用存储的路径及环境信息，无磁无电流的金属导线和埋在地下的金属导线三种方式来指导割草机器人的移动,该专利还选用了内燃机做动力,配合发电机及电池组使用,采用分布式控制方式。
国内对于割草机器人的研究起步时间较晚，参与该领域的研究单位也比较少，但仍取得了一定的成果。南京理工大学机械学院设计了MORO型移动割草机器人，并成功开发出了MORO.I、MORO.II等若干型割草机器人样机。南京理工大学对割草机器人的总体设计、路径规划、避障、定位系统、控制系统等从理论上进行了较全面的讨论并提出了一种廉价实用的总体方案，还根据机器人动力学方程推导出驱动力矩的计算公式，为电机选择、控制