智能割草机器人设计说明书.docx

1、智能割草机器人设计说明书本科毕业设计说明书题 目: 智能割草机器人的研究院 （部 : 机电学院专 业: 机械工程及自动化班 级: 姓 名: 学 号: 指导教师: 完成日期: 2013年6月15日摘 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。

2、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

3、本体设计；电机控制；传感系统；割草机构Research and Development of Autonomous Robot Lawn MowerABSTRACTThis paper first introduces and compares existing mower robots，point out the key technologies and the successful experience for autonomous robot lawn mower development,chose a simple tricycle structure.According to the

4、 needs of autonomous robot lawn mowercontrol system。selected a single chip as the core controller for robot motion control，anddivides the total control system into Motor Drive Unit，Motor controller and Sensor System.In response to these requests above，schcme out the mechanical framework of autonomou

5、s robot lawn mower.First，establish the kinematics and dynamics model of autonomous robot lawn mower, confirm the driving motor parameters by corresponding calculation，and use those parameters as the basis select the driving motors.Second，based on the selected driving motors，design a gear box for the

6、 autonomous robot lawn mower.Finally， design a special adjustable cutting mechanism for the robot according to its lawn trimming task.For implement of its lawn mowing tasks，the robots control system is a critical part，in accordance with the specific requirements，and lowdown its cost as much as possi

7、ble，decide a strategy that setting up of an independent chip for the motor control and sensor system respectively.Sensor systems controller make necessary pre process for the environment signals first，feedback appropriate environmental information to autonomous robot lawn mower, then motor control u

8、nit send corresponding signals to adjust the robots movement.Key Words:autonomous lawn mower robot；mobile robot mechanical frame design；DC motor control；sensor system；lawn mower structure1 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

9、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

10、、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

11、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Eleetrofux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

12、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、

13、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、控制系统硬件电路主要元器件参数选择提供了计算依据，为进一步深入研究割草机器人打下了基础。MORO型移动割草机器人的主要导航设备为驱动轮编码器和磁航向传感器，能自动生成无信标边界实现全区域覆盖行走。该机器人的体积约为80X51X40 cm，重约50kg，刀片的转速高达5000r/min，适用于大面积草坪的修剪工作。此外，南京理工大学还将机器人领域的前沿技术引用到割草机器人

14、上来，如基于Internet的机器人控制技术和太阳能草坪割草机关键技术等。与其它轮式割草机器人不同，江苏大学研制了一种履带式割草机器人，具有GPS定位导航的功能，能高效高速地进行作业，适用于大面积的草场区域。此机器人由两部分组成，一部分为广茂达公司生产的AS.RF型机器人，另一部分为自行设计的割草机台。此外，江苏大学还针对不同的草坪给出了合理的切割高度，这为割草机器人的研究提供了重要的依据。1.1.3智能割草机器人研究的必要性随着经济的发展，草坪业已经成为了我国一种新兴的产业。草坪基本上已经在全国城市园林绿化、运动场建设中普及应用。草坪业开始了一个缓慢、平稳也是积蓄力量的发展时期。这促使草坪业

15、开始经历一个由劳动密集型到知识密集型的转变过程，特别是草坪修剪维护工作，迫切需求一种效率更高，而人员消耗和能源消耗更低的草坪机械设备，但国外自动割草机器设备昂贵的价格和垄断的技术制约了我国在自动化和智能化草坪机械方面的推广进度，因此必须依靠自己的力量研究具有自主知识产权的智能割草机器人。在科技迅猛发展的今天，人们生活水平逐渐提高，一些应用于工业的科技正逐渐走出工厂，对智能割草机器人进行研究为服务机器人的发展提供了新的课题方向，也是服务机器人走向实际应用的一种尝试和探索，更重要的是，智能割草机器人的研制能为服务型机器人产业化的进程提供有利的参考。此外，对智能割草机器人进行研究还有一定的学术价值，

16、智能割草机器人属于户外移动型机器人，在割草时它将工作在开放的非结构化空间内，而如何实现机器人在非结构化空间的移动正是现今机器人研究的重要课题。基于割草工作的特点，还需要智能割草机器人能以一种比较理想的方法完全覆盖整个工作区间，所反映的区域充满路径规划问题也是路径规划的研究热点。综上所述，智能割草机器人的研究有着重要的商业价值、积极的社会价值和一定的学术价值，能侧面地反映出我国自动化技术和机器人学的发展水平，因此开展对智能割草机器人相关研究工作是十分必要的。1.2课题研究的主要内容及构成本课题主要的任务是对研制一种适应国内市场需求的智能割草机器人。研究内容为:机器人机械本体设计、安装；传感系统选

17、型和设计；机器人控制系统的设计；机器人路径规划等任务。课题主要研究内容和组织结构如下:第二章为智能割草机器人系统的总体方案设计。首先对国内外割草机器人的研究情况进行调研，收集相关资料，然后结合智能化割草作业的特点提出智能割草机器人的总体设计，其中包括机械本体驱动方案的选择、传感器件的选择、控制系统方案设计和技术指标等方面。第三章是智能割草机器人机械本体设计。对多种本体方案进行了讨论和比较，选择三轮结构作为自动割草机器入的驱动方式，设计了机器人的本体。智能割草机器人的机械本体包括减速机构、车体和割草机构等主要部件。第四章介绍了智能割草机器人传感系统设计，对户外移动型机器人所需要的传感元件进行了说

18、明。通过分析和评价，结合实际选择了合适的传感器。还针对各个器件的引脚说明，以AT89C51单片机为核心设计了传感器预处理模块。第五章阐述了智能割草机器人控制系统设计的过程，机器人的控制系统包括电机驱动和电机控制等两方面。电机采用ST大功率H桥集成芯片L298N驱动，结合调压电路，能为智能割草机器人的驱动电机提供安全稳定的驱动电源。第六章讨论了区域充满路径的规划算法。第七章为论文的结论与展望。2 智能割草机器人总体方案的设计智能割草机器人是一个综合的机器人系统，它集成了诸如机械系统设计、环境感知、行为控制等多方面的技术，因此需要对智能割草机器人的实现方案进行详细的讨论和研究，以确保智能割草机器人

19、最终设计方案的合理性。本章以实际需求为出发点，详细地讨论了智能割草机器人本体选型方案、控制系统方案和传感器件选择等多方面的内容，最后给出了设计的技术参数。2.1智能割草机器人本体驱动方案的选择割草机器人属于户外移动型机器人，针对该类型的机器人有各种驱动方案可供参考。根据户外移动型机器人的工作特点，对自主移动机器人平台的驱动方案进行了详细的讨论。户外移动机器人的运动方式有轮式、履带式和足式等多种。轮式和履带式驱动方式适用于较平整路面，而足式驱动方式适用于特殊的、条件相对恶劣的环境，也有的移动机器人为了适应各种路面将这几种驱动方式混合使用。割草机器人一般工作在条件较好的草坪上，结合其他工作要求，割

20、草机器人大多选用轮式驱动方式。图2.1移动机器人驱动方式的选择轮式驱动方式根据轮子数目分三轮、四轮和六轮等几种。三轮方式结构比较简单，能够满足一般需要，应用也比较广泛，如图2.1中的(a)、(b)。四轮方式的稳定性好，承载能力比较大，但结构相对复杂，如图2.1中的(c)、(d)。六轮方式与四轮方式类似，具有更高的承载能力、稳定性和柔性，多用于未知环境的探测，如月球车和火星车等。根据转向方式的不同，轮式驱动方式又可分为铰轴转向式和差动转向式两种。铰轴转向式如图2.1中的(a)、(c)所示，转向轮装在转向铰轴上，转向电机通过减速器和机械连杆机构控制铰轴从而控制转向轮的转向。差动转向式如图2.1中的

21、(b)、(d)所示，在车体两侧的驱动轮上装有不同的控制电机，通过两轮的速度比来实现车体的转向，在该情况下，非驱动轮应为自由的万向轮。由于智能割草机器人属于家用机器人，所以要求尽可能选择简洁、控制难度低的驱动方案，因此综合上述内容，选择了典型的三轮差动的驱动方式(即图2.1中的a方式)。该方式的优点是结构简单、运动灵活等，缺点在于实现两电机同步转动对电机的同轴度和控制系统的精度要求比较高。2.2传感器件的选择移动机器人为了能在未知或时变环境下自主地工作，应具有感受作业环境和规划自身动作的能力。移动机器人避障的关键问题是在运动过程中如何利用传感器对感知环境并对机器人在工作区域内进行定位，任何类型的

22、传感器都有各自的优点和不足，选用时需要仔细考虑各种因素，传感系统在移动机器人运行时，需要为移动机器人提供机器入附近障碍物的存在信息以及障碍物与机器人问的距离，还有机器人导航的相关位置信息。智能割草机器人工作在开放的户外空间内，在执行割草任务时需要获得外围障碍物信息和机器人自身位置信息，所涉及到的传感器有距离传感器和位置传感器。此外，由于智能割草机器人内设置有高速旋转的割草刀片，还应当选用相关的传感器以保证其安全性。移动机器人常用的距离传感器有超声波传感器、红外线传感器和激光测距传感器等。其中激光测距传感器造价相对较高，不适宜采用在民用服务机器人系统上，因此在本文中不予考虑；超声波传感器是利用超

23、声波的反射特性研制而成的传感器，有效的检测范围为30cm-2m；红外传感器属接近传感器，发射出的红外波波长大约在几百纳米范围内，属短波长的电磁，有效的检测范围通常小于30cm。智能割草机器人在运行时需要检测其车体外lcm-1.5m内的障碍物情况，不能单独采用超声波传感器或红外传感器。因此，本文选择超声波传感器和红外传感器相结合的方式来实现智能割草机器人的障碍物距离检测。另外，智能割草机器人工作在温度变化较大的户外环境，超声波传感器测量结果会受温度变化而与实际数值有偏差，因此，为了获得精确和稳定的采集数据，需要设置单独的温度传感器采集环境温度，用以修正产生的误差。智能割草机器人在运行时内部的割草

24、刀片会高速旋转，这会对人和动物造成潜在的伤害，还需要特别要注意安全问题，所以本论文的智能割草机器人还选用了接触传感器和人体热释传感器。接触传感器属于触觉传感器，以阵列的形式设置于机器人周围，当机器人与物体发生意外碰撞时，用于发生中断信号；人体热释传感器是一种检测人或动物身体发射的红外线而输出电信号的传感器，在智能割草机器人工作时，如有人或动物闯入到设定的安全范围时，会发出对应的警报信号。2.3智能割草机器人控制系统方案设计智能割草机器人的控制系统是智能割草机器人的重要部分，需要对机器人进行一系列的决策控制，它甚至在一定程度上决定了机器人性能的优劣。因此，对智能割草机器人在芯片选择、控制策略和通

25、讯方式等方面要进行详细的讨论，并决定最佳方案。2.3.1控制系统需求分析作为户外移动型服务机器人的研究平台，为实现低成本高效率的运动控制，智能割草机器人的控制系统需要具备以下功能或特点:(1)成本低廉，具有较好的稳定性。(2)有足够的运算能力，可在比较迅速的响应时间内同时接收传感系统采集的信号和控制两路驱动电机。(3)控制两个驱动轮的起停、转速。(4)控制两个驱动轮并行运动，以复合成特殊的运动轨迹。(5)接收超声波传感器、红外线传感器、接触传感器、旋转编码器、人体热释电传感器和温度传感器的信号。(6)传感器信号综合处理。(7)对割草机构的驱动电机进行控制。(8)根据传感器采集的信息，依照特定的

26、算法和策略，对智能割草机器人进行控制(包括运动控制和割草机构控制)。2.3.2控制系统方案设计依照上述的控制系统需求，智能割草机器人控制系统的主要功能是对两路电机进行控制、对传感信号进行处理和根据反馈结果进行运动规划。因此，智能割草机器人控制系统应包括电机驱动单元、电机控制单元和传感系统信号处理单元三部分。电机驱动单元用于驱动直流调速电机、稳定输入电压和过载保护。电机控制单元属逻辑控制部分，用于电机的转动控制，如正转、反转、急停和调速等。传感系统信号处理单元用于处理各种传感元件的输入信号，将复杂的环境信息整理成简单的条件参数反馈给电机控制单元。智能割草机器人属于民用型机器人，特别需要考虑到生产

27、成本，结合实际控制系统的运算量，控制系统不适宜采用造价昂贵的高速运动控制芯片，但可适当采用集成芯片以降低控制系统硬件的复杂程度。图2.2智能割草机器人控制系统框图如图2.2所示，为智能割草机器人控制系统框图，该系统采用了模块化的设计方法，将控制功能划分为三个相对独立部分，即电机驱动单元、电机控制单元和传感系统信号处理单元。控制系统的驱动单元用于驱动左右驱动电机和割草机构电机。智能割草机器人为了获得外部工作环境信息和自身位置信息，设置有大量的传感元件，传感系统信号处理单元用于预处理这些传感元件的信号，将其综合成简单的反馈信号传递给电机控制单元。电机控制单元是智能割草机器人控制系统的核心部分，能依

28、靠特定的策略，结合传感系统信号处理单元的反馈信息对电机驱动单元输送控制信号，以实现对智能割草机器人的智能控制。2.4智能割草机器人的总体方案及技术指标本课题所涉及的智能割草机器人以实用化技术应用为主要目的，总体方案的设计要求实用、经济、稳定性强和维护简单，因此尽可能采用成熟、可靠和实用的技术。2.4.1智能割草机器人的总体方案智能割草机器人主要分为机器人本体、传感系统和控制系统等三部分。其中智能割草机器人本体又分为机器人车体和割草机构。整个系统采用12V7Ah的铅酸免维护电瓶供电。智能割草机器人本体采用差动的方式驱动，车体共设置三个车轮，分别为两个同轴的驱动轮和一个万向的导向轮。驱动轮用两个直

29、流调速电机驱动，在电机输出端和驱动轮之间设置了减速机构，用于调节输出转速，驱动轮轴设置了旋转编码器，可向控制系统反馈位置信息。万向轮采用工业用脚轮，能承受比较大的载荷。针对智能割草机器人的实际需求，设计了特制的割草机构，智能割草机器人的割草机构由调速电机驱动，同样设置了旋转编码器反馈转速，割草刀片的高度可上下调节以适应不同高度的草坪。图2.3智能割草机器人割草机器入系统框图传感系统设置了超声波传感器、红外传感器、接触传感器、人体热释传感器和温度传感器等元件，结合各路电机的光电码盘，可形成一个信息采集面较广的系统，为智能割草机器人提供环境信息和位置信息。控制系统采用模块化的设计思路，将整体划分为

30、电机驱动单元、电机控制单元和传感系统信息信号处理单元三部分。电机驱动单元最大程度上采用集成的电机控制芯片L298N，实现标准H桥电机驱动电路，并能接受PWM调速。电机控制单元和传感系统信号处理单元均以51系列单片机开发板为基础，可实现智能割草机器人的灵活控制。2.4.2智能割草机器人的技术参数智能割草机器人所配置硬件如表2.1所示。表2.1智能割草机器人硬件配置表2.5本章小结本章涉及智能割草机器人方案设计部分的内容。针对论文绪论部分的具体需求，提出若干方案进行了比较和分析，并确定了智能割草机器人的总体方案。智能割草机器人的总体方案中包括本体驱动方案的选择、传感器件的选择和控制系统方案设计等。

31、最后，对所提出的方案进行了总结和归纳，给出了智能割草机器人的技术参数和硬件配置信息。3 智能割草机器人的机械本体设计智能割草机器人本体采用三轮小车机构的设计，前轮为其起导向作用的万向轮，两后轮为两个电机利用差动的原理分别驱动的驱动轮，这种结构的优点是:控制实现简单，只需分别控制后两轮驱动电机的转速和转角，就能准确控制智能割草机器人的动作；转弯非常灵活，有利于移动机器人在行走过程中对路面障碍进行实时避障。3.1机器人车体驱动电机的选择驱动电机的功率由机器人质量M、运行速度v、驱动轮直径d来确定。计算和分析机器人受力情况时，假设机器人在平地上直线加速行驶，不考虑机器人在行驶过程中的产生空气阻力。智

32、能割草机器人的最大重力 ，行走速度0.5kmh，查手册可知与草地的摩擦系数，电源为12V7Ah的铅酸免维护电瓶供电，电压12V。 （1）选择电动机的容量电动机所需的工作功率为 （3-1）由式 （3-2） 由电机至传动轴的总效率为 （3-3）式中:、分别为减速器、联轴器的传动效率，取=0.90, =0.99。所以 由以上计算则可选择电机的功率约为18W，输出转矩10Kg.cm，结合市场上直流电机的情况，没有符合该特性的电机产品，可选择性能相近的电机，通过减速机构调速来实现预定目标根据实际需求和结构要求，选择无锡红湖磁电机厂生产的37ZYJ一36ZY系列直流速电机，所选电机型号为37ZYJ.36ZYl26000。该电机参数如表3.1所示。表3.1 电机参数其外型尺寸和实物图如3.1和3.2所示。图3.1所选电机外型尺寸图3.2所选电机实物图3.2机器人车体减速箱设计选定自动割革机