一種自動(dòng)割草機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件總體結(jié)構(gòu)

　　主程序主要執(zhí)行初始化以及自動(dòng)割草機(jī)器人的3種行走策略：普通行走的任務(wù)；回到基站的任務(wù)；執(zhí)行出站的任務(wù)。在外部中斷中，外部光電避障、碰撞開(kāi)關(guān)避障和保護(hù)部分的信號(hào)是主要外部中斷的來(lái)源，用于實(shí)時(shí)響應(yīng)這些異常事件。軟件流程圖如圖6.

　　3.2 割草路徑規(guī)劃

　　路徑規(guī)劃是指，在具有障礙物的環(huán)境中，按照一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，尋找一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的無(wú)碰撞路徑。本算法中路徑規(guī)劃采用了基于知識(shí)的遺傳算法，它包含了自然選擇和進(jìn)化的思想，具有很強(qiáng)魯棒性。機(jī)器人整體的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃一般又稱為路徑規(guī)劃，由于機(jī)器人整體看作是一個(gè)點(diǎn)或者是一個(gè)固定的幾何體，自由度比較少，因此路徑規(guī)劃問(wèn)題相對(duì)比較簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法已經(jīng)能較好地解決路徑規(guī)劃問(wèn)題。

　　自動(dòng)割草機(jī)器人路徑規(guī)劃的遍歷策略是割草機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，涉及到割草機(jī)割草的效率。合理的遍歷策略可以使自動(dòng)割草機(jī)器人在最短的時(shí)間內(nèi)遍歷整個(gè)割草區(qū)域[4].常用的割草策略主要有兩種方式：直線運(yùn)行方式和邊界跟蹤運(yùn)行方式[5].兩種覆蓋區(qū)域方式如圖7、圖8所示。

　　采用直線運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向處會(huì)有不可避免的重疊路徑，使總的運(yùn)行距離增加；采用邊界跟蹤的方式時(shí)，需要機(jī)器人不斷地調(diào)整進(jìn)行方向，容易帶來(lái)誤差。針對(duì)自動(dòng)割草機(jī)器人以單片機(jī)為核心的控制器而言，需要自動(dòng)割草機(jī)器人的運(yùn)行軌跡盡量簡(jiǎn)單化和規(guī)范化。因此采取直線運(yùn)行方式遍歷子區(qū)間，在前向的電子籬笆傳感器感應(yīng)到邊界后，割草機(jī)器人后退一小段距離，然后以一個(gè)輪子為中心，另一個(gè)輪子左轉(zhuǎn)（或右轉(zhuǎn)）180°，完成掉頭，然后繼續(xù)前進(jìn)，下次再碰到邊界就向相反的方向旋轉(zhuǎn)180°，這樣就可以做到區(qū)域的覆蓋。

　　3.3 割草邊界區(qū)域的處理方法

　　割草機(jī)器人在區(qū)域的邊角處行走是最容易出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，不合理的行走策略可能導(dǎo)致割草機(jī)器人走出邊界。所以要利用割草機(jī)器人現(xiàn)有的傳感器去選擇在區(qū)域邊角的運(yùn)行策略。

　　經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)越界問(wèn)題的情況主要有兩種。

　?。?）割草機(jī)到達(dá)邊界的一個(gè)角落，如圖9.在這種情況下割草機(jī)器人傳感器A4（或者A3）首先檢測(cè)到邊界L1的信息，根據(jù)直線運(yùn)行方式就應(yīng)該先后退再向左轉(zhuǎn)（或向右轉(zhuǎn)）。正常情況下走到這種角落時(shí)就應(yīng)該是先檢測(cè)到L1,然后后退一段距離，再向右方向轉(zhuǎn)180°。在轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中，由于L2的存在， A3就會(huì)感應(yīng)到角落的另外一個(gè)邊界L2,如果沒(méi)有特別的策略，就會(huì)執(zhí)行先后退一段距離，再向左轉(zhuǎn)180°的策略，這樣就很容易走出邊界，或者使控制變得混亂。要避免這種情況就需要在軟件上做出改動(dòng)，即在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中如果有其他傳感器檢測(cè)到邊界，就說(shuō)明已經(jīng)到了另一個(gè)邊界角落的位置。最好的處理方法就是原路回轉(zhuǎn)過(guò)去，回到原位后再次左轉(zhuǎn)180°，開(kāi)始從這個(gè)區(qū)域的頂端到另外一端的循環(huán)行走遍歷。

　?。?）割草機(jī)遇到了一個(gè)傾斜的邊界，如圖10.如果沒(méi)有特殊的策略，A4檢測(cè)到邊界后，就執(zhí)行轉(zhuǎn)向的策略，這樣就會(huì)有很大一片的前方區(qū)域（區(qū)域一）不能遍歷到，所以就需要利用右邊的A2去解決這個(gè)問(wèn)題。在正常行走時(shí)，如果A2首先檢測(cè)到了邊界，則執(zhí)行先后退、然后左拐一定的角度、最后前進(jìn)的策略。自動(dòng)割草機(jī)器人就會(huì)沿著這根斜線邊界不斷調(diào)整自己的角度前進(jìn)，而不會(huì)漏掉這些區(qū)域，適用于邊界不是很規(guī)則的草地。

　　4 系統(tǒng)整體調(diào)試

　　割草機(jī)器人整體調(diào)試步驟：（1）單片機(jī)控制系統(tǒng)的測(cè)試；（2）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)試；（3）各個(gè)傳感部分的調(diào)試；（4）運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)與傳感器相結(jié)合的整機(jī)調(diào)試。

　　首先單獨(dú)測(cè)試單片機(jī)的控制，測(cè)試通過(guò)后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模塊的測(cè)試，獲取割草機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。然后進(jìn)行各個(gè)傳感模塊的測(cè)試，其中重點(diǎn)的是電子籬笆、光電避障的測(cè)試。在確認(rèn)各個(gè)傳感模塊工作無(wú)誤后即可開(kāi)始進(jìn)行割草機(jī)器人的整體測(cè)試以及割草路徑規(guī)劃。最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)割草機(jī)器人自動(dòng)割草、自動(dòng)充電和雨雪天自動(dòng)返回基站等功能。

　　自動(dòng)割草機(jī)器人系統(tǒng)借鑒了國(guó)外的割草機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)，特別加強(qiáng)了安全性和可靠性的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了更好的控制。從外界獲取信息能力來(lái)看，多傳感器系統(tǒng)保證了獲得的外界信息的完整性、有效性，保證了自動(dòng)割草的正常進(jìn)行以及意外情況的及時(shí)應(yīng)對(duì)。從系統(tǒng)性能方面，采用功耗合理、性能優(yōu)越的單片機(jī)控制系統(tǒng)，保證了性能與成本的兼顧。從功能方面，基本實(shí)現(xiàn)了全部割草機(jī)器人應(yīng)有的功能，并且加強(qiáng)了安全性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果，割草機(jī)器人完全能夠勝任坡度不大于15°的草地的割草需求，實(shí)現(xiàn)了真正的無(wú)人值守自動(dòng)割草。