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智能割草机器人控制系统的研究

文:绍兴职业技术学院机电工程学院 徐伟锋 | 2019年第四期 (0) | (0)

摘要:通过对目前割草机市场和智能割草机器人控制系统的分析,结合传感器检测技术、直流电机驱动技术、PLC控制技术、GPS定位技术以及触摸屏人机交互技术,设计了一套智能割草机器人控制系统,其具有运行稳定、安全可靠、响应快等性能。同时,该智能割草机器人的定位精度误差减小,割草工作效率大大提高,而智能化程度也大幅提高。

关键词:智能割草机器人;控制系统;PLC;

0引言

随着社会经济的不断发展,社会绿化覆盖面积大幅度增加,人们对生活环境的绿化需求也越来越大。但是,无论是公园草坪、足球场草坪、高尔夫球场、公共绿地还是一般家庭绿地,都需要对草地进行定期修剪、维护等的割草作业。而目前,割草作业用到的设备工具,主要有手动推进式割草机、手持背负式割草机、以及人工驾驶式割草机等,其人工维护作业量大、劳动强度高,需要消耗大量的人力、资金和时间等资源;同时,这些割草机采用汽油发动机作为动力,对环境造成严重的空气污染和噪声污染,而且,其控制简单,工作效率低,智能化程度不高。所以,为解决目前人工割草带来的诸多不便与危害,本文设计了一种智能割草机器人控制系统。

1智能割草机器人控制系统分析

智能割草机器人控制系统是智能割草机器人的关键组成部分,主要涉及传感检测技术、PLC或单片机控制技术、伺服驱动控制技术、以及位置定位及路径规划技术等,主要实现对GPS定位信号和传感器信号的采集及处理,并对左右行走电机和割草电机进行控制。智能割草机器人控制系统主要包括GPS定位装置、传感检测装置、PLC或单片机控制器、左右伺服驱动器、割草伺服驱动器、左右伺服电机和割草伺服电机以及触摸显示屏,如图1所示。

 图 1 智能割草机器人控制系统.png

图1智能割草机器人控制系统

智能割草机器人要想具有智能运动控制,其控制系统需要具有较好的控制性能和系统稳定性能,而且需要具有快速响应和通讯实时交互功能,使其智能割草机器人在运行过程中,实时获取其在草地中的目标位置信息,并在草地割草区域内规划出合理的路径完成自主割草。

2控制系统硬件设计

2.1传感检测装置

智能割草机器人的传感检测装置主要有红外检测传感器、超声波传感器、雨水传感器、人体热释检测传感器等,主要为智能割草机器人提供外界工作环境以及自身状态等相关信息,确保智能割草机器人在割草工作区域内的安全可靠运行,实现其预定割草工作任务。

红外检测传感器是利用红外线波长为检测介质的测量系统,不受电磁干扰、可实现对物体非接触检测,按其探测器可分为红外热探测器和光子探测器。而红外传感器ORA1L03-JA5具有近距离准确测量,受环境温度影响小,电路设计简单,安装方便,故采用其进行智能割草机器人近距离的检测。

同时,为了智能割草机器人在割草工作环境中区域地图构造和障碍物的距离测量信息,智能割草机器人还采用了超声波传感器URM37V4.0,如图2所示。URM37V4.0超声波传感器具有三种模式,即自动检测模式、串口通讯控制模式和PWM运动控制模式,而且其在动态运行控制过程中,可以实时读取工作环境的温度和障碍物的实际距离,把采集的信息反馈给智能割草机器人控制器。

 图 2 超声波传感器 URM37 V4.0.png

图2超声波传感器URM37V4.0

雨水传感器采用常规的室外无源雨水感应器,当智能割草机器人在室外割草过程中遇到下雨,雨水传感器就会检测到下雨信号,并将信号反馈给其控制器,使智能割草机器人尽快停止割草并返回避雨处。

而智能割草机器人在割草工作过程中,为确保人和动物的安全,需对靠近割草机器人工作区域的人和动物进行检测,故其控制系统采用了人体热释传感器CT-418AC。当人或动物靠近工作中的智能割草机器人,则该人体热释传感器就会产生受热释电效应,发出人或动物靠近的信号。

2.2电机及驱动器

2.2.1割草电机及驱动器

智能割草机器人的整机供电电源装置为直流24V锂电池,故智能割草伺服电机选择的电压选择直流24V,而其割草电机的功率主要与割草宽度、割刀片长度、割草机器人行进速度有关。根据该智能割草机器人的割草宽度为350mm、割刀片长度150mm,割草机器人的行进速度0.8m/s,经估算初选割草电机功率为125W,即型号为57BLY12530,如图3所示。

 图 3 57BLY12530 无刷直流电机.png

图3 57BLY12530无刷直流电机

而与割草电机所配套的驱动器选择BLD-120A直流无刷驱动器,该驱动器采用了高性能的DSP处理器,具有启动转矩大、启动及制动响应快等优点,能够通过控制器(PLC或单片机)进行PWM调速控制。

2.2.2行走电机及驱动器

智能割草机器人行走结构为前面两个导向轮和后面两个驱动轮结构,并通过对后面左右两个驱动机构的控制,实现智能割草机器人的前进、后退、左转、右转等动作。而其割草机器人主要在草地上运行,行走速度一般变化较快,对行走电机的控制精度要求也较高。所以,结合智能割草机器人自身重量(G=35kg)、左右行走驱动轮大小(直径D=250mm)以及其行走的速度(V=0.8m/s),根据设计要求采用两套直流无刷行星减速电机为智能割草机器人左右行走驱动轮的电机,其型号为ZGX38RSS+BLDC-38S,额定电压24V。

2.3控制器

目前,智能割草机器人控制系统中,采用的控制器主要有PLC和单片机两种类型。而单片机控制器体积小、控制灵活、安装方便,在大部分智能割草机器人均采用单片机作为控制器。但是,单片机在割草任务执行过程中,抗干扰能力差,会产生运行控制信号不稳定,使得割草机器人出现停车、跑偏等现象。所以,为避免上述问题的产生,本控制系统的控制器采用西门子S7-200作为该智能割草机器人核心控制器。

2.4GPS定位装置

智能割草机器人通过GPS接收机接受的信号和行走驱动电机的位置信号组建成GPS定位导航系统,并通过卡尔曼滤波算法运算提供其定位的精度。本控制系统的GPS接收机采用以稳恒科技生产的GPS模组WH-GH100为核心的模块,如图4所示。该GPS定位模块是一款高集成度、低功耗、低成本的多模卫星定位模块,支持GPS/北斗/GLONASS/Galileo/QZSS/SBAS,集成DC/DC、LDO、LNA、基带处理、RTC等功能,能快速准确的进行定位。

 图 4 GPS 定位模块.png

图4 GPS定位模块

2.5触摸显示屏

为智能割草机器人实时提供运行状态信息和运行故障提示,特为其配置了一款具有高性能嵌入式一体化触摸显示屏,作为与智能控制器进行通讯的上位机,其型号为威纶通TK6071iQ。该触摸显示屏采用7英寸TFT液晶高亮度显示屏,具有图像显示和数据处理能力,带有MPI通讯接口,可实现与PLC控制器进行实时通讯和数据交互。

3控制系统软件设计

智能割草机器人控制软件设计分主要是对PLC控制器的软件设计,主要实现按照预先设定的相关信息对智能割草机器人进行行走运行和割草作业的控制,并通过与人机交互界面以及远程终端进行实时信息和数据的交互。而PLC控制器作为智能割草机器人控制系统的核心,涉及智能割草机器人的启动、停止、前进、后退、转弯、割草、定位以及相关机构速度的控制等。而智能割草机器人PLC控制程序的几个关键程序段如下:

(1)行走机构部分控制程序段

 1-4.png

)割草机构部分控制程序段.png 

(2)割草机构部分控制程序段

 5检测.png

 

4总结

通过对比目前智能割草机器人市场特点,结合传感器检测技术、直流电机驱动技术、PLC控制技术、GPS定位技术以及触摸屏人机交互技术,设计的智能割草机器人控制系统具有运行稳定、安全可靠、响应快等性能。同时,智能割草机器人的割草工作效率大大提高,其定位精度误差减小,而智能化程度也大幅提高。



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