CN100485567C

CN100485567C - 一种割草机器人智能控制系统

Info

Publication number: CN100485567C
Application number: CNB2007100713738A
Authority: CN
Inventors: 应放天; 肖伟
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Hangzhou Yinao Xinrong Technology Group Co ltd
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2007-09-21
Publication date: 2009-05-06
Anticipated expiration: 2027-09-21
Also published as: CN101135911A

Abstract

本发明公开了一种适用于在家庭、公共绿地等场所进行草坪护理修剪服务的割草机器人智能控制系统。其包括主板电路处理器单元、电源和充电管理电路、行走驱动电路、割草驱动电路、遥控接收电路、红外检测电路、虚拟线检测电路、滤波电路、碰撞处理电路、遥控器电路，主板电路处理器单元中的微处理器A通过各功能端脚与其他电路互连；行走驱动电路控制割草电机的方向和转速；割草驱动电路实现割草电机的开关；红外检测电路由红外发射管和接收管采集信号；虚拟线检测电路将虚拟线产生的电磁场信号转换为电信号；滤波电路对虚拟线信号进行滤波。本发明用单片机和电磁场技术实现自动导航、避障、检测和操作，具有劳动强度小、功耗低、污染少的优点。

Description

一种割草机器人智能控制系统

技术领域

本发明涉及一种机器人智能控制系统，尤其是一种适用于在家庭、公共绿地等场所进行草坪护理修剪服务的割草机器人智能控制系统。

背景技术

目前，用于家庭、公共绿地等场所进行草坪护理修剪服务的割草机器，一般采用汽油发动机或民用电作为动力，在人工的参与下完成草地的护理修剪等工作。但是汽油发动机燃烧产生的废气对空气有污染，且劳动强度大、功耗高，发出的噪音又对操作者和环境造成污染。同时以民用电作为动力的割草机为连线工作，电机功率大，操作时受电线长度影响，较为不便，噪音也在80分贝以上，且人工的劳动强度大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用单片机和电磁场技术实现自动导航、避障、检测和操作的割草机器人智能控制系统，其劳动强度小、功耗低、污染少。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该系统包括主板电路处理器单元、电源和充电管理电路、行走驱动电路、割草驱动电路、遥控接收电路、红外检测电路、虚拟线检测电路、滤波电路、碰撞处理电路、遥控器电路，其中主板电路处理器单元包括带有A/D转换端脚的微处理器A，微处理器A通过各功能端脚与其他电路互连；行走驱动电路由驱动芯片U2和U9来驱动，微处理器A的脚13、脚14、脚19、脚30分别接两驱动芯片的脚5、脚7、脚10、脚12，由微处理器A控制驱动输出信号，用于控制割草电机的方向和转速；割草驱动电路接微处理器A的脚18，由微处理器A控制，用于实现割草电机的开关；遥控接收电路包括无线接收模块和微处理器B，无线接收模块将编码后的遥控信号送到微处理器B的脚6，由微处理器B进行解码后通过脚11送到微处理器A的脚11；红外检测电路由红外发射管和红外接收管采集信号，其输出信号放大后接入微处理器A的脚31，供微处理器A判断碰撞情况；虚拟线检测电路由电感采集信号，将虚拟线产生的电磁场信号转换为电信号，再将电信号隔直放大；滤波电路对经过隔直放大的虚拟线信号进行滤波，再经过分压后接入微处理器A的脚28；碰撞处理电路接微处理器A的脚9，将微动开关信号经调理后送入微处理器A；遥控器电路将接收到的遥控信号调制后通过天线发送出去，供无线接收模块解码。

本发明所述的主板电路处理器单元中，微处理器A的脚7、脚8接有由晶振Y1、电容C16、电容C70组成的晶振时钟电路；微处理器A的脚3接有由电容C9和电阻R16组成的复位电路；微处理器A的脚2接有由蜂鸣器E1、三极管Q6和电阻R13组成的报警指示电路。

本发明所述行走驱动电路中，驱动芯片U2、U9的脚6、脚11是使能控制端；驱动芯片U2、U9的脚1、脚15通过采样电阻接微处理器A的脚25、脚27，供微处理器A采集驱动芯片U2、U9的驱动电流。

本发明所述割草驱动电路中，微处理器A通过控制三极管Q5通断以间接控制MOS管Q4，从而实现割草电机的开关。

本发明所述的滤波电路中，包括由肖特基二极管D19、电阻R50、电阻R49、电容C31组成的整流分压电路，并由该整流分压电路对滤波后的虚拟线信号进行分压。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：通过单片机控制和电磁场收发技术，采用直接自适应器对机器人进行轨迹控制，进行脉宽调制(PWM)分段。单片机控制和电磁场收发技术是通过安装在线路板侧前方的一对霍尔传感器和一个外围设备——机器人电子篱笆来实现的，当割草人机器行走至预先设置好的机器人电子篱笆边上时，割草机器人上的霍尔传感器就会接收到电磁信号，电磁信号处理后传送到微处理器，微处理器就会控制割草机器人转弯躲避机器人电子篱笆；进行轨迹控制时，在割草机器人启动后先运行渐开线模式割草，当感应到机器人电子篱笆发射的磁场时，割草机器人就会行走到线上，沿着机器人电子篱笆的导线割草，当割草机器人上的红外线传感器感应到前方有障碍物或触点开关受到碰撞动作，割草机器人就会躲开障碍物，沿直线行走结束沿线割草，当行进至草密度高的地方，割草电机电流升高，就会开始渐开线模式割草，当有障碍物时，割草机器人会躲开继续渐开线模式割草，当行进到机器人电子篱笆附近时，就会后退转弯再直线行走，当草密度高时，再开始渐开线模式割草；脉宽调制(PWM)分段可分别控制行走电机和割草电机，通过脉宽调制控制电机的转速，以达到行走的速度和割草电机旋转的速度，实现服务型机器人的自动导航、避障、检测和操作，无须人为操作，整体结构设计简单、成本低、可靠性好、抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明的系统结构图。

图2是本发明的原理总图。

图3是主板电路处理器单元的原理图。

图4是电源和充电管理电路的原理图。

图5是行走驱动电路的原理图。

图6是割草驱动电路的原理图。

图7是遥控接收电路的原理图。

图8是红外检测电路的原理图。

图9是虚拟线检测电路的原理图。

图10是滤波电路的原理图。

图11是碰撞处理电路的原理图。

图12是遥控器电路的原理图。

具体实施方式

参见图1和图2，本实施例包括主板电路处理器单元1、电源和充电管理电路2、行走驱动电路3、割草驱动电路4、遥控接收电路5、红外检测电路6、虚拟线检测电路7、滤波电路8、碰撞处理电路9、遥控器电路10。其中主板电路处理器单元1包括带有A/D转换端脚的微处理器A。

参见图3，主板电路处理器单元中的微处理器A是型号为5410AD的STC微处理器(以下简称U3)。微处理器U3的脚7、脚8接有由晶振Y1、电容C16、电容C70组成的晶振时钟电路(晶振Y2预留空位方便备用)，为微处理器U3提供工作时钟；微处理器U3的脚3接有由电容C9和电阻R16组成的复位电路，为微处理器U3提供可靠的上电复位；微处理器U3的脚2接有由蜂鸣器E1、三极管Q6和电阻R13组成的报警指示电路。

参见图4，电源和充电管理电路中，电源部分由直流24V电源接端口P2(端口P1为太阳能电池预留端口)经限流电阻R1、滤波电容C2、开关稳压集成芯片U1的脚1输入。开关稳压集成芯片U1的控制脚5和接地脚3接地使开关稳压集成芯片U1处于工作状态。开关稳压集成芯片U1的电压输出脚2经过整流电感L2、滤波电容C3、滤波电容C4后提供5V稳压电源。开关稳压集成芯片U1输出脚2经反向二极管D6后接地组成稳压保护电路。稳压后的输出电压接开关稳压集成芯片U1的反馈输入脚4实现电路自动反馈调节、稳定电压。驱动电路所需的24V工作电压由外接电源经电感L1整流后提供。充电管理部分中，电池电压由电阻R17、电阻R20、电容C12组成的分压电路分压后通过多通道双路切换开关U5，供处理器U3的A/D采集端脚29采集电压数据。当电池电压为低电压时，外接直流电源通过端口P4给电池充电，其中采样电阻R7、三极管Q2组成充电限流电路，防止充电电流过大，由电阻R93、电阻R94、电阻R95、电阻R96、三极管Q11组成的电路用于处理采集监视外接电压。

参见图5，行走驱动电路由专用驱动芯片U2、U9来分别驱动左轮和右轮，驱动芯片U2和驱动芯片U9的型号为L298N。处理器U3的脚13、脚14、脚19、脚30产生4路PWM信号分别接驱动芯片U2、U9的脚5、脚7、脚10、脚12，用来控制驱动输出信号，从而实现电机的正转、反转、快转与慢转。驱动芯片U2、U9的的脚6、脚11是使能控制端。处理器U3的A/D采集端脚25、脚27通过采样电阻R4、R18(R88、R83)接驱动芯片U2、U9的脚1、脚15，以采集芯片的驱动电流。反向二极管D3、D4、D7、D8用来稳压，以保证驱动电压在安全范围。

参见图6，割草驱动电路中，处理器U3的脚18通过控制三极管Q5通断以间接控制MOS管Q4，从而实现割草电机的开关。割草驱动电路的电流采集是通过采样电阻R28把电压送至处理器U3的AD端口来实现的。其中由运算放大器U11A(LM358)、电阻R103、电阻R31、电阻R29、二极管D21、二极管D18组成的滞回比较器对割草驱动电路进行限流，当驱动电路电流过大，滞回比较器会输出信号控制三极管Q12，让MOS管Q4断开以实现限流保护。

参见图7，遥控接收电路包括无线接收模块和微处理器B，微处理器B是型号为12C2052的STC微处理器(以下简称U4)。无线接收模块通过端口P11把编码过的遥控信号传输给微处理器U4的脚6，由微处理器U4负责解码工作并把解码处理后的结果通过脚11传递至微处理器U3的脚11，最终由微处理器U3根据遥控信号结果执行相关任务。

参见图8，红外检测电路包括红外发射管和红外接收管，红外发射管的脉冲信号是由延时集成电路U6、电阻R48、电阻R51、电容C33、电容C32与二极管D20产生的。红外接受管接收到的红外信号经过电容C65、电阻R43滤波和电容C25隔直，再经过三极管Q9、Q10放大整形，并把调理后的信号接微处理器U3的脚31，供微处理器U3判断碰撞状况。

参见图9，虚拟线检测电路包括四个磁检测探头，根据电磁传递原理，电感L3(电感L4、L5、L6为另外三路检测电路，原理相同，不另做介绍)把由虚拟线产生的电磁场信号转变为电信号采集，再由运算放大器把信号隔直放大供后级电路处理使用。

参见图10，由运算放大器U7、电阻R44、电阻R55、电阻R8、电容C44、电容C45等器件构成的滤波电路负责把经过隔直放大的虚拟线信号滤波，再经过由肖特基二极管D19、电阻R50、电阻R49、电容C31构成的整流分压电路进行分压后，供微处理器U3的A/D采集端脚28采集。多通道双路切换开关U5用来切换系统的多个采集信号，可以节省微处理器U3的A/D采集端口，提高A/DD的复用率。

参见图11，碰撞处理电路中，当机器人碰到外界障碍物，就会触动微动开关，微动开关在碰撞过程中闭合，微动开关信号经调理后送给微处理器U3，由微处理器U3调用相应程序进行处理。

参见图12，遥控器电路的遥控器面板上有四个按键K0、K1、K2、K3，分别对应左转、右转、开关机器、回充电座充电，功能和按键也可以根据用户修改。触发按键由PT2262编码产生基波信号，并与X1产生的载波信号调制后，通过天线发送出去供遥控接收电路中的遥控接收模块解码。

在已经设置好机器人电子篱笆的待割草的场地中，启动后的割草机器人先运行渐开线模式割草，当割草机器人行走至机器人电子篱笆附近时，安装在线路板侧前方的霍尔传感器感应到机器人电子篱笆发射的磁场，割草机器人就会行走到线上，沿着机器人电子篱笆的导线割草；当割草机器人行走偏左时，线路板上右侧的霍尔传感器检测到的磁场信号较左侧的强，割草机器人就会向右转过一定的角度后继续前进，行走偏右时同理。当行走中割草机器人前方出现障碍物时，割草机器人上的红外线发射头持续发射的红外线被反射回来，红外线接收管接收到红外信号，信号经过处理后，输入到微处理器A中，由微处理器A控制割草机器人转弯，如发生碰撞，触点开关受到碰撞后动作，输出一个开关信号到微处理器A，由微处理器A控制割草机器人转弯，然后沿直线行走结束沿线割草。沿直线行走结束沿线割草时，如行进至草密度高的地方，割草电机电流升高，串联在割草电机上的采样电阻上的电压就会变化，微处理器A检测到电信号后控制割草机器开始渐开线模式割草，当有障碍物时，割草机器人会躲开(原理同上)并且继续渐开线模式割草。当行进到机器人电子篱笆附近时，安装在线路板前侧的霍尔传感器会检测到电磁信号，信号处理后输入到微处理器A，由微处理器A控制割草机器人后退再转弯然后继续沿直线行走，当草密度高时，再开始渐开线模式割草。当割草机器人电池电量偏低时，割草机器人就会开启自动充电程序，指示割草机器人停止割草电机工作，再行走上线自动导航(过程同沿线割草)行走到充电座，通过安装在割草机器正前方的两个充电电极贴上充电座上的充电电极进行充电，这时电源和充电管理电路2开始工作，给割草机器人充电，其中的电池检测电路检测到电压上升，微处理器A控制行走电机减慢行走电机的速度，使其缓慢前进，紧紧贴着充电电极，实现自动充电功能。

Claims

1、一种割草机器人智能控制系统，其特征在于：包括主板电路处理器单元(1)、电源和充电管理电路(3)、行走驱动电路(4)、割草驱动电路(5)、遥控接收电路(6)、红外检测电路(7)、虚拟线检测电路(8)、滤波电路(9)、碰撞处理电路(10)、遥控器电路(11)，其中：

主板电路处理器单元(1)包括带有A/D转换端脚的微处理器A，微处理器A通过各功能端脚与其他电路互连，微处理器A的型号为5410AD；

行走驱动电路(4)由驱动芯片U2和驱动芯片U9来驱动，微处理器A的脚13、脚14、脚19、脚30分别接两驱动芯片的脚5、脚7、脚10、脚12，由微处理器A控制驱动输出信号，用于控制割草电机的方向和转速，驱动芯片U2和驱动芯片U9的型号为L298N；

割草驱动电路(5)接微处理器A的脚18，由微处理器A控制，用于实现割草电机的开关；

遥控接收电路(6)包括无线接收模块(2)和微处理器B，无线接收模块(2)将编码后的遥控信号送到微处理器B的脚6，由微处理器B进行解码后通过脚11送到微处理器A的脚11，微处理器B的型号为12C2052；

红外检测电路(7)由红外发射管和红外接收管采集信号，其输出信号放大后接入微处理器A的脚31，供微处理器A判断碰撞情况；

虚拟线检测电路(8)由电感采集信号，将虚拟线产生的电磁场信号转换为电信号，再将电信号隔直放大；

滤波电路(9)对经过隔直放大的虚拟线信号进行滤波，再经过分压后接入微处理器A的脚28；

碰撞处理电路(10)接微处理器A的脚9，将微动开关信号经调理后送入微处理器A；

遥控器电路(11)将接收到的遥控信号调制后通过天线发送出去，供无线接收模块(2)解码。

2、根据权利要求1所述的割草机器人智能控制系统，其特征在于：所述的主板电路处理器单元中，微处理器A的脚7、脚8接有由晶振Y1、电容C16、电容C70组成的晶振时钟电路；微处理器A的脚3接有由电容C9和电阻R16组成的复位电路；微处理器A的脚2接有由蜂鸣器E1、三极管Q6和电阻R13组成的报警指示电路。

3、根据权利要求1或2所述的割草机器人智能控制系统，其特征在于：行走驱动电路(4)中，驱动芯片U2、U9的脚6、脚11是使能控制端；驱动芯片U2、U9的脚1、脚15通过采样电阻接微处理器A的脚25、脚27，供微处理器A采集驱动芯片U2、U9的驱动电流。

4、根据权利要求1或2所述的割草机器人智能控制系统，其特征在于：所述割草驱动电路(5)中，微处理器A通过控制三极管Q5通断以间接控制MOS管Q4，从而实现割草电机的开关。

5、根据权利要求1或2所述的割草机器人智能控制系统，其特征在于：所述的滤波电路(9)中，包括由肖特基二极管D19、电阻R50、电阻R49、电容C31组成的整流分压电路，并由该整流分压电路对滤波后的虚拟线信号进行分压。