CN205196323U - 一种基于物联网的太阳能智能割草机器人 - Google Patents

一种基于物联网的太阳能智能割草机器人 Download PDF

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谢楚康
陈元电
苏成悦
魏法明
蔡森矗
陈湘娜
李静娴
洪俊生
张苏涛
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Abstract

本实用新型提供了一种基于物联网的太阳能智能割草机器人，包括车体，太阳能板，摄像头，割草刀头，底板，其中所述车体由底板以及上方斜放的太阳能电池板镶嵌组成，车体内采用双层设计，夹层中固定有开关电源控制系统和电机驱动装置，夹层下方为割草刀头，车体尾部固定有铅蓄电池，开关电源控制系统主要由开关电源充放电模块构成；太阳能电池板有钢化玻璃保护以及防水树胶封装，且在其输出端设计BUCK&BOOST双向开关电源模块，将太阳能电池板的输出电压给机器系统供电，或为蓄电池充电，本实用新型操作环保节能，简单容易，几乎无需人为控制，从而能克服传统割草机遇到的一系列问题。

Description

一种基于物联网的太阳能智能割草机器人
技术领域
本实用新型涉及机器人应用领域，尤其涉及了一种基于物联网的太阳能智能割草机器人。
背景技术
随着我国经济的发展，城市的绿化进程在逐渐加快，在很多城市公园，小区出现了大面积的草坪，足球场，高尔夫球场等大面积的绿化用地。而目前维护这些大面积草坪的传统办法是用人工操作割草机，具有劳动强度大、时间消耗高、工作重复枯燥及噪音污染和空气污染等缺点，与美丽的草坪环境格格不入。
基于物联网的太阳能智能割草机器人与传统的割草机相比更加智能、环保，控制更加简单。在国内市场上自动割草机器人的应用很少，主要原因在于自动机器人的智能化程度不高，需要另外专门的充电设备，使用成本较高。同时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。
物联网太阳能智能割草机器人是基于GPS导航和太阳能光伏发电的智能割草机器人，目前远程控制、自动导航、路线规划、天气预测、边界识别、智能壁障和安全检测等技术有待开发，而环保节能、低噪声、无废气污染和几乎无需人为控制的高度智能化的割草机亟需结合此类功能，从而能克服传统割草机遇到的一系列问题。所以在提倡绿色环保和绿化草坪面积大增的背景下，本实用新型市场广阔，具有美好应用前景。
实用新型内容
为了克服现有割草机体积大、笨重、噪音大、污染环境以及操作繁琐的缺点，本实用新型提供了一种基于物联网的太阳能智能割草机器人：包括车体，太阳能板，摄像头，割草刀头，底板，其中所述车体由底板以及上方斜放的太阳能电池板镶嵌组成，车体内采用双层设计，夹层中固定有开关电源控制系统和电机驱动装置，夹层下方为割草刀头，车体尾部固定有铅蓄电池，开关电源控制系统主要由开关电源充放电模块构成；太阳能电池板有钢化玻璃保护以及防水树胶封装，电池板的可靠性及耐用性高，且在其输出端设计BUCK&BOOST双向开关电源模块，将太阳能电池板的输出电压通过电压变换和稳压，最后得到12v的稳定电压给机器系统供电，或为蓄电池充电。
进一步地，还设置有视觉识别装置，天气监测装置，物联网远程导航系统以及智能壁障装置系统；底板前端中央设置有一条垂直于底板的控制轴，控制轴的另一端设置有天气监测装置和视觉识别装置；底板前端两侧设置有智能壁障装置系统。
进一步地，视觉识别装置由摄像头和机器视觉模块组成，通过机器视觉边界识别的颜色分割算法，有效识别草坪的边界；天气监测装置由雨水检测模块和温湿度检测模块组成，可在天气发生变化时开启返航功能；智能壁障装置由超声波壁障模块、用于姿态检验的三轴加速度传感器和三轴陀螺仪模块组成，三轴加速度加三轴陀螺仪模块可实时检测车体的姿态角；物联网远程导航系统包括4G蓝牙模块，2.4G大功率NRF模块进行无线通讯装置，并可以采用安卓客户端进行远程导航；电机驱动装置包括有姿态检测的六轴模块、整机主控MCU处理器，GPS定位系统及其周边外设电路。
本实用新型解决了市场上的割草机器人智能化程度不高，生产成本较高，不能远程控制以及在使用的过程中的意外情况处理问题，且本实用新型操作环保节能，简单容易，几乎无需人为控制，从而能克服传统割草机遇到的一系列问题。
附图说明
图1为本实用新型设计的车体整体结构示意图1(省略太阳能电池板)；
图2为本实用新型设计的车体整体结构示意图2；
图3为本实用新型的车体底部结构图；
图4为本实用新型设计的高效率开关电源电路原理图主要部分；
图5为本实用新型设计的系统框图；
图6为本实用新型设计的主要程序流程图。
附图中的标记说明：1‐开关电源控制系统，2‐铅蓄电池，3‐割草刀头，4‐天气监测装置，5‐摄像头，6‐机器视觉模块，7‐控制轴，8‐电机驱动装置，9‐智能壁障装置系统，10‐太阳能板。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。
一种基于物联网的太阳能智能割草机器人：包括车体，太阳能板，摄像头，割草刀头，底板，其中所述车体由底板以及上方斜放的太阳能电池板镶嵌组成，车体内采用双层设计，夹层中固定有开关电源控制系统和电机驱动装置，夹层下方为割草刀头，车体尾部固定有铅蓄电池，开关电源控制系统主要由开关电源充放电模块构成；太阳能电池板有钢化玻璃保护以及防水树胶封装，电池板的可靠性及耐用性高，且在其输出端设计BUCK&BOOST双向开关电源模块，将太阳能电池板的输出电压通过电压变换和稳压，最后得到12v的稳定电压给机器系统供电，或为蓄电池充电。
进一步地，还设置有视觉识别装置，天气监测装置，物联网远程导航系统以及智能壁障装置系统；底板前端中央设置有一条垂直于底板的控制轴，控制轴的另一端设置有天气监测装置和视觉识别装置；底板前端两侧设置有智能壁障装置系统。
进一步地，视觉识别装置由摄像头和机器视觉模块组成，通过机器视觉边界识别的颜色分割算法，有效识别草坪的边界；天气监测装置由雨水检测模块和温湿度检测模块组成，可在天气发生变化时开启返航功能；智能壁障装置由超声波壁障模块、用于姿态检验的三轴加速度传感器和三轴陀螺仪模块组成，三轴加速度加三轴陀螺仪模块可实时检测车体的姿态角；物联网远程导航系统包括4G蓝牙模块，2.4G大功率NRF模块进行无线通讯装置，并可以采用安卓客户端进行远程导航；电机驱动装置包括有姿态检测的六轴模块、整机主控MCU处理器，GPS定位系统及其周边外设电路。
割草机在户外全程采用基于高效率开关电源技术的太阳能供电系统为割草机供电。在上位机发送给割草机目标航线和作业区域大小的信号后，利用GPS定位系统实现导航和在特定区域内作业。在草坪边缘外，系统通过机器视觉边界识别的颜色分割算法，有效识别草坪的边界，防止割草机越界误操作，克服了GPS由于在草坪边界定位精度不高而给机器带来误操作的问题，安置在机器前方的超声波模块实时检测障碍物，可实现智能避障功能；三轴加速度加三轴陀螺仪模块可实时检测车体的姿态角，当倾斜角过大时，割草机将后退并掉头，当出现翻车时，系统立即开启自我保护功能；利用温湿度传感器和雨水传感器组成天气检测系统，当天气由晴转阴雨时，割草机启动返航功能。同时，从机可通过2.4G无线通讯与割草机通讯，实时接收割草机的工作状态信息，并能实现对割草机的控制。
本实用新型采用机器视觉实现边界识别，克服了磁导航的安装繁琐、成本高、移动性差、易损、耗能大和破坏环境的缺点，弥补GPS定位的不足。本实用新型以Cortex‐M3作为处理器，采用充分发挥MCU处理器性能的摄像头，利用边缘检测算子与颜色分割算法以识别绿色边界。
本实用新型采用的高精度GPS定位系统，该系统自带高性能无源陶瓷天线，具有50个通道，追踪灵敏度高达‐161dBm，测量输出频率最高可达5Hz。GPS接受到信息后，通过MCU处理器串口通信接受模块的GPS信息，单片机根据GPS相关协议解码得到包含定位时间，纬度，经度，高度，定位所用的卫星数，速度，日期等信息，机器根据定位信息再进行相应的动作和处理。
本实用新型采用超声波进行壁障，雨水传感器模块以及温湿度检测模块，当要下雨或出现大雾情况，雨水传感器立刻输出有效信号，MCU处理器接收到有效信号后，立刻返航或回到指定安全点躲避。
本实用新型采用六轴传感器辅助机器进行精准的转角，和检测机器是否有翻车的危险，当机器的姿态角达到预设的阈值时，则判定为翻车，系统将停止运行，以保护系统。
本实用新型采用直流电机驱动。系统根据不同的场景，通过PWM脉宽可调信号控制刀头转速：在割草任务艰巨时刀头高速工作；在割草任务轻松且不影响割草效果时，刀头降低速度；而在遇到不可预测的危险时，刀头停止工作，保障工作的安全，避免不必要的能源损耗。
本实用新型采用安卓客户端进行远程导航，设置了2.4G蓝牙模块，2.4G大功率NRF模块进行无线通讯。
太阳能开关电源模块由太阳能电池板以及开关电源模块组成。在不同光照下太阳能电池板产生不同强度的电压，不适宜直接对电池进行充电。故采用BUCK开关电源电路如图2，进行恒压充电，保证充电安全以及延长电池寿命。此电源采用PID控制算法的MCU实现对电源的恒压管理。设当前控制量为Pout(t)，每次检测输出电压误差值为error(t)，选定合适的Kp、Ki、Kd常数量，实现输出电压的稳定控制：
当前控制量的值：Pout(t)＝Kp*error(t)+Ki*∑error(t)+Kd*(error(t)-error(t-1))
上一次的控制量的值：Pout(t-1)＝Kp*error(t-1)+Ki*∑error(t-1)+Kd*(error(t-1)-error(t-2))
增量法计算公式：ΔPout(t)＝Kp*error(t)+Ki*e(t)+Kd*(error(t)-2error(t-1)+error(t-2))。

Claims (3)

1.一种基于物联网的太阳能智能割草机器人，包括车体，太阳能板，摄像头，割草刀头，底板，其中所述车体由底板以及上方斜放的太阳能电池板镶嵌组成，车体内采用双层设计，夹层中固定有开关电源控制系统和电机驱动装置，夹层下方为割草刀头，车体尾部固定有铅蓄电池，其特征在于：
所述开关电源控制系统主要由开关电源充放电模块构成；
所述的太阳能电池板有钢化玻璃保护以及防水树胶封装，电池板的可靠性及耐用性高，且在其输出端设计BUCK&BOOST双向开关电源模块，将太阳能电池板的输出电压通过电压变换和稳压，最后得到12v的稳定电压给机器系统供电，或为蓄电池充电。
2.根据权利要求1所述的一种基于物联网的太阳能智能割草机器人，其特征在于：还设置有视觉识别装置，天气监测装置，物联网远程导航系统以及智能壁障装置系统；
所述底板前端中央设置有一条垂直于底板的控制轴，控制轴的另一端设置有天气监测装置和视觉识别装置；
所述底板前端两侧设置有智能壁障装置系统。
3.根据权利要求2所述的一种基于物联网的太阳能智能割草机器人，其特征在于：
所述的视觉识别装置由摄像头和机器视觉模块组成，通过机器视觉边界识别的颜色分割算法，有效识别草坪的边界；
所述的天气监测装置由雨水检测模块和温湿度检测模块组成，可在天气发生变化时开启返航功能；
所述的智能壁障装置由超声波壁障模块、用于姿态检验的三轴加速度传感器和三轴陀螺仪模块组成，三轴加速度加三轴陀螺仪模块可实时检测车体的姿态角；
所述的物联网远程导航系统包括4G蓝牙模块，2.4G大功率NRF模块进行无线通讯装置，并可以采用安卓客户端进行远程导航；
所述的电机驱动装置包括有姿态检测的六轴模块、整机主控MCU处理器，GPS定位系统及其周边外设电路。
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