一種自動(dòng)割草機器人的設計和實(shí)現

2.3 傳感器系統

　　2.3.1 電子籬笆感應電路

　　對空間目標的搜索和跟蹤一般采用相控陣雷達，其相控陣天線(xiàn)以電子方式控制波束方向，它可以同時(shí)搜索和測量不同方向的多個(gè)波束，建立空間目標的運行軌道和測量空間目標的窄帶特性。如美國海軍的空間監視"NAVSPASUR"系統、法國的GRAVES雷達等，以及計劃中的歐洲空間監視系統，這三個(gè)系統是由雷達電子波束在空間設置一道攔截屏（或攔截空域），所以通常稱(chēng)為"電子籬笆".

　　電子籬笆傳感器是自動(dòng)割草機器人最重要的傳感器，它可以使割草機不走出工作區域（由連在基站上的電線(xiàn)圍成的區域），這樣可以保證自動(dòng)割草機器人工作在有效區域。電子籬笆傳感器感應的是電子籬笆所發(fā)出的一定頻率的脈沖信號，感應線(xiàn)圈在靠近通有交變電流的電線(xiàn)邊界時(shí)，會(huì )產(chǎn)生特定頻率的感應電流，根據檢測特定頻率下信號幅度的大小可以得到割草機是否接近邊界的信息。電子籬笆傳感器在感應出信號后進(jìn)行放大、濾波[1],然后再送入單片機的AD輸入端口。實(shí)驗證明，越是接近電子籬笆邊界，感應出給MCU的電壓越大，選擇一個(gè)合適的閾值進(jìn)行判斷就可以得到割草機的狀態(tài)。在實(shí)際中設定接近邊界還有3 cm時(shí)感應出的電壓大小作為閾值，割草機在接收這個(gè)信號后就會(huì )給出相應的處理，如后轉彎180°然后繼續前進(jìn)。電子籬笆檢測電路圖如圖3.

　　傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。傳感器工作原理的分類(lèi)物理傳感器應用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應等現象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。

　　2.3.2 傾角開(kāi)關(guān)

　　在割草機運行過(guò)程中，有可能因為意外使割草機傾斜或者翻倒。由于割草機底盤(pán)有一對高速運行的割草刀片，所以底盤(pán)暴露在外面就會(huì )威脅到人或者動(dòng)物的安全。在車(chē)子傾斜到一定角度時(shí)，傾角開(kāi)關(guān)就會(huì )給出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號，單片機根據這個(gè)信號關(guān)斷所有的電機控制信號，并且進(jìn)入待機狀態(tài)，等待操作者手動(dòng)開(kāi)機。

　　2.3.3 碰撞開(kāi)關(guān)

　　碰撞開(kāi)關(guān)是為了讓割草機可以躲開(kāi)光電避障開(kāi)關(guān)檢測不到的盲區障礙物和快速移動(dòng)物體，是一種被動(dòng)的避障方式。碰撞開(kāi)關(guān)的原理是在割草機被外物碰撞到前方的一個(gè)機械的彈簧結構后，會(huì )讓一個(gè)觸點(diǎn)短路，這樣能給單片機一個(gè)低電平信號，通知單片機遇到了障礙物，單片機就會(huì )執行相應的避障措施。

　　2.3.4 雨水傳感器

　　雨水傳感器由一個(gè)濕敏電阻和一個(gè)比較器組成。在正常工作情況下，濕敏電阻阻值為1 MΩ左右，這樣可使比較器輸出為高（正極電壓（約2.5 V）大于負極電壓（約2 V））。如果有雨水碰到濕敏電阻，則電阻的阻值會(huì )急劇下降到1 kΩ左右，比較器輸出就為低（正極電壓（約0 V）小于負極（約2 V））。這樣就能使單片機得到雨水感應信號，執行回基站避雨的操作。圖4為雨水傳感器電路圖。

　　2.3.5 光電開(kāi)關(guān)避障

　　光電避障是最主要的避障方式，也是一種主動(dòng)的避障方式。優(yōu)點(diǎn)是不用碰到障礙物就可以檢測到并且躲開(kāi)，避免直接碰撞到障礙物。光電開(kāi)關(guān)可檢測的距離可以根據實(shí)際控制的需要進(jìn)行調節。

　　2.3.6 傳感器在車(chē)體位置上的排布

　　多傳感器系統傳感器的位置和排布對于控制精度有很大影響，在借鑒了其他多傳感器系統的排布后，設計出本系統的傳感器排布圖[2],如圖5所示。

　　A1、A2、A3、A4都是電子籬笆探頭的放置位置。B1和B2是光電傳感器和碰撞開(kāi)關(guān)的安裝位置，盡量放在邊緣有利于檢測障礙物減小檢測的盲區。其中，A3、A4這兩個(gè)電子籬笆探頭主要用于檢測前端電子籬笆區域，如果檢測到，執行后退再轉向的動(dòng)作。A1、A2則是用于進(jìn)入基站時(shí)的尋線(xiàn)，因為進(jìn)入基站的任務(wù)是通過(guò)首先尋找到邊界的電子籬笆線(xiàn)，然后再切入電子籬笆線(xiàn)中，最后通過(guò)尋線(xiàn)的方式一直走入基站。A1、A2也可以在自動(dòng)割草時(shí)發(fā)揮作用，避免割草機走出邊界，特別是在割草區域的邊角地帶，成為處理邊界算法中的一個(gè)重要輔助信號。

　　2.4 其他部分

　　其他部分包括過(guò)電流保護、欠電壓保護。過(guò)電流保護主要保護割草機驅動(dòng)電路不會(huì )因為堵轉、割刀卡死等原因損壞；欠電壓保護通過(guò)檢測電池電壓來(lái)確定是否應該回基站充電，實(shí)現自動(dòng)充電的功能。

　　3 軟件系統設計

　　自動(dòng)割草機器人的軟件部分使用單片機C語(yǔ)言編程設計[3],根據實(shí)際的控制要求實(shí)現自動(dòng)割草機器人的功能。軟件部分盡量使用查詢(xún)代替中斷，增加了軟件的健壯性。割草路徑的規劃是自動(dòng)割草機器人的主要算法部分。