多传感数据融合技术，在智能割草机器人中，如何实自动返回功能

草坪在城市和景区绿化方面发挥着重要作用，然而随着草坪面积的不断增大，草坪的日常修剪成为一项繁重的工作。

一般机械功率大割草效率高家用草坪割草机主要用于庭院等小面积草坪的修剪具有功率小操作灵活等特点。割草是重复且繁重的工作，而传统的草坪机电设备技术比较落后。

随着这些年的发展和变化，现有的割草机器人主要有轮式驱动和履带驱动两种方式。履带式割草机人具有爬坡能力强，适应不同地况的优点，但自身重量偏重，对动力电池的要求较高。

而电池所存在的安全隐患同样值得人关注，河南某村民就在割草机的使用中，由于机器电池过热，造成内部线路短路，从而导致附近的干草起火，最终造成大批量农田被烧毁，引发严重的经济损失。

轮式割草机器人具有驱动结构简单的优点，在现有的割草机器人中应用最为广泛。割草路径规划是割草机器人智能化的重要特征。

现有的割草机器人主要借助超声波传感器、激光雷达、机器视觉、北斗导航等信息获取方式，并通过Dijkstra算法、A*算法、D*算法、人工势场法等路径规划算法实现最佳路径选择。

近年来，随着人工智能和图像处理硬件性能的大幅提升，使得实时图像处理与控制决策成为可能，也使得YOLO等目标检测算法越来越多地应用于割草机器人的路径规划之中。

但是，这些割草机器人普遍存在智能化程度低，且仅能胜任平整草坪的修建工作，无法适应全天候、多种地况作业的修剪任务。

特别是因缺乏智能路径选择算法，容易出现重复作业和遗漏未修剪的情况出现。因此，迫切需要设计一种适应多种地况的新型智能割草机器人。

«——【·系统总体设计·】——»

以某科研人员设计的智能割草机器人系统方案，如图1所示。

该设计的微控制选择STM32F407作为整个控制系统的核心，用于处理各个传感器获得的数据信息，并做出控制决策。

陀螺仪选用MPU6050，用于实时获取行进中机器人的位置姿态，根据运行姿态来调整割草刀具的倾斜角度。

选用L298N来驱动割草机器人的行进电机、刀具倾角电机、割草电机。通过OpenMVH7实现视觉导航，并通过其内部算法实现对草地与其他地况的区分。

割草机器人在其四周安置了超声波传感器，用于辅助OpenMV开展障碍物识别，当检测到了障碍物时，通过声波报警模块发出报警提示。

通过搭载的UWB模块，借助标签实现对行进路径进行监测与规划，通过LOＲA模块实时地将采集到的数据进行上传，便于开展远程监控。系统具有电源管理模块用于实时监测电池剩余容量。

«——【·硬件设计·】——»

L298电机驱动电路：L298N是专用驱动集成电路芯片，属于H桥集成电路。该系统采用L298N驱动所涉及的控制电机，如图2所示。

U3和U4为L298N芯片，U2为DC-DC降压芯片LM2596S。

MPU6050割草姿态检测电路基于MPU6050的割草机器人姿态检测电路，如图3所示。

MPU6050其内部整合了3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，通过主IIC接口，向该系统的主控制器STM32F407单片机实时输出姿态数据。

UWB定位接口电路：UWB定位接口电路，如图4所示。

U52为DWM1000模块，其将天线、所有射频电路、电源管理和时钟电路集成在一个模块中，可用于双向测距或时差定位系统，定位精度可达10厘米，并支持高达6．8Mbps的数据速率。

LOＲA模块接口电路：LOＲA模块接口电路，如图5所示。

M1为ＲA-01SC-I，该模块用于超长距离扩频通信，其射频芯片LLCC68主要采用LoＲaTM远程调制解调器，用于超长距离扩频通信，抗干扰性强，功耗低。

UWB定位接口电路OpenMV摄像头接口电路，如图6所示。

OpenMV是一款具有图像处理功能的可编程的单片机摄像头，利用其完成对草坪的识别，并将信息实时传送给微控制器。

«——【·软件程序设计·】——»

系统主流程图，如图7所示。

系统上电后，首先完成系统的初始化，开启电池剩余容量监测，获取UWB定位信息，开启LOＲA数据远程传输。

开启询问是否接受远程路径规划数据，如果监控平台的上位机下发路径规划数据，则系统将接收到的路径规划数据替换原来系统默认的规划数据。

如果没有接收到远程路径规划数据指令，则运行原割草路径。当OpenMV和超声波传感器检测到障碍物后，进行声光报警并调整转向绕开障碍物行进。

陀螺仪实时检测割草机器人运行坡度的变化，当割草机器人坡度变化时，动态调整割草刀具倾角，以保证割草的平整性。

当割草机器人检测坡度无变化时，保持当前刀具的割草倾角不变。当系统接收到远程返回指令或检测到电池剩余容量不足时，会执行返回任务。否则，继续轮询执行。

«——【·机械结构设计·】——»

智能割草机器人整车机械结构，如图8所示。

割草刀具机械结构，如图9所示。

割草机器人包括车架1、电池组2、割草机构和控制系统单元3，车架1的左侧部和右侧部均设置有两个前后间隔的车轮4，四个车轮的中心均内置有驱动其转动的直流电机，车架1的上部设置有车体5，车体5的顶部和底部均为敞口的箱体结构。

车体5内中部设置有水平承载板6，电池组2固定在水平承载板6的上表面且位于车体5内上侧部，车体5的顶部通过螺栓固定连接有车盖7。

割草机构通过升降翻转调节机构固定在水平承载板6的下表面，车体5的前侧中部上下间隔设置有前视摄像头8和前视灯9，车体5的后侧中部上下间隔设置有后视摄像头10和后视灯11。

车体5的前下部和后下部的左右两侧均设置有一个超声波探头12，车架1上设置有陀螺仪传感器。升降翻转调节机构包括连接板21、电动推杆13、第一舵机22、U型板14、第二舵机23和水平电机座15，连接板21水平设置在水平承载板6的下表面。

电动推杆13竖向设置，电动推杆13的伸缩杆向下伸出缸体的底部，电动推杆13的缸体顶部固定在连接板21的下表面，第一舵机22固定设置在电动推杆13的伸缩杆下端部，第一舵机22的动力轴沿左右方向水平设置，U型板14的下侧、前侧和后侧均敞口。

U型板14的后侧边为左高右低的斜边，U型板14的顶板上部通过一根沿左右方向水平设置的第一销轴16转动连接在电动推杆13的伸缩杆下端部。

第一舵机22的动力轴同轴传动连接第一销轴16，第二舵机23固定设置在U型板14下侧部，第二舵机23的动力轴沿左右方向水平设置，水平电机座15的前侧上部通过一根沿左右方向水平设置的第二销轴17转动连接在U型板14下侧部。

第二舵机23的动力轴同轴传动连接第二销轴17，电池组2分别与电动推杆13、第一舵机22和第二舵机23电连接。割草机构包括割草电机18和割草刀片19。

割草电机18竖向设置并固定连接在水平电机座15的下表面中部，割草电机18的动力轴位于割草电机18的下部，割草刀片19呈长方形且水平设置，割草刀片19的中部固定连接在割草电机18的动力轴下端。

车体5上设置有天线20和蜂鸣器，控制系统单元3分别与天线20和蜂鸣器信号连接，控制系统单元3的外部设置有全密封罩。

«——【·结语·】——»

该设计方案提供了一种智能割草机器人的设计方案，利用多传感数据融合技术，将超声波传感器与机器视觉检测相结合实现目标检测。

通过陀螺仪获取运行姿态动态调整刀具倾角，确保草坪修整高低一致，利用UWV技术实现定位与路径规划，通过LOＲA实现数据实时上传或接受远程路径规划数据及控制指令，能够实现电池容量监测与自动返回功能。