一種自動割草機器人的設計和實現

3.1 軟件總體結構

　　主程序主要執行初始化以及自動割草機器人的3種行走策略：普通行走的任務；回到基站的任務；執行出站的任務。在外部中斷中，外部光電避障、碰撞開關避障和保護部分的信號是主要外部中斷的來源，用于實時響應這些異常事件。軟件流程圖如圖6.

　　3.2 割草路徑規劃

　　路徑規劃是指，在具有障礙物的環境中，按照一定的評價標準，尋找一條從起始狀態到目標狀態的無碰撞路徑。本算法中路徑規劃采用了基于知識的遺傳算法，它包含了自然選擇和進化的思想，具有很強魯棒性。機器人整體的運動規劃一般又稱為路徑規劃，由于機器人整體看作是一個點或者是一個固定的幾何體，自由度比較少，因此路徑規劃問題相對比較簡單。傳統的機器人運動規劃算法已經能較好地解決路徑規劃問題。

　　自動割草機器人路徑規劃的遍歷策略是割草機設計中的一個重要環節，涉及到割草機割草的效率。合理的遍歷策略可以使自動割草機器人在最短的時間內遍歷整個割草區域[4].常用的割草策略主要有兩種方式：直線運行方式和邊界跟蹤運行方式[5].兩種覆蓋區域方式如圖7、圖8所示。

　　采用直線運行時，轉向處會有不可避免的重疊路徑，使總的運行距離增加；采用邊界跟蹤的方式時，需要機器人不斷地調整進行方向，容易帶來誤差。針對自動割草機器人以單片機為核心的控制器而言，需要自動割草機器人的運行軌跡盡量簡單化和規范化。因此采取直線運行方式遍歷子區間，在前向的電子籬笆傳感器感應到邊界后，割草機器人后退一小段距離，然后以一個輪子為中心，另一個輪子左轉（或右轉）180°，完成掉頭，然后繼續前進，下次再碰到邊界就向相反的方向旋轉180°，這樣就可以做到區域的覆蓋。

　　3.3 割草邊界區域的處理方法

　　割草機器人在區域的邊角處行走是最容易出現問題的時候，不合理的行走策略可能導致割草機器人走出邊界。所以要利用割草機器人現有的傳感器去選擇在區域邊角的運行策略。

　　經過實驗發現，出現越界問題的情況主要有兩種。

　?。?）割草機到達邊界的一個角落，如圖9.在這種情況下割草機器人傳感器A4（或者A3）首先檢測到邊界L1的信息，根據直線運行方式就應該先后退再向左轉（或向右轉）。正常情況下走到這種角落時就應該是先檢測到L1,然后后退一段距離，再向右方向轉180°。在轉彎的過程中，由于L2的存在， A3就會感應到角落的另外一個邊界L2,如果沒有特別的策略，就會執行先后退一段距離，再向左轉180°的策略，這樣就很容易走出邊界，或者使控制變得混亂。要避免這種情況就需要在軟件上做出改動，即在轉彎過程中如果有其他傳感器檢測到邊界，就說明已經到了另一個邊界角落的位置。最好的處理方法就是原路回轉過去，回到原位后再次左轉180°，開始從這個區域的頂端到另外一端的循環行走遍歷。

　?。?）割草機遇到了一個傾斜的邊界，如圖10.如果沒有特殊的策略，A4檢測到邊界后，就執行轉向的策略，這樣就會有很大一片的前方區域（區域一）不能遍歷到，所以就需要利用右邊的A2去解決這個問題。在正常行走時，如果A2首先檢測到了邊界，則執行先后退、然后左拐一定的角度、最后前進的策略。自動割草機器人就會沿著這根斜線邊界不斷調整自己的角度前進，而不會漏掉這些區域，適用于邊界不是很規則的草地。

　　4 系統整體調試

　　割草機器人整體調試步驟：（1）單片機控制系統的測試；（2）運動控制系統的調試；（3）各個傳感部分的調試；（4）運動控制系統與傳感器相結合的整機調試。

　　首先單獨測試單片機的控制，測試通過后進行運動模塊的測試，獲取割草機的運動參數。然后進行各個傳感模塊的測試，其中重點的是電子籬笆、光電避障的測試。在確認各個傳感模塊工作無誤后即可開始進行割草機器人的整體測試以及割草路徑規劃。最終實現自動割草機器人自動割草、自動充電和雨雪天自動返回基站等功能。

　　自動割草機器人系統借鑒了國外的割草機系統的特點，特別加強了安全性和可靠性的設計，實現了更好的控制。從外界獲取信息能力來看，多傳感器系統保證了獲得的外界信息的完整性、有效性，保證了自動割草的正常進行以及意外情況的及時應對。從系統性能方面，采用功耗合理、性能優越的單片機控制系統，保證了性能與成本的兼顧。從功能方面，基本實現了全部割草機器人應有的功能，并且加強了安全性。通過現場的測試結果，割草機器人完全能夠勝任坡度不大于15°的草地的割草需求，實現了真正的無人值守自動割草。