作者：陈毅豪 庹瑶 马鑫龙 王丹晶

单位：西安外事学院

指导老师：杜喜昭 陈小虎

1. 作品说明

1.1 目的及意义

      为解决目前人工割草带来的诸多不便，本项目作品设计了一种复杂地形多功能割草机器人。该机器人主要涉及传感检测技术、STM32系统扩展板控制技术、伺服驱动控制技术等，主要实现对传感器信号的采集及处理和半自主化或全自主化工作，并对电机和割草电机进行控制。同时为适应复杂地形环境下的割草，还加入了履带式底盘，以实现较陡斜山坡除草修剪灌木等开荒功能。

1.2 研究背景

      割草作业用到的设备工具，主要有手动推进式割草机、手持背负式割草机、以及人工驾驶式割草机等，其人工维护作业量大、劳动强度高，需要消耗大量的人力、资金和时间等资源。同时此类割草机器其控制简单，工作效率低，智能化程度不高。

1.3 难题与解决方法

1.3.1 难题

      ① 割草机器人户外工作环境复杂，特别是长时间陡坡（坡度>10°）工作时，发动机易损坏。

      ② 要求割草机器人定位和导航精度高，满足户外自主使用要求。

      ③ 保证割草机器人倾覆之后，机器人自动停机。

      ④ 控制的便利程度。

1.3.2 解决方法

      ① 开展发动机自动调整机构设计，保证任意坡度下发动机能够自适应水平，保持正常工作。

      ② 本项目利用红外测距仪传感器或超声波测距传感器设计割草机器人户外定位与自主导航系统，实现割草机器人的户外自适应导航能力，提高割草机器人的导航精度。

      ③ 利用姿态传感器测定机器人的工作姿态，从而控制一系列传动装置，实现割草机器人的防倾覆能力，并可以在倾覆后第一时间停机，提高整体系统的稳定性。

      ④ 让操作人员利用手机端实现割草机器人的控制，利用手机端简化操纵难度，提高割草机器人整体的可操纵性。

2. 机械结构设计

2.1 结构的设计

      割草机器人属于室外机器人，室外机器人一般都具有路径规划、姿态控制、信息感知、自主充电等功能，由感知模块、控制模块和动力模块构成。感知模块通过超声波传感器或红外传感器获得外部环境信息；控制模块通过处理感知模块收集的信息，负责割草机的割草行为工作；动力模块通过控制电机工作实现行进。

2.2 项目创新点

      ① 本项目所制作的智能割草机能自动地进行作业，很少需要人为的操作，并且传统的割草机在工作时可能会划伤工人，而本项目割草机的刀片安装在外壳下方，避免了意外事故的发生。

      ② 割草机器人将传统的四驱改装成履带式，能够在复杂地形中如履平地，并且将双刃替换为三叶刀，大大提高了割草机器人的安全性和工作效率。

      ③ 本作品装配有独立的动力系统，在工作期间产生的噪声比较小，不会产生很大的噪声污染，对环境很友好。

3. 总体设计

3.1 机器人主体设计

      主要为了解决割草机器人整机系统的智能化程度，主要包含自主导航功能设计（利用红外测距仪传感器、超声波测距传感器）、模块化设计（利用STM32系统扩展板）、主动安全功能设计（利用姿态传感器）等。

3.2 人性化外观设计

      主要为了提升割草机器人的用户满意度与视觉体验效果，试从主机外观造型设计、人机工程学、色彩设计、以及情感因素等出发，并融入中国传统文化元素，完成了产品外观造型的设计改进。总之，以产品市场化为标准，开发实用、好用、面向用户的新一代割草机器人产品。

3.3 控制系统的设计

      本项目采用若干个电机提供动力，控制机器人行进和割刀旋转；由舵机连接超声波传感器或红外传感器，实现前方180°自由旋转，实现对前方环境进行识别感知。超声波传感器的舵机连接STM32系统扩展板的传感器区A0引脚，电机分别连接扩展板的X、Y和Z接口，控制系统软件采用Arduino进行C语言编程。项目的感知与控制系统流程图如下所示：

3.4 控制系统代码

① 步进电机提供动力部分控制代码

4. 制作过程

4.1 二维图纸绘制

5. 应用前景

      随着机器人技术的迅猛发展，农业领域早已出现了机器人的身影，智能割草机器人虽有所发展，但发展缓慢，各公司研发创新不足。本项目设计了一款复杂地形多功能割草机器人，割草机器人在不影响速度的情况下，能够更好地在多种复杂工作场景下行驶自如，减少除草工作时间以提高其工作效率，具备自动定位与自主导航功能、主动安全保护等功能，可以实现自主式集草与倾斜坡面机体平台自适应调整，使其性能达到最优化。启航新征程，扬帆再出发！相信在以后的市场上复杂地形割草机器人会未来可期。

* 本项目未获得作者开源授权，无法提供资料下载。