具有无信标边界识别功能的智能割草机控制系统研制
发布时间：2020-12-14 07:37
随着经济的发展和科技的进步,以代替繁重的人工割草作业为目的的智能割草机越来越受到人们的欢迎。当前市场上在售的智能割草机的功能趋于同质化,其边界识别方式大都采用预先铺设电缆的有信标方式。本文设计了一款具有无信标边界识别功能的智能割草机,并对无信标边界识别在智能割草机自主充电中的应用进行了研究。本文首先搭建了智能割草机的软硬件平台。根据智能割草机控制系统的功能需求,采用模块化的设计思想,设计了基于ARM Cortex-A9处理器的硬件系统,对硬件系统的主控模块、驱动模块、传感器模块、人机交互模块、通信模块、电源管理模块、图像采集模块等进行了详细设计;基于多任务处理和状态机的编程思想,设计了基于嵌入式Linux的软件系统,完成了嵌入式Linux系统的移植和配置,设计开发了应用软件和驱动软件,实现了智能割草机的自主工作和自主充电流程,实现了对智能割草机碰撞、提升、倾斜、倾覆状态的检测和处理,实现了对智能割草机的远程控制。其次,针对智能割草机的边界识别问题,本文设计了基于图像处理的无信标边界识别算法,针对智能割草机的两种工作场景,分别采用基于阈值分割和模板匹配的图像二值化方法进行图像分割,利用加...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
GARDENA割草机系统
图1-1是Robomow系列中比较有代表性的一款智能割草机RobomowRS622[3]。Robomow采用三轮小车为主体，前轮为导向轮，后轮为驱动轮，采用差速转动的原理实现转向。通过旋转调高机构可以方便地调节割草的高度。Robomow 的覆盖面积可达1500~2000m2，具有密码功能和防盗功能。Robomow 所配备的传感器可在检测到碰撞和抬起时自动执行相应的策略，防止刀片造成意外伤害并尽量减少人工干预。Robomow 具有自主充电功能，可以在需要充电时自动返回充电站进行充电。用户可以通过 Robomow智能割草机配套的手机客户端和割草机进行交互，对割草机进行手动控制，实时查看割草机的剩余电量等信息，还可以通过 GSM 将割草机的故障信息发送到厂家。Robomow使用一根边界电缆来限定工作区域，在到达边界时会自动转向。Robomow 采用随机割草方式对工作区域进行遍历，但不能保证完全遍历。图 1-2 是德国 GARDENA 公司生产的智能割草机系统，它实质上是一套简单的草坪养护系统，其割草机部分的实现方式和性能与 Robomow 相似。除割草机外，该系统还有一套灌溉控制系统，割草机和灌溉系统都通过无线传输连接到网关，通过配套的手机客户端可以对割草机和灌溉系统进行控制，另外灌溉控制模块也可以通过无线传输得到土壤湿度传感器的数据，并根据这些数据决定是否打开灌溉开关。图 1-3 是德国 Bosch 公司制造的智能割草机 Bosch Indego[4]。该割草机也是使用电缆围成工作区域，开始工作时，割草机围绕边界线绕行一周即可完成地图的构建，割草机在此基础上进行路径规划，可对工作区域实现往返式遍历。同市场上其他产品相比，其割草效率更高。
图 2-2 Samsung S5P4418 处理器结构框图[26]2.2.2 主控芯片外围电路设计Samsung S5P4418 必须搭配一定的外围电路才能正常工作，这些外围电路主要包括电源管理电路、时钟电路、外部存储接口电路。(1) 主控芯片电源管理电路为使S5P4418正常工作，需要为其提供多种电压的电源，其中部分电压只有S5P4418需要用到，因此不宜为每种电压分别设计电压转换电路。本文选用电源管理芯片 AXP228产生 S5P4418 工作所需的各种电压，该芯片可以将 5V 的输入转换为多种电压的输出，可以满足 S5P4418 供电需求。S5P4418 电源管理电路的示意图如图 2-3 所示，5V 的电压经 AXP228 转换后，得到五种电压，其中 1.0V 的电压为 S5P4418 的内核供电，1.1V的电压为 CPU 供电，1.5V 的电压为 DDR3 内存接口供电，1.8V 的电压为 ADC 和 RTC等低电压外设供电，3.3V 的电压为 MMC 闪存接口和其他标准电压外设供电。1.0V1.1V1.5V1.8V内核CPU内存接口ADC/RTC
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于电磁感应的割草机器人边界技术研究[J]. 杨金龙,赵旭,邬杨波,蓝艇. 机电工程. 2015(11)
[2]智能割草机安全规范的检测要求[J]. 胡英杰,顾正甲. 电动工具. 2012(05)
[3]软件评估在智能割草机中的应用[J]. 顾正甲,胡英杰. 电动工具. 2012(04)
[4]基于HSI颜色空间的彩色边缘检测方法研究[J]. 孙慧贤,张玉华,罗飞路. 光学技术. 2009(02)
[5]有限状态机在单片机编程中的应用[J]. 黄新林,王钢,刘春刚. 哈尔滨理工大学学报. 2008(04)
[6]智能割草机器人的研究综述[J]. 丛明,金立刚,房波. 机器人. 2007(04)
[7]嵌入式Linux操作系统的研究[J]. 刘文峰,李程远,李善平. 浙江大学学报(工学版). 2004(04)
[8]霍夫变换与最小二乘法相结合的直线拟合[J]. 曾接贤,张桂梅,储珺,鲁宇明. 南昌航空工业学院学报(自然科学版). 2003(04)
[9]美国草坪业的发展历史、现状及思考[J]. 夏汉平. 草业科学. 2002(03)
硕士论文
[1]智能家居远程控制系统的设计与实现[D]. 钟敏.西南科技大学 2017
[2]基于Qt的船用导航设备仿真系统研究与实现[D]. 王伟譞.大连海事大学 2017
[3]基于数字图像处理的草坪场景分析算法研究[D]. 邢明.浙江理工大学 2016
[4]基于图像处理的智能割草机器人路径规划研究[D]. 童逸舟.浙江理工大学 2016
[5]机器人割草机激光定位系统的研究与开发[D]. 陈飞.苏州大学 2015
[6]两轮差速驱动移动机器人的运动模型与控制研究[D]. 阮志虎.重庆大学 2015
[7]基于图像的草坪场景分析[D]. 陆溪.浙江理工大学 2015
[8]全自动割草机器人的智能控制技术研究[D]. 杜慧江.浙江理工大学 2015
[9]基于ARM处理器的嵌入式Linux系统关键技术研究[D]. 张欢庆.山东师范大学 2013
[10]基于形态学和分水岭算法的数字图像分割研究[D]. 陈洁.长安大学 2012
本文编号：2916078
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
GARDENA割草机系统
图1-1是Robomow系列中比较有代表性的一款智能割草机RobomowRS622[3]。Robomow采用三轮小车为主体，前轮为导向轮，后轮为驱动轮，采用差速转动的原理实现转向。通过旋转调高机构可以方便地调节割草的高度。Robomow 的覆盖面积可达1500~2000m2，具有密码功能和防盗功能。Robomow 所配备的传感器可在检测到碰撞和抬起时自动执行相应的策略，防止刀片造成意外伤害并尽量减少人工干预。Robomow 具有自主充电功能，可以在需要充电时自动返回充电站进行充电。用户可以通过 Robomow智能割草机配套的手机客户端和割草机进行交互，对割草机进行手动控制，实时查看割草机的剩余电量等信息，还可以通过 GSM 将割草机的故障信息发送到厂家。Robomow使用一根边界电缆来限定工作区域，在到达边界时会自动转向。Robomow 采用随机割草方式对工作区域进行遍历，但不能保证完全遍历。图 1-2 是德国 GARDENA 公司生产的智能割草机系统，它实质上是一套简单的草坪养护系统，其割草机部分的实现方式和性能与 Robomow 相似。除割草机外，该系统还有一套灌溉控制系统，割草机和灌溉系统都通过无线传输连接到网关，通过配套的手机客户端可以对割草机和灌溉系统进行控制，另外灌溉控制模块也可以通过无线传输得到土壤湿度传感器的数据，并根据这些数据决定是否打开灌溉开关。图 1-3 是德国 Bosch 公司制造的智能割草机 Bosch Indego[4]。该割草机也是使用电缆围成工作区域，开始工作时，割草机围绕边界线绕行一周即可完成地图的构建，割草机在此基础上进行路径规划，可对工作区域实现往返式遍历。同市场上其他产品相比，其割草效率更高。
图 2-2 Samsung S5P4418 处理器结构框图[26]2.2.2 主控芯片外围电路设计Samsung S5P4418 必须搭配一定的外围电路才能正常工作，这些外围电路主要包括电源管理电路、时钟电路、外部存储接口电路。(1) 主控芯片电源管理电路为使S5P4418正常工作，需要为其提供多种电压的电源，其中部分电压只有S5P4418需要用到，因此不宜为每种电压分别设计电压转换电路。本文选用电源管理芯片 AXP228产生 S5P4418 工作所需的各种电压，该芯片可以将 5V 的输入转换为多种电压的输出，可以满足 S5P4418 供电需求。S5P4418 电源管理电路的示意图如图 2-3 所示，5V 的电压经 AXP228 转换后，得到五种电压，其中 1.0V 的电压为 S5P4418 的内核供电，1.1V的电压为 CPU 供电，1.5V 的电压为 DDR3 内存接口供电，1.8V 的电压为 ADC 和 RTC等低电压外设供电，3.3V 的电压为 MMC 闪存接口和其他标准电压外设供电。1.0V1.1V1.5V1.8V内核CPU内存接口ADC/RTC
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于电磁感应的割草机器人边界技术研究[J]. 杨金龙,赵旭,邬杨波,蓝艇. 机电工程. 2015(11)
[2]智能割草机安全规范的检测要求[J]. 胡英杰,顾正甲. 电动工具. 2012(05)
[3]软件评估在智能割草机中的应用[J]. 顾正甲,胡英杰. 电动工具. 2012(04)
[4]基于HSI颜色空间的彩色边缘检测方法研究[J]. 孙慧贤,张玉华,罗飞路. 光学技术. 2009(02)
[5]有限状态机在单片机编程中的应用[J]. 黄新林,王钢,刘春刚. 哈尔滨理工大学学报. 2008(04)
[6]智能割草机器人的研究综述[J]. 丛明,金立刚,房波. 机器人. 2007(04)
[7]嵌入式Linux操作系统的研究[J]. 刘文峰,李程远,李善平. 浙江大学学报(工学版). 2004(04)
[8]霍夫变换与最小二乘法相结合的直线拟合[J]. 曾接贤,张桂梅,储珺,鲁宇明. 南昌航空工业学院学报(自然科学版). 2003(04)
[9]美国草坪业的发展历史、现状及思考[J]. 夏汉平. 草业科学. 2002(03)
硕士论文
[1]智能家居远程控制系统的设计与实现[D]. 钟敏.西南科技大学 2017
[2]基于Qt的船用导航设备仿真系统研究与实现[D]. 王伟譞.大连海事大学 2017
[3]基于数字图像处理的草坪场景分析算法研究[D]. 邢明.浙江理工大学 2016
[4]基于图像处理的智能割草机器人路径规划研究[D]. 童逸舟.浙江理工大学 2016
[5]机器人割草机激光定位系统的研究与开发[D]. 陈飞.苏州大学 2015
[6]两轮差速驱动移动机器人的运动模型与控制研究[D]. 阮志虎.重庆大学 2015
[7]基于图像的草坪场景分析[D]. 陆溪.浙江理工大学 2015
[8]全自动割草机器人的智能控制技术研究[D]. 杜慧江.浙江理工大学 2015
[9]基于ARM处理器的嵌入式Linux系统关键技术研究[D]. 张欢庆.山东师范大学 2013
[10]基于形态学和分水岭算法的数字图像分割研究[D]. 陈洁.长安大学 2012
本文编号：2916078
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