基于5G网络下的全智能草坪修剪机器人设计

宋小飞　姚登银　王巍巍

摘 要：本设计包括智能草坪修剪机器人、草坪修剪机无线充电系统、光伏充电系统、光伏双轴追踪系统、5G网络下智能控制系统以及全新机械设计。结合微信小程序开发和GPS精确定位实现远程控制。

关键词：草坪修剪机机器人;单片机;无线充电;光伏追踪;光伏双轴;5G网络;微信小程序;GPS定位;GSM网络通信系统

目前随着5G网络的覆盖物联网的发展将更加快速，车辆无人驾驶识别将更加精确，远程手术也更有了保障，在此给大家介绍一款基于5G网络下的全智能草坪修剪机设计。随着城市面积增大，同时城市绿化地带也增大，草坪修剪也需要更多劳动力，这款全智能草坪修剪机将解决一切问题草坪的问题。

1 全智能草坪修剪机组成系统

该全智能草坪修剪机分为电路系统和机械系统两部分。电路控制是以单片机为控制中心，GSM网络通信系统与5G网络对接，微信小程序可以通过网络与GSM网络通信系统进行通信控制，GSM网络通信系统实现定位，使草坪修剪机精确的在指定地点工作。

1.1 智能草坪修剪机的手动模式功能

本功能模块：无线通讯模块、单片机控制模块、手机或遥控器可视化操作界面、超声波避障模块、电机驱动模块。

园艺师通过微信小程序或遥控器可视化操作界面下达指令，无线通讯模块将接收到的指令送到单片机控制系统，然后在电机驱动模块端输入相应的数字信号，导致两组电机工作情况出现变化，实现了智能草坪修剪机前后左右行驶方向的变化，当智能草坪修剪机遇到障碍物20厘米时，对前面实际情况进行360°全方位扫描进行判断，然后单片机控制系统下达相应的左转、右转指令，进行障碍物的避让，在避障命令执行过程中遥控器的中断指令级别是低于避障中断命令级别的。

1.2 智能草坪修剪机的自驾模式功能

本功能模块：无线通讯模块、单片机控制模块、手机或遥控器可视化操作界面、高精度GPS进行定位模块、超声波避障模块、电机驱动模块、舵机。

自驾模式1：在自驾模式开启之前先确定一块矩形草地，然后大概了解下这块草地的长度和宽度，然后在手机或遥控器可视化操作面输入相应的长度和宽度，此时手机或遥控器将信号发送到智能草坪修剪机的单片机控制系统，对信号进行计算。获取三个结果，一个是修建这块草地所需要的时间T0，这个T0会在手机或遥控器可视化操作界面显示出来;还有就是修建这款草地直行的时间T1，作为智能草坪修剪机直行时延时函数所需的时间;还有就是结合智能草坪修剪机的大小参数计算出智能草坪修剪机转弯周期数K0作为编程参数的比较量，当累加器函数检测到智能草坪修剪机实际自驾过程中转弯周期数k与K0相等时，自驾工作任务完成，跳出任务返回无线充电平台，在这个过程中GPS定位模块起到智能草坪修剪机自驾过程中的路径修正作用，保证智能草坪修剪机在走直线，同时起到监视的作用，在手机或遥控器可视化操作界面的地图中能看到智能草坪修剪机所在的位置是否离开工作地点。

自驾模式2：通过微信小程序通过GPS探测草坪大概形状，然后在微信小程序中划定草坪范围，智能草坪修剪机将在指定的范围类通过灰度传感器和超声波传感器进行探测对草坪修剪，到手机定位到草坪修剪机离开指定范围是自动给智能草坪修剪机发出信号，破势智能草坪修剪机回到指定范围，当灰度传感识别到绿色超声波传感器检测草的高度对草地进行修剪，其他红外线超声波传感器作为避障做起到白虎作用，当扫完整个指定范围是任务完成，自动回到无线充电平台。

1.3 智能草坪修剪机的一键返航功能

本功能模块：无线通讯模块、单片机控制模块、手机或遥控器可视化操作界面、高精度GPS定位模块、超声波避障模块、电机驱动模块。

一键返航一般有两种情况，但无论哪种情况，一键返航都是回到无线充电平台。一种是操作者在手机或遥控器可视化操作界面一键返航回到无线充电平台;另一种是当智能草坪修剪机中的电能监测电路模块检测到蓄电池电量不足时和完成草坪修剪任务时，将信号反馈到智能草坪修剪机单片机控制系统自身发起的一键返航指令。在一键返航命令执行的过程中，智能草坪修剪机走的是最短径，次过程中可能遇到障碍物，超声波避障模块起到笔避障的作用，其工作过程与上述避障工作过程一样，而GPS高精度定位模块起到导航的作用。

1.4 无线充电平台系统

本功能模块：由单片机最小系统、无线充电发射模块、无线充电接收模块、无线充电线圈、GPS高精度定位模块、智能草坪修剪机感应模块。

无线充电的核心技术是磁耦合谐振式无线充电原理。当智能草坪修剪机回到无线充电平台时，蓄电池中储存的电能或光伏电池发出的电能有直流转换成一定要求的交流电送到发射线圈端电路，发射线圈会产生一定规律变化的磁场，接收线圈会感应到同规律变化的交流电，该交流电通过整流电路转换成直流电储存在智能草坪修剪机的蓄电池中。发射线圈和接收线圈是由两个可以发生共振的LC谐振电路组成，通过设计两线圈的物理参数，使得两线圈的固有频率相同。发射线圈和接收线圈所在的电路中，电感线圈的材料常常是铜，线圈形状通常是平面螺旋结构，电容的形成主要有两种方式，一是电路寄生电容，二是通过匹配得到适合的外接补偿电容。发射线圈不断向接受线圈发射能，当智能草坪修剪机中电能监测电路模块会监测蓄电池的充电量，当达到相应的电池电容量会切断接收线圈，蓄电池将不会充电。单片机最小系统、GPS高精度定位模块、构成了一个定位系统。目的在于让智能草坪修剪找到无限充电平台的位置。

1.5 光伏双轴追踪发电系统

本系统电路模块：单片机最小系统、步进电机驱动模块、数模转换模块、光线采集电路模块、充电稳压模块、电能储存系统、电压实时跟踪显示系统、单晶硅高效太阳能电池组件。

光伏双轴追踪发电系统由两部分組成，光伏双轴追踪系统和光伏发电系统。光线采集电路模块的四个光敏电阻采集四个方向的光线分布差异转换为四路模拟信号，四路模拟信号送到数模转换模块变成两路数字信号，两路数字信号送回单片机控制系统，单片机控制系统将给步电机控制模块给一个信号，步电机控制模块控制相应步进电机进行正转、反转或停止。一组步进电机控制光伏组件水平方向的调整，另一组的步进电机控制光伏组件垂直方向的调整从而实现了双轴方向的调整。光伏发电系统由充电稳压模块、电能储存系统和电压实时跟踪显示系统、单晶硅高效太阳能电池组件组成，单晶硅高效太阳能电池组件将发出的电能输送到充电稳压模块进行稳压再送到电压实时跟踪显示系统，电压实时跟踪显示系统是显示单晶硅高效太阳能电池组件发电情况的系统，通过上面的刻度表能看到实时发电量的，最后将发出的电能送到无线充电的蓄电池将电能储存起来。

1.6 智能草坪修剪机机械设计

智能草坪修剪机采用锯齿刀型，同时设计了草料收集和自动卸料装置，当草料装满是，草料中的传感器检测到后反馈到单片机，单机将控制机械控制的电机，电机控制特定的机械系统打开排料口同时在卸料辅助机构下草料完全排出。

2 结语

全智能草坪修剪机是一款能源友好型、智能综合性很高的设备。我们团对相关技术早已突破，有望做的更加控制友好，在未来农业智能化生产有着很大的潜力。

参考文献：

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