1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自動割草機器人主控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由單片機控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)3大部分組成。其中單片機控制系統(tǒng)的處理器采用國產(chǎn)芯片STC12C5410AD，包含10 bit的ADC以及串口、I2C等通用串行接口，高達40 MHz的主頻完全可以勝任本系統(tǒng)的計算和處理速度。

運動系統(tǒng)主要通過單片機給出的多路PWM信號對自動割草機器人的行動電機以及割草電機進行控制。傳感器系統(tǒng)由電子籬笆傳感器、光電開關(guān)傳感器、碰撞開關(guān)傳感器、雨水傳感器、無線遙控接收模塊等組成。其中，電子籬笆傳感器用于探測割草區(qū)域的邊緣；光電開關(guān)傳感器用于避開慢速的或者靜止的障礙物；碰撞開關(guān)傳感器用于避開快速的或者主動碰向割草機的物體；雨水傳感器用于檢測下雨天氣，并且相應(yīng)作出回基站的操作；傾角開關(guān)傳感器用于安全措施，防止自動割草機器人在割草過程中發(fā)生意外事件翻倒，一旦傳感器檢測的角度超過設(shè)定的閾值，系統(tǒng)自動停止一切工作，進入休眠狀態(tài)；無線遙控部分用于方便使用者無線控制自動割草機器人，無線遙控的距離約20 m.各個系統(tǒng)都采用模塊化設(shè)計，可擴展性高、升級維護方便、二次開發(fā)周期短。表1為自動割草機器人參數(shù)表。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)采用STC12c5410AD單片機，最高主頻40 MHz，8路AD輸入，可以滿足自動割草機器人系統(tǒng)的控制需求。本系統(tǒng)采用30 MHz的有源晶振，8路AD輸入基本上可以滿足系統(tǒng)中模擬量的采集需求。

2.2 運動控制系統(tǒng)

運動控制系統(tǒng)中行動電機部分采用2片L298直流電機驅(qū)動芯片對直流電機進行控制。1片L298驅(qū)動芯片可以提供最高3 A的驅(qū)動電流，本系統(tǒng)的行動電機供電電壓為24 V，對于設(shè)計要求行動總功率不大于60 W的驅(qū)動系統(tǒng)來說，2片L298擁有足夠的驅(qū)動能力。在機械結(jié)構(gòu)上，電機軸上使用了減速齒輪，用于加大最大電機輸出轉(zhuǎn)矩，提高在草地上行走的能力。

割草電機驅(qū)動部分采用mosfet驅(qū)動，IRLR2705這款mosfet可以提供峰值28 A的電流，滿足了割草電機的要求。割草電機的開通和關(guān)斷由一個單片機IO控制。割草電機驅(qū)動有一個電流檢測反饋環(huán)節(jié)，當(dāng)割草電機的工作電流過大（一般是堵轉(zhuǎn)時），電流信號被采樣電阻取出并且送往單片機AD轉(zhuǎn)換器中進行檢測并且軟件保護。防止堵轉(zhuǎn)的電機燒毀mosfet管。電機驅(qū)動電路圖如圖2.

2.3 傳感器系統(tǒng)

2.3.1 電子籬笆感應(yīng)電路

對空間目標的搜索和跟蹤一般采用相控陣雷達，其相控陣天線以電子方式控制波束方向，它可以同時搜索和測量不同方向的多個波束，建立空間目標的運行軌道和測量空間目標的窄帶特性。如美國海軍的空間監(jiān)視“NAVSPASUR”系統(tǒng)、法國的GRAVES雷達等，以及計劃中的歐洲空間監(jiān)視系統(tǒng)，這三個系統(tǒng)是由雷達電子波束在空間設(shè)置一道攔截屏（或攔截空域），所以通常稱為“電子籬笆”。

電子籬笆傳感器是自動割草機器人最重要的傳感器，它可以使割草機不走出工作區(qū)域（由連在基站上的電線圍成的區(qū)域），這樣可以保證自動割草機器人工作在有效區(qū)域。電子籬笆傳感器感應(yīng)的是電子籬笆所發(fā)出的一定頻率的脈沖信號，感應(yīng)線圈在靠近通有交變電流的電線邊界時，會產(chǎn)生特定頻率的感應(yīng)電流，根據(jù)檢測特定頻率下信號幅度的大小可以得到割草機是否接近邊界的信息。電子籬笆傳感器在感應(yīng)出信號后進行放大、濾波［1］，然后再送入單片機的AD輸入端口。實驗證明，越是接近電子籬笆邊界，感應(yīng)出給MCU的電壓越大，選擇一個合適的閾值進行判斷就可以得到割草機的狀態(tài)。在實際中設(shè)定接近邊界還有3 cm時感應(yīng)出的電壓大小作為閾值，割草機在接收這個信號后就會給出相應(yīng)的處理，如后轉(zhuǎn)彎180°然后繼續(xù)前進。電子籬笆檢測電路圖如圖3.

傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。