一种自动割草机器人的设计和实现

2.3 传感器系统

　　2.3.1 电子篱笆感应电路

　　对空间目标的搜索和跟踪一般采用相控阵雷达，其相控阵天线以电子方式控制波束方向，它可以同时搜索和测量不同方向的多个波束，建立空间目标的运行轨道和测量空间目标的窄带特性。如美国海军的空间监视"NAVSPASUR"系统、法国的GRAVES雷达等，以及计划中的欧洲空间监视系统，这三个系统是由雷达电子波束在空间设置一道拦截屏（或拦截空域），所以通常称为"电子篱笆".

　　电子篱笆传感器是自动割草机器人最重要的传感器，它可以使割草机不走出工作区域（由连在基站上的电线围成的区域），这样可以保证自动割草机器人工作在有效区域。电子篱笆传感器感应的是电子篱笆所发出的一定频率的脉冲信号，感应线圈在靠近通有交变电流的电线边界时，会产生特定频率的感应电流，根据检测特定频率下信号幅度的大小可以得到割草机是否接近边界的信息。电子篱笆传感器在感应出信号后进行放大、滤波[1],然后再送入单片机的AD输入端口。实验证明，越是接近电子篱笆边界，感应出给MCU的电压越大，选择一个合适的阈值进行判断就可以得到割草机的状态。在实际中设定接近边界还有3 cm时感应出的电压大小作为阈值，割草机在接收这个信号后就会给出相应的处理，如后转弯180°然后继续前进。电子篱笆检测电路图如图3.

　　传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

　　2.3.2 倾角开关

　　在割草机运行过程中，有可能因为意外使割草机倾斜或者翻倒。由于割草机底盘有一对高速运行的割草刀片，所以底盘暴露在外面就会威胁到人或者动物的安全。在车子倾斜到一定角度时，倾角开关就会给出一个开关信号，单片机根据这个信号关断所有的电机控制信号，并且进入待机状态，等待操作者手动开机。

　　2.3.3 碰撞开关

　　碰撞开关是为了让割草机可以躲开光电避障开关检测不到的盲区障碍物和快速移动物体，是一种被动的避障方式。碰撞开关的原理是在割草机被外物碰撞到前方的一个机械的弹簧结构后，会让一个触点短路，这样能给单片机一个低电平信号，通知单片机遇到了障碍物，单片机就会执行相应的避障措施。

　　2.3.4 雨水传感器

　　雨水传感器由一个湿敏电阻和一个比较器组成。在正常工作情况下，湿敏电阻阻值为1 MΩ左右，这样可使比较器输出为高（正极电压（约2.5 V）大于负极电压（约2 V））。如果有雨水碰到湿敏电阻，则电阻的阻值会急剧下降到1 kΩ左右，比较器输出就为低（正极电压（约0 V）小于负极（约2 V））。这样就能使单片机得到雨水感应信号，执行回基站避雨的操作。图4为雨水传感器电路图。

　　2.3.5 光电开关避障

　　光电避障是最主要的避障方式，也是一种主动的避障方式。优点是不用碰到障碍物就可以检测到并且躲开，避免直接碰撞到障碍物。光电开关可检测的距离可以根据实际控制的需要进行调节。

　　2.3.6 传感器在车体位置上的排布

　　多传感器系统传感器的位置和排布对于控制精度有很大影响，在借鉴了其他多传感器系统的排布后，设计出本系统的传感器排布图[2],如图5所示。

　　A1、A2、A3、A4都是电子篱笆探头的放置位置。B1和B2是光电传感器和碰撞开关的安装位置，尽量放在边缘有利于检测障碍物减小检测的盲区。其中，A3、A4这两个电子篱笆探头主要用于检测前端电子篱笆区域，如果检测到，执行后退再转向的动作。A1、A2则是用于进入基站时的寻线，因为进入基站的任务是通过首先寻找到边界的电子篱笆线，然后再切入电子篱笆线中，最后通过寻线的方式一直走入基站。A1、A2也可以在自动割草时发挥作用，避免割草机走出边界，特别是在割草区域的边角地带，成为处理边界算法中的一个重要辅助信号。

　　2.4 其他部分

　　其他部分包括过电流保护、欠电压保护。过电流保护主要保护割草机驱动电路不会因为堵转、割刀卡死等原因损坏；欠电压保护通过检测电池电压来确定是否应该回基站充电，实现自动充电的功能。

　　3 软件系统设计

自动割草机器人的软件部分使用单片机C语言编程设计[3],根据实际的控制要求实现自动割草机器人的功能。软件部分尽量使用查询代替中断，增加了软件的健壮性。割草路径的规划是自动割草机器人的主要算法部分。