stm32的家用智能割草机的设计与实现(源码)
近几十年，随着各国的城市化进程不断加深，各城市的绿化程度不断提高。家庭式割草作业的成本日益增加 。本设计的目的是实现基于全区域路径覆盖算法的智能割草机，以满足日益加大的家用式草坪的作业需求。本设计将分为以下几个部分介绍智能割草机的研究背景和国内外研究发展现状、智能割草机的整体方案设计、智能割草机的底层代码实现、智能割草机的上位机APP的设计以及全区域路径覆盖割草算法的原理。本设计将引入独特的定位系统和独具一格的割草算法，使智能割草机从上位机到底层硬件实现了有机的统一结合。关键词 家庭式割草机，全区域路径覆盖，整体方案，上位机，APP
目录
1 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外智能割草机研究现状与发展趋势 1
1.3 课题研究的主要内容 4
2 智能割草机总体设计方案 5
2.1 智能割草机的需求提取 5
2.2 智能割草机的结构设计 5
2.2 智能割草机的系统设计 6
3 智能割草机的系统软件开发 11
3.1 直流电机底层驱动程序的开发 11
3.2 FLASH底层驱动程序的开发 12
3.3 UWB超宽带获得定位坐标的底层驱动的程序实现 15
3.4 超声波避障程序实现 19
3.5 电子罗盘软件代码实现 20
4 移动平台的app控制智能割草机的实现 22
4.1 WIFI通讯底层驱动的实现 22
4.2 与服务器之间通讯协议的指定 23
4.3 与服务器之间通讯硬件代码的实现 23
4.4 APP的设计 24
5 全区域路径覆盖割草算法 25
5.1 路劲规划目标分析 25
5.2 边界生成算法 25
5.3 地图的拟合 26
5.4 路径生成算法 26
总结和展望 27
致谢 28
参考文献 29
1 绪论
1.1 研究背景与意义
近几十年，随着各国的城市 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
化进程不断加深，各城市的绿化程度不断提高。个人拥有的绿地以及各种公共绿地如公园草坪、足球场、高尔夫球场等需要人花大量精力和资源进行维护。尤其是草坪的维护需要大量的财力物力。尤其是国外城市，人力的成本特别高。对于公共绿地，基本需要环卫工作人员定期去维护修剪。对于个人家庭的私有绿地，常需要雇佣人进行维护。然而人工成本非常昂贵，对于一般家庭这回事一笔不菲的开支。为了应对此情况，西方国家率先提出用在草坪机械产业加入现代化电子科技和机械控制技术,其最早于1997年的OPEI年会上[1],提出了智能割草机器人的概念,希望在不久的将来用智能割草机器人应用于草坪机械产业[2]。本设计立足于将智能割草机器人的概念以一个完整的功能体系面世。
智能割草机是集室外定位、路径动态规划、传感系统、运动控制为一体的系统。相比于传统的智能割草器械，智能割草机具有自动化高、更为安全、更为环保的优势。现有的割草机都搭载了传感系统，能够进行环境感知，对复杂环境信息进行处理，并做出决策。能够在没有人工干预的情况下，完成预先设定的工作，解放了繁杂的人工劳力。遗憾的是传统的割草设备技术都比较落后，相比于其他智能家居产品，智能割草机还没有形成统一的行业标准，有一个被大众普遍接受的产品，但这也正是市场潜力所在。
1.2 国内外智能割草机研究现状与发展趋势
1.2.1 国外研究现状
国外从上世纪70年代开始就开始对智能割草机有研究，经过了几十年的研究已经取得了一定的成果。这些智能割草机大多有路径规划、自动割草、智能避障、自动充电等功能。很多割草机并不能实现完全的智能，对于复杂的室外环境处理并不很完善。对于割草路径的选择上，很多割草机器人并不能实现全部覆盖草坪，需要人工辅助来对剩余割草区域进行处理。而做的比较出色的能够以一定算法实现全区域覆盖割草。
Frindly home公司推出的Robomow是一种覆盖式割草机，如图1.1所示，采用的是高速刀片，在机身内部完成割草动作直至将草切割的足够小能够当成天然肥料。这款智能割草机能胜任各季节的草坪，工作范围为2500 m23000 m2。只需要提前设置好充电时间便可在导航控制下，自动修剪草坪并返回充电桩充电。一次充电完成时间为两小时，可工作时间为1.5小时。在安全性方面，使用时当保险杠感受到障碍时，割草机的滚刀会自动停止工作并改变行驶方向。同时它还拥有一个防盗pin码以防止他人操作。这款割草机是是目前市场化最成功的智能割草机器人产品之一。
图1.1 覆盖式割草机Robomow
此外，意大利 Zucchetti公司推出的RoboLawnmower智能割草机也具有一定代表性。其采用了无声驱动电机，相较其他割草产品更为安静。其采用的割草原理是在地下埋线，让割草机准确导航，充电和割草。即使是狭窄区域由于电缆的存在，此割草机也能胜任割草工作。此方法是智能割草机实现割草工作的一种典型方式，上面两种割草机采用的都是这种算法，其缺点就在埋线过程繁琐、成本高容易破坏草坪等。
瑞典Elextnolux 也是早期就开始割草产品研究的公司，如图1.2所示Husqvarna Automower系列可以在任何天气条件、崎岖地形和坡度达 45% 的斜坡上管理面积多达 6000m2 的草坪。 遇到阻碍物时，它会停下来并自动重定向。Husqvarna Automower?也拥有更小的尺寸，非常适合对 1800 m2 以下的面积割草。?借助于通道处理和内置斜坡处理，它可以管理复杂的地形，GPS 辅助导航可根据所选的模式帮助您指引道路。用户几乎可以在任何位置安放充电座机。 Husqvarna Automower 采用三种方式检测信号 – 来自充电座机、引导线或边界线。 这样它始终能够可靠地找到路线，而不会在草坪上留下多余的标记。
图1.2 Husqvarna 系列
除了这些公司外，很多高校和科研机构也对智能割草机有深入研究。美国 俄亥俄大学的智能割草机器人使用差分gps作为定位系统，使得割草机的定位能在室外获得非常高的精度，并将采集到数据进行各种精细的控制。佛罗里达大学研发的LawnNibbler智能割草机在智能方面有了更多的挖掘，他们着重于研发有自主学习能力的割草机，能够自动识别周边环境信息，学习割草的算法的割草机，并有了很大的进展。
1.2.1 国内研究现状
相比于国外，国内的割草机器人行业落后了很多，相关的研究单位比较少，但也取得了一定的成果。浙江大学研制出的一款割草机器人也是基于埋线导航作为工作思路。结构上采用了高速旋转的刀片将杂草切割成碎料作为天然肥料。在避障上使用了行程开关，以触碰的方式防止割草机的危险操作和处理一些突发情况。
目录
1 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外智能割草机研究现状与发展趋势 1
1.3 课题研究的主要内容 4
2 智能割草机总体设计方案 5
2.1 智能割草机的需求提取 5
2.2 智能割草机的结构设计 5
2.2 智能割草机的系统设计 6
3 智能割草机的系统软件开发 11
3.1 直流电机底层驱动程序的开发 11
3.2 FLASH底层驱动程序的开发 12
3.3 UWB超宽带获得定位坐标的底层驱动的程序实现 15
3.4 超声波避障程序实现 19
3.5 电子罗盘软件代码实现 20
4 移动平台的app控制智能割草机的实现 22
4.1 WIFI通讯底层驱动的实现 22
4.2 与服务器之间通讯协议的指定 23
4.3 与服务器之间通讯硬件代码的实现 23
4.4 APP的设计 24
5 全区域路径覆盖割草算法 25
5.1 路劲规划目标分析 25
5.2 边界生成算法 25
5.3 地图的拟合 26
5.4 路径生成算法 26
总结和展望 27
致谢 28
参考文献 29
1 绪论
1.1 研究背景与意义
近几十年，随着各国的城市 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
化进程不断加深，各城市的绿化程度不断提高。个人拥有的绿地以及各种公共绿地如公园草坪、足球场、高尔夫球场等需要人花大量精力和资源进行维护。尤其是草坪的维护需要大量的财力物力。尤其是国外城市，人力的成本特别高。对于公共绿地，基本需要环卫工作人员定期去维护修剪。对于个人家庭的私有绿地，常需要雇佣人进行维护。然而人工成本非常昂贵，对于一般家庭这回事一笔不菲的开支。为了应对此情况，西方国家率先提出用在草坪机械产业加入现代化电子科技和机械控制技术,其最早于1997年的OPEI年会上[1],提出了智能割草机器人的概念,希望在不久的将来用智能割草机器人应用于草坪机械产业[2]。本设计立足于将智能割草机器人的概念以一个完整的功能体系面世。
智能割草机是集室外定位、路径动态规划、传感系统、运动控制为一体的系统。相比于传统的智能割草器械，智能割草机具有自动化高、更为安全、更为环保的优势。现有的割草机都搭载了传感系统，能够进行环境感知，对复杂环境信息进行处理，并做出决策。能够在没有人工干预的情况下，完成预先设定的工作，解放了繁杂的人工劳力。遗憾的是传统的割草设备技术都比较落后，相比于其他智能家居产品，智能割草机还没有形成统一的行业标准，有一个被大众普遍接受的产品，但这也正是市场潜力所在。
1.2 国内外智能割草机研究现状与发展趋势
1.2.1 国外研究现状
国外从上世纪70年代开始就开始对智能割草机有研究，经过了几十年的研究已经取得了一定的成果。这些智能割草机大多有路径规划、自动割草、智能避障、自动充电等功能。很多割草机并不能实现完全的智能，对于复杂的室外环境处理并不很完善。对于割草路径的选择上，很多割草机器人并不能实现全部覆盖草坪，需要人工辅助来对剩余割草区域进行处理。而做的比较出色的能够以一定算法实现全区域覆盖割草。
Frindly home公司推出的Robomow是一种覆盖式割草机，如图1.1所示，采用的是高速刀片，在机身内部完成割草动作直至将草切割的足够小能够当成天然肥料。这款智能割草机能胜任各季节的草坪，工作范围为2500 m23000 m2。只需要提前设置好充电时间便可在导航控制下，自动修剪草坪并返回充电桩充电。一次充电完成时间为两小时，可工作时间为1.5小时。在安全性方面，使用时当保险杠感受到障碍时，割草机的滚刀会自动停止工作并改变行驶方向。同时它还拥有一个防盗pin码以防止他人操作。这款割草机是是目前市场化最成功的智能割草机器人产品之一。
图1.1 覆盖式割草机Robomow
此外，意大利 Zucchetti公司推出的RoboLawnmower智能割草机也具有一定代表性。其采用了无声驱动电机，相较其他割草产品更为安静。其采用的割草原理是在地下埋线，让割草机准确导航，充电和割草。即使是狭窄区域由于电缆的存在，此割草机也能胜任割草工作。此方法是智能割草机实现割草工作的一种典型方式，上面两种割草机采用的都是这种算法，其缺点就在埋线过程繁琐、成本高容易破坏草坪等。
瑞典Elextnolux 也是早期就开始割草产品研究的公司，如图1.2所示Husqvarna Automower系列可以在任何天气条件、崎岖地形和坡度达 45% 的斜坡上管理面积多达 6000m2 的草坪。 遇到阻碍物时，它会停下来并自动重定向。Husqvarna Automower?也拥有更小的尺寸，非常适合对 1800 m2 以下的面积割草。?借助于通道处理和内置斜坡处理，它可以管理复杂的地形，GPS 辅助导航可根据所选的模式帮助您指引道路。用户几乎可以在任何位置安放充电座机。 Husqvarna Automower 采用三种方式检测信号 – 来自充电座机、引导线或边界线。 这样它始终能够可靠地找到路线，而不会在草坪上留下多余的标记。
图1.2 Husqvarna 系列
除了这些公司外，很多高校和科研机构也对智能割草机有深入研究。美国 俄亥俄大学的智能割草机器人使用差分gps作为定位系统，使得割草机的定位能在室外获得非常高的精度，并将采集到数据进行各种精细的控制。佛罗里达大学研发的LawnNibbler智能割草机在智能方面有了更多的挖掘，他们着重于研发有自主学习能力的割草机，能够自动识别周边环境信息，学习割草的算法的割草机，并有了很大的进展。
1.2.1 国内研究现状
相比于国外，国内的割草机器人行业落后了很多，相关的研究单位比较少，但也取得了一定的成果。浙江大学研制出的一款割草机器人也是基于埋线导航作为工作思路。结构上采用了高速旋转的刀片将杂草切割成碎料作为天然肥料。在避障上使用了行程开关，以触碰的方式防止割草机的危险操作和处理一些突发情况。
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