1 系統結構

自動割草機器人主控系統的結構框圖如圖1所示。系統主要由單片機控制系統、傳感器系統、電機驅動系統3大部分組成。其中單片機控制系統的處理器采用國產芯片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的計算和處理速度。

運動系統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。傳感器系統由電子籬笆傳感器、光電開關傳感器、碰撞開關傳感器、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域的邊緣；光電開關傳感器用于避開慢速的或者靜止的障礙物；碰撞開關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，并且相應作出回基站的操作；傾角開關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生意外事件翻倒，一旦傳感器檢測的角度超過設定的閾值，系統自動停止一切工作，進入休眠狀態；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.各個系統都采用模塊化設計，可擴展性高、升級維護方便、二次開發周期短。表1為自動割草機器人參數表。

2 硬件系統設計

2.1 主控系統

主控系統采用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的控制需求。本系統采用30 MHz的有源晶振，8路AD輸入基本上可以滿足系統中模擬量的采集需求。

2.2 運動控制系統

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

割草電機驅動部分采用mosfet驅動，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斷由一個單片機IO控制。割草電機驅動有一個電流檢測反饋環節，當割草電機的工作電流過大（一般是堵轉時），電流信號被采樣電阻取出并且送往單片機AD轉換器中進行檢測并且軟件保護。防止堵轉的電機燒毀mosfet管。電機驅動電路圖如圖2.

2.3 傳感器系統

2.3.1 電子籬笆感應電路

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視“NAVSPASUR”系統、法國的GRAVES雷達等，以及計劃中的歐洲空間監視系統，這三個系統是由雷達電子波束在空間設置一道攔截屏（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域（由連在基站上的電線圍成的區域），這樣可以保證自動割草機器人工作在有效區域。電子籬笆傳感器感應的是電子籬笆所發出的一定頻率的脈沖信號，感應線圈在靠近通有交變電流的電線邊界時，會產生特定頻率的感應電流，根據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。在實際中設定接近邊界還有3 cm時感應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的處理，如后轉彎180°然后繼續前進。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用的是物理效應，諸如壓電效應，磁致伸縮現象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應。被測信號量的微小變化都將轉換成電信號。化學傳感器包括那些以化學吸附、電化學反應等現象為因果關系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉換成電信號。