新型自动割草机的设计与开发

北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计新型自动割草机的设计与开发控制系统设计新型自动割草机的设计与开发控制系统设计摘 要在园林设计和修剪时割草机是必不可少的重要工具，尤其对于园艺工人来说割草机的使用更是家常便饭，然而对于修剪草坪的工作并不是一件轻松容易的活。机器笨重、发动机轰鸣是很多人对割草机的刻板印象。设计一款省时、省力、高效并且低噪音的割草机即是本课题主要目的。新型自动割草机的控制核心系统为基于ARM CortexM3的架构，采用STM32 F1系列为控制芯片，采用四轮四驱的编码器电机实现驱动，同时配合MPU6050陀螺仪芯片实现PID算法控制实现割草机精准运动。操作方式采用遥控Wi-Fi远程控制,其采用NRF24L01芯片通过SPI通信将数据传输至核心控制板。为了实现割草的高度，使用PWM控制两个舵机的角度配合连接杆来完成升降。割草刀片使用直流电机采用往复式的运动方式实现草坪修剪。关键词：割草机；STM32 F1；编码电机；PID算法；NRF24L01；舵机Design and development of new automatic lawn mowercontrol system designAbstractThe lawnmower is an indispensable and important tool in garden design and mowing. Especially for gardeners, the use of lawnmowers is commonplace, but it is not an easy job for lawn trimming. Heavy machines and roaring engines are stereotypes of lawn mowers. Designing a lawnmower that saves time, effort, efficiency, and low noise is the main purpose of this topic. The control core system of the new automatic lawn mower is based on the ARM Cortex-M3 architecture, using the STM32 F1 series as the control chip, using four-wheel drive encoder motor to achieve the drive.At the same time, it cooperates with MPU6050 chip to realize PID algorithm control to achieve precise motion of lawn mower.The operation mode uses remote control Wi-Fi remote control, which uses the NRF24L01 chip to transmit data to the core control board through SPI communication. In order to achieve the height of mowing, PWM is used to control the angle of the two servos and the connecting rod to complete the lifting. The mowing blade uses a DC motor to reciprocate the lawn using a reciprocating motion.Keywords: Lawn mower；STM32 F1; Coded motor; PID algorithm；NRF24L01；Steering gear 目 录1 绪论11.1本设计的意义及其目的11.2割草机在国内外的发展概况11.3割草机主要技术内容21.4新型自动割草机的主要优势22割草机总体设计方案32.1设计原理及方案32.2割草刀具32.3车身独立悬挂62.4刀具升降结构73元器件选型83.1主控芯片选型83.2无线通讯芯片选型93.3舵机选型103.3.1舵机的应用103.3.2舵机工作原理及选型113.4编码器电机选型123.4.1霍尔编码编码器的原理123.4.2直流减速电机的选型133.5电机驱动144硬件设计及连接164.1通用I/O口引脚分配164.2电机过载电路设计174.3电路布局175开发环境介绍195.1编译环境Keil195.2 STLINK仿真器205.3匿名上位机姿态采集216程序底层配置与系统软件设计226.1 STM32芯片底层配置226.1.1底层代码的意义226.1.2固件库配置过程236.2舵机定时器配置266.3 2.4G无线通信配置286.3.1 SPI通信配置286.3.2 NRF24L01芯片配置316.5 电子陀螺仪MPU6050及IIC配置346.5.1 MPU6050配置流程346.5.2 欧拉角获取356.6 PID算法356.6.1 PID算法的应用356.6.2 离散化PID367总结38参考文献39附 录41附录1 部分程序代码41附录2 英文文献50附录3 英文文献翻译571 绪论1.1本设计的意义及其目的割草机作为生活当中常见的工具，经常在公园、小区、学校等场所进入人们视野。割草机能将过长的草坪修剪成人们需要的高度，以此避免昆虫蛇鼠等动物栖息，以及保持环境美观的功能。割草机的出现极大帮助人们在园林绿化方面减轻了负担，然而一直以来使用的割草机留给人们的都是笨重、噪声大、扬尘、尾气味浓等印象。由于割草机自问世以来由于需求少、技术含量低、利润也不高所以很少得到人们的关注。因其目标人群小众，生产制造商很少投入研究改善传统割草机。在市场上很难看见一款轻便、高效、低噪音的割草机，因此本课题就割草机升级迭代进行研究。新型自动割草机的设计与开发的目的为改良升级传统燃油发动机式割草机，致力于解决传统割草机存在的诟病，提升操作人员的使用感和方便性。将理发器的工作原理融入至割草机中，使用电能电机替代燃油发动机的方式再融入现代智能设备和人性化的设计，可以减少刀片磨损和对草地的伤害同时降低了工作时的扬尘。摈弃燃油发动机的使用可以大大减轻割草机机身的重量，同时没有了尾气对环境污染的困扰，另外噪音扰民的问题也得到了有效解决。一直以来都很少有人对园艺工人使用的工作器械进行重视，希望在将此项割草机设计生产出来能得到更多人的青睐和体验。非常适合在学校、公园、图书馆、小区、院子等需要安静作业的场所使用，以及地势不规整的区域使用。1.2割草机在国内外的发展概况最早的割草机出现时间在1805年，最初的割草机是一些简单的手动工具，随着内燃机的普及应用，英国工程师伦敦恩斯于1902年设计出的滚筒式割草机是世界第一台以内燃发动机作为动力的割草机，现在的很多割草机依旧采用该原理。在20世纪50年代后随着自动化农机的迅速发展，割草机发展也随之迅速崛起；在70年代之后，欧美等国家经济水平迅速提升，越来越多小型割草机进入欧美家庭成为必不可少的工具；在90年代后欧美国家的技术能力提升，农作物的机械化种植越来越普遍，割草机也作为农机的一种，在此时技术水平也得到提升，种类和品牌也变得繁多。我国的草坪机械设备起步较晚，直至70年代改革发放后才缓慢发展，到90年代后期中国市场受到西方资本的青睐开始对华投资建厂，因此开始着手割草机的设计加工，由此也开辟了的国内的市场，割草机的需求被逐渐开拓出来。目前中国生产制造的割草机已出口世界各地，家庭消费级割草机占全球总销售量的30%以上。1.3割草机主要技术内容(1) 解决能源问题，使用锂电池为储电能源。采用的锂电池容量大小会影响整车的重量和空间占用而电源的电压和放电倍率会直接影响到稳压和电机的选型；(2) 割草机具备四轮独立悬挂结构以应对复杂不规整的工作环境，同时具备调节割草高度的功能；(3) 整车需要使用的传感器、通信设备和电机的数量会提升对I/O引脚的需求也会对芯片具体型号有所影响，因此需根据实际需求对主控芯片进行合理选型和配置；(4) 割草机使用Wi-Fi通讯技术进行远程遥控操作，所采用的通讯芯片应达到需求的传输距离。在传输过程中保证数据传送的顺利，在数据丢失时应采取及时的响应；(5) 割草机使用了四个电机独立驱动，通过对轮子之间的差速来实现车子不同程度的转弯，另外需要对于准确的直行后退需进行闭环控制达到误差的补偿得以实现更精确的控制；(6) 选用合适的刀片刀具配合相应运动方式，达到高效切割青草的目的同时搭配合适的护具来避免操作者和他人受到伤害。1.4新型自动割草机的主要优势新型割草机通过遥控摇杆来控制其运动路径，可遥控距离180-240米（空旷地带），减轻操作人员的工作压力和负担。选择最优的刀具和工作方式实现高效整齐地将草地修剪成需要的高度，同时刀片具备可调整高度功能，提供用户个性化需求。电机具备过载保护电路，遇到坚硬的物体会自动停止工作，能有效避免刀具损坏或者人员伤害。割草机以应对不同场合下的需求，所设计的机械结构需具备能适合不同地形行驶和工作，因此四轮独立悬挂显得必不可少。机械结构差异、内部误差、地势不规整会造成割草机前进方向不能按照理想状态，所以使用霍尔编码器采集电机数据配合电子陀螺仪MPU6050芯片获取车身姿态信息融入PID算法，实现PID双闭环控制系统以完成割草机车身校准。2割草机总体设计方案2.1设计原理及方案车身采用双层承重架设计的方案，两层板均使用3mm厚度的铝合金材料，车架通过定制切割、打孔及折弯等工序完成。顶层为支撑板用于支撑独立悬挂的轮子以及舵机所承载的刀片，同时支撑板顶层还用于放置PCB电路板、驱动电路及通信天线。底层为承重板用于放置电池及电机，承重板在板宽边缘有10mm的90度弯折，目的是是为了防止底板受力弯曲变形。两层板之间使用10根M4铜柱固定。车身总长386mm，宽325mm，高199mm承重板距离地面129mm。整体车身结构如图2.1所示。图2.1 整体车身结构2.2割草刀具割草机刀片在市场上用于割草的方式常见形式有以下几种；（1）圆盘式刀片如图2.2所示，采用一整块圆形刀片圆周附有锯齿通过电机旋转实现割草效果，也是比较传统和常见的割草方式。其优点是旋转后的线速度大可以切割枝干或粗壮的杂草，而缺点是圆盘式割草机占用空间较大容易，质量重旋转惯性大在操作人员操控不当具有发生意外的可能；图2.3甩绳式转盘图2.2圆盘式刀片（2）甩绳式转盘如图2.3所示，通常采用两根或四根打草绳固定转盘上旋转将草割断，其优点是，能有效避免了操作不当带来的伤害同时打草绳韧性较好，避免刚性冲击延长了使用寿命，缺点则是仅能对草地进行快捷的打理很难根据需求将草坪修成统一高度；图2.4甩刀式刀片（3）甩刀式刀片如图2.4所示，使用在很多手推式的割草机上也是日常身后中最常见的一种割草方式，其优点还是结构简单能将草坪修修剪的整齐平整，缺点是甩刀式刀片容易磕碰的到坚硬物体而损坏刀片；图2.5六叶刀转盘（4）六叶