一、割草機概述

1. 割草工具進(jìn)化史

割草機的發(fā)展與機械動(dòng)力更新的步伐一致，從人力割草到機器割草。動(dòng)力方面：從手動(dòng)→內燃機→燃油動(dòng)力→交流電動(dòng)力→直流電動(dòng)力。隨著(zhù)時(shí)代的發(fā)展，能源技術(shù)、人工智能技術(shù)的進(jìn)步，機器進(jìn)一步解放了人類(lèi)的雙手。如圖1所示，割草會(huì )從人力時(shí)代—機器時(shí)代，人工智能技術(shù)的進(jìn)一步提升，會(huì )出現智能割草機器人。 

圖 1

2. 割草機是什么？

割草機又稱(chēng)除草機、草坪修剪機等。是一種用于草坪、植被管理維護的園林工具，它由刀盤(pán)、發(fā)動(dòng)機、行走輪、行走機構、刀片、扶手、控制部分組成。

刀盤(pán)裝在行走輪上，且裝有發(fā)動(dòng)機，發(fā)動(dòng)機的輸出軸上裝有刀片，刀片利用發(fā)動(dòng)機高速旋轉帶來(lái)的動(dòng)力去實(shí)現割草，節省了園林工人的作業(yè)時(shí)間，減少了大量的人力資源。

3. 割草機的未來(lái)

在“草坪文化”盛行的歐美國家，割草是許多歐美家庭的剛需，整個(gè)草坪的維護工作需要耗費大量的人力及時(shí)間，為了減少更多的勞動(dòng)力成本，體力勞動(dòng)轉為自動(dòng)化，智能割草機就應運而生。如圖2所示，它是一種室外輪式移動(dòng)機器人，擁有自動(dòng)割草、清理草屑、自動(dòng)避雨、自動(dòng)行走、自動(dòng)躲避障礙物、自動(dòng)返回充電、遠程控制等功能。適合于家庭庭院、公共綠地等場(chǎng)所進(jìn)行草坪修剪維護。

與傳統的割草機相比，智能割草機器人不僅具有操作簡(jiǎn)單、割草效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且可以自動(dòng)完成割草任務(wù)，減少人力成本和時(shí)間成本，還具有安全、無(wú)噪音、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為割草機行業(yè)主要發(fā)展方向。

圖 2

二、智能割草機械人的構成

根據割草機所使用環(huán)境，戶(hù)外庭院場(chǎng)景的定位、導航、避障難度都要升階，機器工作環(huán)境中有可能存在的移動(dòng)物體，比如小孩、野生動(dòng)物、晃動(dòng)的秋千等。所以為了讓割草機可以實(shí)現更高的自動(dòng)化和智能化，相應的控制系統構成需要更完善、更穩定。系統構成如下圖3，主控板控制器作為核心，控制協(xié)調外圍各功能模塊的控制器來(lái)實(shí)現相應的功能。

圖 3

三、智能割草機械人應用電路

智能割草機器人控制系統需要安全可靠、更高的自動(dòng)化和智能化，相應的對各控制器性能也要求更高，所使用的控制器涉及的功能領(lǐng)域也更廣泛。

兆易創(chuàng )新作為國內高性能通用微控制器領(lǐng)域的領(lǐng)跑者，GD32 MCU其廣泛應用于消費電子、工業(yè)控制、 汽車(chē)電子、醫療、智能家居等領(lǐng)域。在割草機器人所構成的控制系統中各功能模塊，可選擇控制器系列非常多。

1. 主控板

作為智能割草機控制系統的核心，需要強大的數據計算能力，以及豐富的外設控制資源。GD32F470系列，處理器主頻高達240MHz，Flash容量可從512 KB 到3072KB、SRAM 容量從256KB到512KB，8路UART、6路SPI、2路CAN2.0，支持SDIO和以太網(wǎng)MAC、支持USB OTG FS +HS、支持LCD-TFT等接口。豐富的內存和外設資源。支持浮點(diǎn)和DSP數學(xué)運算，并具備更快速的實(shí)時(shí)處理能力，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制功能和信號處理功能混合，是數字與控制信號完美結合的低成本MCU。

2. 切割-行駛系統

切割-行駛系統主要由切割系統和行駛系統構成，電機驅動(dòng)控制對應的割刀和輪子工作。

如下圖4所示直流無(wú)刷電機驅動(dòng)控制，MCU+驅動(dòng)芯片+MOS+電機構成，MCU可以選用GD32E230、GD32F3X0和GD32F30X等系列提供驅動(dòng)信號PWM輸出，驅動(dòng)芯片可以選用GD30DR系列作為驅動(dòng)芯片，集成了電機驅動(dòng)保護，LDO以及BUCK等多種功能，二者合一后，只需要增加極少的外圍MOS驅動(dòng)電路，便可以實(shí)現電機的轉動(dòng)。

圖 4

3. 電源系統

智能割草機器人電源系統如圖5，主要由BMS系統和DC-DC電路構成，主控系統可通過(guò)485/CAN等連接方式與BMS系統進(jìn)行通信推薦3PEAK CAN TPT1255-1256系列是加強型工業(yè)級5Mbps CAN FD具備高共模，高耐壓，高ESD防護支持3.3V-5V VIO，完成對電池電量的實(shí)時(shí)監控。

電源系統的構成電路由，MCU+AFE+DC-DC+隔離通信電路+電流采集電路+MOS驅動(dòng)。MCU可以選用的GD32E230、GD32L233系列。

DC-DC可選用TPP60308/TPP36308X系列小型化高可靠性寬輸入電壓范圍適用于12V,24V,48V電源總線(xiàn)輸入，開(kāi)關(guān)頻率可選支持輕載高效以及固定頻率PWM不同版本。

LDO可選用GD30LD2000、GD30LD2400、TPL730、TPL740系列，提供各種固定電壓輸出。常溫下1%輸出電壓精度，最大輸出電流TPL730系列300MA；TPL740系列500MA，低靜態(tài)電流以及關(guān)斷電流不同封裝可選；GD30LD2400系列輸入電壓范圍高達45V，輸出電流350MA。

電路采集電路中使用的OPA可選用通用運放GD30AP3XX、低噪聲GD30AP7XX、TP600X、TP156X系列。低壓軌到軌輸入輸出低噪聲低失調電壓低溫漂高可靠性。

隔離器推薦3PEAK 數字隔離器TPT772X（雙通道）/TPT774X（四通道）系列均采用自主專(zhuān)利的隔離IP技術(shù)，通訊速率可達150Mbps,低延時(shí)12ns，耐壓5KV RMS,10KV浪涌能力,共模瞬態(tài)抑制能力±200KV/us，用于485/CAN信號隔離對應隔離RS485推薦TPT7487/7488,隔離CAN推薦TPT71050/71040。

圖 5

4. GPS導航

GPS導航系統如圖6，由主控板獲取距離方向采集系統+避障系統+GPS定位數據，進(jìn)行數據計算來(lái)實(shí)現智能割草機械人精準移動(dòng)。

圖 6

各子系統中主控可選用GD32 MCU的E230、L233、30X等系列作為采集控制器，采集信號處理所用到OPA和COMP器件，可選用3PEAK  OPA TP600X、TP156X，COMP LM2903A、LM339A等系列產(chǎn)品。GPS定位模塊推薦使用移遠公司LG69T(22.0*17.0*3.15/3.3mm)厘米級高精度定位模塊，以及L7x、L26x、LC29x系列(12.2*16.0*2.4mm)的亞米級精度定位模塊。

5. 通信模塊

藍牙WIFI可選用DXY-WIFI553模塊，這是一款以GD32VW553 系列為主控MCU，高度集成的2.4GHz WiFi模塊，同時(shí)集成了BLE 5.2功能。模塊硬件集成了IEEE 802.11b/g/n/ax MAC/基帶和RF電路，最高支持WiFi 6(802.11ax)標準。RF電路包括功率放大器PA、低噪聲放大器LNA，支持20MHz標準帶寬和5MHz/10MHz窄帶寬，提供最大72.2Mbit/s物理層速率。對外提供SWD、UART和豐富的GPIO，模塊最高支持160MHz運行頻率，片上4M Byte Flash，320K Byte RAM，可支持二次開(kāi)發(fā)。

在長(cháng)距離傳輸場(chǎng)景中，可以搭載上海移遠全系蜂窩通訊模塊。內置TCP、UDP、MQTT、HTTP、FTP等豐富協(xié)議接口，支持低功耗。亦可以搭載操作系統運行。移遠通訊模塊可以支持全球所有國家LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò )接入，讓設備與設備之間掙脫距離束縛。