2.3 傳感器系統(tǒng)

　　2.3.1 電子籬笆感應(yīng)電路

　　對(duì)空間目標(biāo)的搜索和跟蹤一般采用相控陣?yán)走_(dá)，其相控陣天線以電子方式控制波束方向，它可以同時(shí)搜索和測(cè)量不同方向的多個(gè)波束，建立空間目標(biāo)的運(yùn)行軌道和測(cè)量空間目標(biāo)的窄帶特性。如美國(guó)海軍的空間監(jiān)視"NAVSPASUR"系統(tǒng)、法國(guó)的GRAVES雷達(dá)等，以及計(jì)劃中的歐洲空間監(jiān)視系統(tǒng)，這三個(gè)系統(tǒng)是由雷達(dá)電子波束在空間設(shè)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(dòng)割草機(jī)器人最重要的傳感器，它可以使割草機(jī)不走出工作區(qū)域（由連在基站上的電線圍成的區(qū)域），這樣可以保證自動(dòng)割草機(jī)器人工作在有效區(qū)域。電子籬笆傳感器感應(yīng)的是電子籬笆所發(fā)出的一定頻率的脈沖信號(hào)，感應(yīng)線圈在靠近通有交變電流的電線邊界時(shí)，會(huì)產(chǎn)生特定頻率的感應(yīng)電流，根據(jù)檢測(cè)特定頻率下信號(hào)幅度的大小可以得到割草機(jī)是否接近邊界的信息。電子籬笆傳感器在感應(yīng)出信號(hào)后進(jìn)行放大、濾波[1],然后再送入單片機(jī)的AD輸入端口。實(shí)驗(yàn)證明，越是接近電子籬笆邊界，感應(yīng)出給MCU的電壓越大，選擇一個(gè)合適的閾值進(jìn)行判斷就可以得到割草機(jī)的狀態(tài)。在實(shí)際中設(shè)定接近邊界還有3 cm時(shí)感應(yīng)出的電壓大小作為閾值，割草機(jī)在接收這個(gè)信號(hào)后就會(huì)給出相應(yīng)的處理，如后轉(zhuǎn)彎180°然后繼續(xù)前進(jìn)。電子籬笆檢測(cè)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(cè)、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)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(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測(cè)信號(hào)量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?；瘜W(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測(cè)信號(hào)量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

　　2.3.2 傾角開關(guān)

　　在割草機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，有可能因?yàn)橐馔馐垢畈輽C(jī)傾斜或者翻倒。由于割草機(jī)底盤有一對(duì)高速運(yùn)行的割草刀片，所以底盤暴露在外面就會(huì)威脅到人或者動(dòng)物的安全。在車子傾斜到一定角度時(shí)，傾角開關(guān)就會(huì)給出一個(gè)開關(guān)信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)這個(gè)信號(hào)關(guān)斷所有的電機(jī)控制信號(hào)，并且進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待操作者手動(dòng)開機(jī)。

　　2.3.3 碰撞開關(guān)

　　碰撞開關(guān)是為了讓割草機(jī)可以躲開光電避障開關(guān)檢測(cè)不到的盲區(qū)障礙物和快速移動(dòng)物體，是一種被動(dòng)的避障方式。碰撞開關(guān)的原理是在割草機(jī)被外物碰撞到前方的一個(gè)機(jī)械的彈簧結(jié)構(gòu)后，會(huì)讓一個(gè)觸點(diǎn)短路，這樣能給單片機(jī)一個(gè)低電平信號(hào)，通知單片機(jī)遇到了障礙物，單片機(jī)就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的避障措施。

　　2.3.4 雨水傳感器

　　雨水傳感器由一個(gè)濕敏電阻和一個(gè)比較器組成。在正常工作情況下，濕敏電阻阻值為1 MΩ左右，這樣可使比較器輸出為高（正極電壓（約2.5 V）大于負(fù)極電壓（約2 V））。如果有雨水碰到濕敏電阻，則電阻的阻值會(huì)急劇下降到1 kΩ左右，比較器輸出就為低（正極電壓（約0 V）小于負(fù)極（約2 V））。這樣就能使單片機(jī)得到雨水感應(yīng)信號(hào)，執(zhí)行回基站避雨的操作。圖4為雨水傳感器電路圖。

　　2.3.5 光電開關(guān)避障

　　光電避障是最主要的避障方式，也是一種主動(dòng)的避障方式。優(yōu)點(diǎn)是不用碰到障礙物就可以檢測(cè)到并且躲開，避免直接碰撞到障礙物。光電開關(guān)可檢測(cè)的距離可以根據(jù)實(shí)際控制的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　2.3.6 傳感器在車體位置上的排布

　　多傳感器系統(tǒng)傳感器的位置和排布對(duì)于控制精度有很大影響，在借鑒了其他多傳感器系統(tǒng)的排布后，設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)的傳感器排布圖[2],如圖5所示。

　　A1、A2、A3、A4都是電子籬笆探頭的放置位置。B1和B2是光電傳感器和碰撞開關(guān)的安裝位置，盡量放在邊緣有利于檢測(cè)障礙物減小檢測(cè)的盲區(qū)。其中，A3、A4這兩個(gè)電子籬笆探頭主要用于檢測(cè)前端電子籬笆區(qū)域，如果檢測(cè)到，執(zhí)行后退再轉(zhuǎn)向的動(dòng)作。A1、A2則是用于進(jìn)入基站時(shí)的尋線，因?yàn)檫M(jìn)入基站的任務(wù)是通過(guò)首先尋找到邊界的電子籬笆線，然后再切入電子籬笆線中，最后通過(guò)尋線的方式一直走入基站。A1、A2也可以在自動(dòng)割草時(shí)發(fā)揮作用，避免割草機(jī)走出邊界，特別是在割草區(qū)域的邊角地帶，成為處理邊界算法中的一個(gè)重要輔助信號(hào)。

　　2.4 其他部分

　　其他部分包括過(guò)電流保護(hù)、欠電壓保護(hù)。過(guò)電流保護(hù)主要保護(hù)割草機(jī)驅(qū)動(dòng)電路不會(huì)因?yàn)槎罗D(zhuǎn)、割刀卡死等原因損壞；欠電壓保護(hù)通過(guò)檢測(cè)電池電壓來(lái)確定是否應(yīng)該回基站充電，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電的功能。

　　3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　自動(dòng)割草機(jī)器人的軟件部分使用單片機(jī)C語(yǔ)言編程設(shè)計(jì)[3],根據(jù)實(shí)際的控制要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)割草機(jī)器人的功能。軟件部分盡量使用查詢代替中斷，增加了軟件的健壯性。割草路徑的規(guī)劃是自動(dòng)割草機(jī)器人的主要算法部分。