具有无信标边界识别功能的智能割草机控制系统研制

摘要

随着经济的发展和科技的进步，以代替繁重的人工割草作业为目的的智能割草机越来越受到人们的欢迎。当前市场上在售的智能割草机的功能趋于同质化，其边界识别方式大都采用预先铺设电缆的有信标方式。本文设计了一款具有无信标边界识别功能的智能割草机，并对无信标边界识别在智能割草机自主充电中的应用进行了研究。 本文首先搭建了智能割草机的软硬件平台。根据智能割草机控制系统的功能需求，采用模块化的设计思想，设计了基于ARM Cortex-A9处理器的硬件系统，对硬件系统的主控模块、驱动模块、传感器模块、人机交互模块、通信模块、电源管理模块、图像采集模块等进行了详细设计；基于多任务处理和状态机的编程思想，设计了基于嵌入式Linux的软件系统，完成了嵌入式Linux系统的移植和配置，设计开发了应用软件和驱动软件，实现了智能割草机的自主工作和自主充电流程，实现了对智能割草机碰撞、提升、倾斜、倾覆状态的检测和处理，实现了对智能割草机的远程控制。 其次，针对智能割草机的边界识别问题，本文设计了基于图像处理的无信标边界识别算法，针对智能割草机的两种工作场景，分别采用基于阈值分割和模板匹配的图像二值化方法进行图像分割，利用加权最小二乘法从二值图像中提取出边界直线，对无信标边界识别算法的实时性进行了分析测试。 最后，本文对无信标边界识别在智能割草机自主充电中的应用进行了研究，通过控制智能割草机沿草坪边界回到充电站实现智能割草机的自主充电。针对智能割草机靠近充电站时的引导问题，对现有充电站进行改进，提出了充电站中心线提取算法。对摄像头的梯形失真进行矫正，并通过实验验证矫正效果。提出了基于比例控制的智能割草机路径跟踪算法。

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摘 要

Abstract

目 录

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外现状

1.2.2 国内现状

1.2.3 分析与总结

1.3 本文主要研究内容及论文结构

1.3.1 本文主要研究内容

1.3.2 论文结构安排

第二章 智能割草机控制系统硬件设计

2.1 控制系统需求分析及总体结构

2.2 主控模块设计

2.2.1 主控芯片选型

2.2.2 主控芯片外围电路设计

2.3 驱动方案设计

2.3.1 系统驱动方式

2.3.2 电机驱动电路设计

2.4 传感器系统设计

2.4.1 碰撞/提升传感器

2.4.2 倾斜/倾覆传感器

2.4.3 超声波传感器

2.5 人机交互系统设计

2.6 通信模块设计

2.7 电源管理模块

2.7.1 放电管理模块

2.7.2 充电管理模块

2.8 图像采集模块

2.9 控制系统硬件框图及实物图

2.10 本章小结

第三章 智能割草机控制系统软件实现

3.1 软件整体框架

3.2 嵌入式Linux系统移植和配置

3.2.1 嵌入式Linux系统的组成

3.2.2 Linux系统的裁剪

3.2.3 OPENCV的移植

3.3 应用软件设计

3.3.1 应用软件架构设计

3.3.2 多任务处理

3.3.3 主任务

3.3.4 运动控制任务

3.3.5 传感器任务

3.3.6 无线通信任务

3.3.7 边界识别任务

3.3.8 看门狗任务

3.3.9 人机交互任务

3.4 驱动程序开发

3.4.1 Linux驱动程序简介

3.4.2 电机驱动程序

3.4.3 姿态传感器驱动程序

3.4.4 HALL传感器驱动程序

3.4.5 超声波传感器驱动程序

3.4.6 触摸屏驱动程序

3.5 本章小结

第四章 无信标边界识别算法研究

4.1 边界识别方案选择

4.2 基于阈值分割的图像二值化

4.2.1 图像预处理

4.2.2 图像二值化

4.2.3 图像后续处理

4.3 基于模板匹配的图像二值化

4.3.1 模板匹配

4.3.2 图像二值化

4.4 边界直线的提取

4.5 无信标边界识别算法实时性测试

4.6 本章小结

第五章 无信标边界识别在自主充电中的应用

5.1 充电站中间线提取

5.2 摄像头失真矫正

5.2.1 摄像头梯形失真矫正

5.2.2 失真矫正方法实验

5.3 智能割草机自主返回充电站路径跟踪控制

5.3.1 智能割草机路径跟踪控制仿真分析

5.3.2 智能割草机路径跟踪控制实验

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 不足与展望

致谢

参考文献