除草机自主行走避障及控制系统设计

摘要

近年来，自主行驶的无人驾驶汽车技术正处于快速发展阶段，无人驾驶技术可以使汽车自主的在公路及高速路上行驶，在确保安全的前提下，更加方便了人们的生活。随着科学技术的不断进步，自主行走设备逐渐走进了人们的生活，因此本文对除草机自主行走避障及控制系统设计进行研究。 随着人们居住生活条件的提高，除草机已经获得了日益广泛的应用。但在庭院或绿地环境中通常除种植的草地外，还有树木、秋千、不同材质的人造景观等设施。对除草机的要求是不仅对草坪进行修剪，避开树木、假山等，另外还应穿过秋千（高度允许情况下）等设施，即应尽可能的对于一切除草机可以通过的空间的草坪进行修剪。现有的除草机由于无法对前方的草、灌木、秋千等人造设施进行识别，因而会出现某些地块修剪不到、剪掉树木甚至是伤刀等情况。 本文研究设计了除草机自主行走避障及控制系统，系统以超声相控阵的超声测距定位技术对除草机前方物体进行避障，并采用小波预处理及Linear SVM机器学习算法对信号进行处理，完成对前方物体的智能识别。本论文以STM32F103作为核心处理器，完成超声波信号的发射、回波接收及处理分析，然后对回波信号做小波预处理操作，从而得到回波信号的幅频特性。从其幅频特性中分离出高频能量分量和低频能量分量，以高频和低频能量分量作为信号特征，运用机器学习的Linear SVM算法对信号进行分类，以区分出前方物体是杂草还是树木或其他人造设施，并结合超声相控阵技术，达到除草机自主行走避障的目的。 本文从实用性的前提出发，详细介绍了整个除草机自主行走避障系统的工作原理、硬件电路设计、软件实现以及整个系统的调试测试，论文从以下几个部分进行详细阐述： 第一，本文绪论部分主要介绍了本课题的研究意义和目的，总结归纳了目前国内外应用自主行走避障系统的发展现状，分析目前已使用技术的优缺点，继承优点改进缺点，使自己的研究有一个明确的方向。 第二，介绍了超声相控阵技术的基本原理，重点介绍本文采用的“单发多收”的相控阵模型，简述其工作原理，并与传统的“多发单收”相控阵模型进行对比，论证两者的优缺点，并详细地介绍了其在本系统中的应用。 第三，主要介绍了小波变换的基本概念理论，介绍连续小波变换和离散小波变换的概念，并阐述小波变换在信号分析中的作用。 第四，重点介绍除草机自主行走避障及控制系统的原理和硬件电路设计，主要包括MCU模块、超声相控阵列的设计、超声波发射电路、信号放大调理电路、ADC模数转换及上位机部分，其中重点阐述信号放大调理电路，其主要作用是对回波信号进行一系列的放大、检波、滤波等信号处理。阐述整个硬件电路设计及运作流程，各个核心芯片的典型电路及用法，分析其在整个电路中的作用。 第五，介绍了系统的软件设计、调试和总结展望，包括软件开发平台的介绍、STM32F103核心处理器的嵌入式编程、小波预处理及Linear SVM算法的相关介绍，对除草机自主行走避障进行整个系统的调试，并展示部分调试结果，对系统进行误差分析。 文末，总结自己研究生期间的科研工作情况，并对自己研究的除草机自主行走避障系统提出改进和下一步工作的展望。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

1.2.2国外研究现状

1.3本课题主要完成的工作内容与总结

1.4本章小结

第二章 超声相控阵技术简介

2.1超声相控阵技术的原理

2.2超声波换能器的选型

2.3“单发多收”的超声相控阵技术原理及应用

2.4本章小结

第三章 小波变换基本理论

3.1小波变换

3.1.1连续小波变换

3.1.2离散小波变换

3.2常用小波函数

3.2.1 Haar小波

3.2.2 Morlet小波

3.2.3 墨西哥帽小波

3.2.4 Daubechies（dbN）小波

3.3本章小结

第四章 除草机自主行走避障及控制系统设计

4.1系统框图

4.2处理器的选型

4.3系统硬件电路设计

4.3.1超声波发射电路

4.3.2仪表放大器电路

4.3.3包络检波电路

4.3.4低通滤波电路

4.3.5后级放大电路

4.4与上位机的串行通信

4.5本章小结

第五章 系统软件设计与系统调试结果

5.1 PWM波形输出编程

5.2 ADC模数转换编程

5.3小波预处理

5.4系统调试结果

5.4.1 Linear SVM智能识别算法

5.4.2 超声相控阵的测距结果

5.4.3 超声相控阵定位测试

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1项目总结

6.2展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的文章

致谢