杜傳祥 魏秀嶺 谷宇陽 胡耀雄

摘? 要：該文設(shè)計(jì)了一款帶自動(dòng)定位功能的“綠植”修剪車。針對(duì)城市綠化帶修建各不同場所的不同需求，以GPS技術(shù)為核心實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位測量，通過配合電子羅盤的定點(diǎn)指向計(jì)算，實(shí)現(xiàn)“綠植”修剪車的自動(dòng)定位和移動(dòng)指向。進(jìn)行需求分析給出了修檢測的硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并給出了定點(diǎn)指向計(jì)算和修剪車的總體設(shè)計(jì)圖。通過實(shí)物實(shí)驗(yàn)，證明該修剪車的設(shè)計(jì)可以有效提升綠植修剪的工作效率。

關(guān)鍵詞：“綠植”修剪車? STM32? 自動(dòng)定位

中圖分類號(hào)：U469 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2020）03（c）-0040-02

隨著時(shí)代發(fā)展，人們對(duì)于城市中的各場所的“綠植”的修剪要求也在不斷提高。當(dāng)前“綠植”外觀多樣，修剪設(shè)備種類也比較多，但在使用中需要人工干預(yù)比較多，修剪的效果對(duì)工人的技術(shù)水平要求也比較高。為此該文設(shè)計(jì)了一種能自動(dòng)定位工具角度，可以靈活調(diào)整修剪外形的綠化帶修剪車。

1? 定位方案

該文使用的定位方案采用GPS定位。最初的GPS應(yīng)用以軍事用途為主要研究為主，針對(duì)軍事目標(biāo)的導(dǎo)航和相關(guān)情報(bào)的收集等;軍事以為的應(yīng)用受到美國政府的SA和AS政策的影響，測量精度低;但隨著預(yù)報(bào)星歷的準(zhǔn)確、導(dǎo)航電文解算和定位誤差算法改進(jìn)的發(fā)展，使得在GPS導(dǎo)航定位信號(hào)能夠進(jìn)行厘米級(jí)、毫米級(jí)精度的靜態(tài)相對(duì)定位，而動(dòng)態(tài)定位的精度頁提升至亞米級(jí)、厘米級(jí)的精度，同時(shí)解算的速度也在不斷提升。

GPS定位數(shù)據(jù)通過顯示裝置將有定位功能的“綠植”修剪車系統(tǒng)的坐標(biāo)告知使用者。修剪車系統(tǒng)在進(jìn)行修建綠化植被的位置定位的同時(shí)也進(jìn)行行走線路測量，并能夠?qū)⑾嚓P(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。實(shí)用GPS系統(tǒng)的定位功能，通過將被修建綠化植設(shè)為被目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過獲得“綠植”修剪車系統(tǒng)的坐標(biāo)，將兩者之間的坐標(biāo)進(jìn)行差值計(jì)算則能夠修剪車相對(duì)移動(dòng)的方向。同時(shí)，通過電子羅盤設(shè)備獲得系統(tǒng)相對(duì)于地理坐標(biāo)系，使得最終能夠?yàn)槭褂谜咝藜糗囂峁?yīng)該移動(dòng)的方向和距離。

2? 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“綠植”修剪車的測量定位系統(tǒng)具有兩項(xiàng)基本功能，分別是綠植的定位與行進(jìn)線路測量。系統(tǒng)以STM32f103VBT6芯片為主控MCU功能模塊，以LTC3521為電源驅(qū)動(dòng)模塊，以便降低系統(tǒng)功耗，延長使用時(shí)間。矩陣鍵盤為輸入模塊，控制GPS模塊（ZYM-G5020-1）的定位測量;霍尼韋爾的雙周磁通傳感器HMC1052作為電子羅盤模塊，獲得相對(duì)于地理坐標(biāo)系的方向;以STM32的SPI接口作為TF卡的讀寫口，以電子液晶屏為顯示模塊，使得測量定位系統(tǒng)的運(yùn)算信息通過顯示模塊進(jìn)行顯示，并且通過矩陣鍵盤進(jìn)行交互與相關(guān)信息確認(rèn);同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)量和定位的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至TF卡中，以便后期應(yīng)用能夠隨時(shí)調(diào)用。整體結(jié)構(gòu)具體見圖1。

系統(tǒng)的工作流程為使用者統(tǒng)統(tǒng)GPS模塊的定位測量與雙周磁通傳感器HMC1052作為電子羅盤模塊進(jìn)行位置和距離的數(shù)據(jù)獲取，同時(shí)能夠?qū)⑿畔⒋鎯?chǔ)至TF卡與液晶顯示屏顯示。使用者通過矩陣鍵盤操作后，能夠?qū)⑾到y(tǒng)的USB接口將存儲(chǔ)介質(zhì)中的數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)。

3? 定點(diǎn)指向計(jì)算

“綠植”修剪車的測量定位系統(tǒng)指向功能需要手動(dòng)輸入目標(biāo)坐標(biāo)點(diǎn)或者存儲(chǔ)的GPS坐標(biāo)中提取信息作為目標(biāo)坐標(biāo)。以GPS模塊通過實(shí)時(shí)定位測距功能獲得修剪車的所在的坐標(biāo)信息。將北方設(shè)定為基準(zhǔn)方向的零度，以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度為正的方向，即，北方為0°，東方為90°，南方為180°，西方為270°。由于測量的距離相對(duì)于地球坐標(biāo)系很小，將所測量的范圍認(rèn)作為一個(gè)平面;將目標(biāo)“綠植”坐標(biāo)和修剪車坐標(biāo)的經(jīng)度和緯度分別做差后，通過反三角函數(shù)，計(jì)算出“綠植”目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于修剪車坐標(biāo)點(diǎn)偏離北方的角度。通過電子羅盤的功能，使液晶顯示屏顯示的指示箭頭為正北方，以此為指向方向轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)偏移角。

因此，已知“綠植”坐標(biāo)點(diǎn)和修剪車坐標(biāo)點(diǎn)的GPS坐標(biāo)，使用地球大圓距離公式，計(jì)算兩點(diǎn)坐標(biāo)的距離。當(dāng)距離小于10mm時(shí)，即認(rèn)為到達(dá)定位測量目標(biāo)。

大圓距離公式為：

（1）

式（1）中：φs為“綠植”目標(biāo)點(diǎn)緯度;λs為“綠植”目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)度;φf修剪車起始點(diǎn)的緯度;λf為修剪車起始點(diǎn)的經(jīng)度。公式（1）確定“綠植”坐標(biāo)點(diǎn)和修剪車坐標(biāo)點(diǎn)與地球球心構(gòu)成的角的弧度，結(jié)果與地球半徑相乘獲得測量的距離。

4? 總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)定位功能的“綠植”修剪車由具有移動(dòng)能力小車為基礎(chǔ)，車身內(nèi)部設(shè)置上下升降的液壓器，小車頂部固定安裝電鋸，電鋸頂部安裝GPS天線，小車底部安裝定位測量控制器，并能夠通過RS232與控制機(jī)相連接。總體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

5? 結(jié)語

該設(shè)計(jì)方案采用先進(jìn)的定位技術(shù)進(jìn)行修剪刀的刀具工作位置的確定，可有效提升工作效率。工人不再需要同時(shí)關(guān)注手持綠籬修剪機(jī)的方位，降低了工人的操作技能要求和勞動(dòng)強(qiáng)度，有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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