一、割草机概述

1. 割草工具进化史

割草机的发展与机械动力更新的步伐一致，从人力割草到机器割草。动力方面：从手动→内燃机→燃油动力→交流电动力→直流电动力。随着时代的发展，能源技术、人工智能技术的进步，机器进一步解放了人类的双手。如图1所示，割草会从人力时代—机器时代，人工智能技术的进一步提升，会出现智能割草机器人。 

图 1

2. 割草机是什么？

割草机又称除草机、草坪修剪机等。是一种用于草坪、植被管理维护的园林工具，它由刀盘、发动机、行走轮、行走机构、刀片、扶手、控制部分组成。

刀盘装在行走轮上，且装有发动机，发动机的输出轴上装有刀片，刀片利用发动机高速旋转带来的动力去实现割草，节省了园林工人的作业时间，减少了大量的人力资源。

3. 割草机的未来

在“草坪文化”盛行的欧美国家，割草是许多欧美家庭的刚需，整个草坪的维护工作需要耗费大量的人力及时间，为了减少更多的劳动力成本，体力劳动转为自动化，智能割草机就应运而生。如图2所示，它是一种室外轮式移动机器人，拥有自动割草、清理草屑、自动避雨、自动行走、自动躲避障碍物、自动返回充电、远程控制等功能。适合于家庭庭院、公共绿地等场所进行草坪修剪维护。

与传统的割草机相比，智能割草机器人不仅具有操作简单、割草效率高等优点，而且可以自动完成割草任务，减少人力成本和时间成本，还具有安全、无噪音、智能化程度高等优点，已经成为割草机行业主要发展方向。

图 2

二、智能割草机械人的构成

根据割草机所使用环境，户外庭院场景的定位、导航、避障难度都要升阶，机器工作环境中有可能存在的移动物体，比如小孩、野生动物、晃动的秋千等。所以为了让割草机可以实现更高的自动化和智能化，相应的控制系统构成需要更完善、更稳定。系统构成如下图3，主控板控制器作为核心，控制协调外围各功能模块的控制器来实现相应的功能。

图 3

三、智能割草机械人应用电路

智能割草机器人控制系统需要安全可靠、更高的自动化和智能化，相应的对各控制器性能也要求更高，所使用的控制器涉及的功能领域也更广泛。

兆易创新作为国内高性能通用微控制器领域的领跑者，GD32 MCU其广泛应用于消费电子、工业控制、 汽车电子、医疗、智能家居等领域。在割草机器人所构成的控制系统中各功能模块，可选择控制器系列非常多。

1. 主控板

作为智能割草机控制系统的核心，需要强大的数据计算能力，以及丰富的外设控制资源。GD32F470系列，处理器主频高达240MHz，Flash容量可从512 KB 到3072KB、SRAM 容量从256KB到512KB，8路UART、6路SPI、2路CAN2.0，支持SDIO和以太网MAC、支持USB OTG FS +HS、支持LCD-TFT等接口。丰富的内存和外设资源。支持浮点和DSP数学运算，并具备更快速的实时处理能力，满足实时控制功能和信号处理功能混合，是数字与控制信号完美结合的低成本MCU。

2. 切割-行驶系统

切割-行驶系统主要由切割系统和行驶系统构成，电机驱动控制对应的割刀和轮子工作。

如下图4所示直流无刷电机驱动控制，MCU+驱动芯片+MOS+电机构成，MCU可以选用GD32E230、GD32F3X0和GD32F30X等系列提供驱动信号PWM输出，驱动芯片可以选用GD30DR系列作为驱动芯片，集成了电机驱动保护，LDO以及BUCK等多种功能，二者合一后，只需要增加极少的外围MOS驱动电路，便可以实现电机的转动。

图 4

3. 电源系统

智能割草机器人电源系统如图5，主要由BMS系统和DC-DC电路构成，主控系统可通过485/CAN等连接方式与BMS系统进行通信推荐3PEAK CAN TPT1255-1256系列是加强型工业级5Mbps CAN FD具备高共模，高耐压，高ESD防护支持3.3V-5V VIO，完成对电池电量的实时监控。

电源系统的构成电路由，MCU+AFE+DC-DC+隔离通信电路+电流采集电路+MOS驱动。MCU可以选用的GD32E230、GD32L233系列。

DC-DC可选用TPP60308/TPP36308X系列小型化高可靠性宽输入电压范围适用于12V,24V,48V电源总线输入，开关频率可选支持轻载高效以及固定频率PWM不同版本。

LDO可选用GD30LD2000、GD30LD2400、TPL730、TPL740系列，提供各种固定电压输出。常温下1%输出电压精度，最大输出电流TPL730系列300MA；TPL740系列500MA，低静态电流以及关断电流不同封装可选；GD30LD2400系列输入电压范围高达45V，输出电流350MA。

电路采集电路中使用的OPA可选用通用运放GD30AP3XX、低噪声GD30AP7XX、TP600X、TP156X系列。低压轨到轨输入输出低噪声低失调电压低温漂高可靠性。

隔离器推荐3PEAK 数字隔离器TPT772X（双通道）/TPT774X（四通道）系列均采用自主专利的隔离IP技术，通讯速率可达150Mbps,低延时12ns，耐压5KV RMS,10KV浪涌能力,共模瞬态抑制能力±200KV/us，用于485/CAN信号隔离对应隔离RS485推荐TPT7487/7488,隔离CAN推荐TPT71050/71040。

图 5

4. GPS导航

GPS导航系统如图6，由主控板获取距离方向采集系统+避障系统+GPS定位数据，进行数据计算来实现智能割草机械人精准移动。

图 6

各子系统中主控可选用GD32 MCU的E230、L233、30X等系列作为采集控制器，采集信号处理所用到OPA和COMP器件，可选用3PEAK  OPA TP600X、TP156X，COMP LM2903A、LM339A等系列产品。GPS定位模块推荐使用移远公司LG69T(22.0*17.0*3.15/3.3mm)厘米级高精度定位模块，以及L7x、L26x、LC29x系列(12.2*16.0*2.4mm)的亚米级精度定位模块。

5. 通信模块

蓝牙WIFI可选用DXY-WIFI553模块，这是一款以GD32VW553 系列为主控MCU，高度集成的2.4GHz WiFi模块，同时集成了BLE 5.2功能。模块硬件集成了IEEE 802.11b/g/n/ax MAC/基带和RF电路，最高支持WiFi 6(802.11ax)标准。RF电路包括功率放大器PA、低噪声放大器LNA，支持20MHz标准带宽和5MHz/10MHz窄带宽，提供最大72.2Mbit/s物理层速率。对外提供SWD、UART和丰富的GPIO，模块最高支持160MHz运行频率，片上4M Byte Flash，320K Byte RAM，可支持二次开发。

在长距离传输场景中，可以搭载上海移远全系蜂窝通讯模块。内置TCP、UDP、MQTT、HTTP、FTP等丰富协议接口，支持低功耗。亦可以搭载操作系统运行。移远通讯模块可以支持全球所有国家LTE蜂窝网络接入，让设备与设备之间挣脱距离束缚。