杜传祥 魏秀岭 谷宇阳 胡耀雄
摘 要：该文设计了一款带自动定位功能的“绿植”修剪车。针对城市绿化带修建各不同场所的不同需求，以GPS技术为核心实现自动定位测量，通过配合电子罗盘的定点指向计算，实现“绿植”修剪车的自动定位和移动指向。进行需求分析给出了修检测的硬件系统的设计，并给出了定点指向计算和修剪车的总体设计图。通过实物实验，证明该修剪车的设计可以有效提升绿植修剪的工作效率。
关键词：“绿植”修剪车 STM32 自动定位
中图分类号：U469 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2020）03（c）-0040-02
随着时代发展，人们对于城市中的各场所的“绿植”的修剪要求也在不断提高。当前“绿植”外观多样，修剪设备种类也比较多，但在使用中需要人工干预比较多，修剪的效果对工人的技术水平要求也比较高。为此该文设计了一种能自动定位工具角度，可以灵活调整修剪外形的绿化带修剪车。
1 定位方案
该文使用的定位方案采用GPS定位。最初的GPS应用以军事用途为主要研究为主，针对军事目标的导航和相关情报的收集等;军事以为的应用受到美国政府的SA和AS政策的影响，测量精度低;但随着预报星历的准确、导航电文解算和定位误差算法改进的发展，使得在GPS导航定位信号能够进行厘米级、毫米级精度的静态相对定位，而动态定位的精度页提升至亚米级、厘米级的精度，同时解算的速度也在不断提升。
GPS定位数据通过显示装置将有定位功能的“绿植”修剪车系统的坐标告知使用者。修剪车系统在进行修建绿化植被的位置定位的同时也进行行走线路测量，并能够将相关数据存储。实用GPS系统的定位功能，通过将被修建绿化植设为被目标点的坐标，通过获得“绿植”修剪车系统的坐标，将两者之间的坐标进行差值计算则能够修剪车相对移动的方向。同时，通过电子罗盘设备获得系统相对于地理坐标系，使得最终能够为使用者修剪车提供应该移动的方向和距离。
2 硬件系统设计
“绿植”修剪车的测量定位系统具有两项基本功能，分别是绿植的定位与行进线路测量。系统以STM32f103VBT6芯片为主控MCU功能模块，以LTC3521为电源驱动模块，以便降低系统功耗，延长使用时间。矩阵键盘为输入模块，控制GPS模块（ZYM-G5020-1）的定位测量;霍尼韦尔的双周磁通传感器HMC1052作为电子罗盘模块，获得相对于地理坐标系的方向;以STM32的SPI接口作为TF卡的读写口，以电子液晶屏为显示模块，使得测量定位系统的运算信息通过显示模块进行显示，并且通过矩阵键盘进行交互与相关信息确认;同时能够实现量和定位的数据存储至TF卡中，以便后期应用能够随时调用。整体结构具体见图1。
系统的工作流程为使用者统统GPS模块的定位测量与双周磁通传感器HMC1052作为电子罗盘模块进行位置和距离的数据获取，同时能够将信息存储至TF卡与液晶显示屏显示。使用者通过矩阵键盘操作后，能够将系统的USB接口将存储介质中的数据传输至PC机。
3 定点指向计算
“绿植”修剪车的测量定位系统指向功能需要手动输入目标坐标点或者存储的GPS坐标中提取信息作为目标坐标。以GPS模块通过实时定位测距功能获得修剪车的所在的坐标信息。将北方设定为基准方向的零度，以顺时针旋转角度为正的方向，即，北方为0°，东方为90°，南方为180°，西方为270°。由于测量的距离相对于地球坐标系很小，将所测量的范围认作为一个平面;将目标“绿植”坐标和修剪车坐标的经度和纬度分别做差后，通过反三角函数，计算出“绿植”目标点相对于修剪车坐标点偏离北方的角度。通过电子罗盘的功能，使液晶显示屏显示的指示箭头为正北方，以此为指向方向转动相应的坐标点偏移角。
因此，已知“绿植”坐标点和修剪车坐标点的GPS坐标，使用地球大圆距离公式，计算两点坐标的距离。当距离小于10mm时，即认为到达定位测量目标。
大圆距离公式为：
（1）
式（1）中：φs为“绿植”目标点纬度;λs为“绿植”目标点经度;φf修剪车起始点的纬度;λf为修剪车起始点的经度。公式（1）确定“绿植”坐标点和修剪车坐标点与地球球心构成的角的弧度，结果与地球半径相乘获得测量的距离。
4 总体设计
自动定位功能的“绿植”修剪车由具有移动能力小车为基础，车身内部设置上下升降的液压器，小车顶部固定安装电锯，电锯顶部安装GPS天线，小车底部安装定位测量控制器，并能够通过RS232与控制机相连接。总体设计图如图2所示。
5 结语
该设计方案采用先进的定位技术进行修剪刀的刀具工作位置的确定，可有效提升工作效率。工人不再需要同时关注手持绿篱修剪机的方位，降低了工人的操作技能要求和劳动强度，有很好的应用价值。
参考文献
[1] 皮云仙，唐紅，张毅.基于单片机的GPS手持导航终端设计[J].微计算机信息，2009，25（2-1）：190-192.
[2] 王伟，唐传茵，张宏，等.移动式绿篱修剪机设计[J].农机化研究，2010（6）：122-125，129.
[3] 贺婷.绿篱修剪移动机器人控制系统研究[D].南京林业大学，2010.
[4] 韩晓新，邢绍邦，沈琳.基于AT89C52单片机的液晶GPS 定位仪设计[J].工矿自动化，2010（2）：38-40.
