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用樹莓派打造一台智慧型割草機

作者:陸向陽

圖1 創客Clemens Elfiein與他的OpenMower智慧型割草機(圖片來源:Clemens Elfiein)

創客Clemens Elflein有感於自己住的地方常下雨,下雨時就難以割草,等到放晴了又覺得大好時光應該出門,用來割草反而浪費,因而構思打造一台智慧型割草機,類似家裡的吸塵器機器人那般,可以自主移動、自主完成工作。

智慧型割草機內部裝置介紹

Clemens Elflein首先花400歐元買一台傳統手動割草機YardForce Classic 500,然後對其進行改造,將一片Raspberry Pi 4跟一片Raspberry Pi Pico嵌入到割草機內,由RPi 4負責定位、導航工作,Pi Pico負責即時控制割草機的動作。

另外,割草機一起頭必須先行學習才能具備智慧性,之後才能自主割草,所以Clemens Elflein拿一個Xbox電視遊樂器的控制器來改裝,改裝成割草機的控制器。

然後,Clemens Elflein教導他老爸如何透過控制器控制割草機,讓割草機實際在自家的庭院整個走一遍,同時完成一次割草工作,透過記憶與學習往後就會自主割草了。

圖2 Clemens Elflein的老爸在教導OpenMower學習(圖片來源:Clemens Elflein)

事實上在Clemens Elflein投入開發前早就有自動割草機,但都是隨機亂跑,不聰明也沒效率,所以Clemens Elflein要開發的是具有智慧、效率的自動割草機,割草過程中不僅會自動避障,若偵測到有雨水時也會自動暫停工作,甚至可以均勻割草(傳統自主割草會割的不均勻而在草坪上有隨機圖案)、可以跨多片草皮進行割草(傳統自主割草只能在一塊連續草皮上工作)。

也由於Clemens Elflein把整個改裝過程的軟硬體都揭露,就成了一個新的開放專案,稱之為OpenMower。也由於這個改裝有點昂貴,即便已經盡量挑便宜的割草機,最低花費依然要400歐元(某些可以再便宜些,到350歐元),如果改造失敗也是很傷荷包的,所以Clemens Elflein也建議要開始前可以到Discord上詢問他,他會分享降低失敗風險的經驗與意見。

OpenMower的改裝作法是把本來割草機內的主機板拆掉,換上自己設計的新電路板,嚴格來說是一片載板,用該板子來連接RPi 4、Pi Pico,也用來連接電子速度控制器的模組板,以及定位用的模組板。

在電子速度控制器方面用了3組xESC的無刷直流馬達控制器,用來操控原有的割草機;在定位方面用了一片ArduSimpleRTK GPS定位電路板。

圖3 OpenMower載板與其他主控板、模組板(圖片來源:Clemens Elflein)

圖4 進行內部嵌入式換裝改裝而成的OpenMower(圖片來源:Clemens Elflein)

也因為取代了原有的控制電路板,所以有一些原有的功能必須在新的板子上重建,例如充電狀態偵測、低功耗省電模式等。然後Clemens Elflein也已經把一些後續規劃寫於專案網站上,例如要加入超音波收發感測的測距功能,要加入原本就設想的雨滴感測器,還要加入其他的慣性感測器等。

軟體方面目前已經完成路徑規劃能力,但避障仍有待實現,也尚待實現能夠視覺化檢視割草進度的畫面。

小結

最後,或許我國沒有太大的割草代勞需求,但國外就不盡然,過去iRobot除了開發與推行掃地機器人外,其實也推出一種專門用來清掃屋簷排水溝上堆積落葉的機器人,稱為Looj,以及專門用來清掃游泳池的機器人,稱為Verro,都是針對國外一般家庭常有的勞力困擾而設計。

圖5 iRobot專門清掃屋簷排水溝用的機器人Looj(圖片來源:iRobot

類似於此,也開始有業者推出自動擦窗機器人,自動拖地機器人等,都是著眼於卸除人力、減少費心費神而有的發想,或者是在現行自動化設備上進行改裝,使其具備更高自主運作能力。

例如現在已經有許多農夫使用四軸無人機代替自己噴灑農藥,農夫不用再傷害自己的健康接觸農藥,但仍必須在附近目視操作,若可以完全自主完成噴灑工作,農夫在屋內看著進度畫面即可,就更理想了。

延伸閱讀
https://www.youtube.com/watch?v=BSF04i3zNGw
OpenMower – The affordable Open Source DIY Smart GPS Robotic Mower

https://www.youtube.com/watch?v=_bImqD-pQSA
OpenMower: Robot Hardware | YardForce Classic 500 Teardown, Mainboard Replacement, Firmware Install

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vMaker編輯部

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