割草機器人調(diào)研報告

1、割草機器人調(diào)研一 國內(nèi)外研究狀況在歐美國家，城市中有大量的公園草坪、足球場草坪、高爾夫球場草坪等公共綠地以 及一般家庭綠地需要進行維護。為降低草坪維護作業(yè)的勞動強度，1997年，OPEI年會上第一次提出了智能割草機器人（ Intelligent Robot Mower ）的概念。目前，國外市場上已經(jīng)有了多款割草機器人產(chǎn)品。以色列 Friendly Machines 公司設計 的Friendly Robomow（見圖1）是世界上第一批走進家庭和市場的割草機器人也是目前市場 化 最成功的 智能割草機器 人產(chǎn)品 之一 。 此外， 還 有意大 利 Zucchetti 公 司生產(chǎn) 的 Robo-Lawn

2、mowe（見圖2，爬坡的坡度為2730），其中型號為Line 300的機器人具有下 雨時，自動回歸充電站的功能；瑞典 Electrolux 公司生產(chǎn)的 Husqvarna Auto Mower （見圖3），該機器人驅(qū)動輪直徑較大，有很強的爬坡能力，最大爬坡角度為35 o ；比利時Belrobotics公司生產(chǎn)的適用于大、中型草坪維護的Bigmow （見圖4）。據(jù)國內(nèi)據(jù)報道，2007年2月，上海大學研發(fā)成功了割草機器人“kakamower”并準備于今年投入市場， 預期售價為 460 美元左右。 以及在今年 3 月，昆山市金聯(lián)塑料制品有限公司 與浙江大學聯(lián)合研發(fā)成功了割草機器人。 國內(nèi)從事割草機器

3、人研究的還有南京理工大學、 江 蘇大學等。圖 1 Friendly RL850圖 2 Robo-Lawnmower圖 4 Bigmow圖 3 Auto Mower表列出了各種割草機器人的參數(shù)指標和價格。表1各種品牌割草機器人參數(shù)指標及價格比較型號生產(chǎn)廠商重量 (kg)外形尺寸(cm)驅(qū)動電源割刀功率(w)割草寬 度(cm)連續(xù) 工作 時間(h)工作面積(m2)價格Robomow（RL 850）Frie ndlyMach ines（以色列）2289*65*24v,17Ah*2鉛酸電瓶150*3割刀5800r/mi n533500$Robo-Law nm ower（Line50）Zucchetti

4、（意大利）41*19*36鋰/鉛酸電 池25（Li ne 100）51*33*432925300（Li ne 200）57*42*26292300（max3000）（Li ne 300）65*49*285000Husqvar na Auto MowerElectrolux（瑞典）71*60*2618v,22Ah*12400$Bigmow(中、大型草坪)Belrobotics（比利時）48120*120*5024v,15Ah鎳鉻電池24v,3200r/mi n*5割刀10020000$12799MORO南京理工大 學5080*51*405000r/mi n待設計機器人鋰/鎳電池24v,6070w

5、,3500r/min2523最大1500實際建議500二割草機器人技術分析1結構設計設計要求：害倬寬度：25 cm，割草高度：2-7cm （割刀距地面距離可調(diào)節(jié)）按功能分割草機器人的機械結構可分為驅(qū)動機械結構和割草機械結構。1驅(qū)動機械結構現(xiàn)有的割草機器人大多采用輪式機構驅(qū)動（也有采用履帶驅(qū)動，很少）。常見的輪式結構為三輪（2個驅(qū)動輪，1個導向輪，如 RobomoW和四輪（2個驅(qū)動輪，2個導向 輪，女口 Electrolux Husqvama Auto Mower）。三輪方式結構簡單，能滿足一般要求。四輪方式穩(wěn)定性好、承載能力較大、結構相對復雜。2割草機械結構1）刀片：刀片的設計直接影響割草機器

6、人的性能，須考慮割草刀片在高速旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn) 生氣流的流場；分析刀片在運行時的模態(tài)、不平衡離心力和動態(tài)響應等參數(shù)。2） 割草高度調(diào)節(jié)機構：現(xiàn)有的割草機器人為手動調(diào)節(jié)。RobomoW通過調(diào)整前端萬向輪、車身相對后端驅(qū)動輪的高度來調(diào)整割草高度。伊萊克斯的Auto mower通過調(diào)整割刀的高度來實現(xiàn)割草高度的調(diào)節(jié)。3）出草通道設計：防止草屑的堵塞。4）散熱機構設計：由于刀片處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，有較大的發(fā)熱量，因而所設計的結 構須有良好的散熱性。5） 割草寬度：可設計并列的雙割刀，橫向?qū)挾葹?5cm.。6） 增加收集碎草功能（待討論），RobomoW割草機器人是將草剪碎至 3mm作為天然肥 料留在草坪上。

7、2驅(qū)動系統(tǒng)1割刀電機選型直流電機額定電壓：24V功率：60-70W轉(zhuǎn)速：3500轉(zhuǎn)/分土 10%2行走電機選型行走電機（可參照吸塵機器人）較強的爬坡能力，30度（行走電機功率要求較高）3工作空間，時間范圍設計要求：最大割草面積：1500 m通過減輕重量，非割草狀態(tài)下割草電機轉(zhuǎn)速減緩等實現(xiàn)低功耗 大容量電池 選擇合適的行走速度，使相同能耗下割草的效率最高。,建議范圍500m2，額定工作時間：120-180 min4）工作面積超過建議的500m2時，設計多個充電站。如以500 m 2為1個單位，當面積為1500 m 2可以設計3個充電站。4充電器選型（外包）INPUT：100-240V ，AC 1

8、500mA，50/60HzOUTPUTDC 2-2.5A充電時間：180mi n鋰電（或鎳氫）：8Ah5傳感系統(tǒng)避障方案：超聲波傳感器、紅外傳感器及碰撞傳感器雨天自動感知，并避雨方案1：濕度傳感器原理：利用雨天濕度大的特點來檢測。 存在問題：是否能夠準確地區(qū)別出霧天和小雨天。表2濕度傳感器參數(shù)型號西博臣CHTM-01系列溫濕度傳感器模塊輸出A 型：03V B 型：01V敏感元件（濕度）高分子濕敏電容“ HS1101供電5V 5%耗電電流5mA max.(2mA avg.)工作范圍溫度？ 060C ? ?濕度 ？10% 95%RHA下儲存條件溫度？?？ - 2070C ?濕度？?？ 95%RH

9、以下精度（濕度） 5%RH?（在25C，輸入電壓=5V）方案2:雨水傳感器原理：當雨水滴落在傳感器電路板上時，產(chǎn)生觸發(fā)信號。為克服易觸發(fā)的缺點，應將傳感器 封閉好，只留有一小孔讓雨水可以滴落在傳感器電路板上。存在問題：1易觸發(fā)，不確定是否可以避免因露水引起的觸發(fā)；2 、在避雨后，須用戶將傳感器電路板擦干。方案3:雨量傳感器原理：如圖5所示的雨水收集裝置，當裝置中的雨水滿到觸發(fā)線時，便會產(chǎn)生觸發(fā)信號。該 方法可有效克服方案 2中易觸發(fā)的缺點。存在問題：避雨后，如何將水排空。圖5雨量傳感器檢測原理示意圖防跌落：前視傳感器，可參照吸塵機器人設計（該功能待討論）感知小動物，并進行驅(qū)趕方案：人體熱釋傳感

10、器原理：人體熱釋傳感器是一種檢測人或動物身體發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器，其原理是利用熱釋電效應。 熱釋電效應同壓電效應類似， 是指由于溫度的變化而引起的晶體表面 荷電的現(xiàn)象。熱釋電傳感器是對溫度敏感的傳感器，由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個表面做成電極， 在傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有變化時，熱釋電效應會在兩個電極上產(chǎn)生電荷，即在兩電極之間產(chǎn)生微弱的電壓。由于它的輸出阻抗極高， 在傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。 熱釋電效應所產(chǎn)生的電荷會被空氣中的離子所結合而消失，即當環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，傳感器無輸出。當人體進入檢測區(qū)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生溫 度變化，則產(chǎn)生輸出信號。

11、當人體進入檢測區(qū)后不動， 則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出。 所以該類型傳感器用于檢測人體或動物的活動情況。當探測到動物后，采用黃色閃爍警示燈、蜂鳴聲進行驅(qū)趕。存在問題：對人和動物都將產(chǎn)生報警（設計一按鈕可手動解除報警）表3人體熱釋傳感器參數(shù)型號CT-418工作電壓35V靜態(tài)電流50uA工作溫度070C電平輸出4V無信號輸出感應角度110度外形尺寸28mm*36mm模塊重量約25g價格33元6自動回歸充電圖6邊界線檢測傳感器布置在割草機器人的前端并排安裝兩個用于邊界線檢測的傳感器。工作時，當割草機器人的剩余電量低于我們的設定電量值時，機器人便要自動回歸充電。 機器人采用循跡回歸的方法，按第一次

12、檢測到邊界線時的狀態(tài)可分為下述的三種情況。情況一：當機器人行走的方向與邊界線呈銳角時，左側的傳感器首先檢測到信號，隨后右側的傳感器也檢測到信號。然后走過一段距離，機器人順時針旋轉(zhuǎn)(見圖7 B)。當轉(zhuǎn)過一定角度，右側的傳感器再次檢測到信號時，機器人便處于“騎線”狀態(tài)。接下來，機器人便只要循線 行走即可。循線的方法是，當左側的傳感器檢測到信號時，機器人便向左偏轉(zhuǎn)；右側的傳感 器檢測到信號時，機器人便向右偏轉(zhuǎn)。(A)(B)(C)圖7情況1情況二：機器人以與邊界線垂直的方向朝邊界線前進。 這時，前端的兩個傳感器同時檢測到信號。 然后當機器人走過一段距離后，順時針偏轉(zhuǎn)（見圖8 B ）。當右側的傳感器再次

13、檢測到信號時，機器人便處于了 騎線”的狀態(tài)。循線的方法與情況一相同。（A）（B）（C）圖8情況2情況三：當機器人行走的方向與邊界線呈鈍角時，右側的傳感器首先檢測到信號，隨后左側的傳感器也檢測到信號。然后走過一段距離，機器人順時針旋轉(zhuǎn)（見圖9 B）。當轉(zhuǎn)過一定角度，右側的傳感器再次檢測到信號時，機器人便處于“騎線”狀態(tài)。循線的方法與情況一相同。（A）（B）（C）（D）圖9情況37路徑規(guī)劃及邊界控制方案：邊界控制采用 HMC100磁場傳感器（見孫杰師兄文件）。路徑規(guī)劃采用吸塵機器人的 路徑規(guī)劃方法。8遙控功能結合吸塵機器人進行設計，功能有：1）前、后、左、右運動2）割草：停、開；行走：停、開3）回歸充電4）電源開/關9割草方式調(diào)節(jié)根據(jù)草的長度，對割草速度和行走速度的自適應調(diào)節(jié)（待討論）1）參考吸塵機器人，設計不同的割草模式，如往復前進式、螺旋式等10安全保護1、若工作中發(fā)生割草刀片因為草屑而卡死、鎖緊時，要及時切斷電源，防止電機及驅(qū)動電 路被燒毀。2、超負荷保護：負荷重（我們的理解是因草過長或過于濃密，割刀無法割動）時到退后前 進，超負荷自動停機