割草機(jī)器人調(diào)研報(bào)告

1、割草機(jī)器人調(diào)研國外研究狀況在歐美國家，城市中有大量的公園草坪、足球場(chǎng)草坪、高爾夫球場(chǎng)草坪等公共綠地以 及一般家庭綠地需要進(jìn)行維護(hù)。為降低草坪維護(hù)作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，1997年，OPEI年會(huì)上第一次提出了智能割草機(jī)器人（Intelligent Robot Mower ）的概念。目前，國外市場(chǎng)上已經(jīng)有了多款割草機(jī)器人產(chǎn)品。以色列 Friendly Machines公司設(shè)計(jì) 的Friendly Robomow（見圖1）是世界上第一批走進(jìn)家庭和市場(chǎng)的割草機(jī)器人也是目前市場(chǎng) 化最成功的智能割草機(jī)器人產(chǎn)品之一。此外，還有意大利Zucchetti 公司生產(chǎn)的 Robo-Lawnmower（見圖2,爬坡的坡度為2

2、7=30'）,其中型號(hào)為L(zhǎng)ine 300的機(jī)器人具有下 雨時(shí)，自動(dòng)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(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪直徑較大，有很強(qiáng)的爬坡能力，最大爬坡角度為35” ；比利時(shí)Belrobotics 公司生產(chǎn)的適用于大、中型草坪維護(hù)的Bigmow （見圖4）。據(jù)國據(jù)報(bào)道，2007年2月，大學(xué)研發(fā)成功了割草機(jī)器人"kakamower”并準(zhǔn)備于今年投入市場(chǎng)，預(yù)期售價(jià)為460美元左右。以及在今年3月，昆山市金聯(lián)塑料制品與大學(xué)聯(lián)合研發(fā) 成功了割草機(jī)器人。國從事割草機(jī)器人研究的還有理工大學(xué)、大學(xué)等。圖 1 Fr

3、iendly RL850圖 2 Robo-Lawnmower圖 4 Bigmow圖 3 Auto Mower卜表列出了各種割草機(jī)器人的參數(shù)指標(biāo)和價(jià)格。表1各種品牌割草機(jī)器人參數(shù)指標(biāo)及價(jià)格比較型號(hào)生廣J商(kg)外形尺寸 (cm)驅(qū)動(dòng)電源割刀功率(w)割草寬 度(cm)連續(xù) 工作 時(shí)間 (h)工作面積(m2)價(jià)格Robomow (RL 850)FriendlyMachines (以 色列)2289*65*31.524v,17Ah*2 鉛酸電瓶150*3割刀 5800r/min532.53500$1199.95Robo-Lawnmower(Line50 )Zucchetti(;)41*19*36鋰

4、/鉛酸電 池253.5(Line 100)51*33*432925300(Line 200)57*42*262924.5300(max3000)(Line 300)65*49*285000Husqvarna Auto MowerElectrolux(瑞典)8.671*60*2618v,22Ah*12400$2299.99Bigmow(中、大型草坪)Belrobotics(比利時(shí))48120*120*5024v,15Ah銀銘電池24v,3200r/min*5害U 刀10020000$12799MORO理工大學(xué)5080*51*405000r/min待設(shè)計(jì)機(jī)器人鋰/饃電池24v,6070w,3500

5、r/min2523最大1500 實(shí)際建議<500二割草機(jī)器人技術(shù)分析1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求：割草寬度：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(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和割草機(jī)械結(jié)構(gòu)。1驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的割草機(jī)器人大多采用輪式機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)（也有采用履帶驅(qū)動(dòng)，很少） 。常見的輪 式結(jié)構(gòu)為三輪（2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，1個(gè)導(dǎo)向輪，如 RobomoW和四輪（2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，2個(gè)導(dǎo)向 輪，如Electrolux Husqvama Auto Mower） 。三輪方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能滿足一般要求。四 輪方式穩(wěn)定性好、承載能力較大、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。2割草機(jī)械結(jié)構(gòu)1）刀片：刀片的設(shè)計(jì)直接影響割草

6、機(jī)器人的性能，須考慮割草刀片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn) 生氣流的流場(chǎng)；分析刀片在運(yùn)行時(shí)的模態(tài)、不平衡離心力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等參數(shù)。2）割草高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)：現(xiàn)有的割草機(jī)器人為手動(dòng)調(diào)節(jié)。RobomoW!過調(diào)整前端萬向輪、車身相對(duì)后端驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)割草高度的調(diào)節(jié)。3）出草通道設(shè)計(jì)：防止草屑的堵塞。4）散熱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)：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(shè)計(jì)的結(jié) 構(gòu)須有良好的散熱性。5）割草寬度：可設(shè)計(jì)并列的雙割刀，橫向?qū)挾葹?25cm. o6）增加收集碎草功能（待討論），RobomoWU草機(jī)器人是將草剪碎至3mm作為天然肥料留在草坪上。2

7、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1割刀電機(jī)選型直流電機(jī)額定電壓：24V功率：60-70W轉(zhuǎn)速：3500車t/分±10%2行走電機(jī)選型行走電機(jī)（可參照吸塵機(jī)器人）較強(qiáng)的爬坡能力，30度（行走電機(jī)功率要求較高）3工作空間，時(shí)間圍設(shè)計(jì)要求：最大割草面積：1500 m：建議圍500m2 ,額定工作時(shí)間：120-180 min1）通過減輕重量，非割草狀態(tài)下割草電機(jī)轉(zhuǎn)速減緩等實(shí)現(xiàn)低功耗2）大容量電池3）選擇合適的行走速度，使相同能耗下割草的效率最高。4）工作面積超過建議的 500m2時(shí)，設(shè)計(jì)多個(gè)充電站。如以 500 m2為1個(gè)單位，當(dāng)面積為 1500 m 2可以設(shè)計(jì)3個(gè)充電站。4充電器選型（外包）INPUT:100-2

8、40V , AC 1500mA , 50/60HzOUTPUITDC 29.4V 2-2.5A充電時(shí)間：180min鋰電（或饃氫）：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(dòng)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(diǎn)來檢測(cè)。存在問題：是否能夠準(zhǔn)確地區(qū)別出霧天和小雨天。表2濕度傳感器參數(shù)RdQ，丁!型號(hào)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.)工作圍溫度060C濕度10% 95%RHU 下儲(chǔ)存條件溫度-

9、2070c濕度95%RH以下精度（濕度）±5%RH（在25 C,輸入電壓=5V）方案2:雨水傳感器原理：當(dāng)雨水滴落在傳感器電路板上時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。為克服易觸發(fā)的缺點(diǎn)，應(yīng)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(dāng)裝置中的雨水滿到觸發(fā)線時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。該方法可有效克服方案 2中易觸發(fā)的缺點(diǎn)。存在問題：避雨后，如何將水排空。圖5雨量傳感器檢測(cè)原理示意圖防跌落：前視傳感器，可參照吸塵機(jī)器人設(shè)計(jì)（該功能待討論）感知小動(dòng)

10、物，并進(jìn)行驅(qū)趕方案：人體熱釋傳感器原理：人體熱釋傳感器是一種檢測(cè)人或動(dòng)物身體發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器，其原理是利用熱釋電效應(yīng)。 熱釋電效應(yīng)同壓電效應(yīng)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(duì)溫度敏感的傳感器，由瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個(gè)表面做成電極，在傳感器監(jiān)測(cè)圍溫度有變化時(shí)， 熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)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(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷會(huì)被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，傳感器無輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生溫

11、度變化， 則產(chǎn)生輸出信號(hào)。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng)，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(cè)人體或動(dòng)物的活動(dòng)情況。當(dāng)探測(cè)到動(dòng)物后，采用黃色閃爍警示燈、 蜂鳴聲進(jìn)行驅(qū)趕。存在問題：對(duì)人和動(dòng)物都將產(chǎn)生報(bào)警（設(shè)計(jì)一按鈕可手動(dòng)解除報(bào)警）表3人體熱釋傳感器參數(shù)工作電壓35V靜態(tài)電流50uA工作溫度070：C電平輸出4V無信號(hào)輸出0.4V感應(yīng)角度110度外形尺寸28mm*36mm模塊重量約25g價(jià)格33元6自動(dòng)回歸充電萬案:圖6邊界線檢測(cè)傳感器布置在割草機(jī)器人的前端并排安裝兩個(gè)用于邊界線檢測(cè)的傳感器。工作時(shí)，當(dāng)割草機(jī)器人的剩余電量低于我們的設(shè)定電量值時(shí)，機(jī)器人便要自動(dòng)回歸充電。 機(jī)器人采

12、用循跡回歸的方法，按第一次檢測(cè)到邊界線時(shí)的狀態(tài)可分為下述的三種情況。情況一：當(dāng)機(jī)器人行走的方向與邊界線呈銳角時(shí)，左側(cè)的傳感器首先檢測(cè)到信號(hào)，隨后右側(cè)的傳感器也檢測(cè)到信號(hào)。然后走過一段距離，機(jī)器人順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（見圖7 B）。當(dāng)轉(zhuǎn)過一定角度，右側(cè)的傳感器再次檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，機(jī)器人便處于“騎線”狀態(tài)。接下來，機(jī)器人便只要循線 行走即可。循線的方法是，當(dāng)左側(cè)的傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，機(jī)器人便向左偏轉(zhuǎn)；右側(cè)的傳感 器檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，機(jī)器人便向右偏轉(zhuǎn)。(A)(B)(C)圖7情況1情況二：機(jī)器人以與邊界線垂直的方向朝邊界線前進(jìn)。 這時(shí)，前端的兩個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到信號(hào)。 然后當(dāng)機(jī)器人走過一段距離后，順時(shí)針偏轉(zhuǎn)（見圖 8

13、 B）。當(dāng)右側(cè)的傳感器再次檢測(cè)到信號(hào) 時(shí)，機(jī)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(dāng)機(jī)器人行走的方向與邊界線呈鈍角時(shí)，右側(cè)的傳感器首先檢測(cè)到信號(hào)，隨后左側(cè)的傳感器也檢測(cè)到信號(hào)。然后走過一段距離，機(jī)器人順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（見圖9 B）。當(dāng)轉(zhuǎn)過一定角度，右側(cè)的傳感器再次檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，機(jī)器人便處于“騎線”狀態(tài)。循線的方法與情況一相同。7路徑規(guī)劃及邊界控制方案：邊界控制采用 HMC100微場(chǎng)傳感器（見杰師兄文件）。路徑規(guī)劃采用吸塵機(jī)器人的路 徑規(guī)劃方法。8遙控功能結(jié)合吸塵機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，功能有：1）前、后、左、右運(yùn)動(dòng)2）割草：停、開；行走：停、開3）回歸充電4）電源開/關(guān)9割草方式調(diào)節(jié)根據(jù)草的長(zhǎng)度，對(duì)割草速度和行走速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)（待討論）1）參考吸塵機(jī)器人，設(shè)計(jì)不同的割草模式，如往復(fù)前進(jìn)式、螺旋式等10安全保護(hù)1、若工作中發(fā)生割草刀片因?yàn)椴菪级ㄋ?、鎖緊時(shí)，要及時(shí)切斷電源，防止電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電 路被燒毀。2、超負(fù)荷保護(hù)：負(fù)荷重（我們的理解是因草過長(zhǎng)或過于濃密，割刀無法割動(dòng)）時(shí)到退后前進(jìn)