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1、割草机器人调研国外研究状况在欧美国家，城市中有大量的公园草坪、足球场草坪、高尔夫球场草坪等公共绿地以 及一般家庭绿地需要进行维护。为降低草坪维护作业的劳动强度，1997年，OPEI年会上第一次提出了智能割草机器人（Intelligent Robot Mower ）的概念。目前，国外市场上已经有了多款割草机器人产品。以色列 Friendly Machines公司设计 的Friendly Robomow（见图1）是世界上第一批走进家庭和市场的割草机器人也是目前市场 化最成功的智能割草机器人产品之一。此外，还有意大利Zucchetti 公司生产的 Robo-Lawnmower（见图2,爬坡的坡度为2
2、7=30'）,其中型号为Line 300的机器人具有下 雨时，自动回归充电站的功能；瑞典 Electrolux 公司生产的 Husqvarna Auto Mower （见图 3）,该机器人驱动轮直径较大，有很强的爬坡能力，最大爬坡角度为35” ；比利时Belrobotics 公司生产的适用于大、中型草坪维护的Bigmow （见图4）。据国据报道，2007年2月，大学研发成功了割草机器人"kakamower”并准备于今年投入市场，预期售价为460美元左右。以及在今年3月，昆山市金联塑料制品与大学联合研发 成功了割草机器人。国从事割草机器人研究的还有理工大学、大学等。图 1 Fr
3、iendly RL850图 2 Robo-Lawnmower图 4 Bigmow图 3 Auto Mower卜表列出了各种割草机器人的参数指标和价格。表1各种品牌割草机器人参数指标及价格比较型号生广J商(kg)外形尺寸 (cm)驱动电源割刀功率(w)割草宽 度(cm)连续 工作 时间 (h)工作面积(m2)价格Robomow (RL 850)FriendlyMachines (以 色列)2289*65*31.524v,17Ah*2 铅酸电瓶150*3割刀 5800r/min532.53500$1199.95Robo-Lawnmower(Line50 )Zucchetti(;)41*19*36锂
4、/铅酸电 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(比利时)48120*120*5024v,15Ah银铭电池24v,3200r/min*5害U 刀10020000$12799MORO理工大学5080*51*405000r/min待设计机器人锂/馍电池24v,6070w,3500
5、r/min2523最大1500 实际建议<500二割草机器人技术分析1结构设计设计要求：割草宽度：25 cm,割草高度：2-7cm （割刀距地面距离可调节）按功能分割草机器人的机械结构可分为驱动机械结构和割草机械结构。1驱动机械结构现有的割草机器人大多采用轮式机构驱动（也有采用履带驱动，很少） 。常见的轮 式结构为三轮（2个驱动轮，1个导向轮，如 RobomoW和四轮（2个驱动轮，2个导向 轮，如Electrolux Husqvama Auto Mower） 。三轮方式结构简单，能满足一般要求。四 轮方式稳定性好、承载能力较大、结构相对复杂。2割草机械结构1）刀片：刀片的设计直接影响割草
6、机器人的性能，须考虑割草刀片在高速旋转时所产 生气流的流场；分析刀片在运行时的模态、不平衡离心力和动态响应等参数。2）割草高度调节机构：现有的割草机器人为手动调节。RobomoW!过调整前端万向轮、车身相对后端驱动轮的高度来调整割草高度。伊莱克斯的Auto mower通过调整割刀的高度来实现割草高度的调节。3）出草通道设计：防止草屑的堵塞。4）散热机构设计：由于刀片处于高速旋转的状态，有较大的发热量，因而所设计的结 构须有良好的散热性。5）割草宽度：可设计并列的双割刀，横向宽度为 25cm. o6）增加收集碎草功能（待讨论），RobomoWU草机器人是将草剪碎至3mm作为天然肥料留在草坪上。2
7、驱动系统1割刀电机选型直流电机额定电压：24V功率：60-70W转速：3500车t/分±10%2行走电机选型行走电机（可参照吸尘机器人）较强的爬坡能力，30度（行走电机功率要求较高）3工作空间，时间围设计要求：最大割草面积：1500 m：建议围500m2 ,额定工作时间：120-180 min1）通过减轻重量，非割草状态下割草电机转速减缓等实现低功耗2）大容量电池3）选择合适的行走速度，使相同能耗下割草的效率最高。4）工作面积超过建议的 500m2时，设计多个充电站。如以 500 m2为1个单位，当面积为 1500 m 2可以设计3个充电站。4充电器选型（外包）INPUT:100-2
8、40V , AC 1500mA , 50/60HzOUTPUITDC 29.4V 2-2.5A充电时间：180min锂电（或馍氢）：8Ah5传感系统避障方案：超声波传感器、红外传感器及碰撞传感器雨天自动感知，并避雨方案1：湿度传感器原理：利用雨天湿度大的特点来检测。存在问题：是否能够准确地区别出雾天和小雨天。表2湿度传感器参数RdQ，丁!型号西博臣CHTM-01系列温湿度传感器模块输出A型：03V B型：01V敏感元件（湿度）高分子湿敏电容“ HS1101'供电5V± 5%耗电电流5mA max.(2mA avg.)工作围温度060C湿度10% 95%RHU 下储存条件温度-
9、2070c湿度95%RH以下精度（湿度）±5%RH（在25 C,输入电压=5V）方案2:雨水传感器原理：当雨水滴落在传感器电路板上时，产生触发信号。为克服易触发的缺点，应将传感器 封闭好，只留有一小孔让雨水可以滴落在传感器电路板上。存在问题：1、易触发，不确定是否可以避免因露水引起的触发；2、在避雨后，须用户将传感器电路板擦干。方案3:雨量传感器原理：如图5所示的雨水收集装置，当装置中的雨水满到触发线时，便会产生触发信号。该方法可有效克服方案 2中易触发的缺点。存在问题：避雨后，如何将水排空。图5雨量传感器检测原理示意图防跌落：前视传感器，可参照吸尘机器人设计（该功能待讨论）感知小动
10、物，并进行驱赶方案：人体热释传感器原理：人体热释传感器是一种检测人或动物身体发射的红外线而输出电信号的传感器，其原理是利用热释电效应。 热释电效应同压电效应类似， 是指由于温度的变化而引起的晶体表面 荷电的现象。热释电传感器是对温度敏感的传感器，由瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测围温度有变化时， 热释电效应会在两个电极上产生电荷， 即在两电极之间产生微弱的电压。由于它的输出阻抗极高， 在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷会被空气中的离子所结合而消失，即当环境温度稳定不变时，传感器无输出。当人体进入检测区，因人体温度与环境温度有差别，产生温
11、度变化， 则产生输出信号。当人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出。所以该 类型传感器用于检测人体或动物的活动情况。当探测到动物后，采用黄色闪烁警示灯、 蜂鸣声进行驱赶。存在问题：对人和动物都将产生报警（设计一按钮可手动解除报警）表3人体热释传感器参数工作电压35V静态电流50uA工作温度070：C电平输出4V无信号输出0.4V感应角度110度外形尺寸28mm*36mm模块重量约25g价格33元6自动回归充电万案:图6边界线检测传感器布置在割草机器人的前端并排安装两个用于边界线检测的传感器。工作时，当割草机器人的剩余电量低于我们的设定电量值时，机器人便要自动回归充电。 机器人采
12、用循迹回归的方法，按第一次检测到边界线时的状态可分为下述的三种情况。情况一：当机器人行走的方向与边界线呈锐角时，左侧的传感器首先检测到信号，随后右侧的传感器也检测到信号。然后走过一段距离，机器人顺时针旋转（见图7 B）。当转过一定角度，右侧的传感器再次检测到信号时，机器人便处于“骑线”状态。接下来，机器人便只要循线 行走即可。循线的方法是，当左侧的传感器检测到信号时，机器人便向左偏转；右侧的传感 器检测到信号时，机器人便向右偏转。(A)(B)(C)图7情况1情况二：机器人以与边界线垂直的方向朝边界线前进。 这时，前端的两个传感器同时检测到信号。 然后当机器人走过一段距离后，顺时针偏转（见图 8
13、 B）。当右侧的传感器再次检测到信号 时，机器人便处于了 “骑线”的状态。循线的方法与情况一相同。(A)(B)(C)图8情况2情况三：当机器人行走的方向与边界线呈钝角时，右侧的传感器首先检测到信号，随后左侧的传感器也检测到信号。然后走过一段距离，机器人顺时针旋转（见图9 B）。当转过一定角度，右侧的传感器再次检测到信号时，机器人便处于“骑线”状态。循线的方法与情况一相同。7路径规划及边界控制方案：边界控制采用 HMC100微场传感器（见杰师兄文件）。路径规划采用吸尘机器人的路 径规划方法。8遥控功能结合吸尘机器人进行设计，功能有：1）前、后、左、右运动2）割草：停、开；行走：停、开3）回归充电
14、4）电源开/关9割草方式调节根据草的长度，对割草速度和行走速度的自适应调节（待讨论）1）参考吸尘机器人，设计不同的割草模式，如往复前进式、螺旋式等10安全保护1、若工作中发生割草刀片因为草屑而卡死、锁紧时，要及时切断电源，防止电机及驱动电 路被烧毁。2、超负荷保护：负荷重（我们的理解是因草过长或过于浓密，割刀无法割动）时到退后前进，超负荷自动停机-到退-开机（在单位时间 3次超负荷回到充电站）。三割草机器人控制系统模块划分割草机器人的控制系统按功能可以划分为下述的几个模块：1电源模块2 MCU3电机驱动模块（包括行走电机的驱动和割草电机的驱动）4传感系统信号处理模块传感系统信号处理模块包括各传感器的驱动；传感器信号的预处理（将复杂的环境变量转化为相对简洁的反馈信号传递给电机控制单元）；充电器检测。5人机交互模块（液晶显示）6遥控信号的发射、接收模块