油電混合動力割草機器人系統(tǒng)研究

陳壽輝 王旭 葉超 王欣欣

摘 要：介紹了一種油電混合動力割草機器人系統(tǒng)，其主要由油電混合動力底盤，導(dǎo)航系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，遙控系統(tǒng)組成;油電混合系統(tǒng)由汽油發(fā)動機、發(fā)電機、AC/DC充電模塊、電池組和電源管理模塊組成，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，可以在降低能耗的同時，提高割草效率。

一、引言

隨著我國機械自動化水平不斷提高，無論是大型農(nóng)場和小型農(nóng)田的收割與耕種，還是機場割草和大型公共領(lǐng)域的清潔，都已經(jīng)使用了有人操作的機械化裝備。然而，隨著人工成本的不斷增加，人工操作面臨的壓力越來越大，無人裝備的使用需求越來越迫切，大型割草機器人的應(yīng)用也越來越廣泛[1-2]。

二、研究內(nèi)容

本文介紹了一種油電混合動力的割草機器人，它是集環(huán)境感知、路徑規(guī)劃和行為控制等多種功能于一體的綜合機器人系統(tǒng)。該割草車使用后驅(qū)前轉(zhuǎn)向功能的車身底盤，并將割臺嵌進幾字形車身結(jié)構(gòu)中中。采用混合式油電動力方案，由汽油發(fā)動機、發(fā)電機、AC/DC充電模塊、電池組和電源管理模塊組成，如圖1所示。采用GPS—RTK導(dǎo)航設(shè)備獲取割草車精確位置、航向信息，用于路徑規(guī)劃與導(dǎo)航[3-4]。采用雷達傳感器獲取割草機周邊環(huán)境信息，用于實現(xiàn)避障功能。采用嵌入式智能控制器對整車進行控制，通過采集GPS導(dǎo)航信息、避障傳感器信息等進行路徑規(guī)劃，實現(xiàn)行走、導(dǎo)航、糾偏循跡等功能，輸出控制信號給相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)。

割草車機器人油電混合系統(tǒng)主要組成部分有汽油發(fā)動機、交流發(fā)電機、鋰電池組、智能充電機，如圖2所示。汽油發(fā)動機單獨提供割臺動力進行割草，同時帶動交流發(fā)電機產(chǎn)生交流電，發(fā)出的交流電經(jīng)過智能充電機交-直流轉(zhuǎn)換成電壓可變直流電，智能充電機可控輸出兩路直流電，一路為鋰電池組充電回路，一路為伺服電機驅(qū)動供電回路。智能充電機同時具有統(tǒng)一整個無人割草車電壓平臺作用。另外，鋰電池組為無人割草車補充動力，當(dāng)智能充電機一路提供給行走伺服驅(qū)動電機動力不足時，可提供補充動力;當(dāng)智能充電機功率富足時，鋰電池組處于浮充狀態(tài)。當(dāng)發(fā)動機未啟動或者發(fā)電機無法供電時。鋰電池組處于應(yīng)急供電狀態(tài)，保障行走電機及其他電氣設(shè)備正常供電。

三、未來發(fā)展方向

（1）引入遠程監(jiān)控系統(tǒng)。能夠在監(jiān)控站實時獲取割草機器人的工作狀態(tài)，包括位置信息，割臺高度，油量，工作時間等等;

（2）能夠多臺割草機器人協(xié)同作業(yè)。一臺監(jiān)控站可以控制多臺割草機器人，每臺機器人能夠在自己的割草區(qū)域按要求割草，互不干涉;

（3）基于4G或5G的數(shù)字通訊網(wǎng)絡(luò)割草機器人。利用現(xiàn)在的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將割草機器人接入網(wǎng)絡(luò)中，使得控制和監(jiān)控割草機器人不受地域限制[5]。

（4）進一步提高割草機器人安全性。割草機器人的安全性永遠是排在首位的，如何讓割草機器人不僅能在結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中安全運行，也要讓其在非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜環(huán)境中安全作業(yè)，尤其是處理動態(tài)障礙物的應(yīng)急能力。

參考文獻：

[1] 牧草收貨機械化裝備介紹[J].柳琪.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2018.

[2] 甘肅牧草生產(chǎn)機械化現(xiàn)狀和發(fā)展?jié)摿J].張中鋒，石林雄，張陸海.農(nóng)機科技推廣，2019.

[3] 地理信息系統(tǒng)中GPS控制測繪技術(shù)的應(yīng)用與研究[J].何曉亮.中國地名，2020

[4] 多傳感器融合的無人船定位與導(dǎo)航[B].王夢旭.西南科技大學(xué)，2020

[5] 基于嵌入式Qt技術(shù)的車輛運行狀況移動監(jiān)控終端技術(shù)研究[B].李芳芳.西安石油大學(xué)，2020