無人割草車的電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙洪雷， 江 磊， 何亞麗， 韓相博， 張玉海， 謝 強(qiáng)

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，人力成本越來越高，為了解決勞動(dòng)力短缺的問題，在人們的生產(chǎn)和生活中，用機(jī)器取代人是大勢所趨，也是我國人口老齡化越來越嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)國情下的必然選擇.在草坪綠化領(lǐng)域，采用無人割草車取代傳統(tǒng)的手動(dòng)割草機(jī)[1]，解決了傳統(tǒng)手動(dòng)割草機(jī)的工作效率低、存在安全隱患等問題[2].

本研究針對機(jī)場的草坪修理工作設(shè)計(jì)了無人割草車，這里主要介紹它的電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體包括能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)要求

1)總體任務(wù)需求.

需要割草的草坪面積大概為1 km2，是一個(gè)比較平坦的長條形的連續(xù)區(qū)域，按照當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，在夏天草木生長茂盛的季節(jié)，要求1臺(tái)割草車每半個(gè)月要完成一次全區(qū)域割草作業(yè).

2)任務(wù)需求分解.

需要割草的總面積為1 km2，按照半個(gè)月完成一次全區(qū)域的割草作業(yè)，則每天需要割草的面積為1000×1000÷15=66666.7 m2，夏天的工作時(shí)間可以達(dá)到14 h(6∶00～20∶00)，所以割草車每小時(shí)需要割草的面積為66666.7/14=4762 m2.

以上任務(wù)需求對車輛的要求如下：

(1)車輛具備長時(shí)間(14 h)連續(xù)工作的性能，所以采用柴油發(fā)電機(jī)作為整車的能量來源；

(2)車輛具備割草的高效性.車輛作業(yè)時(shí)的行使速度為5 km/h，割草機(jī)構(gòu)的有效作業(yè)寬度為2 m，則每小時(shí)作業(yè)過的面積為10 000 m2，為了實(shí)現(xiàn)割草區(qū)域的連續(xù)和不間斷，將割草機(jī)來回直線行走間的距離調(diào)整為割草機(jī)構(gòu)寬度的一半，以獲得50%的余量來確保100%的覆蓋[3]，此時(shí)有效作業(yè)面積為10000×50%=5000 m2.在自主系統(tǒng)控制的割草作業(yè)的重疊覆蓋率不大于50%的條件下，能夠滿足每小時(shí)有效作業(yè)面積大于4 762 m2的要求.

2 能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人割草車的工作流程為：非工作狀態(tài)時(shí)，停留在車庫里.需要工作時(shí)，首先用蓄電池組的能量驅(qū)動(dòng)車輛行駛一段距離后進(jìn)入草地，然后啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)，用柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電的一部分用于驅(qū)動(dòng)割草機(jī)構(gòu)工作，另一部分交流電通過電壓變換模塊轉(zhuǎn)換為直流電，給蓄電池組充電，蓄電池組給車輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、轉(zhuǎn)向電機(jī)和其它用電設(shè)備供電，維持車輛的運(yùn)行.當(dāng)車輛割草作業(yè)結(jié)束時(shí)，關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)，用蓄電池組的能量驅(qū)動(dòng)車輛返回車庫.在這個(gè)工作過程中，能量的最終來源是柴油發(fā)電機(jī)，無人割草車從車庫行駛到草地和從草地行駛到車庫的過程中需要使用蓄電池組的能量(供電).無人割草車能源系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 無人割草車能源系統(tǒng)框圖

該無人割草車采用蓄電池組進(jìn)行驅(qū)動(dòng)是為了環(huán)保和靜音，采用柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電是為了延長該車輛的作業(yè)時(shí)間.如圖1所示，該車的能量的最終來源是程控的AC220V發(fā)電機(jī)，它將柴油所蘊(yùn)含的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為AC220V的電能，該交流電有兩個(gè)用途，一個(gè)用途是通過電控的交流接觸器后給3個(gè)交流割草電機(jī)控制器供電，從而驅(qū)動(dòng)割草電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，執(zhí)行割草動(dòng)作，完成割草車的作業(yè)任務(wù).另一個(gè)用途是經(jīng)過AC220V/DC72V模塊把交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的72V直流電，給72V鉛酸蓄電池組充電.72V的鉛酸電池組兩極之間連接一個(gè)數(shù)字電壓表，能夠隨時(shí)監(jiān)測電池組的電壓值，從而能夠?qū)﹄姵亟M的能量狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和估計(jì)，從而利于上層控制器對整車進(jìn)行決策控制.72V蓄電池組的能量輸出有兩個(gè)去處，一個(gè)是通過手動(dòng)直流接觸器后經(jīng)過電壓變換模塊給低壓控制設(shè)備供電，另一個(gè)是通過電控直流接觸器后給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電.具體為：通過手動(dòng)直流接觸器的72V電源又可以細(xì)分為3個(gè)去向.1)通過72V/48V的DC/DC模塊后，變換為48V的直流電，給前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器、后輪轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器、制動(dòng)電機(jī)控制器供電，最終將能量傳遞到車輛的前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)、后輪轉(zhuǎn)向電機(jī)、制動(dòng)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了車輛前輪轉(zhuǎn)向、后輪轉(zhuǎn)向、車輛制動(dòng)的能量供給.2)通過72V/24V的DC/DC模塊后，變換為24V的直流電，給主控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集板、油量傳感器、CAN繼電器模塊組、CAN數(shù)據(jù)記錄儀等設(shè)備供電，數(shù)據(jù)采集板上能夠把24V電源變換為5V電源，從而為雨量傳感器、碰撞傳感器、急停開關(guān)等器件供電.3)通過72V/12V的DC/DC模塊后，變換為12V的直流電，給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、數(shù)傳電臺(tái)、天線、可見光攝像機(jī)、4線激光雷達(dá)、慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、遙控開關(guān)模塊、紅外攝像機(jī)等設(shè)備供電.通過電控直流接觸器的72V電源，給左前輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、左中輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、左后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、右前輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、右中輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、右后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器供電，從而為車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能量.

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人割草車根據(jù)任務(wù)要求，其電氣系統(tǒng)可以劃分為以下幾個(gè)系統(tǒng)：行走控制系統(tǒng)(包括驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng))、作業(yè)系統(tǒng)(包括割草電機(jī)及其控制系統(tǒng))、感知規(guī)劃決策系統(tǒng)(包括傳感器感知、路徑規(guī)劃和智能決策系統(tǒng))、能源控制系統(tǒng)(包括發(fā)電機(jī)的程序控制、蓄電池組的能量監(jiān)測和管理、用電設(shè)備根據(jù)需要自動(dòng)開啟和關(guān)閉等)、輔助系統(tǒng)(車燈、警燈、喇叭、遙控開關(guān)、急停開關(guān)等)、操控系統(tǒng)(近程遙控、遠(yuǎn)程遙控、自主行駛).無人割草車電氣系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖2 無人割草車電氣系統(tǒng)框圖

1)行走控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).

主控計(jì)算機(jī)上擁有兩條獨(dú)立的CAN總線，CAN1連接6個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制器，主控計(jì)算機(jī)通過在CAN1上發(fā)送CAN指令來分別控制車輛的6個(gè)輪子運(yùn)轉(zhuǎn)在不同的速度和力矩模式下，從而實(shí)現(xiàn)對車輛的驅(qū)動(dòng)控制.CAN2上連接前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器、后輪轉(zhuǎn)向電機(jī)控制器、制動(dòng)電機(jī)控制器，主控計(jì)算機(jī)通過在CAN2上發(fā)送CAN指令來控制車輪的轉(zhuǎn)向角度和制動(dòng)力矩，從而控制車輛的轉(zhuǎn)向和制動(dòng).

2)作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).

主控計(jì)算機(jī)通過在CAN2總線上發(fā)送CAN指令來控制CAN繼電器模塊組，通過該模塊組來控制電控交流接觸器的通斷，從而控制3個(gè)割草電機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對割草作業(yè)的程序控制.

3)感知規(guī)劃決策系統(tǒng)設(shè)計(jì).

導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接收慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)、紅外攝像機(jī)、可見光攝像機(jī)、4線激光雷達(dá)的傳感器信息，從而判斷車輛自身所處位置、航向、周圍障礙物等信息.同時(shí)通過數(shù)傳電臺(tái)與遠(yuǎn)程操控端進(jìn)行交互，獲知遠(yuǎn)程的操控意圖，通過綜合決策判斷，做出車輛的運(yùn)動(dòng)與否、作業(yè)與否的決策，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)下發(fā)給主控計(jì)算機(jī).

4)能源的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).

主控計(jì)算機(jī)通過CAN2總線上的數(shù)據(jù)采集板采集電池組的電壓信息和油量傳感器的信息，從而判斷車輛的能量狀態(tài)，通過CAN繼電器模塊組控制發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)與停止、割草電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)與停止等來實(shí)現(xiàn)在滿足任務(wù)要求的情況下的能量的最優(yōu)化利用.

5)輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì).

為了增加車輛行駛的安全性，車上配備了前大燈、警燈、喇叭等設(shè)備.主控計(jì)算機(jī)通過CAN2總線控制CAN繼電器模塊組[4]，從而能夠控制前大燈、警燈、喇叭等設(shè)備是否工作.車上還配備了CAN數(shù)據(jù)記錄儀，用于記錄總線數(shù)據(jù)，便于在車輛出現(xiàn)問題后查找原因.

6)操控系統(tǒng)設(shè)計(jì).

該無人割草車的操控有3種方式.正常工作模式是自主工作模式.在自主工作模式下，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)根據(jù)采集到的傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合任務(wù)需求，自主規(guī)劃決策，發(fā)送指令給主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)通過兩條獨(dú)立的CAN總線來控制車輛的驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、作業(yè)、能源、輔助等系統(tǒng)按照要求動(dòng)作.車輛動(dòng)作后，傳感器的數(shù)據(jù)會(huì)隨著環(huán)境的變化而相應(yīng)改變，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)也會(huì)根據(jù)新的傳感器數(shù)據(jù)而重新自主規(guī)劃決策，從而發(fā)送新的指令給主控計(jì)算機(jī).此過程循環(huán)往復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)了車輛的自主工作.在自主工作模式下，遠(yuǎn)程操控臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)顯示通過數(shù)傳電臺(tái)傳回的車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)和周圍的傳感器信息，人員可以在操控臺(tái)上遠(yuǎn)程監(jiān)視車輛的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)車輛出現(xiàn)異常時(shí)，可以通過操控連接到操控臺(tái)上的操控裝置來接管自主工作模式，由人根據(jù)操控臺(tái)上的視頻圖像信息來控制車輛的動(dòng)作.遠(yuǎn)程操控臺(tái)的有效操控距離是3 km，能夠滿足使用要求.人的遠(yuǎn)程操控優(yōu)先級高于自主工作模式，保證了更好的安全性.車輛附近還有一個(gè)無線遙控手柄，用來對車輛進(jìn)行近程操控，它的有效操控距離是30 m，它的優(yōu)先級高于自主和遙控，在緊急情況下能夠?qū)崿F(xiàn)對車輛的最高優(yōu)先級的操控.

4 試 驗(yàn)

如圖3所示.該車輛在南方某農(nóng)村松軟的麥田里進(jìn)行了連續(xù)10 h的割麥茬試驗(yàn)(麥子被收割機(jī)收割完后留下了大概30 cm高度的麥茬)，環(huán)境溫度20～35 ℃，陽光直射.在這個(gè)過程中主要測試了以下性能：

1)車輛的割麥茬效果.

車輛的割草機(jī)構(gòu)距離地面高度為10 cm左右，因地面松軟，車輛有一定的沉陷，實(shí)際割麥茬的效果為距地面7～8 cm.車輛走過之后，能夠把割草機(jī)構(gòu)覆蓋的區(qū)域的麥茬全部割掉.

2)車輛的平均速度.

車輛在直線行駛時(shí)的速度設(shè)定為6 km/h.在車輛轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，自主系統(tǒng)會(huì)控制車輛適當(dāng)降低速度.全程平均下來，平均速度大概為5.6 km/h.滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)5 km/h的要求.

3)車輛的連續(xù)工作性能.

車輛從8∶00開始試驗(yàn)，連續(xù)工作到18∶00直到燃盡25 L油箱的燃油為止，車輛工作一切正常.因給車輛加油可以控制在10 min以內(nèi)完成，所以車輛滿足連續(xù)工作的性能要求.

4)車輛自主割草的區(qū)域覆蓋性能.

選擇了1塊100 m×100 m左右的方形區(qū)域，進(jìn)行了割草車的自主行駛割草作業(yè)測試，驗(yàn)證是否會(huì)出現(xiàn)遺漏的作業(yè)區(qū)域.通過查看操控臺(tái)上的參數(shù)，能夠看到自主系統(tǒng)的定位誤差小于0.3 m.按照設(shè)計(jì)(將割草機(jī)來回直線行走間的距離調(diào)整為割草機(jī)構(gòu)寬度的一半，也就是1 m)，理論上只要自主系統(tǒng)的定位誤差小于0.5 m就不會(huì)出現(xiàn)遺漏的作業(yè)區(qū)域.試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)確實(shí)沒有遺漏的作業(yè)區(qū)域.

5)車輛緊急停車性能.

車輛正常行駛時(shí)(車速為5 km/h)，突然按下操控臺(tái)上的急停開關(guān).車輛從按下急停開關(guān)開始到完全停下為止，剎車距離不到1 m.

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠工作在速度模式和力矩模式，滿足車輛驅(qū)動(dòng)的要求；前輪后輪同步轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能夠減少車輛的轉(zhuǎn)向半徑；制動(dòng)系統(tǒng)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)缸、推動(dòng)剎車泵的方式，能夠快速控制車輛進(jìn)入剎車狀態(tài)，正常工作時(shí)(車速為5 km/h)，剎車距離小于1 m，滿足制動(dòng)要求；車輛采用燃油作為能量來源，滿足長時(shí)間連續(xù)工作的要求；發(fā)電機(jī)系統(tǒng)采用程序控制，能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)對發(fā)電機(jī)的靈活控制；車上配備有機(jī)械急停按鈕和遙控急停按鈕，確保車輛行駛的安全；車燈、喇叭、警燈等輔助功能通過程序控制開啟和關(guān)閉的功能正常；整車實(shí)現(xiàn)了近程操控模式、完全自主模式和遠(yuǎn)程遙控模式控制；割草電機(jī)能夠有效地割草；自主系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)區(qū)域的全覆蓋，滿足設(shè)計(jì)要求.

5 結(jié)束語

按照割草作業(yè)的實(shí)際要求，進(jìn)行了無人割草車電氣系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì).在麥田里進(jìn)行了模擬割草試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該無人割草車滿足長時(shí)間連續(xù)工作的使用要求，也滿足每小時(shí)的有效作業(yè)面積大于4 762 m2的效率要求.在自主系統(tǒng)的控制下，能夠保障割草作業(yè)不會(huì)有遺漏的區(qū)域.最終能夠?qū)崿F(xiàn)在半個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，對面積約為1 km2的連續(xù)的草坪，進(jìn)行1次無遺漏區(qū)域的完整作業(yè).