無人割草機關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述

張河寧 于濤 段馨蕊 劉磊 邱延濤 蘇宏巖

【摘 ?要】當前，無人駕駛技術(shù)的發(fā)展推動了無人割草機的完善，使其既滿足未來發(fā)展的需求，又順應(yīng)現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展趨勢。現(xiàn)階段，無人割草機實現(xiàn)了整車智能，通過加裝不同的附屬模塊可實現(xiàn)不同的作業(yè)功能，主要具有體積小、輕量化、模塊化、電驅(qū)動的優(yōu)勢，滿足環(huán)保要求，實現(xiàn)一機多用途。

【Abstract】At present， the development of unmanned driving technology promotes the improvement of unmanned lawn mower， so that it not only meets the needs of future development， but also conforms to the development trend of modern information technology. At this stage， the unmanned lawn mower has realized the whole vehicle intelligence. It can realize different operation functions by adding different auxiliary modules. It mainly has the advantages of small volume， lightweight， modularization and electric drive. It meets the requirements of environment protection and realizes one machine for multiple purposes.

【關(guān)鍵詞】割草機;無人駕駛;附屬模塊

【Keywords】lawn mower; unmanned driving; auxiliary module

【中圖分類號】TU986.3+2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2021）09-0191-03

1 引言

近年來，無人駕駛已經(jīng)得到社會各方面的關(guān)注。當前，國家利好政策的持續(xù)出臺推動了無人駕駛行業(yè)的快速發(fā)展，同時，無人割草機的逐步完善使其更好地應(yīng)用于機場跑道及其他專用場合。隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，無人割草機與自動控制技術(shù)實現(xiàn)了有效融合。

2 國外無人割草機發(fā)展現(xiàn)狀

自20世紀70年代以來，國外展開對無人割草機的研究與開發(fā)，起步較早。就第一臺收割谷物并可以割草的機器而言，由人推動機器，通過齒輪帶動旋刀割草，這就是割草機的雛形。從畜力到拖拉機配套到無人駕駛領(lǐng)域，割草機在安全性、可靠性等方面取得了重大突破。

3 國內(nèi)無人割草機發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)對于無人割草機的研究相對滯后，但也取得了一些成果，主要停留在實驗室階段：

①南京理工大學(xué)開發(fā)的MORO移動割草機器人，主要導(dǎo)航設(shè)備為驅(qū)動輪編碼器和磁航向傳感器，能自動生成無信標邊界并進行全區(qū)域覆蓋行走。適用于面積較大的草坪的割草工作。

②江蘇大學(xué)對割草機器人的設(shè)計及運動控制方面進行了一些理論研究工作，并研制了一種履帶式割草機器人，具有GPS定位導(dǎo)航的功能，介紹資料并不多。

割草機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著重要的作用。發(fā)展農(nóng)業(yè)機械化，有利于提高工作效率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。新型割草機正向著高速、節(jié)能的方向發(fā)展。

4 整車控制技術(shù)

整車控制器主要包括微處理器、能源管理系統(tǒng)、開關(guān)量采集模塊、開關(guān)量輸出模塊、BDM調(diào)試接口、電源模塊、模擬量采集模塊、模擬量輸出模塊、PWM輸出模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、無線收發(fā)模塊及北斗模塊。通過集成化設(shè)計，運用集成器件代替分立元件進行信號處理和輸出，減少電氣連接，降低整車控制器工作中產(chǎn)生的電磁干擾，提高整車抗干擾性和可靠性。

整車控制器首先采集整個車輛的各種信號，通過光電隔離的CAN總線連接動力電池BCM模塊、液壓馬達控制器、轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動器、制動電機驅(qū)動器、升降電機驅(qū)動器以及發(fā)動機等。指令和狀態(tài)信息走CAN總線通道，由執(zhí)行元件執(zhí)行相應(yīng)動作，如圖1所示。

5 液壓系統(tǒng)技術(shù)

液壓系統(tǒng)主要由液壓油箱、高壓過濾器、高壓變量泵、高壓柱塞馬達、回油過濾器、散熱器和液壓管路等組成。

通過柴油機作為動力源，為液壓系統(tǒng)提供動力。液壓系統(tǒng)分為行走液壓系統(tǒng)和割具液壓系統(tǒng)。

行走液壓系統(tǒng)采用閉式液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)油源由高壓變量泵供給，經(jīng)由高壓過濾器，到高壓柱塞馬達執(zhí)行元件，實現(xiàn)整車的前進和倒退作業(yè)。為保證長時間作業(yè)的安全性，可在液壓系統(tǒng)設(shè)置散熱器，保證液壓系統(tǒng)的油溫處于允許范圍。

6 驅(qū)動系統(tǒng)技術(shù)

后橋驅(qū)動是將柴油機的動力傳遞給液壓系統(tǒng)來驅(qū)動整車運動，如圖2所示。它由液壓馬達、減速器、差速器、左右半軸和剎車總成等組成，可實現(xiàn)半橋差速運動。同時，后橋是用來支撐車架和連接輪輞的中間裝置。剛性電驅(qū)動橋通過液壓馬達驅(qū)動減速機，傳遞到差速器、半軸到車輪，實現(xiàn)整車驅(qū)動。

剛性電驅(qū)橋同時具有制動功能（見圖3），通過安裝在半軸上的盤式制動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)整車制動。主要由制動盤、分泵、制動鉗、油管等總成。

整車制動通過伺服電機帶動機械機構(gòu)控制制動泵，形成制動壓力由油管傳遞到制動鉗，制動鉗抱死制動盤，實現(xiàn)整車制動。

盤式制動具有散熱快、重量輕、構(gòu)造簡單、調(diào)整方便的特點。盤式制動的優(yōu)勢在于高負載時耐高溫性能好，制動效果穩(wěn)定，在冬季和惡劣路況下行車，盤式制動比鼓式制動更容易在較短的時間內(nèi)停車。

7 關(guān)鍵件

無人割草機通常選用柴油機組，由柴油機、散熱器、油箱、公共底盤等部件組成，如圖4所示。柴油機飛輪與液壓泵通過聯(lián)軸器連接，與減震器共同安裝在底盤上，整個機組為一體式結(jié)構(gòu)，便于用戶使用和維護。

柴油機為四沖程、水冷、直列高速柴油機，機組配套1塊蓄電池。

①核心技術(shù)。電控高壓共軌。即由ECU電控單元、傳感器、執(zhí)行器組成的先進燃油系統(tǒng)。其中，ECU是“指揮中心”，類似電腦的CPU，通過接收傳感器數(shù)據(jù)來支配執(zhí)行器（高壓油泵、共軌管、噴油器），實現(xiàn)精準控制，使發(fā)動機達到最佳工作狀態(tài)。

②性能優(yōu)勢。無轉(zhuǎn)速波動，穩(wěn)態(tài)調(diào)速率≤0.1%;瞬間響應(yīng)快，瞬態(tài)加載能力強，瞬態(tài)調(diào)速率≤5%;能夠?qū)崿F(xiàn)遠程診斷、數(shù)據(jù)管理、快速分析問題，保證維修成功率。

③可靠性高。燃油三級濾清器系統(tǒng)，適應(yīng)各種油品狀況，總過濾效率達到99.99%，有效保護噴油器、高壓油泵等關(guān)鍵部件。進氣系統(tǒng)配備93式沙塵濾，徹底消除四配套早磨，杜絕燒機油問題。

8 能源管理系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)是整車控制器中的重要組成部分，能源管理系統(tǒng)主要對整車的能源進行控制管理，根據(jù)工作需求對車輛動力系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換裝置的輸出能量進行協(xié)調(diào)、分配和控制軟、硬件系統(tǒng)。在滿足車輛基本技術(shù)性能（如動力性）等要求的前提下，根據(jù)各能量儲存裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置的特性及車輛的運行工況，實現(xiàn)能量在能量轉(zhuǎn)換裝置（如發(fā)電機、液壓馬達、儲能裝置、動力傳遞裝置等）之間按最佳路線流動，使整車的能源利用效率達到最高。能源管理系統(tǒng)是整車車輛的能源控制的核心。

能源管理系統(tǒng)主要由傳感器、控制單元ECU和執(zhí)行元件等組成，通過對傳感器的信號進行分析處理，對能源轉(zhuǎn)換裝置的工作狀態(tài)進行優(yōu)化分析，并向執(zhí)行元件發(fā)出指令，對整車的能源進行控制管理，如圖5所示。

9 遠程控制平臺

遠程控制平臺采用模塊化設(shè)計，由多個模塊組成，各個模塊相對獨立，可以按照不同的系統(tǒng)要求進行變更和擴展，也便于維護。項目核心部件均得到各種實際應(yīng)用的檢驗，堅固可靠，適用于各種惡劣工作環(huán)境。遠程監(jiān)控平臺采用了人體工程學(xué)設(shè)計，不僅易于操作，而且為操作人員帶來舒適、方便的操作感受。

遠程控制平臺的工作原理：通常將客戶端程序安裝到主控端的電腦上，將服務(wù)器端程序安裝到被控端的電腦上。使用時客戶端程序向被控端電腦中的服務(wù)器端程序發(fā)出信號，建立一個特殊的遠程服務(wù)，然后通過這個遠程服務(wù)，使用各種遠程控制功能發(fā)送遠程控制命令，控制被控端電腦中的各種執(zhí)行元件進行響應(yīng)，完成相應(yīng)作業(yè)功能。

9.1 遠程監(jiān)控

遠程監(jiān)控的視頻顯示可以實現(xiàn)多屏拼接、分屏顯示、切換顯示等功能，如圖6所示。實時地掌握無人割草機的工作狀態(tài)。

9.2 遠程控制

遠程控制采用移動遙控操作，如圖7所示，可讓操作員在室外近距離進行移動操作，可以作為控制設(shè)備輔助操作模式。移動遙控器上的顯示屏能讓操作員及時地掌握場務(wù)無人割草機的運行狀態(tài)。

10 智能控制系統(tǒng)

智能控制系統(tǒng)就是在無人干預(yù)的情況下能夠自主地驅(qū)動機器實現(xiàn)對控制目標的自動控制。

智能控制系統(tǒng)是智能駕駛整車的大腦，主要由智能駕駛控制器、高精度定位模塊和環(huán)境感知模塊等組成，通過采集相關(guān)路況信息、高精度定位信號和感知周圍環(huán)境等，對整車路徑進行規(guī)劃，解決在特定區(qū)域內(nèi)的智能無人駕駛問題。

智能控制主要由于地形、環(huán)境和任務(wù)的復(fù)雜性，而需要每一個分層遞階的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，通過人與車輛之間的相互交流，實現(xiàn)智能控制。

11 結(jié)語

無人割草機將是未來機場割草發(fā)展的方向。隨著無人駕駛技術(shù)的成熟，無人割草機將發(fā)揮更加安全、可靠、高效的作用。減少人工割草，提高割草效率。對于較大的草坪，無人割草機的發(fā)展空間更廣闊。

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