割草机器人调研报告
割草机器人调研
一国内外研究状况
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27~30），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）。
据国内据报道，2007年2月，上海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有限公司与浙江大学联合研发成功了割草机器人。国内从事割草机器人研究的还有南京理工大学、江苏大学等。
图1 Friendly RL850 图2 Robo-Lawnmower
图3 Auto Mower 图4 Bigmow
下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
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通过调整前端万向轮、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.。
6）增加收集碎草功能（待讨论），Robomow割草机器人是将草剪碎至3mm，作为天然肥料留在草坪上。
2 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转/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，时间范围
设计要求：最大割草面积：1500 m2，建议范围500m2，额定工作时间：120-180 min 1）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 m2可以设计3个充电站。
4 充电器选型（外包）
INPUT：
100-240V ，AC 1500mA ，50/60Hz
OUTPUT：
DC 2-2.5A
充电时间：180min
锂电(或镍氢)：8Ah
5 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
型号西博臣CHTM-01系列温湿度传感器模块
输出A型：0~3V B型：0~1V
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.)
工作范围温度0~60℃湿度10%~ 95%RH以下储存条件温度 -20~70℃湿度 95%RH以下
精度（湿度）±5%RH（在25℃，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，由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，在元件两个表面做成电极，在传感器监测范围内温度有变化时，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
型号
CT-418
工作电压3~5V
静态电流50uA
工作温度0~70C
电平输出4V
无信号输出
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
方案：
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 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。
(A) (B) (C) (D)
图9 情况3
7 路径规划及边界控制
方案：边界控制采用HMC1001磁场传感器（见孙杰师兄文件）。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
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（在单位时间内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 MCU
3 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