多功能智能割草机设计.pdf

多功能智能割草机设计张旭东，罗安江，周安仲，谢欣兵，戴吉懿，李英扬（江苏理工学院，江苏 常州 ）摘要：针对传统的发动机驱动割草机存在环保性能差、转向不灵活、人机交互和智能互联水平低、应用场景限制较大、工作效率低等问题，提出了一款可全自动化操作、能实现自动避障和智能报警的新型智能割草机的设计。主要包括外型机械设计、自动避障功能设计、智能报警功能设计、自适应坡道割草功能设计、驱动方案设计以及整体控制逻辑的设计。将传统割草机械与智能控制技术以及自动化技术相融合，探究未来农业机械可能的发展方向。关键词：智能割草机；自动避障；智能报警中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；自动化和智能化已成为目前的发展趋势，社会各个领域都在飞速地发展并落实国家出台的各项推动自动化和智能化政策。在农业生产领域，智能化信息技术与农业设施设备相结合，可以促进农业生产。割草机作为应用广泛的传统农业机械，必然将在智慧农业的浪潮下不断地迭代升级，逐步实现自动化、智能化。割草机市场需求背景割草机起源于 世纪初，世界第一台割草机 和第一个割草机专利 均来自英国。随后不断发展，直至 世纪初伦敦恩斯制造出了内燃机驱动的滚筒式割草机，其原理一直延用至今。年首次推出了电池驱动的自行式割草机，在 年太阳能割草机也开始出现并发展。目前，德国公司 研发的 智能割草机 已经实现了部分智能化功能。该割草机运用了 技术将割草精度大大提升，这种基于人工智能的技术可以深度学习并绘制地图以适应工作环境，同时通过蓝牙连接在 智能应用程序上创建可访问的地图，使用户能够自主确定割草范围并实时跟踪 智能割草机的位置。从国内市场来看，我国对于牧草收获机械的研发起步较晚，从 年才开始研制畜力割草机，型式也主要是往复式。近几年，国内在大力支持发展畜牧业的政策环境下，牧草收获机械的研制速度加快，目前市场上也出现了智能割草机产品 ，包括九号公司旗下的赛格威推出的赛格威智能割草机以及科沃斯智能割草机 等。但相较于欧美等国，我国目前的草坪业市场仍有很大的发展空间。根据 年度全国草种供需分析报告 ，近年来各类草种的应用场景不断丰富，草种需求空间进一步扩大，结合当前全国草种生产现状，预计未来全国草种供需将呈现草种需求量总体呈上升、草种产量收稿日期：基金项目：大学生创新创业项目（）。第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ，逐步增长但草种供不应求状态仍将长期存在、草种进口量呈现持续稳定的状态或逐渐下降这三大趋势。年草坪草种总需求量预计在 万吨左右，但我国每年有 万吨的草种市场潜力 。由此可见相应的智能割草机市场仍有广阔的市场，未来将有越来越多的企业入场发展。全球割草机市场飞速发展，据统计，年全球割草机市场规模为 亿美元，预计从 年到 年，年均复合增长率将达到 ，到 年全球割草机市场规模将达到 亿美元，市场前景广阔。其中 年全球智能割草机器市场年出货量已达近 万台，市场规模近 亿美元。年复合增长率近 ，增长速度惊人 。这证明智能割草机有着广阔的市场空间和光明的发展前景。本方案设计的智能割草机采用单片机为控制平台，实现各项功能。整体重量为 ，车轮直径为 ，设计行驶速度为 。采用两轮毂电机后轮驱动的动力布置方案。机械设计方案 结构设计图 为本文采用的智能电动割草机总体设计方案简图，主要由割草机刀具、整机控制器、前轮、右后驱动轮、右后驱动电机、左后驱动轮、左后驱动电机、左后驱动轮、动力电池等组成。其中割草机刀具包括动刀片、定刀片、电动升降系统、导轮等。定刀片 动刀片驱动电机 前右轮 整车控制器 右后驱动轮 右后轮驱动电机 动力电池 左后轮驱动电机 左后驱动轮 左前轮 电动升降机构 导轮 动刀片图 整体结构简图 刀具结构设计本设计采用往复式刀具设计，依靠刀片的往复运动实现切割，属于有支承切割。其结构如图 所示。往复式刀具的传动机构主要由曲柄连杆机构、摆环机构和行星齿轮机构组成。其结构特点是惯性力不易平衡，但由于其结构简单、性能稳定、适应性强，已成为收割机械中应用最广泛的切割器。动刀 定刀 曲柄连杆 电机图 往复式刀具结构 刀具受力分析罗新文等 发明了一款割草机。经计算发现，此割草机各项数据合理。研究发现，此割草机能够满足各项指标要求。刀盘最大应力值小于材料的屈服强度，且应力集中部位与应变较大部位基本吻合，最大应变值与位移最大值均符合实验要求，其干扰频率远小于前 阶模态振频，由此验证了本方案设计的合理性，如图 所示。图 切应力简化分析图 刀具切应力与所受切割力成正比，与切割面积成反比。求切应力的最大值时，动刀与定刀在完全重合附近，同时，也取得最大值。两齿之间面积近似为一个等腰三角形，设两腰长度为 ，两腰夹角为 ，夹角 对边为 ，总长为 。两齿之间面积计算公式为 （）对边长计算公式为 槡（）割草机所容纳最大割草面积计算公式为总 槡（）牧草截面为圆形，半径为 ，则计算公式为（）张旭东等：多功能智能割草机设计设一根牧草所能承受最大切应力为 ，当牧草充满割草机间隙时，牧草所需最大切应力计算公式为 总 槡（）刀具对牧草切割力计算公式为 总 （）（）机器工作时理论上切割牧草所需最大合力（不考虑压缩）计算公式为 （）理论上所需最大功率计算公式为（）考虑到割草时存在残渣、汁液等增大机器摩擦力及出现强度较大的草本植物时，额定功率计算公式为额 （）整体控制框架智能割草机中采用了超声波模块、舵机、轮速传感器、光电传感器。超声波模块起到检测前方状况，实现避障的主要信号反馈作用。舵机模块使超声波模块实现更广的检测范围。轮速传感器用于实时获得车轮转速，对车辆行驶状态进行判断与车速调整。光电传感器用于反馈刀头与地面的距离作为监测刀头升降和智能割草机上下坡的辅助信号，以便控制需要。主控制单元先对各模块的信号进行分析处理再对割草机驱动模块、刀头升降电机、刀头电机等执行器进行相应的控制，实现割草机的智能控制，如图 所示。图 整体控制逻辑图 功能设计 自动避障功能设计如图 所示，当智能割草机通过超声波传感器感知到前方与割草机的距离为 时，单片机控制舵机使超声波传感器左右各转动 ，在此期间超声波传感器进行多次测量，单片机对信号进行处理，在超声波检测的 转角内测得距离相差在预设范围内认定为坡度。如在 转角内测得距离相差较图 自动避障工作流程图 大，超出预设则认为有障碍物，此时需要通过左右两侧驱动电机转速差及转动方向实现转向，再通过超声波检测，修正方向实现障碍物的避让。同时，在机械结构上本方案在刀具部分采用了导轮和铰支座的设计如图 所示。使割草机在遇到微小凸起和小型障碍时有一定的自由摆动空间，能一定程度上防止刀具损坏。电动滑块 铰接支座 连接杆 导轮图 刀具连接处的结构简图 智能报警功能设计通过轮速传感器、光电传感器、超声波传感器的综合检测可以判断割草机是否正常工作。当判断割拖拉机与农用运输车第 期 年 月草机处于非正常工况时，单片机立即控制刀头电机与驱动电机停止运作。通过 模块发送相应报错代码，同时通过单片机中存储的转向信息与轮速信息反馈割草机所在地理位置。当单片机控制刀头升降电机进行升降，光电传感器信号与预期的升降信号不一致时，认为刀头升降被卡住无法正常工作报错 。在正常行驶状态下无转向及停车信号，当轮速传感器从一个较高值急速下降到一个较低值或轮速传感器突变为零时，认为割草机碰撞障碍物或受到外力影响报错 。在正常行驶状态无转向信号下，超声波传感器与前方距离结合两驱动轮轮速传感器测得两车轮轮速差超过设定阈值或有其中一个轮速缓慢降低至，认为割草机可能遇到打滑或陷坑等情况。单片机控制刀头驱动电机停止并控制刀头升降电机将刀头升高。使驱动轮电机反转倒退脱困，在倒退时轮速传感器结合超声波传感器判断割草机是否成功脱困，若认定无法脱困报错 。自适应坡道割草功能设计当智能割草机在平坦路面工作时（见图 ），利用超声波传感器进行道路检测，传感器随舵机转动可以实现以当前行驶方向为中心左右各 的检测范围。当检测到前方的坡道时，以最低行驶速度 行驶，同时光电传感器开始检测距地面高度。当检测到距地面高度降低达到 时，控制升降系统开始上升，始终保持光电传感器测量距离等于预设距离，从而实现智能割草机在通过斜坡时将斜坡上的草切割。光电传感器 电动升降机构 超声波传感器图 自适应坡道割草示意图 电机参数智能割草机行驶电机采用两台 直流无刷电动机，具体参数见表 。表 电机具体参数 参数名称值电压 空载电流 空载转速（）额定功率 额定电流 额定转速（）额定力矩（）防护等级 减速比 输出轴转速（）允许力矩（）电机重量 加速器 不同工况的受力分析智能割草机在行驶过程中其驱动力与行驶阻力的关系计算公式为 （）式中，为割草机所受的驱动力；为行驶时受到的滚动阻力，它是智能割草机在行驶过程中车轮滚动时轮胎与路面的接触区域产生法向、切向的作用力；为空气阻力，是智能割草机在行驶过程中受到的空气作用力在行驶方向上的分力；为智能割草机上坡行驶时智能割草机所受重力沿坡道的分力；为智能割草机加速行驶时需要克服的本身质量加速运动时的惯性力。智能割草机的行驶工况主要包括平坦路面行驶和坡道行驶。平坦路面行驶时的受力分析当智能割草机在平坦路面行驶时，如图 所示。坡道阻力 为。由于智能割草机的运行工况主要为匀速直线行驶，加速阻力 可忽略不计。空气阻力计算公式为 （）其中 为空气阻力系数，约为 ，取 计算。为割草机行驶方向的投影面积，本方案割草机值为 。空气密度 一般取 。主要考虑无风行驶工况，故 为智能割草机的行驶速度，智能割草机的设计平均行驶速度为 。故本设计中智能割草机在平坦路面行驶时的空气中阻力 。滚动阻力计算公式为 （）为车轮负荷，轴距 ，重力 。为滚动阻力系数，草坪的滚动阻力系数取 。张旭东等：多功能智能割草机设计经计算滚动阻力 。在当前工况下驱动力等于空气阻力与滚动阻力之和，计算得 。轮组所受阻力为 计算公式为 （）为附着力系数，在本方案的应用场景中以 进行计算，。轮毂电机输出的总力矩大小计算公式为（）式中，车轮半径 ，本设计采用双轮毂电机驱动，从而求得单个轮毂电机输出力矩 为 。由此计算出单个轮毂电机额定功率计算公式为 （）为转速。在设计方案中，智能割草机行驶速度范围为 ，则计算出转速范围为 ，额定功率 。图 平坦路面行驶受力图 坡道行驶时的受力分析当智能割草机在坡道上行驶时，如图 所示。以 斜坡为假象工况，以单个驱动轮为作用对象进行受力分析。计算公式为 （）计算出单个轮受到的滚动阻力为 。坡道行驶时行驶速度较低，空气阻力可忽略不计。坡道阻力计算公式为 （）结果为 。忽略加速阻力。则上坡时单个轮所受驱动力 为 ，计算轮毂电机输出力矩计算公式为 （）从而计算出输出功率 。图 坡道行驶受力图 结束语本文提出了一种基于单片机控制平台的智能割草机设计方案，简单说明了整体机械方案，并对刀具进行了强度校核。分析了不同行驶工况的受力情况。阐述了自动避障、智能报警以及自适应坡道割草功能的工作原理，确定了相应的控制逻辑以及所需硬件的参数，提供了一种未来割草机智能化、自动化的可行方案。参考文献：，：（），：（）：（）张河宁，于涛，段馨蕊，等 无人割草机关键技术发展综述 中小企业管理与科技，（）：国家林草局国有林场和种苗管理司 年度全国草种供需分析报告 （）：喻波 智能割草机器人市场调研 科技创新与应用，（）：共研产业咨询 年国内割草机行业发展概述及趋势前景分析 （）：罗新文，杨陆强，陈钊，等 杂交狼尾草切铡机的设计 农机化研究，（）：（编辑张晓超檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐）欢 迎 订 阅欢 迎 投 稿拖拉机与农用运输车第 期 年 月