一种智能化精密自动割草机及其控制装置.pdf

本发明提供了一种智能化精密自动割草机及其控制装置。所发明以直流蓄电池为动力源，将计算机图像处理、分布式信标定位、激光扫描位移和角度测量、超声波距离测量、无线通信和智能化轨迹运动控制有机地结合在一起，具有精密定位、自动纠偏、轨迹控制、自动防撞等功能，达到美化草坪和节能环保的目的。本发明结构精巧，制作成本低廉，界面友好、操作方便，节能环保。适合于对中、小草坪地块的精整割草。

权利要求书
1.  一种智能化精密自动割草机及其控制装置，其特征在于，包括智能化精密自动割草机机械本体和控制装置。

2.  如权利1要求智能化精密自动割草机本体，其特征在于，包括差动行走机构、主运动机构、刀盘自动升降机构、超声波传感器、激光扫描云台、控制箱和电源组成。

3.  如权利2要求差动行走机构，其特征在于，包括导向与导轮转角测量机构和差动驱动机构，用于承担精密自动割草机的差动行走和导轮转角位移测量。

4.  如权利2所要求激光扫描云台，其特征在于，是一个2自由度的旋转控制机构，包括水平360度转动机构和垂直30度摆动机构，实现割草机自动扫描位移精确位置定位。

5.  如权利2所要求控制箱，其特征在于，包括中央监控板、运动控制板、超声波控制板、激光导航控制板，各控制板之间通过串行总线接口连接。

6.  如权利5所要求激光导航控制板，其特征在于，所述激光导航控制板另设无线射频接口，便于与远程信标控制板通信，激光导航控制板内设电子罗盘，用以检测车体在垂直面的上下摆动角度。

7.  如权利1所要求控制装置，其特征在于，包括控制硬件和控制软件。通过分布式信标定位、自动激光导航位置测量、车体姿态转角位移测量，实时计算出割草机在草坪上的实时坐标位置和转角位移，生成轨迹纠偏补偿控制算法，执行轨迹运动指令，控制割草机按预定轨迹坐标连续运动，在运动过程中实现精密割草，按预设的轨迹图形，实现对草坪的精整和美化，割草机具有超声波检测防撞避障以及遥控功能。

8.  如权利7所要求的控制硬件，其特征在于，所述控制硬件包括三个部分7个模块，第一部分安装在割草机的车体上，包括中央监控、运动控制、激光定位导航和超声波控制4个模块。第二部分包括手持遥控模块1个，通过红外接口和中央监控模块通信，第三部分包括远程信标控制模块2个，每个远程程信标控制模块通过各自的无线射频接口与激光定位导航模块实现分布式数据通信。

9.  如权利7所要求的控制软件，其特征在于，所述控制软件流程包括草坪运动轨迹数值预处理和智能化精密自动割草工作循环。

说明书一种智能化精密自动割草机及其控制装置
技术领域
本发明涉及精密割草机及其控制技术领域，特别涉及割草机机械结构、分布式信标与激光自动定位测量、转角位移定位、角度和位置坐标补偿轨迹控制和超声波自动测量与防撞控制等技术领域，适合于智能化控制过程中的精密割草和草坪园林美化要求的场合。
背景技术
随着人们生活的改善和审美水准的提高，手动割草机远远不能满足人们对草坪修剪质量要求。需要一种具有实时位置测量和轨迹补偿控制的智能化自动精密割草机，实现对草坪高度、平整度、形态等有高质量要求的精密割草，并将人们从重复、枯燥的体力劳动中解放出来。
目前，传统割草机以手扶式和机器牵引式为主，割草机动力大都采用汽油或柴油内燃机驱动系统，这种割草机需要人工操作，劳动强度大，工作效率低，噪音大、污染环境，割草质量差，无法适应人们对草坪美化的需要。
本发明提供了一种智能化精密自动割草机，所发明具有图形预处理、轨迹坐标自动生成、分布式定位、智能化补偿轨迹控制、自动防撞避障和美化草坪等功能。达到美化草坪和节能环保的目的。
发明内容
1、发明目标
本发明提供一种智能化自动精密割草机及其控制装置，主要目标包括：(1)依据用户草坪美化图形方案，通过计算机图像预处理，将图形数字化，生成割草轨迹坐标，下载到智能化精密自动割草机本身的中央监控系统中；(2)通过分布式信标定位、自动激光导航位置测量、车体姿态转角位移测量，实时计算出割草机在草坪上的实时坐标位置和转角位移，生成轨迹纠偏补偿控制算法，执行轨迹运动指令，控制割草机按预定轨迹坐标连续运动，在运动过程中实现精密割草，按预设的轨迹图形，实现对草坪的精整和美化；(3)割草机还具有超声波检测防撞避障以及遥控功能。
2、基本原理
本发明保证智能化精密自动割草机轨迹控制的准确性，首先进行割草机机体 位置坐标和转角位移的准确测量，并把测量的结果及时反馈给割草机的中央监控模块，由中央监控模块实时跟踪割草机的运动位置状态，执行闭环运动控制算法，进行割草轨迹的及时纠正，实现割草机轨迹运动的智能化控制。本发明提出基于如下原理来实现：
(1)激光水平扫描的割草机位置坐标测量原理(图1)
如图1，割草机车体(1)放置在草坪地块OABC任一位置，将两个远程信标(50、51)分别被直立于坐标点O(0,0)和点A(0,c)，c为常数，事先测定。D(x,y)为割草机激光扫描收发器(36)回转中心坐标，定义为割草机机体质点坐标，DO、DA分别是D点到两个信标的水平距离，通过激光扫描测距方式实时获取，DO＝a1，DA＝a2。
在△OAD中，由余弦定理可得：
Cos(γ1)＝(c2+a12-a22)/2ca1
则，割草机位置坐标：D(x,y)＝(a1×sin(γ1)，a1×cos(γ1))
DO和DA距离由激光测距获取，由此可以计算D(x,y)坐标。
(2)割草机机体水平转角测量原理(图1)
如图1，割草机机体中心轴线(52)通过点D(x,y)且与割草机机体两侧边平行。
割草机机体的转角α定义为割草机机体中心轴线(52)与Y轴垂直运动方向的夹角，其算法如下：
β1＝900-γ1
α＝β2-β1
这里，α<0，表示割草机机体中心线逆时针转动α角，
α>0，表示割草机机体中心线顺时针转动α角，
α＝0，表示割草机机体中心线和y轴垂直。
β2由云台立式伺服电机上的旋转编码器A、B、Z脉冲实时获取。
(3)智能化轨迹运动控制原理
中央监控模块依据接收到的割草机的位置坐标和转动角位移，结合割草机预设轨迹，生成智能化轨迹纠偏算法指令，发送给运动控制模块，实现割草机自动 割草功能。
(3)超声波防撞控制原理
车体前后各安装一个超声波传感器，进行前后障碍物距离测量，超声波测控模块定时采集前后超声波传感器所测得的距离，进行阈值分析，判断距离是否超限，将处理结果发送给中央监控模块，以便执行防撞和避障指令。
3、技术方案(图2)
本发明根据智能化精密自动割草机的工作目标和基本原理，制订技术方案，并从功能角度分析和整合，对系统集成和封装，建立了智能化精密自动割草机结构模型。模型分为物理、通信、控制、功能4个层次：
(1)物理层
本发明由计算机和割草机本体及其相关附件组成。
优选地，所述计算机设有割草机图形和轨迹预处理软件，将用户订制的图形载体，转化为割草机所需要的割草机运动轨迹坐标，下载到割草机中央控制系统的存储器中。
优选地，所述割草机本体由机械装置和控制装置组成。
优选地，所述机械装置包括割草机机体、差动行走机构、主运动机构、刀盘自动升降机构、超声波传感器、激光扫描云台、控制箱和电源等。
优选地，所述控制装置分为三个部分7个模块。第一部分安装在割草机的车体上，包括中央监控、运动控制、激光定位导航和超声波测控4个模块，各模块之间通过RS485总线组成主从式通信接口，其中，中央监控模块为主机，其余为从机；第二部分包括手持遥控模块1个，通过红外接口和中央监控模块通信；第三部分包括远程信标控制模块2个，两个远程信标控制模块功能结构相同。每个远程信标控制模块通过各自的无线射频接口与激光定位导航模块实现分布式数据通信。
优选地，所述附件包括：远程分布式信标装置2个、信标装置所用电源2个。
(2)通信层
优选地，以RS485和射频无线通信等接口构成的分布式总线通信结构，实现各个控制模块之间的数据传输。
优选地，所述分布式结构通信结构，各模块既相互独立，又有统一、开放的 数据通信接口，保证了通信和控制算法的可靠性。
优选地，所述各模块内部算法独立运行，模块之间只交换指令和数据处理结果，大大减少了系统数据通信量，减少了通信堵塞，提高了系统处理速度。
优选地，所述分布式总线通信结构，便于软件结构规范化，减轻了开发的工作量。
(3)控制层
优选地，所述控制层由智能测量算法、通信协议、智能轨迹算法、任务分配、智能诊断例程等控制单元所组成的控制构件。
优选地，所述控制单元采用库函数封装，理论算法及其程序相互独立，共享标准通信接口，方便数据通信和编程。
(4)功能层
所述功能层通过外部人机交互和内部控制驱动实现参数设置、刀具升降、轨迹运动、刀盘旋转、超声波防撞、数据监控，实现精密割草机自动割草功能，达到精密割草和美化草坪的目的。
3、发明效果
和现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)草坪图像到运动轨迹坐标数字化
依据用户草坪美化指标订制割草图案，通过计算机图形处理，草坪参数匹配，生成草坪轨迹坐标，经串行接口，下载草坪轨迹坐标到精密割草机的中央监控模块。
(2)实现智能化精密自动割草
1)割草机置位。将精密割草机移动到草坪地块内，定义激光扫描收发器位置为精密割草机的位置。将两个激光信标反射柱分别直立于草坪地块的两角。激光收发器发射激光到远程信标反射柱上，信标反射柱反馈激光到激光收发器，激光收发器接收反馈激光，并据此测量割草机上激光收发器和两个信标反射柱和之间的水平距离。
2)开机。开启智能化精密自动割草机的总电源，开启两个远程激光信标反射柱电源，开启手持远程遥控单元。
3)系统自诊断。启动中央监控、信标控制、激光自动导航位置测控、超声 波测控的自诊断例程。
4)工作启动。启动遥控单元的“智能割草”按钮，进行割草机姿态和位置初始化，割草机自动行走并到达预设运动轨迹的起点，割草机自动调整刀盘高度，接着，启动刀盘转动，完成割草前的准备就绪。
5)自动割草。开启遥控单元“智能割草”按钮、在割草机自动行走过程中，割草机自动测量实时位置坐标和转角位移，判断其运动趋势，依据预设轨迹坐标进行自动纠偏和轨迹控制，实现割草机轨迹控制，修剪出预设的轨迹图形，达到对草坪的修剪和美化。
6)任务完成。割草机完成“智能割草”轨迹运动后，自动回到割草的轨迹坐标起点和原始方位，等待下一个任务的执行。
附图说明
图1是本发明所述精密割自动草机机体位置坐标和转角位移测量原理图
图2是本发明所述精密自动割草机层次结构模型图
图3是本发明所述精密自动割草机机械机构示意图
图4是本发明所述精密自动割草机控制硬件结构图
图5是本发明所述精密自动割草机基本工作流程图
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施示例1
1、智能化精密自动割草机机械结构(图3)
所述智能化精密自动割草机机械结构包括差动行走机构、主运动机构、刀盘自动升降机构、超声波传感器、激光扫描云台、控制箱和电源组成。
(1)差动行走机构
所述差动行走机构承担自动割草机的自动行走，它包括导向与导轮转角测量机构和差动驱动机构。
1)导向与导轮转角测量机构
所述导向与导论转角测量机构承担前轮支撑和导向，测量当前导轮转角位置。所述机构包括机体(1)、万向轮(19)、中轴(20)、转向轴(21)、下轴承(22)、上轴承(24)、法兰(23)、套筒(25)和绝对编码器(26)等。套筒(25)通过法兰(23)安装在割草机机体(1)上，万向轮(19)支撑草坪地面并绕中轴(20)转动，实现行走中的导向，中轴(20)上连接转向轴(21)，转向轴(21)通过下轴承(22)和上轴承(24)支撑并安装在套筒(25)内孔中，套筒(25)上端面安装绝对编码器(26)。万向轮(19)可相对于套筒中心线360度旋转，便与割草机机体的转向，万向轮(19)相对套筒内孔中心线的回转角度值可由绝对编码器(26)实时测量，绝对编码器(26)的A、B脉冲频率和顺序表示其转角位移和方向。本发明通过测量万向轮(19)相对于割草机机体(1)的角位移，判断万向轮的实际转角姿态和运动趋势，为轨迹纠偏和运动控制算法提供辅助数据支持。
2)差动驱动机构
所述差动驱动机构承担后轮支撑和差动式轨迹运动功能。它由左右两个独立的车轮驱动组件所组成，两个组件驱动原理、结构和功能完全相同，为此，本发明只说明其中一个车轮驱动组件。
所述左车轮驱动组件包括左伺服电机(9)，传动轴(10)，小带轮(8)、同步带(7)、大带轮(6)、半轴(4)、轴承(3)、套筒(5)和左车轮(2)等。左伺服电机(9)安装在割草机机体(1)的筋板上，并通过传动轴(10)驱动小带轮(8)，小带轮(8)通过同步带(7)驱动大带轮(6)，大带轮(6)安装在半轴(4)的一端，半轴(4)通过轴承(3)支撑并围绕套筒(5)的中心线旋转，左车轮(2)固定在半轴(4)的另一端，半轴(4)驱动左车轮(2)旋转，左车轮(2)轮胎表面和草坪地面的产生静摩擦力，带动机体(1)的左侧移动。右车轮(11)的驱动原理和左车轮(2)的驱动原理相同，两个车轮由各自的伺服电机控制单元控制，在中央监控模块的统一调度下实现运动轨迹差速控制。
(2)主运动机构
所述主运动机构承担草坪的切割主运动。它由直流电机(42)、法兰(41)、联轴器(43)、主轴(16)、轴承(17、)轴承(44)、套筒(45)、齿轮(12)、齿条(13)、支撑弹簧(14)、移动副(18)和刀盘(15)组成。直流电机(42)安 装在法兰(41)上，法兰(41)安装在割草机的机体(1)上，套筒(45)安装在法兰(41)上，直流电机(42)通过联轴器(43)驱动主轴(17)和刀盘(15)旋转，主轴(17)由轴承(17、44)和套筒(30)支撑，刀盘的旋转实现割草切割的主运动。
(3)刀盘自动升降机构
所述刀盘自动升降机构承担刀盘的高度调整，实现草坪割草深浅的调节。刀盘自动升降机构包括套筒(45)，齿条(13)、齿轮(12)，移动副(18)、刀盘(15)和支撑弹簧(14)等。套筒(45)和机体(1)之间有移动副(18)，用于套筒(45)相对机体上下移动的导向，套筒(45)上镶有齿条(12)。伺服电机(图中未画出)驱动齿轮(13)的转动，齿轮(12)和齿条(13)啮合带动套筒(45)相对割草机机体做上下移动。步进电机控制套筒的移动可实现对刀盘(15)的自动升降的控制，满足对草坪割草深浅的调节。支撑弹簧(14)对刀盘(15)有阻尼、缓冲和稳定作用。
(4)超声波传感器
所述超声波传感器(37)和(43)分别装在车体的首尾，用于对障碍物的距离测量，实现对障碍物的检测，使得割草机具有防撞和避障保护功能。
(5)激光扫描云台
激光扫描收发器通过2个铰链机构安装在激光扫描云台上，所述激光扫描云台是一个2自由度的旋转控制机构，其中：水平360度转动机构控制割草机在水平面激光扫描，实现车体转角测量和直角坐标位移测量，垂直±30度摆角机构补偿和控制激光扫描收发器的垂直摆动，便于激光保持水平发射，准确扫描到当前信标。这两者的结合可以实现割草机自动扫描位移精确位置定位。
1)水平360度激光扫描机构
所述水平360度激光扫描机构为立式回转机构，包括套筒(31)、轴承(30、32)、转动支架(33)、铰链(35、38)、立式伺服电机(27)、激光扫描收发器(36)等。套筒(31)安装在割草机机体(1)上，套筒内装有轴承(30、32)，以支撑转动支架(33)，立式伺服电机(27)驱动转动支架(33)绕套筒中心线回转，转动支架(33)驱动其上面的激光扫描收发器(36)水平360度回转，控制激光扫描收发器扫描信标。
2)垂直±30度摆角补偿机构。
所述垂直±30度摆角补偿机构是一个磕头式摆动机构，它利用曲柄摇杆摆动原理。它包括转动支架(33)、卧式伺服电机(34)，曲柄(37)，连杆(39)、铰链(35、38、40)、激光扫描收发器(36)等。转动支架(33)携带卧式伺服电机(34)，卧式伺服电机(34)驱动曲柄(37)旋转，曲柄(37)通过铰链(40)驱动连杆(39)平动，连杆(39)通过铰链(38)驱动激光扫描收发器(36)围绕铰链(35)摆动。控制云台垂直±30度摆动以便矫正车体行走颠簸造成的激光扫描器的垂直角度偏移误差，确保激光水平方向扫描到指定信标，实现激光自动扫描和准确定位。
(6)控制箱
所述控制箱(46)表面有操作按钮和LCD触摸屏。控制箱内嵌中央监控板、运动控制板、超声波控制板、激光导航控制板。其中，中央监控板和运动控制板之间通过并行总线连接，其他控制板之间通过RS485接口连接，其中，中央监控板另设红外接口，便于与手持遥控模块通信。激光导航控制板另设无线射频接口，便于与远程信标控制板通信。各个控制板配有接口电路和外围器件，完成各自功能。电子罗盘安装在激光导航控制板上，用以检测车体在垂直面的上下摆动角度。
(7)电源箱
所述电源箱(47)内安装24V蓄电池，通过电压变换器，转换为压值不同的电压源，为割草机各个模块提供稳定的工作电源。
2、控制装置的实现
(1)控制装置组成(图4)
所述控制装置分为三个部分7个模块。第一部分安装在割草机的车体上，包括中央监控、运动控制、激光定位导航和超声波测控4个模块，各模块之间通过RS485总线组成主从式通信接口，其中，中央监控模块为主机，其余为从机。第二部分包括手持遥控模块1个，通过红外接口和中央监控模块通信。第三部分包括远程信标控制模块2个，其中远程信标控制模块A安装在远程信标装置1内，远程信标控制模块B安装在远程信标装置2内。两个模块功能结构完全相同。每个远程信标控制模块通过各自的无线射频接口与激光定位导航模块实现分布式数据通信。
(2)控制装置软件工作流程(图5)
所述控制装置软件工作流程包括草坪运动轨迹数值预处理和智能化精密自动割草工作循环。
1)草坪运动轨迹数字化预处理
所述草坪运动轨迹数值化预处理是通过计算机图像处理软件进行用户草坪图形预处理、草坪地块图形参数的提取、草坪图形数据参数匹配、轨迹规划、生成割草运动轨迹坐标。下载运动轨迹坐标到割草机智能监控系统的存储器中，实现用户草坪图案的订制。
2)执行智能化精密自动割草工作循环
所述智能化精密自动割草工作循环首先根据轨迹坐标执行参数，设置与智能化诊断例程，包括设置轨迹控制参数、进行系统的自诊断、检查系统硬件模块的状态和参数匹配情况、检查各模块总线接口和远程无线通信接口的状态是否正常。
系统自检诊断通过后，执行智能检测，所述智能检测包括启动自动精密割草机超声波距离测量控制、激光自动扫描智能位置和转角测量控制，割草机万向轮转角测量控制，通过监控界面实时监控智能化精密自动割草机状态信息。
智能检测完成后，正式进行自动割草流程，所述自动割草流程包括核对精密割草机运动轨迹的起始位置和转角姿态、返回轨迹运动起始坐标位置、调整割草机刀盘的高度、启动刀盘旋转的主运动、启动割草机轨迹补偿智能运动控制程序、实现割草的轨迹进给运动及其控制。
当割草机完成自动轨迹运动后，自动返回割草机起始位置和转角姿态，完成智能化精密割草循环工作任务。
使用效果分析
智能化精密自动割草机可根据订制图案规划出精密割草机的行走轨迹坐标，精密自动割草机在中央监控模块的统一协调下，具有轨迹参数预设、手动遥控、分布式信标定位、激光自动扫描、精密位置与转角位移测量、位置纠偏与轨迹行走智能控制、超声波距离测控与防撞控制、刀盘升降位移控制、刀盘转速自动控制、状态监控等功能，实现了中小块草坪的自动割草和精密修剪，完成美化草坪的功能。本发明采用分布总线结构和网络智能化循环控制，提升了精密自动割草 机精密定位和精密草坪的效率，实现了对草坪美化割草的创新。