無人割草機關鍵技術發展綜述

張河寧 于濤 段馨蕊 劉磊 邱延濤 蘇宏巖

【摘 ?要】當前，無人駕駛技術的發展推動了無人割草機的完善，使其既滿足未來發展的需求，又順應現代信息技術的發展趨勢。現階段，無人割草機實現了整車智能，通過加裝不同的附屬模塊可實現不同的作業功能，主要具有體積小、輕量化、模塊化、電驅動的優勢，滿足環保要求，實現一機多用途。

【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，無人駕駛已經得到社會各方面的關注。當前，國家利好政策的持續出臺推動了無人駕駛行業的快速發展，同時，無人割草機的逐步完善使其更好地應用于機場跑道及其他專用場合。隨著計算機控制技術的發展，無人割草機與自動控制技術實現了有效融合。

2 國外無人割草機發展現狀

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，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域，割草機在安全性、可靠性等方面取得了重大突破。

3 國內無人割草機發展現狀

國內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南京理工大學開發的MORO移動割草機器人，主要導航設備為驅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江蘇大學對割草機器人的設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定位導航的功能，介紹資料并不多。

割草機在農業生產中有著重要的作用。發展農業機械化，有利于提高工作效率，提高農業生產率。新型割草機正向著高速、節能的方向發展。

4 整車控制技術

整車控制器主要包括微處理器、能源管理系統、開關量采集模塊、開關量輸出模塊、BDM調試接口、電源模塊、模擬量采集模塊、模擬量輸出模塊、PWM輸出模塊、數據存儲模塊、無線收發模塊及北斗模塊。通過集成化設計，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、轉向電機驅動器、制動電機驅動器、升降電機驅動器以及發動機等。指令和狀態信息走CAN總線通道，由執行元件執行相應動作，如圖1所示。

5 液壓系統技術

液壓系統主要由液壓油箱、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，為液壓系統提供動力。液壓系統分為行走液壓系統和割具液壓系統。

行走液壓系統采用閉式液壓系統，液壓系統油源由高壓變量泵供給，經由高壓過濾器，到高壓柱塞馬達執行元件，實現整車的前進和倒退作業。為保證長時間作業的安全性，可在液壓系統設置散熱器，保證液壓系統的油溫處于允許范圍。

6 驅動系統技術

后橋驅動是將柴油機的動力傳遞給液壓系統來驅動整車運動，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。剛性電驅動橋通過液壓馬達驅動減速機，傳遞到差速器、半軸到車輪，實現整車驅動。

剛性電驅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構，實現整車制動。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，實現整車制動。

盤式制動具有散熱快、重量輕、構造簡單、調整方便的特點。盤式制動的優勢在于高負載時耐高溫性能好，制動效果穩定，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停車。

7 關鍵件

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構，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。電控高壓共軌。即由ECU電控單元、傳感器、執行器組成的先進燃油系統。其中，ECU是“指揮中心”，類似電腦的CPU，通過接收傳感器數據來支配執行器（高壓油泵、共軌管、噴油器），實現精準控制，使發動機達到最佳工作狀態。

②性能優勢。無轉速波動，穩態調速率≤0.1%;瞬間響應快，瞬態加載能力強，瞬態調速率≤5%;能夠實現遠程診斷、數據管理、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，適應各種油品狀況，總過濾效率達到99.99%，有效保護噴油器、高壓油泵等關鍵部件。進氣系統配備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

能源管理系統是整車控制器中的重要組成部分，能源管理系統主要對整車的能源進行控制管理，根據工作需求對車輛動力系統能源轉換裝置的輸出能量進行協調、分配和控制軟、硬件系統。在滿足車輛基本技術性能（如動力性）等要求的前提下，根據各能量儲存裝置、能量轉換裝置的特性及車輛的運行工況，實現能量在能量轉換裝置（如發電機、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。能源管理系統是整車車輛的能源控制的核心。

能源管理系統主要由傳感器、控制單元ECU和執行元件等組成，通過對傳感器的信號進行分析處理，對能源轉換裝置的工作狀態進行優化分析，并向執行元件發出指令，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用的檢驗，堅固可靠，適用于各種惡劣工作環境。遠程監控平臺采用了人體工程學設計，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器端程序發出信號，建立一個特殊的遠程服務，然后通過這個遠程服務，使用各種遠程控制功能發送遠程控制命令，控制被控端電腦中的各種執行元件進行響應，完成相應作業功能。

9.1 遠程監控

遠程監控的視頻顯示可以實現多屏拼接、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。

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無人割草機的運行狀態。

10 智能控制系統

智能控制系統就是在無人干預的情況下能夠自主地驅動機器實現對控制目標的自動控制。

智能控制系統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境感知模塊等組成，通過采集相關路況信息、高精度定位信號和感知周圍環境等，對整車路徑進行規劃，解決在特定區域內的智能無人駕駛問題。

智能控制主要由于地形、環境和任務的復雜性，而需要每一個分層遞階的系統體系結構，通過人與車輛之間的相互交流，實現智能控制。

11 結語

無人割草機將是未來機場割草發展的方向。隨著無人駕駛技術的成熟，無人割草機將發揮更加安全、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，無人割草機的發展空間更廣闊。

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