智能越野割草機設計與研究

南寧職業技術學院 湯維龍 曹現果 鄒存偉

1 智能割草機國內外發展現狀

割草機又稱除草機，是一種用于修剪草坪植被等的機械工具。割草機的發明節省了除草工人的作業時間，減少了大量的人力資源。與傳統的割草機相比，智能割草機不僅具有操作簡單、割草效率高等優點，而且可以自動完成割草任務，減少人力成本和時間成本，還具有安全、無噪音、智能化程度高等優點，已經成為割草機行業的主要發展方向。

1.1 國外智能割草機發展現狀

經過文獻查閱，發現國外對智能割草機做了大量工作，現在市場上已經上市了部分產品，這些產品一般有以下功能:機器遇到障礙物或人后，能通過超聲波傳感器檢測，利用角度傳感器，簡單繞行，可保護自身又有效地保證了工作人員的安全;有些配置了雨水傳感器，遇到雨水時能自動回到充電處避雨;機器載有溫度負載傳感器，能確保在過熱或滿負荷時自我調節，延長本機壽命；還可以與手機App鏈接，實現智能控制機器操作等。但它們也不是完美的，也有缺陷，草坪坡度高無法使用，草坪超過3000平方米面積也無法使用，一些死角問題也不能解決。總而言之，歐美地區國家的智能割草機具有高效節能、安全可靠、自動化程度高等特點，并通過鋰電池管理系統、智能控制技術的開發應用，并逐步向高效率、低排放、高智能化的方向發展。

1.2 國內智能割草機發展現狀

我國對智能割草機的研究起步時間比較晚，南京理工大學機械學院曾開發了MORO型移動割草機器人樣機，這可能是我國最早的智能割草機樣機。與其他輪式智能割草機不同，江蘇大學曾設計了一款履帶式智能割草機，它具有GPS定位功能，能快速高效的執行割草任務，但只適用于障礙少、大面積的草地區域。但隨著我國日益先進的技術水平，寶時得等企業的崛起，我國在智能割草機國際市場也越來越重要，仍擁有較強的競爭力。由于國內市場需求有限，我國有96%以上的智能割草機均用于出口。

現在市場上的智能割草機，一般只適用于園林裝飾修剪、草地綠化修剪、城市街道、綠化景點、田園修剪、田地除草等，不適用于我國平原、丘陵、梯田等特殊地形，而智能越野割草機的設計，能巧妙地解決我們的難題。在我們這樣一個農業大國，提倡發展農業機械化，提高工作效率，提高農業生產效率的政策，智能越野割草機的應用顯得極為重要。

2 智能越野割草機設計的目的和思路

2.1 智能越野割草機設計的目的

目前市場上割草機噪音大，對地形、草地形狀要求較高。在我國，割草機研發較為緩慢，21世紀初仍以步行手推式為主，割草時需要連接交流電，拖著電線，離電源插座距離有限，割草面積有限，效率低下。目前，市場上鋰電池割草機居多，可以在沒有市電的環境下工作，但割草時長受電池容量的限制，需要消耗大量的人力和物力。為降低農產品維護作業的勞動強度和成本，這款智能越野除草機不僅能滿足多地形除草功能，還能精準地對農產品噴灑農藥和澆水。

2.2 智能越野割草機設計思路

廣泛查找國內外智能割草機的資料，比較其性能、結構優缺點，結合我區特殊的地表形態特點，借鑒越野汽車的運行原理和運行特點，設計以越野汽車外形為割草機結構;根據研究充電樁的工作原理，對自動充電性能進行優化;根據路徑規劃技術和避障技術研究，提高智能割草機的安全性和可靠性;研究智能噴霧系統工作原理，優化噴灑功能;最后進行越野智能割草機的樣機測試與改進。

2.3 智能越野割草機設計創新點

智能越野割草機的創新點有以下兩點。

（1）市場上的智能割草機對地形要求較高，不能廣泛適用我國特殊地表形態結構，該設計借鑒越野汽車的越野性能特點，很好地解決了這一難題。

（2）該設計還擁有智能噴霧槍，這是市場上智能割草機所沒有的功能。機器可遠程設置噴灑功能，提高農藥噴灑效率和精度，且保護工作人員不受到農藥傷害。

3 智能越野割草機的結構設計及技術指標

3.1 智能越野割草機的結構設計

智能越野割草機的結構主要由升降臂式割草裝置、越野防滑輪胎、前置動力電機、廣角攝像頭、高壓噴霧槍、車臂蓄電池、蓄水箱、充電口等部分組成。其造型結構如圖所示。

智能越野割草機結構設計圖

智能越野割草機外觀造型效果圖

智能越野割草機六視圖

3.2 智能越野割草機的技術指標

現在市場上的智能割草機的主要技術有：操作工作過程中的智能傳感器、智能路徑的識別規劃技術、作業邊界的自我識別與界定技術、智能化的探測避障技術等，在此基礎上，我們設計的智能越野割草機，外形參考了越野汽車，擁有良好的通過性，越野輪胎，可升降噴霧車身，爬坡能力強等功能。

該智能割草機內置有由雷達采用數字波束形成技術，通過大天線孔徑形成的窄波束，對發射波束內的衛星進行精確定位的定位系統和20升蓄水箱，配合超聲波探測系統，能夠對由雷達電子波速在空間設置一道攔截空域的電子籬笆噴霧區的植物和人體進行檢測，利用離心噴頭高速旋轉和可控制0~60抬升降低角度的高壓噴霧槍，自動選擇對植物進行農藥噴灑，高壓噴霧槍噴霧離車身最高距離為22cm(高壓噴霧槍槍臂為24cm,托盤為10cm，高壓噴霧槍抬升最高角度為60°,噴霧槍抬升最高角度與水平距離h＝24×sin60°＝12cm,噴霧槍與車身最高距離為H＝10+h＝22cm),噴嘴口徑為0.7cm,噴水直徑約為1.4m,霧化顆粒直徑為10~50cm，提高了農藥噴灑效率和精度，且工作人員不宜受到農藥污染。通過App遠程遙控大數據和紅外感應，可以自動偵測雜草和農作物的區別，控制系統的無刷電機驅動智能越野割草機，帶動刀片轉動，實現清除雜草功能。

智能越野割草機的智能噴霧槍結合電視攝像機裝置實現成像功能，以超聲波探測系統配合,可識別不同高度的障礙物，360°旋轉噴灑藥物；使用電力能源，可自行返回充電樁充電；利用雨滴傳感器，下雨可自動進入無雨區避雨；通過App遠程遙控大數據，可以自動偵測雜草和農作物的區別，清除雜草；利用路徑識別規劃技術，可自動規劃出一條現實中合理的無障礙路徑,有效保護了機器自身安全；外形參考越野汽車，并借鑒越野性能特點，擁有多地形除草的能力；采用無刷電機，噪音小，環保，可在小區、校園等區域使用。

主要技術指標：

（1）高壓噴霧槍可0～60°升降角度。

（2）工作噪音為58分貝，即使是晚上工作也不影響睡眠。

（3）刀片為一塊橢圓旋轉刀片。

（4）割草寬度為80cm，割草高度根據實際調節，可15～60mm設定。

（5）刀片額定空載最高轉速為3600（r/min）。

（6）工作坡度為0~60°。

（7）20升蓄水箱，噴灑藥水達100m2。

（8）噴霧槍水管長5m，取下使用可應對大多數農業情況。

4 智能越野割草機市場前景

隨著我國經濟的不斷發展，人們生活水平不斷提高，人們的消費觀念和消費水平有了很大的轉變與提升，農用割草機行業也得到了快速發展。與此同時，隨著互聯網技術的迅速發展，在各行業領域得以應用，農業與其快速融合，農業裝備從半機械化、機械化向智能化轉型升級，智能割草機也正在潛移默化的替代傳統農用割草機。根據新思界產業研究中心發布的《2021年全球及中國機器人割草機產業深度研究報告》來看，2015~2019年，全球機器人割草機需求量呈現階梯式增長的趨勢，有較高的增長率，已達到17%以上，僅2019年需求量已達29萬臺。目前，全球智能機器人割草機行業雖然處于發展階段，但已具備鮮明的特點，發展時間短，普及率比較低，有較大的市場增長潛力。經統計發現，中國在智能割草機行業擁有較強的競爭力，是全球智能割草機出口大國。智能越野割草機的應用能提高主要農作物的耕種收益，提高農業生產效率，提升效益，是農民致富和鄉村振興重要的智能產品。