割草機(jī)器人調(diào)研報(bào)告樣本

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)之處，請(qǐng)聯(lián)系改正或者刪除。割草機(jī)器人調(diào)研一國(guó)內(nèi)外研究狀況在歐美國(guó)家,城市中有大量的公園草坪、足球場(chǎng)草坪、高爾夫球場(chǎng)草坪等公共綠地以及一般家庭綠地需要進(jìn)行維護(hù)。為降低草坪維護(hù)作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度,1997年,OPEI年會(huì)上第一次提出了智能割草機(jī)器人(IntelligentRobotMower)的概念。當(dāng)前,國(guó)外市場(chǎng)上已經(jīng)有了多款割草機(jī)器人產(chǎn)品。以色列FriendlyMachines公司設(shè)計(jì)的FriendlyRobomow(見圖1)是世界上第一批走進(jìn)家庭和市場(chǎng)的割草機(jī)器人也是當(dāng)前市場(chǎng)化最成功的智能割草機(jī)器人產(chǎn)品之一。另外,還有意大利Zucchetti公司生產(chǎn)的Robo-Lawnmower(見圖2,爬坡的坡度為27~30),其中型號(hào)為L(zhǎng)ine300的機(jī)器人具有下雨時(shí),自動(dòng)回歸充電站的功能;瑞典Electrolux公司生產(chǎn)的HusqvarnaAutoMower(見圖3),該機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪直徑較大,有很強(qiáng)的爬坡能力,最大爬坡角度為35;比利時(shí)Belrobotics公司生產(chǎn)的適用于大、中型草坪維護(hù)的Bigmow(見圖4)。據(jù)國(guó)內(nèi)據(jù)報(bào)道,2月,上海大學(xué)研發(fā)成功了割草機(jī)器人”kakamower”并準(zhǔn)備于今年投入市場(chǎng),預(yù)期售價(jià)為460美元左右。以及在今年3月,昆山市金聯(lián)塑料制品有限公司與浙江大學(xué)聯(lián)合研發(fā)成功了割草機(jī)器人。國(guó)內(nèi)從事割草機(jī)器人研究的還有南京理工大學(xué)、江蘇大學(xué)等。圖1FriendlyRL850圖2Robo-Lawnmower圖3AutoMower圖4Bigmow下表列出了各種割草機(jī)器人的參數(shù)指標(biāo)和價(jià)格。表1各種品牌割草機(jī)器人參數(shù)指標(biāo)及價(jià)格比較型號(hào)生產(chǎn)廠商重量(kg)外形尺寸(cm)驅(qū)動(dòng)電源割刀功率(w)割草寬度(cm)連續(xù)工作時(shí)間(h)工作面積(m)價(jià)格Robomow(RL850)FriendlyMachines(以色列)2289*65*31.524v,17Ah*2鉛酸電瓶150*3割刀5800r/min532.5~3500$1199.95Robo-Lawnmower(Line50)Zucchetti(意大利)41*19*36鋰/鉛酸電池253.5(Line100)51*33*43292~5300(Line200)57*42*26292~4.5300(max3000)(Line300)65*49*285000HusqvarnaAutoMowerElectrolux(瑞典)8.671*60*2618v,22Ah*12400$2299.99Bigmow(中、大型草坪)Belrobotics(比利時(shí))48120*120*5024v,15Ah鎳鉻電池24v,3200r/min*5割刀1000$12799MORO南京理工大學(xué)5080*51*405000r/min待設(shè)計(jì)機(jī)器人鋰/鎳電池24v,60~70w,3500r/min252~3最大1500實(shí)際建議<500二割草機(jī)器人技術(shù)分析1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求:割草寬度:25cm,割草高度:2-7cm(割刀距地面距離可調(diào)節(jié))按功能分割草機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和割草機(jī)械結(jié)構(gòu)。1驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的割草機(jī)器人大多采用輪式機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)(也有采用履帶驅(qū)動(dòng),很少)。常見的輪式結(jié)構(gòu)為三輪(2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪,1個(gè)導(dǎo)向輪,如Robomow)和四輪(2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪,2個(gè)導(dǎo)向輪,如ElectroluxHusqvamaAutoMower)。三輪方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能滿足一般要求。四輪方式穩(wěn)定性好、承載能力較大、結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。2割草機(jī)械結(jié)構(gòu)1)刀片:刀片的設(shè)計(jì)直接影響割草機(jī)器人的性能,須考慮割草刀片在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生氣流的流場(chǎng);分析刀片在運(yùn)行時(shí)的模態(tài)、不平衡離心力和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等參數(shù)。2)割草高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu):現(xiàn)有的割草機(jī)器人為手動(dòng)調(diào)節(jié)。Robomow經(jīng)過調(diào)整前端萬向輪、車身相對(duì)后端驅(qū)動(dòng)輪的高度來調(diào)整割草高度。伊萊克斯的Automower經(jīng)過調(diào)整割刀的高度來實(shí)現(xiàn)割草高度的調(diào)節(jié)。3)出草通道設(shè)計(jì):防止草屑的堵塞。4)散熱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì):由于刀片處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài),有較大的發(fā)熱量,因而所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)須有良好的散熱性。5)割草寬度:可設(shè)計(jì)并列的雙割刀,橫向?qū)挾葹?5cm.。6)增加收集碎草功能(待討論),Robomow割草機(jī)器人是將草剪碎至3mm,作為天然肥料留在草坪上。2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1割刀電機(jī)選型直流電機(jī)額定電壓:24V功率:60-70w轉(zhuǎn)速:3500轉(zhuǎn)/分±10%2行走電機(jī)選型行走電機(jī)(可參照吸塵機(jī)器人)較強(qiáng)的爬坡能力,30度(行走電機(jī)功率要求較高)3工作空間,時(shí)間范圍設(shè)計(jì)要求:最大割草面積:1500m2,建議范圍500m1)經(jīng)過減輕重量,非割草狀態(tài)下割草電機(jī)轉(zhuǎn)速減緩等實(shí)現(xiàn)低功耗2)大容量電池3)選擇合適的行走速度,使相同能耗下割草的效率最高。4)工作面積超過建議的500m時(shí),設(shè)計(jì)多個(gè)充電站。如以500m為1個(gè)單位,當(dāng)面積為1500m4充電器選型(外包)INPUT:100-240V,AC1500mA,50/60HzOUTPUT:DC29.4V2-2.5A充電時(shí)間:180min鋰電(或鎳氫):8Ah5傳感系統(tǒng)避障方案:超聲波傳感器、紅外傳感器及碰撞傳感器雨天自動(dòng)感知,并避雨方案1:濕度傳感器原理:利用雨天濕度大的特點(diǎn)來檢測(cè)。存在問題:是否能夠準(zhǔn)確地區(qū)別出霧天和小雨天。表2濕度傳感器參數(shù)型號(hào)西博臣CHTM-01系列溫濕度傳感器模塊輸出A型:0~3VB型:0~1V敏感元件(濕度)高分子濕敏電容”HS1101”供電5V±5%耗電電流5mAmax.(2mAavg.)工作范圍溫度

0~60℃

濕度

10%~95%RH儲(chǔ)存條件溫度

-20~70℃

濕度

95%RH精度(濕度)±5%RH

(在25℃,輸入電壓=5V方案2:雨水傳感器原理:當(dāng)雨水滴落在傳感器電路板上時(shí),產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。為克服易觸發(fā)的缺點(diǎn),應(yīng)將傳感器封閉好,只留有一小孔讓雨水能夠滴落在傳感器電路板上。存在問題:1、易觸發(fā),不確定是否能夠避免因露水引起的觸發(fā);2、在避雨后,須用戶將傳感器電路板擦干。方案3:雨量傳感器原理:如圖5所示的雨水收集裝置,當(dāng)裝置中的雨水滿到觸發(fā)線時(shí),便會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。該方法可有效克服方案2中易觸發(fā)的缺點(diǎn)。存在問題:避雨后,如何將水排空。圖5雨量傳感器檢測(cè)原理示意圖防跌落:前視傳感器,可參照吸塵機(jī)器人設(shè)計(jì)(該功能待討論)感知小動(dòng)物,并進(jìn)行驅(qū)趕方案:人體熱釋傳感器原理:人體熱釋傳感器是一種檢測(cè)人或動(dòng)物身體發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器,其原理是利用熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)同壓電效應(yīng)類似,是指由于溫度的變化而引起的晶體表面荷電的現(xiàn)象。熱釋電傳感器是對(duì)溫度敏感的傳感器,由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成,在元件兩個(gè)表面做成電極,在傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有變化時(shí),熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上產(chǎn)生電荷,即在兩電極之間產(chǎn)生微弱的電壓。由于它的輸出阻抗極高,在傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷會(huì)被空氣中的離子所結(jié)合而消失,即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí),傳感器無輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū),因人體溫度與環(huán)境溫度有差別,產(chǎn)生溫度變化,則產(chǎn)生輸出信號(hào)。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng),則溫度沒有變化,傳感器也沒有輸出。因此該類型傳感器用于檢測(cè)人體或動(dòng)物的活動(dòng)情況。當(dāng)探測(cè)到動(dòng)物后,采用黃色閃爍警示燈、蜂鳴聲進(jìn)行驅(qū)趕。存在問題:對(duì)人和動(dòng)物都將產(chǎn)生報(bào)警(設(shè)計(jì)一按鈕可手動(dòng)解除報(bào)警)

表3人體熱釋傳感器參數(shù)型號(hào)CT-418工作電壓3~5V靜態(tài)電流50uA工作溫度0~70電平輸出4V無信號(hào)輸出0.4V感應(yīng)角度110度外形尺寸28mm*36mm模塊重量約25g價(jià)格33元6自動(dòng)回歸充電方案:圖6邊界線檢測(cè)傳感器布置在割草機(jī)器人的前端并排安裝兩個(gè)用于邊界線檢測(cè)的傳感器。工作時(shí),當(dāng)割草機(jī)器人的剩余電量低于我們的設(shè)定電量值時(shí),機(jī)器人便要自動(dòng)回歸充電。機(jī)器人采用循跡回歸的方法,按第一次檢測(cè)到邊界線時(shí)的狀態(tài)可分為下述的三種情況。情況一:當(dāng)機(jī)器人行走的方向與邊界線呈銳角時(shí),左側(cè)的傳感器首先檢測(cè)到信號(hào),隨后右側(cè)的傳感器也檢測(cè)到信號(hào)。然后走過一段距離,機(jī)器人順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(見圖7B)。當(dāng)轉(zhuǎn)過一定角度,右側(cè)的傳感器再次檢測(cè)到信號(hào)時(shí),機(jī)器人便處于”騎線”狀態(tài)。接下來,機(jī)器人便只要循線行走即可。循線的方法是,當(dāng)左側(cè)的傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí),機(jī)器人便向左偏轉(zhuǎn);右側(cè)的傳感器檢測(cè)到信號(hào)時(shí),機(jī)器人便向右偏轉(zhuǎn)。(A)(B)(C)圖7情況1情況二:機(jī)器人以與邊界線垂直的方向朝邊界線前進(jìn)。這時(shí),前端的兩個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到信號(hào)。然后當(dāng)機(jī)器人走過一段距離后,順時(shí)針偏轉(zhuǎn)(見圖8B)。當(dāng)右側(cè)的傳感器再次檢測(cè)到信號(hào)時(shí),機(jī)器人便處于了”騎線”的狀態(tài)。循線的方法與情況一相同。(A)(B)(C)圖8情況2情況三:當(dāng)機(jī)器人行走的方向與邊界線呈鈍角時(shí),右側(cè)的傳感器首先檢測(cè)到信號(hào),隨后左側(cè)的傳感器也檢測(cè)到信號(hào)。然后走過一段距離,機(jī)器人順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(見圖9B)。當(dāng)轉(zhuǎn)過一定角度,右側(cè)的傳感器再次檢測(cè)到信號(hào)時(shí),機(jī)器人便處于”騎線”狀態(tài)。循線的方法與情況一相同。(A)(B)(C)(D)圖9情況37路徑規(guī)劃及邊界控制方案:邊界控制采用HMC1001磁場(chǎng)傳感器(見孫杰師兄文件)。路徑規(guī)劃采用吸塵機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法。8遙控功能結(jié)合吸塵機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì),功能有:1)前、后、左、右運(yùn)動(dòng)2)割草:停、開;行走:停、開3)回歸充電4)電源開/關(guān)9割草方式調(diào)節(jié)根據(jù)草的長(zhǎng)度,對(duì)割草速度和行走速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)(待討論)參考吸塵機(jī)器人,設(shè)計(jì)不同的割草模式,如往復(fù)前進(jìn)式、螺旋式等10安全保護(hù)若工作中發(fā)生割草刀片因?yàn)椴菪级ㄋ?、鎖緊時(shí),要及時(shí)切斷電源,防止電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路被燒毀。超負(fù)荷保護(hù):負(fù)荷重(我們的理解是因草過長(zhǎng)或過于濃密,割刀無法割動(dòng))