CN109362331A - 无人割草车 - Google Patents

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CN109362331A CN201811557966.XA CN201811557966A CN109362331A CN 109362331 A CN109362331 A CN 109362331A CN 201811557966 A CN201811557966 A CN 201811557966A CN 109362331 A CN109362331 A CN 109362331A
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张孝勇
郑友胜
陈寿辉
齐洪豪
谢训鹏
邹霞
陈林杰
钟媛
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Jiangxi Hongdu Aviation Industry Group Co Ltd
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Abstract

本申请公开了一种无人割草车，包括车架、前轮和后轮以及设置在车架上的：行走电机，用于带动后轮行走；转向机构，用于控制前轮转向；割台，用于割草；割草电机，用于驱动割台；割台升降机构，用于受控地驱动割台垂直移动；GPS系统，用于进行定位；控制器，用于控制割草电机以及割台升降机构，以及根据GPS的定位信息控制行走电机和转向机构，以实现无人割草车的自主导航；电池组，用于为行走、转向、割草、割台升降、GPS系统以及控制器供电。本申请的无人割草车，其行走驱动、转向驱动、割台升降和割刀旋转等运动机构全采用直流电机驱动，使得控制统一，方便高效；另外，割台高度调节更加方便，割草车运行稳定性更好，割草效果更佳。

Description

无人割草车
技术领域
本申请属于割草车设计领域，特别涉及一种无人割草车。
背景技术
无人割草车是无人车技术在特定场合的应用实例，其主要应用在大型草场草地修整作业中，比如牧场、高尔夫球场、机场草坪等。传统的大型割草车基本都是拖拉机拖曳式，即大型拖拉机拖曳割台进行割草作业，这种方式存在油耗高、空气污染重、噪音大、工人劳动强度高以及能源利用率低的问题，且大型拖拉机易对草坪造成破坏。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种无人割草车。
本申请公开了一种无人割草车，包括车架以及设置在所述车架前后端的前轮和后轮，还包括：
行走电机，所述行走电机设置在所述车架后端，用于带动所述后轮以驱动所述无人割草车行走；
转向机构，所述转向机构设置在所述车架上，用于控制所述前轮转向；
割台，所述割台设置在所述前轮与所述后轮之间的所述车架上，所述割台内置割刀，用于割草；
割草电机，所述割台设置在所述车架上，用于驱动所述割台进行割草；
割台升降机构，所述割台升降机构设置在所述车架上，并与所述割台连接，用于受控地驱动所述割台沿垂直所述车架底面方向进行移动；
GPS系统，所述GPS系统设置在所述车架上，用于接受卫星信号，以进行定位；
控制器，所述控制器设置在所述车架上，所述控制器配置成用于控制所述割草电机以及割台升降机构，还配置成根据所述GPS的定位信息控制所述行走电机和转向机构，以实现无人割草车的自主导航；
电池组，所述电池组设置在所述车架上，用于为所述行走电机、转向机构、割草电机、割台升降机构、GPS系统以及所述控制器供电。
根据本申请的至少一个实施方式，所述转向机构包括：
拉杆机构，所述拉杆机构设置在所述车架前端，用于控制所述前轮转向；
转向电机，所述转向电机设置在所述车架前端，并与所述拉杆机构连接，用于为所述拉杆机构提供动力。
根据本申请的至少一个实施方式，所述割台数量为两个，左右对称设置在所述车架上，且两个所述割台由位于其中部的同一个所述割草电机驱动。
根据本申请的至少一个实施方式，所述割台升降机构包括：
升降台，所述升降台通过垂直于所述车架底面方向的至少两个支撑杆，设置在所述前轮与所述后轮之间的所述车架上，且所述升降台能够在所述支撑杆上沿垂直于所述车架底面方向滑动；
丝杠，所述丝杠设置在所述升降台与所述车架之间，用于驱动所述升降台沿垂直于所述车架底面方向滑动；
割台升降电机，所述割台升降电机设置在所述升降台上，并与所述丝杠连接，用于为所述丝杠提供动力；其中
所述割草电机设置在所述升降台上，用于驱动左右两侧的所述割台进行割草。
根据本申请的至少一个实施方式，所述割草电机通过传动皮带与所述割台连接。
根据本申请的至少一个实施方式，所述GPS系统包括：
前GPS天线，所述前GPS天线设置在所述车架前端顶部；
后GPS天线，所述后GPS天线设置在所述车架后端顶部；
GPS接收机，所述GPS接收机设置在所述车架上，与所述前GPS天线和后GPS天线连接。
根据本申请的至少一个实施方式，所述的无人割草车还包括：
GPS差分天线，所述GPS差分天线设置在所述车架后端顶部，并与所述GPS接收机连接，用于接收基站差分信号。
根据本申请的至少一个实施方式，所述的无人割草车还包括：
摄像头，所述摄像头设置在所述车架前端顶部，用于实时获取所述无人割草车前部的图像信息；其中
所述控制器配置成根据所述GPS的定位信息与所述摄像头的图像信息控制所述行走电机和转向机构，以实现无人割草车的自主导航；
所述电池组用于为所述摄像头供电。
根据本申请的至少一个实施方式，所述的无人割草车还包括：
前碰撞传感器和/或前雷达探头，所述前碰撞传感器和/或前雷达探头设置在所述车架前端端部；
后碰撞传感器和/或后雷达探头，所述后碰撞传感器和/或后雷达探头设置在所述车架后端端部；其中
所述控制器配置成根据所述GPS的定位信息、所述摄像头的图像信息、所述前碰撞传感器和/或前雷达探头检测信息、后碰撞传感器和/或后雷达探头检测信息控制所述行走电机和转向机构，以实现无人割草车的自主导航；
所述电池组用于为所述前碰撞传感器和/或前雷达探头、后碰撞传感器和/或后雷达探头供电。
根据本申请的至少一个实施方式，所述的无人割草车还包括：
无线监控电台天线，所述监控电台天线设置在所述车架后端顶部，所述监控电台天线用于将所述摄像头采集的图像信息进行发送。
根据本申请的至少一个实施方式，所述前雷达探头和所述后雷达探头分别为8个，分别均布所述车架前端端部以及所述车架后端端部。
根据本申请的至少一个实施方式，所述电池组包括：
第一电池组，所述第一电池组设置在所述车架前端；
第一继电器，所述第一继电器用于控制所述第一电池组的输出；
第二电池组，所述第二电池组设置在所述车架后端；
第二继电器，所述第二继电器用于控制所述第二电池组的输出；其中
所述控制器配置成根据第一预定条件控制所述第一继电器和所述第二继电器，以控制所述第一电池组和所述第二电池组的供电顺序。
根据本申请的至少一个实施方式，所述预定条件为：
所述第一电池组与所述第二电池组的综合差值D与第一预定阈值D1 和第二预定阈值D2之间的关系；其中
所述控制器配置成：
当综合差值D小于第一预定阈值D1时，控制所述第一电池组供电；
当综合差值D大于第二预定阈值D2时，控制所述第二电池组供电；
当综合差值D处于所述第一预定阈值D1与所述第二预定阈值D2之间时，控制所述第一电池组和所述第二电池组同时供电。
根据本申请的至少一个实施方式，所述前轮和后轮的数量分别为两个，其中，每个所述前轮单独与一个所述转向机构连接，每个所述后轮单独一个所述行走电机连接。
根据本申请的至少一个实施方式，所述控制器配置成根据所述无人割草车前后轮轴距L、轮距为B、转向半径为r以及车速V控制每个所述前轮转向角度，以及控制每个所述后轮速度。
根据本申请的至少一个实施方式，所述控制器根据如下公式获取每个所述前轮转向角度以及每个所述后轮速度：
其中，θ1和θ2分别为两个前轮转向角度，V3和V4分别为两个所述后轮速度。
根据本申请的至少一个实施方式，所述的无人割草车还包括：
驱动箱，所述驱动箱设置在所述车架后端顶部，所述行走电机的驱动器、转向电机的驱动器、割草电机的驱动器以及割台升降电机的驱动器均设置在所述驱动箱内，且所述驱动箱设置有风冷散热进行散热。
根据本申请的至少一个实施方式，所述的无人割草车还包括：
控制箱，所述控制箱设置在所述车架后端顶部，所述控制器设置在所述驱动箱内。
根据本申请的至少一个实施方式，所述控制器配置成根据采集的位置信息，将草坪作业区域划分为多个矩形区域，每个矩形区域内规划往复式路径。
本申请至少存在以下有益技术效果：
本申请的无人割草车，其行走驱动、转向驱动、割台升降和割刀旋转等运动机构全采用直流电机驱动，使得控制统一，方便高效，且噪音小，不会造成空气污染；另外，整体嵌入车身中央的中置式可升降割台，割台高度调节更加方便，割草车行进时中置式的割台比割台挂着车前和车后的割台摆动更小，运行稳定性更好，割草效果更佳。
附图说明
图1是本申请无人割草车的结构示意图；
图2是本申请无人割草车运动模型示意图；
图3是本申请无人割草车控制系统结构示意图；
图4是本申请无人割草车往复式路径规划示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
下面结合附图1至图4对本申请无人割草车做进一步详细说明。
本申请公开了一种无人割草车，可以包括车架3以及设置在车架3前后端的前轮4和后轮5；如图1所示，本实施例中，优选前轮4和后轮5的数量分别为两个。进一步，无人割草车还可以包括、行走电机、转向机构、割台6、割草电机10、割台升降机构、GPS系统、控制器以及电池组等部件。
其中，行走电机可以通过相应的电机支架固定设置在车架3后端，并直接或通过齿轮箱等机构与后轮5连接，从而能够带动后轮5转动，以驱动无人割草车行走。另外。在本实施例在，优选每个后轮5单独一个行走电机进行驱动。
转向机构固定设置在车架3上，用于控制前轮4转向。本实施例中，优选转向机构包括拉杆机构81和转向电机8；其中，拉杆机构81可以采用目前常规割草车或者对应车辆的拉杆机构，拉杆机构81固定设置在车架3 前端，用于控制前轮4转向；转向电机8通过相应的电机支架固定设置在车架3前端，并与拉杆机构81连接，用于为拉杆机构81提供动力。
割台6设置在前轮4与后轮5之间的车架3上，割台6内置割刀，用于割草；同样，割台6可以采用目前常规割草车上的割台结构。割草电机10通过相应的电机支架固定设置在车架3上，用于驱动割台6进行割草。进一步，本实施例中，优选割台6数量为两个，左右对称设置在车架3上，且两个割台6由位于其中部的同一个割草电机10驱动。进一步，本实施例中，优选割草电机10通过传动皮带7与割台6连接，通过传动皮带7带动割台6 两侧割刀旋转实现割草作业功能。
割台升降机构固定设置在车架3上，并与割台6连接，用于受控地驱动割台6沿垂直车架3底面方向进行移动。进一步地，本实施例中，优选割台升降机构包括升降台61、丝杠20以及割台升降电机10。
升降台61通过垂直于车架3底面方向的至少两个支撑杆62，设置在前轮4与后轮5之间的车架3上，且升降台61能够在支撑杆62上沿垂直于车架 3底面方向滑动；本实施例中，优选支撑杆62的数量为4个，均匀分布在升降台61四个角。
丝杠20设置在升降台61与车架3之间，用于驱动升降台61沿垂直于车架3底面方向滑动；其中，优选丝杠20为梯形丝杠。
割台升降电机10通过相应的电机支架固定设置在升降台61上，并与丝杠20连接，用于为丝杠20提供动力；其中，上述割草电机10同样是固定设置在升降台61上，用于驱动左右两侧的割台6进行割草。
GPS系统固定设置在车架3上，用于接受卫星信号，以进行定位；具体地，GPS系统可以前GPS天线13、后GPS天线14以及GPS接收机。
前GPS天线13固定设置在车架3前端顶部(车身前梁中央上端)；后 GPS天线14固定设置在车架3后端顶部(车身后梁中央上端)；GPS接收机设置在车架3上，与前GPS天线13和后GPS天线14连接。
进一步地，GPS系统还可以包括GPS差分天线15；GPS差分天线15设置在车架3后端顶部，并与GPS接收机连接，用于接收基站差分信号进行解算。
控制器固定设置在车架3上，控制器配置成用于控制割草电机10以及割台升降机构，还配置成根据GPS的定位信息控制行走电机和转向机构，以实现无人割草车的自主导航；
电池组设置在车架3上，用于为行走电机、转向机构、割草电机10、割台升降机构、GPS系统以及所述控制器供电。
进一步，本申请的无人割草车还可以包括摄像头11；摄像头11设置在车架3前端顶部，用于实时获取无人割草车前部的图像信息，断前方是否存在障碍物，并根据障碍物的类型、大小实时调整规划路径；其中，控制器配置成根据GPS的定位信息与摄像头11的图像信息控制行走电机和转向机构，实现自主导航，通过CAN总线控制行走、转向、割草和割台升降电机驱动；上述电池组还用于为摄像头11供电。
进一步，本申请的无人割草车还可以包括前碰撞传感器18和/或前雷达探头、后碰撞传感器19和/或后雷达探头。
前碰撞传感器18和/或前雷达探头设置在车架3前端端部，后碰撞传感器19和/或后雷达探头设置在所述车架3后端端部。本实施例中，优选前雷达探头和后雷达探头分别为8个，分别均布车架3前端端部以及车架3后端端部。其中，控制器配置成根据GPS的定位信息、摄像头11的图像信息、前碰撞传感器18和/或前雷达探头检测信息、后碰撞传感器19和/或后雷达探头检测信息控制行走电机和转向机构，以实现无人割草车的自主导航。进一步，上述电池组还用于为前碰撞传感器18和/或前雷达探头、后碰撞传感器19和/或后雷达探头供电。
进一步，本申请的无人割草车还可以包括无线监控电台天线16；监控电台天线16固定设置在车架3后端顶部，用于将摄像头11采集的图像信息进行发送至监控端。
进一步，本申请的无人割草车中，电池组可以包括第一电池组1和第二电池组2。
第一电池组1固定置在车架3前端，可以通过第一继电器KM1控制第一电池组1的输出；第二电池组2固定设置在车架3后端，可以通过第二继电器KM2控制第二电池组2的输出；其中，控制器配置成根据第一预定条件控制第一继电器和第二继电器，以控制第一电池组1和第二电池组2的供电顺序。
本实施例中，设计双电池电源管理机制，大电流继电器KM1和KM2 分别用来控制第一电池组1和第二电池组2的输出，双电池的供电切换公式如下所示：
其中V1、V2为两个电池电压值；C1、C2为两个电池电量值；ΔV、ΔC为电池电压、电量差值；a、b为系数。
D表示两锂电池组综合差值，当综合差值D小于第一预定阈值D1时，控制第一电池组1供电；当综合差值D大于第二预定阈值D2时，控制第二电池组2供电；当综合差值D处于第一预定阈值D1与第二预定阈值D2之间时，控制第一电池组1和第二电池组2同时供电。同时，为防止大电流继电器频繁操作通断切换，设计延迟“回型”死区。
进一步，本申请的无人割草车中，控制器配置成根据无人割草车前后轮轴距L、轮距为B以、转向半径为r以及车速V控制每个前轮4转向角度，以及控制每个后轮5速度。
具体地，本申请的无人割草车采用后轮驱动、前轮转向的运动模式，运动模型如图2所示，无人割草车前后轮轴距为L，轮距为B，转向半径为 r，A1为左前轮，A2为右前轮，A3为左后轮，A4右后轮，取后轮轴心处速度V为车速，θ1和θ2分别为前轮A1和A2的转向角度，V3和V4分别为后轮A 和A4的速度。左、右后轮分别由两个独立伺服电机电动，通过运动模型计算获得两个后轮的电子差速值。当速度V和转向半径r给定时，便可根据如下模型公式获取每个前轮转向角度以及每个后轮速度：
进一步地，本申请的无人割草车还可以包括驱动箱12以及控制箱17。
其中，无人割草车所用行走电机、转向电机、割草电机、割台升降电机的驱动器全部采用CAN总线连接至控制器统一收发指令控制，各电机驱动器布置在驱动箱12内，采用风冷散热。控制器及其他控制连接器件布置控制箱17内。
进一步地，本申请的无人割草车中，根据采集的位置信息规划出纯电动无人割草车的割草作业路径，将草坪作业区域划分为多个矩形区域，每个矩形区域内规划往复式路径，由于无人割草车前进和后退都能进行割草作业，因此采取前进后退遍历割草作业方式，区别于常用的绕圈的方式，越往后圈越小时割草效率低。如图4所示往复式规划路径示意图，采用往复式割草作业方式时路径的首尾端头会出现部分漏割区域，只需再在最后补割一刀即可。
综上所述，本申请的无人割草车，采用双电池设计可保证一个电池出故障时另一个电池能维持无人割草车正常工作，同时配合电源管理分配系统，提高能源利用效率。另外，纯电动无人割草车行走驱动、转向驱动、割台升降和割刀旋转等运动机构全采用直流电机驱动，控制统一，方便高效。进一步，整体嵌入车身中央的中置式可升降割台，割台高度调节更加方便，割草车行进时中置式的割台比割台挂着车前和车后的割台摆动更小，运行稳定性更好，割草效果更佳。再有，以实时动态差分 GPS获得位置和航向信息用于无人车室外精准定位，路径规划，并配合实时视频图像处理获取无人割草车行进方向上动态环境信息，分析是否存在障碍物，进行实时动态规划调整路径，最终实现自主运行导航功能。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无人割草车，包括车架(3)以及设置在所述车架(3)前后端的前轮(4)和后轮(5)，其特征在于，所述无人割草车还包括：
行走电机，所述行走电机设置在所述车架(3)后端，用于带动所述后轮(5)以驱动所述无人割草车行走；
转向机构，所述转向机构设置在所述车架(3)上，用于控制所述前轮(4)转向；
割台(6)，所述割台(6)设置在所述前轮(4)与所述后轮(5)之间的所述车架(3)上，所述割台(6)内置割刀，用于割草；
割草电机(10)，所述割台(6)设置在所述车架(3)上，用于驱动所述割台(6)进行割草；
割台升降机构，所述割台升降机构设置在所述车架(3)上，并与所述割台(6)连接，用于受控地驱动所述割台(6)沿垂直所述车架(3)底面方向进行移动；
GPS系统，所述GPS系统设置在所述车架(3)上，用于接受卫星信号，以进行定位；
控制器，所述控制器设置在所述车架(3)上，所述控制器配置成用于控制所述割草电机(10)以及割台升降机构，还配置成根据所述GPS的定位信息控制所述行走电机和转向机构，以实现无人割草车的自主导航；
电池组，所述电池组设置在所述车架(3)上，用于为所述行走电机、转向机构、割草电机(10)、割台升降机构、GPS系统以及所述控制器供电。
2.根据权利要求1所述的无人割草车，其特征在于，所述转向机构包括：
拉杆机构(81)，所述拉杆机构(81)设置在所述车架(3)前端，用于控制所述前轮(4)转向；
转向电机(8)，所述转向电机(8)设置在所述车架(3)前端，并与所述拉杆机构(81)连接，用于为所述拉杆机构(81)提供动力。
3.根据权利要求1所述的无人割草车，其特征在于，所述割台(6)数量为两个，左右对称设置在所述车架(3)上，且两个所述割台(6)由位于其中部的同一个所述割草电机(10)驱动。
4.根据权利要求3所述的无人割草车，其特征在于，所述割台升降机构包括：
升降台(61)，所述升降台(61)通过垂直于所述车架(3)底面方向的至少两个支撑杆(62)，设置在所述前轮(4)与所述后轮(5)之间的所述车架(3)上，且所述升降台(61)能够在所述支撑杆(62)上沿垂直于所述车架(3)底面方向滑动；
丝杠(20)，所述丝杠(20)设置在所述升降台(61)与所述车架(3)之间，用于驱动所述升降台(61)沿垂直于所述车架(3)底面方向滑动；
割台升降电机(10)，所述割台升降电机(10)设置在所述升降台(61)上，并与所述丝杠(20)连接，用于为所述丝杠(20)提供动力；其中
所述割草电机(10)设置在所述升降台(61)上，用于驱动左右两侧的所述割台(6)进行割草。
5.根据权利要求4所述的无人割草车，其特征在于，所述割草电机(10)通过传动皮带(7)与所述割台(6)连接。
6.根据权利要求1所述的无人割草车，其特征在于，所述GPS系统包括：
前GPS天线(13)，所述前GPS天线(13)设置在所述车架(3)前端顶部；
后GPS天线(14)，所述后GPS天线(14)设置在所述车架(3)后端顶部；
GPS接收机，所述GPS接收机设置在所述车架(3)上，与所述前GPS天线(13)和后GPS天线(14)连接。
7.根据权利要求6所述的无人割草车，其特征在于，还包括：
GPS差分天线(15)，所述GPS差分天线(15)设置在所述车架(3)后端顶部，并与所述GPS接收机连接，用于接收基站差分信号。
8.根据权利要求7所述的无人割草车，其特征在于，还包括：
摄像头(11)，所述摄像头(11)设置在所述车架(3)前端顶部，用于实时获取所述无人割草车前部的图像信息；其中
所述控制器配置成根据所述GPS的定位信息与所述摄像头(11)的图像信息控制所述行走电机和转向机构，以实现无人割草车的自主导航；
所述电池组用于为所述摄像头(11)供电。
9.根据权利要求8所述的无人割草车，其特征在于，还包括：
前碰撞传感器(18)和/或前雷达探头，所述前碰撞传感器(18)和/或前雷达探头设置在所述车架(3)前端端部；
后碰撞传感器(19)和/或后雷达探头，所述后碰撞传感器(19)和/或后雷达探头设置在所述车架(3)后端端部；其中
所述控制器配置成根据所述GPS的定位信息、所述摄像头(11)的图像信息、所述前碰撞传感器(18)和/或前雷达探头检测信息、后碰撞传感器(19)和/或后雷达探头检测信息控制所述行走电机和转向机构，以实现无人割草车的自主导航；
所述电池组用于为所述前碰撞传感器(18)和/或前雷达探头、后碰撞传感器(19)和/或后雷达探头供电。
10.根据权利要求8所述的无人割草车，其特征在于，还包括：
无线监控电台天线(16)，所述监控电台天线(16)设置在所述车架(3)后端顶部，所述监控电台天线(16)用于将所述摄像头(11)采集的图像信息进行发送。
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