CN112040763A - 割草机的自适应控制 - Google Patents

Abstract

一种割草机可以自适应地进行控制，以基于驱动切割刀片的电动机所经受的负载来优化效率。如果负载低于阈值，则可以提高割草机的地速。还可以监测割草机的性能，以识别正被切割区域的特征，然后可以使用这些特征进一步提高割草机的效率。

Description

割草机的自适应控制

背景技术

本申请的主题可以与于2017年10月26日提交的共同所有的美国专利申请US15/795,065(‘065申请)中描述的可调节割草机机壳相结合，其内容通过引用合并于此。

高尔夫球场、草地农场以及具有广阔草地区域的其他场所通常采用大型商业割草机来割草。典型的商用割草机可能包括容纳多个切割刀片的多个“割草机机壳”。与普通的家用割草机不同，商用割草机的割草机机壳通常容纳多个(例如2-4个)切割刀片。

割草机机壳经常被拖拉机拖拉并由拖拉机驱动。除了昂贵之外，基于拖拉机的割草机通常还需要操作者，该操作者简单地将拖拉机的速度设置为期望的速度并沿期望的路径驾驶拖拉机。在这种情况下，操作者可能难以或不可能以最大的效率割草。例如，操作者可以以对于待割区域中的特定部分来说也许理想的特定速度开始割草，但是他可能完全不知道该特定速度对于该区域中的其他部分而言并不理想。结果，相对于能使效率最大化的速度，操作者可能最终以太快或太慢的速度切割该区域。

发明内容

本发明延伸到割草机和用于自适应地控制割草机以优化效率的方法。基于用于驱动割草机的切割刀片的电动机的负载，可以调节割草机的地速。本发明还延伸到用于监测割草机的性能以识别正被切割的区域的特征，然后使用这些特征来进一步提高割草机的效率的方法。

在一个实施例中，本发明实施为一种割草机，该割草机包括：动力装置，所述动力装置使所述割草机以地速行驶；一个或多个割草机机壳，其容纳一个或多个切割刀片，每个所述割草机机壳包括用于驱动所述一个或多个切割刀片的一个或多个电动机，所述一个或多个割草机机壳中的至少一个割草机机壳包括用于监测所述一个或多个电动机中的至少一个电动机的负载的传感器；以及控制模块，所述控制模块从每个传感器接收监测负载并生成一个或多个控制信号，所述一个或多个控制信号用于基于所述监测负载来调节所述地速，从而基于驱动所述一个或多个切割刀片所需的负载来调节所述割草机的地速。

在另一个实施例中，本发明实施为一种用于控制割草机的方法，所述割草机包括动力装置和一个或多个割草机机壳，所述一个或多个割草机机壳具有用于驱动一个或多个切割刀片的一个或多个电动机，所述方法包括：在所述割草机的控制模块处接收所述一个或多个割草机机壳的所述一个或多个电动机中的至少一个电动机的监测负载；比较所述监测负载和最佳负载参数；并且当所述监测负载不同于所述最佳负载参数时，生成一个或多个控制信号，以使所述动力装置调节所述割草机的地速。

在另一个实施例中，本发明实施为一种割草机，所述割草机包括：使所述割草机以地速行驶的动力装置；多个割草机机壳，每个割草机机壳容纳一个或多个切割刀片，并具有用于驱动所述一个或多个切割刀片的一个或多个电动机，每个割草机机壳还包括用于所述一个或多个电动机中的每个电动机的传感器，每个传感器监测并报告相应电动机的负载；以及控制模块，所述控制模块被配置为接收和处理由所述传感器报告的负载，并基于所述负载来调节所述割草机的地速。

提供本发明内容以用简化的形式介绍一些构想的选择，这些构想将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容并不旨在确定所要求保护的主题的关键特征或必要特征。

附图说明

为了描述获得本发明的上述及其他优点和特征的方式，通过参考在附图中示出的本发明的具体实施例，将对以上简要描述的本发明内容进行更具体的描述。可以理解的是，这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此不应认为是对本发明范围的限制，将通过使用附图，以附加的特征和细节来描述和解释本发明，这些附图中：

图1示出了具有不同密度部分的草地的示例；

图2示出了可用于实施本发明的实施例的割草机的示例；

图3示出了图2中割草机的割草机机壳；

图4提供了可以实施本发明的实施例的割草机的控制系统的框图；

图5提供了控制系统的另一框图；以及

图6提供了控制系统的另一框图。

具体实施方式

在本说明书和权利要求书中，术语“割草机”应解释为可以在地面上推进并且能够割草的设备。本领域技术人员将理解，割草机有许多不同类型和配置。因此，尽管以下描述将采用以支持多个割草机机壳的拖拉机的形式的割草机的示例为例，但是应当理解，可以将任何类型的割草机配置为实施本发明的实施例。术语“割草机机壳”应解释为容纳有一个或多个切割刀片的割草机的部件。术语“动力装置”应解释为使割草机以地速行驶的割草机的部件。因此，割草机的动力装置可以包括引擎、变速器、电动机和/或其他部件。

图1提供了具有不同草密度的部分的草地区域100的代表。在这种情况下，术语“密度”应解释为割草机的切割刀片必须切割的草量。密度的差异可能由多种原因中的任何一种引起，包括叶片较厚、叶片浓度较高等，这些原因不应视为对本发明的限制。区域100包括平均密度部分100a、较低密度部分100b和较高密度部分100c。当然，在给定的草地上，任何模式下的密度变化都可能发生。

如背景技术中所述的，对于典型的商用割草机，操作者可以在将割草机设置为操作者认为合适的特定速度的情况下开始给区域100割草。如果操作者开始在区域100的右上角进行割草，则部分100b中较低的密度可能会使得操作者选择相对较快的速度，因为随着切割刀片切入的越少，动力装置将要经受的负载就越低。然后，当割草机进入平均密度100a的部分时，割草机行驶的速度可能导致动力装置经受过大的负载。但是，操作者很可能不会注意到负载的增加，因此不会调节速度。结果，割草机的运转效率可能较低，甚至可能受到损坏。相反，如果操作者开始在区域100的左下角割草，则他或她可以基于部分100c中增加的密度来选择相对较慢的速度。在这种情况下，区域100的其余部分可能以远低于最佳速度的速度被切割，从而导致燃料和/或人工成本增加。

根据本发明的实施例配置的割草机可以解决这些和其他问题，以提高割草机的效率并确保草的最佳切割，同时还收集草的特征以进一步改善后续的割草。本发明可以应用于包括单个割草机机壳或多个割草机机壳的割草机，并且可以应用于手动操作或自驱动的割草机。在许多情况下，割草机可包括一个以上的割草机机壳，每个割草机机壳均配置为提供可用于自适应地控制割草机的运行的反馈。

图2提供了割草机200的示例，该割草机可以被配置为实施本发明的实施例。如图所示，割草机200被配置为具有动力装置210的拖拉机，该动力装置210向多个割草机机壳300a-300c(或统称为300)中的每一个以及割草机的动力传动系统提供动力。换句话说，动力装置210提供动力以将割草机200推过地面并向每个使切割刀片旋转的割草机机壳300上的一个或多个电动机供电。可以使用任何动力传动系统配置，并且动力传动系统的特定类型对于本发明并非必要。在某些情况下，并且与所描述的实施例相反，动力传动系统可以耦接至形成割草机机壳300的一部分的轮子或滚轮。对于本发明而言，重要的是可以控制动力装置210和/或动力传动系统以改变割草机200的地速。

图3示出了可以在割草机200上使用的示例割草机机壳300的单独的视图。割草机机壳300容纳多个切割刀片(在所示示例中为四个)并包括两个用于驱动切割刀片的电动机302。在该示例中，每个电动机302独立地驱动两个切割刀片。当然，割草机机壳可以包括单个电动机或两个以上电动机，这些电动机驱动任何合理数量的切割刀片。割草机机壳300还包括前后滚筒，前后滚筒经由联动装置301联接在一起，在‘065申请中对该联动装置进行了详细描述。在一些实施例中，滚筒可以被四个轮子代替。如在‘065申请中也描述过的，联动装置301允许割草机机壳300用单个动作统一地调节相对于地面的高度。

因为每个电动机302驱动两个切割刀片(或者，在其他实施例中，驱动至少一个切割刀片)，所以电动机302将经受主要基于被切割的草的密度而变化的负载。例如，如果割草机200用于切割区域100，则电动机302在部分100c中将经受比在部分100a和100b中更大的负载。当电动机302经受此更大的负载时，它们还将需要来自动力装置210的更多功率，从而增加了动力装置210的负载。因此，动力单元210的燃料消耗将取决于割草机200的地速和每个电动机302的负载。

根据本发明的实施例，割草机200可以配置有控制系统，该控制系统自适应地改变割草机200的一个或多个运行特性以提高割草机200的效率。图4提供了表示该控制系统的框图。如图所示，割草机200可以包括控制模块220，并且割草机机壳300a-300c中的每一个可以包括传感器303，用于监测对应的电动机302上的负载。控制模块220可以代表任何合适类型的电路，包括处理器、微控制器、FPGA、ASIC、PLC等。传感器303可以代表能够监测电动机302的负载并将负载报告给控制模块220的任何类型的设备或电路，如图4中的箭头所示。

尽管图4描绘了一个实施例，其中传感器303专用于每个割草机机壳300上的每个电动机302，但是也可以在每个割草机机壳上仅在一个电动机302上使用传感器303，或整个割草机200的只使用单个传感器303。在这种情况下，传感器303报告的负载可归因于同一割草机机壳300中的其他电动机302或每个割草机机壳300的所有其他电动机302。简而言之，如果割草机200包括n个电动机302，则其可以包括在1和n之间的任意数量的传感器303，以监测电动机302上的负载。然而，n个电动机302具有n个传感器303可能是优选的，因为它允许一直监测每个电动机302上的实际负载。

控制模块220还可以与动力装置210通信，以便基于传感器303报告的负载来调节割草机200的地速。出于本说明书和权利要求书的目的，动力装置210可以代表任何可以使得割草机200的地速被调节的部件(例如，油门、变速器等)。时常优选在不使割草机机壳300的性能下降的最高地速下运行割草机200。例如，人工成本通常可以超过燃料成本，从而在高地速下运行割草机200也效率更高，即使这样做降低了燃料效率。然而，如果地速过高，割草机机壳300可能割草不佳或经受过度磨损。因此，控制模块220可以利用传感器303报告的电动机302上的负载来确定割草机200的当前地速是否最佳，如果不是，则产生控制信号以使动力装置210将地速调节至最佳水平。

在一些实施例中，控制模块220可以被编程为具有最佳负载参数，该最优负载参数表示当割草机200针对草的当前密度以最佳地速行驶时，电动机302应当经受的负载。该最佳负载参数可以是单个值或适用于所有电动机302的值的范围(即，相同的值或值的范围可以适用于任何电动机的当前负载)或包括传感器303所监测的每个电动机302的单个值或值的范围的组(即，可以使用电动机专门的值或范围)。如下面将进一步描述的，最佳的值可基于操作者的期望、环境条件或其他因素而变化。

当每个传感器303报告其对应的电动机302的当前负载时，控制模块220可以将报告的负载与最佳负载参数进行比较。如果所有当前负载都低于最佳负载参数，则控制模块220可以确定割草机200的地速可以提高，并且因此可以发送控制信号以使动力装置210将地速提高指定量。例如，控制模块220可以以一些限定的增量或基于最佳负载参数与当前负载之间的差而动态计算的值来调节油门。随着地速的提高，电动机302应经受负载的增加(除非地速的提高与向密度较小的草的过渡相结合地发生了)。传感器303将检测到该增加的负载并将其报告给控制模块220，控制模块220可以再次确定是否应当调节割草机200的地速。如果报告的负载仍低于最佳负载参数，则控制模块220可再次输出控制信号以提高割草机200的地速。相反，如果控制模块220确定任何报告的负载超过最佳负载参数，则控制模块220可以输出控制信号以使地速降低。以这种方式，传感器303和控制模块220实现了闭环控制系统。

如上所述，可以使用针对每个割草机机壳300上的每个电动机302的传感器303来实现该闭环控制系统，从而基于任何电动机302经受的实际负载来调节地速。该闭环控制系统还可以使用比电动机302更少的传感器303来实现。控制模块220可以配置为并行地处理传感器303报告的负载，或者可以按顺序处理负载。在任何一种情况下，都可以连续地或以周期性的间隔(例如，每几秒钟)执行该处理。

在一些实施例中，在调节割草机200的地速之外或取代它，控制模块220可以基于电动机302经受的当前负载来改变切割刀片的高度。例如，如图5所示，每个割草机机壳300可包括高度控制部件304，其被配置为调节切割刀片相对于地面的高度。‘065申请公开了高度控制部件304的一种合适的实施方式。然而，可以使用能够响应于从控制模块220接收的控制信号来调节切割刀片的高度的任何部件，包括结合到割草机200(而不是割草机机壳300)中的部件。

作为示例，割草机200可以进入部分100c并经受电动机302上急剧增加的负载。结合检测传感器303报告的增加的负载，控制模块220还可以确定割草机200的当前地速处于或低于限定的地速阈值(可以作为单个值或值的范围被编程到控制模块220中或以其他方式使其可被控制模块220访问)。在这种情况下，控制模块220可以确定提高割草机机壳300的切割高度比进一步降低地速(或可能除了进一步降低地速外还提高切割高度)将更有效。结果，控制模块220可以将控制信号输出到高度控制部件304，以使它们自动改变割草机机壳300的切割高度。可替换地，控制模块220可以向操作者输出指示他或她应该与高度控制部件304对接以提高切割高度。当提高切割高度以切割特定部分时，可以控制割草机200随后降低切割高度并重新切割该部分，从而最终将其切割成与其他草段相同的高度。可替代地，一旦降低了切割高度，控制模块220可以向操作者提供指示操作者重新切割该部分的反馈。

总之，控制模块220可以存储或以其他方式访问表示割草机200的最佳运行特性的阈值参数，并且可以对照这些阈值参数评估电动机302的当前负载，并使地速和/或切割高度适于尝试使当前运行特性与最佳运行特性相匹配。这些阈值参数可以是静态值，也可以是基于环境条件(例如，温度、湿度、土壤电导率等)、操作者输入(例如，标识了使燃料效率或吞吐量最大化的期望的输入)或任何其他因素的动态更新值。例如，如果操作者指定了以最高的合理地速运行割草机200的期望，则将最佳负载参数设置为相对较高的值，即使这样做可能导致动力装置210的燃料效率也较低。相反，如果操作者指定了以良好的燃料效率来操作割草机200的期望，则最佳负载参数可以被设置为将使动力装置210的燃料效率最大化的值，即使这可能导致割草机200以较慢的地速运行。

在一些实施例中，割草机200还可以配置有地点模块230，该地点模块230向控制模块220提供地点信息(例如，GPS坐标)。在这种情况下，控制模块220可以结合对电动机302上的负载的监测跟踪割草机200的地点。例如，当控制模块220从传感器303接收负载时，控制模块220还可从地点模块230获取GPS坐标(或其他地点信息)，并将负载和相应的GPS坐标存储在存储器240和/或将负载和相应的GPS坐标发送到远程服务器。在一些实施例中，控制模块220还可以存储或发送具有负载和GPS坐标的相应的地速和/或切割高度信息。由于电动机302上的负载取决于被割草的密度，因此负载和GPS坐标的关联可用于映射已割草区域中草的密度。同样，通过将地速和切割高度相关联，可以获得更准确的密度图。尽管未示出，但是附加信息也可以与GPS坐标相关联，包括环境条件(例如湿度和温度)。而且，在一些实施例中，割草机机壳300可以配置有附加传感器以生成可以与GPS坐标相关联的其他值。例如，割草机机壳300可以包括其他位置传感设备的加速度计，该加速度计可以输出指示割草机机壳300的垂直运动(例如弹跳)的位置信息。通过将这些值映射到GPS坐标，可以识别出可能不平坦的部分，从而使操作者能够平滑处理不平坦的部分。简而言之，割草机200可以包括各种各样的多个传感器，这些传感器向控制模块220提供反馈，并且控制模块220可以同时从地点模块230获得地点信息，以使该反馈与特定地点相关联。

在一些实施例中，控制模块220和/或服务器可以处理负载值(和/或任何其他提供的反馈)和相关联的地点信息，以针对在被切割并由此产生的密度图区域内的每个特定地点产生密度。图1可以看作是这种密度图的图形表示。为了本说明书和权利要求书的目的，术语“密度图”可以看作是在割草机200正切割由地点信息限定的特定地点时，由一个或多个电动机302经历的地点信息和负载(或从负载得出的值)之间的关联。术语“密度图”还可被视为包括地点信息和在由地点信息限定的特定地点获得的其他传感器反馈之间的关联。

一旦已经生成密度图，则控制模块220可以在同一区域的后续割草过程中采用密度图。例如，如果割草机200用于切割区域100，则可以在切割区域100时根据控制模块220生成的关联来生成密度图。然后在区域100的后续割草过程中使该密度图可供控制模块220访问(例如，通过将其存储在存储器240中)。在这种情况下，当割草机200穿过区域100时，控制模块220可以从地点模块230获取当前GPS坐标，并使用当前的GPS坐标从存储的密度图中获取正被切割部分的密度。以这种方式，控制模块220可以预测要被切割的草的密度并且可以预先调节地速和/或切割高度。结合这些主动调节，控制模块220仍然可以基于如上所述的电动机302所经受的当前负载来进行回应性调节。

生成密度图的另一个优点是，它可以用于限定割草机200应该穿过的路径，以最少化需要对地速和/或切割高度进行的调节次数。例如，如果操作者通常通过穿过上下路径来切割区域100，则控制模块220可以指示操作者穿过左右路径以最少化为了使割草机200的效率最大化而需要进行的调节的次数。特别地，使用上下路径将使割草机200在部分100a和100b之间来回行驶多次，而使用左右路径将使割草机200在部分100a和100b之间行驶一次。如果割草机200被配置为自驱动割草机，则控制模块200可以使割草机200自动沿着最佳路径行驶。

密度图还可以用于识别可能需要维护的草地区域的部分或正在繁茂生长的部分。例如，为区域100生成的密度图可以识别出部分100c非常健康，从而鼓励操作者调查该部分为何繁茂生长。另一方面，相同的密度图可以识别出区域100b相对不健康，从而提示操作者解决产生问题的原由。简而言之，通过生成密度图(或通过提供可用于编译密度图的关联)，控制模块220使得修剪过程有了许多提升。

在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以其他特定形式实施。所描述的实施例在所有方面仅应被认为是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书而不是前面的描述指明。落入权利要求等同含义和范围内的所有更改均应包含在其范围之内。

Claims (21)

1.一种割草机，其特征在于，所述割草机包括：

动力装置，所述动力装置使所述割草机以地速行驶；

一个或多个割草机机壳，其容纳一个或多个切割刀片，每个所述割草机机壳包括用于驱动所述一个或多个切割刀片的一个或多个电动机，所述一个或多个割草机机壳中的至少一个割草机机壳包括用于监测所述一个或多个电动机中的至少一个电动机的负载的传感器；以及

控制模块，所述控制模块从每个传感器接收监测负载并生成一个或多个控制信号，所述一个或多个控制信号用于基于所述监测负载来调节所述地速，从而基于驱动所述一个或多个切割刀片所需的负载来调节所述割草机的地速。

2.根据权利要求1所述的割草机，其特征在于，每个割草机机壳包括用于所述一个或多个电动机中的每个电动机的传感器。

3.根据权利要求1所述的割草机，其特征在于，每个割草机机壳包括多个割草机和用于所述多个割草机中的每个割草机的传感器。

4.根据权利要求1所述的割草机，其特征在于，当所述监测负载小于最佳负载参数时，所述控制模块生成一个或多个控制信号以提高所述地速。

5.根据权利要求1所述的割草机，其特征在于，当从多个传感器中的每个传感器接收到的所述监测负载小于最佳负载参数时，所述控制模块生成一个或多个控制信号以提高所述地速。

6.根据权利要求1所述的割草机，其特征在于，当监测负载大于最佳负载参数时，所述控制模块生成一个或多个控制信号以降低所述地速。

7.根据权利要求1所述的割草机，其特征在于，当从多个传感器中的任何一个传感器接收到的监测负载大于最佳负载参数时，所述控制模块生成一个或多个控制信号以降低所述地速。

8.根据权利要求1所述的割草机，其特征在于，所述控制模块还生成一个或多个控制信号，以用于基于所述监测负载来调节所述一个或多个割草机机壳的切割高度。

9.根据权利要求8所述的割草机，其特征在于，所述控制模块生成一个或多个控制信号，以还基于所述割草机的地速来调节所述一个或多个割草机机壳的切割高度。

10.根据权利要求1所述的割草机，其特征在于，所述割草机还包括：

地点模块，所述地点模块将所述割草机的地点信息提供给所述控制模块；

其中所述控制模块将所述监测负载与相应的地点信息相关联。

11.根据权利要求10所述的割草机，其特征在于，所述控制模块被配置为具有以下各项的一项或两项：

将所述地点信息与相应的监测负载一起存储；或

将所述地点信息和相应的监测负载发送到外部计算系统。

12.根据权利要求10所述的割草机，其特征在于，所述控制模块还将一个或多个所述地速、所述一个或多个割草机机壳的切割高度、所述一个或多个割草机机壳的位置信息、或者环境条件与相应的地点信息相关联。

13.根据权利要求10所述的割草机，其特征在于，所述控制模块被配置为采用从相关联的监测负载以及所述割草机的相应的地点信息和当前的地点信息生成的密度图来调节所述割草机的地速。

14.根据权利要求1所述的割草机，其特征在于，所述割草机包括三个割草机机壳，每个割草机机壳包括两个用于驱动所述割草机机壳的切割刀片的电动机。

15.一种用于控制割草机的方法，所述割草机包括动力装置和具有用于驱动一个或多个切割刀片的一个或多个电动机的一个或多个割草机机壳，其特征在于，所述方法包括：

在所述割草机的控制模块处接收所述一个或多个割草机机壳中的所述一个或多个电动机中的至少一个电动机的监测负载；

比较所述监测负载和最佳负载参数；并且

当所述监测负载不同于所述最佳负载参数时，生成一个或多个控制信号，以使所述动力装置调节所述割草机的地速。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述控制模块接收多个电动机的监测负载，并在每个监测负载低于所述最佳负载参数时生成一个或多个控制信号，以使所述动力装置提高所述割草机的地速。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述控制模块接收多个电动机的监测负载，并且在任何监测负载高于所述最佳负载参数时生成所述一个或多个控制信号，以使所述动力装置降低所述割草机的地速。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述割草机行驶时接收地点信息；并且

将所述地点信息与当所述割草机位于由所述地点信息限定的地点时一个或多个电动机所经受的监测负载相关联。

19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

基于所述比较步骤调节所述一个或多个割草机机壳的切割高度。

20.一种割草机，其特征在于，所述割草机包括：

使所述割草机以地速行驶的动力装置；

多个割草机机壳，每个割草机机壳容纳一个或多个切割刀片，并具有用于驱动所述一个或多个切割刀片的一个或多个电动机，每个割草机机壳还包括用于所述一个或多个电动机中的每个电动机的传感器，每个所述传感器监测并报告相应电动机的负载；以及

控制模块，所述控制模块被配置为接收和处理由所述传感器报告的负载，并基于所述负载来调节所述割草机的地速。

21.根据权利要求20所述的割草机，其特征在于，所述割草机还包括：

地点模块，所述地点模块被配置为输出地点信息；

其中所述控制模块被配置为接收所述地点信息，并将代表特定地点的所述地点信息与所述特定地点处的电动机所经受的负载相关联。

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