CN112544206B - 一种手推式割草机刀盘高度调节系统及其调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手推式割草机刀盘高度调节系统及其调节方法，其中该系统包括机体，机体上固定连接有两组对称设置的支撑柱，支撑柱之间转动安装有转轴，转轴上固定套设有大带轮，大带轮通过传动带与小带轮连接，小带轮固定安装在第一电机的输出轴上，第一电机固定安装在支撑柱的底端；转轴上还固定套设有曲柄，曲柄的另一端与连杆的一端铰接，连杆的另一端与刀盘组件铰接。本发明通过带轮、曲柄连杆的结合能有效调节刀盘高度，同时采用单目相机、单线激光雷达和嵌入式处理器等控制刀盘根据牧草高度的变化实时调整，实现自动调节刀盘高度和精准定位；本发明结构简单，可以实时调节刀盘高度，实现精准调节，保护牧草的生长。

Description

一种手推式割草机刀盘高度调节系统及其调节方法

技术领域

本发明属于割草机技术领域，具体涉及一种手推式割草机刀盘高度调节系统及其调节方法。

背景技术

割草机是用以割除杂草的机器。机身上部有手把，下有长杆连接一锯齿状圆盘，藉由旋转圆盘以割断杂草。在传统割草机中，刀盘是不可以自动调节的，一般通过人工来调节，调节刀盘比较耗时耗力，降低了割草效率。这种割草机器人智能化水平较低，刀盘调节方式比较繁琐，所以我们需要发明自动调节刀盘的系统，提高生产效率和人工成本。

在中国公开专利：CN201821640242.7中，公开了一种可调节刀盘高度的自移动割草机器人，包括本体、刀盘驱动马达、刀盘组件、控制器、遥控器等。其中，刀盘高度调节装置通过升降刀盘的驱动马达以实现刀盘工作高度的升或降，传递方式使用齿轮齿条传动。然而，齿轮传动由于间隙存在产生较大的振动，所以拥有较大的噪声，影响工作人员身心健康。由于间隙的存在且不能很好地观测，所以不能精准调节刀盘高度，而且不能根据牧草高度的变化实时调整刀盘高度；

在中国公开专利：CN107690938A中，公开了一种带有高度调节装置的割草机，包括：一割草机构、一车身、一高度调节装置，高度调节装置设置在割草机构和所述车身之间，连接割草机构和车身；高度调节装置包括一液压装置及一滑轨装置，液压装置设置在车身上，液压装置的活动端与滑轨装置相固定，滑轨装置包括一滑道及一滑动件，滑道呈C型，滑动件嵌入在滑道内，并可在滑道内滑动，滑动件包括一底面及一侧面，滑动件的底面与液压装置相连接，滑动件的侧面与外壳连接。然而，使用液压装置及滑轨系统实现刀盘的高度调节，但是液压容易漏油，滑轨不能准确的调节高度，而且不能根据牧草高度的变化实时调整刀盘高度。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种手推式割草机刀盘高度调节系统及其调节方法，解决了现有割草机的不能精准调节刀盘高度，而且不能根据牧草高度的变化实时调整刀盘高度的问题。本发明无需人工来调节刀盘的高度，采用单目相机、单线激光雷达和嵌入式处理器等控制刀盘根据牧草高度的变化实时调整，实现自动调节刀盘高度和精准定位。

技术方案：本发明一种手推式割草机刀盘高度调节系统，包括机体，所述机体上固定连接有两组对称设置的支撑柱，所述支撑柱之间转动安装有转轴，所述转轴上固定套设有大带轮，所述大带轮通过传动带与小带轮连接，所述小带轮固定安装在第一电机的输出轴上，所述第一电机固定安装在支撑柱的底端；所述转轴上还固定套设有曲柄，所述曲柄的另一端与连杆的一端铰接，所述连杆的另一端与刀盘组件铰接，所述刀盘组件跟随连杆的运动在机体上上下移动；所述机体的前端固定安装有单线激光雷达，机体的底端固定安装有单目相机，所述单目相机与单线激光雷达均与嵌入式处理器电连接，所述嵌入式处理器与显示器电连接。

进一步的，所述单线激光雷达将激光雷达扫描的数据传入到嵌入式处理器，所述嵌入式处理器接收数据后采用SLAM算法生成二维栅格场景地图并通过栅格的大小得出单线激光雷达与牧草顶部之间的距离。

进一步的，所述刀盘组件包括在机体上上下移动的导套，所述导套的一端与连杆铰接，导套内固定安装有第二电机，所述第二电机的输出轴通过刀盘轴与刀盘固定连接。

进一步的，所述导套上设有刻度。

进一步的，所述第一电机与按钮控制器电连接，所述按钮控制器上设有分别控制第一电机正转、第一电机停止和第一电机反转的三个按钮。

进一步的，所述显示器和按钮控制器均固定安装在机体的把手上。

进一步的，所述单目相机的摄像头对准导套上的刻度位置。

进一步的，其特征在于：当割草机未工作时，单目相机的摄像头对准导套上的0刻度位置，此时刀盘位于最高处，刀盘与单线激光雷达的高度差h₁，单线激光雷达距离地面的距离为h₂，割草机放入草地时，单线激光雷达将激光雷达扫描的数据传入到嵌入式处理器，所述嵌入式处理器接收数据后采用SLAM算法生成二维栅格场景地图并通过栅格的大小得出单线激光雷达与牧草顶部之间的距离h₃,此时牧草的高度为△h₁＝h₂-h₃；开启第一电机，通过按钮控制器使其正转，导套向下运动，运动的刻度为△h₂＝h₃-h₁，此时刀盘位于牧草顶部的位置，再根据牧草需要切割的高度，通过按钮控制器使第一电机正转，导套继续向下运动，单目相机的摄像头实时监测导套移动的距离，导套再次移动的距离为牧草需要切割的高度，开启第二电机即可对牧草进行切割；切割完成后，第二电机关闭，按钮控制器首先使第一电机停止，然后使第一电机反转，导套向上运动，单目相机的摄像头监测导套移动至0刻度位置时，按钮控制器使第一电机停止运行，即完成整个切割过程。

有益效果：本发明通过带轮、曲柄连杆的结合能有效调节刀盘高度，同时采用单目相机、单线激光雷达和嵌入式处理器等控制刀盘根据牧草高度的变化实时调整，实现自动调节刀盘高度和精准定位；本发明结构简单，操作方便，提高了割草效率，拥有较好的静音效果，值得市场推广。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明另一视角结构示意图；

图3为第二电机与刀盘连接示意图；

图4为导套结构示意图；

图5为本发明仰视图；

图6为图5中E处放大图；

图7为曲柄与连杆带动刀盘组件结构示意图；

图8为采用SLAM算法生成的二维栅格图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

如图1至图8所示，本发明一种手推式割草机刀盘高度调节系统，包括机体1，机体1上固定连接有两组对称设置的支撑柱2，支撑柱2之间转动安装有转轴3，转轴3上固定套设有大带轮4，大带轮4通过传动带5与小带轮6连接，小带轮6到大带轮4做减速运动，为了能够让连杆9平稳的运动，需要减缓大带轮4的速度，小带轮6固定安装在第一电机7的输出轴上，其将动力传递给小带轮6做旋转运动，第一电机7固定安装在支撑柱2的底端；转轴3上还固定套设有曲柄8，曲柄8的另一端与连杆9的一端铰接，连杆9的另一端与刀盘组件10铰接，刀盘组件10跟随连杆9的运动在机体1上上下移动；在曲柄8和连杆9做曲柄摇杆运动，当曲柄8与连杆9共线时，此时连杆9处于死点位置，为了避免死点情况的发生，也可设定了刀盘至地面高度范围；

第一电机7与按钮控制器11电连接，按钮控制器11上设有分别控制第一电机7正转、第一电机7停止和第一电机7反转的三个按钮；操作人员可以按下控制第一电机7正转的按钮，第一电机7开始启动；当操作人员需要调节刀盘组件10的时候则可以通过按钮控制器11来控制刀盘组件10的高度，而带轮和曲柄连杆能实现动力的传输，还能实现低噪音；

刀盘组件10包括在机体1上上下移动的导套101，导套101上设有刻度，单位是厘米级，导套101的一端与连杆9铰接，导套101内固定安装有第二电机102，第二电机102的输出轴通过刀盘轴103与刀盘104固定连接；

机体1的前端固定安装有单线激光雷达12，机体1的底端固定安装有单目相机13，单目相机13与单线激光雷达12均与嵌入式处理器14电连接，嵌入式处理器14为嵌入式处理器Jetson Nano，嵌入式处理器14与显示器15电连接；单线激光雷达12将激光雷达扫描的数据传入到嵌入式处理器14，嵌入式处理器14接收数据后采用SLAM算法生成二维栅格场景地图，二维栅格场景地图可显示在显示器15中，在二维栅格地图中可以看到单线激光雷达12与牧草的位置，白色部分A是没有障碍物的区域，灰色部分B是待扫描的部分，黑色部分C是障碍物部分即牧草的位置，蓝色线D是单线激光雷达12运动的轨迹，通过栅格的大小得出单线激光雷达12与牧草顶部之间的距离；如果牧草的高度高于单线激光雷达12高度，工作人员可以先用割草机割除一片小区域；

目前激光SLAM算法方案主要有三类：一类是Gmapping算法，一类是Hector算法，还有是Cartographer算法。各方案特点如下表：

表1定位与建图方案

由表1可知，Cartographer算法建图效果较好，本申请使用Cartographer算法，该算法能够实时生成一个分辨率为r＝5cm的二维或者三维的室外地图，单线激光雷达12的扫描帧能够在短时间内高效准确地插入到子地图帧中，为了得到高精度地图，Cartographer没有用传统的粒子滤波，而是用了姿态优化，单线激光雷达12的数据帧只和子地图进行匹配，只与最近的扫描数据相关。因此，使用Cartographer算法可以绘制二维栅格地图，从而准确的测量单线激光雷达12与牧草顶部之间的距离；

显示器15和按钮控制器11均固定安装在机体1的把手上，单目相机13的摄像头对准导套101上的刻度位置；单线激光雷达12测量不同品种的草的高度，单目相机13用来实时观察刀盘组件10离地面的位置，其能将画面传输到显示器15中，在割草过程中可以实时根据牧草高度的变化进行刀盘组件10高度调节，实现刀盘组件10高度的精准调节；

手推式割草机刀盘高度调节系统的调节方法，当割草机未工作时，单目相机13的摄像头对准导套101上的0刻度位置，此时刀盘104位于最高处，刀盘104与单线激光雷达12的高度差h₁，单线激光雷达12距离地面的距离为h₂，割草机放入草地时，单线激光雷达12将激光雷达扫描的数据传入到嵌入式处理器14，嵌入式处理器14接收数据后采用SLAM算法生成二维栅格场景地图并通过栅格的大小得出单线激光雷达12与牧草顶部之间的距离为h₃,此时牧草的高度为△h₁＝h₂-h₃；开启第一电机7，通过按钮控制器11使其正转，第一电机7给小带轮6提供动力，驱使小带轮6做旋转运动，接着小带轮6通过传动带5将动力传递给大带轮4，接着曲柄8和连杆9做曲柄摇杆运动，带轮、曲柄连杆运动使得导套101向下运动，运动的刻度为△h₂＝h₃-h₁，单目相机13的摄像头将监测的画面传输给嵌入式处理器14，嵌入式处理器14将画面在传输到显示器15中，显示器15同时也将h₁、h₂、h₃、△h₁、△h₂数值显示出来，操作人员即可观察导套101移动的距离，此时刀盘104位于牧草顶部的位置；

根据不同种类牧草的生长高度，如表2所示，再配合单目相机13回传的导套101移动位置即可确定刀盘104的位置，精准的调节刀盘104高度，保护牧草的生长；

表2常见草坪修剪高度与频率

结合牧草需要切割的高度，通过按钮控制器11使第一电机7正转，导套101继续向下运动，单目相机13的摄像头实时监测导套101移动的距离，导套101再次移动的距离为牧草需要切割的高度，开启第二电机102即可对牧草进行切割；切割完成后，第二电机102关闭，按钮控制器11首先使第一电机7停止，然后使第一电机7反转，带轮、曲柄连杆运动使得导套101向上运动，单目相机13的摄像头监测导套101移动至0刻度位置时，按钮控制器11使第一电机7停止运行，即完成整个切割过程。本发明通过带轮、曲柄连杆的结合能有效解决精准调节刀盘高度，而且振动较低，噪音小，缓减工作人员身心健康；同时单目相机、单线激光雷达和嵌入式处理器等能根据割草时草地的高度变化能够实时调整刀盘高度，结构简单，操作方便，提高了割草效率，拥有较好的静音效果，值得市场推广。

Claims (7)

1.一种手推式割草机刀盘高度调节系统，包括机体，其特征在于：所述机体上固定连接有两组对称设置的支撑柱，所述支撑柱之间转动安装有转轴，所述转轴上固定套设有大带轮，所述大带轮通过传动带与小带轮连接，所述小带轮固定安装在第一电机的输出轴上，所述第一电机固定安装在支撑柱的底端；所述转轴上还固定套设有曲柄，所述曲柄的另一端与连杆的一端铰接，所述连杆的另一端与刀盘组件铰接，所述刀盘组件跟随连杆的运动在机体上上下移动；所述机体的前端固定安装有单线激光雷达，机体的底端固定安装有单目相机，所述单目相机与单线激光雷达均与嵌入式处理器电连接，所述嵌入式处理器与显示器电连接；所述单线激光雷达将激光雷达扫描的数据传入到嵌入式处理器，所述嵌入式处理器接收数据后采用SLAM算法生成二维栅格场景地图并通过栅格的大小得出单线激光雷达与牧草顶部之间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种手推式割草机刀盘高度调节系统，其特征在于：所述刀盘组件包括在机体上上下移动的导套，所述导套的一端与连杆铰接，导套内固定安装有第二电机，所述第二电机的输出轴通过刀盘轴与刀盘固定连接。

3.根据权利要求2所述的一种手推式割草机刀盘高度调节系统，其特征在于：所述导套上设有刻度。

4.根据权利要求3所述的一种手推式割草机刀盘高度调节系统，其特征在于：所述第一电机与按钮控制器电连接，所述按钮控制器上设有分别控制第一电机正转、第一电机停止和第一电机反转的三个按钮。

5.根据权利要求4所述的一种手推式割草机刀盘高度调节系统，其特征在于：所述显示器和按钮控制器均固定安装在机体的把手上。

6.根据权利要求4所述的一种手推式割草机刀盘高度调节系统，其特征在于：所述单目相机的摄像头对准导套上的刻度位置。

7.一种如权利要求4所述的一种手推式割草机刀盘高度调节系统的调节方法，其特征在于：当割草机未工作时，单目相机的摄像头对准导套上的0刻度位置，此时刀盘位于最高处，刀盘与单线激光雷达的高度差h1，单线激光雷达距离地面的距离为h2，割草机放入草地时，单线激光雷达将激光雷达扫描的数据传入到嵌入式处理器，所述嵌入式处理器接收数据后采用SLAM算法生成二维栅格场景地图并通过栅格的大小得出单线激光雷达与牧草顶部之间的距离h3,此时牧草的高度为△h1＝h2-h3；开启第一电机，通过按钮控制器使其正转，导套向下运动，运动的刻度为△h2＝h3-h1，此时刀盘位于牧草顶部的位置，再根据牧草需要切割的高度，通过按钮控制器使第一电机正转，导套继续向下运动，单目相机的摄像头实时监测导套移动的距离，导套再次移动的距离为牧草需要切割的高度，开启第二电机即可对牧草进行切割；切割完成后，第二电机关闭，按钮控制器首先使第一电机停止，然后使第一电机反转，导套向上运动，单目相机的摄像头监测导套移动至0刻度位置时，按钮控制器使第一电机停止运行，即完成整个切割过程。

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