CN114451151A

CN114451151A - 一种混动割草机急停控制系统及控制方法

Info

Publication number: CN114451151A
Application number: CN202111616299.XA
Authority: CN
Inventors: 战洋; 刘楷
Original assignee: Nanjing Sumec Intelligent Technology Co Ltd
Current assignee: Nanjing Sumec Intelligent Technology Co Ltd
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2022-05-10
Anticipated expiration: 2041-12-27
Also published as: CN114451151B

Abstract

本发明公开了一种混动割草机急停控制系统及控制方法，系统包括遥控装置，制动装置，用于停止动力输出装置的运行或者切断动力输出装置的能源供应；手动控制装置，连接于割草机机身，手动控制装置通过连接件连接制动装置，所述手动控制装置通过物理位移，控制制动装置是否运行，还包括制动控制部件，当所述信号接收器接收到遥控装置所发射的信号时，制动控制部件执行混动割草机急停命令，所述制动控制部件包括驱动件，驱动手动控制装置移动，使手动控制装置运动至制动装置启动的位置，此时，停止动力输出装置的运行或者切断动力输出装置的能源供应。

Description

一种混动割草机急停控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及遥控设备的远程遥控急停控制系统，具体是一种混动割草机急停控制系统及控制方法。

背景技术

混动割草机器人的动力部分由汽油机和电池组成，其中汽油机不仅提供发电机所需的机械力还负责驱动割草刀片。

汽油机作为割草元件的动力单元，具有更高的工作效率，提升割草效果，但是也带来了安全方面的风险，比如汽油机驱动刀片的机械伤害。所以目前相关安全标准都对刀片的急停时间有要求，一般要求在3s之内，参考GB∕T 38364.1-2019 园林机械以内燃机为动力的草坪修剪机安全要求。目前主要使用汽油机作为割草元件的割草机多为乘骑式或者手扶式割草机，汽油机的紧急制动系统的控制元件直接设置与乘骑式割草机的控制位或者手扶式割草机的扶手上，在出现意外情况时，用户可以人工操纵制动把手或者摇杆实现急停。对于遥控式或者远程控制模式的割草机，其急停按钮等元件通常也设置在机器本体上，用户在远程使用时，不易进行急停动作。并且，由于远程控制，机器在执行远程指令时存在一定延时，会加长远程控制机器停止所需要的时间，降低安全性。

目前混动割草机中的，急停装置多是直接设置在机器上，在进行急停动作时，用户需要接近机器进行操作。一般来说，燃油机本身具有制动系统，该制动系统多是通过杆件操作，机器在未运行时，需要用户将杆件拨动至规定的启动位置，才可启动燃油机，当杆件被拨动至停止位置时，燃油机会停止实现制动效果，但是在紧急状态下，此类制动系统不易快速操作，一些机器通过加设其他制动系统（例如电磁离合器等）来实现快速操作，但加设系统增加了机器的复杂程度，一定程度上增加了机器体积，提高了成本，增加了故障风险。同时在需要进行远程操作时，由于存在数据传递、电路延时等因素，会增加机器制动时间。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种混动割草机急停控制系统，利用燃油机本身的制动系统即可完成紧急制动，无需增加其他制动装置，实现低成本改造。另外提出一种急停系统控制方法，本发明电控延迟t1在机器量产（硬件已经定型后），是一个较为固定的值，可以通过检测手段获得。机械刹车时间t3实际上是由手动拉杆和固定挡块的结构设计所决定的，也是一个固定值，因此本发明的技术目的是为了尽可能的减少推杆动作时间t2，最终保证整个刹车时间控制在3秒以内。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种混动割草机急停控制系统，包括：

遥控装置，所述遥控装置设置有信号发射器，混动割草机上设置有与所述信号发射器相配合的信号接收器；

制动装置，用于停止动力输出装置的运行或者切断动力输出装置的能源供应；

手动控制装置，连接于割草机机身，手动控制装置通过连接件连接制动装置，所述手动控制装置通过物理位移，控制制动装置是否运行，

其特征在于，还包括制动控制部件，

当所述信号接收器接收到所述信号发射器所发射的信号时，所述制动控制部件执行混动割草机急停命令，所述制动控制部件包括：

驱动件，驱动手动控制装置移动，使手动控制装置运动至制动装置启动的位置，此时，停止动力输出装置的运行或者切断动力输出装置的能源供应。

还包括：

轨迹部件，用于对手动控制装置的位移路径进行限定，其包括启动档位、停止档位以及连接两者的轨迹槽，所述启动档位上设有用于对手动控制装置的位置进行限位用的限位阻挡部，手动控制装置可以限制在启动档位中；

复位部件，始终提供手动控制装置由启动档位向停止档位运行的势能；

所述手动控制装置位于启动档位位置时，制动装置停止，

所述手动控制装置位于停止档位位置时，制动装置启动，停止动力输出装置的运行或者切断动力输出装置的能源供应。

所述手动控制装置为手动拉杆，所述限位阻挡部为设置在所述启动档位处的半圆凹槽，所述半圆凹槽的半径不小于手动拉杆的半径。

所述驱动件为推杆电机，所述推杆电机的推杆轴线通过启动档位处所述半圆凹槽的圆心。

所述轨迹部件上设有安装缺口，手动拉杆通过所述安装缺口嵌入所述轨迹槽。

所述复位部件包括：

弹性件，所述弹性件提供手动拉杆由启动档位位置向轨迹槽方向移动的势能和/或沿轨迹向停止档位方向移动的势能。

所述复位部件包括：

轴套，连接在所述手动拉杆的底部，轴套中心设有贯通孔，贯通孔外周设置有环形槽，环形槽上临近机身一端开设与所述环形槽相连通的槽口；

转轴，一端与机身固定连接，另一端穿设所述轴套的贯通孔，转轴伸出贯通孔的端部上设有用于限定所述轴套的轴向位置的定位件；

弹簧，一端与机身连接，另一端从环形槽的槽口端伸入环形槽内与环形槽的槽底连接；

轴套在转轴上具有轴向活动的空间。

所述转轴为偏心转轴，偏心转轴的轴线向下方偏离水平轴线。

本发明进一步公开了一种所述混动割草机急停控制系统的控制方法，所述驱动件包括用于接触和推动手动控制装置的推杆，所述控制方法，包括如下步骤：

A、混动割草机启动进入初始化，驱动件控制推杆回到初始位置S0；

B、驱动件控制推杆运行至S1位置，此时，推杆端部刚好接触到所述手动控制装置；

C、当所述信号接收器接收到所述信号发射器所发射的信号时，驱动件控制推杆由S1位置运行至S2位置，完成急停操作。

步骤B中，S1位置通过距离计算，在手动控制装置位于启动档位时，确定推杆位于位置S0与推杆位于位置S1之间的距离，根据此距离，结合推杆运行速度，获得推杆由位置S0行进至位置S1所需要的时间t2，在机器运行过程中，推杆从位置S0行进时间t2到达位置S1。

步骤B中，S1位置通过脉冲计算，包括如下步骤：

B1．设定推杆端部的初始位置，即推杆完全退缩状态下推杆端部位置S0；

B2．当驱动件的脉冲信号停止输出时，判断推杆端部处于位置S0；当推杆从位置S0伸长至位置S1时，通过计算驱动件脉冲信号的方向和脉冲数，判断推杆端部达到位置S1。

步骤B中，S1位置通过检测驱动件的工作参数确定，包括如下步骤：

B3.设定推杆端部的初始位置，即推杆完全退缩状态下推杆端部位置S0；

B4.推杆在由位置S0开始移动时，当检测到驱动件工作参数跳变时，判定推杆端部到达位置S1。

在步骤B4后增加位置修正的步骤，推杆在由位置S0开始移动时，当检测到驱动件工作参数跳变时，驱动件停止带动推杆移动，之后，驱动件启动带动推杆后退，后退距离为修正距离，后退完成后，判定推杆到达s1位置。

所述修正距离为电子延迟与推杆运行速度之积。

所述限位阻挡部为设置在所述启动档位处的半圆凹槽，所述修正距离为半圆凹槽的半径。

所述工作参数为驱动件的工作电压、工作电流、工作负载、工作功率、压力示数中的一中或者几种。

所述工作参数跳变为工作参数增大至超过驱动件空载条件下工作参数的110%。

有益效果：

第一．本发明在现有混动割草机的基础之上对急停机构的结构进行改造，利用燃油机本身的制动系统即可完成紧急制动，无需增加其他制动装置，具有成本较低的优点。

第二．本发明提出一种推杆位置确定方法，提前给予推杆一个预伸量，使所述推杆在准备推出状态下，推杆的端部能够刚好接触手动拉杆，最大化的缩短推杆的空行程距离，进而缩短推杆动作时间，使刀片的急停时间控制在3s之内。

附图说明

图1是混动割草机整体结构示意图一；

图2是混动割草机整体结构示意图二；

图3是制动控制部件结构示意图一；

图4是制动控制部件结构示意图二；

图5是制动控制部件刹车状态下结构示意图一；

图6是制动控制部件刹车状态下结构示意图二；

图7为手动拉杆4与机身100的连接结构；

图8为图7的B处放大图；

图9为偏心转轴10的具体结构；

图10为手动拉杆4与轨迹部件5配合处结构；

图11为图10的C处放大图；

图12推杆电机与轨迹槽相对位置；

图13为本发明推杆控制逻辑图；

图14为刹车时间计算逻辑图；

附图标记：1、混动割草机；100、机身；2、燃油机；3、制动控制部件；4；手动拉杆；5、轨迹部件；501、启动档位；502、刹车档位；503、轨迹槽；504、安装缺口；505、弧形凹槽；6、转轴；7、钢索；8、导向板；9、推杆电机；901、推杆。10、偏心转轴；11、固定件；12、第一垫片；13、轴套；14、弹簧；15、第二垫片；1301、贯通孔；1302、环形槽。

具体实施方式

如图1-2所示，混动割草机器人包括机身和设置在机身上的燃油机，燃油机输出端连接切割部件，燃油机制动系统通过制动控制部件进行控制。

制动控制部件包如图4-6所示。

制动控制部件包括推杆电机，轨迹部件，手动拉杆和钢索，钢索具体为燃油机刹车线，上述各部件功能如下：

燃油机刹车线，为燃油车刹车装置外接控制部件的主要零件，作用是控制汽油机的启动和刹车，当钢索被拉出并保持时，汽油机可以启动，当钢索复位并保持时，汽油机刹车停机，钢索复位可以通过弹簧等部件实现。燃油机刹车装置为较为成熟的装置，本方案的重点在于对手动拉杆的控制，燃油机刹车装置的结构这里不详细叙述。

推杆电机，作用是在急停时用推杆将手动拉杆从启动档位中推出。

轨迹部件，轨迹部件上设置有启动档位和刹车档位，启动档位和刹车档位之间通过轨迹槽连接，轨迹部件作用是固定手动拉杆，其中刹车档位是令手动拉杆处于刹车状态，启动档位是令手动拉杆处于启动状态。启动档位具体是半圆r凹槽，当推杆电机将手动拉杆推出凹槽后，手动拉杆会在拉索复位的动力的作用下沿轨迹槽回到刹车档位，保持状态。轨迹部件上还设置有安装缺口，手动拉杆可以通过安装缺口嵌入轨迹槽内，便于进行安装。

手动拉杆，提供手动功能，可以通过拉动拉杆，使其在启动档位和刹车档位见移动。

为了确保推杆电机能完全对手动拉杆实现推动作用，如图6所示，推杆电机运行的轨迹线通过启动档位圆心所处的轴线。启动档位凹槽的半径与手动拉杆半径相同，可以选取间隙配合的公差确定具体加工参数。

如图7所示，B处为手动拉杆4与机身100的连接结构。为了保证手动拉杆4被推出启动档位501后，能稳定移动至轨迹槽503到达刹车档位502，B处结构进行特殊设计。

图8为图7的B处放大图，如图8所示，机身100上突出有转轴6，手动拉杆4根部连接有轴套13，轴套13套接在转轴6上，轴套中心为贯通孔1301，贯通孔1301外一周设置有环形槽1302，环形槽1302开位于轴套13朝向机身100一端。安装时，轴套13的贯通孔1301套接在转轴6上，环形槽1302内套接有弹簧14，弹簧14两端分别抵触环形槽1302底部和机身100，轴套13连同手动拉杆4在弹簧作用下，向远离机身100方向移动。轴套13轴向位置通过机身100与连接在转轴6上的定位件11确定，定位件11可以是定位销或者卡圈等固定在转轴上的零件。轴套13在转轴上具有一定轴向活动的空间。

基于上述结构，手动拉杆4被推杆推出后，会在弹簧14作用下向轨迹槽503方向偏移，保证手动拉杆可以进入轨迹槽内。

进一步的，转轴6上还可以套接有第一垫片12和第二垫片15，所述第一垫片12位于定位件11与轴套13之间，第二垫片15位于轴套13与机身100之间，第一垫片12和第二垫片15均起到防护作用，其中，第一垫片12由于两侧接触的结构不稳定，可以设置多个，提升定型。第二垫片15可以是活动套接在转轴上的，也可以是固定在机身100上的。

图9所示为偏心转轴10的具体结构，由图9可知，偏心转轴10向下方偏离水平轴线，其带来的作用是，手动拉杆4被推杆推出后，会在弹簧14作用下向轨迹槽503方向偏移，同时，由于偏心转轴10轴线向下偏移，手动拉杆4会向远离机身100的方向偏转，进一步保证手动拉杆可以进入轨迹槽内。

图10中的c处为手动拉杆4与轨迹部件5配合处结构。C处放大图如图11所示，由图11可知，所述刹车档位具有一个弧形凹槽，便于进行刹车档位的定位。

图12所示为推杆电机9与轨迹槽503相对位置，推杆电机9轴线平行与轨迹槽503轴线，同时推杆完全不覆盖轨迹槽所处的位置，避免手动拉杆滑动过程中擦碰推杆。这样的设置形式，可以使推杆电机与轨迹部件间距更小，结构更加紧凑，减少所占用的空间。

本发明急停系统的工作步骤如下：

刹车，如图5-6所示，此时急停系统处于刹车状态，燃油机不能启动。手动拉杆在弹簧的作用下停止在刹车档位上。汽油机刹车线因为固定在手动拉杆上，也处于刹车状态。

刹车-启动，此时人工操作扳动手动拉杆，进入启动档位上，系统进入启动状态，如图3-4所示。

启动，如图3-4所示，此时急停系统处于启动状态，汽油机可以启动。其中推杆电机处于准备推出状态。手动拉杆在弹簧的作用下停止在启动档位上。汽油机刹车线因为被手动拉杆拉出，也处于启动状态。

急停（启动-刹车），也就是从启动转为刹车状态，此时推杆电机的推杆推动手动拉杆脱离固定启动档位，在弹簧力的作用下，手动拉杆沿轨迹草自动回到刹车档位，钢索复位，燃油机刹车系统刹车，完成急停动作。

急停系统的参数选型：

已知汽油机刹车线的行程L1和拉力F1，通过手动拉杆转换为行程L2和拉力F2，再根据手动拉杆的结构确定档位2.2的凹槽r大小。

其中手动拉杆从急停到启动的行程就是L2，而推杆电机需要工作的行程是r，推力是F2，因此可以根据r和F2值选择合适的推杆电机型号。

急停系统的软件控制逻辑：

已知推杆电机的推出速度v和推出固定距离期间输出的脉冲信号n

先设定推杆电机的推杆完全缩进时的位置为0，推杆电机在急停前（准备推出状态下）的推杆位置，标记为S1；推杆刚刚把手动拉杆推出启动档位的位置，标记为S2，见附图13控制逻辑。

急停系统的可靠性和快速性主要由位置0，S1和S2三个位置决定，

首先需要判断推杆是否回到了位置0，共有三种方法，一是功率检测法，当推杆到达位置0以后电机功率会大幅下降。二是时间计算法，因为推杆总行程固定，速度固定所以运动时间也是固定的，设定归0时间大于全行程时间即可。三是脉冲计算法，因为单位行程会输出对应的脉冲信号，所以归0时，没有了脉冲信号即可判断已归0.

位置归0后才能精确定位S1位置，同样有三种方法，这里建议使用”功率检测法“或

者”脉冲计算法“，考虑到定位精确性优先等级如下，”功率检测法“>”脉冲计算法“>”时间计算法“

S1位置的确定方法：

方法一：通过距离计算，在手动拉杆位于启动档位时，确定位置0与推杆端部刚好接触到手动拉杆时所处位置之间的距离，根据此距离，结合推杆电机所本身参数，即推杆运行速度，可以获得推杆由位置0行进至推杆端部刚好接触到手动拉杆时所处位置（即S1位置）所需要的时间t2，在机器运行过程中，推杆位置归0后，行进时间t2，到达S1位置。

该方法最为简便，可以通过理论计算得到时间t2，但是受制于机器生产一致性的问题，在不同产品上精度不能完全保证。

方法二：通过脉冲计算法

一些电机本身设计有脉冲信号，因为脉冲信号可以显示推杆的状态（方向和行程），因此通过检测、记录其脉冲信号，可以推算出推杆的移动距离。当推杆缩回至位置0时，脉冲信号停止输出，由此可以判断推杆的位置0。当推杆从位置0伸长至位置S1时，由于位置0与S1之间的距离固定，只要计算脉冲信号的方向和脉冲数，即可判断推杆达到位置S1。同理也可以判断S2的位置。由于脉冲信号存在发射周期，理论上，脉冲信号周期越短，计算的距离值越精确，但脉冲信号越短，需要越多的元件，电机结构越复杂，成本越高。

方法三：通过功率检测法

通过检测推杆电机的功率判断推杆位置，推杆在移动过程中，由于推杆受力变化，会导致推杆负载变化，其影响到推杆电机就是会产生功率变化，在实际电路检测中，可以通过电流值、电压值等直接参数，或者通过功率计/功率模块获取功率值，判断功率的变化。在一些可以配置更多传感器的条件下，还可以在推杆端部设置压力传感器等，通过检测压力传感器的数值变化，得到推杆的负载变化，进而对其功率进行判断。

下面以电流值为例，进行具体说明。

假定推杆在无负载移动过程中电流值为i，当推杆缩回至位置0时，推杆电机停止，其电流会从i变至0，当推杆移动至接触手动拉杆时，由于手动拉杆阻碍了其移动，增加了推杆行进的负载，其电流值会由i变为i’，i‘的值大于i。

具体事例：假定推杆在无负载移动过程中电流值为0.5A，推杆推动手动拉杆行进时，电流值为1.2A。当推杆缩回至位置0时，推杆电机停止，其电流会从0.5A变至0A，由此可以判断推杆的位置0。当推杆从位置0伸长至位置S1时，在推杆电机开始推动手动拉杆，推杆电机电流会从0.5A变至1.2A，当电流刚刚达到1.2A时，即意味着推杆达到位置S1。当推杆从位置S1到位置S2时，推杆电机推脱手动拉杆，推杆电机电流会从1.2A变至0.5A，当电流刚刚变成0.5A时，即意味着推杆达到位置S2。

基于上述变化，我们可以通过检测推杆电机的工作电流，确定位置0，s1和s2。

在实际使用过程中，推杆电机在无负载运行情况下，电流较为稳定，可以较好的检测，但是推杆电机在有负载情况下运行时，电流存在一定波动性，在推杆接触到手动拉杆时，更为实际的情况是电流发生跳变，不一定会直接稳定在某个电流数值，因此，可以通过检测电流跳变来判断具体的s1位置。即，推杆在由位置0开始移动时，当检测到推杆电机电流跳变（增大方向）幅度超过一定百分比（例如10%）时，判定推杆到达s1位置，推杆电机停止带动推杆移动，此时推杆处于准备推出状态。

由于电流检测到推杆电机停止之间，存在电路活动，不可避免的存在一定延迟，因此当推杆电机停止后，推杆可能已经接触并推动手动拉杆移动了一段距离，这会导致手动拉杆部分脱出启动档位，存在安全隐患。因此，增加位置修正的步骤，即：推杆在由位置0开始移动时，当检测到推杆电机电流跳变（增大方向）幅度超过一定百分比（例如10%）时，推杆电机停止带动推杆移动，之后，推杆电机启动带动推杆后退，后退距离为修正距离，后退完成后，判定推杆到达s1位置，推杆电机停止带动推杆移动，此时推杆处于准备推出状态。修正距离为电子延迟与推杆运行速度之积。电子延迟在机器量产（硬件已经定型后），是一个较为固定的值，可以通过检测手段获得。还可以选取修正距离为启动档位凹槽的半径，这是一个相对安全稳妥的取值。

最后确定S2位置，S2位置实际上是由手动拉杆和固定挡块的结构设计所决定的，当推杆刚刚好可以把手动推杆推出固定挡块的那个位置就是S2。位置s2只在检验制动时间时存在意义，在机器实际运行过程中，不存在对机器具体运行过程的影响。

急停系统的急停时间理论计算：

见图14，刹车时间计算逻辑，已知t1时间约为0.2s，t3时间约为1s，计算t2时间，t2=（S2-S1）/V，总时间t=t1+t2+t3，需要满足小于3S的要求。

Claims

1.一种混动割草机急停控制系统，包括：

其特征在于，还包括制动控制部件，

2.根据权利要求1所述的混动割草机急停控制系统，其特征在于，还包括：

所述手动控制装置位于启动档位位置时，制动装置停止，

3.根据权利要求2所述的混动割草机急停控制系统，其特征在于，所述手动控制装置为手动拉杆，所述限位阻挡部为设置在所述启动档位处的半圆凹槽，所述半圆凹槽的半径不小于手动拉杆的半径。

4.根据权利要求3所述的混动割草机急停控制系统，其特征在于，所述驱动件为推杆电机，所述推杆电机的推杆轴线通过启动档位处所述半圆凹槽的圆心。

5.根据权利要求3所述的混动割草机急停控制系统，其特征在于，所述轨迹部件上设有安装缺口，手动拉杆通过所述安装缺口嵌入所述轨迹槽。

6.根据权利要求3所述的混动割草机急停控制系统，其特征在于，所述复位部件包括：

7.根据权利要求6所述的混动割草机急停控制系统，其特征在于，所述复位部件包括：

轴套在转轴上具有轴向活动的空间。

8.根据权利要求7所述的混动割草机急停控制系统，其特征在于，所述转轴为偏心转轴，偏心转轴的轴线向下方偏离水平轴线。

9.一种如权利要求1-8中任一所述混动割草机急停控制系统的控制方法，其特征在于，所述驱动件包括用于接触和推动手动控制装置的推杆，所述控制方法，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的混动割草机急停控制系统的控制方法，其特征在于，步骤B中，S1位置通过距离计算，在手动控制装置位于启动档位时，确定推杆位于位置S0与推杆位于位置S1之间的距离，根据此距离，结合推杆运行速度，获得推杆由位置S0行进至位置S1所需要的时间t2，在机器运行过程中，推杆从位置S0行进时间t2到达位置S1。

11.根据权利要求9所述的混动割草机急停控制系统的控制方法，其特征在于，步骤B中，S1位置通过脉冲计算，包括如下步骤：

12.根据权利要求9所述的混动割草机急停控制系统的控制方法，其特征在于，步骤B中，S1位置通过检测驱动件的工作参数确定，包括如下步骤：

13.根据权利要求12所述的混动割草机急停控制系统的控制方法，其特征在于，

14.根据权利要求13所述的混动割草机急停控制系统的控制方法，其特征在于，

所述修正距离为电子延迟与推杆运行速度之积。

15.根据权利要求13所述的混动割草机急停控制系统的控制方法，其特征在于，

16.根据权利要求12-15任意所述的混动割草机急停控制系统的控制方法，其特征在于，所述工作参数为驱动件的工作电压、工作电流、工作负载、工作功率、压力示数中的一中或者几种。

17.根据权利要求12所述的混动割草机急停控制系统的控制方法，其特征在于，所述工作参数跳变为工作参数增大至超过驱动件空载条件下工作参数的110%。