CN115088460A - 一种可检测草坪高度与密度的割草机及割草方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可检测草坪高度与密度的割草机及割草方法，包括电机系统、刀片和检测机构，所述电机系统连接所述刀片以带动所述刀片运动，所述检测机构连接所述电机系统；其中，所述检测机构检测所述电机系统的实时电流，并基于刀片的高度和所述实时电流判断草坪的高度与密度，得到当前草坪状态信息。本发明通过检测电机系统的实时电流，然后根据刀片的高度和实时电流判断草坪的高度与密度，得到当前草坪状态信息，使得用户可以在割草过程中及时调整刀片高度，也可以根据需要对刀片高度进行自动调整。

Description

一种可检测草坪高度与密度的割草机及割草方法

技术领域

本发明涉及园林设备输送技术领域，尤其涉及一种可检测草坪高度与密度的割草机及割草方法。

背景技术

传统割草设备多数无法自动调整割草刀片或割草线高度。在使用电动割草装置过程中，由于电动机输出扭矩相比内燃机较小，草坪阻力对电机转速的影响大于传统内燃机。在此之前，对草坪密度的测量也通常依赖用户估测，一般用户难以对草地的生态情况作出量化判断。

电动割草机的刀片在较深的和较密的草坪中会收到更大的阻力，过高的阻力会导致电机电流过大，带来烧毁驱动电路的危险。因此在上述场景中需要调高刀片高度，循序渐进进行修剪。传统割草机不具备此功能。此外，草坪的密度也可以反映局部生态的健康状况，对草坪密度进行定量测量可以指导用户进行浇水，透气等工作。

基于此，现有技术仍然有待改进。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提出一种可检测草坪高度与密度的割草机及割草方法，以解决现有技术的割草机易发生烧毁的技术问题。

一方面，本发明实施例所公开的一种可检测草坪高度与密度的割草机，包括电机系统、刀片和检测机构，所述电机系统连接所述刀片以带动所述刀片运动，所述检测机构连接所述电机系统；

其中，所述检测机构检测所述电机系统的实时电流，并基于刀片的高度和所述实时电流判断草坪的高度与密度，得到当前草坪状态信息。

进一步地，所述检测机构包括微处理器、电势采样单元、驱动芯片、电流采样单元；

所述电机系统包括电机和控制器，所述控制器连接并控制所述电机；

其中，所述电势采样单元连接所述电机以对所述电机的反向电动势进行采样，并将采样结果发送至所述微处理器；

所述微处理器基于所述采样结果得到PWM信号；

所述驱动芯片连接所述微处理器以接收所述PWM信号，并基于所述PWM信号产生交流电；

所述电流采样单元连接所述驱动芯片以采集所述驱动芯片的交流电数据，以得到所述电机系统的实时电流。

进一步地，所述微处理器基于所述刀片的高度和所述实时电流得到当前草坪状态信息；

并且，所述微处理器与所述控制器通讯连接，以将所述当前草坪状态信息发送至所述控制器，所述控制器基于检测到的草坪的高度与密度调整刀片的高度。

进一步地，所述驱动芯片为FD6288。

进一步地，所述微处理器为STM32F4系列微处理器。

进一步地，所述电势采样单元通过ADC对所述电机的反向电动势进行采样。

进一步地，所述微处理器基于所述采样结果得到PWM信号包括：

所述微处理器根据采样结果计算出电机的当前转子位置，并根据所述当前转子位置生成电周期领先于电机90度的磁场所需的PWM信号。

进一步地，所述电流采样单元包括采样电阻，所述采样电阻安装在所述驱动芯片的每个半桥的靠近地线端。

进一步地，还包括运算放大器，所述运算放大器连接电流采样单元和微处理器，以将采样电阻两端的电压经过运算放大器放大后，由所述微处理器内部集成的ADC采集。

其中，所述采样电阻两端的电压经过运算放大器放大后，由所述微处理器内部集成的ADC采集。

进一步地，所述电机系统还包括高度调节装置，所述控制器分别连接所述电机和所述高度调节装置，所述刀片通过所述高度调节装置连接所述电机。

进一步地，还包括显示屏和报警装置，所述显示屏和所述报警装置均连接所述微处理器和所述控制器。

另一方面，本发明实施例还公开了一种割草方法，

采用检测机构检测电机的实时电流；

基于当前刀片的高度和所述实时电流判断草坪的高度与密度；

基于判断结果调整刀片的高度。

进一步地，将所述实时电流与预设电流进行比较，若所述实时电流预定时间内多次超出预设电流，则将刀片高度调高。

进一步地，将所述实时电流与预设电流进行比较，若所述实时电流发生周期性变化，且变化频率与电机转速倍数相关，则提示有高草或顽固木本植物。

进一步地，以更换新的刀片作为起点，基于实时电流计算电机功率，对所述电机功率进行积分，得到电机实时所作的功，将电机实时所作的功累加，得到电机总功，当所述电机总功大于预设值时，则提醒用户更换刀片。

进一步地，基于与割草机行进频率相同的信号，获得草坪深度信息，以调整刀片高度；

和/或，基于与刀片角速度转动频率相同的信号，获得刀片与草接触时的动态信息，以获得草坪品质和分布；

和/或，基于电流的长期变化，获得刀片的损耗数据。

采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供的一种可检测草坪高度与密度的割草机及割草方法，通过检测电机系统的实时电流，然后根据刀片的高度和实时电流判断草坪的高度与密度，得到当前草坪状态信息，使得用户可以在割草过程中及时调整刀片高度，也可以根据需要对刀片高度进行自动调整。

同时，可以根据实时电流的变化，对草木的状态(如高度、密度等)进行提示，便于用户及时处理可能对割草机产生损坏的草木或杂物，有效避免刀片和电机损伤。此外，草坪的高度与密度也可以反映局部生态的健康状况，对草坪高度与密度进行定量测量可以指导用户进行浇水，透气等工作。

进一步地，还可以根据实时电流进行积分，得到某一刀片做的总功，根据总工的大小来判断是否需要更换刀片。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例所公开的一种可检测草坪高度与密度的割草机的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

如图1所示，本发明一些实施例公开了一种可检测草坪高度与密度的割草机，包括电机系统、刀片1和检测机构5，所述电机系统连接所述刀片1以带动所述刀片1运动，所述检测机构5连接所述电机系统；其中，所述检测机构5检测所述电机系统的实时电流，并基于刀片1的高度和所述实时电流判断草坪的高度与密度，得到当前草坪状态信息。

本实施例中，高度与密度可以认为是一个概值，表示由高度与密度决定的表示草坪状态的值，一般地，高度增加则概值增加、密度增加概值也增加，高度与密度同时对概值产生影响。

本实施例所公开的割草机，基于电动割草机的刀片1在较深的和较密的草坪中会收到更大的阻力，过高的阻力会导致电机电流过大，带来烧毁驱动电路的危险。因此通过设置检测机构5，实现在上述场景中刀片1高度的调节，实现循序渐进进行修剪。此外，草坪的密度也可以反映局部生态的健康状况，对草坪密度进行定量测量可以指导用户进行浇水，透气等工作。

本发明一些实施例所公开的可检测草坪高度与密度的割草机，在上述实施例的基础上，所述检测机构5包括微处理器、电势采样单元、驱动芯片、电流采样单元；

所述电机系统包括电机2和控制器，所述控制器连接并控制所述电机；

其中，所述电势采样单元连接所述电机以对所述电机2的反向电动势进行采样，并将采样结果发送至所述微处理器；

所述微处理器基于所述采样结果得到PWM信号；

所述驱动芯片连接所述微处理器以接收所述PWM信号，并基于所述PWM信号产生交流电；

所述电流采样单元连接所述驱动芯片以采集所述驱动芯片的交流电数据，以得到所述电机系统的实时电流。

由于电动割草机的刀片1由一台直流无刷电动机提供动力，电机2所消耗的电流会随阻力而变化。电机2数量与刀片1数量一致，较深的草会给刀片1盘施加更大的摩擦力，电流的变化可被检测到，结合刀片1的高度分析此电流的变化可以间接了解草坪的高度与密度。

本发明一些实施例所公开的可检测草坪高度与密度的割草机，在上述实施例的基础上，所述微处理器基于所述刀片1的高度和所述实时电流得到当前草坪状态信息；并且，所述微处理器与所述控制器通讯连接，以将所述当前草坪状态信息发送至所述控制器，所述控制器基于检测到的草坪的高度与密度调整刀片1的高度。所述驱动芯片可以为栅极驱动芯片如FD6288。所述微处理器可以为集成于控制器壳体内部的STM32F4系列微处理器。所述电势采样单元可以通过ADC对所述电机的反向电动势进行采样。

其中，所述微处理器基于所述采样结果得到PWM信号包括：

所述微处理器根据采样结果计算出电机2的当前转子位置，并根据所述当前转子位置生成电周期领先于电机90度的磁场所需的PWM信号。

所述电流采样单元包括采样电阻，所述采样电阻安装在所述驱动芯片的每个半桥3的靠近地线端。为了实现检测结果的准确性，还可以设置运算放大器4，所述运算放大器4连接电流采样单元和微处理器，以将采样电阻两端的电压经过运算放大器4放大后，由所述微处理器内部集成的ADC采集；即所述采样电阻两端的电压经过运算放大器4放大后，由所述微处理器内部集成的ADC采集。

一些具体的实施方式中，电机控制系统(控制器)内置STM32F4系列微处理器，可使用内部搭载的ADC对电机2的反向电动势进行采样，计算出每个电机转子位置，并根据电机转子的位置生成电周期领先于电机90度的磁场所需的PWM信号，输出至三个FD6288栅极驱动芯片(驱动芯片)，进而驱动三组，每组三个半桥3，产生电机所需的交流电。每个半桥3由两个金属氧化物半导体场效应晶体管组成。每个半桥3靠近地线端有装有一个采样电阻，三个采样电阻两端的电压分别经过运算放大器4电路放大后，可被微处理器内部集成的ADC采集。

信号经过不同参数的数字滤波器可使不同频率特征被分离出。分析与割草机行进频率相似的信号可以获得草坪深度信息，机器根据此信息可以自动调整刀片1高度，以获得更高效率；分析与刀片1角速度转动频率相近的信号可了解刀片1与草接触时的动态信息，间接了解草坪品种和分布，提醒用户喷洒药剂消除生物入侵；分析电流的长期变化可以获得刀片1损耗的数据，机器可以根据此信息提醒用户更换刀片1。

本发明一些实施例还公开了一种割草方法，其可以采用上述的割草机实现，包括，采用检测机构5检测电机的实时电流；基于当前刀片1的高度和所述实时电流判断草坪的高度与密度；基于判断结果调整刀片1的高度。可以基于与割草机行进频率相同或相似的信号，获得草坪深度信息(即高度)，以调整刀片1高度；可基于与刀片1角速度转动频率相同相近的信号，获得刀片1与草接触时的动态信息，以获得草坪品质和分布；可基于电流的长期变化，获得刀片1的损耗数据。需要指出的是，此处的相同并不是绝对意义的相同，其是允许合理的误差存在的。

具体地，可将所述实时电流与预设电流进行比较，若所述实时电流预定时间内多次超出预设电流，如在1分钟内三次或五次超出预设电流，或者一秒时间内平均电流大于预设值，则将刀片1高度调高。将所述实时电流与预设电流进行比较，若所述实时电流发生周期性变化，且变化频率与电机转速倍数相关，则提示有高草或顽固木本植物。以更换新的刀片1作为起点，基于实时电流计算电机功率，对所述电机功率进行积分，得到电机实时所作的功，将电机实时所作的功累加，得到电机总功，当所述电机总功大于预设值时，则提醒用户更换刀片1。

实施例

采用移动设备与割草机的控制器和微处理器通讯连接，在割草机开始工作前，用户先在移动设备的软件上设置理想的草坪高度，软件内也存有默认值。在用户命令割草机开始工作后，机器先自动行驶到工作区域，进行地形测绘，测绘完毕开始工作。一种可能的调整高度策略如下：

步骤1.割草机把刀片盘升到高，直到触发最高点的限位；

步骤2.根据用户指定的高度计算刀片下降时间，将刀片盘下降到指定位置，此时高度应该符合用户的设置；

步骤3.开始割草；

步骤4.检测机构对电流进行实时采样，测量结果经过band pass filer(带通滤波器)在微处理器的软件中实现滤波，保留大约1Hz左右的频率；

步骤5.如果发现电机短时间内多次过流，则认为电机工作阻力过大，将刀片盘升高一定距离(该距离可以是预设值，如0.5cm或1cm，每次升高预设值，可以多次升高)，继续工作；

步骤6.重复上一步，直到机器可以正常割草；

步骤7.整个草坪割完一遍后回到步骤2继续，直到使用用户指定的高度修剪完整片草坪；

由于机器会主动调整高度限制电机电流，仅通过电机电流难以判断刀片阻力。但是割草刀片的能量损耗大多来源于和草之间的碰撞或摩擦，因此对电机功率进行积分可以估算出刀片的折损情况。

本实施例中，刀片的初始位置也可以不是最高处，其初始位置的确定可以有多种方法，比如可以使用电流检测来对控制升降的电机进行限位。在实际操作中，使用有刷电机是较为方便的方案，可以通过升降电机转动时间和预先设计的电机转速来确定刀片高度。根据精确度需要，还可以通过电磁编码器或者光编码器或者电位器都可以对刀片高度实现精确控制。

因此，可以设置一种可能的刀片健康状况监测策略：

步骤1.机器第一次工作或新换刀片后将刀片健康数据清零至全新；

步骤2.机器在工作时对电流进行连续采样，并结合当时电池电压计算电机功率，对功率进行积分，即可大致获得割草电机所做的功；

步骤3.将此数值累加，达到特定预设值时就提醒用户更换刀片。

草坪状态分析功能可以采用如下方式实现：

如果草坪中有较硬的植物出现，电机在转动时阻力在时间上的分布会不均匀，导致电机阻力发生周期性变化，其频率应该和电机转速相似，或是电机转速的数倍左右。部分频率的出现可能反映草坪中有较高的草或者较顽固的木本植物，此时应该提醒用户手动将其清楚，以免损伤机器。

综上所述，本发明实施例所公开的割草机及割草方法，通过及时调整刀片高度，可以有效延长割草机的续航时间，延长割草机的使用寿命，同时，用户可以根据割草机反馈的草坪状态信息进行草坪养护。

需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的组合也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。

以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种可检测草坪高度与密度的割草机，其特征在于，包括电机系统、刀片和检测机构，所述电机系统连接所述刀片以带动所述刀片运动，所述检测机构连接所述电机系统；

其中，所述检测机构检测所述电机系统的实时电流，并基于刀片的高度和所述实时电流判断草坪的高度与密度，得到当前草坪状态信息。

2.根据权利要求1所述的可检测草坪高度与密度的割草机，其特征在于，所述检测机构包括微处理器、电势采样单元、驱动芯片、电流采样单元；

所述电机系统包括电机和控制器，所述控制器连接并控制所述电机；

其中，所述电势采样单元连接所述电机以对所述电机的反向电动势进行采样，并将采样结果发送至所述微处理器；

所述微处理器基于所述采样结果得到PWM信号；

所述驱动芯片连接所述微处理器以接收所述PWM信号，并基于所述PWM信号产生交流电；

所述电流采样单元连接所述驱动芯片以采集所述驱动芯片的交流电数据，以得到所述电机系统的实时电流。

3.根据权利要求2所述的可检测草坪高度与密度的割草机，其特征在于，所述微处理器基于所述刀片的高度和所述实时电流得到当前草坪状态信息；

并且，所述微处理器与所述控制器通讯连接，以将所述当前草坪状态信息发送至所述控制器，所述控制器基于检测到的草坪的高度与密度调整刀片的高度。

4.根据权利要求2所述的可检测草坪高度与密度的割草机，其特征在于，所述驱动芯片为FD6288。

5.根据权利要求2所述的可检测草坪高度与密度的割草机，其特征在于，所述微处理器为STM32F4系列微处理器。

6.根据权利要求2所述的可检测草坪高度与密度的割草机，其特征在于，所述电势采样单元通过ADC对所述电机的反向电动势进行采样。

7.根据权利要求2所述的可检测草坪高度与密度的割草机，其特征在于，所述微处理器基于所述采样结果得到PWM信号包括：

所述微处理器根据采样结果计算出电机的当前转子位置，并根据所述当前转子位置生成电周期领先于电机90度的磁场所需的PWM信号。

8.根据权利要求2所述的可检测草坪高度与密度的割草机，其特征在于，所述电流采样单元包括采样电阻，所述采样电阻安装在所述驱动芯片的每个半桥的靠近地线端。

9.根据权利要求8所述的可检测草坪高度与密度的割草机，其特征在于，还包括运算放大器，所述运算放大器连接电流采样单元和微处理器；

其中，所述采样电阻两端的电压经过运算放大器放大后，由所述微处理器内部集成的ADC采集。

10.一种割草方法，其特征在于，

采用检测机构检测电机的实时电流；

基于当前刀片的高度和所述实时电流判断草坪的高度与密度；

基于判断结果调整刀片的高度。

11.根据权利要求10所述的割草方法，其特征在于，

将所述实时电流与预设电流进行比较，若所述实时电流预定时间内多次超出预设电流，则将刀片高度调高。

12.根据权利要求10所述的割草方法，其特征在于，将所述实时电流与预设电流进行比较，若所述实时电流发生周期性变化，且变化频率与电机转速倍数相关，则提示有高草或顽固木本植物。

13.根据权利要求10所述的割草方法，其特征在于，以更换新的刀片作为起点，基于实时电流计算电机功率，对所述电机功率进行积分，得到电机实时所作的功，将电机实时所作的功累加，得到电机总功，当所述电机总功大于预设值时，则提醒用户更换刀片。

14.根据权利要求10所述的割草方法，其特征在于，

基于与割草机行进频率相同的信号，获得草坪深度信息，以调整刀片高度；

和/或，基于与刀片角速度转动频率相同的信号，获得刀片与草接触时的动态信息，以获得草坪品质和分布；

和/或，基于电流的长期变化，获得刀片的损耗数据。

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