CN117813995A - 带助力的工作机、割草机推拉力估算方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种带助力的工作机、割草机推力估算方法，带助力的工作机包括：主机，包括行走组件和驱动行走组件的驱动马达；把手装置，连接至主机；其中：把手装置包括：操作件，包括用于供用户握持的握持部；连接杆，连接至主机；还包括：马达参数检测装置，设置为检测驱动马达的工作参数；加速度计，设置为检测带助力的工作机在当前工作环境中至少一个方向上的加速度；控制器，被配置为根据前进加速度确定带助力的工作机相对于水平面的倾角，并根据工作参数和倾角估算施加在把手装置上的推力。

Description

带助力的工作机、割草机推拉力估算方法

技术领域

本公开涉及一种园林类工具，例如涉及一种带助力的工作机、割草机推拉力估算方法。

背景技术

割草机一般是用户用于修剪草坪的机器。在一些比较智能的割草机中，可以通过压力传感器感测用户的推力，进而根据推力控制割草机的行走速度。然而，压力传感器的感测精度、安装位置以及其与割草机中其他元器件的配合状态等均会影响推力检测的准确性，从而影响割草机行走控制的舒适性。

其他不采用传感器直接测量推力的方式避免不了会增加更多其他类型的传感器来检测加速度或者割草机工作的当前环境中相对于水平面的倾角等参数，以便间接得到用户的推力。其中，倾角一般采用姿态传感器检测，而姿态处传感器由陀螺仪、加速度计和地磁计组成，用来测量机器的Yaw、Pitch和Roll三个姿态角，才能计算出割草机相对于地平面的倾角。所需测量的参数较多，不能保证角度检测的精度，从而影响推力估算的准确度。

发明内容

为解决现有技术的不足，本申请提供了一种无需借助压力传感器而获得用户推力的工作机。

为了实现上述目标，本申请采用如下的技术方案：

一种带助力的工作机，包括：主机，包括行走组件和驱动所述行走组件的驱动马达；把手装置，连接至所述主机；其中：所述把手装置包括：操作件，包括用于供用户握持的握持部；还包括：马达参数检测装置，设置为检测所述驱动马达的工作参数；加速度计，设置为检测所述工作机在当前工作环境中至少一个方向上的加速度；控制器，被配置为根据所述加速度确定所述工作机相对于水平面的倾角，并根据所述工作参数和所述倾角估算施加在所述把手装置上的推拉力。

在一个实施例中，所述工作参数包括所述马达的转子位置和/或工作电流。

在一个实施例中，所述控制器被配置为：根据所述转子位置确定所述马达的转速。

在一个实施例中，所述工作参数包括所述马达的转速和工作电流。

在一个实施例中，所述控制器被配置为：根据所述带助力的工作机当前的受力平衡关系构建推力观测模型；采用所述转速和所述工作电流作为所述推力观测模型的输入参数以确定所述推拉力。

在一个实施例中，所述受力平衡关系至少包括所述推拉力、所述驱动马达的驱动力、所述带助力的工作机在当前工作环境中的阻力以及所述带助力的工作机受到的合力。

在一个实施例中，所述控制器被配置为：根据所述推力观测模型构建所述工作电流，所述转速和所述合力的关系模型；根据所述工作电流和所述转速确定所述合力；根据所述合力与所述阻力的差值确定所述推拉力。

一种割草机的推力估算方法，所述割草机包括主机，包括行走组件和驱动所述行走组件的驱动马达；把手装置，连接至所述主机；其中：所述把手装置包括：操作件，包括用于供用户握持的握持部；还包括：马达参数检测装置，设置为检测所述驱动马达的工作参数；加速度计，设置为检测所述割草机在当前工作环境中至少一个方向上的加速度；所述估算方法包括：根据所述加速度确定所述带助力的工作机相对于水平面的倾角；根据所述割草机当前的受力平衡关系构建推力观测模型；采用所述转速、所述工作电流和所述倾角作为所述推力观测模型的输入参数以确定施加在所述把手装置上的推拉力。

在一个实施例中，所述受力平衡关系至少包括所述推力、所述驱动马达的驱动力、所述带助力的工作机在当前工作环境中的阻力以及所述带助力的工作机受到的合力。

在一个实施例中，所述方法还包括：根据所述推力观测模型构建所述工作电流，所述转速和所述合力的关系模型；根据所述工作电流和所述转速确定所述合力；根据所述合力与所述阻力的差值确定所述推拉力。

本申请的有益之处在于：通过构建推力观测模型，并利用割草机行走控制系统在控制驱动马达转动过程中所检测的马达的转子位置或相电流来推算用户的推力，无需增加其他检测装置或元件即可推算用户的推力。另外，由于割草机行走控制系统的控制技术较成熟，系统中检测的参数的准确度能得到保证，从而也保证了推力估算的准确性。

附图说明

图1是带助力的工作机的立体图；

图2是图1中的带助力的工作机的一种逻辑控制图；

图3是本申请实施例中带助力的工作机受力分析示意图；

图4是本申请实施例中带助力的工作机加速度分析示意图；

图5是图1中的带助力的工作机的整机控制的方法流程图；

图6是图1中的带助力的工作机的整机控制的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本申请作具体的介绍。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分而非全部结构。

可以理解的，带助力的工作机可以是割草机、扫雪机、小推车等工具设备。在本申请中以用户可在割草机后侧操作的手推式割草机为例进行说明。

参照图1所示的割草机100，其主要包括把手装置11、连接杆111、操作件112、操作开关112a、主机12、行走组件121。其中，主机12包括行走组件121，和动力机构（图未示出）。可选的，把手装置11包括有连接杆111及可供握持的操作件112。其中，操作件112包括供用户握持的握持部和操作开关112a；连接杆111为中空的长杆结构，连接杆111连接操作件112和主机12。行走组件121安装至主机12上，行走组件121能围绕一个转动轴转动从而使整个割草机100能够在地面上移动。在本实施例中，行走组件121包括割草机100的行走轮1211以及驱动行走轮1211行走的动力机构。

在本实施例中，割草机100具有自走控制功能，动力机构能驱动行走组件121转动，从而带动割草机100在地面上移动，使用户不需要手动推动割草机100移动。动力机构具体可以是驱动马达122，驱动马达能够输出一个驱动行走组件121转动的驱动力。在一些实施方式中，割草机100的把手装置11上还集成有电源按钮112b、扳机112c。示例性的，割草机100的电源按钮112b、扳机112c和操作开关112a均集成在操作件112上。此外，操作开关112a并不限于物理开关或信号开关，任何可以控制电路中电流的开启和关闭的装置均适用。事实上，这类操作开关112a并不限于对电流的控制，也可以是以机械手段控制自走功能的开启或关闭。

一般，为了感测用户的推力进而控制割草机的行走速度或者输出扭矩等行走过程中的相关参数。通常会在把手装置11内设有压力传感器，以及用于触发压力传感器的触发组件。在一个实施例中，触发组件能驱动压力传感器发生形变。从而，当用户向握持部115施加推力时，触发组件会向压力传感器施加作用力，压力传感器发生形变并产生一个电信号。在本实施例中，割草机100还可以包括信号处理装置和控制单元，压力传感器产生的电信号发送至信号处理装置，信号处理装置将处理过的信号发送给控制单元，以控制割草机100在地面上行走。然而，当压力传感器输出的电信号需要经过较长的通信链路才能传输至主机12；另外，为准确的感知用户的推力，对压力传感器的精度要求较高，而压力传感器使用时间较长后，可能存在对形变感知的敏感性降低的问题发生。综上所述，采用压力传感器感知用户推力的方式存在性能不稳定或者精度降低的问题，从而会影响用户跟走控制割草机100工作的舒适性。

现有技术中存在一些无需压力传感器即可估算用户割草机100施加在把手装置11上的推力的方法。例如，通过检测驱动马达的电流、加速度或者割草机工作平面相对于水平面的倾角等参数，进行综合分析后得到用户施加在把手上的推力。虽然不需要压力传感器，但也会由于增加加速度或者倾角等参数的检测，而不可避免的增加了一些其他检测装置，从而并不能保证推力估算不受到检测装置安装位置的影响。

在无压力传感器的工作机中，为了减少检测装置的种类，并保证估算结果的准确性，可以利用割草机行走控制系统中的参数估算用户的推力。

在本实施例中，如图2所示的控制逻辑图，割草机100的主机12的控制电路中除了具有驱动马达122、控制器123，还包括能够获取割草机行走过程中的相关参数的马达参数检测装置124，能检测驱动马达122的转子位置和/或马达的工作电机即相电流。角度检测装置125，能够检测割草机100当前的工作面相对于水平面的倾角。控制电路至少还包括电源13和驱动电路126。

其中，电源13可以是电池包或者交流市电。具体的，电源电压可以通过电源转换电路转换后使控制器123、马达参数检测装置124和角度检测装置125上电。

驱动电路126，能够连接在控制器123和驱动马达122之间，具有若干半导体开关元件以切换电机的通电状态。在一个实施例中，驱动电路127与驱动马达122的各相定子绕组电性连接，用以将电源电流传递至定子绕组以驱动无刷马达122旋转。作为实施例的一种，如图2所示，驱动电路126包括多个开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6。开关元件的每个栅极端与控制器123电性连接，用于接收来自控制器123的控制信号。开关元件的每个漏极或源极与驱动马达122的定子绕组连接。开关元件Q1-Q6接收来自控制器123的控制信号改变各自的导通状态，从而改变电源加载在驱动马达122的定子绕组上的电流。在一个实施例中，驱动电路126中的开关元件Q1-Q6可以是包括六个可控半导体功率器件（例如FET，BJT，IGBT等）的三相桥驱动器电路，或者是任何其他类型的固态开关，例如IGBT，BJT等。

在一个实施例中，马达参数检测装置124可以是霍尔传感器，能够直接获取驱动马达122的转子位置。在一个实施例中，马达参数检测装置124可以是采样电阻，能够检测马达的相电流。在一个实施例中，马达参数检测装置124也可以是通过磁场感应马达电流的装置。在一个实施例中，控制器123在估算用户施加在把手装置上的推力时，可以采用转子位置或者相电流中的一个参数，也可以两个参数均采用。

角度检测装置125，用于检测割草机100行走的平面相对于水平面的倾角，如图3所示的角度θ。在一个实施例中，角度检测装置125可以是姿态传感器。姿态传感器可以由陀螺仪、加速度计和地磁计组成，能够分别测量割草机100在机体坐标系和地面坐标系的关系的三个姿态角，即偏航角Yaw、俯仰角Pitch和翻滚角Roll。进而控制器123能根据上述三个姿态角确定倾角θ。

为了便于理解控制器123估算出用户推力的原理，这里，我们可以割草机100上的任一点做受力分析。如图3所示，人手施加在割草机上的推力为，驱动马达122所产生的马达的驱动力为/>，割草机100的行走轮所受到的摩擦阻力为/>，对割草机100前进构成阻碍的重力的分量为/>，割草机100在前进方向上受到的合力为/>。从而，割草机100在任意时刻受到的所有力满足如下力平衡关系：/>。其中，车轮的滚动摩擦阻力，重力的分量/>，合力/>，其中a为割草机100相对地面的前进加速度，/>为割草机的重量，/>摩擦系数。可以将摩擦阻力和重力的分量合称为割草机在当前工作环境中的阻力。综上割草机的力平衡关系如下：

在本实施例中，不考虑滑动摩擦力，也不考虑滚动摩擦系数的变化。另外随着割草的进行，割草机集草装置的重量增加，割草机的重量M也会增加，本实施例中可以取不同时刻割草机重量的平均值作为重量M代入上述力平衡关系。控制器123可以根据上述力平衡关系构建推力观测模块，并将上述马达参数检测装置124检测的参数作为输入参数输入上述推力观测模型，从而确定用户推力。可以采用不同的模型构建策略构建推力观测模型，在本实施例对此不作限制。

在一个实施例中，控制器123可以根据马达转子位置确定驱动马达122的转速，或者根据相电流确定马达转速。进而控制器123可以将马达转速和工作电流作为输入参数输入推力观测模型，以计算推力的大小。

在一个实施例中，控制器123可以根据上述推力观测模型构建马达的工作电流即相电流、转速以及割草机所受合力的关系模型，进而根据工作电流和转速确定合力，再根据合力与阻力的差值确定推力。在构建推力观测模型时，可以利用马达转速与加速度的关系、滚动摩擦力与马达速度的关系，构建合力、马达速度以及相电流的观测模型。在一个实施例中，根据推力观测模型确定的相电流、转速以及割草机所受合力的关系模型为，其中，/>为马达转速，/>为马达的工作电流，/>是由割草机系统参数和环境参数决定的系数。控制器123可以根据马达的转速和工作电流确定割草机所受的合力/>，或者可以根据工作电流确定转速后，再结合工作电流确定合力/>。进而，可以确定推力/>。

割草机行走控制系统在控制驱动马达转动过程中，需要检测马达的转子位置或相电流，并通过构建推力观测模型，利用上述转子位置和相电流来推算用户的推力，无需增加其他检测装置或元件即可推算用户的推力。另外，由于割草机行走控制系统的控制技术较成熟，系统中检测的参数的准确度能得到保证，从而也保证了推力估算的准确性。

在构建推力观测模型，利用转子位置和相电流来推算用户的推力的过程中，为了检测倾角θ，一般采用姿态传感器。而姿态传感器本身包括陀螺仪、加速度计和地磁计三种仪器，通过检测三种角度计算出倾角θ。所采用的仪器多，检测的参数多，倾角计算过程复杂。

在一个实施例中，为简单快速且准确的获得倾角θ，本申请对割草机的在工作平面上的加速度进行分析。如图4所示，在割草机100的前进方向上的加速度等于割草机的前进加速度/>和重力加速度在割草机前进方向的分量/>之和，即/>。其中，割草机的前进加速度/> ,其中，/>为车轮速度，/> 为车轮半径，ω为车轮角速度，/>为驱动马达角速度，/>为速比，/>为马达转速。控制器123可以根据上述驱动马达的转子位置和/或相电流确定马达的转速/>，从而割草机的前进加速度/>可以确定。

由于加速度计轴线方向与割草机前进方向平行，可以利用其测量割草机前进方向的加速度。在不同行走面下，如平地、下坡和上坡环境下/>和/>的关系可以表示为：

由上可知，只需确定割草机前进方向上的加速度，即可计算出倾角θ。在本实施例中，可以采用加速度计测量割草机前进方向上的加速度/>。从而可以确定倾角。

在一个实施例中，倾角还与割草机前进方向垂直方向上的加速度/>相关。在本实施例中，在不同行走面下，如平地、下坡和上坡环境下/>和/>的关系可以表示为：

由上可知，在不同行走面下，和/>的关系不同。而/>与倾角/>的关系是固定的，因此可以利用/>与倾角/>的关系计算/>，并利用/>和/>的关系不同确定不同行走面中/>的计算方式,如下：

在本实施例中，可以采用加速度计测量割草机前进方向上的加速度以及与割草机前进方向垂直方向上的加速度/>确定倾角/>。

在本实施例中，无需设置加速度传感器、姿态传感器等高成本高要求的检测装置，只需借助加速度计以及行走控制系统中常用的检测参数即转子位置和/或相电流即可准确估算用户推力。在减少成本的同时，保证了推力估算的准确性。

由转矩到速度的控制还需经过时间的积分，从而使得速度的响应具有滞后性，给自走控制带来拉拽或阻顿感，舒适性较低。而本申请实施例在估算出用户推力后，可以基于上述力平衡关系，改变马达的驱动力，即改变马达的输出转矩。从而驱动力可以实时响应推力的变化而变化，使得自走控制的过程更加平滑顺畅，用户舒适性较高。

在本实施例中，控制器123响应用户推力而改变马达输出转矩的过程可以适用于FOC控制或者BLDC的控制或者两者结合的控制方式。

参考图5，后走式割草机的行走控制方法包括如下步骤：

S101，检测驱动马达的转子位置和/或工作电流。

在一个实施例中，可以根据马达的转子位置和/或工作电流确定马达的转速。

S102，根据割草机当前的受力平衡关系构建推力观测模型。

S103，将转速和工作电流作为推力观测模型的输入参数，以确定推力。

可以理解的，转速和工作电流作为输入参数输入推力观测模型可以得到合力，进一步可以根据合力、推力以及阻力的关系确定推力/>的值。

S104，根据推力和受力平衡关系改变马达的输出转矩。

参考图6，后走式割草机的行走控制方法包括如下步骤：

S201，检测驱动马达的转子位置和/或工作电流。

在一个实施例中，可以根据马达的转子位置和/或工作电流确定马达的转速。

S202，检测割草机在当前工作环境中至少一个方向上的加速度。

S203，根据加速度确定割草机相对于水平面的倾角。

S204，根据割草机当前的受力平衡关系构建推力观测模型。

S205，将转速和工作电流作为推力观测模型的输入参数，以确定合力。

S206，根据合力、推力以及阻力的关系和倾角的值计算推力。

可以理解的，转速和工作电流作为输入参数输入推力观测模型可以得到合力，进一步可以根据合力、推力以及阻力的关系确定推力/>的值。

S207，根据推力和受力平衡关系改变马达的输出转矩。

注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本申请的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种带助力的工作机，包括：

主机，包括行走组件和驱动所述行走组件的驱动马达；

把手装置，连接至所述主机；

其中：

所述把手装置包括：

操作件，包括用于供用户握持的握持部；

还包括：

马达参数检测装置，设置为检测所述驱动马达的工作参数；

加速度计，设置为检测所述工作机在当前工作环境中至少一个方向上的加速度；

控制器，被配置为根据所述加速度确定所述工作机相对于水平面的倾角，并根据所述工作参数和所述倾角估算施加在所述把手装置上的推拉力。

2.根据权利要求1所述的带助力的工作机，其特征在于，所述工作参数包括所述马达的转子位置和/或工作电流。

3.根据权利要求2所述的带助力的工作机，其特征在于，所述控制器被配置为：根据所述转子位置确定所述马达的转速。

4.根据权利要求1所述的带助力的工作机，其特征在于，所述工作参数包括所述马达的转速和工作电流。

5.根据权利要求3或4任一项所述的带助力的工作机，其特征在于，所述控制器被配置为：根据所述带助力的工作机当前的受力平衡关系构建推力观测模型；采用所述转速和所述工作电流作为所述推力观测模型的输入参数以确定所述推拉力。

6.根据权利要求5所述的带助力的工作机，其特征在于，所述受力平衡关系至少包括所述推拉力、所述驱动马达的驱动力、所述带助力的工作机在当前工作环境中的阻力以及所述带助力的工作机受到的合力。

7.根据权利要求6所述的带助力的工作机，其特征在于，所述控制器被配置为：根据所述推力观测模型构建所述工作电流，所述转速和所述合力的关系模型；根据所述工作电流和所述转速确定所述合力；根据所述合力与所述阻力的差值确定所述推拉力。

8.一种割草机的推拉力估算方法，所述割草机包括主机，包括行走组件和驱动所述行走组件的驱动马达；把手装置，连接至所述主机；其中：所述把手装置包括：操作件，包括用于供用户握持的握持部；还包括：马达参数检测装置，设置为检测所述驱动马达的工作参数；加速度计，设置为检测所述割草机在当前工作环境中至少一个方向上的加速度；所述估算方法包括：

根据所述加速度确定所述带助力的工作机相对于水平面的倾角；

根据所述割草机当前的受力平衡关系构建推力观测模型；

采用所述转速、所述工作电流和所述倾角作为所述推力观测模型的输入参数以确定施加在所述把手装置上的推拉力。

9.根据权利要求1所述的推拉力估算方法，其特征在于，所述受力平衡关系至少包括所述推力、所述驱动马达的驱动力、所述带助力的工作机在当前工作环境中的阻力以及所述带助力的工作机受到的合力。

10.根据权利要求9所述的推拉力估算方法，其特征在于，所述方法还包括：根据所述推力观测模型构建所述工作电流，所述转速和所述合力的关系模型；根据所述工作电流和所述转速确定所述合力；根据所述合力与所述阻力的差值确定所述推拉力。