智能越野割草機(jī)設(shè)計(jì)與研究

南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湯維龍 曹現(xiàn)果 鄒存?zhèn)?/p>

1 智能割草機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

割草機(jī)又稱除草機(jī)，是一種用于修剪草坪植被等的機(jī)械工具。割草機(jī)的發(fā)明節(jié)省了除草工人的作業(yè)時(shí)間，減少了大量的人力資源。與傳統(tǒng)的割草機(jī)相比，智能割草機(jī)不僅具有操作簡(jiǎn)單、割草效率高等優(yōu)點(diǎn)，而且可以自動(dòng)完成割草任務(wù)，減少人力成本和時(shí)間成本，還具有安全、無(wú)噪音、智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為割草機(jī)行業(yè)的主要發(fā)展方向。

1.1 國(guó)外智能割草機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)查閱，發(fā)現(xiàn)國(guó)外對(duì)智能割草機(jī)做了大量工作，現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)上市了部分產(chǎn)品，這些產(chǎn)品一般有以下功能:機(jī)器遇到障礙物或人后，能通過(guò)超聲波傳感器檢測(cè)，利用角度傳感器，簡(jiǎn)單繞行，可保護(hù)自身又有效地保證了工作人員的安全;有些配置了雨水傳感器，遇到雨水時(shí)能自動(dòng)回到充電處避雨;機(jī)器載有溫度負(fù)載傳感器，能確保在過(guò)熱或滿負(fù)荷時(shí)自我調(diào)節(jié)，延長(zhǎng)本機(jī)壽命；還可以與手機(jī)App鏈接，實(shí)現(xiàn)智能控制機(jī)器操作等。但它們也不是完美的，也有缺陷，草坪坡度高無(wú)法使用，草坪超過(guò)3000平方米面積也無(wú)法使用，一些死角問(wèn)題也不能解決?？偠灾?，歐美地區(qū)國(guó)家的智能割草機(jī)具有高效節(jié)能、安全可靠、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，并通過(guò)鋰電池管理系統(tǒng)、智能控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，并逐步向高效率、低排放、高智能化的方向發(fā)展。

1.2 國(guó)內(nèi)智能割草機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)智能割草機(jī)的研究起步時(shí)間比較晚，南京理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院曾開(kāi)發(fā)了MORO型移動(dòng)割草機(jī)器人樣機(jī)，這可能是我國(guó)最早的智能割草機(jī)樣機(jī)。與其他輪式智能割草機(jī)不同，江蘇大學(xué)曾設(shè)計(jì)了一款履帶式智能割草機(jī)，它具有GPS定位功能，能快速高效的執(zhí)行割草任務(wù)，但只適用于障礙少、大面積的草地區(qū)域。但隨著我國(guó)日益先進(jìn)的技術(shù)水平，寶時(shí)得等企業(yè)的崛起，我國(guó)在智能割草機(jī)國(guó)際市場(chǎng)也越來(lái)越重要，仍擁有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。由于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求有限，我國(guó)有96%以上的智能割草機(jī)均用于出口。

現(xiàn)在市場(chǎng)上的智能割草機(jī)，一般只適用于園林裝飾修剪、草地綠化修剪、城市街道、綠化景點(diǎn)、田園修剪、田地除草等，不適用于我國(guó)平原、丘陵、梯田等特殊地形，而智能越野割草機(jī)的設(shè)計(jì)，能巧妙地解決我們的難題。在我們這樣一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，提倡發(fā)展農(nóng)業(yè)機(jī)械化，提高工作效率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的政策，智能越野割草機(jī)的應(yīng)用顯得極為重要。

2 智能越野割草機(jī)設(shè)計(jì)的目的和思路

2.1 智能越野割草機(jī)設(shè)計(jì)的目的

目前市場(chǎng)上割草機(jī)噪音大，對(duì)地形、草地形狀要求較高。在我國(guó)，割草機(jī)研發(fā)較為緩慢，21世紀(jì)初仍以步行手推式為主，割草時(shí)需要連接交流電，拖著電線，離電源插座距離有限，割草面積有限，效率低下。目前，市場(chǎng)上鋰電池割草機(jī)居多，可以在沒(méi)有市電的環(huán)境下工作，但割草時(shí)長(zhǎng)受電池容量的限制，需要消耗大量的人力和物力。為降低農(nóng)產(chǎn)品維護(hù)作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，這款智能越野除草機(jī)不僅能滿足多地形除草功能，還能精準(zhǔn)地對(duì)農(nóng)產(chǎn)品噴灑農(nóng)藥和澆水。

2.2 智能越野割草機(jī)設(shè)計(jì)思路

廣泛查找國(guó)內(nèi)外智能割草機(jī)的資料，比較其性能、結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合我區(qū)特殊的地表形態(tài)特點(diǎn)，借鑒越野汽車的運(yùn)行原理和運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)以越野汽車外形為割草機(jī)結(jié)構(gòu);根據(jù)研究充電樁的工作原理，對(duì)自動(dòng)充電性能進(jìn)行優(yōu)化;根據(jù)路徑規(guī)劃技術(shù)和避障技術(shù)研究，提高智能割草機(jī)的安全性和可靠性;研究智能噴霧系統(tǒng)工作原理，優(yōu)化噴灑功能;最后進(jìn)行越野智能割草機(jī)的樣機(jī)測(cè)試與改進(jìn)。

2.3 智能越野割草機(jī)設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

智能越野割草機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)有以下兩點(diǎn)。

（1）市場(chǎng)上的智能割草機(jī)對(duì)地形要求較高，不能廣泛適用我國(guó)特殊地表形態(tài)結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)借鑒越野汽車的越野性能特點(diǎn)，很好地解決了這一難題。

（2）該設(shè)計(jì)還擁有智能噴霧槍，這是市場(chǎng)上智能割草機(jī)所沒(méi)有的功能。機(jī)器可遠(yuǎn)程設(shè)置噴灑功能，提高農(nóng)藥噴灑效率和精度，且保護(hù)工作人員不受到農(nóng)藥傷害。

3 智能越野割草機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及技術(shù)指標(biāo)

3.1 智能越野割草機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能越野割草機(jī)的結(jié)構(gòu)主要由升降臂式割草裝置、越野防滑輪胎、前置動(dòng)力電機(jī)、廣角攝像頭、高壓噴霧槍、車臂蓄電池、蓄水箱、充電口等部分組成。其造型結(jié)構(gòu)如圖所示。

智能越野割草機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

智能越野割草機(jī)外觀造型效果圖

智能越野割草機(jī)六視圖

3.2 智能越野割草機(jī)的技術(shù)指標(biāo)

現(xiàn)在市場(chǎng)上的智能割草機(jī)的主要技術(shù)有：操作工作過(guò)程中的智能傳感器、智能路徑的識(shí)別規(guī)劃技術(shù)、作業(yè)邊界的自我識(shí)別與界定技術(shù)、智能化的探測(cè)避障技術(shù)等，在此基礎(chǔ)上，我們?cè)O(shè)計(jì)的智能越野割草機(jī)，外形參考了越野汽車，擁有良好的通過(guò)性，越野輪胎，可升降噴霧車身，爬坡能力強(qiáng)等功能。

該智能割草機(jī)內(nèi)置有由雷達(dá)采用數(shù)字波束形成技術(shù)，通過(guò)大天線孔徑形成的窄波束，對(duì)發(fā)射波束內(nèi)的衛(wèi)星進(jìn)行精確定位的定位系統(tǒng)和20升蓄水箱，配合超聲波探測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)τ衫走_(dá)電子波速在空間設(shè)置一道攔截空域的電子籬笆噴霧區(qū)的植物和人體進(jìn)行檢測(cè)，利用離心噴頭高速旋轉(zhuǎn)和可控制0~60抬升降低角度的高壓噴霧槍，自動(dòng)選擇對(duì)植物進(jìn)行農(nóng)藥噴灑，高壓噴霧槍噴霧離車身最高距離為22cm(高壓噴霧槍槍臂為24cm,托盤為10cm，高壓噴霧槍抬升最高角度為60°,噴霧槍抬升最高角度與水平距離h＝24×sin60°＝12cm,噴霧槍與車身最高距離為H＝10+h＝22cm),噴嘴口徑為0.7cm,噴水直徑約為1.4m,霧化顆粒直徑為10~50cm，提高了農(nóng)藥噴灑效率和精度，且工作人員不宜受到農(nóng)藥污染。通過(guò)App遠(yuǎn)程遙控大數(shù)據(jù)和紅外感應(yīng)，可以自動(dòng)偵測(cè)雜草和農(nóng)作物的區(qū)別，控制系統(tǒng)的無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)智能越野割草機(jī)，帶動(dòng)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)清除雜草功能。

智能越野割草機(jī)的智能噴霧槍結(jié)合電視攝像機(jī)裝置實(shí)現(xiàn)成像功能，以超聲波探測(cè)系統(tǒng)配合,可識(shí)別不同高度的障礙物，360°旋轉(zhuǎn)噴灑藥物；使用電力能源，可自行返回充電樁充電；利用雨滴傳感器，下雨可自動(dòng)進(jìn)入無(wú)雨區(qū)避雨；通過(guò)App遠(yuǎn)程遙控大數(shù)據(jù)，可以自動(dòng)偵測(cè)雜草和農(nóng)作物的區(qū)別，清除雜草；利用路徑識(shí)別規(guī)劃技術(shù)，可自動(dòng)規(guī)劃出一條現(xiàn)實(shí)中合理的無(wú)障礙路徑,有效保護(hù)了機(jī)器自身安全；外形參考越野汽車，并借鑒越野性能特點(diǎn)，擁有多地形除草的能力；采用無(wú)刷電機(jī)，噪音小，環(huán)保，可在小區(qū)、校園等區(qū)域使用。

主要技術(shù)指標(biāo)：

（1）高壓噴霧槍可0～60°升降角度。

（2）工作噪音為58分貝，即使是晚上工作也不影響睡眠。

（3）刀片為一塊橢圓旋轉(zhuǎn)刀片。

（4）割草寬度為80cm，割草高度根據(jù)實(shí)際調(diào)節(jié)，可15～60mm設(shè)定。

（5）刀片額定空載最高轉(zhuǎn)速為3600（r/min）。

（6）工作坡度為0~60°。

（7）20升蓄水箱，噴灑藥水達(dá)100m2。

（8）噴霧槍水管長(zhǎng)5m，取下使用可應(yīng)對(duì)大多數(shù)農(nóng)業(yè)情況。

4 智能越野割草機(jī)市場(chǎng)前景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平不斷提高，人們的消費(fèi)觀念和消費(fèi)水平有了很大的轉(zhuǎn)變與提升，農(nóng)用割草機(jī)行業(yè)也得到了快速發(fā)展。與此同時(shí)，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，在各行業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用，農(nóng)業(yè)與其快速融合，農(nóng)業(yè)裝備從半機(jī)械化、機(jī)械化向智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，智能割草機(jī)也正在潛移默化的替代傳統(tǒng)農(nóng)用割草機(jī)。根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2021年全球及中國(guó)機(jī)器人割草機(jī)產(chǎn)業(yè)深度研究報(bào)告》來(lái)看，2015~2019年，全球機(jī)器人割草機(jī)需求量呈現(xiàn)階梯式增長(zhǎng)的趨勢(shì)，有較高的增長(zhǎng)率，已達(dá)到17%以上，僅2019年需求量已達(dá)29萬(wàn)臺(tái)。目前，全球智能機(jī)器人割草機(jī)行業(yè)雖然處于發(fā)展階段，但已具備鮮明的特點(diǎn)，發(fā)展時(shí)間短，普及率比較低，有較大的市場(chǎng)增長(zhǎng)潛力。經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，中國(guó)在智能割草機(jī)行業(yè)擁有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，是全球智能割草機(jī)出口大國(guó)。智能越野割草機(jī)的應(yīng)用能提高主要農(nóng)作物的耕種收益，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提升效益，是農(nóng)民致富和鄉(xiāng)村振興重要的智能產(chǎn)品。