一種智能化精密自動(dòng)割草機(jī)及其控制裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及精密割草機(jī)及其控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及割草機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、分布式信標(biāo)與激光自動(dòng)定位測(cè)量、轉(zhuǎn)角位移定位、角度和位置坐標(biāo)補(bǔ)償軌跡控制和超聲波自動(dòng)測(cè)量與防撞控制等技術(shù)領(lǐng)域，適合于智能化控制過(guò)程中的精密割草和草坪園林美化要求的場(chǎng)入口 ο
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們生活的改善和審美水準(zhǔn)的提高，手動(dòng)割草機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)草坪修剪質(zhì)量要求。需要一種具有實(shí)時(shí)位置測(cè)量和軌跡補(bǔ)償控制的智能化自動(dòng)精密割草機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)草坪高度、平整度、形態(tài)等有高質(zhì)量要求的精密割草，并將人們從重復(fù)、枯燥的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)。
[0003]目前，傳統(tǒng)割草機(jī)以手扶式和機(jī)器牽引式為主，割草機(jī)動(dòng)力大都采用汽油或柴油內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這種割草機(jī)需要人工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，噪音大、污染環(huán)境，割草質(zhì)量差，無(wú)法適應(yīng)人們對(duì)草坪美化的需要。
[0004]本發(fā)明提供了一種智能化精密自動(dòng)割草機(jī)，所發(fā)明具有圖形預(yù)處理、軌跡坐標(biāo)自動(dòng)生成、分布式定位、智能化補(bǔ)償軌跡控制、自動(dòng)防撞避障和美化草坪等功能。達(dá)到美化草坪和節(jié)能環(huán)保的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]1、發(fā)明目標(biāo)
[0006]本發(fā)明提供一種智能化自動(dòng)精密割草機(jī)及其控制裝置，主要目標(biāo)包括:(1)依據(jù)用戶草坪美化圖形方案，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像預(yù)處理，將圖形數(shù)字化，生成割草軌跡坐標(biāo)，下載到智能化精密自動(dòng)割草機(jī)本身的中央監(jiān)控系統(tǒng)中；(2)通過(guò)分布式信標(biāo)定位、自動(dòng)激光導(dǎo)航位置測(cè)量、車體姿態(tài)轉(zhuǎn)角位移測(cè)量，實(shí)時(shí)計(jì)算出割草機(jī)在草坪上的實(shí)時(shí)坐標(biāo)位置和轉(zhuǎn)角位移，生成軌跡糾偏補(bǔ)償控制算法，執(zhí)行軌跡運(yùn)動(dòng)指令，控制割草機(jī)按預(yù)定軌跡坐標(biāo)連續(xù)運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)精密割草，按預(yù)設(shè)的軌跡圖形，實(shí)現(xiàn)對(duì)草坪的精整和美化；(3)割草機(jī)還具有超聲波檢測(cè)防撞避障以及遙控功能。
[0007]2、基本原理
[0008]本發(fā)明保證智能化精密自動(dòng)割草機(jī)軌跡控制的準(zhǔn)確性，首先進(jìn)行割草機(jī)機(jī)體位置坐標(biāo)和轉(zhuǎn)角位移的準(zhǔn)確測(cè)量，并把測(cè)量的結(jié)果及時(shí)反饋給割草機(jī)的中央監(jiān)控模塊，由中央監(jiān)控模塊實(shí)時(shí)跟蹤割草機(jī)的運(yùn)動(dòng)位置狀態(tài)，執(zhí)行閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制算法，進(jìn)行割草軌跡的及時(shí)糾正，實(shí)現(xiàn)割草機(jī)軌跡運(yùn)動(dòng)的智能化控制。本發(fā)明提出基于如下原理來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0009](1)激光水平掃描的割草機(jī)位置坐標(biāo)測(cè)量原理(圖1)
[0010]如圖1，割草機(jī)車體(1)放置在草坪地塊0ABC任一位置，將兩個(gè)遠(yuǎn)程信標(biāo)(50、51)分別被直立于坐標(biāo)點(diǎn)0(0，0)和點(diǎn)A(0，c)，c為常數(shù)，事先測(cè)定。D(x，y)為割草機(jī)激光掃描收發(fā)器(36)回轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)，定義為割草機(jī)機(jī)體質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)，DO、DA分別是D點(diǎn)到兩個(gè)信標(biāo)的水平距離，通過(guò)激光掃描測(cè)距方式實(shí)時(shí)獲取，DO = a,, DA = a2。
[0011]在Λ OAD中，由余弦定理可得:
[0012]Cos ( γ ^ = {c1+a.1-a.2) /2cal
[0013]貝1J，割草機(jī)位置坐標(biāo):D(x,y) = (a1 X sin ( γ 1), aj X cos ( γ 1))
[0014]DO和DA距離由激光測(cè)距獲取，由此可以計(jì)算D(x，y)坐標(biāo)。
[0015](2)割草機(jī)機(jī)體水平轉(zhuǎn)角測(cè)量原理(圖1)
[0016]如圖1，割草機(jī)機(jī)體中心軸線(52)通過(guò)點(diǎn)D(x，y)且與割草機(jī)機(jī)體兩側(cè)邊平行。
[0017]割草機(jī)機(jī)體的轉(zhuǎn)角α定義為割草機(jī)機(jī)體中心軸線(52)與Υ軸垂直運(yùn)動(dòng)方向的夾角，其算法如下:
[0018]β != 90°-γ!
[0019]α = β 2-β 1
[0020]這里，α〈0，表示割草機(jī)機(jī)體中心線逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)α角，
[0021]α >0，表示割草機(jī)機(jī)體中心線順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)α角，
[0022]α = 0，表示割草機(jī)機(jī)體中心線和y軸垂直。
[0023]β 2由云臺(tái)立式伺服電機(jī)上的旋轉(zhuǎn)編碼器Α、Β、Ζ脈沖實(shí)時(shí)獲取。
[0024](3)智能化軌跡運(yùn)動(dòng)控制原理
[0025]中央監(jiān)控模塊依據(jù)接收到的割草機(jī)的位置坐標(biāo)和轉(zhuǎn)動(dòng)角位移，結(jié)合割草機(jī)預(yù)設(shè)軌跡，生成智能化軌跡糾偏算法指令，發(fā)送給運(yùn)動(dòng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)割草機(jī)自動(dòng)割草功能。
[0026](3)超聲波防撞控制原理
[0027]車體前后各安裝一個(gè)超聲波傳感器，進(jìn)行前后障礙物距離測(cè)量，超聲波測(cè)控模塊定時(shí)采集前后超聲波傳感器所測(cè)得的距離，進(jìn)行閾值分析，判斷距離是否超限，將處理結(jié)果發(fā)送給中央監(jiān)控模塊，以便執(zhí)行防撞和避障指令。
[0028]3、技術(shù)方案(圖2)
[0029]本發(fā)明根據(jù)智能化精密自動(dòng)割草機(jī)的工作目標(biāo)和基本原理，制訂技術(shù)方案，并從功能角度分析和整合，對(duì)系統(tǒng)集成和封裝，建立了智能化精密自動(dòng)割草機(jī)結(jié)構(gòu)模型。模型分為物理、通信、控制、功能4個(gè)層次:
[0030](1)物理層
[0031]本發(fā)明由計(jì)算機(jī)和割草機(jī)本體及其相關(guān)附件組成。
[0032]優(yōu)選地，所述計(jì)算機(jī)設(shè)有割草機(jī)圖形和軌跡預(yù)處理軟件，將用戶訂制的圖形載體，轉(zhuǎn)化為割草機(jī)所需要的割草機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)，下載到割草機(jī)中央控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中。
[0033]優(yōu)選地，所述割草機(jī)本體由機(jī)械裝置和控制裝置組成。
[0034]優(yōu)選地，所述機(jī)械裝置包括割草機(jī)機(jī)體、差動(dòng)行走機(jī)構(gòu)、主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、刀盤自動(dòng)升降機(jī)構(gòu)、超聲波傳感器、激光掃描云臺(tái)、控制箱和電源等。
[0035]優(yōu)選地，所述控制裝置分為三個(gè)部分7個(gè)模塊。第一部分安裝在割草機(jī)的車體上，包括中央監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)控制、激光定位導(dǎo)航和超聲波測(cè)控4個(gè)模塊，各模塊之間通過(guò)RS485總線組成主從式通信接口，其中，中央監(jiān)控模塊為主機(jī)，其余為從機(jī)；第二部分包括手持遙控模塊1個(gè)，通過(guò)紅外接口和中央監(jiān)控模塊通信；第三部分包括遠(yuǎn)程信標(biāo)控制模塊2個(gè)，兩個(gè)遠(yuǎn)程信標(biāo)控制模塊功能結(jié)構(gòu)相同。每個(gè)遠(yuǎn)程信標(biāo)控制模塊通過(guò)各自的無(wú)線射頻接口與激光定位導(dǎo)航模塊實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)通信。
[0036]優(yōu)選地，所述附件包括:遠(yuǎn)程分布式信標(biāo)裝置2個(gè)、信標(biāo)裝置所用電源2個(gè)。
[0037](2)通信層
[0038]優(yōu)選地，以RS485和射頻無(wú)線通信等接口構(gòu)成的分布式總線通信結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)控制模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。
[0039]優(yōu)選地，所述分布式結(jié)構(gòu)通信結(jié)構(gòu)，各模塊既相互獨(dú)立，又有統(tǒng)一、開放的數(shù)據(jù)通信接口，保證了通信和控制算法的可靠性。
[0040]優(yōu)選地，所述各模塊內(nèi)部算法獨(dú)立運(yùn)行，模塊之間只交換指令和數(shù)據(jù)處理結(jié)果，大大減少了系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信量，減少了通信堵塞，提高了系統(tǒng)處理速度。
[0041]優(yōu)選地，所述分布式總線通信結(jié)構(gòu)，便于軟件結(jié)構(gòu)規(guī)范化，減輕了開發(fā)的工作量。
[0042](3)控制層
[0043]優(yōu)選地，所述控制層由智能測(cè)量算法、通信協(xié)議、智能軌跡算法、任務(wù)分配、智能診斷例程等控制單元所組成的控制構(gòu)件。
[0044]優(yōu)選地，所述控制單元采用庫(kù)函數(shù)封裝，理論算法及其程序相互獨(dú)立，共享標(biāo)準(zhǔn)通信接口，方便數(shù)據(jù)通信和編程。
[0045](4)功能層
[0046]所述功能層通過(guò)外部人機(jī)交互和內(nèi)部控制驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、刀具升降、軌跡運(yùn)動(dòng)、刀盤旋轉(zhuǎn)、超聲波防撞、數(shù)據(jù)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)精密割草機(jī)自動(dòng)割草功能，達(dá)到精密割草和美化草坪的目的。
[0047]3、發(fā)明效果
[0048]和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0049](1)草坪圖像到運(yùn)動(dòng)軌