智能除草机

专利设计：智能除草机

1.除草机背景

业界主要采用滚刀式草坪修剪车来进行运动场的除草。除草不仅浪费人力，而且也受到天气状况的限制,传统割草机产生的环境污染也较大。随着社会经济的不断发展，人力成本也不断攀升，所以每年各大学校和体育场投入在除草方面的资金也不断增长。因此有必要研发出一种自动化、智能化、绿色环保的智能自动除草机来代替传统的人力劳作以节约成本。智能自动除草机可以通过自身的传感器和处理器对不同的工作环境进行识别和处理，从而实现智能工作，极大地减少了人力资源的使用，实现了智能化控制。

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2.除草机优点

1.履带小车的设计
相比于轮式小车，不易受地形限制，可以在复杂的地形仍然正常工作。作业范围更广，重心低，较稳，复杂地形不易陷入，不易翻车。
2.除草机与人工智能相结合
将当今流行的ROS机器人操作系统与Linux操作系统相结合，易于开发，使得机器人功能多样化，分布式框架可以让开发者根据机器人所需功能灵活添加各个功能模块。
3.采用锂电池和太阳能双重供电；采用草屑收集装置；模块带有三种不同的刀具
相比于传统内燃机，高效无污染，节能又环保；在很大程度上节约了人力，提高了作业的质量和效率；省去了每次在不同草地都要更换刀具的繁琐过程

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3.除草机功能

（一）整体功能概述

属于智能机器人技术领域，是一种以履带车体为载体的智能自动除草机。
包括控制模块、电源模块、视觉识别模块、避障模块、平衡模块、报警模块、刀具模块、电机驱动模块、人机交互模块、草屑收集模块和履带小车，除履带小车外的其余各模块安装设置在履带小车上；履带小车的底盘采用双坦克履带车底盘，分为前后四个履带。
具有自主除草和遥控除草两种模式，自主除草模式为除草机通过自主智能识别草地的类型，选用相对应的工作方式进行工作，而遥控除草就是通过无线通信技术人工远程遥控除草机进行工作，主要针对草地中的“死角”问题。智能自动除草机可以通过自身的传感器和处理器对不同的工作环境进行识别和处理，进而选用不同的工作模式，从而实现智能工作，极大减少了人力资源的使用。

（二）两种功能模式

1.自主除草模式

实现方式：
移动过程中，视觉识别模块中的摄像头将数据传送给控制模块中的树莓派3B+微型电脑进行处理，融合平衡模块中的MPU6050陀螺仪传感器进行自主定位，建造增量式栅格地图，然后利用避障模块中的激光雷达实现除草机的自主导航与行走(SLAM)，根据构造的地图除草机可覆盖整个草地进行工作。
除草方式：
选用不同的自主工作方式来进行自主除草，不同的自主工作方式对应着使用不同的刀具以及以不同的工作速度进行工作，摄像头在完成识别任务之后，旋转对准正前方，进入实时监测与导航状态，便于工作人员远程监督。
工作模式分为3种：
1.慢：对于浓密且高壮的草地，选用锯齿状刀刃的镰刀作为切割部件，以较慢的速度进行工作，确保完全切割；
2.快：对于比较嫩的好切断、较矮的草地以及稀疏的草地，选用高强度尼龙绳作为切割部件，柔性结构，不怕碰到刚性障碍物，可以以较快的速度的进行工作，提升工作效率；
3.中：对于面积较大且其中草地类型较为复杂的草地，选用2刃长方形割草机刀片，长条形的刀片则比较锋利，覆盖的面积也更大一些，以中等的速度进行工作。

（3）硬件架构

智能自动除草机中除履带小车外的各模块都安装设置在履带小车上，履带小车的底盘采用双坦克履带车底盘，分为前后四个履带，能更好地平稳运行。摄像头安装在履带小车顶部右上侧的旋转平台上；除草刀具、刀具驱动、舵机和刀具升降模块一同铰接在车体底部中央，并在车体正前方加有刀具保护装置；草屑收集装置设置于履带小车的尾部；热释电红外传感器设置在车体的正前方；MPU6050陀螺仪传感器设置在车体的中央；锂电池和太阳能模块设置在车体的顶端；车体上还设置有声光报警器。

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4.除草机功能实现

1.控制模块（除草机的核心部分）
树莓派3B+微型电脑和Arduino mega2560微控制器构成。配有ROS系统。
设置于履带小车的中心位置，并加以铁壳保护，树莓派3B+微型电脑负责对除草机整个工作系统进行统筹规划，Arduino mega2560微控制
器负责收集各传感器的数据并传回树莓派，由树莓派3B+微型电脑对数据经过处理，发布各种命令，再由Arduino mega2560微控制器去执行各种动作。

2.视觉模块（除草机实现智能化工作的关键）
视觉识别模块采用的是Kinect深度摄像头，安装于除草机的顶部右上侧的旋转平台，可以进行旋转，当进行识别任务时，摄像头对准下方草地，运用图像处理及机器学习的理论，通过之前用摄像头对各种草地类型的照片进行若干的识别训练，控制模块可以根据视觉识别模块传送的数据识别出不同的草地类型。

3.避障模块
避障模块采用的是SICK室外系列激光雷达，安装于控制模块上方，与控制模块中树莓派3B+微型电脑相连，除草机自主行走过程中，微型电脑通过计算障碍物与除草机的距离，从而发布指令于Arduino mega2560微控制器，控制除草机进行做出相应的避障动作。

4.平衡模块
平衡模块中的MPU6050六轴加速度传感器，必须安装在履带小车的中央位置用以测定履带小车的倾斜角度，然后传送到Arduino mega2560微控制器中进行比较计算。当履带小车倾斜角度大于设定值时，有侧翻的倾向时，控制模块通过调整履带电机的转速差使履带小车稳定。

5.报警模块
由热释电红外传感器和声光报警器组成，热释电红外感应器设置于履带小车的四周，主要针对人体和机器本身，一旦有人进入除草机的工作范围，那么除草机会通过控制模块发出紧急避让或停止工作的指令，防止意外的发生。当除草机温度过高时，通过红外感应器检测到的温度超过了限额，那么除草机也会通过声光报警器自动报警。

6.人机交互模块
人机交互模块由遥控控制器、上位机和显示器组成。控制模块与人机交互模块之间选用低成本、低功耗、收发距离最远可达到500m～1km的Zigbee无线技术来进行通信，显示器用以监测除草机的工作状态。电源模块采用锂电池和太阳能电池板双重供电，放置在履带小车顶部，天气晴朗时利用太阳能电池进行供电，阴雨天则利用锂电池进行供电；所述草屑收集模块由草屑收集装置和气泵构成，位于履带小车后部，当气泵开始工作时，收集装置的箱体内部形成负压，将刀具切过的草屑吸入箱体中。

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5.除草机工作过程

除草机开始工作前，旋转平台将摄像头旋转至对地面，接收视觉识别模块中的深度摄像头传回来的深度图像，并进行智能识别，然后发布命令于Arduino mega2560微控制器15，使除草机以相应的刀具和工作方式去进行工作。
除草机自主工作时，处理避障模块中的激光雷达传达回来的雷达信息，并发布命令于arduino微控制器，控制履带小车的电机驱动模块以相应的动作进行避障。识别任务完成后，旋转平台将摄像头旋转至正前方，进入实时监测与导航状态，图像由树莓派3B+微型电脑通过Zigbee无线通信技术发送给人机交互模块中的上位机，然后显示在显示器上，工作人员可以随时查看除草机的工作状态。所述Arduino mega2560微控制器15主要负责执行树莓派3B+微型电脑14发布的各种命令，同时也用于接收平衡模块和报警所采集的信息，并对此进行处理。

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6.除草机原理图

各模块设计1—车架；2—前履带；3—后履带；4—控制模块；5—视觉识别模块；6—避障
模块；7—平衡模块；8—报警模块；9—刀具模块；10—电机驱动模块；11—人机交互模块；
12—草屑收集模块；13—电源模块；14—树莓派3B+微型电脑；15—Arduino mega2560微控
制器；16—深度摄像头；17—激光雷达；18—MPU6050传感器；19—热释电红外传感器；20—
声光报警器；21—刀具升降模块；22—刀具驱动；23—舵机；24—镰刀；25—尼龙绳；26—2刃
割草机刀片；27—电机驱动；28—前电机；29—后电机；30—上位机；31—显示器；32—遥控
控制器；33—气泵；34—草屑收集装置；35—总电源；36—锂电池；37—太阳能电池板；38—
刀具保护装置；39—旋转平台；40—Zigbee收发模块。