基于 GNSS定位的无人割草车系统研究

谢训鹏、陈林杰、齐洪豪、罗炜、唐珑、史小露

江西洪都航空工业集团有限责任公司 江西 南昌 330024

摘要：我国机械自动化水平正在不断提高，无论是大型农场和小型农田的收割与耕种，还是机场割草和大型公共领域的清洁，都已经使用了有人操作的机械化装备。然而，随着人工成本的不断增加，人工操作面临的压力越来越大，无人装备的使用需求越来越迫切。目前，大型机场的割草工作主要是由人工操控大型机械装备来完成，存在作业效率低、成本高且对草坪的伤害大等弊端。

本论文以割草车的功能要求为背景展开研究，基于GNSS获取定位信息，实现了一款集环境感知、路径规划和行为控制等多种功能于一体的无人割草车。

关键词：自动化；割草；无人车；导航；路径规划

1 引言

随着科技的发展进步，智能设备得到发展。与传统的割草车不同，无人割草车融合了环境感知、路径规划和行为控制等技术，极大的提升操作者在割草过程中的舒适度及体验感。

2无人割草车的设计

无人割草车是集环境感知、路径规划和行为控制等多种功能于一体的综合机器人系统。主要应用于机场、牧场等场所。该割草车使用两驱两转向功能的车身底盘，并将割台嵌进车身机构中。采用纯电动动力方式，使用两组大容量锂电池，外置专用充电器，配置专用DC电源模块转换得到所需DC24V、DC12V和DC5V供电。采用GNSS导航设备获取割草车精确位置、航向信息，用于路径规划与导航。采用雷达传感器获取割草车周边环境信息，用于实现避障功能。采用嵌入式智能控制器对整车进行控制，通过采集导航信息、避障传感器信息等进行路径规划，实现行走、导航、纠偏循迹等功能，输出控制信号给相应执行机构。

基于GNSS定位的无人割草车系统机构框图如图1所示，包含如下组成部分：

图1 无人割草车系统机构框图

（1）移动平台：移动平台包括底盘机构、行走执行机构、转向执行机构和割台升降机构。行走执行机构由两组直流伺服电机和电机驱动组成，转向执行机构由两组电机驱动器和直流伺服电机组成，割台升降机构由电机驱动器和直流伺服电机组成。所有电机驱动器采用CAN总线通信方式连接进行统一控制。

（2）割台系统：割台整体嵌入安装在车身中央，由割台升降电机控制割台整体升降调节，大功率割草电机直接安置在割台上带动割刀旋转作业，共三组割刀执行割草作业。

（3）导航：采用GNSS导航技术获取无人割草车精确位置、航向信息，用于路径规划、精密导航。导航系统由GNSS移动站和GNSS基站构成。其中基站放置于固定位置，包括卫星天线、基站接收机和发送电台。移动站放置于割草车车体上，包括卫星天线、移动站接收机和接收电台。

（4）控制系统：采用工控机或者智能移动控制器搭建无人割草车主控制器，用于输出电机驱动指令、采集GNSS导航信息、远程监控通信、电源管理系统数据采集以及辅助控制指令。辅助控制模块包括：避障传感、遥控接口和电源控制和传感采集等。

建立割草车运动模型，并设计相应的控制算法保证割草车按照导航及路径规划的内容运行。

如图2所示为割草车控制系统结构图。工控机作为主控连接GNSS通信接口、远程监控通信接口、电机通信接口和AI、DI、DO通信接口，其中AI、DI、DO通信接口又可分为：电机逻辑控制接口、遥控器接口、模拟、数字传感器接口、和其他逻辑控制单元。

图2 割草车控制系统结构图

1. GNSS通信接口

GNSS通信接口主要用于采集定位输出的精确定位信息。

2. 远程监控通信接口

远程监控通信接口主要与远程监控通信电台连接，实现向远程监控端发送实时状态，以及接收远程监控端的控制指令。

3. 电机通信接口

电机通信接口用于向行走、转向、割台电机发送控制指令。

4. AI、DI、DO通信接口

AI、DI、DO主要采用专用串口控制板模块搭建，实现模拟量采集、开关量采集和开关量输出功能。

5. 握手通信接口

握手通信接口用于判断工控机是否死机，并执行相应异常处理动作。

（5）动力系统：无人割草车动力系统采用纯电动动力方式，使用两组大容量锂电池，当一组电池出现故障时，另一组电池依然可以保证割草车正常工作返回，使电源具备更加可靠的备份，并配置专用DC电源模块转换得到所需DC24V、DC12V和DC5V电源供应，外置专用充电器给锂电池充电。

该平台大大提高割草作业效率，大大改善了机场割草作业环境，同时节省人力成本。

3 总结

基于GNSS的室外高精度自主导航技术、两轮两驱轮式机械底盘自主设计、动力驱动控制技术等多项先进性技术综合应用于割草车中，研发出一款无人的割草作业装备。产品迎合当前智能化发展潮流，同时能够紧紧抓住大型草坪修整这个未被开阔的行业，极具市场前瞻性。

参考文献

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