智能越野割草机设计与研究

南宁职业技术学院 汤维龙 曹现果 邹存伟

1 智能割草机国内外发展现状

割草机又称除草机，是一种用于修剪草坪植被等的机械工具。割草机的发明节省了除草工人的作业时间，减少了大量的人力资源。与传统的割草机相比，智能割草机不仅具有操作简单、割草效率高等优点，而且可以自动完成割草任务，减少人力成本和时间成本，还具有安全、无噪音、智能化程度高等优点，已经成为割草机行业的主要发展方向。

1.1 国外智能割草机发展现状

经过文献查阅，发现国外对智能割草机做了大量工作，现在市场上已经上市了部分产品，这些产品一般有以下功能:机器遇到障碍物或人后，能通过超声波传感器检测，利用角度传感器，简单绕行，可保护自身又有效地保证了工作人员的安全;有些配置了雨水传感器，遇到雨水时能自动回到充电处避雨;机器载有温度负载传感器，能确保在过热或满负荷时自我调节，延长本机寿命；还可以与手机App链接，实现智能控制机器操作等。但它们也不是完美的，也有缺陷，草坪坡度高无法使用，草坪超过3000平方米面积也无法使用，一些死角问题也不能解决。总而言之，欧美地区国家的智能割草机具有高效节能、安全可靠、自动化程度高等特点，并通过锂电池管理系统、智能控制技术的开发应用，并逐步向高效率、低排放、高智能化的方向发展。

1.2 国内智能割草机发展现状

我国对智能割草机的研究起步时间比较晚，南京理工大学机械学院曾开发了MORO型移动割草机器人样机，这可能是我国最早的智能割草机样机。与其他轮式智能割草机不同，江苏大学曾设计了一款履带式智能割草机，它具有GPS定位功能，能快速高效的执行割草任务，但只适用于障碍少、大面积的草地区域。但随着我国日益先进的技术水平，宝时得等企业的崛起，我国在智能割草机国际市场也越来越重要，仍拥有较强的竞争力。由于国内市场需求有限，我国有96%以上的智能割草机均用于出口。

现在市场上的智能割草机，一般只适用于园林装饰修剪、草地绿化修剪、城市街道、绿化景点、田园修剪、田地除草等，不适用于我国平原、丘陵、梯田等特殊地形，而智能越野割草机的设计，能巧妙地解决我们的难题。在我们这样一个农业大国，提倡发展农业机械化，提高工作效率，提高农业生产效率的政策，智能越野割草机的应用显得极为重要。

2 智能越野割草机设计的目的和思路

2.1 智能越野割草机设计的目的

目前市场上割草机噪音大，对地形、草地形状要求较高。在我国，割草机研发较为缓慢，21世纪初仍以步行手推式为主，割草时需要连接交流电，拖着电线，离电源插座距离有限，割草面积有限，效率低下。目前，市场上锂电池割草机居多，可以在没有市电的环境下工作，但割草时长受电池容量的限制，需要消耗大量的人力和物力。为降低农产品维护作业的劳动强度和成本，这款智能越野除草机不仅能满足多地形除草功能，还能精准地对农产品喷洒农药和浇水。

2.2 智能越野割草机设计思路

广泛查找国内外智能割草机的资料，比较其性能、结构优缺点，结合我区特殊的地表形态特点，借鉴越野汽车的运行原理和运行特点，设计以越野汽车外形为割草机结构;根据研究充电桩的工作原理，对自动充电性能进行优化;根据路径规划技术和避障技术研究，提高智能割草机的安全性和可靠性;研究智能喷雾系统工作原理，优化喷洒功能;最后进行越野智能割草机的样机测试与改进。

2.3 智能越野割草机设计创新点

智能越野割草机的创新点有以下两点。

（1）市场上的智能割草机对地形要求较高，不能广泛适用我国特殊地表形态结构，该设计借鉴越野汽车的越野性能特点，很好地解决了这一难题。

（2）该设计还拥有智能喷雾枪，这是市场上智能割草机所没有的功能。机器可远程设置喷洒功能，提高农药喷洒效率和精度，且保护工作人员不受到农药伤害。

3 智能越野割草机的结构设计及技术指标

3.1 智能越野割草机的结构设计

智能越野割草机的结构主要由升降臂式割草装置、越野防滑轮胎、前置动力电机、广角摄像头、高压喷雾枪、车臂蓄电池、蓄水箱、充电口等部分组成。其造型结构如图所示。

智能越野割草机结构设计图

智能越野割草机外观造型效果图

智能越野割草机六视图

3.2 智能越野割草机的技术指标

现在市场上的智能割草机的主要技术有：操作工作过程中的智能传感器、智能路径的识别规划技术、作业边界的自我识别与界定技术、智能化的探测避障技术等，在此基础上，我们设计的智能越野割草机，外形参考了越野汽车，拥有良好的通过性，越野轮胎，可升降喷雾车身，爬坡能力强等功能。

该智能割草机内置有由雷达采用数字波束形成技术，通过大天线孔径形成的窄波束，对发射波束内的卫星进行精确定位的定位系统和20升蓄水箱，配合超声波探测系统，能够对由雷达电子波速在空间设置一道拦截空域的电子篱笆喷雾区的植物和人体进行检测，利用离心喷头高速旋转和可控制0~60抬升降低角度的高压喷雾枪，自动选择对植物进行农药喷洒，高压喷雾枪喷雾离车身最高距离为22cm(高压喷雾枪枪臂为24cm,托盘为10cm，高压喷雾枪抬升最高角度为60°,喷雾枪抬升最高角度与水平距离h＝24×sin60°＝12cm,喷雾枪与车身最高距离为H＝10+h＝22cm),喷嘴口径为0.7cm,喷水直径约为1.4m,雾化颗粒直径为10~50cm，提高了农药喷洒效率和精度，且工作人员不宜受到农药污染。通过App远程遥控大数据和红外感应，可以自动侦测杂草和农作物的区别，控制系统的无刷电机驱动智能越野割草机，带动刀片转动，实现清除杂草功能。

智能越野割草机的智能喷雾枪结合电视摄像机装置实现成像功能，以超声波探测系统配合,可识别不同高度的障碍物，360°旋转喷洒药物；使用电力能源，可自行返回充电桩充电；利用雨滴传感器，下雨可自动进入无雨区避雨；通过App远程遥控大数据，可以自动侦测杂草和农作物的区别，清除杂草；利用路径识别规划技术，可自动规划出一条现实中合理的无障碍路径,有效保护了机器自身安全；外形参考越野汽车，并借鉴越野性能特点，拥有多地形除草的能力；采用无刷电机，噪音小，环保，可在小区、校园等区域使用。

主要技术指标：

（1）高压喷雾枪可0～60°升降角度。

（2）工作噪音为58分贝，即使是晚上工作也不影响睡眠。

（3）刀片为一块椭圆旋转刀片。

（4）割草宽度为80cm，割草高度根据实际调节，可15～60mm设定。

（5）刀片额定空载最高转速为3600（r/min）。

（6）工作坡度为0~60°。

（7）20升蓄水箱，喷洒药水达100m2。

（8）喷雾枪水管长5m，取下使用可应对大多数农业情况。

4 智能越野割草机市场前景

随着我国经济的不断发展，人们生活水平不断提高，人们的消费观念和消费水平有了很大的转变与提升，农用割草机行业也得到了快速发展。与此同时，随着互联网技术的迅速发展，在各行业领域得以应用，农业与其快速融合，农业装备从半机械化、机械化向智能化转型升级，智能割草机也正在潜移默化的替代传统农用割草机。根据新思界产业研究中心发布的《2021年全球及中国机器人割草机产业深度研究报告》来看，2015~2019年，全球机器人割草机需求量呈现阶梯式增长的趋势，有较高的增长率，已达到17%以上，仅2019年需求量已达29万台。目前，全球智能机器人割草机行业虽然处于发展阶段，但已具备鲜明的特点，发展时间短，普及率比较低，有较大的市场增长潜力。经统计发现，中国在智能割草机行业拥有较强的竞争力，是全球智能割草机出口大国。智能越野割草机的应用能提高主要农作物的耕种收益，提高农业生产效率，提升效益，是农民致富和乡村振兴重要的智能产品。