专利设计：智能除草机

1.除草机背景

该行业主要使用滚刀草坪修剪车进行操场除草。除草不仅浪费人力，而且受天气条件的限制，传统割草机产生的环境污染也环境污染。随着社会经济的不断发展，劳动力成本也在上升，因此大学和体育场每年都在增加除草投资。因此，有必要开发一种自动化、智能化、绿色环保智能自动除草机取代传统的人工劳动，节约成本。智能自动除草机可以通过自己的传感器和处理器识别和处理不同的工作环境，从而实现智能工作，大大降低了人力资源的使用，实现了智能控制。

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2.除草机的优点

1.履带车的设计
与轮式汽车相比，易受地形限制，在复杂地形下仍能正常工作。操作范围更广，重心低，稳定，复杂地形不易陷入，不易翻车。
2.除草机与人工智能相结合
今天流行的ROS机器人操作系统和Linux结合操作系统，易于开发，使机器人功能多样化。分布式框架允许开发者根据机器人所需的功能灵活添加各种功能模块。
3.采用锂电池和太阳能供电；草屑收集装置；模块有三种不同的刀具
与传统内燃机相比，高效、无污染、节能、环保；大大节约人力，提高操作质量和效率；节省了每次在不同草地上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，是以履带车身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、履带车，履带车除履带车外模块安装在履带车上；履带车底盘采用双坦克履带车底盘，前后分为四个履带。
有两种模式：独立除草和遥控除草，独立除草模式是除草机通过独立智能识别草类型，选择相应的工作方式，遥控除草是通过无线通信技术人工遥控除草机工作，主要针对草原上的死角问题。智能自动除草机可以通过自己的传感器和处理器识别和处理不同的工作环境，然后选择不同的工作模式来实现智能工作，大大降低了人力资源的使用。

（二）两种功能模式

1.独立除草模式

实现方式：
在移动过程中，视觉识别模块摄像头将数据传输到控制模块中的覆盆子派3B 处理微型计算机，集成平衡模块MPU6050陀螺仪传感器自主定位，构建增量格栅地图，然后利用避障模块中的激光雷达实现除草机的独立导航和行走(SLAM)，地图除草机可覆盖整个草地进行工作。
除草方式：
选择不同的独立工作方法进行独立除草，不同的独立工作方法对应使用不同的刀具，以不同的工作速度工作，相机完成识别任务后，旋转对准前方，进入实时监控和导航状态，方便员工远程监控。
工作模式分为3种：
1.慢:对于浓密高壮的草原，选用锯齿状刀刃镰刀作为切割部件，以较慢的速度工作，确保完全切割；
2.快：对于切割较嫩、较短、稀疏的草，选择高强度尼龙绳作为切割部件，结构灵活，不怕遇到刚性障碍物，工作速度快，提高工作效率；
3.中间:对于面积大、草地类型复杂的草地，选择2刃矩形割草机刀片，长条形刀片锋利，覆盖面积大，工作速度中等。

(3)硬件架构

智能自动除草机中除履带车外的所有模块均安装在履带车上。履带车底盘采用双坦克履带车底盘，分为前后四个履带，运行更好、平稳。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，并在车身前方增加刀具保护装置；草屑收集装置设置在履带车尾部；热释电红外传感器设置在车身前方；MPU6050陀螺仪传感器设置在车身中央；锂电池和太阳能模块设置在车身顶部；声光报警器也设置在车身上。

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4.实现除草机功能

1.控制模块(除草机的核心部分)
树莓派3B 微型电脑和Arduino mega由2560微控制器组成。ROS系统。
树莓派3设置在履带车中心，用铁壳保护。B 微型计算机负责统筹规划除草机整个工作系统，Arduino mega2560微控制
该装置负责收集每个传感器的数据，并将其传回树莓派3B 处理数据后，微型计算机发布各种命令，然后通过Arduino mega2560微控制器执行各种动作。

2.视觉模块(除草机智能工作的关键)
视觉识别模块采用Kinect深度摄像头，安装在除草机顶部右上角的旋转平台，可旋转，当识别任务时，摄像头对准下方的草地，应用图像处理和机器学习理论，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，根据视觉识别模块传输的数据，可以识别不同类型的草地。

3.避障模块
采用避障模块SICK室外系列激光雷达安装在控制模块上方，树莓派3B 微型计算机相连。除草机独立行走时，微型计算机计算障碍物与除草机的距离，发出指令Arduino mega2560微控制器应的避障动作的2560微控制器。

4.平衡模块
在平衡模块中MPU6050六轴加速度传感器必须安装在履带车的中心，以确定履带车的倾斜角度，然后传输到Arduino mega比较计算2560微控制器。当履带车倾斜角大于设定值时，有翻车倾向时，通过调整履带电机的速差，控制模块稳定履带车。

5.报警模块
它由热释电红外传感器和声光报警器组成。热释电红外传感器设置在履带车周围，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，除草机会通过控制模块发出紧急回避或停止工作的指令，以防止事故发生。当除草机温度过高时，红外传感器检测到的温度超过极限，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器、上位机和显示器组成。控制模块与人机交互模块之间的低成本、低功耗、最远收发距离可达500m～1km的Zigbee无线技术通信显示器监控除草机的工作状态。使用电源模块锂电池和太阳能电池板双供电，放在履带车顶部，天气晴朗时用太阳能电池供电，雨天用锂电池供电；所述草屑收集模块由草屑收集装置和气泵组成，位于履带车后部。当气泵开始工作时，收集装置的箱体内部形成负压，将刀具切割的草屑吸入箱体。

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5.除草机的工作过程

除草机开始工作前，旋转平台将摄像头旋转到地面，接收视觉识别模块中深度摄像头的深度图像，并进行智能识别，然后发布命令Arduino mega2560微控制器15，使除草机以相应的刀具和工作方式工作。
除草机独立工作时，应处理避障模块中激光雷达传达的雷达信息，并下达命令arduino微控制器，控制履带车的电机驱动模块，以相应的动作避障。识别任务完成后，旋转平台将摄像头旋转到前面，进入实时监控和导航状态。图像由树莓派3B 通过微型计算机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，工作人员可以随时检查除草机的工作状态。所述Arduino mega2560微控制器15主要负责树莓派3B 微型计算机14发布的各种命令也用于接收平衡模块和报警收集的信息并处理。

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6.除草机原理图

每个模块设计1-框架；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—
工具保护装置；39-旋转平台；40—Zigbee收发模块。