趙洪雷， 江 磊， 何亞麗， 韓相博， 張玉海， 謝 強

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

隨著我國經(jīng)濟和社會的發(fā)展，人力成本越來越高，為了解決勞動力短缺的問題，在人們的生產(chǎn)和生活中，用機器取代人是大勢所趨，也是我國人口老齡化越來越嚴重的現(xiàn)實國情下的必然選擇.在草坪綠化領域，采用無人割草車取代傳統(tǒng)的手動割草機[1]，解決了傳統(tǒng)手動割草機的工作效率低、存在安全隱患等問題[2].

本研究針對機場的草坪修理工作設計了無人割草車，這里主要介紹它的電氣系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，具體包括能源系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)、電氣系統(tǒng)的設計和實現(xiàn).

1 設計指標要求

1)總體任務需求.

需要割草的草坪面積大概為1 km2，是一個比較平坦的長條形的連續(xù)區(qū)域，按照當?shù)氐臍夂驐l件，在夏天草木生長茂盛的季節(jié)，要求1臺割草車每半個月要完成一次全區(qū)域割草作業(yè).

2)任務需求分解.

需要割草的總面積為1 km2，按照半個月完成一次全區(qū)域的割草作業(yè)，則每天需要割草的面積為1000×1000÷15=66666.7 m2，夏天的工作時間可以達到14 h(6∶00～20∶00)，所以割草車每小時需要割草的面積為66666.7/14=4762 m2.

以上任務需求對車輛的要求如下：

(1)車輛具備長時間(14 h)連續(xù)工作的性能，所以采用柴油發(fā)電機作為整車的能量來源；

(2)車輛具備割草的高效性.車輛作業(yè)時的行使速度為5 km/h，割草機構的有效作業(yè)寬度為2 m，則每小時作業(yè)過的面積為10 000 m2，為了實現(xiàn)割草區(qū)域的連續(xù)和不間斷，將割草機來回直線行走間的距離調(diào)整為割草機構寬度的一半，以獲得50%的余量來確保100%的覆蓋[3]，此時有效作業(yè)面積為10000×50%=5000 m2.在自主系統(tǒng)控制的割草作業(yè)的重疊覆蓋率不大于50%的條件下，能夠滿足每小時有效作業(yè)面積大于4 762 m2的要求.

2 能源系統(tǒng)設計

無人割草車的工作流程為：非工作狀態(tài)時，停留在車庫里.需要工作時，首先用蓄電池組的能量驅(qū)動車輛行駛一段距離后進入草地，然后啟動柴油發(fā)電機，用柴油發(fā)電機發(fā)出的交流電的一部分用于驅(qū)動割草機構工作，另一部分交流電通過電壓變換模塊轉(zhuǎn)換為直流電，給蓄電池組充電，蓄電池組給車輛的驅(qū)動電機、轉(zhuǎn)向電機和其它用電設備供電，維持車輛的運行.當車輛割草作業(yè)結(jié)束時，關閉柴油發(fā)電機，用蓄電池組的能量驅(qū)動車輛返回車庫.在這個工作過程中，能量的最終來源是柴油發(fā)電機，無人割草車從車庫行駛到草地和從草地行駛到車庫的過程中需要使用蓄電池組的能量(供電).無人割草車能源系統(tǒng)框圖如圖1所示.

圖1 無人割草車能源系統(tǒng)框圖

該無人割草車采用蓄電池組進行驅(qū)動是為了環(huán)保和靜音，采用柴油發(fā)電機進行發(fā)電是為了延長該車輛的作業(yè)時間.如圖1所示，該車的能量的最終來源是程控的AC220V發(fā)電機，它將柴油所蘊含的化學能轉(zhuǎn)換為AC220V的電能，該交流電有兩個用途，一個用途是通過電控的交流接觸器后給3個交流割草電機控制器供電，從而驅(qū)動割草電機運轉(zhuǎn)，執(zhí)行割草動作，完成割草車的作業(yè)任務.另一個用途是經(jīng)過AC220V/DC72V模塊把交流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的72V直流電，給72V鉛酸蓄電池組充電.72V的鉛酸電池組兩極之間連接一個數(shù)字電壓表，能夠隨時監(jiān)測電池組的電壓值，從而能夠?qū)﹄姵亟M的能量狀態(tài)進行監(jiān)測和估計，從而利于上層控制器對整車進行決策控制.72V蓄電池組的能量輸出有兩個去處，一個是通過手動直流接觸器后經(jīng)過電壓變換模塊給低壓控制設備供電，另一個是通過電控直流接觸器后給驅(qū)動系統(tǒng)供電.具體為：通過手動直流接觸器的72V電源又可以細分為3個去向.1)通過72V/48V的DC/DC模塊后，變換為48V的直流電，給前輪轉(zhuǎn)向電機控制器、后輪轉(zhuǎn)向電機控制器、制動電機控制器供電，最終將能量傳遞到車輛的前輪轉(zhuǎn)向電機、后輪轉(zhuǎn)向電機、制動電機，從而實現(xiàn)了車輛前輪轉(zhuǎn)向、后輪轉(zhuǎn)向、車輛制動的能量供給.2)通過72V/24V的DC/DC模塊后，變換為24V的直流電，給主控計算機、數(shù)據(jù)采集板、油量傳感器、CAN繼電器模塊組、CAN數(shù)據(jù)記錄儀等設備供電，數(shù)據(jù)采集板上能夠把24V電源變換為5V電源，從而為雨量傳感器、碰撞傳感器、急停開關等器件供電.3)通過72V/12V的DC/DC模塊后，變換為12V的直流電，給導航計算機、數(shù)傳電臺、天線、可見光攝像機、4線激光雷達、慣性組合導航系統(tǒng)、網(wǎng)絡交換機、遙控開關模塊、紅外攝像機等設備供電.通過電控直流接觸器的72V電源，給左前輪驅(qū)動電機控制器、左中輪驅(qū)動電機控制器、左后輪驅(qū)動電機控制器、右前輪驅(qū)動電機控制器、右中輪驅(qū)動電機控制器、右后輪驅(qū)動電機控制器供電，從而為車輛的驅(qū)動系統(tǒng)提供能量.

3 電氣系統(tǒng)設計

無人割草車根據(jù)任務要求，其電氣系統(tǒng)可以劃分為以下幾個系統(tǒng)：行走控制系統(tǒng)(包括驅(qū)動控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng))、作業(yè)系統(tǒng)(包括割草電機及其控制系統(tǒng))、感知規(guī)劃決策系統(tǒng)(包括傳感器感知、路徑規(guī)劃和智能決策系統(tǒng))、能源控制系統(tǒng)(包括發(fā)電機的程序控制、蓄電池組的能量監(jiān)測和管理、用電設備根據(jù)需要自動開啟和關閉等)、輔助系統(tǒng)(車燈、警燈、喇叭、遙控開關、急停開關等)、操控系統(tǒng)(近程遙控、遠程遙控、自主行駛).無人割草車電氣系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖2 無人割草車電氣系統(tǒng)框圖

1)行走控制系統(tǒng)設計.

主控計算機上擁有兩條獨立的CAN總線，CAN1連接6個驅(qū)動電機的控制器，主控計算機通過在CAN1上發(fā)送CAN指令來分別控制車輛的6個輪子運轉(zhuǎn)在不同的速度和力矩模式下，從而實現(xiàn)對車輛的驅(qū)動控制.CAN2上連接前輪轉(zhuǎn)向電機控制器、后輪轉(zhuǎn)向電機控制器、制動電機控制器，主控計算機通過在CAN2上發(fā)送CAN指令來控制車輪的轉(zhuǎn)向角度和制動力矩，從而控制車輛的轉(zhuǎn)向和制動.

2)作業(yè)系統(tǒng)設計.

主控計算機通過在CAN2總線上發(fā)送CAN指令來控制CAN繼電器模塊組，通過該模塊組來控制電控交流接觸器的通斷，從而控制3個割草電機是否運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)對割草作業(yè)的程序控制.

3)感知規(guī)劃決策系統(tǒng)設計.

導航計算機通過網(wǎng)絡交換機接收慣性組合導航系統(tǒng)、紅外攝像機、可見光攝像機、4線激光雷達的傳感器信息，從而判斷車輛自身所處位置、航向、周圍障礙物等信息.同時通過數(shù)傳電臺與遠程操控端進行交互，獲知遠程的操控意圖，通過綜合決策判斷，做出車輛的運動與否、作業(yè)與否的決策，通過網(wǎng)絡交換機下發(fā)給主控計算機.

4)能源的控制系統(tǒng)設計.

主控計算機通過CAN2總線上的數(shù)據(jù)采集板采集電池組的電壓信息和油量傳感器的信息，從而判斷車輛的能量狀態(tài)，通過CAN繼電器模塊組控制發(fā)電機的啟動與停止、割草電機的運轉(zhuǎn)與停止等來實現(xiàn)在滿足任務要求的情況下的能量的最優(yōu)化利用.

5)輔助系統(tǒng)設計.

為了增加車輛行駛的安全性，車上配備了前大燈、警燈、喇叭等設備.主控計算機通過CAN2總線控制CAN繼電器模塊組[4]，從而能夠控制前大燈、警燈、喇叭等設備是否工作.車上還配備了CAN數(shù)據(jù)記錄儀，用于記錄總線數(shù)據(jù)，便于在車輛出現(xiàn)問題后查找原因.

6)操控系統(tǒng)設計.

該無人割草車的操控有3種方式.正常工作模式是自主工作模式.在自主工作模式下，導航計算機根據(jù)采集到的傳感器的數(shù)據(jù)，同時結(jié)合任務需求，自主規(guī)劃決策，發(fā)送指令給主控計算機，主控計算機通過兩條獨立的CAN總線來控制車輛的驅(qū)動、轉(zhuǎn)向、制動、作業(yè)、能源、輔助等系統(tǒng)按照要求動作.車輛動作后，傳感器的數(shù)據(jù)會隨著環(huán)境的變化而相應改變，導航計算機也會根據(jù)新的傳感器數(shù)據(jù)而重新自主規(guī)劃決策，從而發(fā)送新的指令給主控計算機.此過程循環(huán)往復，從而實現(xiàn)了車輛的自主工作.在自主工作模式下，遠程操控臺能夠?qū)崟r顯示通過數(shù)傳電臺傳回的車輛的運行數(shù)據(jù)和周圍的傳感器信息，人員可以在操控臺上遠程監(jiān)視車輛的狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)車輛出現(xiàn)異常時，可以通過操控連接到操控臺上的操控裝置來接管自主工作模式，由人根據(jù)操控臺上的視頻圖像信息來控制車輛的動作.遠程操控臺的有效操控距離是3 km，能夠滿足使用要求.人的遠程操控優(yōu)先級高于自主工作模式，保證了更好的安全性.車輛附近還有一個無線遙控手柄，用來對車輛進行近程操控，它的有效操控距離是30 m，它的優(yōu)先級高于自主和遙控，在緊急情況下能夠?qū)崿F(xiàn)對車輛的最高優(yōu)先級的操控.

4 試 驗

如圖3所示.該車輛在南方某農(nóng)村松軟的麥田里進行了連續(xù)10 h的割麥茬試驗(麥子被收割機收割完后留下了大概30 cm高度的麥茬)，環(huán)境溫度20～35 ℃，陽光直射.在這個過程中主要測試了以下性能：

1)車輛的割麥茬效果.

車輛的割草機構距離地面高度為10 cm左右，因地面松軟，車輛有一定的沉陷，實際割麥茬的效果為距地面7～8 cm.車輛走過之后，能夠把割草機構覆蓋的區(qū)域的麥茬全部割掉.

2)車輛的平均速度.

車輛在直線行駛時的速度設定為6 km/h.在車輛轉(zhuǎn)彎的時候，自主系統(tǒng)會控制車輛適當降低速度.全程平均下來，平均速度大概為5.6 km/h.滿足設計指標5 km/h的要求.

3)車輛的連續(xù)工作性能.

車輛從8∶00開始試驗，連續(xù)工作到18∶00直到燃盡25 L油箱的燃油為止，車輛工作一切正常.因給車輛加油可以控制在10 min以內(nèi)完成，所以車輛滿足連續(xù)工作的性能要求.

4)車輛自主割草的區(qū)域覆蓋性能.

選擇了1塊100 m×100 m左右的方形區(qū)域，進行了割草車的自主行駛割草作業(yè)測試，驗證是否會出現(xiàn)遺漏的作業(yè)區(qū)域.通過查看操控臺上的參數(shù)，能夠看到自主系統(tǒng)的定位誤差小于0.3 m.按照設計(將割草機來回直線行走間的距離調(diào)整為割草機構寬度的一半，也就是1 m)，理論上只要自主系統(tǒng)的定位誤差小于0.5 m就不會出現(xiàn)遺漏的作業(yè)區(qū)域.試驗結(jié)果證實確實沒有遺漏的作業(yè)區(qū)域.

5)車輛緊急停車性能.

車輛正常行駛時(車速為5 km/h)，突然按下操控臺上的急停開關.車輛從按下急停開關開始到完全停下為止，剎車距離不到1 m.

圖3 試驗現(xiàn)場

經(jīng)過試驗驗證，該車的驅(qū)動系統(tǒng)能夠工作在速度模式和力矩模式，滿足車輛驅(qū)動的要求；前輪后輪同步轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，能夠減少車輛的轉(zhuǎn)向半徑；制動系統(tǒng)采用電機驅(qū)動電動缸、推動剎車泵的方式，能夠快速控制車輛進入剎車狀態(tài)，正常工作時(車速為5 km/h)，剎車距離小于1 m，滿足制動要求；車輛采用燃油作為能量來源，滿足長時間連續(xù)工作的要求；發(fā)電機系統(tǒng)采用程序控制，能夠?qū)崿F(xiàn)上位機對發(fā)電機的靈活控制；車上配備有機械急停按鈕和遙控急停按鈕，確保車輛行駛的安全；車燈、喇叭、警燈等輔助功能通過程序控制開啟和關閉的功能正常；整車實現(xiàn)了近程操控模式、完全自主模式和遠程遙控模式控制；割草電機能夠有效地割草；自主系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)區(qū)域的全覆蓋，滿足設計要求.

5 結(jié)束語

按照割草作業(yè)的實際要求，進行了無人割草車電氣系統(tǒng)和能源系統(tǒng)的設計.在麥田里進行了模擬割草試驗，試驗結(jié)果表明，該無人割草車滿足長時間連續(xù)工作的使用要求，也滿足每小時的有效作業(yè)面積大于4 762 m2的效率要求.在自主系統(tǒng)的控制下，能夠保障割草作業(yè)不會有遺漏的區(qū)域.最終能夠?qū)崿F(xiàn)在半個月的時間內(nèi)，對面積約為1 km2的連續(xù)的草坪，進行1次無遺漏區(qū)域的完整作業(yè).