南寧職業(yè)技術(shù)學院 湯維龍 曹現(xiàn)果 鄒存?zhèn)?/p>

1 智能割草機國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

割草機又稱除草機，是一種用于修剪草坪植被等的機械工具。割草機的發(fā)明節(jié)省了除草工人的作業(yè)時間，減少了大量的人力資源。與傳統(tǒng)的割草機相比，智能割草機不僅具有操作簡單、割草效率高等優(yōu)點，而且可以自動完成割草任務(wù)，減少人力成本和時間成本，還具有安全、無噪音、智能化程度高等優(yōu)點，已經(jīng)成為割草機行業(yè)的主要發(fā)展方向。

1.1 國外智能割草機發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過文獻查閱，發(fā)現(xiàn)國外對智能割草機做了大量工作，現(xiàn)在市場上已經(jīng)上市了部分產(chǎn)品，這些產(chǎn)品一般有以下功能:機器遇到障礙物或人后，能通過超聲波傳感器檢測，利用角度傳感器，簡單繞行，可保護自身又有效地保證了工作人員的安全;有些配置了雨水傳感器，遇到雨水時能自動回到充電處避雨;機器載有溫度負載傳感器，能確保在過熱或滿負荷時自我調(diào)節(jié)，延長本機壽命；還可以與手機App鏈接，實現(xiàn)智能控制機器操作等。但它們也不是完美的，也有缺陷，草坪坡度高無法使用，草坪超過3000平方米面積也無法使用，一些死角問題也不能解決?？偠灾?，歐美地區(qū)國家的智能割草機具有高效節(jié)能、安全可靠、自動化程度高等特點，并通過鋰電池管理系統(tǒng)、智能控制技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，并逐步向高效率、低排放、高智能化的方向發(fā)展。

1.2 國內(nèi)智能割草機發(fā)展現(xiàn)狀

我國對智能割草機的研究起步時間比較晚，南京理工大學機械學院曾開發(fā)了MORO型移動割草機器人樣機，這可能是我國最早的智能割草機樣機。與其他輪式智能割草機不同，江蘇大學曾設(shè)計了一款履帶式智能割草機，它具有GPS定位功能，能快速高效的執(zhí)行割草任務(wù)，但只適用于障礙少、大面積的草地區(qū)域。但隨著我國日益先進的技術(shù)水平，寶時得等企業(yè)的崛起，我國在智能割草機國際市場也越來越重要，仍擁有較強的競爭力。由于國內(nèi)市場需求有限，我國有96%以上的智能割草機均用于出口。

現(xiàn)在市場上的智能割草機，一般只適用于園林裝飾修剪、草地綠化修剪、城市街道、綠化景點、田園修剪、田地除草等，不適用于我國平原、丘陵、梯田等特殊地形，而智能越野割草機的設(shè)計，能巧妙地解決我們的難題。在我們這樣一個農(nóng)業(yè)大國，提倡發(fā)展農(nóng)業(yè)機械化，提高工作效率，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的政策，智能越野割草機的應(yīng)用顯得極為重要。

2 智能越野割草機設(shè)計的目的和思路

2.1 智能越野割草機設(shè)計的目的

目前市場上割草機噪音大，對地形、草地形狀要求較高。在我國，割草機研發(fā)較為緩慢，21世紀初仍以步行手推式為主，割草時需要連接交流電，拖著電線，離電源插座距離有限，割草面積有限，效率低下。目前，市場上鋰電池割草機居多，可以在沒有市電的環(huán)境下工作，但割草時長受電池容量的限制，需要消耗大量的人力和物力。為降低農(nóng)產(chǎn)品維護作業(yè)的勞動強度和成本，這款智能越野除草機不僅能滿足多地形除草功能，還能精準地對農(nóng)產(chǎn)品噴灑農(nóng)藥和澆水。

2.2 智能越野割草機設(shè)計思路

廣泛查找國內(nèi)外智能割草機的資料，比較其性能、結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點，結(jié)合我區(qū)特殊的地表形態(tài)特點，借鑒越野汽車的運行原理和運行特點，設(shè)計以越野汽車外形為割草機結(jié)構(gòu);根據(jù)研究充電樁的工作原理，對自動充電性能進行優(yōu)化;根據(jù)路徑規(guī)劃技術(shù)和避障技術(shù)研究，提高智能割草機的安全性和可靠性;研究智能噴霧系統(tǒng)工作原理，優(yōu)化噴灑功能;最后進行越野智能割草機的樣機測試與改進。

2.3 智能越野割草機設(shè)計創(chuàng)新點

智能越野割草機的創(chuàng)新點有以下兩點。

（1）市場上的智能割草機對地形要求較高，不能廣泛適用我國特殊地表形態(tài)結(jié)構(gòu)，該設(shè)計借鑒越野汽車的越野性能特點，很好地解決了這一難題。

（2）該設(shè)計還擁有智能噴霧槍，這是市場上智能割草機所沒有的功能。機器可遠程設(shè)置噴灑功能，提高農(nóng)藥噴灑效率和精度，且保護工作人員不受到農(nóng)藥傷害。

3 智能越野割草機的結(jié)構(gòu)設(shè)計及技術(shù)指標

3.1 智能越野割草機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能越野割草機的結(jié)構(gòu)主要由升降臂式割草裝置、越野防滑輪胎、前置動力電機、廣角攝像頭、高壓噴霧槍、車臂蓄電池、蓄水箱、充電口等部分組成。其造型結(jié)構(gòu)如圖所示。

智能越野割草機結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

智能越野割草機外觀造型效果圖

智能越野割草機六視圖

3.2 智能越野割草機的技術(shù)指標

現(xiàn)在市場上的智能割草機的主要技術(shù)有：操作工作過程中的智能傳感器、智能路徑的識別規(guī)劃技術(shù)、作業(yè)邊界的自我識別與界定技術(shù)、智能化的探測避障技術(shù)等，在此基礎(chǔ)上，我們設(shè)計的智能越野割草機，外形參考了越野汽車，擁有良好的通過性，越野輪胎，可升降噴霧車身，爬坡能力強等功能。

該智能割草機內(nèi)置有由雷達采用數(shù)字波束形成技術(shù)，通過大天線孔徑形成的窄波束，對發(fā)射波束內(nèi)的衛(wèi)星進行精確定位的定位系統(tǒng)和20升蓄水箱，配合超聲波探測系統(tǒng)，能夠?qū)τ衫走_電子波速在空間設(shè)置一道攔截空域的電子籬笆噴霧區(qū)的植物和人體進行檢測，利用離心噴頭高速旋轉(zhuǎn)和可控制0~60抬升降低角度的高壓噴霧槍，自動選擇對植物進行農(nóng)藥噴灑，高壓噴霧槍噴霧離車身最高距離為22cm(高壓噴霧槍槍臂為24cm,托盤為10cm，高壓噴霧槍抬升最高角度為60°,噴霧槍抬升最高角度與水平距離h＝24×sin60°＝12cm,噴霧槍與車身最高距離為H＝10+h＝22cm),噴嘴口徑為0.7cm,噴水直徑約為1.4m,霧化顆粒直徑為10~50cm，提高了農(nóng)藥噴灑效率和精度，且工作人員不宜受到農(nóng)藥污染。通過App遠程遙控大數(shù)據(jù)和紅外感應(yīng)，可以自動偵測雜草和農(nóng)作物的區(qū)別，控制系統(tǒng)的無刷電機驅(qū)動智能越野割草機，帶動刀片轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)清除雜草功能。

智能越野割草機的智能噴霧槍結(jié)合電視攝像機裝置實現(xiàn)成像功能，以超聲波探測系統(tǒng)配合,可識別不同高度的障礙物，360°旋轉(zhuǎn)噴灑藥物；使用電力能源，可自行返回充電樁充電；利用雨滴傳感器，下雨可自動進入無雨區(qū)避雨；通過App遠程遙控大數(shù)據(jù)，可以自動偵測雜草和農(nóng)作物的區(qū)別，清除雜草；利用路徑識別規(guī)劃技術(shù)，可自動規(guī)劃出一條現(xiàn)實中合理的無障礙路徑,有效保護了機器自身安全；外形參考越野汽車，并借鑒越野性能特點，擁有多地形除草的能力；采用無刷電機，噪音小，環(huán)保，可在小區(qū)、校園等區(qū)域使用。

主要技術(shù)指標：

（1）高壓噴霧槍可0～60°升降角度。

（2）工作噪音為58分貝，即使是晚上工作也不影響睡眠。

（3）刀片為一塊橢圓旋轉(zhuǎn)刀片。

（4）割草寬度為80cm，割草高度根據(jù)實際調(diào)節(jié)，可15～60mm設(shè)定。

（5）刀片額定空載最高轉(zhuǎn)速為3600（r/min）。

（6）工作坡度為0~60°。

（7）20升蓄水箱，噴灑藥水達100m2。

（8）噴霧槍水管長5m，取下使用可應(yīng)對大多數(shù)農(nóng)業(yè)情況。

4 智能越野割草機市場前景

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人們生活水平不斷提高，人們的消費觀念和消費水平有了很大的轉(zhuǎn)變與提升，農(nóng)用割草機行業(yè)也得到了快速發(fā)展。與此同時，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，在各行業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用，農(nóng)業(yè)與其快速融合，農(nóng)業(yè)裝備從半機械化、機械化向智能化轉(zhuǎn)型升級，智能割草機也正在潛移默化的替代傳統(tǒng)農(nóng)用割草機。根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2021年全球及中國機器人割草機產(chǎn)業(yè)深度研究報告》來看，2015~2019年，全球機器人割草機需求量呈現(xiàn)階梯式增長的趨勢，有較高的增長率，已達到17%以上，僅2019年需求量已達29萬臺。目前，全球智能機器人割草機行業(yè)雖然處于發(fā)展階段，但已具備鮮明的特點，發(fā)展時間短，普及率比較低，有較大的市場增長潛力。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，中國在智能割草機行業(yè)擁有較強的競爭力，是全球智能割草機出口大國。智能越野割草機的應(yīng)用能提高主要農(nóng)作物的耕種收益，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，提升效益，是農(nóng)民致富和鄉(xiāng)村振興重要的智能產(chǎn)品。