无人割草车的电气系统的设计与实现

赵洪雷， 江 磊， 何亚丽， 韩相博， 张玉海， 谢 强

(中国北方车辆研究所，北京 100072)

随着我国经济和社会的发展，人力成本越来越高，为了解决劳动力短缺的问题，在人们的生产和生活中，用机器取代人是大势所趋，也是我国人口老龄化越来越严重的现实国情下的必然选择.在草坪绿化领域，采用无人割草车取代传统的手动割草机[1]，解决了传统手动割草机的工作效率低、存在安全隐患等问题[2].

本研究针对机场的草坪修理工作设计了无人割草车，这里主要介绍它的电气系统的设计与实现，具体包括能源系统的设计和实现、电气系统的设计和实现.

1 设计指标要求

1)总体任务需求.

需要割草的草坪面积大概为1 km2，是一个比较平坦的长条形的连续区域，按照当地的气候条件，在夏天草木生长茂盛的季节，要求1台割草车每半个月要完成一次全区域割草作业.

2)任务需求分解.

需要割草的总面积为1 km2，按照半个月完成一次全区域的割草作业，则每天需要割草的面积为1000×1000÷15=66666.7 m2，夏天的工作时间可以达到14 h(6∶00～20∶00)，所以割草车每小时需要割草的面积为66666.7/14=4762 m2.

以上任务需求对车辆的要求如下：

(1)车辆具备长时间(14 h)连续工作的性能，所以采用柴油发电机作为整车的能量来源；

(2)车辆具备割草的高效性.车辆作业时的行使速度为5 km/h，割草机构的有效作业宽度为2 m，则每小时作业过的面积为10 000 m2，为了实现割草区域的连续和不间断，将割草机来回直线行走间的距离调整为割草机构宽度的一半，以获得50%的余量来确保100%的覆盖[3]，此时有效作业面积为10000×50%=5000 m2.在自主系统控制的割草作业的重叠覆盖率不大于50%的条件下，能够满足每小时有效作业面积大于4 762 m2的要求.

2 能源系统设计

无人割草车的工作流程为：非工作状态时，停留在车库里.需要工作时，首先用蓄电池组的能量驱动车辆行驶一段距离后进入草地，然后启动柴油发电机，用柴油发电机发出的交流电的一部分用于驱动割草机构工作，另一部分交流电通过电压变换模块转换为直流电，给蓄电池组充电，蓄电池组给车辆的驱动电机、转向电机和其它用电设备供电，维持车辆的运行.当车辆割草作业结束时，关闭柴油发电机，用蓄电池组的能量驱动车辆返回车库.在这个工作过程中，能量的最终来源是柴油发电机，无人割草车从车库行驶到草地和从草地行驶到车库的过程中需要使用蓄电池组的能量(供电).无人割草车能源系统框图如图1所示.

图1 无人割草车能源系统框图

该无人割草车采用蓄电池组进行驱动是为了环保和静音，采用柴油发电机进行发电是为了延长该车辆的作业时间.如图1所示，该车的能量的最终来源是程控的AC220V发电机，它将柴油所蕴含的化学能转换为AC220V的电能，该交流电有两个用途，一个用途是通过电控的交流接触器后给3个交流割草电机控制器供电，从而驱动割草电机运转，执行割草动作，完成割草车的作业任务.另一个用途是经过AC220V/DC72V模块把交流电转化为稳定的72V直流电，给72V铅酸蓄电池组充电.72V的铅酸电池组两极之间连接一个数字电压表，能够随时监测电池组的电压值，从而能够对电池组的能量状态进行监测和估计，从而利于上层控制器对整车进行决策控制.72V蓄电池组的能量输出有两个去处，一个是通过手动直流接触器后经过电压变换模块给低压控制设备供电，另一个是通过电控直流接触器后给驱动系统供电.具体为：通过手动直流接触器的72V电源又可以细分为3个去向.1)通过72V/48V的DC/DC模块后，变换为48V的直流电，给前轮转向电机控制器、后轮转向电机控制器、制动电机控制器供电，最终将能量传递到车辆的前轮转向电机、后轮转向电机、制动电机，从而实现了车辆前轮转向、后轮转向、车辆制动的能量供给.2)通过72V/24V的DC/DC模块后，变换为24V的直流电，给主控计算机、数据采集板、油量传感器、CAN继电器模块组、CAN数据记录仪等设备供电，数据采集板上能够把24V电源变换为5V电源，从而为雨量传感器、碰撞传感器、急停开关等器件供电.3)通过72V/12V的DC/DC模块后，变换为12V的直流电，给导航计算机、数传电台、天线、可见光摄像机、4线激光雷达、惯性组合导航系统、网络交换机、遥控开关模块、红外摄像机等设备供电.通过电控直流接触器的72V电源，给左前轮驱动电机控制器、左中轮驱动电机控制器、左后轮驱动电机控制器、右前轮驱动电机控制器、右中轮驱动电机控制器、右后轮驱动电机控制器供电，从而为车辆的驱动系统提供能量.

3 电气系统设计

无人割草车根据任务要求，其电气系统可以划分为以下几个系统：行走控制系统(包括驱动控制系统、转向控制系统、制动控制系统)、作业系统(包括割草电机及其控制系统)、感知规划决策系统(包括传感器感知、路径规划和智能决策系统)、能源控制系统(包括发电机的程序控制、蓄电池组的能量监测和管理、用电设备根据需要自动开启和关闭等)、辅助系统(车灯、警灯、喇叭、遥控开关、急停开关等)、操控系统(近程遥控、远程遥控、自主行驶).无人割草车电气系统框图如图2所示.

图2 无人割草车电气系统框图

1)行走控制系统设计.

主控计算机上拥有两条独立的CAN总线，CAN1连接6个驱动电机的控制器，主控计算机通过在CAN1上发送CAN指令来分别控制车辆的6个轮子运转在不同的速度和力矩模式下，从而实现对车辆的驱动控制.CAN2上连接前轮转向电机控制器、后轮转向电机控制器、制动电机控制器，主控计算机通过在CAN2上发送CAN指令来控制车轮的转向角度和制动力矩，从而控制车辆的转向和制动.

2)作业系统设计.

主控计算机通过在CAN2总线上发送CAN指令来控制CAN继电器模块组，通过该模块组来控制电控交流接触器的通断，从而控制3个割草电机是否运转，从而实现对割草作业的程序控制.

3)感知规划决策系统设计.

导航计算机通过网络交换机接收惯性组合导航系统、红外摄像机、可见光摄像机、4线激光雷达的传感器信息，从而判断车辆自身所处位置、航向、周围障碍物等信息.同时通过数传电台与远程操控端进行交互，获知远程的操控意图，通过综合决策判断，做出车辆的运动与否、作业与否的决策，通过网络交换机下发给主控计算机.

4)能源的控制系统设计.

主控计算机通过CAN2总线上的数据采集板采集电池组的电压信息和油量传感器的信息，从而判断车辆的能量状态，通过CAN继电器模块组控制发电机的启动与停止、割草电机的运转与停止等来实现在满足任务要求的情况下的能量的最优化利用.

5)辅助系统设计.

为了增加车辆行驶的安全性，车上配备了前大灯、警灯、喇叭等设备.主控计算机通过CAN2总线控制CAN继电器模块组[4]，从而能够控制前大灯、警灯、喇叭等设备是否工作.车上还配备了CAN数据记录仪，用于记录总线数据，便于在车辆出现问题后查找原因.

6)操控系统设计.

该无人割草车的操控有3种方式.正常工作模式是自主工作模式.在自主工作模式下，导航计算机根据采集到的传感器的数据，同时结合任务需求，自主规划决策，发送指令给主控计算机，主控计算机通过两条独立的CAN总线来控制车辆的驱动、转向、制动、作业、能源、辅助等系统按照要求动作.车辆动作后，传感器的数据会随着环境的变化而相应改变，导航计算机也会根据新的传感器数据而重新自主规划决策，从而发送新的指令给主控计算机.此过程循环往复，从而实现了车辆的自主工作.在自主工作模式下，远程操控台能够实时显示通过数传电台传回的车辆的运行数据和周围的传感器信息，人员可以在操控台上远程监视车辆的状态，一旦发现车辆出现异常时，可以通过操控连接到操控台上的操控装置来接管自主工作模式，由人根据操控台上的视频图像信息来控制车辆的动作.远程操控台的有效操控距离是3 km，能够满足使用要求.人的远程操控优先级高于自主工作模式，保证了更好的安全性.车辆附近还有一个无线遥控手柄，用来对车辆进行近程操控，它的有效操控距离是30 m，它的优先级高于自主和遥控，在紧急情况下能够实现对车辆的最高优先级的操控.

4 试 验

如图3所示.该车辆在南方某农村松软的麦田里进行了连续10 h的割麦茬试验(麦子被收割机收割完后留下了大概30 cm高度的麦茬)，环境温度20～35 ℃，阳光直射.在这个过程中主要测试了以下性能：

1)车辆的割麦茬效果.

车辆的割草机构距离地面高度为10 cm左右，因地面松软，车辆有一定的沉陷，实际割麦茬的效果为距地面7～8 cm.车辆走过之后，能够把割草机构覆盖的区域的麦茬全部割掉.

2)车辆的平均速度.

车辆在直线行驶时的速度设定为6 km/h.在车辆转弯的时候，自主系统会控制车辆适当降低速度.全程平均下来，平均速度大概为5.6 km/h.满足设计指标5 km/h的要求.

3)车辆的连续工作性能.

车辆从8∶00开始试验，连续工作到18∶00直到燃尽25 L油箱的燃油为止，车辆工作一切正常.因给车辆加油可以控制在10 min以内完成，所以车辆满足连续工作的性能要求.

4)车辆自主割草的区域覆盖性能.

选择了1块100 m×100 m左右的方形区域，进行了割草车的自主行驶割草作业测试，验证是否会出现遗漏的作业区域.通过查看操控台上的参数，能够看到自主系统的定位误差小于0.3 m.按照设计(将割草机来回直线行走间的距离调整为割草机构宽度的一半，也就是1 m)，理论上只要自主系统的定位误差小于0.5 m就不会出现遗漏的作业区域.试验结果证实确实没有遗漏的作业区域.

5)车辆紧急停车性能.

车辆正常行驶时(车速为5 km/h)，突然按下操控台上的急停开关.车辆从按下急停开关开始到完全停下为止，刹车距离不到1 m.

图3 试验现场

经过试验验证，该车的驱动系统能够工作在速度模式和力矩模式，满足车辆驱动的要求；前轮后轮同步转向系统，能够减少车辆的转向半径；制动系统采用电机驱动电动缸、推动刹车泵的方式，能够快速控制车辆进入刹车状态，正常工作时(车速为5 km/h)，刹车距离小于1 m，满足制动要求；车辆采用燃油作为能量来源，满足长时间连续工作的要求；发电机系统采用程序控制，能够实现上位机对发电机的灵活控制；车上配备有机械急停按钮和遥控急停按钮，确保车辆行驶的安全；车灯、喇叭、警灯等辅助功能通过程序控制开启和关闭的功能正常；整车实现了近程操控模式、完全自主模式和远程遥控模式控制；割草电机能够有效地割草；自主系统能够实现作业区域的全覆盖，满足设计要求.

5 结束语

按照割草作业的实际要求，进行了无人割草车电气系统和能源系统的设计.在麦田里进行了模拟割草试验，试验结果表明，该无人割草车满足长时间连续工作的使用要求，也满足每小时的有效作业面积大于4 762 m2的效率要求.在自主系统的控制下，能够保障割草作业不会有遗漏的区域.最终能够实现在半个月的时间内，对面积约为1 km2的连续的草坪，进行1次无遗漏区域的完整作业.