智能割草机器人的研究综述.docx

智能割草机器人的研究综述.docx

《智能割草机器人的研究综述.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能割草机器人的研究综述.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

智能割草机器人的研究综述

智能割草机器人的研究综述

第29卷第4期2007年7月机器人ROBOTVo1.29,No.4July,2007

文章编号:

1002-0446（2007）04-0407—10

智能割草机器人的研究综述

丛明,金立刚,房波

（大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连l16023）

摘要:

分析了国内外智能割草机器人的研究现状.讨论了智能割草机器人在机械结构,传感系统和路径规划

算法等方面的现有研究方法.指出了智能割草机器人研究中存在的问题.最后,展望了智能割草机器人的发展方向.

关键词:

智能割草机器人;机械结构;感应系统;控制系统;路径规划算法

中图分类号:

TP24文献标识码:

A

IntelligentRobotMowers:

AReview

CONGMing,JINLi—gang,FANGBo

（KeyLaborator?

/forPrecn8ndNon.tr口d'M.chingTechnnkgyMtEduc毗∽

DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China）

Abstract:

Thispaperanalyzesthestateoftheartofintelligentrobotmowers,anddescribesthecurrentapproachesforin—

telligentrobotmowersintermsofmechanism,sensingsystemandpathplanningalgorithm.Existingproblemsinthefieldof

intelligentrobotBowel'sarepointedout.Finally,futuredevelopmenttrendofintelligentrobotmowersispresented.

Keywords:

intelligentrobotmower;mechanicalstructure;sensingsystem;controlsystem;pathplanningalgorithm

1引言（Introduction）

随着经济的发展,各国城市建设逐渐深化,城区

的绿化程度也随之提高,大量的公园草坪,足球场草

坪,高尔夫球场草坪等公共绿地均需要进行维护.在

各种草坪维护作业中,以草皮修剪工作最为繁重,不

仅枯燥,而且重复性强,通常需要消耗大量的人力和

物力¨j.为了降低草坪维护作业的劳动强度,近年

来一些西方国家提出用现代电子技术和智能控制技

术来改造和提升草坪机械产业的战略,并于1997年

的OPEI（OutdoorPowerEquipmentInstitute）年会上,

第一次提出了智能割草机器人（IntelligentRobot

Mower,IRM）的概念,希望在不久的将来用智能割草

机器人取代传统的割草机.

智能割草机器人是集环境感知,路径动态规划

和行为控制等多种功能于一体的综合机器人系统,

与传统的草坪修剪机械相比,智能割草机器人更具

有优势:

第一,智能割草机器人可自主工作.传统的割草

机自动化程度比较低,需要人工操作,而智能割草机

器人内部搭载了高速微处理芯片,能结合传感器信

收稿日期:

2006—08—31

息自行识别外部的工作环境并进行作业,不需要或

者仅需要少量的人工干预.

第二,智能割草机器人具有较高的安全性.智能

割草机器人采用了传感单元和控制系统,与人工操

作传统割草机相比,智能割草机器人的灵敏性更强,

检测范围更宽,精确度也更高,并且不会带来因疲劳

而造成的意外事故.此外,智能割草机器人还可以根

据不同条件按一定的策略控制自身的各个元件,来

最大程度地降低伤害的可能性,如:

当车体倾翻时,

停止割草刀片的运行等.

第三,智能割草机器人更利于环境保护.传统割

草机的割草机构主要通过内燃机和蓄电池驱动.采

用内燃机供能时,会产生高分贝的噪声和燃烧不充

分的废气,这将严重影响操作者及周边人员的身体

健康;采用蓄电池供能时,虽然能降低污染,但受电

池电量及体积的限制,在割草过程中需要操作者往

返多次进行充电,降低了实用性.而智能割草机器人

由于采用了自动控制系统,能返回预定地点而不需

要人工干预,所以智能割草机器人采用清洁的电能

时,不会带来额外的劳动量.并且,由于智能割草机

机器人2007年7月

器人具有体积小,重量轻和所需功率小等特点,在阳

光充足的地区,完全可以采用太阳能电池作为动力

源,更能体现其低污染的优势.

当然,割草机器人也存在一些需要改进和完善

的不足之处.比如,为了适应不同类型草坪的割草任

务,智能割草机器人的机械本体结构还需要进一步

的优化;由于智能割草机器人在户外非结构化的空

间中工作,其控制能力和安全性还有待于提高;需要

研究基于无线网络和移动电话通讯网络的智能割草

机器人远程通讯技术等.

2研究现状（Stateoftheart）

最早的割草机器人大约诞生在第二次世界大战

结束之后（20世纪50～60年代左右）,受时代的影

响,大量的军工技术开始转向民用领域,极大程度地

带动了家庭生活的自动化.图1为摘录于互联网的

早期割草机器人产品,日期不详,虽然图中的机器人

并不具有智能性,仅能依靠人工遥控进行作业,但却

为以后智能割草机器人的发展提供了一定的基础.

图1早期的割草机器人

Fig.1Earlyagemowerrobot

割草机器人智能化的研究建立在智能控制领域

逐渐发展的基础上,微型处理器的研制成功又使得

利用小体积,低功耗控制器进行运动控制成为可能,

在最近的二十年里,不同种类的智能割草机器人相

继问世,它们大多性能相近,能自动割草,同时具有

定时启动,自动充电等辅助功能.割草机器人的智能

性主要体现在其自主工作的能力上:

低智能的割草

机器人只依据设定的轨迹进行工作,不具备动态分

析外部环境的能力,当在路径上遇到障碍物时停止,

等待障碍物离开后再继续运行或请求人工协助绕开

障碍物;中等智能的割草机器人则依照某种策略绕

过障碍物,但不能保证完全覆盖除障碍物以外的其

他所有区域,剩余未割草坪由人工修整;高智能的割

草机器人能直接建立工作区间的地图,具备路径自

主规划和决策的能力,无需任何外部因素干预即可

实现割草区域的完全遍历.由于割草机器人属于民

用领域,总会受到制造成本的约束,往往并不能采用

昂贵的定位和视觉处理设备来保证其高智能性,因

此目前所见到的割草机器人大多处于中等智能水平

到高等智能水平的过渡阶段.

2.1国外研究现状

国外对智能割草机器人的研究已有十多年的积

累,并取得了一定成果,从事研究的单位既包括公司

企业和大专院校,也有机器人爱好者团体和个人.在

欧洲和北美等草坪拥有量高的西方发达国家,已将

智能割草机器人作为产品在市场上销售,但基本上

都属于中等智能水平;在美国,草坪业已经成为其十

大支柱产业之一,为了促进智能割草机器人的研发,

从2004年起每年都要举行一次自动割草机器人比赛

（AnnualAutonomousLawnmowerCompetition）[5.6J,目

的在于实现智能割草机器人的全自主运行.

图2FriendlyMachines公司的Robomow（RLIO00）

Fig.2Robomow（RL1000）ofFriendlyMachinesCorp

图3早期的Robomow

Fig.3EarlierageRobomow

FriendlyMachines公司设计的FriendlyRobo—

mow[（如图2,图3所示,图2为最新型号,图3为早

第29卷第4期丛明等:

智能割草机器人的研究综述

期型号）是目前市场化最成功的智能割草机器人产

品之一.该机器人（RLIO00）重约22kg,体积为89cm

×65cm×31.5cm,驱动电源为两枚24V,17Ah的免

维护铅酸电瓶.Robomow采用三轮小车为本体,后轮

用两个不同的直流电机驱动,前轮为起导向作用的

万向轮,前端搭载了3个150W的高速电机控制割

刀,能形成宽53cm左右的切割区域,Robomow割刀

的最大特点是可将割下来的草茎粉碎成3mm以下

的碎草沫,形成天然的肥料再释放回草坪中去,其具

体结构参见图4.

图4Robomow的底部结构

Fig.4BottomofRobomow

Robomow具备自主充电能力,每次充电大约可

工作2.5～3h,能覆盖500m.左右的草坪,同时还具

备防偷盗的辅助功能,部分型号还可以进行遥控操

作.在Robodlow割草前,使用者需要用电缆将草坪边

界,静止障碍物以及机器人不能进人的区域围起来

（图5中的①）,形成待工作区域,Robomow通过感应

电缆中的电信号进行导航.当Robomow（图5中的

②）探测到电缆后会反向运行,然后转过相应角度后

正向运行,再次检测到电缆后重复以上过程,反复迂

回运行于事先设定好的范围内.非电缆确定的障碍

物（图5中的③）通过超声波传感器检测并简单绕

行,但不能保证工作区域的全部遍历.Robomow的主

要传感器为一个位于前端的超声波传感器以及一组

排列在车体外缘的接触开关.

其他的智能割草机器人产品也都与Robomow的

工作原理类似,虽各有特色,但都是利用埋信号电缆

的方式划定工作区域.图6为意大利Zucchetti公司

生产的AmbrogioRobo—Lawnmower,体积为57×42

×26ClTI.,采用了四轮结构,后两轮为驱动轮,前端为

两个导向轮,支持锂电池,铅酸电瓶和自动充电,每

次充电工作时间大约为2h,虽然它较Robomow要小

一

些,但却能支持3000m左右的草坪,割刀高度的

调节范围为20～70mm.AmbrogioRobo—Lawnmower

最大的特点是带有雨水传感器和留有互连网接口.

雨水传感器可以让机器人感知外界的天气变化,当

下雨时自动返回到安全地点,以防止内部电路因潮

湿而受损.互联网接口可为机器人提供远程服务,如

进行远程故障诊断以及机器人内部软件远程升级

等.此外,Zucchetti公司的产品还有Oscar割草机器

人,如图7所示,它的性能指标和AmbrogioRobo—

Lawnmower基本类似,区别在于Oscar型割草机器人

体积更小,更适合于小型家庭草坪的修剪任务.

图5Robomow的工作原理

Fig.5HowdoesRobomowworks

图6Zucchetti公司的AmbrogioRobo—Lawnmower

Fig.6ZucchettiAmbrogioRobo—Lawnmower

图7Zucchetti公司的Oscar（在充电仓内）

Fig.7ZucchettiOscar（insidethecharger）

4l0机器人2007年7月

瑞典Electrolux也是比较早涉足割草机器人相

关产品开发与研制的公司之一,图8为该公司生产

的HusqvarnaAutoMower割草机器人.

图8Electrolux公司的HusqvarnaAutoMower

Fig.8ElectroluxHusqvarnaAutoMower

AutoMower割草机器人重约8.6kg,体积为71×

60X26cm,支持自动充电,单次充电割草面积约为

1800m,依靠一枚l8V,22Ah的智能锂电池供电.

与AmbrigioRobo.Lawnmower类似,AutoMower采用

了四轮结构的驱动,后两轮差动驱动,前两轮为万向

导向轮.在AutoMower割草机器人上,Electrolux还采

用了更多的适合于草坪切割作业的设计:

带有齿状

突起的大尺寸驱动轮可驱动AutoMower更可靠地在

粗糙的草坪上行驶;AutoMower机器人外壳采用整

体悬挂的安装方式,可以迅速捕捉到任何对外壳的

碰撞信号;割草高度可直接通过机器人顶部调节等.

在Electrolux公司的Husqvarna品牌下,还有其

他型号的智能割草机器人,功能上跟AutoMower基

本类似,主要差别是在外形,最大爬坡角度,电池类

型和驱动轮直径等方面.图9为Husqvarna另一型号

的AutoMower,图l0为配备有太阳能电池板的

HusqvarnaAutoMowerJ0].

图9另～种型号的HusqvamaAutoMower

¨g.9AnotherversionofHusqvamaAutoMower

比利时Belrobotics公司生产的Bigmow是一种

适用于修剪中型及大型草坪的割草.器人,见图11.

Bigmow重约48kg,体积为120×120×50cm,通过

一

个24V,l5Ah的镍铬充电电池供能.Belrobotics公

司还采用了24V的无刷直流电机和直径达450mm

的驱动轮,以及5个24V,3200r/min的切割电机,使

其更合适在大面积的草坪上作业.

图l0带有太阳能电池板的HusqvamaAutoMower

Fig.10HusqvarnaAutoMowerwithsolarcells

图11Belrobotics公司的Bigmow

Fig.11BelroboticsBigmow

图l2俄亥俄大学的智能割草机器人

Fig.12OhioUniversity'Sintelligentrobotmower

除上述公司外,还有很多院校以及科研机构都

积极展开了智能割草机器人的研究.图l2为美国

俄亥俄大学研制的智能割草机器人样机.该机器人

的整体框架为铝合金,利用两个直流电机驱动,速度

约为16km/h,它共使用了3个微处理器,1个陀螺

仪,支持远程控制和自动运行.机器人的导航系统的

核心为差分全球定位系统（DifferentialGlobalPositio—

ningSystem,DGPS）,能精确地跟踪机器人在工作区

第29卷第4期丛明等:

智能割草机器人的研究综述411

间的位置¨.与传统的全球定位系统（GlobalPositio—

ningSystem,GPS）相比,差分全球定位系统能将全球

定位系统的信号通过已经精确测定位置的基准台再

次修正,有效地削弱了各种误差,具有更高的精度,

十分适合户外移动机器人的定位¨.凭借该机器人

的出色表现,俄亥俄大学在2004年及2005年连续两

次获得导航研究所年度自动割草机器人竞赛（Insti—

tuteofNavigation'SAnnualAutonomousLawnMower

Competition,ALMC）的冠军.其他参与比赛的还有伊

利诺斯理工学院（I1T）和俄亥俄州迈阿密大学

（MUO）等学校,其中liT的代表队获得了2005年自

动割草机器人竞赛的亚军,而MUO的代表队则是

2004年首届该竞赛的亚军.图13和图14分别为各

个代表队的参赛样机.IIT的割草机器人采用了分体

式设计,由中央移动单元和电动割草机两部分构成.

中央移动单元包括了运动及运动控制系统,传感系

统,导航系统和电源,电动割草机紧固在中央移动单

元上,接受控制命令及电源.MUO的割草机器人则采

用了双能源的设计,割草机构通过汽油引擎驱动,而

移动部分依靠电瓶驱动,电瓶可通过汽油引擎进行

充电..

图13liT的割草机器人

Fig.13liT'srobotmower

图14MUO的割草机器人

Fig.14MUO'srobotmower

LawnNibbler（如图15）割草机器人是由佛罗里

达大学机器智能实验室开发的,目前已经进入到了

第3代的研究,主要的研究领域是实现具有自主学

习能力的智能割草机器人,比如通过学习自动识别

花,宠物等障碍和学习全区域覆盖策略等方面.

图15佛罗里达大学的LawnNibbler

Fig.15FloridaUniversity'sLawnNibbler

图16NREC的自动割草机

Fig.16NREC'sautonomousmower

针对大型高尔夫球场地草坪的修建,卡耐基?

梅隆大学机器人研究所的国家机器人工程中心设计

了一种大型的智能割草机器人,如图16所示,该

机器人是由大型载人割草机改装而成的,添加了影

像识别系统,中央控制计算机和全球卫星定位系统

等自动化设备,实现了真正意义上的高效自动割草

作业.

2.2国内研究现状

国内对于割草机器人的研究起步时间较晚,参

与该领域的研究单位也比较少,但仍取得了一定的

成果.

南京理工大学机械学院设计了MORO型移动割

孳机器人..''..见图17）,并成功开发出了MORO—

I,MORO—II等若干型割草机器人样机.南泉堙工大学

412机器人2007年7月

对割草机器人的总体设计（见图18）,路径规划,避

障,定位系统,控制系统等从理论上进行了较全面的

讨论并提出了一种廉价实用的总体方案,还根据机

器人动力学方程推导出驱动力矩的计算公式,为电

机选择,控制系统硬件电路主要元器件参数选择提

供了计算依据,为进一步深入研究割草机器人打下

了基础.MORO型移动割草机器人的主要导航设备

为驱动轮编码器和磁航向传感器,能自动生成无信

标边界并在内进行全区域覆盖行走.该机器人的体

积约为80X51x40cm,重约50kg,刀片的转速高达

5000r/rain,适用于大面积草坪的修剪工作.此外,南

京理工大学还将机器人领域的前沿技术引用到割草

机器人上来,如基于Internet的机器人控制技术和太

阳能草坪割草机关键技术18,19]等.

图17南京理工大学的MORO移动割草机器人

Fig.17MOROmowerrobotofNanjingUniversityofTechnology

图18MORO的机构简图

Fig.18MORO'sframe

图19江苏大学的割草机器人结构简图

Fig.19MowerrobotofJiangsuUniversity

与其他轮式割草机器人不同,江苏大学研制了

一

种履带式割草机器人,具有GPS定位导航的

功能,能高效高速地进行作业,适用于大面积的草场

区域.该机器人由两部分组成,一部分为广茂达公司

生产的AS.RF履带式机器人,另一部分为自行设计

的割草机台.此外,江苏大学还针对不同的草坪给出

了合理的切割高度,这为割草机器人的研究提供了

重要的依据.

3研究方法（Researchapproaches）

虽然割草机器人的研究平台有很多,国内外的

科研机构在此领域也做出了大量的工作,并有部分

的产品投放市场,但其中很多并没有达到完全自主

运行的条件,割草的效果也不是十分理想,因此割草

机器人的研究仍处于起步阶段0.但可以肯定的

是,在众多科学家的共同努力下,近几十年来的积累

已为割草机器人的研究形成了一整套的研究方法,

具体体现在机械结构,传感系统和路径规划算法等

几个方面的理论,对这些理论进行深入细致的研究

能进一步促进割草机器人.f}勺发展J.

3.1割草机器人的机械结构

割草机器人的本体包括割草机器人车架体,车

轮,减速器,驱动电机,蓄电池,传感系统,控制系统

和割草机构等主要部分.对割草机器人进行合理的

机械结构设计能为割草机器人在运行时提供可靠的

稳定性,安全性和灵活性.整个割草机器人的机械结

构又可分为两个方面:

割草机器人的驱动机械结构

和割草机器人的割草机构.

3.1.1驱动机械结构设计

割草机器人属于户外移动型机器人,针对该类

型的机器人有各种驱动方案可供参考.根据户外移

动型机器人的工作特点,文[23],[24]和[25]对户

外自主移动机器人平台的驱动方案进行了详细的讨

论.在文[23]和[24]中指出,户外移动机器人的运动

方式有轮式,履带式和足式等多种.轮式和履带式驱

动方式适用于较平整路面,而足式驱动方式适用于

特殊的,条件相对恶劣的环境,也有的移动机器人为

了适应各种路面将这几种驱动方式混合使用.割草

机器人一般工作在条件较好的草坪上,结合其他工

作要求,割草机器人大多选用轮式驱动方式.在文

[25]中,又指出轮式驱动方式根据轮子数目又分三

轮,四轮和六轮等几种.三轮方式结构比较简单,能

够满足一般需要,应用也比较广泛,如图20中的

（a）,（b）.四轮方式的稳定性好,承载能力比较大,但

第29卷第4期丛明等:

智能割草机器人的研究综述4l3

结构相对复杂,如图20中的（c）,（d）.六轮方式与四

轮方式类似,具有更高的承载能力,稳定性和柔性,

多用于未知环境的探测,如月球车和火星车等.根据

转向方式的不同,轮式驱动方式又可分为铰轴转向

式和差动转向式两种.铰轴转向式如图20中的（a）,

（c）所示,转向轮装在转向铰轴上,转向电机通过减

速器和机械连杆机构控制铰轴从而控制转向轮的转

向.差动转向式如图20中的（b）,（d）所示,在车体两

侧的驱动轮上装有不同的控制电机,通过两轮的速

度比来实现车体的转向,在该情况下,非驱动轮应为

自由的万向轮.在割草机器人中,这些机械结构均有

采用,其中最典型的是三轮差动的驱动方式.该方式

的优点是结构简单,运动灵活和能实现零半径转弯

等,缺点在于实现两电机同步转动对电机的同轴度

和控制系统的精度要求比较高.

（b）

（c）（d）

图20移动机器人驱动方式的选择

Fig.20Drivingmodeselectionofmobilerobot

为了实现割草机器人预定的工作要求,还需要

对割草机器人运动学的模型进行分析和讨论,以指

导机械设计的过程,割草机器人的运动学模型也为

割草机器人的仿真和路径规划提供了数学基础.本

文将给出三轮差动这一典型割草机器人驱动模式的

运动学模型.

如图21所示,万向轮只对机器人起支撑作用,其

对车体系统数学模型的影响可以忽略.以下为涉及

的参数:

图21车体系统运动学模型

Fig.21Kinematicmodelofthevehiclesystem

y

[X,Y]:

驱动轮轴心

:

智能机器人的角速度

L:

左驱动轮的速度

:

右驱动轮的速度

:

两个驱动轮间的距离

车体的运动学模型:

㈩

』=（R+L）/2

（2）

【=（R一L）/L

（1）式和

（2）式相加得:

r=cos=[（R+L）costh]/2

{Y=vsinth=[（R+UL）sinth]/2（3）

【击,:

假设时间域为[0,t],各个变量的初始值分别

为:

y,th,.,Yo,.,则（3）式的定积分公式为:

:

.+旦d

y:

+d￡（4）

=.+d￡

将时间域[0,t]划分成足够小的子区间[0,t],

414机器人2007年7月

[t,t],…,[t一,t一],[t,t],每个区间作为一

个控制周期.在每个时间区间[t一1,t],k=1,2,…,

n,t.=0里,智能割草机器人运动学模型的定积分公

式为:

:

一

+;f"（+）df一'k一1

y㈩

咖_l+

.

3.1.2割草机构设计

割草机构是智能割草机器人的终端执行机构,

用来进行草坪修剪作业,割草机构的设计直接关系

到割草机器人性能.文[26]和[27]详细讨论了割草

刀片在高速旋转时所产生气流的流场,分析了刀片

运行时的模态,不平衡离心力和动态响应等参数.分

析的结果为进行割草机器人的刀片及割草机构设计

提供了重要的依据.文[21]和[28]提出了常见草坪

的合理修剪高度,设计了具有高度调节功能的割