机器人割草机的原理与前景分析

        导读：机器人割草机的原理与前景分析。传感器是以感应到的物理变化为激励而使效应器产生相应反应的一种设备。

        参考《中国割草机市场发展分析与未来前景研究报告(2014-2018)》

1. 机器人割草机的优点

        机器人割草机可以自主工作，不论是较为传统的以内燃机作为动力系统的割草机还是较为新型的以蓄电池作为动力系统的割草机，二者都因为结构与原理简单，科技含量低，自动化程度低，必须由人来操控，相对于原始的人力工作来说只是提高了一定的效率，但并不能完全的解放人力。而机器人割草机由智能系统自动化控制，可以独立完成割草作业，极大地节约了人力资源。可以从以下几点进行分析机器人割草机的主要优点：
         （1）机器人割草机污染小，传统的以内燃机作为动力系统的割草机需要耗油，而由于设备的特性使得能源转化率低，造成许多不必要的能源浪费，传统的割草机工作时会产生大量的废气污染。并且，传统的割草机工作时会产生极大的噪音，这种声污染会对周围环境造成很大的弊处，且对于工作者的心理健康有一定的负面影响。而机器人割草机采用清洁能源，且不需要人与机器直接接触，对于环境和人的危害较小。
         （2）机器人割草机效率高，这里的效率分为工作效率以及能量利用效率两个方面。较为传统的以内燃机作为动力系统的割草机由于笨重，不灵活，极易受地形限制而造成工作效率低下。较为新型的以蓄电池作为动力系统的割草机由于电池体积的影响，电量受到限制，因此在一次工作中可能需要多次进行充电，实际上也会降低工作效率。机器人割草机内部置有地形探测器与传感器，能自动分析地形调整最佳工作路线以保持较高的效率；而且机器人割草机内置有自动返回程序，当能源不足时会自动返回基座充电，不需要人工干预。
         （3）机器人割草机安全性高，较为传统的割草机均属于高功率机械，若工作时发生故障极易对工作者造成伤害。而新型割草机完全解放人力，也使得人从这样的危险中解放出来。

2. 机器人割草机所运用到的技术
2.1 传感系统的应用
         传感器是以感应到的物理变化为激励而使效应器产生相应反应的一种设备。一个功能完备的割草机器人必须需要多种传感器协调工作，包括：超声波传感器、红外线传感器、温度传感器、热释电红外传感器、接触传感器等。其中，超声波传感器可用于测量机器人与障碍物之间的距离，当此距离在超声波检测的盲区之内时则会启用红外线传感器，由于超声波传感器的使用还会受到温度的影响，因此需要使用温度传感器对距离计算公式进行修正从而能得到准确的结果，利于机器人对现状作出正确反应。热释电红外传感器则是为了割草机使用时能保护人或动物的安全，当它捕捉到一定范围的温度变化的时候会触发预警装置而暂停工作。接触传感器的设置则是为了当割草机碰到物体时能迅速反应，停止工作，提高其安全性能的考虑。
2.2 转换器的应用
         模数转换器又称 A/D 转换器（数模转换器又称 D/A 转换器），它是能把数字信号和模拟信号相互转换的元器件。在智能机器人的计算机处理系统中，首先是信号采集器采集到信号，然后通过强弱的电流把采集到的信息转换为模拟信号，最后通过模数转换器把模拟信号转换为计算器可读的数字信号，通过一系列的计算与分析得出解决方式，并输出数字信号，再通过数模转换器转换为各工作部件可读的模拟信号，最后得到执行。
2.3 控制系统的应用
         控制系统是机器人割草机的核心部分，根据工作方式的不同可将其分为两个部分：传感系统信号分析处理单元和驱动控制单元。
         （1）传感系统信号分析处理单元是用于处理各传感器元器件收集到的信息， 将较为复杂的环境变量转化为相对简单的信号反馈给驱动控制单元。由于机器人工作时的环境复杂，因此需要在各个传感器处设置单独的处理单元，对收集到的信息进行过滤筛选和简单处理，然后把经过预处理的信息汇集起来传给中央处理器，进行第二步较为细致的分析计算，最后把结果发送给驱动控制单元。
         （2）驱动控制单元是控制割草机器人工作的部件，它能接受经过传感器信号分析系统处理过的信号，转换为模拟信号，控制机器人各个部位协调工作。
2.4 导航系统的应用
         割草机器人工作的范围通常是一个确定的面，这就需要机器人能够自主的移动到该区域内的每一块场地。因此需要先为机器人设置好工作的路线或是工作过程中行进的方式，例如采用螺旋收缩式路径或者折返式的移动方式等。另外，在一个区域的工作结束之后，也需要通过导航系统，引导机器人移动到另外的区域继续工作。
2.5 远程遥控系统的应用
         有时因为某些意外或是特殊的原因需要人为对割草机器人的工作进行干预，使其更换工作范围或是停止工作等。这就需要机器人能够接收到人为发出的信号并对其作出相应的反应，因此，需要在机器人上放置遥控模块，便于人为控制。3. 机器人割草机在技术上存在的问题
3.1 传感系统工作状态不稳定
         由于传感器的精密性，使得机器人割草机对于工作环境的要求也会相应的增高，否则可能会对传感器造成损害。但是割草机的工作环境复杂，而环境中的一些不稳定因素，可能会对于信息收集的正确率产生不利影响。采集到的信息较多且极易受到干扰。这就容易造成信息采集或处理过程中产生一些不确定的错误，影响到割草机器人的正常工作。
3.2 工作范围的覆盖难题
         由于需要对割草机器人进行保护，因此在其上搭载了距离感应器并编写了自动绕行的程序，虽然在某种程度上这一体系能避免割草机器人发生碰撞而对其造成损伤，但也使得机器人在避开障碍物的同时可能会对某些地区造成工作遗漏，产生“死角”。而如果想要达到消除工作“死角”的目的，现有的方法是让机器人对全部的工作范围进行多次往复扫描，造成极大的重复率，毫无疑问，这种方式会不可避免的降低工作效率。
3.3 机器人与外界的通讯功能不强
         很多时候，单个的割草机器人只是整个工作系统中的一部分，它需要与系统中的其他各个构件相互之间交换信息。比如在较大的工作区域内，割草机器人与割草机器人之间需要可以互相通讯，共享已结束工作的区域，然后计算出剩余的工作量，避免造成不同割草机器人在某一个区域重复工作；在机器人与工作总站之间的交流也不可缺少，当需要进行人为控制的时候，通过远程通讯交流就显得尤为重要，因为这样可以大大的减少人的工作量并节约时间。有时候，机器人必须得到传感器收集到的信息以外的资料，才能对目前的状况作出正确有效的判断，因此需要割草机器人时刻与外界保持联系并能及时把遇见的困难发送给控制总站，然后接受到总站反馈回来的解决方案并执行。
3.4 定位系统不够完善
         现阶段研究出的割草机器人大多需要辅助设备来划定工作区域，例如使用金属线框圈定工作边界或是利用信号发射器划定工作范围等。然而，实际上我们更加需要的是全自动化的智能机械，所以，在工作范围判断方法上的研究也十分重要。在仪器精度允许的情况下，我们可以使用对地磁场强弱及方向的感应进行地理位置的精确判断，或者利用卫星视图把工作区域划分为一个个小格，然后采用 GPS 定位系统确定机器人的工作范围。
3.5 能源体系不够优良
         割草机器人取代了传统的内燃机动力系统割草机，提高了能源利用效率并且污染较小。但由于电池体积以及机器本身功耗大的限制，使得机器人的持续工作能力较弱。虽然可以采用太阳能电池来增加一定的续航能力，但是这种方案较易受天气的影响。因此，在能源系统选择的方面需要再做进一步的研究。

4. 机器人割草机的发展前景

        割草式机器人以其自动化工作的特性，能把人从枯燥的劳动中解放出来，给现代社会生产生活节约了大量的人力资源，符合社会发展的趋势与需要，而且其优点众多，体现出了足够的应用前景，因此它的市场一定是很广泛的。但是由于技术的限制使得它在诸多方面都存有不成熟。因此，会存在“价廉则性低，性优则价高”的状况，这对于其在市场中的竞争中是一个相当不利的因素。
         在目前的市场中，性能相对较差的传统割草机以其低廉的价格占据主导地位，但它低效率、高能耗、不安全的缺点也为用户所诟病。但随着城市发展的进程逐渐加快，对绿化的要求增高，因此社会对于割草机的需求会逐渐增加，然而传统除草机污染严重的缺点又与绿化建设的初衷相违背，因此可以判定，污染小高效率的割草机会逐步得到青睐。所以机器人割草机目前面临的主要难题是如何在技术上提高性能，以及如何在生产上降低成本来压低价格，从而在市场中取得较大的竞争力。例如，可以针对不同性质的工作，制造出不同的割草机器人来适应精度要求更高的工作或是避免某些功能不必要的浪费，这样，就可以一定程度上降低机器人割草机的价格。
结语机器人割草机是一个非常有市场前景的项目，它能给人们的生活带来很大的便利。但是同时，由于其科技的先进性，它也是一个难以取得突破性进展的项目。因此，在这方面的研究中，我们需要多做努力，完善它的缺点，确保其能够真正投入到生产应用中去。