1、北斗高精度割草机定位应用解决方案联 系 人： 联系电话： 上海联适导航技术有限公司中国 上海目 录1 行业背景 31.1 割草机定义 31.2 割草机的特点 41.3 中国割草机行业技术发展现状 52 北斗卫星定位技术的发展 52.1 北斗卫星导航系统 .62.1.1 概述 .62.1.2 发展历程 .62.1.3 建设原则 .72.1.4 发展计划 .72.1.5 服务 .73 北斗高精度割草机定位导航方案 .83.1 上海联适高精度位置定位系统方案组成 .93.1 基准站部分 .93.2 车载部分 .114 方案成本报价 121 行业背景1.1 割草机定义割草机（Lawn mower）又称
2、除草机、剪草机、草坪修剪机等。割草机是一种用于修剪草坪、植被等的机械工具，它是由刀盘、发动机、行走轮、行走机构、刀片、扶手、控制部分组成。刀盘装在行走轮上，刀盘上装有发动机，发动机的输出轴上装有刀片，刀片利用发动机的高速旋转在速度方面提高很多，节省了除草工人的作业时间，减少了大量的人力资源。割草机根据动力可划分为畜力割草机和动力割草机。畜力割革机是我国现在使用较广的割草机。有内蒙古制造的 GCl4 型畜力割草机，割幅 1370mm，当前进速度为55kmh 时，割草 05hm2h。每机 1 人操作，由 2 匹马或 2 头牛牵引，平均割茬高度为 53cm。该机适应性强，不论高草、矮草，草层稀或密，
3、或地面起伏，都能顺利收割。一般每天可割草 45hm2。动力割草又可分为牵引式、悬挂式和自走式三种。根据收割器又可分为以下多种割革机，如往复式、旋转式、护刃器割草机、双动力刀割草机、上动刀割草机、下动刀割草机、护舌护刃器、无护舌护刃器、高割型割草机、中割型割草机、低割型割草机、水平旋转割草机、垂直旋转割草机、转镰式割草机、圆盘式割草机、卧式滚筒割草机、甩刀式割草机、上传动圆盘割草机、下传动圆盘割草机。常用的悬挂式割草机类型有往复式和旋转式两大类。长型往复剪刀式，可直接贴近地面进行割草。其主要构造分车轮、传动机构、剪草刀杆及分草器等部分，另有调节杆可调节高低及规避障碍物。有些机具可加装集草耙，将草
4、料收集成行。而旋转式割草机是利用高速旋转的割刀对植株进行无支撑切割的机具。它与往复式相比，具有结构简单、维护保养时间少、不需要磨刀、换刀简捷、收割高秆及倒伏作物无堵塞、单位收获面积的能量消耗较低等优点。此类型机械有各种尺寸，尖端速率每秒约为 80cm，也可以多组圆盘，以每小时 1016 公里的速率|ii进操作。其构成包括机架、安装在机架上的动力源、圆盘切割刀以及设置在动力源与圆盘切割刀之间的传动机构等部分。1.2 割草机的特点近年来，由于国家对城市绿化工作非常重视，草坪绿地业迅猛发展，促使我国的园林机械制造业发展很快，以适应不断增长的市场需求。博思数据发布的 2013-2017 年中国割草机械
5、市场分析与行业调查报告表明:未来几年，国产园林机械将在国内市场占据主体，并逐步打入国际市场。而电动割草机作为园林机械的一种，其产业由小到大，迅速发展，现已成为一个产品门类比较齐全、创新能力不断增强、市场需求十分旺盛的朝阳产业。特别是近年来，电动割草机产业发展速度进一步加快，不但产量增加，而且产品出口的数量和科技含量也不断提升。我国电动割草机产业将进入高速发展阶段。但与此同时，也要看到我国电动割草机产业发展基础薄弱，与发达国家相比有很大差距，生产技术不成熟，设备质量欠佳，远不能满足日益扩大的国内市场需要。为加速提高我国电动割草机产业的技术创新能力、加强电动割草机研发的产、学、研结合，已经成为当务
6、之急。电动割草机作为园林绿化机械的一种，主要用在城市街心花园、街道绿化带以及家庭庭院等绿地的修剪、整理工作，是园林机械中应用最广泛的一种。电动割草机主要由支撑部件、割草动力总成、调高机构、控制机构、行走总成及集草箱等六大部分组成。其中，支撑部件由机体、电机上罩，保护板构成，主要用来支撑和安装其他部件。而割草机中的割草动力总成主要由割草电机、支座、传动轴、带轮、刹车机构和切割刀片等组成。割草电机安装在机体的上方，切割刀片通过传动轴安装在机体内，切割刀片采用优质合金工具钢制造，以保证其具有较高的锋刃度和耐磨强度，割草装置结构示意图如图所示。割草机中的调高机构由调高手柄、连杆、调高板簧、调高拉簧、机
7、壳、后轮轴、前轮轴组成，调高机构如图所示。控制机构由控制手柄，控制按钮，开关盒，及开关组成。割草机按市场情况分为：专业市场、半专业市场和家用市场。割草机的市场划分界限比其他电动工具的划分界限清晰明确:专业市场主要由自行割草机所垄断、半专业市场主要有燃油割草机所垄断而家用市场则由电动割草机所控制。自行割草机：主要是用燃油驱动，在农用拖拉机的基础上发展起来的大型割草设备，其具有工作范围大、工作效率高、可驾驶操作、售价高等特点。主要用于 2000m2 以上大型公共场所草地的修剪，属于园林工具中的大型专业工具。燃油割草机主要是用单缸小排量汽油机驱动的小型手推式割草设备，其具有工作时间长、工作范围不受限
8、制的特点，主要用于 400m2-2500m2 的不规则的城市绿地或无法获得电源的户外草地的修剪。而电动割草机主要是用直流或交流电机驱动的手推式割草设备，它具有体积小、重量轻、噪音小(一般可控制在 96 分贝以下)、成本低的特点。一般用于修剪 200m2-800m2 的家庭草坪。1.3 中国割草机行业技术发展现状电动割草机在国内和国外都属于相对较新的产品，在国外也只有二十多年历史、主要的制造销售商有:HUSQVARNA, GGP, ALr-KO, BRILL, VIKING, BOSCH， BLACKBcDECKER, WOLF, VOLEX 等公司，从 2010 年的科隆花园工具博览会上可以看
9、出除了 HUSQVARNA 和BOSCH 有新的改良产品推出，其他公司都在继续展出老结构的产品。目前，欧洲最专业的品牌应该是：GGP 和 VIKING e 在国内电动割草机只有 10 年左右的发展历史，目前国内大部分企业的现有产品和他们引进的第一代产品比较，除了产品成本上的大幅度的下降之外，基本上没有在功能和性能上有什么突破。目前国内有很多企业都在开发电动割草机。我国现有的割草机跟国外相比还存在着许多问题。一些发达国家的割草机自动化程度很高，如瑞典 HUSVARNA 公司光伏太阳能机器人割草机的自动控制、自动检测技术很先进，甚至提供DIY 接口，让用户根据实际使用情况进行编程。荷兰的 HERD
10、ER 公司、英国的 Rolbe 公司相继开发出水中割草机，其液压系统、U 型切割器和驱动系统都很新颖。而在我国，由于对割草机的研究起步晚、研究人员较少，投入的资金短缺，一直以来较落后于发达国家。2 北斗卫星定位技术的发展国内所有的卫星定位的设备都是基于美国的GPS和俄罗斯的GLONASS或单美国的GPS系统，我国自上世纪80年代引进首台GPS接收机以来，已成为GPS应用大国。GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，已成功地应用于大地测量、工程测量等多种学科。有信息显示，一些政府、专业部门已经对GPS产生严重的依赖。一旦发生战争，美国关闭应用，后果不堪设想。为了不受制于GPS，我国开始
11、发展自己的卫星定位系统北斗卫星导航系统，“北斗”是国家重要的基础设施，也是世界导航系统的重要组成部分，发展独立自主的卫星导航系统是国家的重大国策。作为我国自主研制的卫星导航系统，打破了少数国家对卫星导航领域的垄断，已经得到各类不同用户的广泛使用，其性能稳定、使用方便，在我国国防建设、森林防火、抗震救灾、海洋渔业、交通和水利等行业已发挥了重要作用。随着我国星导航系统研发工作的不断进展，以及数字地球、智慧地球等技术的快速发展，“北斗”在覆盖区域、系统性能等方面会不断提升，将在更广泛的领域为用户提供更优质的服务。未来“北斗”卫星导航体系和应用技术都有望取得新的突破，“北斗”将能够在全球定位导航及相关
12、应用领域发挥更为重要的作用，同时， “十二五 ”期间，我国也明确提出要“积极推进空间基础设施建设，促进卫星及其应用产业发展”。2.1 北斗卫星导航系统2.1.1 概述北斗卫星导航系统（BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System）是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括 5
13、颗静止轨道卫星和 30 颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。2.1.2 发展历程卫星导航系统是重要的空间信息基础设施。中国高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000 年，首先建成北斗导航试验系统（北斗一代） ，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在 2008 年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为更好地
14、服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。2.1.3 建设原则北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益，遵循以下建设原则：1、开放性。北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。2、自主性。中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。3、兼容性。在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）和国际电联（ITU）框
15、架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。4、渐进性。中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。2.1.4 发展计划北斗卫星导航系统正按照“三步走”的发展战略稳步推进，第一步，2000 年建成北斗卫星导航试验系统（北斗一代） ，使中国成为世界上第三个拥有自主卫星导航的国家，不过早期的北斗一代系统包括四颗卫星，相对于 GPS 来说精度较低，而且不支持移动定位，而后续的北斗二代卫星体系性能不弱于美国 GPS 系统，第二步，建设北斗卫星导航系统（北斗二代） ，2012 年左右形成覆盖亚太大部
16、分地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力，第三步 2020 年左右，北斗卫星导航系统形成全称全球覆盖能力，届时将有 5 颗静止轨道卫星和 30 颗非静止轨道卫星组成，等到 2020 年左右北斗全球卫星导航系统建成之后北斗系统所提供的定位精度在全球范围内将与 GPS 相抗衡，而在增强区域也就是亚太地区，北斗的精度甚至会超过 GPS。自 2007 年 4 月 l4 日， 中国成功发射了第 1 颗北斗二代导航卫星， 目前北斗二代系统已经有 19 颗卫星升空，现在单北斗卫星导航系统的接收机，在亚太地区完全可以自主定位（单机定位、差分定位、RTK 定位、CORS 定位等等）而且精度不亚于 GPS。
17、2.1.5 服务北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10 米，测速精度 0.2 米/秒，授时精度 10 纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。为使北斗卫星导航系统更好地为全球服务，加强北斗卫星导航系统与其它卫星导航系统之间的兼容与互操作，促进卫星定位、导航、授时服务的全面应用，中国愿意与其它国家合作，共同发展卫星导航事业。3 北斗高精度割草机定位导航方案目前割草机采用视觉、声学等传感器提供导航信息，而已有的割草机器
18、人大多是使用电缆围出工作区域、电涡流传感器获得工作范围信息的方式进行导航。国外从 70 年代开始研究智能割草机，其中大多数性能相近，能够自动割草，并具有防盗，自动返航充电，定时启动等辅助功能，导航方式有利用存储的路径和环境信息导航利用无磁无电流的金属导航，利用地下的金属标志导航。这些导航方式存在如下缺点：1、导航方式复杂，使用大量电缆等设备，对于不同地块，需要现场布设，使用电缆长度也不一样，而产生浪费；2、工作方式不灵活，工作事前先必须要准备电缆围出工作区域和障碍物范围，费时费工。而使用北斗/GNSS 高精度接合惯导组合技术等提供割草机位置信息化，工作区域不需要再事先围出电缆，省去了事先布设电
19、缆的工作量和额外的费用。通过惯导组合导航克服了GNSS 卫星信号被遮挡的问题，当卫星信号被遮挡时，可以通过惯导特殊组合导航算法推算位置等信息。随着国民经济的发展,市场对园林机器人的需求越来越大,割草机器人也越来越受到关注，对于自动化智能割草机的发展趋势应该是实现割草机的全程智能自动化。我们设计采用北斗高精度 GNSS RTK 与惯导组合导航的方式应用于割草机上，以次改善以往割草机在应用限制和精度方面的问题，使割草机在正常空旷环境下到达厘米级的轨迹行使，同时结合惯导的组合导航，惯性导航技术，通过陀螺和加速度计测量载体的角速率和加速度信息，经积分运算得到载体的速度和位置信息，在树下，房角等遮挡的区
20、域也能达到理想的使用效果。组合导航系统通常以惯导系统作为主导航系统，而将其他导航定位误差不随时间积累的导航系统如无线电导航、天文导航、地形匹配导航、北斗/GNSS 等作为辅助导航系统，应用卡尔曼滤波技术，将辅助信息作为观测量，对组合系统的状态变量进行最优估计，以获得高精度的导航信号。3.1 上海联适高精度位置定位系统方案组成上海联适导航技术有限公司提供的基于北斗/GNSS RTK 的割草机高精度与惯导组合定位导航系统，利用北斗卫星（以及美国 GPS、俄罗斯 GLONASS 系统、欧盟伽利略系统等多星系统）的定位数据在辅助割草机的进行现场作业，在作业过程中可以提供能综合位置信息、姿态信息等，最终
21、实现控制割草机按照设计路径行驶，为割草机的自动化作业提供位置等信息的支持。系统组成示意图割草机高精度定位系统主要由基准站系统和车载两部分组成。其中：3.1 基准站部分基准站主要由北斗/GNSS 接收机和通讯部分组成，基准站为车载部分提供差分数据，从而实现车载定位终端的厘米级定位。其中通讯部分可以采用无线电台通信或者 GPRS/3G 网络通讯，无线电台方式可以采用0.5-1 瓦小功率的发射电台，距离可以在 1-3 公里，对于距离要求在 5 公里至 15 公里的可以采用 35 大功率发射电台，通过无线电台的优势是无需通信费用；GPRS/3G 可以实现距离0-50 公里都可以，但是基准和车载部分都需
22、要产生网络通信费。基准站工作示意图北斗/GNSS 接收机基准站-R30 介绍：R30 北斗/GNSS 接收机为联适导航自主研发的多功能高精度 RTK 北斗/GNSS 接收机，内置北斗/GNSS 高精度板卡，收发一体无线电通讯模块，惯导组合模块， GPRS/3G 模块，以太网通讯接口，高速数据存储模块等，各功能模块可根据客户需求进行选配定制。R30 接收机采用工业级设计，抗干扰能力强，稳定性高，广泛应用于机械控制、高精度车辆定位导航、精准农业、驾考驾培、测绘工程、地理信息、变形监测等等行业。产品特点：1）采用兼容北斗、GPS、GLONASS 多星座 RTK 接收机，可单独通过北斗进行 RTK 定
23、位；2）内置无线收发一体通讯模块，多种通讯协议，内置无线收发一体通讯模块，多种通讯协议，如透明传输、TRIMTALK、SOUTH 协议等等，与各厂家 GNSS 电台无缝兼容，最大发射功率 0.5 W，可以实现 1-3 公里的数据通信，也可以外加大功率发射电台，实现更远距离的信号发射；3）标准的以太网通讯接口，方便数据的高速网络传输；4）具有正负极性反接保护，宽电压供电，电压范围 9-36VDC 之间；5）支持远程诊断，远程设置、支持远程重启、远程注册和固件升级，方便用户远程对系统进行维护操作，减少用户维护成本；6）主机与天线分体设计，有安装底座；7）多个指示灯显示主机状态，操作简单，直观；8）
24、可配置为基站或移动站，支持多种工作模式；9）可配置为傻瓜型架设，通电即可自动开机工作；3.2 车载部分车载部分指在割草机车上安装的部分，主要包括北斗/GNSS 天线，北斗/GNSS 惯导组合接收机，无线电接收天线。其中北斗/GNSS 惯导组合接收机包括北斗 /GNSS 核心定位模块，无线电接收模块，惯导模块等等。车载部分获取基准站的差分数据，一种是通过自己建立单独的基准站，如上面介绍的基准站，通过方式可以是无电台也可以是通过 GPRS/3G 方式；一种是通过获取当地的CORS（或者地基增强网）数据，这样要求车载部分可以通过 GPRS/3G 方式登陆 CORS（或者地基增强网）中心获取差分数据，
25、这种方式需要 GPRS/3G 移动网络通信费以及CORS（或者地基增强网）服务费（各别地区为免费，国外如欧洲有的国家免费有的收费） 。割草机车载部分示意图其中，北斗/GNSS 惯导组合接收机可以直接内置到割草机内部，是上海联适导航自主研发的多功能北斗/GNSS 接收机，其中北斗/GNSS 核心定位模块可以兼容市面上多种核心板卡，如 hemishpere 307206，诺瓦泰 OEM617615628，TRIMBLE、和星通等等国内多种高精度 GNSS 板卡；接收机可以内置 GPRS/3G 网络通讯和无线电接收模块；内置高性能惯导组合导航模块；内置 INTERNET 网络通讯模块（RJ45 网络
26、接口） ；供电电压在采用宽电压供电，电压范围 9-36VDC 之间；数据通讯可以直接通过串口通讯；跟根据需要引出 5 个信号指示灯；多个固定孔位，适合各种设备的内置安装；内置存储器，数据可以直接通过 TF卡存储。北斗/GNSS 惯导组合接收机4 方案成本报价对于北斗高精度组合导航定位系统可以根据基准站与车载移动站要求达到的不同距离来区分不同的配置：具体可以通过数据通信、北斗/GNSS 核心定位模块、北斗/GNSS 天线等等，对于采用无线电通讯的方式有如下价格情况。1、基准站与车载移动站距离在 3 公里以上的，基准站需要大功率发射电台，同时基准和车载部分的北斗/GNSS 核心定位模块需要多星多频
27、定位模块，北斗 /GNSS 天线也需要采用多星多频天线，这样基站（多星多频北斗/GNSS5/35w 大功率发射电台多星多频北斗/GNSS 天线无线电发射天线）价格在 1.5 万左右，车载部分（多星多频北斗/GNSS 惯导模块接收电台多星多频北斗/GNSS 天线无线电接收天线）需要 1 万左右。2、基准站与车载移动站距离在 3 公里以内的，基准可以采用小功率发射电台，同时基准和车载部分的北斗/GNSS 核心定位模块可以采用多星单频定位模块，北斗 /GNSS 天线采用多星单频天线，采用单频 RTK 的方式实现高精度的定位，相对成本有大幅度降低，这样基站价格（单频北斗/GNSS电台发射模块多星单频北斗 /GNSS 天线无线电发射天线）在 0.5 万左右，车载部分（多星单频北斗/GNSS 惯导模块电台接收模块多星单频北斗/GNSS 天线无线电接收天线）需要 0.6 万左右。
