本发明涉及一种草坪养护装置，尤其是涉及一种风光储充一体化的智能草坪养护系统。
背景技术：
现阶段，新能源高效利用推动能源革命快速向前发展，太阳能、风能等多能互补正是顺应发展趋势的清洁可再生的利用模式。风光储充联合发电系统将太阳能和风能的转换、存储和释放，能够提供稳定的高品质电能输出，极大提高系统的功率输出特性，增加电网对可再生能源的消纳能力，同时缓解因电能需求量的波动而引起的电网不稳定，增强电网削峰填谷的适应能力，提高电能利用效率。
无线充电与高效储能对发展分布式能源起到关键作用，现有无线电力传输形式主要分为短程、中程和远程传输三大类。短程传输主要通过电磁感应电力传输技术来实现，电磁感应传输功率大，传输距离很短。而中程传输是利用电磁耦合共振/射频技术来完成电力传输，传输距离较长，是目前较为成熟的技术，并且安全性较高。远程传输通过微波/激光电力传输技术来实现，该技术尚处于开发阶段，安全性和可靠性仍需论证和完善，且射束能量在传输过程中会有部分损失。基于以上背景技术，中程电力传输技术是一种极具应用潜力的无线传输技术。储能技术主要涉及储电、储热和储氢，储电又主要包括储能电池。目前储能电池普遍存在比能量和比功率较低，循环性能和倍率性能较差，如何有效提高储能电池的循环倍率成为目前研究的热点。
智能草坪养护机器人作为智能制造和绿化工程交叉领域，逐渐成为智慧城市绿色智能发展的重点，经过几代机器人的升级创新，已经开始向市场推广，但需要进行大规模市场化生产还存在诸多关键瓶颈。如能源利用率太低、机器人载重大和重心高以及智能化程度较低，导致设备的自供能程度低、功率较大、安全性和稳定性较低以及草坪养护过程劳动力消耗过大等。通过提高可再生能源利用率、减轻机器人自重、降低设备的重心同时通过智能算法优化其整体性能，能够推动草坪养护机器人市场化进程。
中国专利cn201520407751.5提出一种风光储离/并网发电的电动汽车无线发电系统设计，包括风光储发电装置、无线功率发射装置和无线功率接收装置等组成。虽然该专利能够利用太阳能和风能用于电能存储，然后通过无线输电装置输出稳定电能，供电动汽车充电。但太阳能、风能利用效率较低，充储电容量小且时间较长；对比专利cn201710793801.1提出的一种节能环保太阳能机器人设计，包括机架、行走电机以及滑动件、前部架体、中部架体以及后部架体，将太阳能板布置在机器人的机架前部，导致机器人载重大且重心高，使得设备的功率过大且稳定性和可靠性偏低，区域迁移能力较差。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种风光储充一体化的智能草坪养护系统，能显著提高能源利用率、降低机器人工作功率以及提升系统的智能化程度和稳定性能，达到自供能、智能环保、可复制推广的目的。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种风光储充一体化的智能草坪养护系统，包括绿色房部分、供能部分、机器人部分、控制部分。所述的绿色房部分包括自动跟踪太阳装置、垂直轴风力发电机以及凹槽型虹吸雨水收集装置，所述的自动跟踪太阳装置位于绿色房部分顶部，垂直轴风力发电机均布于绿色房部分四周，所述的凹槽型虹吸雨水收集装置安装在太阳能板下部。所述供能部分包括储能电池和无线充电装置，所述的储能电池布置在所述绿色房部分中部左侧，位于所述凹槽型虹吸雨水收集装置上端，所述的无线充电装置分别布置于凹槽型虹吸雨水收集装置下部和机器人部分中间。所述的机器人部分包括机器底盘、除草刀具、浇灌水箱与选择型喷头，所述的机器底盘包括驱动轮、导向轮、支重轮和托带轮，所述的驱动轮布置在后端，所述的导向轮选择前置，其直径比驱动轮略小，所述支重轮的个数和布置根据履带接地压力均匀分布，所述托带轮位于履带下部左右两端，其直径比支重轮略小；所述除草装置镶嵌于所述的控制部分中间下部，采用除草刀具伸缩杆与刀片组合，除草刀具伸缩杆与高速电机连接，通过高度感知机算法对除草刀具伸缩杆进行调整，并且高度传感器采集小草的高度信息，选择执行除草功能；所述的浇灌水箱位于所述的控制部分后端，浇灌水箱上部设计成凹型补水槽，通过液位传感器检测液位信号，精确驱动电磁阀启闭，定时性补充浇灌用水，并利用增压泵和雾化喷头实施喷晒浇灌；所述选择型喷头位于所述的浇灌水箱后端，通过控制部分发出指令，选择性执行浇灌或施肥动作。所述的控制部分包括自动跟踪太阳装置、智能除草模块与补水浇灌、自主导航和路径规划等组成。所述的自动跟踪太阳装置，位于绿色房部分顶部，通过视觉识别太阳能板的阴影长度来控制二自由度舵机云台转动，使太阳能板精准捕捉太阳光；所述的补水浇灌模块主要通过液面传感器采集信号，将程序信息传递给电磁阀，达到补水浇灌功能；所述的智能除草模块采用高度感知机算法和高度传感器信号，经过程序处理后，执行刀具伸缩和智能除草等动作；所述的浇灌施肥主要利用湿度传感器、土壤氮磷钾检测传感器和高度传感器分别采集土壤含水量信号、土壤养分含量信息后，控制选择性喷头执行浇灌或施肥功能；所述的自主导航和路径规划性能，通过机器视觉和激光传感器信号识别边界的颜色分割算法精确识别工作区域和执行路径。
进一步地，所述的储能电池采用钠型双离子电池，负极材料采用质量分数比例为67:33～72:28范围内的二硫化钼/2d石墨研制成纳米复合材料。
进一步地，所述的无线充电装置采用中程无线电力传输技术，电磁发射端位于所述的储能电池左侧，接收端位于所述的机器人部分底部。
进一步地，所述的机器底盘通过安装有张紧装置的履带将驱动轮、导向轮、支重轮和托带轮依次连接，制成履带式机器底盘。
进一步地，所述的除草刀具升缩杆可根据不同草坪对小草预留高度和地面障碍物高度，利用高度感知机算法和高度传感器信号驱动执行机构进行适当调整。
进一步地，所述的液面传感器由水位显示模块和水位采集模块组成，水位显示模块采用单组若干led阵列上下依次排列表示液位，水位采集模块采集到的电压信号与单片机a/d串口连接自动进行转换，转换后的数据从高四位进行识别最后在相应的串口发送信号，控制led的开灭，从而显示液位。
进一步地，所述的视觉边界识别的颜色分割算法包括边缘检测算子、颜色分割算法和机器视觉、电子罗盘等全自动路线规划及控制部分。
更进一步地，所述的边缘检测算子是将图像的局部边缘定义为两个强度明显不同区域之间的过渡，图像的梯度函数即图像灰度变化的速率将在这些过渡边界上存在最大值，通过基于梯度算子或一阶导数的检测器来估计图像灰度变化的梯度方向，增强图像中的变化区域，然后对该梯度进行阈值运算，如果梯度值大于某个给定门限，则存在边缘。
更进一步地，所述的颜色分割算法采用的是全真彩色图像的颜色分割处理。在实际中，草坪与外界最大的区分点是颜色不同，草坪的颜色总体偏向绿色，而草坪边界外一般都是马路，水泥砖头或花带的边沿等，通过颜色分割算法对绿色草坪的检测，对摄像头采集的图像检测绿色区域边沿点，并做边界位置标记，最后得到绿色区域的边沿也即草坪的边界。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)风光互补、储充结合、雨水收集、智能除草、补水浇灌和选择性浇灌施肥组成智能草坪养护系统，将可再生能源利用和智能控制高度融合，能够代替复杂繁重的草坪护养工作，同时提高能源利用率，进而达到节能减排、推动绿色能源发展的目的。
(2)视觉识别太阳能板的阴影长度来控制二自由度舵机云台转动，从而使太阳能板时刻与太阳保持垂直状态，有利于提高太阳能的利用效率；垂直轴分离发电机可以捕捉全周风向，发电效率较高，实现系统风光互补自供电。
(3)雨水收集与液位控制相结合，将收集的雨水用于草坪浇灌，提高水资源利用率，同时将新型液位传感器采集到的信号，经程序处理后驱动电磁阀工作，达到精确补水的效果。
(4)无线充电与高效储电巧妙组合，将机器人部分与绿色房部分分离，不仅能够使发电系统更稳定，而且能够降低机器人部分的载重和重心，极大地降低机器人的功率，提高其稳定性和适应性，增强区域迁移能力。
(5)视觉边界识别的颜色分割算法采用边缘检测算子和颜色分割算法，能够准确识别草坪边界和工作路径规划，系统智能化程度提高，减少重复除草或浇灌的草坪区域，使草坪护养效率显著提高。
(6)利用液位传感器、土壤湿度传感器、氮磷钾检测传感器、小草高度传感器、摄像头、机器视觉和激光传感器采集多种信号，经过程序控制后，驱动机器人选择性执行补水、浇灌、施肥和除草功能，能够代替多种复杂的人工劳动，工作效率、安全性和可靠性较高。
(7)储能电池采用钠型双离子电池，负极材料采用质量分数比例为67:33～72:28范围内的二硫化钼/2d石墨研制成纳米复合材料，具有较高的比能量和比功率，循环性能和倍率性能较好，可利用资源丰富。
附图说明
图1是本实施例的整体系统结构示意图；
图2是本实施例的绿色房部分结构示意图；
图3是本实施例的供能部分结构示意图；
图4是本实施例的机器人部分结构示意图；
图5是本实施例的控制部分结构示意图；
图中：1为绿色房部分；101为自动跟踪太阳装置；102为垂直轴风力发电机；103为凹槽型虹吸雨水收集装置；104为舵机云台；105为太阳能板；106为摄像头；2为供能部分；201为储能电池；202为无线充电装置；203为蓄电池；204为承重板；205为逆变器；206为高频振荡器；3为机器人部分；301为除草刀具；301a为除草刀具升缩杆；302为机器底盘；302a为导向轮；302b为支重轮；302c为驱动轮；302d为拖带轮；303为浇灌水箱；304为选择型喷头；4为控制部分；401为程序控制板；401a为驱动器；401b为供能电池；402为选择型浇灌施肥模块；402a为土壤湿度传感器；402b为土壤氮磷钾检测传感器；403为自主导航与路径规划模块；403a为机器视觉模块；403b为激光传感器；404为智能除草模块；404a为高度传感器；405为补水浇灌模块；405a为电磁阀；405b为液位传感器；406为自动跟踪太阳模块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
一种风光储充一体化的智能草坪养护系统，如图1所示，包括绿色房部分1、供能部分2、机器人部分3和控制部分4。
如图2，绿色房部分1包括自动跟踪太阳装置101、垂直轴风力发电机102、雨水收集装置103、舵机云台104、太阳能板105和摄像头106。自动跟踪太阳装置101位于绿色房部分1顶部，摄像头106安装在太阳能板105下部，舵机云台104通过齿轮啮合支撑太阳能板105转动。通过摄像头106检测太阳能板105的阴影长度，经过程序处理后，驱动舵机云台104转动，实时与太阳保持垂直状态。垂直轴风力发电机102均布于绿色房部分1周围，用来捕捉各个方向具有一定速度的风能。雨水收集装置103置于自动跟踪太阳装置101下部，采用若干多边形板形成凹槽，凹槽内安装虹吸装置，用来高效收集雨水。
如图3，供能部分2包括储能电池201、无线充电装置202、蓄电池203、承重板204、逆变器205、高频振荡器206。储能电池201、无线充电装置202、逆变器205、高频振荡器206均布置在承重板204上侧，自动跟踪太阳装置101和垂直轴风力发电机102产生的电能经逆变器205和高频振荡器206处理后，全部储存在储能电池(201)中，再经过无线充电装置202将电能储存在蓄电池203中，为机器人部分3提供电能。
如图4，机器人部分3包括除草刀具301、机器底盘302、浇灌水箱303、选择型喷头304。机器底盘302位于机器人部分3底部，设有导向轮302a、支重轮302b、驱动轮302c、拖带轮302d，除草刀具301垂直镶嵌于机器底盘302平板上，浇灌水箱303位于机器人部分3后端，分为雨水区和肥料区，选择型喷头304安装在浇灌水箱303后端上部，根据控制程序执行浇灌或施肥等动作。除草刀具301根据高度传感器404a，驱动智能除草模块404功能，按预定高度实现除草动作，若遇到障碍物，超过除草刀具升缩杆301a的预设高度，除草刀具301自动缩回，避开障碍物。机器底盘302采用履带设计，将导向轮302a、支重轮302b、驱动轮302c、拖带轮302d用履带连接，有助于机器人部分3安全稳定地运动。浇灌水箱303与选择型喷头304结合，通过检测各传感器信号，经过控制程序处理后，使选择型喷头304执行相应的动作。
如图5，控制部分4包括程序控制板401、选择型浇灌施肥模块402、自主导航与路径规划模块403、智能除草模块404、补水浇灌模块405、自动跟踪太阳模块406。程序控制板401位于机器人部分3的前端上部，驱动器401a和供能电池401b位于其同一水平面的左侧，供能电池401b补充来自蓄电池203的电能后，使驱动器401a执行相应的动作。选择型浇灌施肥模块402通过程序控制板401处理土壤湿度传感器402a与土壤氮磷钾检测传感器402b采集的湿度和氮磷钾含量信号后，执行浇灌或施肥动作。自主导航与路径规划模块403采集机器视觉403a和激光传感器403b的信号，经过控制程序板401内的边缘检测算子和颜色分割算法处理后，实现全自动路线规划和自主导航功能。智能除草模块404主要通过高度传感器404a检测小草高度，采集高度信息进行处理后，执行除草功能。补水浇灌模块405采用液位传感器405b采集信号后，经过程序控制板401处理，控制电磁阀405a执行补水动作。自动跟踪太阳模块406利用摄像头106检测太阳能板105的阴影长度，经过程序控制板401处理后，驱动舵机云台104转动，使其始终与太阳保持垂直。
具体工作原理为：在风光储充一体化的智能草坪养护系统中，绿色房部分1主要提供电能和浇灌用水以及支撑整个系统的重量，通过采用自动跟踪太阳装置101高效利用太阳能，利用垂直轴风力发电机102多角度捕捉风能以及安装凹槽型虹吸雨水收集装置103使雨水聚集在集水箱中，供系统用电和浇灌。供能部分2主要是将太阳能和风能转化的电能储存在钠型双离子储能电池中，并通过中程无线电力传输技术将储能电池201中的电能传输至蓄电池203中，此举能够显著降低机器人部分3的重量和重心，减小设备的功率、增强稳定性和安全性。机器人部分3主要是执行除草、浇灌和施肥功能，通过高度传感器404a、土壤湿度传感器402a和土壤氮磷钾检测传感器402b采集信号，驱动除草刀具301或选择性喷头304执行相应的动作。控制部分4主要是通过各种传感器或机器视觉、摄像头采集相应的信号，经过控制程序板内的代码或算法处理后，驱动相应的执行机构动作，实现特定的功能。
当草坪小草高度超过5cm，土壤湿度和土壤养分含量较高时，只有高度传感器404a检测到信号，反馈给控制程序板401，经过处理后，通过驱动器401a只驱动除草刀具开始除草，其他功能停止工作；当土壤湿度低于70％，小草高度和土壤养分含量合适时，只有土壤湿度传感器402a检测到信号，该湿度信号经过程序控制板401处理后，驱动器401a只驱动选择型喷头304实现浇灌功能，其他功能停止工作；当土壤养分含量较低，小草高度和土壤湿度均合适时，只有土壤氮磷钾检测传感器402b检测到信号，该信号经过程序控制板401反馈后，驱动选择型喷头304执行施肥动作。若小草高度超过5cm，土壤湿度低于70％且土壤养分含量较低时，三个传感器同时检测高度、湿度和养分含量的信号，经过程序控制板401处理，使驱动器401a同时驱动除草刀具和选择型喷头304工作，及时除草并补充土壤水分和养分。