Как работает робот-газонокосилка

Как работает робот-газонокосилка: аккумуляторная машина сама выезжает с базы по расписанию, определяет границы участка — по ограничительному проводу или по спутниковой навигации, — коротко подрезает траву небольшими плавающими ножами, а при дожде, разряде батареи или подъёме с земли прекращает работу и возвращается на зарядную станцию. Ниже разобрано, что именно нормирует стандарт, на какой физике держится ограничительный контур, чем от него отличается навигация RTK, зачем ножи сделаны плавающими, как устроено расписание и какие датчики останавливают режущее средство.

Что нормирует стандарт

Робот-газонокосилка — не «умный гаджет», а машина с вращающимся режущим средством, работающая без оператора рядом. Поэтому требования к ней вынесены в отдельный документ: ГОСТ Р 60.6.2.1-2019/МЭК 60335-2-107:2017 «Роботы и робототехнические устройства. Сервисные мобильные роботы. Частные требования безопасности к роботам-газонокосилкам с аккумуляторным питанием». Стандарт разработан ТК 141 «Робототехника» и действует с 25 марта 2020 года.

Он устанавливает требования безопасности и их верификацию при проектировании и конструировании электрических роторных роботов-газонокосилок с аккумуляторным питанием и их периферийных устройств с номинальным напряжением аккумуляторной батареи не более 75 В постоянного тока. Электромагнитная совместимость и факторы окружающей среды, за исключением шума, в нём не рассмотрены.

Стандарт рассматривает не только саму машину: под его действие подпадают зарядная станция с сетевым питанием и источники сигнала для ограничителей периметра.

Разграничение с обычными газонокосилками проведено прямо: ГОСТ IEC 62841-4-3-2020 на управляемые вручную газонокосилки на роботизированные машины не распространяется и в примечании отсылает к IEC 60335-2-107.

Логика стандарта проста: конструкция робота-газонокосилки должна обеспечивать надлежащую защиту от риска травмирования людей посторонними предметами, которые могут быть отброшены вращающимся режущим инструментом, и исключать возможность воспламенения или поражения электрическим током в результате неправильной работы. Отсюда и растут все конструктивные решения, разобранные ниже.

Ограничительный провод

Главная задача робота — не выехать за пределы газона. Классическое решение — ограничитель периметра: провод, уложенный замкнутым контуром по границе участка и подключённый обоими концами к базе. Стандарт рассматривает источник сигнала для такого ограничителя как часть системы, к которой предъявляются требования безопасности.

На какой физике это работает

Провод — не забор и не датчик. Это антенна. База пропускает по контуру переменный (как правило, кодированный) ток. Вокруг проводника с током возникает магнитное поле, силовые линии которого охватывают провод кольцами — направление поля связано с направлением тока правилом буравчика.

Ключевое следствие геометрии замкнутого контура: внутри контура и снаружи вертикальная составляющая магнитного поля направлена в противоположные стороны. В корпусе робота стоят приёмные индукционные катушки. Переменное поле наводит в них ЭДС; знак (фаза) наведённого сигнала и говорит электронике, с какой стороны провода находится машина. Приближаясь к границе, робот видит рост амплитуды сигнала, а пересекая провод — смену фазы на противоположную. Это и есть команда «стоп, разворот».

Кодирование тока нужно, чтобы робот отличал сигнал своей базы от помех и от контура соседа. Именно поэтому ограничительный провод работает только при включённой базе: обесточенная база — это отсутствие поля, и машина не стартует.

Острова и коридоры

Клумбы, деревья, пруд обходят «островами»: провод от основного контура заводят к препятствию, оборачивают вокруг и возвращают обратно тем же путём. Ток в двух параллельно идущих ветвях течёт навстречу, поля взаимно компенсируются — и робот спокойно проезжает над этим участком, но не заезжает внутрь острова.

Провод укладывают замкнутым контуром без разрывов. Любой обрыв — и контур перестаёт быть контуром: поле исчезает, робот не выезжает. Это не недостаток, а свойство схемы: она отказоустойчива в безопасную сторону.

Спутниковая навигация RTK

Второй способ задать границы — обойтись без провода и определять положение машины спутниковой навигацией. Термины в этой области устанавливает ГОСТ Р 52928-2010 «Система спутниковая навигационная глобальная. Термины и определения».

Проблема в точности. Обычный приёмник ГНСС для задачи «не заехать на соседскую клумбу» слишком груб: погрешность автономного определения координат несопоставима с шириной бордюра. Решение — дифференциальный режим: неподвижная базовая станция, установленная в точке с известными координатами, вычисляет поправки и передаёт их подвижному приёмнику. Режим высокоточного позиционирования с передачей поправок в реальном времени стандартизован как «Кинематика в реальном времени» (RTK) — методики полевых испытаний ГНСС-аппаратуры в этом режиме устанавливает ГОСТ Р ИСО 17123-8-2011.

В применении к газонокосилке это выглядит так: на участке ставят опорную антенну-станцию, робот принимает от неё поправки, и вместо провода границы задаются картой — их «рисуют» в приложении или обучают, прогнав машину по периметру вручную.

Спутниковая схема не отменяет физических датчиков. Координаты говорят, где робот находится, но ничего не сообщают о ребёнке, шланге или еже на траве. Контактные и бесконтактные датчики препятствий, подъёма и наклона обязательны в обеих схемах.

На практике встречаются и гибридные решения: карта по спутнику как основной способ задания зон плюс провод или физическое ограждение на сложных или затенённых участках.

Режущая система и плавающие ножи

Здесь принципиальное отличие от обычной газонокосилки. У классической машины — один тяжёлый нож во всю ширину деки, жёстко закреплённый на валу двигателя: он срезает траву и мощным воздушным потоком гонит её в травосборник. У робота — лёгкий вращающийся диск, по краю которого на осях подвешены несколько маленьких ножей-лезвий.

Почему ножи плавающие

Ножи закреплены не жёстко, а с возможностью поворота вокруг своей оси. В рабочем режиме они раскрыты центробежной силой и режут траву кромкой. При встрече с твёрдым предметом — камнем, шишкой, торчащим корнем — нож складывается назад, поворачиваясь на оси, вместо того чтобы принять удар всей жёсткостью конструкции. Это даёт сразу несколько эффектов:

• Снижение риска травмирования. Складывающийся нож передаёт постороннему предмету меньший импульс, что напрямую отвечает требованию защиты от предметов, отбрасываемых вращающимся режущим инструментом.
• Защита привода. Удар не передаётся жёстко на вал и подшипники двигателя.
• Малая инерция. Лёгкий диск с маленькими ножами быстро останавливается — а время остановки режущего средства стандарт нормирует.
• Ремонтопригодность. Затупившиеся лезвия меняют комплектом, а не точат тяжёлый нож.

Плавающий нож — это не удешевление, а элемент безопасности: он рассчитан на то, чтобы отступить при ударе, а не пробить.

Мульчирование вместо травосборника

У робота нет травосборника, и это следствие того же выбора конструкции. Машина срезает за проход очень немного, а срезанные частицы падают обратно в дернину и перегнивают, возвращая в почву органику и удерживая влагу. Такой режим называют мульчированием.

Работает он только при регулярном кошении: если траву запустить, короткого среза не получится, а длинные обрезки лягут на газон войлоком и вызовут выпревание. Отсюда логика робота — косить часто и понемногу, а не раз в две недели «под ноль». Это же объясняет, почему робот выходит на участок почти ежедневно и почему после запуска на заросшем газоне высоту среза сначала выставляют максимальной, опуская её постепенно за несколько циклов.

Алгоритмы движения и расписание

Как робот покрывает площадь

Машина с проводным ограничителем не строит карту: она не знает, где уже была. Базовый алгоритм — псевдослучайный: робот едет прямо до срабатывания датчика (граница, препятствие), разворачивается на случайный угол и едет дальше. При достаточном числе проходов участок покрывается статистически равномерно. Отсюда следствие: такой робот должен работать долго и часто — покрытие обеспечивается не точностью, а количеством проходов.

Машины со спутниковой навигацией знают своё положение на карте и могут двигаться систематически — параллельными строками с перекрытием, отмечая обработанные зоны и возвращаясь к пропущенным. Это сокращает время на ту же площадь и убирает «проплешины».

Дополнительные приёмы, встречающиеся в обеих схемах:

• Проход вдоль границы. Робот проезжает по периметру, чтобы прокосить кромку, куда при случайном движении попадает редко.
• Разные точки старта. Робот отъезжает вдоль провода на заданное расстояние и только затем начинает косить — так распределяются заезды по участку и не вытаптывается колея у базы.
• Отдельные зоны. Части газона, соединённые узким проходом, задают как отдельные зоны с собственной точкой входа.
• Реакция на густоту травы. По возрастанию тока двигателя кошения электроника определяет плотный участок и может снизить скорость движения.

Расписание

Расписание — не просто таймер, а способ согласовать три ограничения: ёмкость батареи, требуемую частоту кошения и присутствие людей на участке. Задают дни недели и интервалы времени; робот выезжает, косит до разряда, возвращается на базу, заряжается и при необходимости выезжает снова в пределах разрешённого окна.

1. Старт по расписанию. Контроллер проверяет, разрешено ли текущее окно, и опрашивает датчики.
2. Выезд и позиционирование. Робот покидает базу, доезжает до точки старта и начинает кошение.
3. Кошение. Отработка алгоритма покрытия с реакцией на границы, препятствия и датчики.
4. Возврат. При разряде батареи, срабатывании датчика дождя или окончании окна расписания робот ищет базу.
5. Зарядка. Машина стоит на станции до восстановления заряда.
6. Повторный выезд. Если окно ещё не закрыто и площадь не обработана, цикл повторяется.

Стандарт содержит требования к процедурам остановки и повторного пуска, а также к устройствам отключения и ручному контроллеру. Практический вывод для владельца: «тихие часы» и запрет на работу в то время, когда на газоне бывают дети или животные, — это часть настройки безопасности, а не вопрос удобства.

Датчики и защиты

Стандарт прямо относит к предмету требований устойчивость и механические опасности — в том числе ручной контроллер, ручную остановку, время остановки режущего средства, остановку тягового привода и процедуры повторного пуска, — а также датчики, устройства отключения и контактные поверхности, используемые для обнаружения препятствий. Практически это реализуется набором дублирующих друг друга каналов.

Датчики подъёма и наклона

Это главный барьер между вращающимся ножом и руками человека. Как только корпус приподнимают или машина опрокидывается, режущее средство должно остановиться — причём за нормируемое время. Малая инерция лёгкого диска с плавающими ножами, о которой шла речь выше, работает именно на это требование.

Датчик дождя

Его назначение — не защита электроники (корпус и так рассчитан на работу под открытым небом), а качество кошения и сохранность газона. Мокрая трава хуже режется и налипает на деку, а колёса теряют сцепление и рвут дернину на склонах. Датчик — обычно чувствительная площадка, реагирующая на плёнку воды; при срабатывании машина прекращает кошение и уходит на базу.

Ограничение доступа

Ручная кнопка остановки, PIN-код на запуск и блокировка при выносе за пределы рабочей зоны решают две задачи сразу: не дают запустить машину ребёнку и обесценивают её кражу.

База зарядки

База — не просто розетка для робота. В проводной схеме она совмещает две функции: питает зарядные контакты и служит источником сигнала для ограничителя периметра. Стандарт отдельно оговаривает требования безопасности к зарядным станциям с сетевым питанием и к источникам сигнала ограничителей периметра, а также к соединителям машины, используемым для зарядки.

Как робот находит базу

Возврат — отдельная задача навигации. Типичные способы, применяемые по отдельности или совместно:

• Движение вдоль провода. Робот выезжает на контур и едет вдоль него до станции, удерживая заданное смещение от провода по амплитуде сигнала.
• Направляющий провод. Дополнительная нитка от базы вглубь участка, по которой машина возвращается напрямую, не обходя весь периметр.
• Ближний сигнал станции. Инфракрасный или радиомаяк для точного захода на контакты.
• По карте. В спутниковых системах — прокладка маршрута к координатам базы.

Требования к размещению

• Ровная горизонтальная площадка: заход на контакты должен быть повторяемым.
• Прямой участок контура перед станцией, чтобы робот успевал выровняться.
• Тень и защита от прямого солнца — аккумулятор не любит перегрева при заряде.
• Свободный подъезд: заросший или заваленный подход к базе означает, что робот не зарядится и остановится посреди газона.
• Питание базы через устройство защитного отключения, кабель — вне зоны кошения.

Зимой машину снимают с базы, заряжают аккумулятор до рекомендованного изготовителем уровня и хранят в отапливаемом сухом помещении. Ограничительный провод, уложенный в грунт, на зиму не снимают, а базу обесточивают согласно руководству по эксплуатации.

Типовые ошибки

1. Провод уложен вплотную к границе. Робот разворачивается, пересекая линию корпусом; нужен отступ, заданный изготовителем, иначе машина съезжает с газона.
2. Две ветви контура рядом. Поля накладываются, возникает зона неопределённости, и робот ведёт себя непредсказуемо.
3. Остров не замкнут «туда-обратно». Если ветви острова разведены, компенсации полей нет и робот отказывается проезжать над проводом.
4. Слишком узкий проход между зонами. Машина не проходит по ширине корпуса с учётом отступов от провода.
5. Скупое расписание. Для псевдослучайного алгоритма мало проходов — остаются непрокошенные пятна. Робот компенсирует точность частотой.
6. Запуск на заросшем газоне. Мульчирование рассчитано на короткий срез; высоту опускают постепенно, а не сразу.
7. Спутниковая станция в тени. Кроны и стены рушат приём поправок, границы «плывут».
8. Посторонние предметы на газоне. Шланг, игрушки, ветки — источник и поломок, и травм.
9. Работа при людях и животных на участке. Датчики — последний рубеж, а не разрешение косить при детях на газоне.

Вопросы и ответы