CN102681545B - 一种用于控制自动设备的工作区域界定和引导的方法及其系统 - Google Patents
一种用于控制自动设备的工作区域界定和引导的方法及其系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于控制自动设备的工作区域界定和引导的方法及其系统，包括安装在自动设备上的信号发生系统，和信号接收系统；信号发生系统随自动设备移动，产生磁场信号并通过空气传播；信号接收系统连接有电缆，信号接收系统检测由信号发生系统在特定时间内产生至少一个静止或者交变的磁场；信号接收系统根据磁场信号传输一个处理信号给自动设备。本发明的优点：信号发生系统产生的磁场信号无需特定的频率和相位关系；信号接收系统可以方便地扩展到连接多个电缆闭环，从而将工作区域细分，为自动设备在不同区域之间移动提供引导信息；多个电缆构成的闭环可以相互覆盖或者交叉。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制自动设备的工作区域界定和引导方法及其系统，尤其涉及一种用于控制自动割草机的工作区域界定和引导的方法及其系统。
背景技术
目前，用于家庭、公共绿地等场所地面清洁和草坪维护的机器一般是采用汽油发动机或民用电作为动力，在人工的参与下完成地面或者草地的清洁和护理修剪等工作。但是汽油发动机会排放废气造成空气污染，需要人工参与的机器劳动强度大，机器产生的噪声对操作者和环境都带来不利的影响。随着信息技术和机械电子技术的飞速发展，使机器人走入日常应用成为可能。
目前市场上已经有地板清洁机器人和自动割草机上市，用于草坪维护的自动割草机有着劳动力消耗少、安全性高、自动化程度高等特点，一些国外大型公司己对自动割草机器人的进行了初步研究，并推出了部分自功割草机器人产品，如Friendly Machines公司的Robomow、Zucchetti公司的AmbrigioRobo-Lawnmower和Electrolux公司的Husqvarna Auto Mower等。这些自动机器人都通过使其在一个需要被清洁或修剪的工作区域内相对于该区域自主移动来清洁地面或修剪草坪。为了保证机器人处于指定的工作区域内，并且在需要时能够正确地回到指定地点，电子区域界定和引导系统是其中一个必不可少的组成部分。
美国专利第US20080097645号和第US006300737号都提出了采用在工作区域周围设置电缆用来确定不允许机器人越过的边界线，同时将电缆连接到一个信号发生器，用于产生一个可以被安装在机器人上的检测装置能检测到的磁场。当机器人接近电缆时，系统检测磁场强度的变化，控制单元处理信息并操纵电机单元来操纵机器人的运动。例如系统能够防止机器人移出其本应处理的区域或者使其沿着电缆运动。
根据上述在先文件所述，确定范围的电缆是连接在信号发生器上的，信号发生器通常位于一个固定的地点(如基站)，通过给电缆施加一个电流产生磁场，然后由安装在机器人上的磁场检测装置来检测磁场变化，并由此做出操纵指令。在上述方法中，为了能够确定机器人的位置，需要给电缆施加不同频率的两种电流，如果有多个电缆时，在给不同的电缆施加电流时需要指定严格的相位关系，因此在信号发生器和检测装置上的设计需要考虑不同频率和相位关系的磁场变化。特别是当有多个电缆时，由于要严格指定相位关系，很难任意扩展电缆数量，也不易将工作区域进行细分，因此也不容易对机器人进行比较明确的方向引导。
发明内容
本发明提供了一种用于控制自动设备特别是一种自动割草机的工作区域界定方法和引导系统。本发明信号发生系统安装在自动设备上，在运动的过程中能够产生静止或者交变的电磁场，连接到信号接收系统的电缆作为工作区域范围的界定，多个电缆可以将工作区域划分成多个子区域，根据信号接收系统检测到不同区域的磁场信号对自动设备的运动进行引导。
为了实现上述发明目的，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种用于控制自动设备的工作区域界定和引导的方法，包括至少一个安装在自动设备上的信号发生系统，和至少一个信号接收系统；信号发生系统随自动设备移动，产生磁场信号并通过空气传播；信号接收系统连接有至少一根电缆，信号接收系统检测由信号发生系统在移动或静止的过程中产生并通过空气传播的磁场信号；信号接收系统根据检测到的磁场信号传输一个处理信号给自动设备；自动设备通过至少一个驱动装置引导自动设备在工作区域内运动；信号发生系统安装在自动设备上，在特定时间内产生至少一个静止或者交变的磁场信号，信号接收系统包括至少一个信号检测单元、信号处理单元和无线通讯模块，信号检测单元与电缆相连，并与电缆构成闭环，信号发生系统通常产生的是一定频率的交变磁场，信号检测单元过滤掉干扰成分，检测一定频率的交变磁场；信号接收系统检测到由信号发生系统产生的磁场的磁场强度，根据磁场强度变化来判断自动设备离电缆的距离。
作为优选，信号接收系统与电缆相连，并与电缆构成一个闭环。
作为优选，信号接收系统与第二电缆和第三电缆相连，信号接收系统分别与第二电缆、第三电缆构成第二闭环和第三闭环，闭环、第二闭环和第三闭环将工作区域划分成多个子工作区域。
作为优选，闭环、第二闭环和第三闭环是单匝或者多匝的。
作为优选，信号接收系统检测到的由信号发生系统产生的磁场的磁场强度变化来判断自动设备位于闭环的内侧还是外侧。
作为优选，信号接收系统将检测到的磁场信号经过处理后传送给自动设备，自动设备的控制系统根据自动设备位于闭环的内侧还是外侧来驱动自动设备相对于电缆进行移动。
作为优选，信号接收系统将检测到的多个闭环获得的磁场信息经过处理后通过无线通讯模块传送给自动设备，自动设备的控制系统根据检测到的磁场信号驱动自动设备在多个子工作区域间移动。
作为优选，自动设备为一种自动移动的机器。
作为优选，自动设备为一种自动割草装置。
一种自动设备工作区域界定和引导系统，包括至少一个安装在自动设备上的信号发生系统，和至少一个信号接收系统，自动设备包括驱动装置；信号发生系统随自动设备移动，产生磁场信号并通过空气传播；信号接收系统连接有至少一根电缆，信号接收系统检测由信号发生系统在移动或静止的过程中产生并通过空气传播的磁场信号；信号接收系统将检测到的磁场信号通过无线通讯模块以无线方式传输给自动设备；信号发生系统安装在自动设备上，在特定时间内产生至少一个静止或者交变的磁场，由信号接收系统来检测通过空气传播的磁场信号，信号接收系统包括至少一个信号检测单元、信号处理单元和无线通讯模块，信号检测单元与电缆相连，并与电缆构成闭环，信号发生系统通常产生的是一定频率的交变磁场，信号检测单元过滤掉干扰成分，检测一定频率的交变磁场。
作为优选，信号接收系统包括至少一个信号检测单元、信号处理单元和无线通讯模块，信号检测单元与电缆相连，并与电缆构成闭环。
作为优选，信号接收系统与第二电缆和第三电缆相连，信号接收系统分别与第二电缆、第三电缆构成第二闭环和第三闭环，闭环、第二闭环和第三闭环将工作区域划分成多个子工作区域。
作为优选，自动设备包括轮子和驱动装置，以及带有无线通讯功能的控制单元。
作为优选，自动设备为一种自动移动的机器。
作为优选，自动设备为一种自动割草机器，自动割草机器包括割草刀片。
作为优选，自动设备为一种表面清洁机器。
本发明的优点：信号发生系统产生的磁场信号无需特定的频率和相位关系；信号接收系统可以方便地扩展到连接多个电缆闭环，从而将工作区域细分，为自动设备在不同工作区域之间移动提供引导信息；多个电缆构成的闭环可以相互覆盖或者交叉。
附图说明
图1显示了根据本发明的电子区域界定和引导系统。
图2为实施例2的电子区域界定和引导系统。
图3显示了自动设备在工作区域内的运动的一种路径。
图4显示了用于图1中系统沿边界引导的示意图。
图5显示了用于图1中系统沿子区域引导的另一示意图。
图6显示了包含不可进入区域的运动示意图。
具体实施方式
下面结合附图1-6与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
一种割草机单工作区域界定和引导系统，见图1，包括至少一个安装在自动设备2上的信号发生系统8，和一个信号接收系统3，自动设备2包括驱动装置10；信号接收系统3和相连接的电缆1用于工作区域21的界定和划分。信号发生系统8安装在自动设备2上，随自动设备2移动，信号发生系统8通常具有能够产生一定频率交变电流的振荡电路和信号发射线圈，信号发生系统8在工作过程中，在一定区域内产生一个交变的磁场信号，产生磁场信号并通过空气传播；信号接收系统3连接有一根电缆1，信号接收系统3检测由信号发生系统8在移动或静止的过程中产生并通过空气传播的磁场信号；电缆1用于确定工作区域21边界，信号接收系统3通常安装在固定位置。信号接收系统3根据检测到的磁场信号通过无线通讯模块13以无线方式将检测到的磁场信号传输给自动设备2；信号发生系统8在特定时间内产生至少一个静止或者交变的磁场，由信号接收系统3来检测通过空气传播的磁场信号。信号接收系统3包括至少一个信号检测单元11、信号处理单元12和无线通讯模块13，信号检测单元11与电缆1相连，并与电缆1构成闭环。
信号接收系统3接收到的磁场信号是由安装在自动设备2上的信号发生系统8产生的，因此所接收到的磁场强度与自动设备2和电缆1相对位置有关。当自动设备2在电缆1所围工作区域21内部时，由于抵消作用，电缆1感应到的磁场强度较小。当自动设备2接近电缆1时，接收到的磁场强度逐渐增加，在跨过电缆1时达到最大。当自动设备2跨过电缆1并远离电缆1所围工作区域21时，接收到的磁场强度逐渐减弱，但在一定范围内仍比在电缆1所围的工作区域21内部时要大。这就意味着，信号接收系统3可以根据检测到的磁场强度的大小和变化趋势判断自动设备2是位于电缆1所围工作区域21的内部、临界或者外部。
信号接收系统3一般包括信号检测单元11、信号处理12和无线通讯模块13。用于界定的边界电缆1通常连接到信号检测单元11，检测由信号发生系统8产生的磁场信号，并经过信号处理后传送给自动设备2。为了减少其他干扰对系统的影响，信号发生系统8通常产生的是一定频率的交变磁场，检测单元过滤掉干扰成分，检测一定频率的交变磁场，具有较强的抗干扰能力。
图3是自动设备2在由电缆1围成的工作区域21内往复工作的示意图。自动设备2在工作区域21内根据所承担的任务按一定方式前进，当其接近并跨越电缆1时，信号接收系统3检测到迅速增加的磁场强度，由此判断自动设备2正在越界，将信号处理后通过无线通讯模块13传送给自动设备2，使自动设备2掉头重新进入工作区域21。如此往复，使自动设备2始终在工作区域21内往复工作。
图4给出了当自动设备2需要回到指定地点(如基站)时的一种引导路线和方法。自动设备2先按照一定的方式前进，直至运行到接近并跨越电缆1时，此时信号检测单元会检测到较强的磁场信号，然后按照一定的控制算法能够使自动设备2沿着边界电缆1按Z字形的方式前进。一般来讲，Z字形运动事实上非常有限。当自动设备2沿着边界电缆前进时，采用传感元件和一个好的控制算法能够尽量地减少Z字形行为。
自动设备2为包括轮子7和驱动装置10，以及带有无线通讯功能的控制单元9。控制单元9接收来自信号接收系统3根据检测到的磁场强度传送的处理信息，根据所处理的信息通过驱动装置10操作轮子7使自动设备2移动，控制单元9当然也可以具有其他任务，如控制安装在自动机器人内的附加刀具(如果是适用割草机)等。
自动设备2为一种自动移动的机器，机器人具有轮子7和相应的驱动装置10，以及带有无线通讯功能的控制单元9。
本实施例的自动设备2为一种自动割草机器，自动割草机器包括割草刀片。
实施例2，一种割草机多工作区域界定和引导系统。
见图2，结构与实施例1不同之处在于，在实施例1的基础上增加一些内容，具体如下，实施例1采用的是一根电缆1，构成一个工作区域21，而实施例2在电缆1的基础上增加两根电缆，即第二电缆5和第三电缆6，当然也可以多几根电缆，比如电缆4，即信号接收系统3与电缆1、第二电缆5和第三电缆6相连，电缆1、第二电缆5、电缆6构成闭环、第二闭环和第三闭环，闭环、第二闭环和第三闭环将工作区域21划分成多个子工作区域。电缆1、第二电缆5和第三电缆6可以连接到相同的信号检测单元11，也可以连接到各自独立的信号检测单元11。不同的电缆可以相互包含，也可以相互交叉，这也正是根据本发明所实施系统的一个优越性。
图5给出了另一种引导自动设备2回到基站的路线和方法。在这种方法中，工作区域21被多个电缆分成多个子工作区域，特别地其中有一个子工作区域，例如由电缆4围成的区域，表示了自动设备2需要返回的地点。当自动设备2需要返回指定地点的时候，可以按照一定的控制算法使自动设备2依次进入某个子工作区域，最终回到基站附近，无需沿着边界返回，因此，其效率比前一种方法要好。
实施例3，一种表面清洁机器单工作区域界定和引导系统。
与实施例2不同之处在于，实施例2的自动设备为割草机，而本实施例的自动设备2为一种表面清洁机器。
图6给出了一种避免自动设备2进入某个局部区域的示意图。由第二电缆5所围成的区域是自动设备2由于某种原因禁止进入的。因此可以在信号检测和信号处理单元给该电缆接收到的磁场信号一个特殊的标记，以示区别。按照一定控制算法使得自动设备2在进入该区域时掉头回到由电缆1围成的正常工作区域。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (14)
1.一种用于控制自动设备的工作区域界定和引导的方法，包括至少一个安装在自动设备(2)上的信号发生系统(8)和至少一个信号接收系统(3)；信号发生系统(8)随自动设备(2)移动，产生磁场信号并通过空气传播；信号接收系统(3)连接有至少一根电缆，信号接收系统(3)检测由信号发生系统(8)在移动或静止的过程中产生并通过空气传播的磁场信号；信号接收系统(3)根据检测到的磁场信号通过无线通讯模块(13)以无线方式传输一个处理信号给自动设备(2)；自动设备(2)通过至少一个驱动装置(10)引导自动设备(2)在工作区域(21)内运动；其特征在于：信号发生系统(8)安装在自动设备(2)上，在特定时间内产生至少一个静止或者交变的磁场信号，信号接收系统(3)包括至少一个信号检测单元(11)、信号处理单元(12)和无线通讯模块(13)，信号检测单元(11)与电缆(1)相连，并与电缆(1)构成第一闭环，信号发生系统(8)产生的是一定频率的交变磁场，信号检测单元(11)过滤掉干扰成分，检测一定频率的交变磁场；信号接收系统(3)检测到由信号发生系统(8)产生的磁场的磁场强度，根据磁场强度变化来判断自动设备(2)离电缆(1)的距离。
2.根据权利要求1所述的一种用于控制自动设备的工作区域界定和引导的方法，其特征在于：信号接收系统(3)与第二电缆(5)和第三电缆(6)相连，信号接收系统(3)分别与第二电缆(5)、第三电缆(6)构成第二闭环和第三闭环，第一闭环、第二闭环和第三闭环将工作区域(21)划分成多个子工作区域。
3.根据权利要求2所述的一种用于控制自动设备的工作区域界定和引导的方法，其特征在于：第一闭环、第二闭环和第三闭环是单匝或者多匝的。
4.根据权利要求1所述的一种用于控制自动设备的工作区域界定和引导的方法，其特征在于：信号接收系统(3)检测到的由信号发生系统(8)产生的磁场的磁场强度变化来判断自动设备(2)位于第一闭环的内侧还是外侧。
5.根据权利要求4所述的一种用于控制自动设备的工作区域界定和引导的方法，其特征在于：信号接收系统(3)将检测到的磁场信号经过处理后传送给自动设备(2)，自动设备(2)的控制系统根据自动设备(2)位于第一闭环的内侧还是外侧来驱动自动设备(2)相对于电缆(1)进行移动。
6.根据权利要求5所述的一种用于控制自动设备的工作区域界定和引导的方法，其特征在于：信号接收系统(3)将检测到的多个闭环获得的磁场信号经过处理后传送给自动设备(2)，自动设备(2)的控制系统驱动自动设备(2)在多个子工作区域间移动。
7.根据权利要求1所述的一种用于控制自动设备的工作区域界定和引导的方法，其特征在于：自动设备(2)为一种自动移动的机器。
8.根据权利要求1所述的一种用于控制自动设备的工作区域界定和引导的方法，其特征在于：自动设备(2)为一种自动割草装置。
9.一种自动设备工作区域界定和引导系统，包括至少一个安装在自动设备(2)上的信号发生系统(8)和至少一个信号接收系统(3)，自动设备(2)包括驱动装置(10)；信号发生系统(8)随自动设备(2)移动，产生磁场信号并通过空气传播；信号接收系统(3)连接有至少一根电缆，信号接收系统(3)检测由信号发生系统(8)在移动或静止的过程中产生并通过空气传播的磁场信号；信号接收系统(3)将检测到的磁场信号通过无线通讯模块(13)以无线方式传输给自动设备(2)，其特征在于：信号发生系统(8)安装在自动设备(2)上，在特定时间内产生至少一个静止或者交变的磁场，由信号接收系统(3)来检测通过空气传播的磁场信号，信号接收系统(3)包括至少一个信号检测单元(11)、信号处理单元(12)和无线通讯模块(13)，信号检测单元(11)与电缆(1)相连，并与电缆(1)构成第一闭环，信号发生系统(8)产生的是一定频率的交变磁场，信号检测单元(11)过滤掉干扰成分，检测一定频率的交变磁场。
10.根据权利要求9所述的一种自动设备工作区域界定和引导系统，其特征在于：信号接收系统(3)与第二电缆(5)和第三电缆(6)相连，信号接收系统(3)分别与第二电缆(5)、第三电缆(6)构成第二闭环和第三闭环，第一闭环、第二闭环和第三闭环将工作区域(21)划分成多个子工作区域。
11.根据权利要求9所述的一种自动设备工作区域界定和引导系统，其特征在于：自动设备(2)包括轮子(7)和驱动装置(10)，以及带有无线通讯功能的控制单元(9)。
12.根据权利要求11所述的一种自动设备工作区域界定和引导系统，其特征在于：自动设备(2)为一种自动移动的机器。
13.根据权利要求11所述的一种自动设备工作区域界定和引导系统，其特征在于：自动设备(2)为一种自动割草机器，自动割草机器包括割草刀片。
14.根据权利要求11所述的一种自动设备工作区域界定和引导系统，其特征在于：自动设备(2)为一种表面清洁机器。
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