CN101828464A - 一种平行运动的智能割草机器人及平行运动的控制方法 - Google Patents

一种平行运动的智能割草机器人及平行运动的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平行运动的智能割草机器人及平行运动的控制方法，平行运动的智能割草机器人包括主控模块以及连接在主控模块上的割草机构、行走机构，还包括信息采集机构，所述信息采集机构包括采集机器人方向信息的方向采集模块及采集机器人边界信息的边界信号采集模块，所述主控模块以方向信息、边界信息为反馈控制行走机构动作实现机器人的直线运动及平移运动。本发明可以稳定割草机器人运动方向，控制机器人直线运动；实现割草机器人按平行往复方式运动的自主割草，提高割草机器人割草效率。

Description

一种平行运动的智能割草机器人及平行运动的控制方法
技术领域
本发明涉及自动化的智能机器领域，尤其是一种用于家庭、公共绿地等场合进行草坪修剪的智能割草机器人。
背景技术
随着经济的发展，城市建设步伐逐渐加快，城市绿化程度的提高最为明显。草坪具有吸尘、降噪、保湿、保持水土等众多优点，是城市绿化必不可少组成部分，但草坪的日常维护及保养工作较为繁重，特别是草坪的修剪，该种工作劳动密集度高，又具有重复性，劳动强度大；割草机采用内燃式发动机，带来了噪音污染和空气污染。
随着信息技术、机械电子技术的发展，机器人已逐渐走入人们的日常生活，如家用的吸尘机器人就是典型例子。技术人员也将此项技术应用到草坪修剪设备上，开发出了自动化的割草机器人，在一定程度上提高了割草效率，降低劳动强度，节省了大量劳动资源。但由于该项技术在割草机上的应用尚未到达成熟阶段，诸多技术上的难题一直困扰着本领域的研发人员。割草机器人自主运动控制的难点是运动路径控制，其运动路径一般根据现场草坪的规格及形状而定，通常可采用的有螺旋形运动路径控制、轮廓跟踪形运动路径控制、无规则的随机路径控制以及平行往复式运动路径控制，平行往复式运动路径控制是其中最为理想的机器人高效运动控制方式。如图1所示为理想的平行往复式运动路径，割草机器人沿多条平行的直线往复运动割草；但是，目前实际应用中，由于控制割草机器人运动直线间的方向一致性效果不佳，只能达到如图2所示“Z”字型的运动效果，运动直线间不能平行，不能达到平行路径控制的要求。
发明内容
本发明所要解决的问题就是提供一种平行运动的智能割草机器人及平行运动的控制方法，可以实现割草机器人按平行往复方式运动的自主割草，提高割草机器人的割草效率。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种平行运动的智能割草机器人，包括主控模块以及连接在主控模块上的割草机构、行走机构，其特征在于：还包括信息采集机构，所述信息采集机构包括采集机器人方向信息的方向采集模块及采集机器人边界信息的边界信号采集模块，所述主控模块以方向信息、边界信息为反馈控制行走机构动作实现机器人的直线运动及平移运动。
进一步的，所述行走机构包括行走电机组合及行走电机驱动模块，所述主控模块通过行走电机驱动模块控制行走电机组合的运动状态实现机器人的直线运动及平移运动。
进一步的，所述行走电机组合包括左行走电机与右行走电机，所述主控模块通过行走电机驱动模块驱动左行走电机与右行走电机，使机器人的运动方向稳定在目标运动方向上；所述主控模块通过行走电机驱动模块控制左行走电机与右行走电机差速运行实现机器人的平移运动。
进一步的，所述行走电机组合包括左行走电机、右行走电机以及沿机器人平移方向运动的平移行走电机，所述主控模块通过行走电机驱动模块驱动左行走电机与右行走电机实现机器人的直线运动，所述主控模块通过行走电机驱动模块驱动平移行走电机实现机器人的平移运动。
进一步的，所述的割草机构包括割草电机及割草电机驱动模块，所述的割草电机驱动模块内设有场效应管、三极管、电阻及电容，所述割草电机驱动模块通过PWM接口连接主控模块，所述场效应管连接所述的割草电机。
进一步的，所述的方向采集模块内设有设有用于感应地磁场的磁感芯片，磁感芯片输出端连接放大电路，放大电路输出端连接转换信号用的AD芯片，AD芯片的输出端连接单片机，所述的单片机通过UART接口连接主控模块。
进一步的，所述的边界信号采集模块内设有感应边界信息的感应电路、转换信息用的信号处理电路以及处理信息用的单片机，所述信号处理电路连接单片机，所述单片机通过UART接口连接主控模块。
进一步的，所述的信息采集机构还包括用于记录行走电机组合行走时间的实时时钟模块、用于记录行走电机组合行走路程的行程采集模块以及用于感应机器人碰撞信息的碰撞开关模块；所述实时时钟模块内设有实时时钟芯片及附属外围电路，所述的实时时钟芯片通过IIC接口连接主控模块；所述行程采集模块内设有感应行走电机转数的霍尔元件，所述的霍尔元件通过计数器接口连接主控模块；所述碰撞开关模块通过碰撞开关接口连接主控模块。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种智能割草机器人平行运动的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
1)直线运动方向设定：主控模块根据方向采集模块获取的当前机器人的方向信息设定为直线运动方向；
2)平移运动方向设定：主控模块根据边界信号采集模块获取机器人的边界信息设定机器人的平移方向；
3)直线运动控制：主控模块以方向采集模块的方向信息为反馈并通过行走电机驱动模块控制行走电机组合的运动状态使机器人完成正向或反向直线运动；
4)平移运动控制：主控模块以边界信号采集模块的边界信息为反馈并通过行走电机驱动模块控制行走电机组合的运动状态完成机器人的不调头平移运动。
进一步的，机器人不调头平移的具体操作步骤为：右平移时，先控制左行走电机速度大于右行走电机速度运动一定距离，再控制右行走电机速度大于左行走电机速度运动一定距离，交替变换速度完成右平移；左平移时，控制右行走电机速度大于左行走电机速度使机器人运动一定距离，再控制左行走电机速度大于右行走电机速度运动一定距离，交替变换速度完成左平移。
本发明的有益效果：本发明在割草机器人运动时，对其周围的边界信号及方向信号进行采集、转换、处理，将获得的边界信息及方向信息反馈到行走电机驱动模块使其调整行走电机组合的运动状态，以实现平行运动控制；通过稳定割草机器人运动方向，控制机器人直线运动；机器人直线运动到达边界、到达限定的时间或限定行程后，以不调头的方式平移，然后继续与原来直线运动方向平行的方向直线运动；简言之，机器人在相邻直线间的运动分别采用前进运动和后退运动互换的运动形式，机器人本身的方向始终一致，可以较稳定地控制割草机器人运动直线间的平行，提高割草机器人割草效率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为平行往复式割草的理想路径示意图；
图2为现有机器人在平行往复式割草中的Z”字型运动路径示意图；
图3为本发明的控制系统的优选结构框图；
图4为本发明智能割草机器人不调头平行运动的路径示意图；
图5为本发明平行运动的控制方法流程图；
图6为本发明智能割草机器人的一种右平移示意图；
图7为本发明智能割草机器人的一种左平移示意图。
具体实施方式
如图3所示，本发明首先提出了一种具有平行运动控制系统的智能割草机器人，包括主控模块1以及连接在主控模块1上的割草机构4、行走机构3，还包括信息采集机构2，所述信息采集机构2包括采集机器人方向信息的方向采集模块21及采集机器人边界信息的边界信号采集模块22，所述主控模块1以方向信息、边界信息为反馈控制行走机构3动作实现机器人的直线运动及平移运动；行走机构3包括行走电机组合32及行走电机驱动模块31，主控模块1通过行走电机驱动模块31控制行走电机组合32的运动状态实现机器人的直线运动及平移运动。
机器人的第一种运动控制方案如下：所述行走电机组合32包括左行走电机与右行走电机，所述主控模块通过行走电机驱动模块31驱动左行走电机与右行走电机，使机器人的运动方向稳定在目标运动方向上；所述主控模块通过行走电机驱动模块31控制左行走电机与右行走电机差速运行实现机器人的平移运动。在行走电机驱动模块31内还设有驱动芯片，所述的驱动芯片的信号输入端通过4路PWM接口连接主控模块1，其中2路PWM接口通过驱动芯片的信号输出端连接左行走电机，另外2路PWM接口通过驱动芯片的信号输出端连接右行走电机，通过调节PWM输入的占空比实现电机正反转控制、速度调节、急停控制。
行机器人的第二种运动控制方案如下：行走电机组合32除了左行走电机、右行走电机外还有沿机器人平移方向运动的平移行走电机，所述主控模块1通过行走电机驱动模块31驱动左行走电机与右行走电机实现机器人的直线运动，所述主控模块1通过行走电机驱动模块31驱动平移行走电机实现机器人的平移运动，机器人的直线运动与平移运动由不同的行走电机分开实现。
割草机构4包括割草电机42及割草电机驱动模块41，割草电机驱动模块41内设有场效应管、三极管、电阻及电容，所述割草电机驱动模块41通过PWM接口连接主控模块1，所述场效应管连接所述的割草电机42，通过调节PWM输入的占空比改变场效应管的状态以控制输出端的电压差，实现割草电机42正转、停止控制；在平移过程中，边界信号采集模块22感应机器人左机身与后机身或者右机身与后机身是否同时出边界，若出边界则发送边界信息给主控模块1，结束平移割草，若不出界则继续新的直线运动。
所述的方向采集模块21内设有设有用于感应地磁场的磁感芯片，磁感芯片输出端连接放大电路，放大电路输出端连接转换信号用的AD芯片，AD芯片的输出端连接单片机，所述的单片机通过UART接口连接主控模块1。获取方向信息的过程为：磁感芯片感应地磁场强度，并通过放大电路放大，再通过AD芯片转换成数字信号，然后通过单片机对数据进行运算，根据感应到的地磁场强度与磁感芯片方向存在对应的关系获得方向信息，最后通过UART接口与主控电路相连传递采集到的方向信息。
边界信号采集模块22设有3个，分别采集机器人的左、右、后3路边界信息，每个边界信号采集模块22内设有感应边界信息的感应电路、转换信息用的信号处理电路及处理信息用的单片机，所述信号处理电路分别连接在单片机的AD接口及PIO接口上，所述单片机通过UART接口连接主控模块1。边界信号的获取过程：首先通过感应电路感应边界信号，再通过信号处理电路将信号放大并转换成表示离边界距离的模拟信号以及表示边界内外的数字信号，然后分别与单片机的AD接口及PIO口连接，单片机对数据进行运算，并通过UART接口与主控电路连接传递采集到的边界信息。
如图4、图5所示，本发明还提供了一种智能割草机器人平行运动的控制方法，包括如下步骤：
1)直线运动方向设定：主控模块根据方向采集模块获取的当前机器人的方向信息设定为直线运动方向；
2)平移运动方向设定：主控模块根据边界信号采集模块获取机器人的边界信息设定机器人的平移方向；利用边界信号采集模块3感应机器人左机身或右机身是否出边界，机器人左机身出边界则平移方向为向右，若机器人右机身出边界则平移方向为向左，若整个机身出边界则结束运动；
3)直线运动控制：主控模块以方向采集模块的方向信息为反馈并通过行走电机驱动模块控制行走电机组合的运动状态使机器人完成正向或反向直线运动；主控模块根据方向采集模块获取的机器人实际运动方向信息为反馈，通过行走电机驱动模块调整左、右行走电机的运行速度控制机器人正向直线运动；以图4为例，设定机器人向上运动为正向运动，向下运动为反向运动；在正向运动方向出现右偏时适当加快右行走电机速度并减小左行走电机速度，在正向运动方向出现左偏时适当加快左行走电机速度并减小右行走电机速度，以此稳定割草机器人运动方向，控制机器人正向直线运动；而反向运动方向出现右偏时加快左行走电机速度并减小右行走电机速度，反向运动方向出现左偏时加快右行走电机速度并减小左行走电机速度，以稳定割草机器人运动方向，控制机器人反向直线运动；
4)平移运动控制：主控模块以边界信号采集模块的边界信息为反馈并通过行走电机驱动模块控制行走电机组合的运动状态完成机器人的不调头平移运动；当机器人满足平移条件时，停止当前的直线运动，主控模块通过行走电机驱动模块控制左、右行走电机运动使机器人以不调头平移的方式移动至设定的距离。满足平移的条件为：机器人运动正向直线运动前机身出边界或是反向直线运动后机身出边界。
不调头平移的具体操作方法为：参照图6，右平移时，先控制左行走电机速度大于右行走电机速度运动一定距离，再控制右行走电机速度大于左行走电机速度运动一定距离，交替变换速度完成右平移；参照图7，左平移时，控制右行走电机速度大于左行走电机速度使机器人运动一定距离，再控制左行走电机速度大于右行走电机速度运动一定距离，交替变换速度完成左平移。上述过程也可以理解为：机器人左平移过程中，行走电机驱动模块控制左行走电机与右行走电机的运行状态使机器人先向左转过一定角度并运动一小段距离，然后向右转过相同的角度，使其运动方向与原来的方向平行，左行走电机与右行走电机运动速度的交替变换实现机器人的不调头平移运动；右平移的原理与左平移相同，不再详述。上述运动过程中，机器人直线运动的目标方向始终是一致，即平移前为正向运动，则平移及平移后的直线运动为反向运动；反之，平移及平移后的直线运动为正向运动。这样就可以较稳定地控制割草机器人运动直线间的平行，提高割草机器人割草效率。
在平移过程中，边界信号采集模块还可以感应机器人左机身与后机身或者右机身与后机身是否同时出边界，若出边界则发送边界信息给主控模块1，结束平移割草，若不出界则继续新的直线运动。
机器人实际工作的草坪规格及形状不可能是统一不变的，草坪及其周围的环境复杂多变。为此，本发明在信息采集机构中还增加了实时时钟模块23、行程采集模块24以及碰撞开关模块25：
实时时钟模块23内设有实时时钟芯片及附属外围电路，所述的实时时钟芯片通过IIC接口连接主控模块1，实时时钟模块23用于记录行走电机组合32的行走时间。
行程采集模块24设有2个，2个行程采集模块24分别记录左行走电机与右行走电机的行走路程，每个行程采集模块24内设有感应行走电机转数的霍尔元件。霍尔元件将电机转数转化为脉冲信号输出，脉冲信号连接主控模块1的计数器接口进行转数计数，实现行程采集。
碰撞开关模块25设有5个，每个碰撞开关模块25通过碰撞开关接口连接主控模块1，每个碰撞开关模块25的输入信号通过上拉电阻接电源，正常输入为高电平，碰撞开关有效时，输入接口通过下拉电阻接地，输入为低电平；所述的5个碰撞开关模块25采集机器人前左、前右、前中、后左及后右5个方向上的碰撞信息。
通过上述改进，机器人在割草过程中，可以通过主控模块设定该机器人的直线运动行程及直线运动时间，机器人可以适应不同规格尺寸草坪的修剪工作。通过碰撞开关模块的设置，机器人在直线运动途中受到外界物体阻挡、碰撞，便会停止当前的直线运动，转为平移运动。
增设实时时钟模块、行程采集模块以及碰撞开关模块后，机器人满足平移的条件增加到了四个，除机器人运动正向直线运动前机身出边界或是反向直线运动后机身出边界之外，还有机器人正向直线运动前机身碰撞或是反向直线运动后机身碰撞、单直线运动达到最大限定行程、单直线运动达到最大限定时间。满足条件越多，相应的机器人智能化程度也就越高，从而能更好的代替操作人员完成割草工作。
上述实施例只为本发明的优选实施方案，本发明所提供的控制系统及控制方法并不只限定在割草机器人上使用，也同样适用于有类似应用需求的其它机器人的平行运动控制，如智能吸尘机器人、游泳池清理机器人等，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，但只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (10)

1.一种平行运动的智能割草机器人，包括主控模块(1)以及连接在主控模块(1)上的割草机构(4)、行走机构(3)，其特征在于：还包括信息采集机构(2)，所述信息采集机构(2)包括采集机器人方向信息的方向采集模块(21)及采集机器人边界信息的边界信号采集模块(22)，所述主控模块(1)以方向信息、边界信息为反馈控制行走机构(3)动作实现机器人的直线运动及平移运动。
2.根据权利要求1所述的一种平行运动的智能割草机器人，其特征在于：所述行走机构(3)包括行走电机组合(32)及行走电机驱动模块(31)，所述主控模块(1)通过行走电机驱动模块(31)控制行走电机组合(32)的运动状态实现机器人的直线运动及平移运动。
3.根据权利要求2所述的一种平行运动的智能割草机器人，其特征在于：所述行走电机组合(32)包括左行走电机与右行走电机，所述主控模块(1)通过行走电机驱动模块(31)驱动左行走电机与右行走电机，使机器人的运动方向稳定在目标运动方向上；所述主控模块(1)通过行走电机驱动模块(31)控制左行走电机与右行走电机差速运行实现机器人的平移运动。
4.根据权利要求2所述的一种平行运动的智能割草机器人，其特征在于：所述行走电机组合(32)包括左行走电机、右行走电机以及沿机器人平移方向运动的平移行走电机，所述主控模块(1)通过行走电机驱动模块(31)驱动左行走电机与右行走电机实现机器人的直线运动，所述主控模块(1)通过行走电机驱动模块(31)驱动平移行走电机实现机器人的平移运动。
5.根据权利要求2或3或4所述的一种平行运动的智能割草机器人，其特征在于：所述的割草机构(4)包括割草电机(42)及割草电机驱动模块(41)，所述的割草电机驱动模块(41)内设有场效应管、三极管、电阻及电容，所述割草电机驱动模块(41)通过PWM接口连接主控模块(1)，所述场效应管连接所述的割草电机(42)。
6.根据权利要求2或3或4所述的一种平行运动的智能割草机器人，其特征在于：所述的方向采集模块(21)内设有设有用于感应地磁场的磁感芯片，磁感芯片输出端连接放大电路，放大电路输出端连接转换信号用的AD芯片，AD芯片的输出端连接单片机，所述的单片机通过UART接口连接主控模块(1)。
7.根据权利要求2或3或4所述的一种平行运动的智能割草机器人，其特征在于：所述的边界信号采集模块(22)内设有感应边界信息的感应电路、转换信息用的信号处理电路以及处理信息用的单片机，所述信号处理电路连接单片机，所述单片机通过UART接口连接主控模块(1)。
8.根据权利要求2或3或4所述的一种平行运动的智能割草机器人，其特征在于：所述的信息采集机构(2)还包括用于记录行走电机组合(32)行走时间的实时时钟模块(23)、用于记录行走电机组合(32)行走路程的行程采集模块(24)以及用于感应机器人碰撞信息的碰撞开关模块(25)；所述实时时钟模块(23)内设有实时时钟芯片及附属外围电路，所述的实时时钟芯片通过IIC接口连接主控模块(1)；所述行程采集模块(24)内设有感应行走电机转数的霍尔元件，所述的霍尔元件通过计数器接口连接主控模块(1)；所述碰撞开关模块(25)通过碰撞开关接口连接主控模块(1)。
9.一种智能割草机器人平行运动的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
1)直线运动方向设定：主控模块(1)根据方向采集模块(21)获取的当前机器人的方向信息设定为直线运动方向；
2)平移运动方向设定：主控模块(1)根据边界信号采集模块(22)获取机器人的边界信息设定机器人的平移方向；
3)直线运动控制：主控模块(1)以方向采集模块(21)的方向信息为反馈并通过行走电机驱动模块(31)控制行走电机组合(32)的运动状态使机器人完成正向或反向直线运动；
4)平移运动控制：主控模块(1)以边界信号采集模块(22)的边界信息为反馈并通过行走电机驱动模块(31)控制行走电机组合(32)的运动状态完成机器人的不调头平移运动。
10.根据权利要求9所述的一种智能割草机器人平行运动的控制方法，其特征在于：所述的步骤4中机器人不调头平移的具体操作步骤为：右平移时，先控制左行走电机速度大于右行走电机速度运动一定距离，再控制右行走电机速度大于左行走电机速度运动一定距离，交替变换速度完成右平移；左平移时，控制右行走电机速度大于左行走电机速度使机器人运动一定距离，再控制左行走电机速度大于右行走电机速度运动一定距离，交替变换速度完成左平移。
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