CN106708060A - 一种无外部导航信息的割草机自主有序割草方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种无外部导航信息的割草机自主有序割草方法。鉴于目前的自动割草机主要依赖外部环境提供的导航信息(如在草坪边界处圈埋电线)技术，尚不能有效实现自主有序割草，尤其遇到障碍物或电磁干扰，会出现路径错乱。本发明提供的无需外部导航信息的自主有序割草方法，包括矩形和多边形边界的草坪自主有序割草方法、曲线边界的草坪自主有序割草方法和避障重新规划路径自主有序割草方法。本发明特点：无需额外增加外部导航信息装置，不受外部电磁干扰，适于不同边界形状草坪的有序规划割草作业，非接触传感避障技术和制造成本低。
Description
技术领域：
本发明涉及一种智能割草机系统，尤其是指一种无外部导航信息的割草机自主有序割草方法。
背景技术：
随着改进人们生活环境、增加城市绿化面积的需求，国内外各种单位、家庭的草坪迅速发展，为减轻繁重的人工割草劳动力和减少常规人操作油动割草机的噪声，近些年无人自动割草机应运而生。但是目前国内外生产的自动割草机尚不能有效实现自主有序割草技术，主要原因是自动割草机的行驶依赖在草坪边界圈埋电线围栏的外部无线电信号来导航。一旦自动割草机受到其他电磁干扰或遇到障碍物，自动割草机就出现杂乱行驶，不能有效完成整个草坪的割草任务，未割草坪区域和重复局限在部分区域内割草问题难以克服。圈埋的围栏电线还容易受到损坏。
因为普通卫星导航系统(如GPS或北斗)对地面定位误差很大，实际定位误差大于十几米，无法用来准确导航自动割草机。国外出现少数用差分GPS来定位自动割草机，但是由于产品价格相对昂贵(相当于普通自动割草机价格的三倍)，因此，很难被用于家庭草坪割草所采纳。即使用差分GPS来定位的自动割草机，也存在对于不同的草坪形状(包括有障碍物)如何实现有效的“有序”割草问题。
本发明就是要设计一套不依赖外部信息割草机自主有序割草方法和成本价格低的智能割草机。
发明内容：
本发明提供一种无需外部导航信息的割草机自主有序割草方法，无需在草坪边界圈埋电线围栏的外部信息，也不需用差分GPS导航，本发明利用自动割草机本身的装置和计算机软件系统，就可对不同形状的草坪实现自主规划路径有序行驶割草，并具有避障重规划自主有序割草功能。
本发明采用如下技术方案：一种无外部导航信息的割草机自主有序割草方法，包括多边形边界的草坪自主有序割草方法、曲线边界的草坪自主有序割草方法和避障重新规划路径自主有序割草方法。
多边形边界的草坪自主有序割草方法包括多边形边界草坪的分区方法和多边形边界草坪的自主有序割草方法，多边形边界草坪的分区方法包括：多边形边界草坪根据拓扑形状自动分成若干个矩形、三角形和梯形；多边形边界草坪的自主有序割草方法包括：矩形区自动规划正反向平行“U”形组成的割草行驶路径，三角形区和梯形区自动规划正反向平行“U”形长度等差递减的割草行驶路径。
曲线边界的草坪自主有序割草方法包括曲线边界的草坪总体行驶地图规划方法和曲线边界的草坪有序行驶自主导航方法；曲线边界的草坪总体行驶地图规划方法包括：根据草坪边界曲线形状，首先确定草坪“形心”，再以形心为中心，生成相对于边界曲线的内部序列曲线地图，边界内的曲线与边界曲线具有几何相似性并以极坐标三次样条曲线表示，边界内的序列曲线的径向半径尺寸大小是依每减小一个割草宽度递减，所有上述序列曲线生成后形成地图曲线集存储在计算控制系统中；所述的曲线边界的草坪有序行驶自主导航方法包括：割草机在上述规划的地图曲线上行驶时，对于极坐标样条曲线表达的规划路径所在位置作下一点θj+1的三次样条插值，得到曲线上型值点sj(ρj,θj)及该点的一阶导数s'j(ρj,θj)，由该点一阶导数值得到该点切线，也就是割草机前进的方向，而与下一点两切线的夹角，就是割草机将要转动的角度Δθ，割草机每小段前进距离由计算该段曲线的“弧长”给定，前进的方向就是曲线该点转角Δθ，其前进距离和转角的控制由计算控制系统操控割草机行驶，转角的控制由计算控制系统中的陀螺角速率对时间段Δt积分测控割草机角度反馈而实现(图3)。
避障重新规划路径自主有序割草方法通过两个红外测距仪机和避障重新规划路径自主有序行驶的软件程序实现，两个红外测距仪安装在割草机的前部，并通过数据线与计算控制系统连接,以分别传递所测试到的障碍物与割草机上两个红外测距仪的距离：左侧距离L1，右侧距离L2；采用为非接触传感避障技术，根据左侧距离L1、右侧距离L2的大小判断割草机左转或右转，通过两个红外测距仪的继续检测绕过障碍物，向预规划的地图行驶曲线上相近的一个点行驶(图5)。
本发明具有如下有益效果：
(1)全自主规划路径和导航的智能割草技术；
(2)无需额外在草坪边界圈埋电线围栏；
(3)无需差分GPS导航割草机；
(4)不受外部无线电信号的电磁干扰；
(5)适于不同边界形状草坪的有序规划割草作业；
(6)非接触传感避障技术；
(7)成本低。
附图说明：
图1为本发明的矩形边界草坪的自主有序割草路径规划示意图。
图2为本发明的多边形、曲线边界草坪的自主有序割草路径规划示意图，
2(a)多边形边界草坪的自主有序割草路径规划
2(b)曲线边界草坪的自主有序割草路径规划。
图3为本发明的曲线边界草坪的自主导航行驶方法原理图。
图4为本发明的割草机自动检测障碍物位置方法的示意图。
图5为本发明的割草机自动检测、回避障碍物和重新规划路径方法的示意图。
其中：
1-红外测距仪；2-自动割草机；3-计算控制系统。
具体技术方案：
1.对于矩形边界草坪，割草机的基本行驶路径是“直线”，直线+到边转弯弧形一个来回路径就是“U”形。“U”形的宽度应等于(或略小于)割草机的割草宽度(图1)。
2.对于多边形边界草坪，首先割草机的计算控制系统要根据边界点的情况做简要的拓扑分析：哪些是具有直角的相邻边？哪些是具有钝角的相邻边？哪些是具有锐角的相邻边？是否是全凸形？是否具有凹形？其次，需找出具有凹直角邻边(如没有凹边，就找出凹直角邻边)，将多边形按最少个数划分出若干个矩形。再次，将多边形已划矩形后余下部分，根据具有非直角相邻边，按最小个数划分为若干个梯形或三角形。
由于矩形是最方便规划导航路径割草的形状，所以尽可能将多边形大部分区域划分为矩形，以减少梯形和三角形数量。
对于梯形和三角形区域，不能按等长度“U”形依次规划路径，对于梯形和三角形区的斜边，按等差梯度逐次改变“U”形长度规划割草路径(图2a)。
3.各矩形区、梯形区、三角区的割草行径的起始点和终结点规划，应设计前一割草区终结点与下一割草区起始点相接，以避免或减少重复路径。
4.对于曲线边界的草坪，首先对曲线边界曲线上型值点sj(ρj,θj)，用极坐标样条曲线拟合(图3)表示：
其中：
hj+1＝θj+1-θj
t＝(θ-θj)/hj+1
其次，按面积静矩方法求出曲线边界内的面积“形心”O点。再以形心为中心，生成相对于边界曲线的内部序列曲线地图，边界内的曲线与边界曲线具有几何相似性并仍以极坐标三次样条曲线表示，边界内的序列曲线的径向半径尺寸大小是依每减小一个割草宽度递减，所有上述序列曲线(图2b)生成后形成地图曲线集存储在计算控制系统中。
5.上述预计路径曲线的割草机行驶导航方法：对于预计的路径曲线做三次极坐标三次样条曲线插值来确定割草机每一步的行径。具体方法是对割草机所在位置作下一点的三次样条插值，得到曲线上型值点sj(ρj,θj)及该点的一阶导数s'j(ρj,θj)。由该点一阶导数值得到该点切线，也就是割草机前进的方向，而与下一点两切线的夹角，就是割草机将要转动的角度Δθ。割草机每小段前进的距离由计算该段曲线的“弧长”给定，前进的方向就是曲线该点转角Δθ，其前进距离和转角的控制由计算控制系统操控割草机行驶，转角的控制由计算控制系统中的陀螺角速率对时间段Δt积分测控割草机角度反馈而实现。一圈封闭曲线规划路径，依次求得每小段前进的“弧长”和前进的转角Δθ，完成全程环形路径的行驶作业，并记录行驶过程的各段“弧长”和前进转角Δθ的数据数组(图3)。
由于逐圈向内的规划曲线具有几何相似性，只要计算最外圈的各段“弧长”和前进转角Δθ的数据，内圈曲线的前进转角Δθ数组不变，仅仅各段“弧长”按极坐标径长ρi对相应的边界的极坐标径长ρ1之比例而减小。
6.本发明为非接触传感避障技术，所述的避障传感器为安装在割草机前部左右两个红外测距仪1，两个红外测距仪通过数据线与计算控制系统3连接,以分别传递所测试到的障碍物与割草机上两个红外测距仪的距离：L1(左侧距离)，L2(右侧距离)。
当割草机前方(2米距离之内)遇到障碍物(图4)，红外测距仪会自动感应障碍物并测出与障碍物之间的距离。如果L1＝L2，割草机默认朝右转；如果L1>L2(或左侧红外测距仪感应障碍物)，割草机默认朝左转，如果L1<L2(或右侧红外测距仪感应障碍物)，割草机默认朝右转。根据预设计的地图路径线上离当前割草机前方最近的点，作为重新规划行径的目标点，控制割草机向目标点转动和前进，同时两个红外测距仪的继续检测,绕过障碍物,直到达到该目标点，然后按预设计的地图路径行驶作业(图5)。
此项非接触传感避障技术，可避免割草机与障碍物碰撞，可重新自动寻找预计路线上的点，按规划行驶，可以避免行径错乱的情况发生。
7.本方法记录正确导航的全部数据和规划路线数据，因此对于特点的草坪，可以按预设路线地图行驶，不必重复计算。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种无外部导航信息的割草机自主有序割草方法，其特征在于：包括多边形边界的草坪自主有序割草方法、曲线边界的草坪自主有序割草方法和避障重新规划路径自主有序割草方法。
2.根据权利要求1所述的无外部导航信息的割草机自主有序割草方法，其特征在于：多边形边界的草坪自主有序割草方法包括多边形边界草坪的分区方法和多边形边界草坪的自主有序割草方法，多边形边界草坪的分区方法包括：多边形边界草坪根据拓扑形状自动分成若干个矩形、三角形和梯形；多边形边界草坪的自主有序割草方法包括：矩形区自动规划正反向平行“U”形组成的割草行驶路径，三角形区和梯形区自动规划正反向平行“U”形长度等差递减的割草行驶路径。
3.根据权利要求1所述的无外部导航信息的割草机自主有序割草方法，其特征在于：曲线边界的草坪自主有序割草方法包括曲线边界的草坪总体行驶地图规划方法和曲线边界的草坪有序行驶自主导航方法；曲线边界的草坪总体行驶地图规划方法包括：根据草坪边界曲线形状，首先确定草坪“形心”，再以形心为中心，生成相对于边界曲线的内部序列曲线地图，边界内的曲线与边界曲线具有几何相似性并以极坐标三次样条曲线表示，边界内的序列曲线的径向半径尺寸大小是依每减小一个割草宽度递减，所有上述序列曲线生成后形成地图曲线集存储在计算控制系统中；所述的曲线边界的草坪有序行驶自主导航方法包括：割草机在上述规划的地图曲线上行驶时，对于极坐标样条曲线表达的规划路径所在位置作下一点θj+1的三次样条插值，得到曲线上型值点sj(ρj,θj)及该点的一阶导数s'j(ρj,θj)，由该点一阶导数值得到该点切线，也就是割草机前进的方向，而与下一点两切线的夹角，就是割草机将要转动的角度Δθ，割草机每小段前进距离由计算该段曲线的“弧长”给定，前进的方向就是曲线该点转角Δθ，其前进距离和转角的控制由计算控制系统操控割草机行驶，转角的控制由计算控制系统中的陀螺角速率对时间段Δt积分测控割草机角度反馈而实现。
4.根据权利要求1所述的无外部导航信息的割草机自主有序割草方法，其特征在于：避障重新规划路径自主有序割草方法通过两个红外测距仪机(1)和避障重新规划路径自主有序行驶的软件程序实现，两个红外测距仪(1)安装在割草机(2)的前部，并通过数据线与计算控制系统(3)连接,以分别传递所测试到的障碍物与割草机上两个红外测距仪(1)的距离：左侧距离L1，右侧距离L2；采用为非接触传感避障技术，根据左侧距离L1、右侧距离L2的大小判断割草机左转或右转，通过两个红外测距仪(1)的继续检测绕过障碍物，向预规划的地图行驶曲线上相近的一个点行驶。
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