CN106888691A - 一种智能割草机回位方法及回位装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能割草机回位方法及回位装置，包括定位模块、姿态角检测模块、控制器以及电机驱动模块；通过定位模块得到割草机当前的停止位置，并将其发给控制器；通过姿态角检测模块检测割草机当前的姿态角并将其发给控制器；控制器通过得到的定位模块以及姿态角检测模块发来的信息计算出割草机返回基站所需调整的姿态并电机驱动模块发送指令调整割草机姿态使其返回基站，本发明大幅减少了返回基站时的路程，节省了能源，减少了对环境的污染，同时也提高了作业效率。

Description

一种智能割草机回位方法及回位装置

技术领域

本发明属于智能割草机的控制领域，尤其涉及一种智能割草机回位方法及回位装置。

背景技术

近些年来，随着城市绿化面积和家庭庭院草地的大幅度增加，割草机的市场正逐渐变大。目前市场上割草机种类很多，按其操作方式可以分为智能式割草机和非智能式割草机。智能割草机是将机器人技术应用到割草机领域的一种产品。该割草机能够自主工作，自主充电等功能。为了防止割草机逃离割草区域，市场大部分的智能割草机在使用之前需要将电缆把需要割草的区域围起来，再将电缆的两端接入基站上，当基站通电时，电缆上会产生电磁信号。这样割草机就能通过识别该信号来识别边界线，以至于不会跑出边界线。当智能割草机碰到边界线时，会以特定的角度转弯去其他地方作业。同时，当割草机需要返回基站会沿着边界线发出的信号寻找基站。但是市场大部分智能割草机需要返回基站在寻找边界线的时候，以任意角度方向直线向前寻找，直到割草机碰到边界，再沿着边界线回基站。这将大大增加了智能割草机的路程，不仅不节能环保，还大大降低了其作业效率。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题，提供一种使得智能割草机可以定向返回基站的方法和装置，大大减少返回基站的路程，节能环保，同时也提高了作业效率。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种智能割草机回位方法，S10检测割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角；

S20检测割草机当前的姿态角；

S30根据步骤S10检测的夹角以及步骤S20检测的姿态角，调整割草机姿态，并向割草机发送行进指令，使得割草机行驶到基站位置。

进一步的，所述步骤S10检测割草机当前停止位置和基站位置之间的连

线与正北方向的夹角包括：

获取基站的坐标位置；

获取割草机当前停止位置坐标；

测算割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角。

进一步的，通过式(1)和式(2)获取基站的坐标位置：

其中，lng_average₁表示基站的经度均值，lng_1-1表示基站的第一个经度值，lng_1-2表示基站的第二个经度值，lng_1-3表示基站的第三个经度值，lng_1-100表示基站的第一百个经度值，lat_average₁表示基站的纬度均值，lat_1-1表示基站的第一个纬度值，lat_1-2表示基站的第二个纬度值，lat_1-3表示基站的第三个纬度值，lat_1-100表示基站的第一百个纬度值。

进一步的，所述获取割草机当前停止位置坐标具体包括：

通过式(3)和式(4)获取割草机当前停止位置坐标：

其中，lng_average₂表示割草机当前停止位置的经度均值，lng_2-1表示割草机当前停止位置的第一个经度值，lng_2-2表示割草机当前停止位置的第二个经度值，lng_2-3表示割草机当前停止位置的第三个经度值，lng_2-100表示割草机当前停止位置的第一百个经度值，lat_average₂表示割草机当前停止位置的纬度均值，lat_2-1表示割草机当前停止位置的第一个纬度值，lat_2-2表示割草机当前停止位置的第二个纬度值，lat_2-3表示割草机当前停止位置的第三个纬度值，lat_2-100表示割草机当前停止位置的第一百个纬度值。

进一步的，所述的测算割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角，具体包括：

通过式(5)至式(7)，测算割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角θ：

a＝lat_average₂-lat_average₁ (5)

b＝lng_average₂-lng_average₁ (6)

η＝a tan2(a,b)*180°/π-90° (7)

其中，η∈[-270°,90°]，当η≥-180°时，θ＝η；当η<-180°时，θ＝η+360°；η、a、b均为中间变量。

进一步的，所述步骤S30中，调整割草机姿态具体包括：检测割草机相对于基站的方向，如果在基站的西边，则依据式(8)和式(9)计算调整割草机车身的角度；如果在基站的东边，则依据式(10)和式(11)计算调整割草机车身的角度；

β＝θ-180° (8)

φ＝β-α (9)

β＝θ+180° (10)

φ＝β-α (11)

其中，α表示智能割草机启动时车头相对于正北的夹角，φ表示割草机回基站调整车身的角度。

一种智能割草机回位装置，包括：

定位模块：用于检测割草机当前停止位置，并将该信息传送给控制器；

姿态角检测模块：用于检测割草机当前的姿态角，并将该信息传送给控制器；

控制器：用于检测割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角；还用于计算割草机的调整姿态，并向割草机发送指令；

电机驱动模块：用于接收控制器发送的指令，调整割草机姿态，使得割草机行驶到基站位置。

进一步的，所述的定位模块采用型号为ATK-NEO-6M的GPS模块，姿态角检测模块采用型号为MPU9250的九轴传感器，控制器采用型号为STM32F407的单片机；单片机与九轴传感器采用IIC或者SPI的通讯方式，单片机与GPS模快采用UART串口通讯。

进一步的，所述控制器还用于获取基站的坐标位置，坐标位置的获取包括：

通过式(1)和式(2)获取基站的坐标位置：

进一步的，所述控制器计算割草机的调整姿态具体包括：

检测割草机相对于基站的方向，如果在基站的西边，则依据式(8)和式(9)计算调整割草机车身的角度；如果在基站的东边，则依据式(10)和式(11)计算调整割草机车身的角度；

β＝θ-180° (8)

φ＝β-α (9)

β＝θ+180° (10)

φ＝β-α (11)

其中，α表示智能割草机启动时车头相对于正北的夹角，φ表示割草机回基站调整车身的角度，β作为中间变量。

本发明的有益效果是：通过检测割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角以及割草机当前的姿态角来确定割草机的返回基站的方向，大幅减少了返回基站时的路程，节省了能源，减少了对环境的污染，同时也提高了作业效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中智能割草机停止位置相对于基站西边时的坐标示意图；

图2为本发明中智能割草机停止位置相对于基站东边时的坐标示意图；

图3为本发明中智能割草机回位装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

由于智能割草机的适用范围不是很大，可使用经度和纬度作为平面坐标，可忽略经度和纬度本质上球面坐标带来的误差。即，采用经度作为横坐标，纬度作为纵坐标，正东为横坐标的正方向，正北为纵坐标的正方向。

本发明实施例的一种智能割草机回位方法，包括以下步骤：

S10检测割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角；

S20检测割草机当前的姿态角；

S30根据S10检测的夹角以及S20检测的姿态角，调整割草机姿态，并向割草机发送行进指令，使得割草机行驶到基站位置。

采用上述方法的智能割草机回位方法，可以准确确定割草机在作业的任意空间和时间内与基站的相对位置，然后调整割草机的姿态角，调转机头，朝着基站方向行进。该方法不需要如现有技术割草机需要触碰周围的边界线，才能回到基站中。当然上述方法也不需要在区域周边布设边界线。本实施例的方法能够快捷、准确的使割草机回位到基站中。

上述实施例中，所述的S10具体包括：

S101获取基站的坐标位置。该步骤具体包括：

利用式(1)和式(2)获取基站的坐标位置：

其中，lng_average₁表示基站的经度均值，lng_1-1表示基站的第一个经度值，lng_1-2表示基站的第二个经度值，lng_1-3表示基站的第三个经度值，lng_1-100表示基站的第一百个经度值，lat_average₁表示基站的纬度均值，lat_1-1表示基站的第一个纬度值，lat_1-2表示基站的第二个纬度值，lat_1-3表示基站的第三个纬度值，lat_1-100表示基站的第一百个纬度值。100个纬度值和100个纬度值可以通过GPS模块获取。本实施例中，100个纬度值和100个纬度值是优选个数。

S102获取割草机当前停止位置坐标。该步骤具体包括：

利用式(3)和式(4)获取割草机当前停止位置坐标：

其中，lng_average₂表示割草机当前停止位置的经度均值，lng_2-1表示割草机当前停止位置的第一个经度值，lng_2-2表示割草机当前停止位置的第二个经度值，lng_2-3表示割草机当前停止位置的第三个经度值，lng_2-100表示割草机当前停止位置的第一百个经度值，lat_average₂表示割草机当前停止位置的纬度均值，lat_2-1表示割草机当前停止位置的第一个纬度值，lat_2-2表示割草机当前停止位置的第二个纬度值，lat_2-3表示割草机当前停止位置的第三个纬度值，lat_2-100表示割草机当前停止位置的第一百个纬度值。100个纬度值和100个纬度值可以通过GPS模块获取。本实施例中，100个纬度值和100个纬度值是优选个数。

S103测算割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角。该步骤具体包括：

利用式(5)至式(7)，测算割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角θ：

a＝lat_average₂-lat_average₁ 式(5)

b＝lng_average₂-lng_average₁ 式(6)

η＝a tan2(a,b)*180°/π-90° 式(7)

其中，η∈[-270°,90°]，当η≥-180°时，θ＝η；当η<-180°时，θ＝η+360°。

上述实施例中，所述的S30中，调整割草机姿态具体包括：检测割草机相对于基站的方向，如果在基站的西边，则依据式(8)和式(9)计算调整割草机车身的角度φ；如果在基站的东边，则依据式(10)和式(11)计算调整割草机车身的角度φ；

β＝θ-180° 式(8)

φ＝β-α 式(9)

β＝θ+180° 式(10)

φ＝β-α 式(11)

其中，α表示智能割草机启动时车头相对于正北的夹角，φ表示割草机回基站调整车身的角度。

如图3所示，本发明实施例还提供一种智能割草机回位装置，该装置包括：

定位模块：用于检测割草机当前停止位置，并将该信息传送给控制器；

姿态角检测模块：用于检测割草机当前的姿态角，并将该信息传送给控制器；

控制器：用于检测割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角；还用于计算割草机的调整姿态，并向割草机发送指令；

电机驱动模块：用于接收控制器发送的指令，调整割草机姿态，使得割草机行驶到基站位置。

上述实施例中，所述的定位模块采用型号为ATK-NEO-6M的GPS模块，姿态角检测模块采用型号为MPU9250的九轴传感器，控制器采用型号为STM32F407的单片机；单片机与九轴传感器采用IIC或者SPI的通讯方式，单片机与GPS模快采用UART串口通讯。

所用的检测姿态角的模块是MPU9250九轴传感器，其传感器必须水平安装于智能割草机上，并且传感器的X轴必须指向车头的前进方向。因为传感器所测得的偏航角是X轴与正北方向的夹角。夹角正负根据右手定则，范围为[--180°，180°]。电机驱动模块采用型号L6229的模块，电机驱动模块安装在智能割草机上。

智能割草机在从基站启动前，先记录100非零数据。由于GPS模块收到的经纬度存在精度误差，将数据进行均值滤波，如式(1)和式(2)所示，从而得到基站的坐标位置。

在基站建立一个极坐标系，其中坐标轴指向正北，逆时针方向为正，其角度范围为[—180°，180°]。

当智能割草机需要返回基站时，停止前进，原地不动，通过GPS模块获取第二组100个非零数据，进行均值滤波，如式(3)和式(4)所示。

智能割草机当前停止位置位于基站西边时，如图1所示。智能割草机当前停止位置位于基站东边时，如图2所示。在图1和图2中，A点相当于基站，B点相对于割草机来说为任意停止且准备返回基站的位置，θ为AB连线相对于正北的夹角，α为智能割草机启动时车头相对于正北的夹角，由MPU9250九轴传感器在割草机启动时所记录；φ为智能割草机回基站调整车身所需要的角度。智能割草机当前停止位置位于基站西边时，则依据式(8)和式(9)计算调整割草机车身的角度；如果位于基站东边时，则依据式(10)和式(11)计算调整割草机车身的角度。

本发明实施例的基于智能割草机定向回基站的方法及装置中，控制器通过串口UART与定位模块(例如GPS模块)连接，用于接收定位模块所检测到的经纬度信息。控制器通过SPI或者IIC的通讯方式与姿态角检测模块(例如，九轴传感器)相连接，用于接收姿态角角度信息。当需要返回基站时，根据控制器接收到定位模块的经纬度信息和姿态角检测模块的姿态角进行计算，算出智能割草机相对于基站的位置角度，从而控制器发送命令给电机驱动模块，调整智能割草机机体姿态角度，使其朝向基站并向其行进。本发明装置所需模块较少，算法简易，稳定可靠，精确度高可以大大减少智能割草机返回基站的路程，提高智能割草机工作效率。

本领域技术人员应该知晓，实现上述实施例的方法或者系统，可以通过计算机程序指令来实现。该计算机程序指令装载到可编程数据处理设备上，例如计算机，从而在可编程数据处理设备上执行相应的指令，用于实现上述实施例的方法或者系统实现的功能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种智能割草机回位方法，其特征在于，包括:

S10检测割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角；

S20检测割草机当前的姿态角；

S30根据步骤S10检测的夹角以及步骤S20检测的姿态角，调整割草机姿态，并向割草机发送行进指令，使得割草机行驶到基站位置。

2.根据权利要求1所述的一种智能割草机回位方法，其特征在于，

所述步骤S10检测割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角包括：

获取基站的坐标位置；

获取割草机当前停止位置坐标；

测算割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角。

3.根据权利要求2所述的一种智能割草机回位方法，其特征在于，所述获取基站的坐标位置具体包括：

通过式(1)和式(2)获取基站的坐标位置：

$\ln g\_{\mathrm{average}}_1=\frac{{\mathrm{lng}}_{1-1}+\ln g_{1-2}+\ln g_{1-3}+...+{\mathrm{lng}}_{1-100}}{100}---\left(1\right)$

$lat\_{\mathrm{average}}_1=\frac{{\mathrm{lat}}_{1-1}+{\mathrm{lat}}_{1-2}+{\mathrm{lat}}_{1-3}+...+{\mathrm{lat}}_{1-100}}{100}---\left(2\right)$

其中，ln g_average₁表示基站的经度均值，ln g_1-1表示基站的第一个经度值，ln g_1-2表示基站的第二个经度值，ln g_1-3表示基站的第三个经度值，ln g_1-100表示基站的第一百个经度值，lat_average₁表示基站的纬度均值，lat_1-1表示基站的第一个纬度值，lat_1-2表示基站的第二个纬度值，lat_1-3表示基站的第三个纬度值，lat_1-100表示基站的第一百个纬度值。

4.根据权利要求1所述的一种智能割草机回位方法，其特征在于，所述获取割草机当前停止位置坐标具体包括：

通过式(3)和式(4)获取割草机当前停止位置坐标：

$\ln g\_{\mathrm{average}}_2=\frac{{\mathrm{lng}}_{2-1}+\ln g_{2-2}+\ln g_{2-3}+...+{\mathrm{lng}}_{2-100}}{100}---\left(3\right)$

$lat\_{\mathrm{average}}_2=\frac{{\mathrm{lat}}_{2-1}+{\mathrm{lat}}_{2-2}+{\mathrm{lat}}_{2-3}......+{\mathrm{lat}}_{2-100}}{100}---\left(4\right)$

其中，ln g_average₂表示割草机当前停止位置的经度均值，ln g_2-1表示割草机当前停止位置的第一个经度值，ln g_2-2表示割草机当前停止位置的第二个经度值，ln g_2-3表示割草机当前停止位置的第三个经度值，ln g_2-100表示割草机当前停止位置的第一百个经度值，lat_average₂表示割草机当前停止位置的纬度均值，lat_2-1表示割草机当前停止位置的第一个纬度值，lat_2-2表示割草机当前停止位置的第二个纬度值，lat_2-3表示割草机当前停止位置的第三个纬度值，lat_2-100表示割草机当前停止位置的第一百个纬度值。

5.根据权利要求2所述的一种智能割草机回位方法，其特征在于，所述的测算割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角，具体包括：

通过式(5)至式(7)，测算割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角θ：

a＝lat_average₂-lat_average₁ (5)

b＝ln g_average₂-ln g_average₁ (6)

η＝a tan2(a,b)*180°/π-90° (7)

其中，η∈[-270°,90°]，当η≥-180°时，θ＝η；当η<-180°时，θ＝η+360°。

6.根据权利要求1所述的一种智能割草机回位方法，其特征在于：

所述步骤S30中，调整割草机姿态具体包括：检测割草机相对于基站的方向，如果在基站的西边，则依据式(8)和式(9)计算调整割草机车身的角度；如果在基站的东边，则依据式(10)和式(11)计算调整割草机车身的角度；

β＝θ-180° (8)

φ＝β-α (9)

β＝θ+180° (10)

φ＝β-α (11)

其中，α表示智能割草机启动时车头相对于正北的夹角，φ表示割草机回基站调整车身的角度。

7.一种智能割草机回位装置，其特征在于，包括：

定位模块：用于检测割草机当前停止位置，并将该信息传送给控制器；

姿态角检测模块：用于检测割草机当前的姿态角，并将该信息传送给控制器；

控制器：用于检测割草机当前停止位置和基站位置之间的连线与正北方向的夹角；还用于计算割草机的调整姿态，并向割草机发送指令；

电机驱动模块：用于接收控制器发送的指令，调整割草机姿态，使得割草机行驶到基站位置。

8.根据权利要求7所述的一种智能割草机回位装置，其特征在于：所述的定位模块采用型号为ATK-NEO-6M的GPS模块，姿态角检测模块采用型号为MPU9250的九轴传感器，控制器采用型号为STM32F407的单片机；单片机与九轴传感器采用IIC或者SPI的通讯方式，单片机与GPS模快采用UART串口通讯。

9.根据权利要求7所述的一种智能割草机回位装置，其特征在于：所述控制器还用于获取基站的坐标位置，坐标位置的获取包括：

通过式(1)和式(2)获取基站的坐标位置：

$\ln g\_{\mathrm{average}}_1=\frac{{\mathrm{lng}}_{1-1}+\ln g_{1-2}+\ln g_{1-3}+...+{\mathrm{lng}}_{1-100}}{100}---\left(1\right)$

$lat\_{\mathrm{average}}_1=\frac{{\mathrm{lat}}_{1-1}+{\mathrm{lat}}_{1-2}+{\mathrm{lat}}_{1-3}+...+{\mathrm{lat}}_{1-100}}{100}---\left(2\right).$

10.根据权利要求7所述的一种智能割草机回位装置，其特征在于：所述控制器计算割草机的调整姿态具体包括：

检测割草机相对于基站的方向，如果在基站的西边，则依据式(8)和式(9)计算调整割草机车身的角度；如果在基站的东边，则依据式(10)和式(11)计算调整割草机车身的角度；

β＝θ-180° (8)

φ＝β-α (9)

β＝θ+180° (10)

φ＝β-α (11)

其中，α表示智能割草机启动时车头相对于正北的夹角，φ表示割草机回基站调整车身的角度。