CN108781705A - 一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机及其控制方法，包括：可移动车体、图像采集装置、转向机构、驱动机构、激光扫描雷达传感器、控制器、切割电机和高度调节机构；切割电机的输出轴通过传动装置安装有切割线；高度调节机构设置在可移动车体上，切割电机设置在高度调节机构上；图像采集装置和激光扫描雷达传感器的信号输出端均与控制器的信号输入端相连接，控制器的信号输出端分别与转向机构、驱动机构、切割电机和高度调节机构相连接。本发明的智能割草机通过激光扫描雷达传感器可较精确的分辨待割草坪高度，可根据需求调节割草高度，具有较高的割草质量。

Description

一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机及其控制方法

技术领域

本发明属于智能割草机技术领域，特别涉及一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机及其控制方法。

背景技术

现有的割草机多数为人工手动，所修剪出的草坪高度参差不齐，且费时费力。目前，市场上现有的智能割草机多为超声波制导，超声波制导虽然也能识别前方障碍物，但是无法精确的分辨待割草的高度，也无法根据用户需求调节修剪高度，同时超声波制导无法准确把握整体草坪规格，不能满足当今的市场需求。另外，现有的智能割草机没有对割草质量进行把控，而是更多侧重于路径规划与障碍物识别，智能割草机的割草质量会受到智能割草机行驶速度、切割速度和割草深度等因素的影响，现有的智能割草机的行驶速度无法根据草坪高度变化进行调节，当前方草坪高度高于智能割草机的高度时，会对智能割草机的行驶产生阻力，这会影响到割草机的行驶速度稳定性，这一现象在高度复杂的草坪上会尤其明显。现有的智能割草机并没有针对该现象，进行任何行驶速度和切割转速上的调节，导致割草质量较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机及其控制方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的智能割草机通过激光扫描雷达传感器可较精确的分辨待割草坪高度，可根据需求调节割草高度，具有较高的割草质量。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机，包括：可移动车体、图像采集装置、转向机构、驱动机构、激光扫描雷达传感器、控制器、切割电机和高度调节机构；图像采集装置设置在可移动车体上，用于采集草坪的图像信息采集；激光扫描雷达传感器设置在可移动车体上，用于采集智能割草机周围草坪的信息；转向机构设置在可移动车体上，用于智能割草机的转向；驱动机构设置在可移动车体上，用于为智能割草机的行走提供动力；切割电机的输出轴通过传动装置安装有切割线；高度调节机构设置在可移动车体上，切割电机设置在高度调节机构上，通过高度调节机构可调节切割线的高度；控制器设置在可移动车体上，图像采集装置和激光扫描雷达传感器的信号输出端均与控制器的信号输入端相连接，控制器的信号输出端分别与转向机构、驱动机构、切割电机和高度调节机构相连接。

进一步的，图像采集装置包括前摄像头和后摄像头，前摄像头设置在可移动车体的前端，后摄像头设置在可移动车体的后端。

进一步的，转向机构包括：转舵电机、曲柄、转向连杆和轮边连杆；转舵电机固定设置在可移动车体上，转舵电机的信号接收端与控制器的信号输出端相连接；转舵电机的输出轴上安装有曲柄，曲柄上铰接有转向连杆，转向连杆的两端分别铰接有轮边连杆，两个轮边连杆分别与同一个车轴上设置的两个车轮连接，转舵电机通过曲柄、转向连杆和轮边连杆能够使车轮转向。

进一步的，轮边连杆与车轮之间设置有减震装置。

进一步的，高度调节装置包括：导轨、复位装置和伸缩电机；导轨竖直固定设置在可移动车体上，切割电机可移动的设置在导轨上；伸缩电机和复位装置设置在切割电机的两侧，通过伸缩电机和复位装置可使切割电机沿导轨向相反方向运动。

进一步的，高度调节装置包括：四个导轨、伸缩电机和连接板；四个导轨均固定设置在可移动车体上，连接板可移动的安装在四个导轨上，连接板上设置有挤压罩，切割电机设置在挤压罩内；连接板的下方设置有复位装置，复位装置能够通过连接板使切割电机沿导轨向上运动；伸缩电机固定设置在可移动车体上，伸缩电机的伸缩杆能够挤压挤压罩使切割电机沿导轨向下运动；复位装置为复位弹簧，复位弹簧套装在导轨上。

一种权基于激光扫描雷达传感器的智能割草机的控制方法，基于上述的智能割草机，包括以下步骤：

步骤1，通过激光扫描雷达传感器对待割草区域进行预先扫描，确定待割草区域的边界及障碍物的形状及分布，然后采用栅格法对待割草区域进行区域划分；

步骤2，通过驱动机构驱动智能割草机移动，通过切割电机驱动切割线进行割草，通过高度调节结构调节割草线的高度，通过激光扫描雷达传感器采集智能割草机前进方向的草坪高度情况、需要割草高度情况和障碍物情况，草坪高度有变化时跳转至步骤3，割草高度有变化时跳转至步骤4，有障碍物出现时跳转至步骤5，直至整个待割草区域割草完毕；

步骤3，根据采集的草坪高度的情况，通过控制器控制驱动机构降低智能割草机的行驶速度，草坪高度变化越大，智能割草机的行驶速度越低，调节完毕后跳转至步骤2；

步骤4，根据需要割草高度的实时情况，通过控制器控制切割电机的转速，割草高度越大，切割电机的转速越快，调节完毕后跳转至步骤2；

步骤5，出现障碍物时，通过控制器控制转向机构进行避障，避障完毕后跳转至步骤2。

进一步的，步骤3中，智能割草机的行驶速度的调节范围为25m/min～15m/min；智能割草机的行驶速度的调节公式为：

其中，h_d为采集的草坪地形高度，单位mm；H为车身高度，单位mm；d为底盘高度，单位mm；v为智能割草机的行驶速度，单位m/min。

进一步的，步骤4中，切割电机的转速的调节范围为3000r/min～4000r/min，切割电机的转速调节计算公式为：

其中，n为切割电机的转速，单位r/min；h为割草高度，单位mm；D为前后割草质量，其取值范围为0-1，v为智能割草机的行驶速度，单位m/min。

进一步的，步骤5的避障具体包括：

步骤5.1，判断障碍物的类别：障碍物连续五秒未移动认为是固定障碍物，否则认为是移动障碍物；若为固定障碍物则跳转至步骤5.2，若为移动障碍物则跳转至步骤5.3；

步骤5.2，通过控制器控制转向机构，使智能割草机绕开障碍物，完成避障；

步骤5.3，通过控制器控制驱动机构，使智能割草机停止运动，等待障碍物离开割草路径，完成避障。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的智能割草机，设置有激光扫描雷达传感器，其具有快速实时反映能力和高精度特性，能够实时更正测量数据，可使得测量数据更加精确；通过图像采集装置能够对割草质量进行监控，采集的图像传递给控制器，通过与控制器内预存的阈值比较，可评定出割草质量；割草质量在阈值以上，保持当前参数继续工作，割草质量在阈值以下时，降低智能割草机的行驶速度，提高切割电机的转速，通过实时调节割草机的割草参数可获得较好的割草质量；通过控制器控制高度调节机构，能够调节切割线的割草高度，满足不同割草高度的需要，可使智能割草机具有较好的适应性；通过图像采集装置和激光扫描雷达传感器能够监测割草路径上的障碍物，通过控制器控制转向机构和驱动机构能够实现智能割草机的避障，提高智能割草机的应用的可靠性和安全性。综上，本发明的智能割草机既能准确修整草坪高度，又能基于割草质量与割草深度进行实时调控，具有较好的割草质量。

进一步的，在轮边连杆与车轮之间设置有减震装置，能够增强车轮的抗震性，增加智能割草机对草坪地形的适应性。

进一步的，导轨竖直设置在可移动车体，复位弹簧套装在导轨上，连接板可移动的套装在导轨上，伸缩电机通过伸缩杆挤压挤压罩，使切割电机、切割线和连接板沿导轨向下运动，此时割草高度增大，复位弹簧储存势能；伸缩电机收回伸缩杆，复位弹簧释放势能，顶升连接板，使切割电机、切割线和连接板沿导轨向上运动，此时割草高度减小。

本发明的智能割草机的控制方法，通过激光扫描雷达传感器获取草坪高度、草坪内障碍物分布及割草高度信息，通过图像采集装置获取草坪的图像信息；根据采集的信息对割草参数进行实时调整，能够获得较好的割草质量；根据采集的信息能够避障，可使智能割草机具有较好的可靠性和安全性。

附图说明

图1是本发明的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机的正视整体结构示意图；

图2是图1的正视剖视结构示意图；

图3是图1的侧视剖视结构示意图；

图4是本发明的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机的控制原理图；

图5是本发明的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机的根据草坪高度调节行驶速度的原理示意图；

图6是本发明的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机的行驶速度与草坪高度的关系示意图；

图7是本发明的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机的避障原理示意图；

图8是本发明的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机的对草坪进行的栅格划分示意图；

图9是本发明的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机的三步行走示意图。

图1至图3中，1-前摄像头，2-激光扫描雷达传感器，3-伸缩电机，4-后摄像头，5-前轮，6-后轮，7-转舵电机，8-导轨，9-切割电机，10-驱动电机，11-切割线，12-复位弹簧，13-连接板，14-挤压罩，15-曲柄，16-销轴，17-转向连杆，18-轮边连杆，19-销轴，20-减震弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参考图1至图3，本发明的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机，包括：可移动车体、图像采集装置、转向机构、驱动机构、激光扫描雷达传感器2、控制器、切割电机9和高度调节机构。

可移动车体用于支撑与固定智能割草机的各零部件；通过各传感器实现外界环境的较精确探知，图像采集装置设置在可移动车体上，用于采集草坪的图像信息；激光扫描雷达传感器2设置在可移动车体上，用于采集智能割草机周围草坪的信息；转向机构设置在可移动车体上，用于智能割草机的转向，通过转舵电机7实现智能割草机的转向操作；驱动机构设置在可移动车体上，用于为智能割草机提供行走所需的动力；切割电机9的输出轴通过传动装置安装有切割线11，用于完成草坪上草的切割修剪；高度调节机构设置在可移动车体上，切割电机9设置在高度调节机构上，通过高度调节机构可调节切割线11的高度；控制器设置在可移动车体上，实现智能割草机移速和转速的智能控制，图像采集装置和激光扫描雷达传感器2的信号输出端均与控制器的信号输入端相连接，控制器的信号输出端分别与转向机构、驱动机构、切割电机9和高度调节机构相连接。图像采集装置包括前摄像头1和后摄像头4，前摄像头1设置在可移动车体的前端，后摄像头4设置在可移动车体的后端。转向机构包括：转舵电机7、曲柄15、转向连杆17和轮边连杆18；转舵电机7固定设置在可移动车体上，转舵电机7的信号接收端与控制器的信号输出端相连接；转舵电机7的输出轴上安装有曲柄15，曲柄15上铰接有转向连杆17，转向连杆17的两端分别铰接有轮边连杆18，两个轮边连杆18分别与同一个车轴上设置的两个车轮连接，转舵电机7通过曲柄15、转向连杆17和轮边连杆18能够使车轮转向。轮边连杆18与车轮之间设置有减震装置，减震装置为减震弹簧20。高度调节装置包括：四个导轨8、伸缩电机3和连接板13；四个导轨8均固定设置在可移动车体上，连接板13可移动的安装在四个导轨上，连接板13上设置有挤压罩14，切割电机9设置在挤压罩14内；连接板13的下方设置有复位装置，复位装置能够通过连接板13使切割电机9沿导轨8向上运动；伸缩电机3固定设置在可移动车体上，伸缩电机3的伸缩杆能够挤压挤压罩14使切割电机9沿导轨8向下运动；复位装置为复位弹簧12，复位弹簧12套装在导轨上。激光扫描雷达传感器2安装在车体上前端，伸缩电机3放置在其后部。智能割草机前轮5为智能割草机的转向轮，后轮6为智能割草机的驱动轮。

本发明的智能割草机的工作过程：

在智能割草机工作时，可根据用户预先设置的切割草坪高度，通过高度调节机构调节切割电机和切割线的高度，控制器控制驱动机构使智能割草机沿预定路径进行割草作业。在割草过程中，智能割草机根据激光扫描雷达传感器返回数据进行实时数据对比，确定更精确的割草实时参数，并监测前方是否出现障碍物。遇到障碍物时，通过激光扫描雷达传感器传来数据判断前方所遇障碍物是否为移动障碍物，若为前方障碍物在5s内并未移动，系统判断为固定障碍物实行绕行方案，若为移动障碍物，控制系统发出指令，命令行驶机构做出减速和停止处理，防止出现人员与智能割草机相互碰撞发生。同时前后两个摄像头通过数字图像处理技术，对前后割草质量进行把控。同时对割草质量进行评定得到评定系数，并与智能割草机的行驶速度和割草深度两个系数一起对切割机构的切割转速进行参数调控。

当智能割草机进行工作时，激光扫描雷达传感器将采集到的数据传递给控制系统，在控制系统内绘制相应的工作区域点云图，并据此建立相应的3D模型图。而前摄像头1在智能割草机工作时，拍摄前方草坪情况，同时起辅助判断前方障碍物的作用，同时后摄像头4拍摄经过智能割草机工作后的草坪状况，控制系统将基于两张图像之间的对比，对割草作业质量进行评定，从而控制智能割草机行走，切割速度等各个方面的参数。

当智能割草机运动时，由控制系统发出指令给后轮驱动电机10，后轮驱动电机通过一对斜齿轮传动，将动力传递给后轮传动轴，并带动后轮6转动。在智能割草机运动过程中，如遇到前方障碍物时，由激光扫描雷达传感器扫描识别，识别出前面障碍物所阻碍的空间大小，并通过控制系统控制转舵电机7实施转向操作，防止智能割草机撞向前方障碍物，具体实施操作如下：转舵电机7接受到控制系统信号，确定转向角度，通过带动曲柄15实现角度旋转，曲柄15通过销轴16与转向连杆17相连，此时曲柄15受到转舵电机控制进行角度变换，转向连杆17由于销轴16作用也将随之发生空间上的位移，而转向连杆17两端通过销轴19与轮边连杆18相连，由于转向连杆17主要实现左右运动，并伴随着少量的上下运动，因此需要在机体上开出一道矩形槽。当转向连杆17实现左右运动时，由于两轮的轮心距离是不变的，因此，两轮将围绕其各自的轮边连杆18的轴线进行旋转运动，且两轮的旋转角度相同，因此达到了转向的功能要求。同时，本发明通过减震弹簧20将轮边连杆18固定于车体上，允许左右轮子由于地形原因进行上下跳动，同时左右两轮的跳动为独立运动，这在一定的情况不仅减少了机体的振动，而且提高了智能割草机的通过性能。同时如遇到突发情况，如人突然走入智能割草机的工作路径前方，智能割草机无法及时进行转向操作，此时，控制系统会发出指令给后端驱动电机10，使之采取紧急制动操作，防止误撞行人。

当需要进行高度调节的时候，伸缩电机3通过调节伸出杆的长度对切割草坪高度进行调节，调节过程如下：伸缩电机通过控制系统给出指令，调节其伸缩杆的长度，当需要伸长时，伸缩杆挤压切割电机9表面的挤压罩14，之所以设置挤压罩14是因为防止直接挤压切割电机9，造成切割电机9的损坏。此时挤压罩14将伸缩电机3给与的压力传递给连接板13，连接板13受到挤压罩14传来的压力后，将沿着导轨8下降，并挤压导轨上的复位弹簧12，最终导致复位弹簧12受到挤压变形，同时由于导轨8的约束作用，会使得连接板保持水平下降而不会发生倾斜现象，影响切割工作。当需要升高切割高度时，可以将伸缩电机3的伸缩杆收回，此时在导轨8上复位弹簧12的恢复力作用下，连接板13将被抬升，从而使得切割电机9的高度提升，从而改变切割草坪高度。

参考图4，本发明的一种权基于激光扫描雷达传感器的智能割草机的控制方法，基于上述的智能割草机，包括以下步骤：

步骤1，通过激光扫描雷达传感器对待割草区域进行预先扫描，确定待割草区域的边界、草坪高度及障碍物的形状及分布，然后采用栅格法对待割草区域进行区域划分；

步骤2，通过驱动机构驱动智能割草机移动，通过切割电机驱动切割线进行割草，通过高度调节结构调节割草线的高度，通过激光扫描雷达传感器采集智能割草机前进方向的草坪高度情况、需要割草高度情况和障碍物情况，草坪高度有变化时跳转至步骤3，割草高度有变化时跳转至步骤4，有障碍物出现时跳转至步骤5，直至整个待割草区域割草完毕；

步骤3，根据采集的草坪高度的情况，通过控制器控制驱动机构降低智能割草机的行驶速度，草坪高度变化越大，智能割草机的行驶速度越低，调节完毕后跳转至步骤2；

步骤4，根据需要割草高度的实时情况，通过控制器控制切割电机的转速，割草高度越大，切割电机的转速越快，调节完毕后跳转至步骤2；

步骤5，出现障碍物时，通过控制器控制转向机构进行避障，避障完毕后跳转至步骤2。

参考图5和图6，步骤3中，智能割草机的行驶速度的调节范围为25m/min～15m/min；智能割草机的行驶速度的调节公式为：

其中，h_d为采集的草坪地形高度，单位mm；H为车身高度，单位mm；d为底盘高度，单位mm；v为智能割草机的行驶速度，单位m/min。

具体分析为：现有的智能割草机，在深草或地形复杂区域工作时，由于通常的智能割草机无法实现变转矩输出，这导致了智能割草机在复杂地形的通过能力下降。同时，在面对深草区域时，由于移速恒定，这将导致单位时间内智能割草机与浅草区域走过路程相同，使得割草质量下降。智能割草机所受行驶阻力很大程度上取决于草坪高度，本发明的智能割草机的行驶速度将草坪高度作为一个重要的影响参数。同时考虑到智能割草机所受阻力与草坪高度并非为线性关系，而是呈现出明显的非线性特征。因此本发明采用非线性特征方程描述力与草坪高度之间的关系，从而调节驱动轮的输出转矩。以25m/min～15m/min为调速范围，其计算公式为：

其中，h_d为采集的草坪地形高度，单位mm；H为车身高度，单位mm；d为底盘高度，单位mm；v为智能割草机的行驶速度，单位m/min。

根据以上调控方程，可以得到一条对应于草坪高度和智能割草机移速的调节曲线，如图6所示；从图6可知，当草坪高度h_d越来越大时，移速随之渐渐降低，此时作用于两轮的转矩输出将变大，这在一定程度上不仅提高了智能割草机在复杂地形上的通过能力。而且在地形平缓时，草坪高度越高，往往意味着需要单位面积内割草的工作量越大，因此使得智能割草机移速下降时，可以保证相应的割草质量。

步骤4中，切割电机的转速的调节范围为3000r/min～4000r/min，切割电机的转速调节计算公式为：

其中，n为切割电机的转速，单位r/min；h为割草高度，单位mm；D为前后割草质量，其取值范围为0-1，v为智能割草机的行驶速度，单位m/min。

其中，切割质量D因素的判定如下：

前后两个摄像头每隔一段时间，对草坪进行一次拍摄，其中后摄像头应滞后前摄像头一个Δt时间进行拍摄：

L为前摄像头所拍摄的草地路径长度，单位m，v为割草机行驶速度，单位m/min。

本发明通过对两张图片进行图像增强和特征提取，得出之前草坪的平整度和当前草坪的平整度，并采用归一化处理方式，使之位于0-1的范围内。

其中，S为当前草坪平整度，Smin为未经剪切的草坪所得的平整度，Smax为理想情况下切割草坪所得的平整度。表1为质量评定与方案对照表。

表1.质量评定与方案对照表

具体分析为：智能割草机行驶速度过快会导致相应的割草质量变差，割草质量为智能割草机的重要功能指标。影响割草质量的因素很多，不仅只有智能割草机的行驶速度。本发明采用闭环调节智能割草机切割机构转速，并将智能割草机行驶速度，切割转速与草坪高度差调节因素考虑其中，同时采用前后两个摄像头进行切割质量监控，并将切割质量作为反馈因素列入调节参数中，对它们进行加权处理后，带入调节方程中从而对相应的切割机构转速进行调节控制。

本实施例以调节切割转速从3000r/min～4000r/min的范围为例，其切割转速调节公式计算公式为：

其中，n为切割电机的转速，单位r/min，当理论转速超过最高转速时，按最高转速进行方案调控；h为割草高度，单位mm；D为前后割草质量，其取值范围为0-1，v为智能割草机的行驶速度，单位m/min。

从上式中可以得到，当割草质量下降后，切割机构的转速迅速上升；割草高度变大，切割转速也会上升，通过调节切割转速，可保证割草质量；相对于前两者产生的影响，行驶速度的小范围变化并不会对割草质量产生的较大的影响，因此所分配的权重并没有特别的大。

参考图7，步骤5的避障具体包括：

步骤5.1，判断障碍物的类别：障碍物连续五秒未移动认为是固定障碍物，否则认为是移动障碍物；若为固定障碍物则跳转至步骤5.2，若为移动障碍物则跳转至步骤5.3；

步骤5.2，通过控制器控制转向机构，使智能割草机绕开障碍物，完成避障；

步骤5.3，通过控制器控制驱动机构，使智能割草机停止运动，等待障碍物离开割草路径，完成避障。

智能割草机在工作过程中，会遇到各种各样的固定和移动障碍物。各类障碍物不仅会对智能割草机的工作造成影响，严重时甚至会造成智能割草机与障碍物之间发生碰撞。因此针对此情况，本发明利用激光扫描雷达传感器的三维成像功能识别障碍物的运动状态与尺寸大小，从而指引智能割草机做出相应的反应操作。基于激光扫描雷达传感器的精度问题，本发明的避障可基于距离进行对障碍物属性分阶段判断。

具体为：采用激光扫描雷达传感器扫描前方十米左右范围内的障碍物，由于此距离内激光扫描雷达传感器形成的模型精度较低，此刻用于判断障碍物是否为移动障碍物或固定障碍物并判断其大致位置，对于连续五秒未移动的障碍物，控制系统将其判断为固定障碍物。同时若障碍物在工作路径上，此时控制系统将其归纳为需要考虑的障碍物，并且智能割草机移速不变。当行驶至距离障碍物五米范围内，此刻随着距离的逼近，障碍物轮廓逐渐清晰且其轮廓尺寸逐渐精确，此刻通过激光扫描雷达传感器传来的信号，控制系统开始判断前方障碍物是否为大尺寸或小尺寸障碍物。此时随着智能割草机与障碍物之间距离的缩短，智能割草机开始逐渐减速。当行驶至距离障碍物前方一米的范围内时，智能割草机基于前面和当前对障碍物的属性判断，若前方障碍物为移动障碍物，智能割草机暂停运动，等待前方障碍物离开工作路径。对于固定障碍物，在其尺寸的判断上，采取不同措施。对于小尺寸障碍物，系统采取绕行方案，对于大尺寸障碍物，控制系统采取沿障碍物边缘行走方案。智能割草机距离障碍物10米至5米处正常行驶，5米至1米减速慢行，距离障碍物1米处就停止运动，待判断完成再执行相应的程序。

另外，步骤1中的路径规划，本发明利用激光扫描雷达传感器的建模功能，对需要割草区域内障碍物进行预先扫描，确定区域内障碍物的分布区域和大致形状，并采用栅格法对割草区域进行区域划分。

参考图8，其中W与H为割草区域的总宽和总高，B为割草机割草宽度，这样根据可得栅格的行数与列数分别为：

此时将所得的网格中，没有障碍物的网格填入1，有障碍物的网格填入无穷大inf，可以得到一个N_r×N_col的矩阵，每格用X(i，j)表示，其中(i＝1,2，…，N_r；j＝1,2，…,N_col)。

以下将介绍如何判断智能割草机是否转弯，并基于此算出总的转弯次数。上文所述，智能割草机每次仅能行走一格，不能跨格行走，其以下几种情况：

X(i，j)→X(i±1，j)→X(i-2～i+2，j)或X(i±1，j±1)

X(i，j)→X(i，j±1)→X(i，j-2～j+2)或X(i±1，j±1)

最多共有12种变化，如图9所示。

参考图9可以发现，在网格中，只要三步范围中智能割草机i与j未同时变化，则可断定智能割草机并未发生转弯。因此寻找行走路径中，在三步范围内，i与j同时发生改变的次数，即可统计总的转弯次数N_turn。

此处假设智能割草机从X(1,1)点出发，以X(N_r，N_col)为终点，当X(1,1)→X(2,1)代表智能割草机向右走了1格，每次智能割草机只能走动1格。为保证智能割草机能走到所有需要割草的网格，现设计如下方法：

令割草机走过的网格中的数加上1，即：

X(i，j)＝X(i，j)+1

由此当全图中没有存储1的网格存在时，即全图割草任务完成，此时智能割草机自动返回起始位置。为减少计算量，使得智能割草机更快的完成路径规划，为路径规划算法增加以下几种性质：1.智能割草机选定一个方向后，将保持速度的惯性一直向前行驶，直到前方网格中数字大于左右方向网格中数字；2.当出现前面所述情况后，智能割草机判断运动方向左方和右方两个方向网格中数的大小，并向网格中数小的那个方向行驶；3.当左右网格中数的大小一致时，随机选择向左或向右转弯。4.当前方，左方和右方都为2时，智能割草机寻找最近的网格中数为1的网格。

本发明以最快时间内走完全程为最优路径规划：

其中第一项为加上走过网格中包含的数，其中：

其中SN为只走过N次的无障碍物网格集合，B为有障碍物网格集合。这样可以保证智能割草机不会撞上障碍物，同时N_turn为转弯次数，由于智能割草机转弯相比于直线行驶更耗时，因此在前面乘以η＝5的加权系数。

Claims (10)

1.一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机，其特征在于，包括：可移动车体、图像采集装置、转向机构、驱动机构、激光扫描雷达传感器(2)、控制器、切割电机(9)和高度调节机构；

图像采集装置设置在可移动车体上，用于采集草坪的图像信息；

激光扫描雷达传感器(2)设置在可移动车体上，用于待修剪草坪的高度、割草高度及草坪内障碍物的信息采集；

转向机构设置在可移动车体上，用于智能割草机的转向；

驱动机构设置在可移动车体上，用于为智能割草机的行走提供动力；

切割电机(9)的输出轴通过传动装置安装有切割线(11)；

高度调节机构设置在可移动车体上，切割电机(9)设置在高度调节机构上，通过高度调节机构可调节切割线(11)的高度；

控制器设置在可移动车体上，图像采集装置和激光扫描雷达传感器(2)的信号输出端均与控制器的信号输入端相连接，控制器的信号输出端分别与转向机构、驱动机构、切割电机(9)和高度调节机构相连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机，其特征在于，图像采集装置包括前摄像头(1)和后摄像头(4)，前摄像头(1)设置在可移动车体的前端，后摄像头(4)设置在可移动车体的后端。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机，其特征在于，转向机构包括：转舵电机(7)、曲柄(15)、转向连杆(17)和轮边连杆(18)；

转舵电机(7)固定设置在可移动车体上，转舵电机(7)的信号接收端与控制器的信号输出端相连接；

转舵电机(7)的输出轴上安装有曲柄(15)，曲柄(15)上铰接有转向连杆(17)，转向连杆(17)的两端分别铰接有轮边连杆(18)，两个轮边连杆(18)分别与同一个车轴上设置的两个车轮连接，转舵电机(7)通过曲柄(15)、转向连杆(17)和轮边连杆(18)能够使车轮转向。

4.根据权利要求3所述的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机，其特征在于，轮边连杆(18)与车轮之间设置有减震装置。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机，其特征在于，高度调节装置包括：导轨(8)、复位装置和伸缩电机(3)；

导轨(8)竖直固定设置在可移动车体上，切割电机(9)可移动的设置在导轨(8)上；

伸缩电机(3)和复位装置设置在切割电机(9)的两侧，通过伸缩电机(3)和复位装置可使切割电机(9)沿导轨向相反方向运动。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机，其特征在于，高度调节装置包括：四个导轨(8)、伸缩电机(3)和连接板(13)；

四个导轨(8)均固定设置在可移动车体上，连接板(13)可移动的安装在四个导轨上，连接板(13)上设置有挤压罩(14)，切割电机(9)设置在挤压罩(14)内；

连接板(13)的下方设置有复位装置，复位装置能够通过连接板(13)使切割电机(9)沿导轨(8)向上运动；

伸缩电机(3)固定设置在可移动车体上，伸缩电机(3)的伸缩杆能够挤压挤压罩(14)使切割电机(9)沿导轨(8)向下运动；

复位装置为复位弹簧(12)，复位弹簧(12)套装在导轨上。

7.一种权利要求1至6中任一项所述的基于激光扫描雷达传感器的智能割草机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过激光扫描雷达传感器(2)对待割草区域进行预先扫描，确定待割草区域的边界及障碍物的形状及分布，然后采用栅格法对待割草区域进行区域划分；

步骤2，通过驱动机构驱动智能割草机移动，通过切割电机(9)驱动切割线(11)进行割草，通过高度调节结构调节割草线的高度，通过激光扫描雷达传感器(2)采集智能割草机前进方向的草坪高度情况、需要割草高度情况和障碍物情况，草坪高度有变化时跳转至步骤3，割草高度有变化时跳转至步骤4，有障碍物出现时跳转至步骤5，直至整个待割草区域割草完毕；

步骤3，根据采集的草坪高度的情况，通过控制器控制驱动机构降低智能割草机的行驶速度，草坪高度变化越大，智能割草机的行驶速度越低，调节完毕后跳转至步骤2；

步骤4，根据需要割草高度的实时情况，通过控制器控制切割电机(9)的转速，割草高度越大，切割电机(9)的转速越快，调节完毕后跳转至步骤2；

步骤5，出现障碍物时，通过控制器控制转向机构进行避障，避障完毕后跳转至步骤2。

8.根据权利要求7所述的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机的控制方法，其特征在于，步骤3中，智能割草机的行驶速度的调节范围为25m/min～15m/min；智能割草机的行驶速度的调节公式为：

其中，h_d为采集的草坪地形高度，单位mm；H为车身高度，单位mm；d为底盘高度，单位mm；v为智能割草机的行驶速度，单位m/min。

9.根据权利要求7所述的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机的控制方法，其特征在于，步骤4中，切割电机(9)的转速的调节范围为3000r/min～4000r/min，切割电机(9)的转速调节计算公式为：

其中，n为切割电机的转速，单位r/min；h为割草高度，单位mm；D为前后割草质量，其取值范围为0-1，v为智能割草机的行驶速度，单位m/min。

10.根据权利要求7所述的一种基于激光扫描雷达传感器的智能割草机的控制方法，其特征在于，步骤5的避障具体包括：

步骤5.1，判断障碍物的类别：障碍物连续五秒未移动认为是固定障碍物，否则认为是移动障碍物；若为固定障碍物则跳转至步骤5.2，若为移动障碍物则跳转至步骤5.3；

步骤5.2，通过控制器控制转向机构，使智能割草机绕开障碍物，完成避障；

步骤5.3，通过控制器控制驱动机构，使智能割草机停止运动，等待障碍物离开割草路径，完成避障。