CN109287246B - 基于激光雷达构建地图的智能割草机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光雷达构建地图的智能割草机，涉及割草机，解决了割草机在不同草坪进行切割时，都需要工作人员手动重新进行测量与输入参数，导致工作效率低的问题，其技术方案要点是：还包括主控模块、特征信息模块、激光雷达扫描模块；激光雷达扫描模块、行走控制模块、割草控制模块；当割草机本体启动时，主控模块发出启动信号并激活匀速周向旋转单元与激光发射接收单元以用于构建电子地图；主控模块控制行走控制模块不断行走并于不同的位置修正电子地图。本发明的基于激光雷达地图构建的智能割草机，无须手动输入，割草机本体会进行自动扫描并自动建立并更新电子地图，以供切割使用。

Description

基于激光雷达构建地图的智能割草机

技术领域

本发明涉及一种割草机，特别涉及基于激光雷达构建地图的智能割草机。

背景技术

割草机又称除草机、剪草机、草坪修剪机等。割草机是一种用于修剪草坪、植被等的机械工具，它是由刀盘、发动机、行走轮、行走机构、刀片、扶手、控制部分组成。

刀盘装在行走轮上，刀盘上装有发动机，发动机的输出轴上装有刀片，刀片利用发动机的高速旋转在速度方面提高很多，节省了除草工人的作业时间，减少了大量的人力资源。

随着城市建设的发展，人们环保认识的提高，城市绿化水平已成为衡量一个城市发展水平和人们生活质量的标准。近些年，城市广场和生活小区的绿地日益增多，对于草坪的维护工作量日渐繁重，人们开始尝试利用电子信息技术实现智能化割草的方法。

割草机在对新的环境进行割草时，需要工作人员对场地进行实时检测，并将数据传输至割草机中，从而建立电子地图，以供割草机进行使用，针对不同草坪，都需要重新进行测量与输入，导致工作效率低，还有改进的空间。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于激光雷达构建地图的智能割草机，无须手动输入，割草机本体会进行自动扫描并自动建立并更新电子地图，以供切割使用。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于激光雷达构建地图的智能割草机，包括设置于草坪中的割草机本体、用于限定草坪范围的栅栏、设置于草坪中且用于供割草机本体充电的充电座，还包括：

主控模块，设置于割草机本体上且用于数据存储、处理及协调其他模块；

特征信息模块，用于供割草机本体对充电座的位置进行识别；

激光雷达扫描模块，设置于割草机本体上与主控模块连接且用于获取数据并构建电子地图；

行走控制模块，与主控模块连接且用于控制割草机本体运动；

割草控制模块，与主控模块连接且用于控制割草机本体对草坪进行切割；

所述激光雷达扫描模块包括：

匀速周向旋转单元，用于控制激光发射接收单元匀速旋转并输出周向旋转角度信号；

激光发射接收单元，用于输出激光测距信号与激光强度信号并上传至主控模块；

所述栅栏用于限定草坪范围且激光雷达扫描模块可以检测的物体包括墙体、篱笆、灌木、反光部件；

当所述割草机本体启动时，所述主控模块发出启动信号并激活匀速周向旋转单元与激光发射接收单元以用于构建电子地图；

当所述主控模块接收到激光测距信号、激光强度信号及旋转角度信号后，所述主控模块于当前位置构建出含有边界和障碍物的电子地图；

所述行走控制模块驱动割草机本体向已经生成的电子地图中前进，并通过激光雷达扫描模块重复反馈并于当前位置修正电子地图；

所述主控模块控制行走控制模块不断行走并于不同的位置修正电子地图；

所述行走控制模块与割草控制模块接收启动信号于离开充电座时开始工作，且所述行走控制模块向电子地图中靠近栅栏的一侧进行运动并沿着草坪的栅栏处行驶，所述主控模块于电子地图上更新电子地图信息和割草机本体的实时位置信息；

当割草机本体的初始出发位置与当前位置一致时，所述主控模块构建出草坪的完整电子地图信息并对割草机本体的割草路径进行路径规划；

当割草机本体按照前述路径规划完成切割后，所述激光雷达扫描模块识别特征信息模块并向充电座所在位置前进以实现充电。

采用上述方案，充电座供割草机本体进行电能的补充，主控模块用于进行数据的处理和各个模块的协调控制工作，激光雷达扫描模块，可以进行360度的旋转，使用起来更加方便，检测更加全面，将采集激光测距信号、周向旋转角度信号和激光强度信号发送给主控模块进行处理，主控模块利用激光雷达模块的信息构建电子地图以供割草使用，特征信息模块的设置，使充电座更加容易被识别，激光雷达扫描模块可以根据特征信息模块的反射信息与其他物体的反射信息不一致，识别出充电座；激光雷达扫描模块根据扫描信息可以还原该造型的特征，从而判断该物体为充电座，且电子地图生成后会存储于主控模块中，方便进行清理。

作为优选，还包括设置于割草机本体上与主控模块连接且用于检测与栅栏、草坪中障碍物之间的距离并输出接近检测信号的接近检测模块；

所述主控模块中预设有与栅栏、草坪中障碍物之间的最近转向距离相对应的转向基准信号；

当接近检测模块输出的接近检测信号小于转向基准信号时，所述主控模块控制割草机本体转向。

采用上述方案，接近检测模块的设置，使割草机本体与栅栏之间的距离进行检测，一旦割草机本体的前端小于转向基准信号时，就进行转向，实用性强。

作为优选，所述主控模块中预设有与栅栏之间的缓冲转向距离相对应的缓冲基准信号；

当接近检测模块输出的接近检测信号小于缓冲基准信号时，所述主控模块控制割草机本体减速。

采用上述方案，使割草机本体与栅栏之间的距离进行进一步的检测，一旦割草机本体靠近栅栏时，接近检测信号小于缓冲基准信号时，此时控制割草机本体减速，从而进行缓冲，减少电能的浪费，同时还方便割草机本体进行转向。

作为优选，还包括：

用户交互模块，与主控模块连接且用于建立通信并进行数据传输；

显示模块，与用户交互模块连接用于显示当前割草机本体于电子地图上的位置。

采用上述方案，用户交互模块与主控模块连接，同时进行无线传输，显示模块设置于用户交互模块上供用户对割草机本体的位置进行了解，同时通过电子地图进行配合，从而可以显示于电子地图上，实用性强。

作为优选，还包括：

切割路线模块，与用户交互模块连接且用于控制割草机本体按照路线进行切割；

路线设定模块，与用户交互模块连接并通过用户于电子地图上进行路线的设定并输出路线设定信号；

所述用户交互模块接收路线设定信号并进行存储，以供切割路线模块进行调取；

当更新路线设定信号时，所述切割路线模块将更新的路线设定信号作为首次调取对象并保持对象的后续调取。

采用上述方案，通过切割路线模块，对割草机本体按照切割路线进行切割，同时路线设定模块对切割的路线进行自行的设定，更加灵活，实用性强。

作为优选，还包括：

记录模块，与用户交互模块连接的且用于收集每次输出的路线设定信号并按照时间顺序进行排序记录；

选择模块，与用户交互模块连接且用于调取记录模块中的路线设定信号以供切割路线模块启动。

采用上述方案，通过记录模块的设置，对每次输出的路线设定信号进行记录，同时按照时间顺序进行排序，而选择模块的设置，对记录模块中之前的路线设定信号进行选择，实用性强。

作为优选，还包括与用户交互模块连接且用于对当前切割路线模块中的路线设定信号的完成度进行统计的任务进度模块，所述主控模块于当前位置输出与当前位置相对应的定位信号；

所述任务进度模块包括：

剩余路径单元，通过定位信号对路线设定模块的已经过的路径与未经过的路径进行分析并按照百分比进行显示；

剩余时间单元，根据剩余路径单元中的未经过的路径除以割草机本体的工作速度以得到剩余时间并进行显示。

采用上述方案，任务进度模块的设置，使用户可以直观的了解到当前的任务百分比，配合剩余时间单元的设置，使用户可以了解到剩余的时间，方便进行显示与统计。

作为优选，还包括：

草坪高度检测模块，设置于割草机本体上且用于对每次草坪修剪前的高度进行检测并输出草坪高度检测信号；

修剪模块，用于每次对草坪进行修理的修剪时间进行记录并生成修剪信号并上传至主控模块；

所述用户交互模块中预设有与每次启动的基准时间相对应的修剪基准信号、与草坪最高高度相对应的高度基准信号；

当所述修剪模块启动修剪时，对草坪高度进行检测并输出草坪高度检测信号，当草坪高度检测信号大于高度基准信号时，所述用户交互模块修正修剪基准信号以实现提早修剪；

当在前的修剪基准信号修正时，在后的修剪基准信号不作更改。

采用上述方案，草坪高度检测模块的设置，对草坪的高度进行检测，从而对待修剪的草坪进行了解，而修剪模块的设置，对当前修剪的时间进行统计，配合高度基准信号，从而对修剪基准信号进行修正，且修正的结果仅对当前时间进行修正，不对下一次的修剪进行修改，减少了因为季节的差异而带来的影响，实用性强。

作为优选，还包括与用户交互模块连接且用于对当前区域内的修正的修剪基准信号进行同步的同步模块，所述修剪模块与同步模块连接且用于修正当前区域内的修剪基准信号。

采用上述方案，同步模块的设置，对当前区域内的所有的草坪的生长状态进行调整，从而直接进行调取，使修剪的时间，更加合理，实用性强。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、无须手动输入，割草机本体会进行自动扫描并自动建立并更新电子地图，以供切割使用；

2、配合用户交互模块使用，实时查看修剪状态，实用性强。

附图说明

图1为基于激光雷达构建地图的智能割草机的电子地图构建示意图；

图2为基于激光雷达构建地图的智能割草机的系统框图；

图3为距离检测模块的系统流程图；

图4为接近检测模块的系统流程图；

图5为路线设定模块的系统流程图；

图6为任务进度模块的系统流程图；

图7为草坪高度检测模块与修剪模块的系统流程图。

附图标记：1、割草机本体；2、栅栏；3、充电座；4、主控模块；5、激光雷达扫描模块；6、行走控制模块；7、割草控制模块；9、电子地图；11、安全行驶模块；12、接近检测模块；13、用户交互模块；14、显示模块；15、切割路线模块；16、路线设定模块；17、记录模块；18、选择模块；19、任务进度模块；20、剩余路径单元；21、剩余时间单元；22、草坪高度检测模块；23、修剪模块；24、同步模块；25、特征信息模块；26、匀速周向旋转单元；27、激光发射接收单元。

具体实施方式

以下结合附图1-7对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本实施例公开的一种基于激光雷达构建地图的智能割草机，包括设置于草坪中的割草机本体1、将草坪进行维护的栅栏2、设置于草坪中且用于供割草机本体1充电的充电座3。栅栏2供激光雷达扫描模块5检测，且激光雷达扫描模块5可以检测的物体包括墙体、篱笆、灌木、反光部件。

如图2所示，割草机本体1的初始位置在充电座3上并对割草机本体1进行充电，且割草机于栅栏2内进行行驶切割，割草机本体1上还安装有主控模块4，主控模块4与用户交互模块13无线连接，无线连接的方式可以采用网络、蓝牙。

本实施例中，用户交互模块13可以采用智能手机、平板电脑、智能手表，且主控模块4为微型计算机或者单片机。

主控模块4与激光雷达扫描模块5、行走控制模块6、割草控制模块7、特征信息模块25、安全行驶模块11、接近检测模块12连接。激光雷达扫描模块5包括匀速周向旋转单元26、激光发射接收单元27。特征信息模块25用于对充电座3所在的位置进行指示，并供割草机本体1进行识别，识别的方式可以采用激光雷达，也可以采用坐标对准的方式进行识别与区分，同时充电座3上可以采用凹凸不平的造型用于识别，也可以采用反光板用于识别。

激光雷达扫描模块5安装于割草机本体1上，且匀速周向旋转单元26进行360度进行匀速旋转并采集信息，且激光发射接收单元27采用激光雷达进行数据的采集。行走控制模块6与主控模块4连接且用于控制割草机本体1进行运动，割草控制模块7用于控制割草机本体1对草坪进行切割，从而达到割草的目的。主控模块4可以建立电子地图9，且安全行驶模块11用于控制割草机行驶时与栅栏2之间的距离，接近检测模块12设置于割草机本体1的前端，并用于距离检测。

用户交互模块13与显示模块14、切割线路模块、路线设定模块16、记录模块17、选择模块18、任务进度模块19、修剪模块23、同步模块24、草坪高度检测模块22连接。

显示模块14设置于用户交互模块13上且用于进行数据或图像的显示，切割路线模块15用于存储割草机本体1切割的路线，路线设定模块16用于对割草机本体1的切割路线进行设定，且设定的方式可以采用手势绘制的方式进行采集，记录模块17用于收集每次输出的路线设定信号并按照时间顺序进行排序记录，从而方便查找，选择模块18与记录模块17连接且用于从记录模块17中选择合适的修剪路线。

任务进度模块19包括剩余路径单元20和剩余时间单元21。剩余路径单元20用于显示剩余路径的百分比，剩余时间单元21用于显示剩余的修剪时间。修剪模块23用于收集每次输出的路线设定信号并按照时间顺序进行排序记录，同步模块24用于对当前区域内的修正的修剪基准信号进行同步，且草坪高度检测模块22设置于割草机本体1上且用于对每次草坪修剪前的高度进行检测。

参照图1，当割草机本体1启动时，主控模块4发出启动信号并激活匀速周向旋转单元26与激光发射接收单元27以用于构建电子地图9。且主控模块4接收到激光测距信号与激光强度信号后，主控模块4于当前位置构建出含有边界和障碍物的电子地图9，行走控制模块6驱动割草机本体1向已经生成的电子地图9中前进，并通过激光雷达扫描模块5重复反馈并于当前位置修正电子地图9。

主控模块4控制行走控制模块6不断行走并于不同的位置修正电子地图9，行走控制模块6与割草控制模块7接收启动信号于离开充电座3时开始工作，且行走控制模块6向电子地图9中靠近栅栏2的一侧进行运动并沿着草坪的栅栏2处行驶，主控模块4于电子地图9上更新割草机本体1的实时位置信息。

当割草机本体1的初始出发位置与当前位置一致时，主控模块4构建出草坪的完整地图信息并完善电子地图9，当割草机本体1完成切割后，激光雷达扫描模块5识别特征信息模块25并向充电座3所在位置前进以实现充电。

如图3所示，安全行驶模块11中预设有割草机本体1与栅栏2直行时的直行安全距离信号、割草机本体1与栅栏2转弯时的转弯安全距离信号。且激光雷达扫描模块5中的扫描检测信号互相对应，从而进行安全地带的修剪。

当割草机本体1行驶时，主控模块4控制激光雷达扫描模块5进行匀速旋转，同时割草机本体1向距离激光雷达扫描模块5最近的一处的栅栏2处进行行驶。同时，主控模块4对当前位置进行定位并输出定位信号，激光雷达扫描模块5实时检测并接收扫描检测信号，主控模块4对定位信号经过的路径进行记录并形成行驶路径，通过行驶路径，从而修正初步形成的电子地图9，提高地图的准确性。电子地图9上实时显示定位信号的位置，并将生成的新的电子地图9上传至主控模块4。

如图4所示，割草机本体1上还设置有接近检测模块12，接近检测模块12设置于割草机本体1的前端，并用检测与栅栏2之间的距离并输出接近检测信号。

主控模块4中预设有与栅栏2之间的最近转向距离相对应的转向基准信号、与栅栏2之间的缓冲转向距离相对应的缓冲基准信号。当接近检测信号小于缓冲基准信号时，割草机本体1进行减速；当接近检测信号不小于缓冲基准信号时，割草机本体1保持正常的速度进行行驶。

当接近检测信号小于转向基准信号时，割草机本体1进行转向；当接近检测信号不小于缓冲基准信号时，割草机本体1保持直行。

如图5所示，路线设定模块16通过用户于电子地图9上进行路线的设定并输出路线设定信号，设定路线的方式可以采用手势进行输入，也可以采用绘制的方式，还可以采用数据输入的方式。且路线设定信号通过记录模块17进行记录，且按照时间顺序进行排序记录。

选择模块18从记录模块17中调取路线设定信号，并与切割路线模块15配合进行切割，当更新路线设定信号时，切割路线模块15将更新的路线设定信号作为首次调取对象并保持对象的后续调取。

显示模块14与用户交互模块13连接并进行显示当前割草机本体1于电子地图9上的位置，从而供人们进行查看。

如图6所示，用户交互模块13与剩余路径单元20、剩余时间单元21连接，且剩余路径单元20用于显示剩余路径的百分比，且获得百分比的方式：路线设定模块16输出的路线设定信号除以主控模块4中输出的定位信号。

剩余时间单元21用于显示剩余时间，且剩余时间的计算方法：路线设定模块16输出路线设定信号减去当前定位信号的位置得出剩余路程，将剩余路程除以割草机本体1的工作速度从而得出剩余时间。

如图7所示，修剪模块23用于控制割草机进行修剪，同时每次对草坪进行修理的修剪时间进行记录并生成修剪信号并上传至主控模块4。且主控模块4中预设有与每次启动的基准时间相对应的修剪基准信号、与草坪最高高度相对应的高度基准信号，首次修剪模块23启动采用修剪基准信号中所对应的时间。

当修剪模块23启动时，通过草坪高度检测模块22对待切割的草坪进行检测并输出草坪高度检测信号，当草坪高度检测信号大于高度基准信号时，此时修正修剪基准信号，将时间周期向前推移；当草坪高度检测信号不大于高度基准信号时，不对修剪基准信号进行修正。当在前的修剪基准信号修正时，在后的修剪基准信号不作更改。

同步模块24用于对当前区域内的修正的修剪基准信号进行同步，修剪模块23与同步模块24连接且用于修正当前区域内的修剪基准信号，并进行同步，以方便对当前区域内进行调取。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种基于激光雷达构建地图的智能割草机，包括设置于草坪中的割草机本体(1)、用于限定草坪范围的栅栏(2)、设置于草坪中且用于供割草机本体(1)充电的充电座(3)，其特征是：还包括：

主控模块(4)，设置于割草机本体(1)上且用于数据存储、处理及协调其他模块；

特征信息模块(25)，用于供割草机本体(1)对充电座(3)的位置进行识别；

激光雷达扫描模块(5)，设置于割草机本体(1)上与主控模块(4)连接且用于获取数据并构建电子地图(9)；

行走控制模块(6)，与主控模块(4)连接且用于控制割草机本体(1)运动；

割草控制模块(7)，与主控模块(4)连接且用于控制割草机本体(1)对草坪进行切割；

所述激光雷达扫描模块(5)包括：

匀速周向旋转单元(26)，用于控制激光发射接收单元(27)匀速旋转并输出周向旋转角度信号；

激光发射接收单元(27)，用于输出激光测距信号与激光强度信号并上传至主控模块(4)；

所述栅栏（2）用于限定草坪范围且激光雷达扫描模块(5)可以检测的物体包括墙体、篱笆、灌木、反光部件；

当所述割草机本体(1)启动时，所述主控模块(4)发出启动信号并激活匀速周向旋转单元(26)与激光发射接收单元(27)以用于构建电子地图(9)；

当所述主控模块(4)接收到激光测距信号、激光强度信号及旋转角度信号后，所述主控模块(4)于当前位置构建出含有边界和障碍物的电子地图(9)；

所述行走控制模块(6)驱动割草机本体(1)向已经生成的电子地图(9)中前进，并通过激光雷达扫描模块(5)重复反馈并于当前位置修正电子地图(9)；

所述主控模块(4)控制行走控制模块(6)不断行走并于不同的位置修正电子地图(9)；

所述行走控制模块(6)与割草控制模块(7)接收启动信号于离开充电座(3)时开始工作，且所述行走控制模块(6)向电子地图(9)中靠近栅栏(2)的一侧进行运动并沿着草坪的栅栏(2)处行驶，所述主控模块(4)于电子地图(9)上更新电子地图信息和割草机本体(1)的实时位置信息；

当割草机本体(1)的初始出发位置与当前位置一致时，所述主控模块(4)构建出草坪的完整电子地图信息并对割草机本体(1)的割草路径进行路径规划；

当割草机本体(1)按照前述路径规划完成切割后，所述激光雷达扫描模块(5)识别特征信息模块(25)并向充电座(3)所在位置前进以实现充电。

2.根据权利要求1所述的基于激光雷达构建地图的智能割草机，其特征是：还包括设置于割草机本体(1)上与主控模块(4)连接且用于检测与栅栏(2)、草坪中障碍物之间的距离并输出接近检测信号的接近检测模块(12)；

所述主控模块(4)中预设有与栅栏(2)、草坪中障碍物之间的最近转向距离相对应的转向基准信号；

当接近检测模块(12)输出的接近检测信号小于转向基准信号时，所述主控模块(4)控制割草机本体(1)转向。

3.根据权利要求2所述的基于激光雷达构建地图的智能割草机，其特征是：所述主控模块(4)中预设有与栅栏(2)之间的缓冲转向距离相对应的缓冲基准信号；

当接近检测模块(12)输出的接近检测信号小于缓冲基准信号时，所述主控模块(4)控制割草机本体(1)减速。

4.根据权利要求1所述的基于激光雷达构建地图的智能割草机，其特征是：还包括：

用户交互模块(13)，与主控模块(4)连接且用于建立通信并进行数据传输；

显示模块(14)，与用户交互模块(13)连接用于显示当前割草机本体(1)于电子地图(9)上的位置。

5.根据权利要求4所述的基于激光雷达构建地图的智能割草机，其特征是：还包括：

切割路线模块(15)，与用户交互模块(13)连接且用于控制割草机本体(1)按照路线进行切割；

路线设定模块(16)，与用户交互模块(13)连接并通过用户于电子地图(9)上进行路线的设定并输出路线设定信号；

所述用户交互模块(13)接收路线设定信号并进行存储，以供切割路线模块(15)进行调取；

当更新路线设定信号时，所述切割路线模块(15)将更新的路线设定信号作为首次调取对象并保持对象的后续调取。

6.根据权利要求5所述的基于激光雷达构建地图的智能割草机，其特征是：还包括：

记录模块(17)，与用户交互模块(13)连接且用于收集每次输出的路线设定信号并按照时间顺序进行排序记录；

选择模块(18)，与用户交互模块(13)连接且用于调取记录模块(17)中的路线设定信号以供切割路线模块(15)启动。

7.根据权利要求5所述的基于激光雷达构建地图的智能割草机，其特征是：还包括与用户交互模块(13)连接且用于对当前切割路线模块(15)中的路线设定信号的完成度进行统计的任务进度模块(19)，所述主控模块(4)于当前位置输出与当前位置相对应的定位信号；

所述任务进度模块(19)包括：

剩余路径单元(20)，通过定位信号对路线设定模块(16)的已经过的路径与未经过的路径进行分析并按照百分比进行显示；

剩余时间单元(21)，根据剩余路径单元(20)中的未经过的路径除以割草机本体(1)的工作速度以得到剩余时间并进行显示。

8.根据权利要求4所述的基于激光雷达构建地图的智能割草机，其特征是：还包括：

草坪高度检测模块(22)，设置于割草机本体(1)上且用于对每次草坪修剪前的高度进行检测并输出草坪高度检测信号；

修剪模块(23)，用于每次对草坪进行修理的修剪时间进行记录并生成修剪信号并上传至主控模块(4)；

所述用户交互模块(13)中预设有与每次启动的基准时间相对应的修剪基准信号、与草坪最高高度相对应的高度基准信号；

当所述修剪模块(23)启动修剪时，对草坪高度进行检测并输出草坪高度检测信号，当草坪高度检测信号大于高度基准信号时，所述用户交互模块(13)修正修剪基准信号以实现提早修剪；

当在前的修剪基准信号修正时，在后的修剪基准信号不作更改。

9.根据权利要求8所述的基于激光雷达构建地图的智能割草机，其特征是：还包括与用户交互模块(13)连接且用于对当前区域内的修正的修剪基准信号进行同步的同步模块(24)，所述修剪模块(23)与同步模块(24)连接且用于修正当前区域内的修剪基准信号。

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