CN109416543B - 一种自主式割草机及其导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主式割草机(100)和用于导航该割草机的系统。所述自主式割草机(100)包括具有至少一个马达(210)的割草机主体(102)，所述至少一个马达被布置成驱动切割刀片(212b)并且经由轮装置将所述割草机主体(102)推进到操作表面上。所述割草机主体(102)包括被布置成协助控制器(202)在预定操作区域(208)内控制所述割草机主体(102)的操作的导航系统(204)。该系统包括多个导航模块(202)，每个导航模块被布置成获得与所述自主式割草机(100)的导航相关的单独导航信息。所述导航模块(202)用于在初始化模式期间生成所述割草机(100)的所述操作区域(208)的虚拟表示，并且在所述割草机(100)的所述操作期间利用获得的所述导航信息处理所述操作区域(208)的所述虚拟表示。

Description

一种自主式割草机及其导航系统

技术领域

本发明涉及一种自主式割草机及其导航系统，尤其但不排他地，涉及一种自主式割草机，其使用导航系统来控制自主式割草机在其操作期间的导航。

背景技术

草坪的维护需要大量的人力劳动，包括不断浇水，施肥和修剪草坪以保持健康的草地覆盖。尽管有时可以通过使用喷洒器或灌溉系统以最小的劳力来处理浇水和施肥，但是割草过程是需要园丁的大量体力劳动的一个过程。

割草机的设计者和制造商已经尝试了一段时间来制造自主式割草机以取代传统的推拉式割草机。然而，景观的不可预测性以及创建准确和可用产品的成本意味着许多自主式割草机根本不能以足够的性能水平执行。

这部分是由于花园有许多不同的品种和形状，具有不同的高度和轮廓。因此，自主式割草机在导航这些不同类型的地形时遇到了很大的麻烦。反过来，许多推式割草机仍然受到用户的青睐，因为它们的性能和控制仍然可以手动控制以克服与不同景观轮廓相关的问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种自主式割草机，包括：割草机主体，其具有至少一个马达，该马达被布置成驱动切割刀片并经由轮装置在操作表面上推进割草机主体，其中，割草机主体包括导航系统，该导航系统被布置成协助控制器以控制割草机主体在预定操作区域内的操作。

在第一方面的实施例中，导航系统包括多个导航模块，每个导航模块被布置成获得与割草机的导航相关的导航信息。

在第一方面的实施例中，控制器进一步处理导航信息以控制割草机的操作。

在第一方面的实施例中，导航信息包括割草机的轮装置行进的距离和方向，预定操作区域的勘测表示，靠近割草机的障碍物的位置，割草机的方向和加速度或其中一个或多个的任何组合。

在一个示例性实施例中，割草机的方向可以通过被布置成提供割草机的方位的磁力计来获得，而割草机在3个轴上的取向可以通过陀螺仪装置获得。陀螺仪和磁力计可以在具有加速度计或气压计的惯性测量单元(IMU)内整体地实现。

在第一方面的实施例中，导航系统包括测距模块，其被布置成跟踪割草机主体在操作表面上的移动。

在第一方面的实施例中，测距模块被布置成通过确定轮装置的至少一个轮的旋转距离来跟踪割草机主体在操作表面上的移动。

在第一方面的实施例中，测距模块包括一个或多个传感器，其被布置成检测轮装置的至少一个轮中的每一个的旋转速率。

在第一方面的实施例中，将每个轮的旋转速率应用于传动比以确定轮的旋转距离。

在第一方面的实施例中，马达的旋转速率被应用于确定轮的旋转距离的传动比。

在第一方面的实施例中，一个或多个传感器被设置在每个驱动马达上，驱动马达被布置成驱动轮装置的一对相对轮。

在第一方面的实施例中，测距模块被布置成与设置在每个驱动马达上的一个或多个传感器通信以确定一对相对轮中的每一个的行进距离和行进方向。

在第一方面的实施例中，测距模块被布置成将一对相对轮中的每一个的旋转距离和方向传输到导航系统。

在第一方面的实施例中，导航系统包括光学勘测模块，光学勘测模块被布置成扫描并勘测割草机周围的附近区域以设计预定操作区域的勘测表示。

在一个实施例中，术语光学勘测模块可以包括能够协助割草机“看见”其周围环境的任何勘测模块。就此而言，术语“光学”可以包括使用基于光的技术的勘测模块，其包括用于对象识别处理的激光或照相机。然而，应当理解，光学勘测模块还可以通过使用基于非光的技术(例如通过无线电波(雷达)或声波)协助割草机“看见”其周围环境。因此，在这个意义上，术语“光学”可以参考基于光的技术或“光学”因为它协助割草机“看见”而不必使用基于光的技术。

在第一方面的实施例中，光学勘测模块还被布置成使用光学装置来扫描和勘测割草机周围的附近区域。

在第一方面的实施例中，光学勘测模块被放置在割草机主体上的升高位置处。

在第一方面的实施例中，光学勘测模块是LIDAR单元。

在一个实施例中，可以存在多于一个LIDAR单元。

在第一方面的实施例中，导航系统还包括声波或超声波障碍物检测模块，其被布置为使用声波来检测割草机附近的任何障碍物。

在一个实施例中，可以存在多个声波或超声波障碍物检测模块。

在第一方面的实施例中，声波障碍物检测模块是声纳单元。

在一个实施例中，声波障碍物检测模块是激光传感器。

在一个实施例中，声波障碍物检测模块是红外(IR)单元。

在一个实施例中，声波障碍物检测模块是无线电波(雷达)单元。

在第一方面的实施例中，导航系统还包括惯性测量单元(IMU)，该惯性测量单元被布置成测量和记录在割草机上承受的任何物理力量。

在第一方面的实施例中，惯性测量单元可从割草机上移除以供用户进行物理操纵。

在第一方面的实施例中，导航系统还可以包括卫星导航系统，例如GPS系统，其被布置成识别割草机的位置，行进方向和割草机的地面速度。

在第一方面的实施例中，导航系统还包括被布置成提供导航信息的附加传感器，包括GPS坐标、“陡度”红外传感器、水/雨水传感器、边缘传感器、光传感器或其任何一个或多个组合。诸如可以被布置成与WiFi、蓝牙、移动通讯协议、无线电频率、DECT、RFID或者任何其他通信协议通信的端口的通信端口也可以用于交换导航信息或者单独或与任何传感器组合协助导航过程。

根据本发明的第二实施例，提供了一种用于导航自主式割草机的系统，包括：多个导航模块，每个导航模块被布置成获得与自主式割草机的导航相关的单独的导航信息；其中，多个导航模块在初始化模式期间操作以生成割草机的操作区域的虚拟表示；以及在割草机的操作期间，当割草机操作时，利用由多个导航模块获得的导航信息处理操作区域的虚拟表示。

在第二方面的实施例中，当操作期间割草机正在操作以定位和导航割草机时，将操作区域的虚拟表示与由多个导航模块获得的导航信息进行比较。

在第二方面的实施例中，多个导航模块包括测距模块，该测距模块被布置成通过确定轮装置的至少一个轮的旋转距离来跟踪割草机主体在操作表面上的移动。

在第二方面的实施例中，多个导航模块包括光学勘测模块，光学勘测模块被布置成扫描并勘测割草机周围的附近区域以设计预定操作区域的勘测表示。

在第二方面的实施例中，多个导航模块包括声波障碍物检测模块，该声波障碍物检测模块被布置成使用声波来检测割草机附近的任何障碍物。

在第二方面的实施例中，多个导航模块包括惯性测量单元，该惯性测量单元被布置成测量并记录在割草机上承受的任何物理力量。

在第二方面的实施例中，多个导航模块包括卫星导航模块，该卫星导航模块被布置成与卫星导航系统一起操作以定位割草机并确定割草机的行进方向和速度。

在第二方面的实施例中，多个导航模块包括红外(IR)模块，该红外(IR)模块被布置成与另一光学系统或IR系统交互以与割草机进行导航信息的通信。

该示例性实施例在割草机必须在狭窄空间中进行调遣时是特别有利的，例如当需要将割草机调遣到其对接站时，其中在对接站和割草机上或其附近实施的IR系统可以协助将割草机导航到对接站，因为IR可以通信割草机相对于对接站的部分的位置。

在第二方面的实施例中，初始化模式由用户执行以定义割草机的一个或多个操作区域。

在第二方面的实施例中，用户通过控制割草机围绕一个或多个操作区域的周界来限定割草机的操作区域。

在一个实施例中，用户还可以通过控制割草机围绕一个或多个非操作区域的周界来周界割草机的禁区。

在一个实施例中，用户还可以通过控制割草机在操作区域和禁区之间的边界区域内来限定割草机的移动区域，同时刀片机制被停用。

根据本发明的第三实施例，提供了一种自主式割草机，其包括：割草机主体，其具有至少一个马达，该马达被布置成驱动切割刀片并且经由轮装置在操作表面上推进割草机主体，其中，割草机主体包括导航系统，该导航系统被布置成协助控制器控制割草机主体在预定操作区域内的操作；以及电池模块，其被布置成向马达提供电源；其中电池模块被放置在后割草机主体内的较低位置。

在第三方面的实施例中，电池模块相对于操作表面以倾斜角度被布置，以便于对电池模块的接入。

在第三方面的实施例中，割草机主体还设置有电池盖，该电池盖被布置成覆盖对电池模块的接入。.

根据本发明的第四实施例，提供了一种自主式割草机，其包括：割草机主体，其具有至少一个马达，该至少一个马达被布置成驱动切割刀片并且经由轮装置在操作表面上推进割草机主体，其中，割草机主体包括导航系统，该导航系统被布置成协助控制器在预定操作区域内控制所述割草机主体的操作；其中，割草机主体还包括高度调节系统，该高度调节系统被布置成协助控制器在预定操作高度内控制切割刀片的操作。

在第四方面的实施例中，高度调节系统包括被布置成确定切割刀片高度的一个或多个传感器。

在第四方面的实施例中，高度调节系统被布置成与一个或多个传感器通信，以确定切割刀片达到预定操作高度所需的转数。

根据本发明的第五实施例，提供了一种自主式割草机，包括：割草机主体，其具有至少一个马达，该马达被布置成驱动切割刀片并经由轮装置在操作表面上推进割草机主体，其中，割草机主体包括导航系统，该导航系统被布置成协助控制器控制割草机主体在预定操作区域内的操作；其中，切割刀片枢转地连接到马达驱动盘并由马达驱动盘驱动。

在第五方面的实施例中，切割刀片被布置成由马达驱动盘沿第一方向摆动，并且如果切割刀片接触任何障碍物则沿第二方向摆动。

在第五方面的实施例中，第一方向对应于马达的旋转方向，第二方向与第一方向相反。

根据本发明的第六实施例，提供了一种自主式割草机，包括：割草机主体，其具有至少一个马达，该马达被布置成驱动切割刀片并经由轮装置在操作表面上推进割草机主体，其中，割草机主体包括导航系统，该导航系统被布置成协助控制器控制割草机主体在预定操作区域内的操作；其中，割草机主体还包括切割器模块，该切割器模块被布置成修剪预定操作区域的边缘。

在第六方面的实施例中，切割器模块被放置在割草机主体下方的位置并且邻近切割刀片的操作圆周。

在第六方面的实施例中，切割器模块通过锁定机制可拆卸地与割草机主体接合。

根据本发明的第七实施例，提供了一种自主式割草机，包括：割草机主体，其具有至少一个马达，该马达被布置成驱动切割刀片并经由轮装置在操作表面上推进割草机主体，其中，割草机主体包括导航系统，该导航系统被布置成协助控制器控制割草机主体在预定操作区域内的操作；其中至少部分切割刀片被刀片护罩包围。

在第七方面的实施例中，刀片护罩的至少一个部分边缘还设置有齿梳。

在第七方面的实施例中，设置有齿梳的部分边缘基本垂直于割草机的操作方向。

根据本发明的第八实施例，提供了一种自主式割草机，包括：割草机主体，其具有至少一个马达，该马达被布置成驱动切割刀片并经由轮装置在操作表面上推进割草机主体，其中，割草机主体包括导航系统，该导航系统被布置成协助控制器控制割草机主体在预定操作区域内的操作；电池模块，其被布置成向马达提供电源；以及可拆卸对接模块，其被布置成向电池模块提供电池充电。

在第八方面的实施例中，导航系统还被布置成参考可拆卸对接模块定位割草机。

在第八方面的实施例中，导航系统将割草机导向可拆卸对接模块。

在第八方面的实施例中，导航系统包括成像模块，其用于获得与可拆卸对接模块的位置相关的信息。

在第八方面的实施例中，可拆卸对接模块被布置成为成像模块提供与可拆卸对接模块的位置相关的指示。

在第八方面的实施例中，指示以图形表示被表示。

在第八方面的实施例中，导航系统包括光学勘测模块，其用于获得与可拆卸对接模块的位置相关的信息。

在第八方面的实施例中，光学勘测模块被布置成扫描和勘测割草机周围的附近区域，以设计预定操作区域的所勘测的表示，从而定位可拆卸对接模块的位置。

在第八方面的实施例中，导航系统包括感应线系统，其用于获得与可拆卸对接模块的位置相关的信息。

在第八方面的实施例中，感应线系统包括至少一个传感器，该传感器被布置成在电磁通信中与可拆卸对接模块的线圈通信。

附图说明

现在将参考附图通过示例描述本发明的实施例，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的自主式割草机的图示；

图2是示出图1的自主式割草机的各种控制系统和模块的示例的框图；

图3是示出图1的自主式割草机的一对相对轮上的测距模块的示例实施方式的图示；

图4是图1的自主式割草机的光学勘测模块的操作的顶视图；

图5是用于图1的自主式割草机的光学勘测模块的示例实施方式的图示；

图6是用于图1的自主式割草机的声波障碍物检测模块的示例实施方式的顶视图和正视图；

图7是用于图1的自主式割草机的惯性测量单元(IMU)模块的示例性放置的透视图；

图8是示出图1的自主式割草机的初始化过程的示例操作的示例框图；

图9是说明图8的初始化过程的过程流程的方框图；

图10是用于图1的自主式割草机的电池模块的示例实施方式的图示；

图11是用于图1的自主式割草机的高度调节系统的示例实施方式的图示；

图12是示出图12的高度调节系统的示例实施方式的图示；

图13是图12的高度调节系统的示例性实施方式的另一图示；

图14是图1的自主式割草机的切割刀片装置的示例实施方式的图示；

图15是用于图1的自主式割草机的切割器模块的示例实施方式的图示；

图16是用于图1的自主式割草机的刀片护罩的示例性实施方式的图示；

图17是具有图1的自主式割草机的对接模块的示例性实施方式的透视图；

图18是图17中所示的对接模块和自主式割草机的正视图和侧视图；

图19是图17中所示的具有图形指示的对接模块的透视图；以及

图20是自主式割草机的感应线系统的示例实施方式的顶视图。

具体实施方式

参考图1，其提供了一种自主式割草机的图示，该割草机包括：割草机主体，其具有至少一个马达，该马达被布置成驱动切割刀片并经由轮装置在操作表面上推进割草机主体，其中，割草机主体包括导航系统，该导航系统被布置成协助控制器控制割草机主体在预定操作区域内的操作。

在该示例中，自主式割草机100被布置成在草坪或草地生长的表面上操作以割草。这种行为通常被称为“修剪草坪”，通常由园丁和景观工作者承担，以维护草坪表面。术语自主式割草机100还可以包括任何类型的割草设备或割草机，其可以自主操作，即，用户干预最少。预计在某些时候用户干预需要设置或初始化割草机或使用特定命令校准割草机，但是一旦进行了这些程序，割草机100在很大程度上适于独立操作，直到需要进一步的命令或者如果需要维修、校准或纠错。因此，自主式割草机也可称为自动割草机、自驱动割草机、机器人割草机等。

在如图1所示的该实施例中，自主式割草机100，或称为割草机(lawn mower)或割草机(mower)，包括支撑割草机100的操作部件的框架或壳体102。这些操作部件可包括但不限于至少一个马达，例如电动机，其被布置成驱动割草机的刀片，以便切割割草机正在割草的草坪。至少一个马达还可以用于经由传动系统装置驱动割草机本身，例如传动机制或齿轮箱，其将驱动力传递到其轮装置104，尽管优选地，如同该实施例的情况，使用单独的马达沿着其操作表面驱动割草机，每个后轮104R具有其自己单独的马达和齿轮箱。这是有利的，因为可以通过简单地控制这些马达中的每一个来实现割草机的调遣。重要的是要注意，术语轮装置还可以包括由各种不同类型和轮组合形成的驱动装置，包括履带(例如在油箱履带中)、链条、皮带(例如在雪带中)或其他形式的驱动装置。

优选地，如图1的实施例所示，割草机100包括导航系统，该导航系统用于围绕工作区域定位和导航割草机，使得割草机可以切割工作区域的草。导航系统可以包括多个特定的导航模块，每个导航模块被布置成提供为割草机100获得的个体导航信息。接着，由这些导航模块中的每一个获得或确定的导航信息然后被返回到导航系统以便传输到控制器。在由控制器处理导航信息时，控制器然后可以生成用于控制割草机在工作或操作区域内的移动和操作的命令。

这些导航模块可能至少包括以下内容：

-测距模块106，其被布置成确定轮104行进的距离，以协助从起始点确定割草机100的位置；

-惯性测量单元(IMU)模块108，其被布置成通过检测和记录在割草机100上经受的各种力来测量割草机的移动力，包括移动方向、移动力、移动的磁力方位、加速度和陀螺的移动。在一些示例实现中，可以使用多于一个IMU来提高准确性，因为附加的IMU将有助于消除随时间的错误；

-光学勘测模块110，其被布置成使用光学装置来扫描和勘测割草机100周围的极近区域。该光学勘测模块110的示例实施方式可以是将LIDAR单元放置在割草机主体102上以便扫描割草机100的周围区域以产生靠近割草机100的极近空间环境的动态地图；

-气压传感器，其被布置成测量割草机周围的气压。这样的装置可以是有利的，因为割草机的高度可以基于当割草机沿着其操作区域或相对于其对接站移动时经历的气压变化来测量，从而有助于其定位和导航。优选地，气压传感器也可以通过使用经由其通信模块传输到割草机的天气信息自动或手动校准；

-声波或超声波障碍物检测模块112，其被布置成使用声波来检测割草机附近是否存在任何障碍物，以帮助割草机避开这些障碍物，或者在一些示例中，接近一个或多个物体，同时避免直接与物体接触或碰撞，以便通过导航割草机使其靠近某些物体进行操作来增强割草机的操作，同时避免与物体碰撞。声波障碍物检测模块的示例性实施方式可以是使用可以检测障碍物的SONAR传感器或超声波传感器；以及

-其他附加导航模块(未示出)也可以实现为与导航系统通信，以便为导航系统提供进一步的输入以调节和控制割草机，包括：

■可以用于获得割草机100的GPS坐标的GPS传感器。在一些示例中，割草机可以被实现为使用“RTK GPS”或实时动态GPS，其包括两个GPS模块，一个被固定，一个在割草机中，另外还具有先进的GPS信息，以确定割草区域和世界内割草机的精确位置；

■方位传感器以用于获得割草机100的罗盘方位；

■雨水传感器或水传感器检测及近环境是否会下雨、高水分或割草机进入水坑，如果是，则调节或终止割草机100的操作；

■边缘传感器或陡度传感器用于检测割草机100是否已经到达边缘或悬崖，由此任何进一步的移动可能导致割草机100经历跌落；

■光传感器可检测光线或一天中的时间并相应调整操作，包括开启警示灯；以及

■其他附加传感器和功能模块，例如时钟、WiFi、蓝牙、GSM、RF、DECT或任何其他通信协议模块，其被布置成接收经由通信连接(如天气预报或远程命令)接收的通信协议外部信息，以增强和控制割草机100的操作。

这些导航模块每个被布置成获得、检测和确定一组导航相关信息，这些信息又被布置成由控制器上的处理器处理以设计合适的命令来操作割草机100。如下面将参考图8和9解释的，在一个示例中，自主式割草机将通过远离对接站(未示出)移动来操作，该对接站将为割草机形成起点和返回点。当离开对接站时，割草机100然后可以使用导航系统通过切割操作区域中的草坪来协助在工作或操作区域周围导航割草机100，然后继续导航回到对接站。

参考图2，其提供了自主式割草机100的框图，该框图示出了自主式割草机100的部件。在该实施例中，割草机100包括控制器/处理器202，其可以被实现为计算设备，或者被实现为一个或多个控制板，其每个具有一个或多个处理器，该处理器被布置成接收和分析所接收的信息并向割草机提供指令以操作割草机。优选地，控制器/处理器202用主印刷电路板组件(PCBA)实现，该主印刷电路板组件被布置成在PCBA上具有两个处理器并且与附加的计算模块一起操作。几个传感器PCBA也可以有自己单独的微控制器单元(MCU)。

控制器/处理器202被布置成从割草机100的导航系统204接收导航信息，在接收到该导航信息时，将利用由控制器202已经可访问的现有信息(例如控制算法206或操作区域208的预定义地图)处理导航信息，以生成对每个割草机操作部件的各种命令，包括驱动马达，该马达被布置成驱动割草机210和/或操作刀片212的刀片马达。

如图2所示，导航系统204包括测距模块220，其包括轮传感器232以检测割草机100的轮的旋转位移，光学勘测模块222(例如LIDAR单元222L)，IMU的单元226，声波障碍物检测模块224，其可以包括SONAR传感器230，尽管其他基于声波的障碍物检测方法也是可能的。这些模块中的每一个被布置成提供特定功能，这些功能在下面参考图3至7描述并且返回检测、计算、收集或勘测的个体导航信息，如在LIDAR单元222L的情况下，其被布置为生成虚拟地图208表示靠近割草机100的特定目标的障碍物或位置。

如该实施例中所示，控制器202还被布置成控制割草机驱动马达210以沿着工作区域内的工作表面驱动割草机100。优选地，与该实施例中的情况一样，通过使马达与每个后轮相邻放置来驱动割草机，其中每个马达被布置成驱动每个后轮。

反过来，控制器202可以将来自电源(例如电池214)的电流引导到马达210，以便执行一个或两个马达210的受控操作。这可以通过以不同的速度或方向转动一个或多个轮以允许割草机100的前进、后退和转动动作。

控制器202还可以命令刀片马达212操作以便操作刀片以切割工作表面的草。为了执行这些功能，控制器202将执行控制例程或过程206，其确定割草机将被操作的条件和时间。这些命令至少包括命令割草机100的行进方向和刀片的操作的指令。其他命令也是可能的，包括割草机100的命令以行进到工作区域内的特定位置，或返回到特定位置，例如对接站以及特定命令，例如刀片马达212的操作速度或刀片的高度，以便确定被切割的草的水平。

如下面将参考图8所述，控制器202也可以使用初始化例程228预编程，其中割草机的工作区域和工作表面被最初识别。这些过程可以协助识别工作区域的边界以及应该避免边界内的某些表面(没有行进区域)或者不应该激活刀片马达212的分类。一旦识别出这些工作区域，割草机100就可以由控制器202控制以从起始点到对接站的导航，其中割草机可以按照控制算法206的规定从起始点开始切割草。控制算法206可以包括特定的切割程序，其沿着纵向轴线割草坪，然后在限定的工作区域内以纬度形式操作每个纵向轴线，以便在工作区域中切割草。其他切割程序也是可能的，并且可以基于用户期望操作的工作区域的形状和轮廓来选择。

优选地，当控制器202将与导航系统204的每个导航模块通信时，控制器202可以在初始化和一般操作期间从这些导航模块202中的每一个接收大量不同的导航信息。为了处理该导航信息以便确定割草机100的操作命令，控制器202可以首先将滤波器或平均函数应用于从导航系统接收的所有导航信息。这样的滤波函数可以允许控制器202忽略或最小化对从第一导航模块获得的导航信息的任何权重，当与从其他导航模块获得的导航信息相比较时，该权重看起来是不正确的。可以使用的示例滤波器包括卡尔曼滤波器，其可以应用于协助识别由控制器接收的所有导航信息的“最佳拟合”趋势，并且反过来允许忽略或进一步研究可能远离平均或最佳拟合趋势的异常、偏差或不一致。

作为示例，控制器202可以从测距模块220、声波障碍物检测模块224和光学勘测模块222接收导航信息。在处理期间，测距模块220可以跟踪割草机100已经行进到在割草机100的初始化期间获得的虚拟地图上的特定坐标。然而，根据IMU和光学勘测模块222获得的导航信息，割草机100的位置可以在与从测距模块220获得的坐标基本上相距很远的距离。在这些情况下，当滤波函数应用于声波障碍物检测模块224、光学勘测模块222和测距模块220的所有导航信息时，“最佳拟合”或“平均”可以反过来指示测距模块220的坐标是异常的，因为它与其他导航模块完全不一致。因此，控制器202然后可以在向割草机生成命令时继续忽略该异常。还期望控制器202还可以对从导航系统和诸如GPS传感器、罗盘、陡度传感器、水传感器等其他传感器获得的所有数据应用类似的滤波函数。例如，扩展卡尔曼滤波器可以是有利的是，它们能够减少/消除来自每个源的不良数据点并协助确定哪些导航/定位数据源最可靠并且使用选择这些源。

在一些示例实施例中，诸如卡尔曼滤波器的滤波函数或平均函数也可以由每个导航模块应用于在将导航信息传送到控制器202之前获得的任何导航信息。在这些示例中，由于传感器和其他电子导航模块被布置成从环境读数获得数据，因此可能由于不受控制的事件或其他环境因素可能导致某些读数在短时间内不正确。这些的示例可以包括割草机经历轮自转，并因此导致测距模块220的错误读数，或者与诸如足球的物体的随机或意外碰撞，在这种情况下，从IMU模块226获得的导航信息可能也是错误的。

在这些情况下，通过在每个导航模块中包括滤波函数，每个导航模块收集的数据中的这种异常可以在被发送到控制器202之前被过滤或“清理”。因此，这将是有利的，因为发送到控制器202的导航信息可能更准确，从而导致控制器202的提高性能和更少处理。

参考图3，其示出了被布置成利用自主式割草机100实施的测距模块220的示例。在该示例性实施例中，测距模块220被布置成被实施到两个马达中的每一个中，所述的两个马达被布置成驱动割草机100的后轮104R，尽管如本领域技术人员将理解的，如果使用附加的马达来驱动割草机100的其他轮，则该测距模块220也可以被实施到每个马达绕组302中。

在该示例中，测距模块202被布置成测量实施测距模块202以对其进行操作的轮104R的转数。反过来，当与轮104R的圆周连接时，转数将提供关于割草机100在工作表面上行进的距离的估计(考虑任何传动比，如果适用的话)。由于割草机100也可以通过允许其相对的轮沿相反方向自转而沿其工作表面转动，也可以检测和测量这种移动和旋转，以便确定割草机100沿着工作表面的方向和转速。

如图3所示，测距模块202被实施在马达302和齿轮箱装置304上，齿轮箱装置304驱动后轮104R中的一个，每个后轮104R具有其自己的马达302和齿轮箱304。当马达302被通电时，在大多数情况下，通过控制器202的命令，马达302将旋转，从而还驱动齿轮箱304，齿轮箱304可旋转地连接到马达302。

然后，齿轮箱304还将该旋转力传递到轮104R，从而使轮104R沿所需方向转动。由于齿轮箱比率是已知的，无论是通过在工厂预设还是用户调节，测距模块202因此可以通过检测马达302的转数来操作，马达302的转数又可以用于计算轮104R的转数。

在该实施方式中，马达具有连接到马达绕组302和转子的印刷电路板(PCB)306，其由多个霍尔传感器308实现。这些霍尔传感器308允许在每个传感器308通过磁体旋转时检测磁信号(或者使磁体旋转通过传感器308)，因此当马达旋转时，静止的PCB 306将检测保持在马达302的转子中的磁体。因此，位于PCB 306上的霍尔传感器308可以检测在马达绕组302旋转期间通过的磁体。反过来，来自霍尔传感器308的该数据然后可以用于计算马达302旋转的数量或部分，然后可以使用该数据来计算经由齿轮箱304的轮104R的转数。

一旦确定了转数，每个轮104R的转数，包括其方向以及轮10R是否经历转动方向，将被传送到控制器202进行处理。反过来，控制器202然后可以利用来自导航系统204的其他信息处理该结果，以确定割草机100的位置。

当割草机100在操作时，可以预期割草机100的轮可能经历一些轮旋转，因为表面类型可能导致轮104R自转而不移动割草机100。当确定割草机100的位置时，这种轮自转将导致错误。然而，这种误差被控制器202计算在因素中，因为由导航系统204的其他模块获得的其他导航信息将用于补偿一个单独导航模块的任何误差。

在另一示例实施方式中，还可以测量由马达302汲取的电流量并且与由测距模块202检测的旋转速率进行比较。在这样的示例中，如果由马达302汲取的电流相对于轮104R检测到的转数非常低，则割草机100的轮104R确实可能沿其工作表面自转。因此，控制器202还可以在确定割草机100基于其测距测量值的距离时考虑这样的信息。

参考图4和5，其示出了光学勘测模块222的示例，其被布置成用自主式割草机100实现。在该示例实施例中，光学勘测模块222通过在割草机主体102上放置光检测和测距(LIDAR)单元222L来实现，以便扫描和勘测周围区域402，以产生割草机100附近的及就近的空间环境的动态地图。

在该示例中，光学勘测模块222是割草机主体102上的LIDAR单元222L。LIDAR单元222L可以被实施为发射激光的快速脉冲，其与围绕割草机100的周围空间环境中的物体(例如树404，椅子406或LIDAR桩408)接触。

作为LIDAR单元222L的一部分的仪器接收来自这些物体的反射激光，并测量每个脉冲被反射回LIDAR单元222L所花费的时间量。当光速已知时，可以计算物体和LIDAR单元222L之间的距离。由于反射激光的快速连续测量，建立了靠近割草机的空间环境的动态地图。

参考图4，其示出了光学勘测模块222扫描和勘测靠近割草机100的周围环境的示例。光学勘测模块222，如前面提到的LIDAR单元222L所示，由位于正方形中心的圆圈表示，该正方形代表割草机100。从圆圈发出的箭头表示由LIDAR单元222L发射的激光405并指示它们的传播方向。LIDAR单元222L通过发射入射在被勘测环境内的物体上的激光405的快速脉冲来勘测割草机100周围的空间环境。在该示例中，这样的物体是树404和椅子406。激光405从物体反射并由LIDAR单元222L检测，然后LIDAR单元222L可以计算割草机100与物体之间的距离。产生的地图是动态的，因为割草机100相对于任何物体的位置不断变化，因为割草机100可在其操作期间移动。

图4中还示出了由矩形表示的LIDAR桩408。在一个示例中，LIDAR桩408可以由塑料桩顶和桩盖组成。在一个替代示例中，LIDAR桩408可以是LIDAR物体或多个分组的LIDAR桩410。每个LIDAR桩408可以用于将LIDAR物体固定到草坪，同时为LIDAR系统提供可见部分以“看到”院子。可选地，固定和可见部分可以整体形成。从入射在LIDAR桩上的LIDAR单元发射的激光405L将被反射回LIDAR单元222L。许多LIDAR桩，每个都提供狭窄物体的图像，可以串联种植以表示边界，几个物体紧密地组合在一起，或者可选地为单个大物体，例如，假塑料岩石，尺寸约为30厘米(长)×50厘米(宽)×50厘米(高)。割草机上的LIDAR单元将检测由一系列LIDAR桩形成的边界，并且将阻止割草机越过边界。在一些先进实施例中，每个LIDAR桩408可以具有唯一的签名，使得LIDAR单元222L可以将一个LIDAR桩408与另一个进行区分，进而允许控制器202触发特定的操作命令，例如“禁区”或“专用区”。

例如，将在工作表面上操作割草机100的工作表面可能包含游泳池。割草机100不希望与游泳池中的水接触，因为这可能损坏割草机100内的电子器件。这可以围绕游泳池的周界周期性地插入一系列LIDAR桩408以形成边界。割草机上的LIDAR单元222L将检测该边界，并且割草机将不会与封闭在边界内的泳池接触。

如图5所示，光学勘测模块222可以是割草机主体102上的单个LIDAR单元222L。优选地，LIDAR单元222L位于割草机主体102的面向上的表面的中央，因为这允许LIDAR单元222L被定位成使得割草机主体102的其他部分不会阻挡从LIDAR单元222L发出的任何激光。LIDAR单元222L被实现为由马达经由传动机制或皮带驱动。

反过来，自主式割草机100的该实施例包括控制器202，其可以实现为计算设备。控制器可以将电流从电源引导到LIDAR单元的马达。当马达通过其电源供电时，在大多数情况下通过控制器的命令，马达将旋转并因此也使LIDAR单元222L旋转。这使得能够周期性地覆盖从LIDAR单元222L发射的激光脉冲。

前述控制器202还可以用初始化例程228预编程，初始化例程228用于初始定义割草机的工作区域和工作表面。在该初始化过程期间，在该示例性实施例中在割草机主体102上实现的LIDAR单元222L然后可以继续勘测周围环境，并进而在初始化过程期间识别工作区域的边界。边界内的某些表面也可以被分类为要避免的区域或不应该激活刀片马达的表面。在该初始化例程期间由LIDAR单元222L收集的数据然后可以用于构建可以被称为虚拟勘测地图208的地图，该地图可以在割草机100自主操作时使用。

下面参考图8进一步描述初始化例程228的示例。如图8所示，房屋可以具有通过混凝土路径连接的前草坪和后草坪。然后，割草机100上的LIDAR单元222L可以继续勘测周围环境并识别包围前草坪和后草坪的切割周界。控制器可以在该周界内的表面上激活刀片马达。用户可能不希望刀片马达沿着连接前草坪和后草坪的混凝土路径操作；因此割草机穿过混凝土路径所采用的路径被识别为非切割路径。

在执行初始化例程228之后，LIDAR单元222L实时构建动态地图，然后可以将其用于与存储的勘测地图208进行比较，以便识别割草机在勘测地图208上的位置，并基于位置根据需要操作割草机。

可以通过示例来证明该过程的有效性。控制器202可以具有增加刀片在割草机工作区域的特定区域上的高度的命令，使得在该区域上的草比在工作区域的其余部分上的草切割得更长。当割草机穿过其工作区域时，由LIDAR单元222L产生的动态地图与先前生成的勘测地图208进行比较，使得割草机的位置是已知的，因此该命令可以由控制器在工作区域的正确区域上执行。

在一个示例性实施例中，LIDAR的使用可以是用于自主式割草机100的导航和定位的主要传感器。LIDAR，或者也称为LIDAR单元或LIDAR模块，可以包括安装到可旋转基座的激光模块。激光模块包括发射光脉冲或光信号的激光器或LED发送器以及接收反射脉冲或信号的接收器以及用于控制和滤波的其他电子器件。

反过来，接收器捕获的这些脉冲或信号然后可以与激光/LED发送的信号进行比较，并进行处理以确定反射的物体离系统有多远。优选地，控制激光模块的旋转并使其与激光模块的动作同步，从而可以获得LIDAR周围区域的二维地图。

在一个示例中，激光模块和旋转单元的频率确定LIDAR单元的测量灵敏度。在割草机100的一个示例性实施例中，优选地，LIDAR单元将初步被使用，以便创建草坪环境的虚拟地图，因为割草机在初始化过程期间以电子方式围绕草坪边界和所述边界内的任何固定障碍物行走。然后可以将该虚拟地图保存在割草机的存储器或存储器中。

当割草机100被操作以执行自主切割时或在割草机100远离其对接站操作的任何时间，LIDAR系统可被布置成扫描并比较其当前检测的内容与存储的虚拟地图以便确定割草机在已知花园内的位置。在一些示例中，LIDAR还可以用于避障，其中割草机被编程为躲避於地图上检测到不是构建草坪一部分的障碍物。

或者，自主式割草机100的导航和定位可以通过基于相机/视觉传感器的导航方法实现，例如视觉同步定位与地图构建(vSLAM)。

参考图6，其示出了声波障碍物检测模块224的示例，所述声波障碍物检测模块被布置成用自主式割草机100实现。在该示例性实施例中，声波障碍物检测模块224通过将声音导航和测距(SONAR)传感器602放置在割草机100上来实现，以使用声波检测割草机100附近是否有任何障碍物，以协助割草机避开这些障碍物。

在该示例中，声波障碍物检测模块224利用割草机主体102上的多个SONAR传感器602实现。SONAR传感器602发射声波脉冲，其与割草机100前方的周围空间环境中的物体接触。

作为SONAR传感器602的一部分的仪器接收反射脉冲(回波)并测量每个脉冲被反射回SONAR传感器602所花费的时间量。当声速已知时，可以计算物体与SONAR传感器之间的距离。

如图6所示，声波障碍物检测模块202可以包括在割草机主体102上的四个SONAR传感器602。优选地，四个SONAR传感器602可以位于割草机主体的前向表面上，因为这允许传感器602检测前进行进上的障碍物。四个SONAR传感器602被定位成使得割草机主体102的任何部分都不会阻挡从SONAR传感器602发出的任何声音脉冲。

如图6所示，SONAR传感器可以位于割草机主体102的前向表面上，以便在割草机的运动方向上检测位于割草机100前方的物体，尽管也可以在割草机主体102的侧面和后面实施SONAR传感器602。检测可能阻碍割草机100的运动的物体将使控制器能够执行适当的命令以避免与所述物体碰撞。

例如，割草机100操作的工作表面上可能包含物体，例如SONAR传感器602检测到的与割草机100相距一定距离的椅子。控制器202又可以被布置成接收该导航信息，并且在处理该导航信息之后，将生成躲避该障碍物所需的适当命令。这些命令可以包括改变割草机的运动方向，停止割草机的运动，或者根据从传感器接收的信息关闭割草机的切割机制。

SONAR传感器602的导航信息是特别有用的，因为障碍物可能在其操作期间位于割草机100的前面，或者在初始化过程期间可能不被检测到。这是因为割草机100的操作区域(例如院子)可能具有人、动物或其他物体通过，这改变了工作环境中的障碍物的数量。因此，SONAR传感器602能够检测这些障碍物，并且又允许控制器202调节割草机100的操作以适应这些障碍物。SONAR传感器602也可以是有用的，因为它可以被实现为具有短视野，因此传感器602可以安装在割草机的较低位置以观察不足以被LIDAR单元看到的物体。此外，虽然LIDAR单元理论上可以替换SONAR传感器602，但SONAR传感器602可以更便宜地实施，特别是对于割草机的下部，其中避障是有利的。

在一个示例性实施例中，割草机100可以使用围绕单元边缘的多个SONAR模块(SONAR)来防止撞击和/或刮擦侧面突出。例如，位于单元前方并朝向外侧的SONAR用于避障。该SONAR可以被布置成能够识别单元前面的障碍物并通知割草机。然后，割草机可以检查障碍物相对于从割草机的LIDAR系统创建和保存的已知草坪地图(或虚拟地图)的位置，并使用其前面的障碍物的信息以及已知草坪地图的信息来导航/远离物体。

该示例是有利的，因为所描述的这种装置对于许多现有的自主式割草机而言不是标准的，因为大多数当前的割草机使用碰撞传感器来检测物体并改变方向。

优选地，在另一个示例中，割草机100还可以在单元的右侧具有附加的一组SONAR，其与周界切割器的侧面相同。由于一些示例性割草机100可以具有边缘割草功能，其中割草机围绕所绘制的边界的边缘进行追踪并且使用辅助切割机制来修剪比主切割装置更靠近边缘的草。侧面SONAR可以反过来用于测量从割草机边缘到沿着边界的物体(如栅栏)的距离，以便割草机能够靠近物体导航，但避免撞击并因此刮擦割草机的顶盖以保持更好的外观。

参考图7，其示出了惯性测量单元(IMU)模块226的示例，其被布置成用自主式割草机100实现。在该示例实施例中，IMU模块226通过将可移除IMU单元放置在割草机100的主体内来实现，该IMU模块226被布置成通过检测和记录割草机100承受的各种力来测量割草机的移动力。

在该示例中，IMU模块226是割草机100的主体102内可移除的IMU单元。IMU 226检测并记录在割草机100上承受的各种力，包括移动方向、移动力、移动的磁力方位、加速度和陀螺的移动。优选地，IMU 226通过使用至少一个加速计来检测割草机的加速或减速速率，至少一个陀螺仪检测割草机的陀螺移动以及磁力计以检测割草机移动的磁力方位。IMU还可以进一步包括IMU芯片和电源，例如电池，使得当其从割草机100移除时可以继续通电。

如图2所示，IMU模块226连接到控制器202。控制器202可以实现为计算设备，其被布置成接收由IMU模块226检测到的导航信息。在由处理器处理之后，可以基于由IMU模块226提供的导航信息来开发用于操作割草机10的合适命令。

如图7所示，IMU模块226在割草机100的主体内实现为电子部件。IMU模块226由矩形表示，并且IMU的可能位置由箭头指示，其被放置在可移除或锁定在铭牌下方，该铭牌用作进入IMU 226的门。优选地，IMU 226被放置在割草机的可打开的盖子702下方，该盖子向上表面上具有由割草机制造商标志的标记。可打开的盖子将允许进入IMU 226，同时保护IMU 226免受碎屑和湿气的影响。一旦打开盖子，用户就可以通过将其提起以移除IMU 226。

具有可移除IMU 226的割草机100的优点在于IMU 226的校准将更加简单。由于IMU226可以至少检测到单元的加速度和陀螺的移动，因此可能需要在运输之后进行校准，使得其可以针对其整个移动范围进行校准。在这种意义上，通过允许IMU 226可移除，用户可以通过在所有三个维度上移动它来校准割草机的IMU 226，例如通过摇动或移动他们手中的IMU而不必摇动或移动整个自主式割草机100。为了实现这一点，IMU可以仅经由电缆连接到割草机，从而允许用户摇动或移动IMU，尽管在一些示例中，IMU可完全从割草机移除，当IMU完全从割草机主体移除时，IMU可以具有其自己的电源以保持功能，因此它可以具有其自己的电池或电容器以存储用于校准过程的足够电力。

作为示例，用户可能被要求校准IMU 226以作为初始化过程的一部分。用户将从割草机主体102移除IMU 226并以“8字形”图案移动IMU 226，以便为IMU的加速度计和陀螺仪部件提供各种加速度和陀螺仪运动范围以检测和记录。能够为此目的移除IMU是有利的，因为与必须以整个割草机执行相同的更加沉重、笨重且具有潜在危险的动作相比，IMU 226更容易处理和操纵。

参考图8，其示出了自主式割草机100的初始化过程的示例。在该示例中，初始化过程或例程228是一组过程，其可以由用户执行以便初始化割草机100以在工作区域中进行自主操作。

为了初始化割草机100以进行操作，用户可以继续向割草机100教导操作边界。在这样做时，用户可以教导割草机100关于工作区域的位置和定义以及到达工作区域的不同部分所需的任何行进路径。

如该示例所示，用户可以首先沿着一个或多个操作区域的周界手动操作割草机100，以便向割草机教导需要由割草机割草的操作区域。通过使用由用户802操作的手持式控制器804，割草机可以在该模式下操作。在该实施例中，手持式控制器804可以包括多个开关和类似于游戏控制器的操纵杆，其允许用户802沿着操作表面的周界驱动割草机100。这有时可以被称为“遛狗模式”800，其代表用户沿着路径“移动”割草机。

当用户802沿着这些周界驱动割草机100时，处于初始化模式(或称为遛狗模式)的割草机100然后可以操作其导航系统以便连续地创建与其附近环境相关联的导航信息。这可能包括，例如：

-测距模块220记录行进距离以及行进方向；

-IMU 226测量行进方向；

-声波障碍物检测模块224检测障碍物，记录这些障碍物的位置；

-光学勘测模块222在勘测割草机周围的邻近区域并记录障碍物、LIDAR桩等的位置以创建割草机周围区域的虚拟地图；以及

-可以有助于改进导航信息的任何其他导航模块或传感器(例如GPS等)。

一旦创建了该导航信息，割草机100就可以存储该导航信息以供在自主操作中使用。该存储的导航信息可以是虚拟地图的形式，然后割草机100可以利用导航系统在割草机操作期间实时获得的新导航信息来处理割草机100，以便在操作时设计割草机100的位置。

在一个示例中，如图8所示，用户可以首先通过围绕其操作区域“遛狗”800割草机100来开始初始化过程，以便定义割草机100将在其中操作的操作区域。如可以看到的，用户的家可以包括前草坪810和后草坪812，在前草坪和后草坪之间具有混凝土路径814。在这种情况下，用户可以通过首先从割草机对接站816控制割草机100来启动遛狗过程800，割草机对接站816是割草机100可以从其操作的基座。该对接站816可以为割草机提供基座并且可以提供若干功能，包括诊断、到外部设备的连接和再充电能力。

一旦用户启动遛狗过程800，用户可以将割草机100从对接站816驱动到工作区域的周界818并在手持式控制器804上选择以开始记录周界818。然后用户可以围绕其后草坪812的周界818驱动割草机，作为示例，并反过来允许后草坪812被割草机100标记为第一工作区域。在此期间，割草机100连续操作其导航系统以便勘测第一工作区域，包括周界818的行进距离、行进方向以及可以用作辅助其导航的参考的任何障碍物，例如对接站816、车库820和房屋822。

然后，用户可以将割草机驱动到混凝土路径814上，以便将割草机100朝向前草坪810移动，以便为割草机100设置第二工作区域。在该示例中，用户然后可以沿着混凝土路径驱动割草机816朝向前草坪810并且同时将割草机设置为行进模式，同时割草机在混凝土路径814上。该行进模式将设定割草机行进的该路径用于将割草机运送到第二工作区域并且因此，割草机100的刀片不需要通电(因为在混凝土路径上移动期间没有需要切割的草)。这是有利的，因为如果混凝土路径814具有一定距离，则可以节省电力，从而延长割草机100的操作以及随着刀片的操作最小化而增强割草机100的安全性。在其通过混凝土路径行驶期间，割草机100连续地激活其导航系统，以便勘测到其第二操作区域(前草坪810)的路径周围的区域。

一旦割草机到达前草坪810，用户就可以沿着前草坪的周界818驱动割草机，以便设置前草坪810的工作区域。以与后草坪812类似的方式，割草机再次使用其导航系统勘测其周围区域。

在定义工作区域之后，用户然后可以将割草机100驱动回其对接站816，对接站816从而记录割草机100的返回路径。然而，当割草机的导航系统可以勘测其周围区域时，因为当用户已经将割草机从对接站816驱动到前草坪810时，其先前已经记录了其行进路径，所以能够找到其返回对接站816的路径。

参考图9，这提供了示出自主式割草机100的初始化过程的处理流程的框图。如该图所示，用户可以开始向割草机发出命令以驱动割草机。控制器202接收(902)并处理(904)这些命令，以沿着表面驱动割草机100。

同时，操作导航系统(906)，以便在其初始化过程期间连续地勘测和记录割草机的任何导航信息。然后，导航系统可以激活其每个导航模块910(IMU、测距、SONAR、LIDAR和其他传感器)以记录这样的导航信息(908)，当割草机进入自主操作时，该导航信息可用于导航目的。

参考图10，这提供了自主式割草机100的图示，其包括：割草机主体102，其具有至少一个马达，该马达被布置成驱动切割刀片212b并经由轮装置在操作表面上推进割草机主体102，其中，割草机主体102包括导航系统204，该导航系统204被布置成协助控制器202控制割草机主体102在预定操作区域内的操作；以及电池模块1000，其被布置成为马达提供电源；其中电池模块1000被放置在后割草机主体102内的较低位置。

在如图10所示的该实施例中，电池模块1000设置在自主式割草机100在后割草机主体102内靠近两个后轮并位于两个后轮之间的较低位置处。电池模块1000由搁置在割草机主体102上并且相对于操作表面以倾斜角度定位的电池座1010容纳。例如，电池模块1000的一端向下并朝向割草机主体102的后端突出，使得用户可以通过下后割草机主体102的开口接近电池模块1000。

优选地，割草机主体还设置有电池盖1020，以封闭割草机主体102的开口，从而防止任何灰尘或切割的草进入割草机主体102的内部。电池盖1020可以通过诸如螺钉的连接装置1030牢固地固定到割草机主体102。

参考图11至13，这提供了一种自主式割草机100的图示，其包括：割草机主体102，其具有至少一个马达，该马达被布置成驱动切割刀片212b并经由轮装置在操作表面上推进割草机主体102，其中，割草机主体102包括导航系统204，该导航系统204被布置成协助控制器202控制割草机主体102在预定操作区域内的操作；其中割草机主体102还包括高度调节系统1100，其被布置成协助控制器202控制切割刀片212b在预定操作高度内的操作。

在如图11至13所示的该实施例中，自主式割草机100包括高度调节系统1100，高度调节系统1100包括高度调节马达1110、由高度调节马达1110驱动的蜗杆轴1120、微动开关1130和霍尔传感器1140。优选地，马达1110可以沿顺时针或逆时针方向操纵蜗杆轴1120的旋转方向，使得切割刀片212b相对于操作表面的高度可以间接地由马达1110操纵。

马达1110可以固定到割草机主体102并且在整个高度调节操作中保持静止。例如，当蜗杆轴1120沿顺时针方向旋转时，切割刀片212b可朝向操作表面移动，另一方面，当蜗杆轴1120沿逆时针方向旋转时，切割刀片212b可进一步远离操作表面移动。

可选地，可以通过使用环形结构1150来增强马达1110和切割刀片212b之间通过蜗杆轴1120的机械传动。在该实施例中，环形结构1150优选地包括多个套管1152，例如，由聚甲醛(POM)制成、多个线性轴承1156或其组合，用于支撑高度调节系统1100。有利地，线性轴承1156可以抵消由蜗杆轴1120和相对的支撑件之间的距离引起的扭转力。

在一个实施例中，多个套管1152可以围绕刀片马达212设置。多个通孔1154可以优选地等距地设置用于接收这些套管1152，并且至少一个线性轴承1156可以围绕衬套1152的与蜗杆轴1120相对的下端设置。在高度调节操作期间，环形结构1150可以加固蜗杆轴1120，使得马达1110的旋转力被稳定地转换成横向力而没有任何振动或至少具有极小振动。

尽管蜗杆轴1120相对于高度调节系统1100的中心轴线偏心地定位，但是它可能不可避免地对高度调节系统1100施加侧向负载，由于弯曲的力矩，线性轴承1156可以有利地减小轴1120和环形结构1150之间的摩擦。因此，马达1110的旋转力被稳定地转换成横向力而不将弯曲的力矩传递到高度调节系统1100。

在如图13所示的该实施例中，微动开关1130设置在刀片马达212上，细长部分1132进一步远离刀片马达212并朝向内割草机主体102延伸。优选地，霍尔传感器1140设置在马达1110的顶部，用于检测微动开关1130的细长部分1132的存在，从而确定切割刀片212b是否已经达到相对于操作表面的最大高度。有利地，霍尔传感器1140可以进一步导出马达1110达到预定的期望操作高度所需的转数，并且进而协助控制器202控制切割刀片212b的操作。

可选地，微开关1130和霍尔传感器1140的组合可以由例如光电传感器的传感器代替。例如，光电传感器可以在检测到细长部分1132的存在时，或者在没有细长部分1132的情况下，向高度调节系统1100提供信号，指示切割刀片212b的高度位置。本领域技术人员还可以理解，传感功能可以通过其他可选传感装置实现。

参考图14，这提供了自主式割草机100的图示，其包括：割草机主体102，其具有至少一个马达，该马达被布置成驱动切割刀片212b并经由轮装置在操作表面上推进割草机主体102，其中，割草机主体102包括导航系统204，该导航系统204被布置成协助控制器202控制割草机主体102在预定操作区域内的操作；其中切割刀片212b可枢转地连接到马达驱动盘211并由其驱动。

在如图14所示的该实施例中，自主式割草机100还包括马达驱动盘211、多个切割刀片212b(例如，多个剃须刀片)通过特定装置附接到马达驱动盘211的外周。剃刀刀片通过特定的布置连接到电动盘211的外圆周上。在这种布置中，切割刀片212b安装在马达驱动盘211上，其间具有垫片213，使得切割刀片212b不固定并允许一定程度的自由旋转。

例如，切割刀片212b可以通过马达驱动盘211在与马达/马达驱动盘211的旋转方向相对应的第一方向上摆动，即，向外摆动以进行切割操作，或者，如果切割刀片212b接触任何障碍物，则沿与马达/马达驱动盘211的第一方向或旋转方向相反的第二方向摆动，即向内摆动并远离障碍物。

特别地，这比传统的割草机有利，在传统的割草机中，待修剪的物体被具有高刚度的障碍物包围。在这种情况下，通过允许切割刀片212b来回摆动，这种装置用作弹性装置，用于阻尼由障碍物施加在切割刀片212b上的冲击力，使得切割刀片212b可以向内摆动而不会通过接合机制，即切割刀片212b和马达驱动盘211之间的垫片213吸收该作用力。

随后，切割刀片212b可以通过马达驱动盘211的离心力朝向待修剪物体摆动。这确保了在整个修剪操作期间保持切割刀片212b的期望取向，使得切割刀片212b上的锋利边缘总是面向/垂直于待修剪的物体。

传统的割草机需要频繁调整切割刀片的取向，并且最坏的情况是，在短的操作周期后更换将切割刀片固定到马达驱动盘的螺钉，本实施例提供增强的修剪体验，例如，与传统的割草机相比，使用寿命更长、维护或维修更少。

参考图15，这提供了自主式割草机100的图示，其包括：割草机主体102，其具有至少一个马达，该马达被布置成驱动切割刀片212b并经由轮装置在操作表面上推进割草机主体102，其中，割草机主体102包括导航系统204，该导航系统204被布置成协助控制器202控制割草机主体102在预定操作区域内的操作；其中割草机主体102还包括切割器模块1500，切割器模块1500被布置成修剪预定操作区域的边缘。

在如图15所示的该实施例中，自主式割草机100包括切割器模块1500，其包括用于修剪预定操作区域的边缘的周界切割器1510，以及用于使切割器模块1500与割草机主体102接合的锁定机制1520。例如，锁定机制1520可在切割器模块1500上提供雄性配合部分1522，用于与设置在割草机主体102上的雌性配合部分1524接合，例如，定位在割草机主体102的下方并且与切割刀片212b的操作圆周相邻，使得割草机主体102和切割器模块1500电连通。

有利地，锁定机制1520还可以提供按钮1526以使雄性配合部分1522与雌性配合部分1524脱离接合，从而立即从割草机主体102移除切割器模块1500。可选地，可以进一步提供盖子1530，以用于当没有切割器模块1500的情况下操作割草机100时封闭雌性配合部分1524。

参考图16，这提供了自主式割草机100的图示，其包括：割草机主体102，其具有至少一个马达，该马达被布置成驱动切割刀片212b并经由轮装置在操作表面上推进割草机主体102，其中，割草机主体102包括导航系统204，该导航系统204被布置成协助控制器202控制割草机主体102在预定操作区域内的操作；其中切割刀片212b的至少一部分被刀片护罩1600包围。

在如图16所示的该实施例中，自主式割草机100包括用于包围切割刀片212b的刀片护罩1600。在刀片护罩1600的前边缘上，其基本上垂直于自主式割草机100的操作方向，在两个前轮之间设置有齿梳1610，用于在被切割刀片212b修剪之前梳理待割草坪。有利地，齿梳1610可以通过尺寸过大的物体以最小化割草操作中不期望的中断，从而在一定程度上提高切割操作的效率。可选地，还可以在刀片护罩1600的侧边缘上设置多个保护肋1620，以防止任何不期望的物体从侧面方向到达切割刀片212b。

参考图17至20，这提供了一种自主式割草机100的图示，其包括：割草机主体102，其具有至少一个马达，该马达被布置成驱动切割刀片212b并经由轮装置在操作表面上推进割草机主体102，其中，割草机主体102包括导航系统204，该导航系统204被布置成协助控制器202控制割草机主体102在预定操作区域内的操作；池模块1000，其被布置成为马达提供电源；以及可拆卸对接模块900，其被布置成向电池模块1000提供电池充电。

在如图17至18所示的该实施例中，自主式割草机100包括用于向马达提供电力供应的电池模块1000，与用于对电池模块1000充电的电源插头电连通的可拆卸对接模块900，以及用于参考对接模块900的位置来定位割草机100的导航系统204。有利地，在完成割草机操作时或者如果在操作的中段电池模块1000的电力水平低，则导航系统204可以通过“对接”过程将割草机100指引或引导到对接模块900，使得一旦割草机100被对接模块900接收，可以关闭割草机100和/或可以对电池模块1000进行再充电。

优选地，导航系统204可以包括成像模块205，例如，网络摄像机205用于获得与对接模块900的位置相关联的信息。另一方面，对接模块900可以向成像模块205提供表示对接模块900的位置的指示910。优选地，指示910可以在对接模块900上的可见区域处以图形表示来表示(如图19所示)，从而允许成像模块205捕获指示910，并且通过基于捕获指示910的旋转和失真的图像处理来计算割草机100相对于对接模块900的当前位置。可选地，每个指示910可以提供唯一ID，使得一个割草机100可以仅与一个指定的对接模块900进行映射。

或者，导航系统204可包括光学勘测模块222，用于获得与对接模块900的位置相关联的信息。例如，光学测量模块222可以是前述单个LIDAR单元222L。优选地，LIDAR单元222L可扫描并勘测割草机100周围的附近区域，以设计预定操作区域的勘测表示。然后，光学勘测模块222可以将目标LIDAR物体与具有与对接模块900最接近的尺寸的感测到的LIDAR物体进行映射，从而定位对接模块900的位置，或者参考对接模块900的位置确定割草机100的当前位置。

在如图20所示的另一个实施例中，导航系统204可以包括感应线系统240，用于获得与可拆卸对接模块900的位置相关联的信息。例如，感应线系统240可包括定位在割草机100内的任何期望位置处的多个传感器242、244和246。另一方面，对接模块900可以提供用于在电磁通信中与传感器242、244和246通信的核心248(未示出)。优选地，感应线系统240可以基于传感器242、244,246和核心248之间的电磁通信以重复的方式计算割草机100相对于对接模块900的当前位置，从而在对接过程中为割草机100提供对接协助。

尽管不是必需的，但是参考附图描述的实施例可以实现为应用程序编程接口(API)或者作为一系列库供开发人员使用或者可以包括在另一个软件应用程序中，例如终端或个人计算机操作系统或便携式计算设备操作系统。通常，由于程序模块包括协助执行特定功能的例程、程序、对象、组件和数据文件，本领域技术人员将理解，软件应用程序的功能可以分布在多个例程、对象或组件上以实现本文所需的相同功能。

还应当理解，在本发明的方法和系统完全由计算系统实现或部分由计算系统实现的情况下，可以使用任何适当的计算系统架构。这将包括独立计算机、网络计算机和专用硬件设备。在使用术语“计算系统”和“计算设备”的情况下，这些术语旨在涵盖能够实现所描述的功能的计算机硬件的任何适当布置。

本领域技术人员将理解，在不脱离广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对具体实施方案中所示的本发明进行多种变化和/或修改。因此，本发明的实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。

除非另有说明，否则对本文包含的现有技术的任何引用不应视为承认该信息是公知常识。

Claims (28)

1.一种自主式割草机，包括：

-割草机主体，所述割草机主体具有至少一个马达，所述马达被布置成驱动切割刀片并经由轮装置在操作表面上推进所述割草机主体，其中，所述割草机主体包括导航系统，所述导航系统被布置成协助控制器以控制所述割草机主体在预定操作区域内的操作，其中：

所述导航系统包括多个导航模块，每个导航模块被布置成获得与所述割草机的导航相关的导航信息，并且

所述多个导航模块包括惯性测量单元，并且所述惯性测量单元能够从所述割草机主体移除以供用户进行物理操纵，其中，所述惯性测量单元被配置为当所述惯性测量单元从所述割草机主体移除时保持功能。

2.如权利要求1所述的自主式割草机，其特征在于，当所述惯性测量单元被移除以进行物理操纵时，所述惯性测量单元经由电缆连接到所述割草机。

3.如权利要求1所述的自主式割草机，其特征在于，所述导航信息进一步由所述控制器处理以控制所述割草机的所述操作。

4.如权利要求3所述的自主式割草机，其特征在于，所述导航信息包括以下至少一项：所述割草机的轮装置行进的距离和方向、所述预定操作区域的勘测表示、靠近所述割草机的障碍物的位置以及所述割草机的方向和加速度。

5.如权利要求1所述的自主式割草机，其特征在于，所述导航系统包括测距模块，所述测距模块被布置成跟踪所述割草机主体在所述操作表面上的移动；

其中，所述测距模块被布置成通过确定所述轮装置的至少一个轮的旋转距离来跟踪所述割草机主体在所述操作表面上的移动；

其中，所述测距模块包括一个或多个传感器，所述传感器被布置成检测轮装置的所述至少一个轮的旋转速率；

其中，将所述至少一个轮的旋转速率应用于传动比以确定所述至少一个轮的旋转距离。

6.如权利要求1所述的自主式割草机，其特征在于，所述惯性测量单元被配置为当所述惯性测量单元从所述割草机主体移除时保持功能，以允许当所述惯性测量单元从所述割草机主体移除时通过用户的物理操纵校准所述惯性测量单元。

7.如权利要求1所述的自主式割草机，其特征在于，所述惯性测量单元被配置为位于所述割草机主体的面向上的表面上的隔室中。

8.如权利要求7所述的自主式割草机，其特征在于，所述隔室和所述惯性测量单元被配置为被可打开的盖子覆盖，所述可打开的盖子被配置为保护所述惯性测量单元免受外部元素的影响并被配置为允许进入所述惯性测量单元。

9.如权利要求8所述的自主式割草机，其特征在于，所述可打开的盖子具有由所述自主式割草机制造商标志的标记。

10.如权利要求5所述的自主式割草机，其特征在于，所述一个或多个传感器被设置在相应的驱动马达上，所述驱动马达被布置成驱动所述轮装置的一对相对轮；

其中，所述测距模块被布置成与设置在每个驱动马达上的所述一个或多个传感器通信以确定所述一对相对轮中的每一个的旋转距离和方向；并且

其中，所述测距模块被布置成将所述一对相对轮中的每一个的旋转距离和旋转方向传输到所述导航系统。

11.如权利要求1所述的自主式割草机，其特征在于，所述导航系统包括光学勘测模块，所述光学勘测模块被布置成扫描并勘测所述割草机周围的附近区域以设计所述预定操作区域的勘测表示；并且

其中，所述光学勘测模块还被布置成使用光学装置来扫描和勘测所述割草机周围的附近区域。

12.如权利要求11所述的自主式割草机，其特征在于，所述光学勘测模块被放置在所述割草机主体上的升高位置处；并且

其中，所述光学勘测模块是光检测和测距(LIDAR)单元。

13.如权利要求1所述的自主式割草机，其特征在于，所述导航系统还包括声波障碍物检测模块，其被布置为使用声波来检测所述割草机附近的障碍物；并且

其中，所述声波障碍物检测模块是声纳单元。

14.如权利要求1所述的自主式割草机，其特征在于，所述惯性测量单元被配置成测量和记录在所述割草机上承受的物理力量。

15.如权利要求1所述的自主式割草机，其特征在于，所述惯性测量单元包括当所述惯性测量单元从所述割草机主体移除以进行物理操纵时能够与所述惯性测量单元一起从所述割草机主体移除的其自己的储能设备。

16.如权利要求1所述的自主式割草机，其特征在于，所述导航系统还包括以下中的至少一个：被布置成提供包括GPS坐标的导航信息的传感器、陡度传感器、水传感器、雨水传感器、光传感器、通信模块和边缘传感器。

17.一种用于导航自主式割草机的系统，包括：

-所述自主式割草机内的多个导航模块，每个导航模块被布置成获得与所述自主式割草机的导航相关的单独的导航信息；

其中，所述多个导航模块在初始化模式期间操作以生成所述割草机的操作区域的虚拟表示；

其中，在所述割草机的操作期间，当所述割草机操作时，利用由所述多个导航模块获得的导航信息处理所述操作区域的所述虚拟表示；并且

其中，所述多个导航模块包括惯性测量单元，并且所述惯性测量单元能够从所述割草机主体移除以供用户进行物理操纵，其中，所述惯性测量单元被配置为当所述惯性测量单元从所述割草机主体移除时保持功能。

18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，当操作期间所述割草机正在操作以定位和导航所述割草机时，将所述操作区域的所述虚拟表示与由所述多个导航模块获得的所述导航信息进行比较。

19.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述多个导航模块包括测距模块，所述测距模块被布置成通过确定所述自主式割草机的轮装置的至少一个轮的旋转距离来跟踪所述自主式割草机的所述割草机主体在操作表面上的移动。

20.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述多个导航模块包括光学勘测模块，所述光学勘测模块被布置成扫描并勘测所述割草机周围的附近区域以设计所述操作区域的勘测表示。

21.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述多个导航模块包括声波障碍物检测模块，所述声波障碍物检测模块被布置成使用声波来检测所述割草机附近的障碍物。

22.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述多个导航模块包括所述惯性测量单元，所述惯性测量单元被布置成测量并记录在所述割草机上承受的物理力量。

23.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述初始化模式由所述用户执行以定义所述割草机的所述操作区域。

24.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述自主式割草机的操作区域通过所述用户控制所述割草机围绕所述操作区域的周界来限定。

25.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述惯性测量单元被配置为当所述惯性测量单元从所述割草机主体移除时保持功能，以允许当所述惯性测量单元从所述割草机主体移除时通过用户的物理操纵校准所述惯性测量单元。

26.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述惯性测量单元被配置为位于所述割草机主体的面向上的表面上的隔室中；并且

所述隔室和所述惯性测量单元被配置为被可打开的盖子覆盖，所述可打开的盖子被配置为保护所述惯性测量单元免受外部天气的影响并被配置为允许进入所述惯性测量单元。

27.如权利要求26所述的系统，其特征在于，所述可打开的盖子具有由所述自主式割草机制造商标志的标记。

28.如权利要求17所述的系统，其特征在于，所述惯性测量单元包括当所述惯性测量单元从所述割草机主体移除以进行物理操纵时能够与所述惯性测量单元一起从所述割草机主体移除的其自己的储能设备。

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