CN109782770A - 一种割草机自主充电的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种割草机自主充电的方法，包括：通过导航定位系统，行走至所述充电桩附近的范围内；采集周围环境信息，识别出充电桩所在的位置；分析激光雷达采集的信息，行走至充电桩中心正对的指定位置；判断所述割草机是否正对所述充电桩中心位置，若没有则需要进行姿态调整，以自身为轴心原地转动，使自身正对充电桩；激光雷达在割草机走进充电桩过程中不定时采集充电桩周围信息，判断所述割草机相对于所述充电桩中心位置是否有偏移，若有偏移，则进行姿态微调，直到所述割草机充电端口插入充电桩。本发明不易受到干扰信号的干扰，覆盖范围广，设备布置简单方便，可以引导割草机准确迅速地进入充电桩进行充电。

Description

一种割草机自主充电的方法

技术领域

本发明属于机器人领域，尤其涉及一种基于激光雷达的引导割草机自主充电的方法。

背景技术

智能割草机是一种可以代替人们实现自主割草的割草机。在承担繁重复杂的割草任务的同时，也不需要人过多的控制，能够高效、完美地自主完成人类所布置的任务，节省了人力和物力资源，也大大节省了人们的时间。

在自主割草的过程中，割草机会消耗大量的电量，在工作的中途出现电量不足的情况。为了实现更好的自主性，割草机需要在没有人为帮助的情况下自动进入充电桩，实现自主充电。由于割草机的工作范围比较广，当割草机在距离充电桩较远的位置时，直接从远处进行引导割草机到达充电桩的难度比较大，很难实现。一般将割草机回到充电桩进行充电的过程分为两个部分：第一部分是割草机行走至充电桩附近区域，这个过程不需要精密的控制，割草机只需到达附近的一片区域即可；第二部分是将割草机通过精确引导使其走进充电桩，这一部分对精确度的要求较高。

在现行的充电方法中，较为主流的有电子围栏引导、超声波引导、机器视觉引导等方法。其中电子围栏引导的灵活性较差，针对不同的环境需要布设不同的围栏，而且极易损坏，维护困难，尤为重要的是，电子围栏引导极易受到电磁干扰的影响，不能保证相应的精度需求。超声波引导的方式受户外外界环境干扰较大，在外界环境复杂时，精确性很难得到保证。机器视觉的方法需要摄像头不断采集周围的环境图像，以此来判断充电桩的位置，这种方式硬件成本高，算法复杂，不适用于低成本的割草机。

综上,现有技术中智能割草机的自主充电方法主要存在灵活性较差，覆盖范围小，受外界环境影响较大，精确性难以保证，且成本较高的问题。

发明内容

发明目的：本发明提供一种设备布置方便，受户外环境影响小，覆盖范围广，成本低，能让割草机快速准确地进入充电桩充电的割草机自主充电的方法。

技术方案：所述的自主充电的方法，包括割草机和充电桩，在割草机的正上方设置激光雷达，充电桩背部紧靠一块平板；其自主充电方法包括如下步骤：

(1)所述割草机通过自身导航定位系统，行走至所述充电桩附近的范围内；

(2)所述割草机上的激光雷达采集周围环境信息，识别出充电桩所在的位置；

(3)所述割草机分析激光雷达采集的信息，行走至充电桩中心正对的指定位置；

(4)判断所述割草机是否正对所述充电桩中心位置，若没有则需要进行姿态调整，以自身为轴心原地转动，使自身正对充电桩；若割草机正对所述充电桩中心位置，则走进充电桩；

(5)激光雷达在割草机走进充电桩过程中要不定时采集充电桩周围信息，判断所述割草机相对于所述充电桩中心位置是否有偏移，若有偏移，则进行姿态微调，直到所述割草机充电端口插入充电桩。

进一步，所述的平板的面积要大于充电桩背部面积。

进一步，在步骤(3)中，所述割草机根据分析激光雷达采集的信息确定自身相对于充电桩中心的位置，割草机旋转使其割草机车头指向指定位置。

进一步，所述的割草机相对于充电桩中心位置的位置表达关系式为：

当割草机位于充电桩左侧时，α_start>90°，此时割草机在xy方向的坐标为：

y_mower＝L_vertical＝L_start·sin(180-α_start)

当割草机位于充电桩右侧时，α_end>90°，此时割草机在xy的坐标为：

y_mower＝L_vertical＝L_start·sin(180-α_end)

当α_start、α_end均小于90°，此时割草机在xy的坐标为：

y_mower＝L_vertical＝L_start·sin(180-α_end)

式中，L_start和L_end分别为割草机到充电桩起始点和结束点的距离，α_start和α_end分别为割草机到充电桩起始点和结束点的直线与充电桩平面的夹角，L_vertical为割草机距离充电桩平面的垂直距离，L_ChargePile为充电桩的长度，L_ToStartpoint和L_ToEndpoint分别为在平行于充电桩平面的方向上，割草机距离充电桩起始点和结束点的距离。

进一步，所述的割草机旋转的角度的关系表达式为：

式中α_ToY为割草机当前正对方向转到垂直充电桩方向需要转过的角度，α_{SuitablePoint}为平行于充电桩平台方向到割草机正对合适位置的方向需要转过的角度，α₁为割草机从当前正对方向转到正对充电桩起始点需要转过的角度，α_YtoStart为割草机从Y轴负方向转向正对充电桩起始点需要转过的角度。

进一步，在步骤(5)中，如果割草机到充电桩起始点的距离与割草机到充电桩结束点的距离之差大于割草机设定的阈值，则割草机向左转5度；如果割草机到充电桩结束点的距离与割草机到充电桩起始点的距离之差大于割草机设定的阈值，则割草机向右转5度。

进一步，所述的激光雷达为二维激光雷达。

进一步，所述的充电桩附近的范围为在充电桩附近5米的区域。

有益效果：本发明使用激光雷达识别充电桩，受外界环境影响小，准确度高，识别的覆盖范围广，降低了割草机行走至充电桩附近的难度。同时由于激光雷达安装在割草机机身上，安装方便灵活，不需要根据不同的场景重新布置，能更简单更准确地引导割草机走进充电桩实现自主充电。

附图说明

图1为本发明的充电桩的示意图；

图2为割草机自主充电方法的流程图；

图3为激光雷达扫描充电桩几何示意图；

图4为充电桩中心正对合适位置示意图；

图5为智能割草机走到合适位置示意图；

图6为智能割草机调整车头方向至对准充电桩示意图；

图7为割草机自主调整走入充电桩算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明的割草机自主充电的方法，包括割草机和充电桩，在割草机的正上方设置激光雷达，且零度角正对割草机的车头；充电桩背部紧靠一块平板，平板的面积要大于充电桩背部。

图2为本发明的割草机自主充电方法流程图，如图2所示，该自主充电方法包括如下步骤：

S1、所述割草机通过自身携带的导航定位系统，主要是GPS导航定位系统，行走至所述充电桩附近合适的范围内。这个范围以在充电桩附近5m区域为宜。距离太近会因为激光雷达的扫描盲区而无法扫描到充电桩，或者导致割草机碰撞充电桩而无法调整姿态；距离太远会超过激光雷达扫描极限，使割草机无法感知充电桩的位置。

S2、所述割草机上的激光雷达采集周围环境信息，优选使用的激光雷达是二维激光雷达，雷达扫描一圈周围环境，将扫描到的障碍物的距离以点的形式显示出来，所以识别充电桩需要将其与周围环境区分开来。如图1所示，在充电桩背部贴上背景板，充电桩平台上有一定的厚度，当激光雷达扫描到背景板——充电桩——背景板这样一个跃变的时候，就可以认为识别出充电桩。

S3、所述割草机分析采集的激光雷达信号，确定自身相对于充电桩中心的位置。假设割草机运动至如图3所示的位置，即充电桩左侧的位置，通过激光雷达，我们可以读取图3中α₁，α₂，L₁,L₂的值，其中，A为激光雷达扫描到充电桩的起始点，B为激光雷达扫描到充电桩的结束点，α₁和α₂分别为垂直于充电桩的方向转到正对A、B两点需要转过的角度，L₁和L₂分别为割草机到A、B两点的距离。则A、B两点之间对应的夹角为β＝α₂-α₁，A、B两点之间的距离L_charge可以通过余弦定理求得，确定位置后，割草机需要行走至正对充电桩中心位置的地方，在正对充电桩中心位置的直线上寻找一个适当位置，不能距离充电桩太远，也不能距离充电桩太近，本例中选取充电桩中心位置2m处为适当位置，如图4所示。本例中割草机、充电桩和合适位置之间的关系如图5所示，以充电桩中心位置为坐标原点建立如图5的坐标系，可以求得割草机所在位置的坐标，在由激光雷达可以得到L_start、L_end、α₁、α₂的情况下α_start、α_end可以通过解三角形求得，其中L_start和L_end分别为割草机到充电桩起始点和结束点的距离，α₁和α₂分别为割草机从当前正对方向转到正对充电桩起始点和结束点需要转过的角度，α_start和α_end分别为割草机到充电桩起始点和结束点的直线与充电桩平面的夹角。

当割草机位于充电桩左侧时，α_start>90°，此时割草机的坐标为：

y_mower＝L_vertical＝L_start·sin(180-α_start)

当割草机位于充电桩右侧时，α_end>90°，此时割草机的坐标为：

y_mower＝L_vertical＝L_start·sin(180-α_end)

而对于α_start、α_end均小于90°的情况y的计算方法仍与上述一致，而x的计算方法如下：

其中，L_vertical为割草机距离充电桩平面的垂直距离，L_ChargePile为充电桩的长度，L_ToStartpoint和L_ToEndpoint分别为在平行于充电桩平面的方向上，割草机距离充电桩起始点和结束点的距离。

在确定割草机的位置以后，割草机需要旋转一定的角度，行走一定的距离，到达指定的合适位置。由图5可以看出，割草机车头要指向指定位置，需要转过的角度为α_ToY+90°+α_{SuitablePoint}，其中α_ToY为割草机当前正对方向转到垂直充电桩方向需要转过的角度，α_{SuitablePoint}为平行于充电桩平台方向到割草机正对合适位置的方向需要转过的角度，α_YtoStart为割草机从Y轴负方向转向正对充电桩起始点需要转过的角度。

而割草机需要行走的距离为：

在得到上述转角和距离后，割草机便可自主走向预先设置的合适点。

S4、所述割草机若没有正对所述充电桩中心位置，则需要进行姿态调整，以自身为轴心原地转动，使自身正对充电桩，这个状态如图6所示，其中α_ToCenter为割草机运动至合适位置时正对方向到正对充电桩中心位置需要转过的角度。通过激光雷达采集数据，我们可以得到图6中α₁、α₂的数据，则当α_ToCenter>180°时，令 当α_ToCenter<0时，左转α_ToCenter度，当α_ToCenter>0，右转|α_ToCenter|度。转过相应角度之后，此时车头已经正对充电桩。

S5、所述割草机开始自主走近充电桩，在这个过程中采取的方法是直行一小段矩离l，雷达开始扫描周围充电桩，如果L_start-L_end>value，表明此时割草机偏右，则割草机向左转5度；如果L_end-L_start>value，表明此时割草机偏左，则割草机向右转5度(其中value为阈值，在理论上应该为0，这里取为0.2m)。如此调节直到智能割草机充电端口插入充电桩，充电开始，如图7所示的流程图。其实在进入充电桩时，便有限位卡槽进行限位，可以保证割草机能够对准充电口进行充电。

Claims (8)

1.一种割草机自主充电的方法，包括割草机和充电桩，在割草机的正上方设置激光雷达，充电桩背部紧靠一块平板；其自主充电方法包括如下步骤：

(1)所述割草机通过自身导航定位系统，行走至所述充电桩附近的范围内；

(2)所述割草机上的激光雷达采集周围环境信息，识别出充电桩所在的位置；

(3)所述割草机分析激光雷达采集的信息，行走至充电桩中心正对的指定位置；

(4)判断所述割草机是否正对所述充电桩中心位置，若没有则需要进行姿态调整，以自身为轴心原地转动，使自身正对充电桩；若割草机正对所述充电桩中心位置，则走进充电桩；

(5)激光雷达在割草机走进充电桩过程中要不定时采集充电桩周围信息，判断所述割草机相对于所述充电桩中心位置是否有偏移，若有偏移，则进行姿态微调，直到所述割草机充电端口插入充电桩。

2.根据权利要求1所述的割草机自主充电的方法，其特征在于：所述的平板的面积要大于充电桩背部面积。

3.根据权利要求1所述的割草机自主充电的方法，其特征在于：在步骤(3)中，所述割草机根据分析激光雷达采集的信息确定自身相对于充电桩中心的位置，割草机旋转使其割草机车头指向指定位置。

4.根据权利要求3所述的割草机自主充电的方法，其特征在于：所述的割草机相对于充电桩中心位置的位置表达关系式为：

当割草机位于充电桩左侧时，α_start>90°，此时割草机在x，y方向的坐标为：

y_mower＝L_vertical＝L_start·sin(180-α_start)

当割草机位于充电桩右侧时，α_end>90°，此时割草机在xy方向的坐标为：

y_mower＝L_vertical＝L_start·sin(180-α_end)

当α_start、α_end均小于90°，此时割草机在x，y方向的坐标为：

y_mower＝L_vertical＝L_start·sin(180-α_end)

式中，y_mower为割草机在y方向的坐标，x_mower为割草机在x方向上的坐标，L_start和L_end分别为割草机到充电桩起始点和结束点的距离，α_start和α_end分别为割草机到充电桩起始点和结束点的直线与充电桩平面的夹角，L_vertical为割草机距离充电桩平面的垂直距离，L_ChargePile为充电桩的长度，L_ToStartpoint和L_ToEndpoint分别为在平行于充电桩平面的方向上，割草机距离充电桩起始点和结束点的距离。

5.根据权利要求4所述的割草机自主充电的方法，其特征在于：所述的割草机旋转的角度的关系表达式为：

式中，α_ToY为割草机当前正对方向转到垂直充电桩方向需要转过的角度，α_{SuitablePoint}为平行于充电桩平台方向到割草机正对合适位置的方向需要转过的角度，α₁为割草机从当前正对方向转到正对充电桩起始点需要转过的角度，α_YtoStart为割草机从Y轴负方向转向正对充电桩起始点需要转过的角度。

6.根据权利要求1所述的割草机自主充电的方法，其特征在于：在步骤(5)中，如果割草机到充电桩起始点的距离与割草机到充电桩结束点的距离之差大于割草机设定的阈值，则割草机向左转5度；如果割草机到充电桩结束点的距离与割草机到充电桩起始点的距离之差大于割草机设定的阈值，则割草机向右转5度。

7.根据权利要求1所述的割草机自主充电的方法，其特征在于：所述的激光雷达为二维激光雷达。

8.根据权利要求1所述的割草机自主充电的方法，其特征在于：所述的充电桩附近的范围为在充电桩附近5米的区域。