CN109946646A - 智能割草机器人电子篱笆系统 - Google Patents

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顾夏
徐登
杨波
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Beidou Wan Chun (chongqing) Intelligent Robot Research Institute Co Ltd
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Beidou Wan Chun (chongqing) Intelligent Robot Research Institute Co Ltd
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Abstract

本发明涉及割草机技术领域，公开了一种智能割草机器人电子篱笆系统，包括：割草机器人、处理器及设置在割草边界的至少三个无线基站；所述割草机器人用于分别发送第一时间戳到至少三个无线基站；所述至少三个无线基站分别接收割草机器人发送的第一时间戳，并在收到第一时间戳后分别向割草机器人反馈各自的第二时间戳，并根据各自得到第一时间戳和第二时间戳分别转换成割草机器人距离至少三个无线基站的距离参数，将至少三个距离参数传输至处理器；所述处理器用于在收到至少三个距离参数后计算割草机器人的坐标值，并根据坐标值判断割草机器人是否在割草边界内。本发明的电子篱笆系统具有灵活性高、功耗低、精度高及成本低等优势。

Description

智能割草机器人电子篱笆系统
技术领域
本发明涉及割草机器人技术领域，特别涉及一种智能割草机器人电子篱笆系统。
背景技术
目前，智能机器人已经广泛应用在各个场合，如：全自动扫地机器人、全自动割草机器人。其中，为割草机器人划分规定工作的区域范围是极其重要的环节。当前使用较多的传统电磁寻迹法是通过发出一定频率脉冲的金属导线来划定范围，虽然实现简单、功能可靠，但是只能沿着固定的路线设定，更换工作环境重新设定显得极其麻烦，缺乏灵活性。新兴的惯性导航和行为推算法随着工作时间的增加都存在累计误差，并且需要对大量数据进行分析处理，功耗高，不能长期连续使用。除此之外，高精度激光雷达虽然可以实现高精度的环境扫描与范围设置，但是价格十分昂贵，使用成本高。
可见传统的智能割草机器人电子篱笆系统存在灵活性不够、功耗高、精度较差及成本高等问题。
发明内容
本发明提出一种智能割草机器人电子篱笆系统，解决传统电子篱笆实现方法的灵活性不够、功耗高、精度较差及成本高等问题。
本发明的一种智能割草机器人电子篱笆系统，包括：割草机器人、处理器及设置在割草边界的至少三个无线基站；
所述割草机器人用于分别发送第一时间戳到至少三个无线基站；
所述至少三个无线基站分别接收割草机器人发送的第一时间戳，并在收到第一时间戳后分别向割草机器人反馈各自的第二时间戳，并根据各自得到第一时间戳和第二时间戳分别转换成割草机器人距离至少三个无线基站的距离参数，将至少三个距离参数传输至处理器；
所述处理器中储存有以其中一个无线基站为原点建立的坐标系以及所述坐标系下割草边界的若干边界值，所述处理器用于在收到至少三个距离参数后计算割草机器人在所述坐标系下的坐标值，并根据坐标值与所述若干边界值比较，以判断割草机器人是否在割草边界内。
其中，所述割草边界在所述坐标系中为所述若干边界值的拟合曲线，所述处理器通过判断所述坐标值是否在拟合曲线界定的范围内来判断割草机器人是否超出割草边界。
其中，对于每一个无线基站，所述无线基站在RXb1时刻收到第一时间戳TXa1后，间隔第一反应时间Treply1后向割草机器人发送第二时间戳TXb1；所述割草机器人还用于在RXa1时刻收到第二时间戳TXb1后，间隔第二反应时间Treply2后向无线基站发送第三时间戳TXa2，所述无线基站在RXb2时刻记录第三时间戳TXa2，则第一次单向传输时间为：Tprop1＝RXb1-TXa1，第二次单向传输时间为：Tprop2＝RXa1-TXb1，第三次单向传输时间为：Tprop3＝RXb2-TXa2，第一个来回传输时间为：Tround1＝Tprop1+Tprop2+Treply1，第二个来回传输时间为：Tround2＝Tprop2+Tprop3+Treply2；按以下公式计算得到割草机器人到该无线基站传输时间Tprop和误差时间Terror分别为：
其中，ka为割草机器人的实际频率和预期频率比值，kb为无线基站的实际频率和预期频率比值。
其中，所述割草机器人和至少三个无线基站采用超带宽脉冲无线电进行通信。
本发明的智能割草机器人电子篱笆系统通过至少三个基站和割草机器人进行通信，得到割草机器人到至少三个基站的距离，处理器根据距离计算割草机器人所处位置的坐标值，从而实现了对割草机器人的精确定位，其中距离定位计算，以及坐标值和边界值比较计算过程简单、复杂度相对较低，因此功耗低且可靠性高。而且电子篱笆系统可根据不同环境实时更改处理器中储存的边界值(由客户端程序直接导入边界值)，从而更改割草边界，以重新界定割草机器人的工作范围，在提高可靠性和精度的同时解决了传统电子篱笆只能在特定环境下工作或更换工作环境难(即灵活度差)的问题。另外，无线基站可选择蓝牙、WiFi及UWB基站，相对于高精度激光雷达成本低。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种智能割草机器人电子篱笆系统结构示意图；
图2为割草机器人和基站的通信时序图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例的智能割草机器人电子篱笆系统如图1所示，包括：割草机器人1、处理器2及设置在割草边界的至少三个无线基站3。
割草机器人1用于分别发送第一时间戳到至少三个无线基站3。
至少三个无线基站3分别接收割草机器人1发送的第一时间戳，并在收到第一时间戳后分别向割草机器人1反馈各自的第二时间戳，并根据各自得到第一时间戳和第二时间戳分别转换成割草机器人1距离至少三个无线基站3的距离参数，将至少三个距离参数传输至处理器2。
处理器2中储存有以其中一个无线基站3为原点建立的坐标系以及坐标系下割草边界的边界值。处理器2用于在收到至少三个距离参数后计算割草机器人1坐标值，并根据坐标值和边界值比较，以判断割草机器人1否在割草边界内，如果超出该边界值，则判断割草机越界了。
本实施例的智能割草机器人电子篱笆系统通过割草机器人1和至少三个基站3进行通信，得到割草机器人1分别到至少三个无线基站3的距离，处理器2根据距离计算割草机器人1所处位置的坐标值，从而实现了对割草机器人1的精确定位，其中距离定位计算，以及坐标值和边界值比较计算过程简单、复杂度相对较低，因此功耗低且可靠性高。而且电子篱笆系统可根据不同环境实时更改处理器2中储存的边界值(由客户端程序直接导入边界值)，从而更改割草边界，以重新界定割草机器人1的工作范围，在提高可靠性和精度的同时解决了传统电子篱笆只能在特定环境下工作或更换工作环境难(即灵活度差)的问题。另外，无线基站3可选择蓝牙、WiFi及UWB基站，相对于高精度激光雷达成本低。
由于割草边界应该是封闭的曲线，若干边界值只是有限的边界值，无法设定连续的边界，因此本实施例中采用曲线拟合的方式将若干边界值拟合成封闭曲线，即割草边界在坐标系中为若干边界值的拟合曲线，处理器通过判断坐标值是否在拟合曲线界定的范围内来判断割草机器人是否超出割草边界。当然割草边界也可以是规则形状，如：矩形、三角形、圆形或椭圆形等，此时割草边界在坐标系中对应的曲线表达式为相应图形的函数表达式即可。
本实施例中，采用SS-TWR测距方法，至少三个基站3在第一时间戳后，间隔第一反应时间后向割草机器人1发送第二时间戳。进一步地，如图2所示，割草机器人1还用于在分别收到至少三个第二时间戳后，分别间隔第二反应时间后向至少三个基站3发送至少三个第三时间戳，至少三个基站3分别记录至少三个第三时间戳。即在SS-TWR测距方法基础上增加一次通讯传输的方式，通过增加一次通信传输可以消除瞬时误差，弥补因为时钟偏移引入的误差，从而提高测距的精度。
如图2所示，将割草机器人1看作设备A，某一个无线基站3看作设备B，测量距离时，设备A发送一个数据包，记录下发送时间节点为TXa1。
设备B收到设备A所发送的数据包，记录下接收时间节点为RXb1，故由设备A传输到设备B的传输时间为Tprop1(即RXb1-TXa1)，之后设备B间隔第一反应时间Treply1，即在TXb1＝RXb1+Treply1时刻向设备A发送一个数据包，设备A收到设备B所发送的数据包，记录下接收时间节点为RXa1，故由设备B传输到设备A的传输时间为Tprop2(即RXa1-TXb1)。
故第一个来回传输总时长为Tround1＝Tprop1+Tprop2+Treply1。
之后设备A间隔第二反应时间Treply2，即在TXa2＝RXa1+Treply2时刻向设备B发送一个数据包，开始第二次测量，设备B收到设备A第二次发送的数据包，记录下接收时间节点为RXb2，故由设备A第二次传输到设备B的传输时间为Tprop3(即RXb2-TXa2)。
故第二个来回传输总时长为Tround2＝Tprop2+Tprop3+Treply2。
通过两次通讯的时间可以互相弥补因为时钟偏移引入的误差Terror，大大提高传输时间Tprop的精度，减小了因为时钟或其他因素导致的误差，测算结果如下式：
其中，ka为割草机器人1的实际频率和预期频率比值，kb为无线基站3的实际频率和预期频率比值。得到精确的传输时间，则可根据速度(已知量)和时间得到割草机器人到各个无线基站3的精确的距离值。若传输时间为333ns，则A、B之间的距离为100m，误差仅为2.2mm。
本实施例中，割草机器人1和至少三个无线基站3采用超带宽脉冲无线电(UltraWideband，UWB)进行通信。通过纳秒级的极窄脉冲以及极宽的带宽传输数据，传输速率高，大大提高了精度，不需要传统的载波，穿透能力较强，使电子篱笆系统更加可靠。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种智能割草机器人电子篱笆系统，其特征在于，包括：割草机器人、处理器及设置在割草边界的至少三个无线基站；
所述割草机器人用于分别发送第一时间戳到至少三个无线基站；
所述至少三个无线基站分别接收割草机器人发送的第一时间戳，并在收到第一时间戳后分别向割草机器人反馈各自的第二时间戳，并根据各自得到第一时间戳和第二时间戳分别转换成割草机器人距离至少三个无线基站的距离参数，将至少三个距离参数传输至处理器；
所述处理器中储存有以其中一个无线基站为原点建立的坐标系以及所述坐标系下割草边界的若干边界值，所述处理器用于在收到至少三个距离参数后计算割草机器人在所述坐标系下的坐标值，并根据坐标值与所述若干边界值比较，以判断割草机器人是否在割草边界内。
2.如权利要求1所述的智能割草机器人电子篱笆系统，其特征在于，所述割草边界在所述坐标系中为所述若干边界值的拟合曲线，所述处理器通过判断所述坐标值是否在拟合曲线界定的范围内来判断割草机器人是否超出割草边界。
3.如权利要求1所述的智能割草机器人电子篱笆系统，其特征在于，对于每一个无线基站，所述无线基站在RXb1时刻收到第一时间戳TXa1后，间隔第一反应时间Treply1后向割草机器人发送第二时间戳TXb1；所述割草机器人还用于在RXa1时刻收到第二时间戳TXb1后，间隔第二反应时间Treply2后向无线基站发送第三时间戳TXa2，所述无线基站在RXb2时刻记录第三时间戳TXa2，则第一次单向传输时间为：Tprop1＝RXb1-TXa1，第二次单向传输时间为：Tprop2＝RXa1-TXb1，第三次单向传输时间为：Tprop3＝RXb2-TXa2，第一个来回传输时间为：Tround1＝Tprop1+Tprop2+Treply1，第二个来回传输时间为：Tround2＝Tprop2+Tprop3+Treply2；按以下公式计算得到割草机器人到该无线基站传输时间Tprop和误差时间Terror分别为：
其中，ka为割草机器人的实际频率和预期频率比值，kb为无线基站的实际频率和预期频率比值。
4.如权利要求1～3中任一项所述的智能割草机器人电子篱笆系统，其特征在于，所述割草机器人和至少三个无线基站采用超带宽脉冲无线电进行通信。
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