CN110793524A

CN110793524A - 一种割草机路径规划的方法

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Publication number: CN110793524A
Application number: CN201910921289.3A
Authority: CN
Inventors: 王姚宇; 陈仁文; 张祥; 刘川; 徐旺; 黄斌
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2020-02-14
Anticipated expiration: 2039-09-27
Also published as: CN110793524B

Abstract

本发明公开了一种割草机路径规划的方法，涉及机器人领域。该方法基于差分GPS，可以自动遍历所划定的区域，包括矩形区域，三角形区域，以及不规则四边形区域等，对不同的环境有较好的适应性和调节性。本发明包括：引导割草机行驶过所需割草区域的边界，采集边界的各个顶点的位置信息；选定一个顶点为原坐标，建立直角坐标系，将各个顶点的位置信息转化为该坐标系下的坐标，判断所划定的区域的形状，考虑如何将其划分；根据划分区域的宽度和割草机的宽度，确定割草机需要行驶的来回的次数，记录边界上对应的点，通过相关边界点计算割草机到达边界时需要转过的角度；通过终点的坐标，规划回到原点的路径，割草机最终自动回到原点。本发明无需在场地布置其他传感器，能够根据实际的割草区域自动进行不同的划分，对人工的要求低，对环境的适应性强，割草覆盖率高。

Description

一种割草机路径规划的方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种割草机路径规划的方法。

背景技术

随着人们对生活质量要求的提高，城市的绿化工作也在不断完善。绿化面积的增加导致割草工作更加繁重，为了减轻繁重的人力，无人自动割草机开始在市场上出现。但是在目前国内外生产的自动割草机中，能够有效实现自主有序割草的割草机还在少数，其主要原因在于，目前市场上的自动割草机都预先规划好了路径，对实际环境的反馈比较差，一旦发生偏差，整个路径都会混乱。

当前限定割草机工作区域的方法有铺设电子围栏、设置边界标定件等方式，但是这些方式都需要在区域边界布置额外设备，安装麻烦且容易损坏，针对不同的环境还需要重新安装。

本发明基于差分GPS系统，设计了一种无需在边界布置额外装置的规划智能割草机工作路径的方法。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种割草机路径规划的方法，该方法无需在边界布置额外的装置，对人工的要求小，能根据实际位置实时调整姿态。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种割草机路径规划的方法，包括以下步骤：

S1、控制割草机在所需割草区域的边界行驶一周，记录下各个顶点的位置信息，并转化为相应的直角坐标系下的坐标；

S2、根据所采集的边界的顶点，判断所规划的区域是否为基本执行区域，若不是，将所规划的区域划分为几块基本执行区域，重新计算每个区域的边界顶点；

S3、根据重新计算的边界顶点，计算每个区域的宽度d、边界线的斜率k、割草机到达边界线需要旋转的角度180°-α和离开边界线需要旋转的角度180°-β，其中：α、β指代边界线与基本执行区域中竖直线的夹角；

S4、根据所述割草机的机身宽度d_m，确定割草机来回路径之间的间隔Δd，从一个边界开始，每隔一个间隔记录一下上下边界线上相应点的坐标，一直到另一个边界；

S5、结合以上各个参数，采用蛇形走法，割草机开始自主有序割草，遍历完整个区域后，获取当前位置的坐标，与原点组成直线，通过比较斜率进行调整的方法，割草机自主回到原点。

进一步的，所述步骤S1中，所述割草机在一个顶点出发，并以该顶点为原点建立直角坐标系，其他顶点与该点的相对位置即作为它们在该坐标系下的坐标。

进一步的，所述步骤S2中，基本执行区域包括三角形区域，平行四边形区域以及梯形区域，如果是其他的不规则区域，则从每个顶点(x_i,y_i)引出一条直线x＝x_i，与其他边界线相交，选取在规划区域范围内的交点，将其划分为若干个基本执行区域。

进一步的，所述步骤S3中，所述割草机到达边界线需要旋转的角度为180°-α＝180°-(90°+arctank)＝90°-arctank，所述割草机离开边界线需要旋转的角度为180°-β＝180°-(90°-arctank)＝90°+arctank，其中：α、β指代边界线与基本执行区域中竖直线的夹角，k指代边界线的斜率。

进一步的，所述步骤S4中，Δd应该等于或者略小于割草机的宽度d_m，以确保割草机工作能覆盖所有草坪区域；通过区域的宽度d除以来回路径之间的间隔Δd，求出所述割草机需要来回的次数，以及需要在边界上记录的点的坐标。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用的方法布置设备简单方便，无需在边界布置额外装置，针对不同的环境无需重复安装；可以根据实际位置实时进行调整，对环境的适应性较强，有很好的修正功能；算法简单，对运算的要求不高。

附图说明

图1是采取边界点，并转化为直角坐标的示意图；

图2是不规则区域的划分示意图；

图3是平行四边形区域的路径规划示意图；

图4是梯形区域的路径规划示意图；

图5是三角形区域的路径规划示意图；

图6是不规则区域的路径规划示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

一种割草机路径规划的方法，包括：

S1、从边界的一个顶点开始，控制割草机沿着边界运行一周，再次回到起始点，在边界的每个顶点处，需要采集该点的差分GPS定位信息。以起始点为原点建立直角坐标系，将各个顶点的定位信息转化为与原点的相对位置，记为该点在此直角坐标系下的坐标，采取边界点并转化为直角坐标的示意图如图1所示，其中：A点既是起始点也是原点，相应的B、C、D点为该坐标系下另外三个边界顶点。

S2、根据所采集的边界的顶点，判断所规划的区域是否为基本执行区域(包括三角形区域、平行四边形区域、梯形区域)。若采集的边界顶点为3个，则该区域为三角形区域；若采集的边界顶点为4个，则需要判断该区域是否为平行四边形区域或者梯形区域，若不是，则需要将不规则区域划分为几个基本执行区域，一种不规则区域划分的示意图如图2所示；若采集的边界顶点超过4个，则需要将不规则多边形区域划分为几个基本执行区域。

如图2所示的不规则区域中，点A(0,0)为起始点，另外三个边界顶点的坐标为B(x_B，y_B)、C(x_C，y_C)、D(x_D，y_D)，则AB、BC、CD、AD四条直线的方程分别为：

AB:y＝k_ABx

BC:y＝k_BCx+b_BC

CD:y＝k_CDx+b_CD

AD:y＝k_ADx

其中，k_AB为直线AB的斜率，且k_BC为直线BC的斜率，且

k_CD为直线CD的斜率，且

k_AD为直线AD的斜率，且b_BC是直线BC在y轴上的截距(纵截距)，b_BC＝y_B-k_BCx_B，b_CD是直线CD在y轴上的截距(纵截距)，b_CD＝y_C-k_CDx_C。从每个顶点分别引出一条直线x＝x_i与其他边界线相交，判断所得的交点是否在规划区域内，若不在，则舍去。如本步骤中的D点，引出一条直线x＝x_D分别与直线AB、BC相交，判断所得的交点是否在所规划的区域内，所规划的区域在本例中指：

其中：a是根据所要求的精度允许的一个误差阈值。如果交点不在这个区域内，则判定为无效点，显然直线x＝x_D与直线BC的交点在此区域外，将其排除，只取与直线AB的交点D'，同理点B所对应的交点为B'，而点C没有与其对应的符合条件的交点，所以不予处理。该步骤中的不规则区域被划分为图2中所示三块区域。

S3、将不规则区域划分为基本执行区域以后，只需对各个基本执行区域进行路径规划，最后再将各个部分连接起来即可。

如图3和4所示，平行四边形区域和梯形区域的路径规划方法相同，其区域宽度为d，直线AB方程为y＝k_ABx+b_AB，直线AC方程为y＝k_ACx+b_AC，在平行四边形区域中，k_BC＝k_AD。其路径行驶方式为：从起始点A出发，沿着边界AB直行到B点，到达边界线，右转角度180°-α₁＝180°-(90°+arctank_AB)＝90°-arctank_AB，直行Δd/cos(arctank_AB)的距离的距离到达下一个边界标记点，而后右转180°-β₁＝180°-(90°-arctank_AB)＝90°+arctank_AB的角度，离开边界线，驶向对面边界线标记点后，左转角度180°-α₂＝180°-(90°+arctank_AC)＝90°-arctank_AC，直行Δd/cos(arctank_AC)的距离后，右转角度180°-β₂＝180°-(90°+arctank_AC)＝90°-k_AC，离开边界线，如此不断往复，一直到最后一个边界宽度d'＝d-nΔd，当d'不足Δd时，只需在边界直行距离d'到达边界顶点，完成最后一次作业。

如图5所示，三角形区域的路径规划示意图，其区域宽度为d，直线AB方程为y＝k_ABx+b_AB，直线AC方程为y＝k_ACx+b_AC，其路径行驶方式为：割草机在初始点A时，朝CB向，先右转180°-α₁＝180°-(90°+arctank_AB)＝90°-arctank_AB的角度，沿着边界线行驶Δd/cos(arctank_AB)的距离到达下一个边界标记点，而后右转180°-β₁＝180°-(90°-arctank_AB)＝90°+arctank_AB的角度，离开边界线，驶向对面边界线标记点，到达以后左转180°-α₂＝180°-(90°+arctank_AC)＝90°-arctank_AC的角度，沿着边界线行驶Δd/cos(arctank_AC)的距离到达下一个边界标记点,继而左转180°-β₂＝180°-(90°-arctank_AC)＝90°+arctank_AC的角度，离开边界线，如此循环往复，一直到最后一个边界宽度d'＝d-nΔd，当d'不足Δd时，只需在边界直行距离d'/cos(arctank_AC)到达边界顶点，完成最后一次作业。

S4、为了起到更好的引导效果和更精确的定位，需要将上下两个边界线上每隔水平距离Δd的点标记出来，作为中间变量，称其为边界标记点，用来确保割草机在来回往返的途中能找到正确的位置，如图3和图4中标记出来的M_i和N_i(i＝1,2,3,...,n)，其中n＝[d/Δd]，由区域宽度d和往返路线间的间隔Δd决定。以图4为例，若已知三个顶点的坐标A(x_A,y_A)、B(x_B,y_B)、C(x_C,y_C)，则点M_i的坐标为M_i(x_A+Δd×i,y_A+Δd×k_AB×i)，同理N_i(x_A+Δd×i,y_A-Δd×k_AC×i)。

S5、一个不规则区域的路径规划，如图6所示，该不规则区域被划分为三角形区域ADD',梯形区域D'BB'D和三角形区域BCB'。第一个区域中，A为起始点，D'为终点，也作为下一个区域的起始点，第二个区域以点B终止，B也是第三个区域的起始点。最终，割草机将停止在C点，完成整个区域的规划，这时候连接直线AC，割草机通过差分GPS实时定位，自动回到起始点A的位置，完成所有的割草工作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种割草机路径规划的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的割草机路径规划的方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述割草机在一个顶点出发，并以该顶点为原点建立直角坐标系，其他顶点与该点的相对位置即作为它们在该坐标系下的坐标。

3.根据权利要求1所述的割草机路径规划的方法，其特征在于，所述步骤S2中，基本执行区域包括三角形区域，平行四边形区域以及梯形区域，如果是其他的不规则区域，则从每个顶点(x_i,y_i)引出一条直线x＝x_i，与其他边界线相交，选取在规划区域范围内的交点，将其划分为若干个基本执行区域。

4.根据权利要求1所述的割草机路径规划的方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述割草机到达边界线需要旋转的角度为180°-α＝180°-(90°+arctank)＝90°-arctank，所述割草机离开边界线需要旋转的角度为180°-β＝180°-(90°-arctank)＝90°+arctank，其中：α、β指代边界线与基本执行区域中竖直线的夹角，k指代边界线的斜率。

5.根据权利要求1所述的割草机路径规划的方法，其特征在于，所述步骤S4中，Δd应该等于或者小于割草机的宽度d_m，以确保割草机工作能覆盖所有草坪区域；通过区域的宽度d除以来回路径之间的间隔Δd，求出所述割草机需要来回的次数，以及需要在边界上记录的点的坐标。