CN111142516A - 一种用于确定自行走设备工作区域的交互系统、基站及方法 - Google Patents

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刘楷
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Abstract

一种用于确定自行走设备工作区域的交互系统、基站及方法。本发明通过基站与自行走设备之间的无线通讯交互获取自行走设备所接收到的边界线信号强度，然后实时的根据所述边界线信号强度调节输出至边界线上的信号。由此，本发明能够根据自行走设备的需要来实时调节边界线信号大小，使自行走设备获取的边界线信号维持在恒定的有效范围内，增强边界线信号能够被自行走设备读取的有效覆盖范围。本发明能够满足大场地的边界线信号全面覆盖需求。

Description

一种用于确定自行走设备工作区域的交互系统、基站及方法
技术领域
本发明涉及花园工具领域，具体而言涉及一种用于确定自行走设备工作区域的交互系统、基站及方法。
背景技术
在园林绿化割草领域，智能割草机因智能化水平高、不依赖人工操作、安全、绿色环保等优点得到广泛应用。如何设定割草机工作区域，控制割草机在规定范围内工作，提高割草效率，是实现割草机自主割草的关键和难点。
目前设定割草机工作区域的典型方法是在草坪边界铺设线圈划定边界线，工作时线圈产生电磁信号，形成封闭的电磁场，实现割草机工作区域的设定，割草机装有磁感应信号接收装置，通过检测磁场信号，能够在靠近边界线时转向或掉头，保证在工作区域内进行割草工作。
然而割草机磁感应装置的AGC增益倍数无法满足全场地接收的边界线信号的信噪比始终维持在恒定范围的需求，同时由于场地大小和形状不同，所接负载大小不同，会导致线圈产生的交流频率信号不纯，造成电磁干扰。当割草机处于场地中心位置附近时出现无信号，处于边界线附近时出现信号阻塞现象，造成大场地中间位置无信号、小场地边界信号阻塞等情况。
因此，为了避免磁感应装置AGC增益受限、场地不同等原因造成噪声干扰而产生的误判问题，必须设计一种能够有效排除或降低干扰噪声的割草机工作区域交互系统以及控制方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种用于确定自行走设备工作区域的交互系统及方法，本发明通过基站与自行走设备之间的交互，相应的调节边界线上的信号强度，保证自行走设备能够正确获得边界线信号进行导向。本发明具体采用如下技术方案。
首先，为实现上述目的，提出一种用于确定自行走设备工作区域的交互方法，其步骤包括：基站获取自行走设备所接收到的边界线信号强度；基站根据所述边界线信号强度调节输出至边界线上的信号。
可选的，上述的用于确定自行走设备工作区域的交互方法，其中，所述基站获取自行走设备所接收到的边界线信号强度调节输出至边界线上的信号的步骤具体包括：在所述边界线信号强度低于第一阈值时，增加基站输出至边界线上的信号的强度；在所述边界线信号强度超出第二阈值时，降低基站输出至边界线上的信号的强度；其中，所述第一阈值小于所述第二阈值。
可选的，上述的用于确定自行走设备工作区域的交互方法，其中，所述自行走设备还在所述边界线信号强度超出第二阈值和/或低于第一阈值时，调节对所述边界线信号的接收增益，调节自行走设备所接收的边界线信号强度。
可选的，上述的用于确定自行走设备工作区域的交互方法，其中，所述基站输出至边界线上的信号为脉冲信号，所述脉冲信号在所述边界线的范围内产生第一磁场，在所述边界线的范围外产生第二磁场；自行走设备所接收到的边界线信号包括所述第一磁场的信号；所述基站还对其输出至边界线上的脉冲信号进行采样反馈，根据所述采样反馈调节所述第一磁场的信号的强度。
可选的，上述的用于确定自行走设备工作区域的交互方法，其中，所述基站与所述自行走设备之间通过无线通讯连接，所述基站通过无线通讯获取自行走设备所接收到的边界线信号强度。
可选的，上述的用于确定自行走设备工作区域的交互方法，其中，所述基站通过微控制器调整DAC输出至边界线信号驱动电路的电源幅值，通过调节电源幅值调节基站输出至边界线上的信号强度。
同时，为实现上述目的，本发明还提供一种基站，其包括：信号输出单元，用于向边界线输出信号；无线通讯单元，用于与自行走设备无线通讯连接，获取自行走设备所接收到的边界线信号强度；控制单元，用于根据所述自行走设备所接收到的边界线信号强度调节信号输出单元输出至边界线上的信号。
可选的，上述的基站，其还包括采样反馈单元，用于对所述边界线上的信号进行采样并反馈至控制单元；所述基站根据所述采样反馈单元对所述边界线上信号的采样和/或自行走设备所接收到的边界线信号强度调节输出至所述边界线上的信号的强度。
本发明还提供一种用于确定自行走设备工作区域的交互系统，其包括：自行走设备，其接收边界线信号，根据所述边界线信号运行，并输出其所接收到的边界线信号强度；基站，其连接有边界线，用于获取自行走设备所接收到的边界线信号强度，根据所述边界线信号强度调节输出至边界线上的信号。
可选的，上述的用于确定自行走设备工作区域的交互系统，其中，所述自行走设备和所述基站还分别包括有相互无线通讯连接的无线通讯单元，所述无线通讯单元向所述基站提供自行走设备所接收到的边界线信号强度。
可选的，上述的用于确定自行走设备工作区域的交互系统，其中，所述基站在自行走设备所接收到的边界线信号强度低于第一阈值时，增加输出至边界线上的信号的强度；在自行走设备所接收到的边界线信号强度高于第二阈值时，降低输出至边界线上的信号的强度。
可选的，上述的用于确定自行走设备工作区域的交互系统，其中，所述自行走设备还包括：自动增益控制单元，所述自动增益控制单元在所述边界线信号强度超出第二阈值和/或所述边界线信号强度低于第一阈值时，调节对自行走设备所接收到的边界线信号的增益，调节自行走设备所获得的边界线信号强度。
有益效果
本发明利用基站和自行走设备之间的通信，将自行走设备接收到的边界线信号实时反馈给基站，基站根据自行走设备的反馈信号来实时调节边界线信号大小，使自行走设备获取的线圈信号维持在恒定的有效范围内。
本发明中在边界线信号超出自行走设备能够正确识别的阈值范围时，可通过基站调节边界线信号大小和自行走设备调节本身的自动增益控制共同将自行走设备所获得的边界线信号调整至有效范围内。由此，本发明的自行走设备，其对边界线的识别更为准确。
本发明的基站中具有线圈信号调理电路，其根据对边界线信号的采样反馈获得当前状态下边界线信号的强度，同时根据无线通讯单元所获知的自行走设备接收到的边界线信号状况相应的决定需要增强边界线信号还是需要对其进行减弱。基站相应的微控制器通过DAC接到稳压电源电路的外围反馈回路上,控制DAC变化，实现输出电源电压的数字可控，由其相应的控制对边界线所输出的信号的驱动放大增益，实现对边界线信号强度的调节。，实现输出电压的数字可控。所述的线圈信号调理电路还包括信号驱动放大电路，接收微控制器产生的特定规律的脉冲控制信号，并提高脉冲控制信号的驱动电流至线圈，形成规律变化的磁场，圈定自行走设备的工作区域范围，采样反馈电路通过采集线圈上脉冲信号的实时状态来判断线圈当前的工作情况。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本发明的实施例一起，用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的自行走设备工作区域的交互系统的整体示意图；
图2是本发明的自行走设备工作区域的交互系统中自行走设备所接收的有用信号范围的示意图；
图3是本发明的自行走设备工作区域的交互系统中基站的信号输出单元的原理框图；
图4是本发明的自行走设备工作区域的交互系统中基站的电路框图；
图5是本发明的自行走设备的工作方式流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于边界线本身而言，指向边界线所包围的范围内部的方向为内，反之为外；而非对本发明的装置机构的特定限定。
本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
图1为根据本发明的一种用于确定自行走设备工作区域的交互系统，其包括：
自行走设备，例如具有自行走功能的割草机，其接收边界线信号，根据所述边界线信号运行；
基站，其连接有边界线，用于获取自行走设备所接收到的边界线信号强度，根据所述边界线信号强度调节输出至边界线上的信号。
其中，所述边界线的两端连接在基站中的线圈信号调理电路的信号输出端口，形成闭合回路。所述基站产生持续变化的电流使边界线周围形成规律变化的磁场，圈定自行走设备工作区域范围。
为接收、识别该边界线的信号，所述的自行走设备包括有磁感应装置，其通过所述磁感应装置实时检测边界线所围成的线圈所产生的电磁信号，并通过自行走设备内部的AGC自动增益控制单元，对其所接收到的接收信号的强度进行自动调节，在所述边界线信号强度超出其所能够接收的信号范围的上限(比如，超出预设的第二阈值)和/或低于其所能够接收的信号强度的下限(比如，低于预设的第一阈值)时，调节对所述边界线信号的增益，相应的降低或增加对自行走设备所接收的边界线信号的增益大小，调节自行走设备所接收的边界线信号强度，确保其所接收的信号始终处于可用信号范围内，使得自行走设备能够正确识别该信号，依据该信号控制自行走设备工作。其中，所述的边界线信号是由基站输出至边界线上的脉冲信号在所述边界线的范围内所产生第一磁场的信号。自动增益控制单元，以及自行走设备内部所设置的相应的滤波单元，用于将自行走设备磁感应装置所接收到的第一磁场的信号进行放大和滤波，使其能够被自行走设备控制单元处理，相应的识别自行走设备相对于边界线的位置进而控制自行走设备动作。
考虑到在较大的工作区域中，靠近边界线的区域，自行走设备所接收到的信号过强，会进入图2中阈值II范围以上，形成信号阻塞，造成信号误判；而在该工作区域的中部，由于信号衰减作用，自行走设备所接收到的信号强度过弱，会处于图2中阈值I以下，信号微弱，信号容易淹没在干扰噪声里，无法被准确获取。因此，本发明在基站中通过图3所示的信号输出单元对边界线上的信号强度进行调整，将边界线信号强度维持在自行走设备能够有效读取的范围内。所述的边界线信号强度包括但不限于边界线信号的幅值、增益、功率、电压值等。
在一种实现方式下，参考图3以及图4所示，所述的基站，其电路结构包括：
信号输出单元，其主要由信号驱动放大电路构成，信号驱动放大电路由开关稳压电路供电，用于根据控制单元输出的脉冲信号向边界线输出放大后的驱动信号，驱动边界线在边界线范围内的工作区域内激发出第一磁场并根据控制单元的要求调节第一磁场的信号的强度，供自行走设备进行准确的识别并进行相应的导向，驱动边界线在边界线范围外的非工作区域中激发出第二磁场供自行走设备识别其与工作区域之间的位置关系；
采样反馈单元，用于对所述边界线上的信号进行采样并反馈至控制单元；
无线通讯单元，用于与自行走设备和场外监测设备等无线通讯连接进行信息交互，获取自行走设备所接收到的边界线信号强度，通过对边界线信号强度的实时反馈来相应的调节边界线信号，提升边界线所激发的无线信号的覆盖范围，满足大场地环境下的远程信息交互和监控需求；
控制单元，用于根据所述自行走设备接收到的边界线信号强度调节信号输出单元输出至边界线上的信号，和/或根据所述采样反馈单元对所述边界线上信号的采样调节输出至所述边界线上的信号的强度。为适应自行走设备在工作区域内不同位置的信号接收要求，所述的控制单元，通过无线通讯单元获取自行走设备所接收到的边界线信号强度，在所述边界线信号强度低于第一阈值时，增加基站输出至边界线上的信号的强度；而在所述边界线信号强度超出第二阈值时，降低基站输出至边界线上的信号的强度。其中，所述第一阈值小于所述第二阈值，由此，能够保证自行走设备在工作区域的整个范围内均能够有效的接收到信号。
所述的基站还具有：
电源电路，用于提供其他功能电路所需的稳压电源；
故障检测电路，用于监测各功能电路的状态，通过采集电压、电流信号等方式来判断当前基站的工作状态，并通过微控制器电路控制指示灯、蜂鸣器、错误码等方式给出指示信号，并进行显示，也可通过无线通信单元传至自行走设备和场外监测设备，提供基站状态信息；
充电管理电路，用于自行走设备充电时实时监测并调整充电状态，确保充电安全可靠，并通过微控制器电路给出相应的指示信号；
电源电路、故障检测电路、充电管理电路等各电路模块分别与控制单元连接，由控制单元对其实现相应的控制。
在其他的实现方式下，参考图5所示，可进一步在上述实施例中的电路和系统的基础上，相应的设置自行走设备内部的控制单元和基站内部的控制单元，控制其通过图5所示的交互过程，保证自行走设备在整个工作区域内基本都能够正确的获得相应的边界线信号，实现准确导向。
该交互过程中，首先需要基站中作为控制单元的微控制器根据反馈采样信号强度，判断当前场地的范围：在线圈型号不变的前提下，场地大，线圈总长度长，线圈电阻大，同样的供电电压下，采样信号随之变小；反之，场地小，线圈总长度短，线圈电阻小，采样信号也随之变大。当初始供电电压恒定时，根据检测到的采样反馈信号与参考信号进行比较，确定线圈电阻大小，进而推断当前场地范围。通过DAC调节稳压电源幅值，实现线圈信号强度的恒定；
然后由微控制器结合基站与自行走设备之间的无线信号相应的获得自行走设备所接收到的信号强度，对边界线所激发的无线信号进行自适应调整，准确获得边界线信号：当自行走设备在工作区域中间附近工作时，自行走设备磁感应装置增益保持不变，线圈信号强度恒定；当自行走设备工作至线圈附近时，自行走设备磁感应装置自动调节增益，并与基站进行信息交互，线圈信号强度减弱，保证自行走设备接收到的信号的信噪比始终维持在一个合适范围内，自行走设备稳定可靠的靠近线圈工作，直至转向或掉头。
其中，对边界线所形成的线圈内部信号强度的调节，可通过由所述控制单元所连接的DAC(数模转换器)所控制的开关稳压电路实现：开关稳压电路，提供边界线信号驱动电路所需的稳压电源，微控制器等控制单元通过一个DAC接到开关稳压电路的外围反馈回路上，结合采样反馈调节DAC变化，实现输出电源电压幅值的数字可控。所述的线圈信号调理电路还包括信号驱动放大电路，接收微控制器产生的特定规律的脉冲控制信号，并提高脉冲控制信号的驱动电流至线圈，形成规律变化的磁场，圈定自行走设备的工作区域范围，采样反馈电路通过采集线圈上脉冲信号的实时状态来判断线圈当前的工作情况。
基站所输出至线圈上的信号可采用具有特定规律的脉冲信号，使线圈沿指定方向产生电流，形成有规律变化的磁场，通过控制线圈信号的输出强度确保工作区域内布满磁场。默认位于工作区域内的磁场为第一磁场，位于工作区域外的磁场为第二磁场，第一、第二磁场的方向始终相反，自行走设备检测到第一磁场工作，检测到第二磁场时停止工作并报错。由此，自行走设备上所安装的磁感应装置，接收到边界线所激发的磁场信号后，能够根据磁场方向判断自行走设备当前所处位置，能够在接近线圈时转向或掉头远离线圈，保证在指定工作区域进行割草工作。
参考图1所示，所述的工作区域还可进一步的按照自行走设备接收到的边界线信号的状况分为线圈信号恒定区和线圈信号变化区。根据自行走设备的信号处理能力设定有用信号的范围(比如图2所示的阈值I与阈值II之间的范围)，由此，自行走设备在线圈信号恒定区工作时，能够通过强度较大的边界线信号确保接收到的信号保持在有用范围内，线圈信号强度保持恒定；而当自行走设备在线圈信号变化区工作时，基站能够根据自行走设备所反馈的接收信号值实时调节其输出至边界线线圈的信号大小，线圈信号强度和自行走设备AGC增益随自行走设备距离边界位置变化而变化，使接收的信号大小始终保持在有用信号范围内。
在更为具体的实现方式下。上述系统中基站的信号输出单元包括信号驱动放大电路和采样反馈电路，用于提供可调的脉冲信号给边界线，产生变化的电磁信号。所述的信号输出单元还涉及电源电路中的可调的开关稳压电路，微控制器通过DAC接到可调开关稳压电路的外围反馈回路上，结合采样反馈通过调节DAC变化，实现输出电压的数字可控。信号驱动放大电路接收微控制器产生的特定脉冲控制信号，并增加脉冲控制信号的驱动电流至边界线，形成有规律变化的磁场，圈定自行走设备工作区域范围，采样反馈电路通过采集边界线上脉冲信号的实时状态来判断边界线当前的工作情况。
所述的开关稳压电路的输出电压VOUT＝(1+R2/R1)×VFB-R2/R3×(VDAC-VFB),当电路中R1,R2,R3和VFB一定时，输出电压VOUT由VDAC控制变化，当VDAC＝0时，VOUT最大，当VDAC＝max时，VOUT最小。通过调节VDAC，实现输出电压VOUT的可控。
无线通讯单元可进一步设置为包括无线信号发射接收电路和无线信号增强电路。用于与自行走设备和场外监测设备等进行信息交互，同时提升无线信号的覆盖范围，满足大场地环境下的远程监控。
位于自行走设备上的磁感应装置，通过检测边界线上的磁场信号，判断当前接收信号大小是否满足要求，并结合无线通信，调节基站边界线信号强度。磁感应装置自带AGC自动增益控制功能，配合基站边界线信号强度共同调节，确保接收到的信号大小始终保持在有用信号范围内。
当自行走设备在边界线信号恒定区内工作时，距离边界线远，边界线信号强度较弱，磁感应装置增益倍数需足够大，才能满足接收信号可用；当自行走设备工作至边界线信号变化区附近时，距离边界线近，边界线信号强度较强，磁感应装置检测到接收信号大于或者等于阈值II，自动调节增益，并将当前状态通过无线通信告知基站，调节边界线信号强度减弱。自行走设备沿当前方向继续前进工作，并进入边界线信号变化区，当自行走设备检测到接收信号低于阈值I时，停止减弱边界线信号强度，自行走设备转向或掉头，调整自行走设备前进方向使得检测到的信号强度始终在有用幅值范围之内，并调整AGC增益，直至自行走设备重新进入边界线信号恒定区。
本发明通过基站检测边界线信号强度，调节对边界线输出的信号的幅值，保证自行走设备所接收到的信号强度处于相对恒定的范围内。本发明的自行走设备通过无线信号实现与基站的协调，使得磁感应装置通过自动调节增益控制手段实现所接收的信号始终处于可用状态，增强有用信号的覆盖范围，满足大场地的无线信号全面覆盖。本发明利用基站和自行走设备之间的信息交互，实现线圈信号和磁感应接收信号的自适应调节，提高自行走设备割草效率。
本发明的自行走设备磁感应装置实时检测边界线信号，并通过AGC自动增益控制，调节接收信号的强度，控制自行走设备工作。当自行走设备在工作区域中间的信号恒定区附近工作时，自行走设备信号接收装置增益保持不变，边界线信号强度恒定，确保接收到的信号保持在有用范围内；当自行走设备工作至边界线附近的信号变化区工作时，自行走设备磁感应装置自动调节增益控制，并与基站进行信息交互，基站根据自行走设备反馈的接收信号值实时调节边界线信号大小，尤其在边界线信号超出自行走设备所能够正确接收的信号强度上限阈值时控制边界线信号强度减弱，通过对边界线信号强度以及自行走设备自身AGC增益的双重调节，保证自行走设备在边界线附近所接收的信号能够始终保持在有用信号范围内，使得自行走设备能够稳定可靠的靠近边界线工作，直至转向或掉头。
以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于确定自行走设备工作区域的交互方法，其特征在于，步骤包括：
基站获取自行走设备所接收到的边界线信号强度；
基站根据所述边界线信号强度调节输出至边界线上的信号。
2.如权利要求1所述的用于确定自行走设备工作区域的交互方法，其特征在于，所述基站获取自行走设备所接收到的边界线信号强度调节输出至边界线上的信号的步骤具体包括：
在所述边界线信号强度低于第一阈值时，增加基站输出至边界线上的信号的强度；
在所述边界线信号强度超出第二阈值时，降低基站输出至边界线上的信号的强度；
其中，所述第一阈值小于所述第二阈值。
3.如权利要求1-2所述的用于确定自行走设备工作区域的交互方法，其特征在于，所述自行走设备还在所述边界线信号强度超出第二阈值和/或低于第一阈值时，调节对所述边界线信号的接收增益，调节自行走设备所接收的边界线信号强度。
4.如权利要求1所述的用于确定自行走设备工作区域的交互方法，其特征在于，所述基站输出至边界线上的信号为脉冲信号，所述脉冲信号在所述边界线的范围内产生第一磁场，在所述边界线的范围外产生第二磁场；
自行走设备所接收到的边界线信号包括所述第一磁场的信号；
所述基站还对其输出至边界线上的脉冲信号进行采样反馈，根据所述采样反馈调节所述第一磁场的信号的强度。
5.如权利要求1-4所述的用于确定自行走设备工作区域的交互方法，其特征在于，所述基站与所述自行走设备之间通过无线通讯连接，所述基站通过无线通讯获取自行走设备所接收到的边界线信号强度；
所述基站通过微控制器调整DAC输出至边界线信号驱动电路的电源幅值，通过调节电源幅值调节基站输出至边界线上的信号强度。
6.一种基站，其特征在于，包括：
信号输出单元，用于向边界线输出信号；
无线通讯单元，用于与自行走设备无线通讯连接，获取自行走设备所接收到的边界线信号强度；
控制单元，用于根据所述自行走设备所接收到的边界线信号强度调节信号输出单元输出至边界线上的信号。
7.如权利要求6所述的基站，其还包括采样反馈单元，用于对所述边界线上的信号进行采样并反馈至控制单元；
所述基站根据所述采样反馈单元对所述边界线上信号的采样和/或自行走设备所接收到的边界线信号强度调节输出至所述边界线上的信号的强度。
8.一种用于确定自行走设备工作区域的交互系统，其特征在于，包括：
自行走设备，其接收边界线信号，根据所述边界线信号运行，并输出其所接收到的边界线信号强度；
基站，其连接有边界线，用于获取自行走设备所接收到的边界线信号强度，根据所述边界线信号强度调节输出至边界线上的信号。
9.如权利要求8所述的用于确定自行走设备工作区域的交互系统，其特征在于，所述自行走设备和所述基站还分别包括有相互无线通讯连接的无线通讯单元，所述无线通讯单元向所述基站提供自行走设备所接收到的边界线信号强度。
10.如权利要求8-9所述的用于确定自行走设备工作区域的交互系统，其特征在于，所述基站在自行走设备所接收到的边界线信号强度低于第一阈值时，增加输出至边界线上的信号的强度；在自行走设备所接收到的边界线信号强度高于第二阈值时，降低输出至边界线上的信号的强度；
所述自行走设备还包括：自动增益控制单元，所述自动增益控制单元在所述边界线信号强度超出第二阈值和/或所述边界线信号强度低于第一阈值时，调节对自行走设备所接收到的边界线信号的增益，调节自行走设备所获得的边界线信号强度。
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