CN111670675A - 一种基于太阳偏振光定位的割草机系统及割草方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于太阳偏振光定位的割草机系统，包括割草机及设置在割草机上的控制器，割草机上还设有太阳偏振光定位组件，太阳偏振光定位组件与控制器电连接，控制器与割草机的车轮驱动机构电连接；太阳偏振光定位组件用于获取在割草机坐标系下的太阳偏振光数据和航向角信息并传输给控制器；控制器用于接收并对太阳的偏振光数据和割草机的航向角信息进行计算以得出行走路线，并控制车轮驱动机构驱动割草机按照设定的行走路线在割草工作区域内行走。利用偏振光的稳定性和时间变化规律，通过获取偏振光角度的变化和割草机的航向角信息，确定割草机的实时位置，对割草机的割草路径进行规划，白天获取的位置数据稳定可靠，可应用于割草机的白天定位。

Description

一种基于太阳偏振光定位的割草机系统及割草方法

技术领域

本发明涉及割草机技术领域，尤其涉及一种基于太阳偏振光定位的割草机系统及割草方法。

背景技术

割草机的定位即时性，要求具有稳定和精度高的数据来源。

现有的割草机大多采用电线通电感应的方式进行定位，在割草前，沿草坪边界敷设绝缘导线，接入电源后电流通过导线形成磁场，割草机器人遇到导线时，感应到磁场信号，割草机器人通过程序控制转向以达到不越过边界的目的。其能确定割草范围，但不具备定位精度，割草前需敷设导线，费时费力，且割草工作时需要一直通电。

而部分采用无线标签定位技术的割草机，其能精准地确定割草范围，无需在割草区域周围放置电子围栏，但是当定位标签被遮挡时，会影响割草机的定位精度，对于控制系统的性能要求也较高。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种基于太阳偏振光定位的割草机系统，包括割草机及设置在割草机上的控制器，所述割草机上还设有太阳偏振光定位组件，所述太阳偏振光定位组件与控制器电连接，所述控制器与割草机的车轮驱动机构电连接；所述太阳偏振光定位组件，用于获取在割草机的坐标系下的太阳偏振光数据和航向角信息并传输给控制器；控制器，用于接收并对太阳的偏振光数据和割草机的航向角信息进行计算得出行走路线，并控制所述车轮驱动机构驱动割草机按照设定的行走路线在割草工作区域内行走。

进一步地，所述太阳偏振光定位组件包括至少两个偏振光角度传感器、三维电子罗盘，所述偏振光角度传感器、三维电子罗盘分别与控制器电连接；所述偏振光角度传感器，用于采集不同观测方向太阳的偏振光数据信息并输出偏振方位角给控制器；所述三维电子罗盘，用于检测偏振光角度传感器的安装基准面是否水平，以及采集割草机的实时航向角信息和姿态信息并传输给控制器；所述控制器，用于接收并对偏振光角度传感器、三维电子罗盘采集的数据进行处理以输出割草机行走过程中的经纬度坐标信息。

进一步地，所述太阳偏振光定位组件还包括太阳方向矢量判断组件，所述太阳方向矢量判断组件包括太阳信息采集模块和A/D转换模块，所述太阳信息采集模块与A/D转换模块电连接，所述A/D转换模块与控制器电连接；所述太阳信息采集模块，用于采集不同位置太阳自然光光强信息以输出电流信号并传输给A/D转换模块，所述A/D转换模块；用于接收太阳信息采集模块传输的电流信号并转换成电压信号并传输给控制器；所述控制器；用于接收并对A/D转换模块传输的电压信号值进行处理以判断太阳方向矢量的方向。

进一步地，还包括设置在割草机上的速度传感器，所述速度传感器与控制器电连接；所述速度传感器，用于采集割草机的实时速度信息并传输给控制器；所述控制器，用于接收并对速度传感器、三维电子罗盘采集的数据进行分析以对割草机的速度及姿态误差进行修正。

进一步地，还包括辅助定位组件，所述辅助定位组件包括定位杆和图像采集模块，所述图像采集模块设于定位杆或割草机上，所述图像采集模块与控制器电连接；所述图像采集模块，用于采集割草机或定位杆的实时图像信息并传输给控制器；所述控制器，用于接收并对图像采集模块采集的数据进行分析以输出割草机的实时坐标信息。

进一步地，还包括无线通讯模块和上位机，所述无限通讯模块分别与控制器、上位机连接，所述无限通讯模块，用于将割草机的工作状态实时传输给上位机。

进一步地，所述定位杆位于割草工作区域内或者割草工作区域外。

本发明还提供了一种基于太阳偏振光定位的割草方法，包括如下步骤：

三维电子罗盘测量割草机的水平基准面的水平状态信息；

控制割草机沿割草工作区域边界匀速行驶一圈，偏振光角度传感器采集所述割草机行走过程中太阳的偏振光数据，三维电子罗盘采集割草机的实时航向角信息和姿态信息，控制器根据采集的上述信息，计算得到割草机行走过程中各点的经纬度坐标信息，然后通过连续折线或曲线将位置坐标依次连接生成割草工作区域的虚拟边界；

控制器对割草机的经纬度坐标信息及航向角信息进行数据融合，计算得出行走路线，并将采集的上述测试信息及预设行走路线存储至控制器中；

根据设定的虚拟边界，控制器控制割草机按照设定的行走路线在割草工作区域内进行割草操作，并获取割草机实时位置的经纬度坐标信息，采用射线法判断割草机当前位置是否在割草工作区域内，控制器根据存储的经纬度坐标信息及航向角信息，对割草机的行走路线进行修正。

进一步地，还包括如下步骤：

速度传感器采集割草机的测试速度信息并存储至控制器，控制器获取割草机的实时速度和姿态信息，并根据控制器存储的测试速度和姿态信息，对割草机的速度及姿态误差进行修正。

进一步地，还包括如下步骤：

在割草工作区域内或割草工作区域外设置定位杆，图像采集模块采集割草机或定位杆的实时图像信息，控制器获取实时采集的图像信息并分析得到割草机所在位置的坐标信息，对割草机规划辅助行走路线。

与现有技术比较本发明技术方案的有益效果为：

1、本发明提供的一种基于太阳偏振光定位的割草机系统，利用太阳偏振光的稳定性和时间变化规律，通过获取太阳偏振光角度的变化和割草机的航向角信息，确定割草机的实时位置，对割草机的割草路径进行规划，不受电磁的干扰，白天获取的位置数据稳定可靠，可应用于割草机的白天定位。

2、采用偏振光角度传感器获取太阳的偏振光数据信息，不但具有即时定位功能，能固定数据，且无需测量加速度定位不会积累误差，具有稳定的定位能力，能为割草机提供稳定的工作区域控制能力，解决割草精度和控制复杂度的问题。

3、通过对太阳方向矢量方向进行判断，可以提高割草机系统偏振光定位的实时性；控制器根据速度传感器和三维电子罗盘采集的数据信息对割草机的速度及姿态误差进行补偿，以提高实时定位的精度和应对不同环境适应的需要。

4、设置定位杆和图形采集模块，通过定位杆或割草机在不同距离上像素点的大小变化，得到定位杆与割草机的相对距离和位置，结合偏振光定位的方式，以提高割草机系统的定位精度和效率。

附图说明

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于太阳偏振光定位的割草机系统的结构原理图；

图2是本发明实施例提供的一种基于太阳偏振光定位的割草方法中天空中某一点的偏振方向分布模型图；

图3是本发明实施例提供的一种基于太阳偏振光定位的割草方法的流程图。

其中，附图标记为：

1、割草机，2、控制器，3、太阳偏振光定位组件，4、车轮驱动机构，5、偏振光角度传感器，6、三维电子罗盘，7、太阳方向矢量判断组件，8、太阳信息采集模块，9、A/D转换模块，10、速度传感器，11、图形采集模块，12、无线通讯模块，13、上位机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

请参阅图1-图3所示，本发明提供一种基于太阳偏振光定位的割草机系统，包括割草机1及设置在割草机1上的控制器2，割草机1上还设有与控制器2电连接的太阳偏振光定位组件3，控制器2与割草机1的车轮驱动机构4连接，太阳偏振光定位组件3用于获取在割草机1的坐标系下太阳的偏振光数据和航向角信息并传输给控制器2，控制器2用于接收并对太阳的偏振光数据和割草机1的航向角信息进行计算以得出行走路线，并控制车轮驱动机构4驱动割草机1按照设定的行走路线在割草工作区域内行走。其中，控制器2为STM32芯片。

利用太阳偏振光的稳定性和时间变化规律，通过获取太阳偏振光角度的变化和割草机1的航向角信息，确定割草机1的实时位置，对割草机1的割草路径进行规划，不受电磁的干扰，白天获取的位置数据稳定可靠，可应用于割草机的白天定位。

优选地，太阳偏振光定位组件3包括至少两个偏振光角度传感器5、三维电子罗盘6，偏振光角度传感器5、三维电子罗盘6分别与控制器2电连接；偏振光角度传感器5用于采集不同观测方向太阳的偏振光数据信息并输出偏振方位角给控制器2，三维电子罗盘6用于检测偏振光角度传感器5的安装基准面是否水平，以及采集割草机1的实时航向角信息和姿态信息并传输给控制器2，控制器2用于接收并对偏振光角度传感器5、三维电子罗盘6采集的数据进行处理以输出割草机1行走过程中的经纬度坐标信息。

采用偏振光角度传感器5获取太阳的偏振光数据信息，不但具有即时定位功能，能固定数据，且无需测量加速度定位不会积累误差，具有稳定的定位能力，能为割草机1提供稳定的工作区域控制能力，解决割草精度和控制复杂度的问题。

具体的，偏振光角度传感器5、三维电子罗盘6均设置在割草机1上，偏振光角度传感器优选3个，即使某一方向的偏振度为0或者偏振方向矢量平行或某一采集方向受到干扰，割草机系统也能正常工作，多方向的同时测量可以提高偏振光定位的稳定性。

优选地，太阳偏振光定位组件3还包括太阳方向矢量判断组件7，太阳方向矢量判断组件7包括太阳信息采集模块8和A/D转换模块9，太阳信息采集模块8与A/D转换模块9电连接，A/D转换模块9与控制器2电连接；太阳信息采集模块8用于采集不同位置太阳自然光光强信息以输出电流信号并传输给A/D转换模块9；A/D转换模块9用于接收太阳信息采集模块8传输的电流信号并转换成电压信号并传输给控制器2，控制器2用于接收并对A/D转换模块9传输的电压信号值进行处理以判断太阳方向矢量的方向。

根据输出的电压的正负值对太阳位置所在坐标系的区间进行判别，代替人眼对太阳方向矢量的方向进行判断，可以提高割草机系统偏振光定位的实时性。

具体的，太阳偏振光定位组件3设置在割草机1上。

优选地，还包括设置在割草机1上的速度传感器10，速度传感器10与控制器2电连接，速度传感器10用于采集割草机1的实时速度信息并传输给控制器2，控制器2用于接收并对速度传感器10、三维电子罗盘6采集的数据进行分析以对割草机1的速度及姿态误差进行修正。例如，补偿割草机1在斜坡上进行航向调整时的运动速度。

控制器2根据速度传感器10和三维电子罗盘6采集的数据信息对割草机1的速度及姿态误差进行补偿，以提高实时定位的精度和应对不同环境适应的需要。

优选地，还包括辅助定位组件，辅助定位组件包括定位杆和图像采集模块11，图像采集模块11设于定位杆或割草机1上，图像采集模块11与控制器2电连接，图像采集模块11用于采集割草机1或定位杆的实时图像信息并传输给控制器2，控制器2用于接收并对图像采集模块11采集的数据进行分析以输出割草机1的实时坐标信息。其中，定位杆位于割草工作区域内或者割草工作区域外，图像采集模块11优选设置在割草机1上。

设置定位杆和图形采集模块11，通过定位杆或割草机1在不同距离上像素点的大小变化，得到定位杆与割草机1的相对距离和位置，结合偏振光定位的方式，以提高割草机系统的定位精度和效率。

优选地，还包括无线通讯模块12和上位机13，无限通讯模块12分别与控制器2、上位机13连接，无限通讯模块12用于将割草机1的工作状态实时传输给上位机13，上位机13对割草机1进行实时监测和远程控制。

本发明还提供一种基于太阳偏振光定位的割草方法，包括如下步骤：

S1：三维电子罗盘6测量割草机1的水平基准面的水平状态信息，在割草机1上建立水平坐标系；

S2：控制割草机1沿割草工作区域边界匀速行驶一圈，偏振光角度传感器5采集所述割草机1行走过程中太阳的偏振光数据，三维电子罗盘6采集割草机1的实时航向角信息和姿态信息，控制器2根据采集的上述信息，计算得到割草机1行走过程中各点的经纬度坐标信息，然后通过连续折线或曲线将位置坐标依次连接生成割草工作区域的虚拟边界；

其中，根据采集的太阳的偏振光数据和割草机1的航向角信息，计算割草机1移动过程中各点的位置坐标的原理如下：

天空中某一点的偏振方向分布模型如图3所示，图中W点表示被观测点、O点表示地球上的观测点、S点表示某一时刻太阳所在的位置、Z点表示天顶点，W点观测点的偏振方向平行于由太阳的位置、地球上的观测点和被观测点构成平面WOS的法向量。

偏振方向矢量P表示为：

P＝k(cos θ，sin θ，0) ；(1)

其中，θ为偏振光角度传感器5测得的偏振方位角，k取值为1或-1，由太阳方向矢量判断模块7输出的电压值判断得出。

由于天空中分布的偏振光存在一定的规律，即偏振光的分布在某一时刻某一地点是稳定的，因此，理论上可以由两个不平行的偏振方向矢量P₁、P₂叉乘求出太阳的方向矢量S₀，太阳的方向矢量S₀的方向由太阳方向矢量判断组件7进行判断。

采用偏振光角度传感器5采集T1、T2时刻割草机1与太阳子午线的夹角，即偏振方位角θ1、θ2，采用三维电子罗盘6采集割草机1与地理北向的夹角，即割草机1的航向角H；

在水平坐标系中，对应的偏振方向矢量为P₁、P₂，S₀可以表示为：

S₀＝(S_x S_y S_z)^T＝k(P₁×P₂)^T ；(2)

其中，S_x、S_y、S_z分别表示太阳的方向矢量在水平坐标系的X轴、Y轴、Z轴的坐标值；P₁、P₂表示天空中两个被观测点W1、W2的偏振方向矢量。

定义太阳的高度角为h_s，太阳的方向矢量在水平坐标系中的投影与水平坐标系中X轴之间的夹角为太阳伪方位角A_s′，顺时针方向表示角度的正方向，太阳的方向矢量在水平坐标系中的投影与正北之间的夹角为太阳的方位角A_s；

在水平坐标系中，由太阳的方向矢量得到如下公式：

其中，当k取1时，由公式(3)求得的太阳的高度角和伪方位角分别为h_s和A_s′；当k取-1时，由公式(3)求得的太阳的高度角和伪方位角分别为-h_s和180+A_s′。

由天文三角形中得到：

其中，δ为太阳赤纬，

为地理纬度，ω为太阳时角。

太阳视角ω表示为：

ω＝η+15(UT1+E)-180 ；(5)

其中，η为地理经度，UT1为世界时(是指格林尼治所在地的标准时间)，E为时差。

世界时和协调世界时UTC之间的偏差在0.9s以内，0.9s转换成以小时为单位时数值很小，对后续的计算影响很小，因此UTC替代UT1，故公式(4)表示为：

ω＝η+15(UTC+E)-180 ；(6)

在平面坐标系中，A_s表示为：

A_s＝A′_s+H+D ；(7)

其中，H为地磁北极与电子罗盘体轴之间的夹角，D为被测地点的磁偏角，根据地理经度η和地理维度

查表得到，这三个参数的关系表示为：

由公式(4)、(6)、(7)、(8)可得：

其中，太阳赤纬δ和时差E可以通过查找星历表获取，协调世界时由上位机14提供，H由电子罗盘采集获得，A_s′和h_s由太阳的方向矢量求出。

经纬度坐标及磁偏角结合即可实现割草机的定位目的，割草机1与真北方向的夹角为α_北，其中，α_北＝H+D，实现定向的目的。

S3：控制器2对割草机1的经纬度坐标信息及航向角信息进行数据融合，计算得出行走路线，并将采集的上述测试信息及预设行走路线存储至控制器2中；

S4：根据设定的虚拟边界，控制器2控制割草机1按照设定的行走路线在割草工作区域内进行割草操作，并获取割草机1实时位置的经纬度坐标信息，采用射线法判断割草机1当前位置是否在割草工作区域内，控制器2根据存储的经纬度坐标信息及航向角信息，对割草机1的行走路线进行修正；

其中，采用射线法判断割草机1当前位置是否在割草工作区域内，通过观察射线与多变形的交点个数，如果交点个数为奇数，则该点在多边形内，如果为偶数则在多边形外。计算公式如下：

x＝(y0-p1.y)*(p2.x-p1.x)/(p2.y-p1.y)+x0 ；(10)

其中，P为割草机1所处的位置，x0为P点的横坐标，y0为P点的纵坐标，P1、P2表示多边形中相邻的两条边。

S5：速度传感器10采集割草机1的测试速度信息并存储至控制器2，控制器2获取割草机1的实时速度和姿态信息，并根据存储的测试速度和姿态信息，采用最小均方根误差算法对割草机1的速度及姿态误差进行修正。

割草机1在割草的过程中预设为匀速运动，但在实际运动的过程中可能会有不同的速度，比如在斜坡上进行航向调整时的运动速度，故需要对割草机1运动过程中的速度及姿态误差进行补偿，以适应不同的户外环境。

其中，均方根误差用于描述惯性传感器7的速度、航向角、姿态角的精度，记为RMS，在测量次数有限的情况下，均方根误差由以下公式可得：

其中，n为有效试验次数；m_i为第i次试验的采样点数；j为第i次试验的第j个采样时刻；x_ij为第i次试验的第j个采样时刻的测量值；x_0ij为第i次试验的第j个采样时的的真值。

S6：在割草工作区域内或割草工作区域外设置定位杆，图像采集模块11采集割草机1或定位杆的实时图像信息，控制器2获取实时采集的图像信息并分析得到割草机1所在位置的坐标信息，对割草机1规划辅助行走路线。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于太阳偏振光定位的割草机系统，包括割草机(1)及设置在割草机(1)上的控制器(2)，其特征在于：所述割草机(1)上还设有太阳偏振光定位组件(3)，所述太阳偏振光定位组件(3)与控制器(2)电连接，所述控制器(2)与割草机(1)的车轮驱动机构(4)电连接；

所述太阳偏振光定位组件(3)，用于获取在割草机(1)坐标系下的太阳偏振光数据和航向角信息并传输给控制器(2)；

所述控制器(2)，用于接收并对太阳的偏振光数据和割草机(1)的航向角信息进行计算以得出行走路线，并控制所述车轮驱动机构(4)驱动割草机(1)按照设定的行走路线在割草工作区域内行走。

2.如权利要求1所述的基于太阳偏振光定位的割草机系统，其特征在于：所述太阳偏振光定位组件(3)包括至少两个偏振光角度传感器(5)、三维电子罗盘(6)，所述偏振光角度传感器(5)、三维电子罗盘(6)分别与控制器(2)电连接；

所述偏振光角度传感器(5)，用于采集不同观测方向太阳的偏振光数据信息并输出偏振方位角给控制器(2)；

所述三维电子罗盘(6)，用于检测偏振光角度传感器(5)的安装基准面是否水平，以及采集割草机(1)的实时航向角信息和姿态信息并传输给控制器(2)；

所述控制器(2)，用于接收并对偏振光角度传感器(5)、三维电子罗盘(6)采集的数据进行处理以输出割草机(1)行走过程中的经纬度坐标信息。

3.如权利要求2所述的基于太阳偏振光定位的割草机系统，其特征在于：所述太阳偏振光定位组件(3)还包括太阳方向矢量判断组件(7)，所述太阳方向矢量判断组件(7)包括太阳信息采集模块(8)和A/D转换模块(9)，所述太阳信息采集模块(8)与A/D转换模块(9)电连接，所述A/D转换模块(10)与控制器(2)电连接；

所述太阳信息采集模块(8)，用于采集不同位置太阳自然光光强信息以输出电流信号并传输给A/D转换模块(9)；

所述A/D转换模块(9)，用于接收太阳信息采集模块(8)传输的电流信号并转换成电压信号并传输给控制器(2)；

所述控制器(2)，用于接收并对A/D转换模块(9)传输的电压信号值进行处理以判断太阳方向矢量的方向。

4.如权利要求2或3所述的基于太阳偏振光定位的割草机系统，其特征在于：还包括设置在割草机(1)上的速度传感器(10)，所述速度传感器(10)与控制器(2)电连接；

所述速度传感器(10)，用于采集割草机(1)的实时速度信息并传输给控制器(2)；

所述控制器(2)，用于接收并对速度传感器(10)、三维电子罗盘(6)采集的数据进行分析以对割草机(1)的速度及姿态误差进行修正。

5.如权利要求1或2所述的基于太阳偏振光定位的割草机系统，其特征在于：还包括辅助定位组件，所述辅助定位组件包括定位杆和图像采集模块(11)，所述图像采集模块(11)设于定位杆或割草机(1)上，所述图像采集模块(11)与控制器(2)电连接；

所述图像采集模块(11)，用于采集割草机(1)或定位杆的实时图像信息并传输给控制器(2)；

所述控制器(2)，用于接收并对图像采集模块(11)采集的数据进行分析以输出割草机(1)的实时坐标信息。

6.如权利要求1所述的基于太阳偏振光定位的割草机系统，其特征在于：还包括无线通讯模块(12)和上位机(13)，所述无限通讯模块(12)分别与控制器(2)、上位机(13)连接，所述无限通讯模块(12)，用于将割草机(1)的工作状态实时传输给上位机(13)。

7.如权利要求5所述的基于太阳偏振光定位的割草机系统，其特征在于：所述定位杆位于割草工作区域内或者割草工作区域外。

8.一种基于太阳偏振光定位的割草方法，其特征在于：包括如下步骤：

三维电子罗盘(6)测量割草机(1)的水平基准面的水平状态信息；

控制所述割草机(1)沿割草工作区域边界匀速行驶一圈，偏振光角度传感器(5)采集所述割草机(1)行走过程中太阳的偏振光数据，三维电子罗盘(6)采集割草机(1)的实时航向角信息和姿态信息，控制器(2)根据采集的上述信息，计算得到割草机(1)行走过程中各点的经纬度坐标信息，然后通过连续折线或曲线将位置坐标依次连接生成割草工作区域的虚拟边界；

控制器(2)对割草机(1)的经纬度坐标信息及航向角信息进行数据融合，计算得出行走路线，并将采集的上述测试信息及预设行走路线存储至控制器(2)中；

根据设定的虚拟边界，控制器(2)控制割草机(1)按照设定的行走路线在割草工作区域内进行割草操作，并获取割草机(1)实时位置的经纬度坐标信息，采用射线法判断割草机(1)当前位置是否在割草工作区域内，控制器(2)根据存储的经纬度坐标信息及航向角信息，对割草机(1)的行走路线进行修正。

9.如权利要求8所述的基于太阳偏振光定位的割草方法，其特征在于：还包括如下步骤：

速度传感器(10)采集割草机(1)的测试速度信息并存储至控制器(2)，控制器(2)获取割草机(1)的实时速度和姿态信息，并根据存储的测试速度和姿态信息，对割草机(1)的速度及姿态误差进行修正。

10.如权利要求8或9所述的基于太阳偏振光定位的割草方法，其特征在于：还包括如下步骤：

在割草工作区域内或割草工作区域外设置定位杆，图像采集模块(11)采集割草机(1)或定位杆的实时图像信息，控制器(2)获取实时采集的图像信息并分析得到割草机(1)所在位置的坐标信息，对割草机(1)规划辅助行走路线。

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