CN111949023B - 一种自行走设备的边界探测方法和自行走设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自行走设备的边界探测方法和自行走设备，在自行走设备工作范围边界和/或工作范围内的障碍物的四周布设铁磁性金属物质形成金属边界，判断设置于自行走设备上的金属传感器检测到的金属物质的磁场强度信号是否连续，若磁场强度信号连续则认为金属传感器检测到金属边界，若磁场强度信号不连续则认为金属传感器没有检测到金属边界。本发明将需要工作范围四周或工作范围内障碍物四周填埋或散落连续的铁磁性金属颗粒(粉或者块)形成封闭的环形金属边界，在设备四周设置金属探测器，当检测到连续的金属物质时，视为所检测到的为金属边界，进行转向等动作，避免对割草区域内的金属物质误判，提高了边界判断精度，同时减少了布线的麻烦。

Description

一种自行走设备的边界探测方法和自行走设备

技术领域

本发明属于自行走设备技术领域，具体涉及一种自行走设备的边界探测方法和一种自行走设备。

背景技术

自行走设备是一种能够在道路和户外连续的、实时的自主移动的智能机器人。智能割草机器人作为自行走设备的一种，适用于清理丘陵、梯田、平原等地块的植被，以及草坪之内的杂草。其操作简单，工作效率高。常见的学校，以及街道美化，都是用割草机来完成的，在国外，许多家庭用割草机来为自己的花园除草。

现在自行走设备对工作区域进行割草需要先通过在地底下预埋一根封闭的信号线，在机器上设置有传感器用于感应信号线所发出的信号，从而保证机器在我预埋的信号线范围内工作，但这种方法需要提前去布场地，比较费事，而且信号线也有可能断裂，导致边界线失效。

一些自行走设备会携带或安装GNSS模块，通过定位确定工作范围和机器位置，把障碍物圈定起来生成坐标，再通过定位模块和遍历算法根据实时GPS定位确认机器位置控制机器进行遍历工作，但是机器在大树下、阴雨天等情况下，可能导致GPS无法定位或定位偏差，进而造成机器停机，机器失控等现象。

也有一些自行走设备，在边界上通过布置标识物，在机器上对应设置用于识别标识物的传感器用于判定边界，常用的标识物有带有颜色的粉末、金属块等，亦有使用信号发生设备作为标识物的，例如RFID标签等。其中使用RFID标签成本较高、而利用带有颜色的粉末，其持续时间较短，长时间使用可能需要补充进行边界喷涂。采用金属物质作为边界时，由于机器运行区域内可能会有其他的金属杂物，例如散落在草地中的螺母等，导致机器误识别，影响割草操作。

发明内容

为解决以上问题，本发明提出了一种自行走设备的边界探测方法和自行走设备。

为实现以上目的的技术解决方案如下：

一种自行走设备的边界探测方法，在所述自行走设备工作范围边界和/或工作范围内的障碍物的四周布设铁磁性金属物质形成金属边界，判断设置于所述自行走设备上的金属传感器检测到的金属物质的磁场强度信号是否连续，

若所述磁场强度信号连续则认为金属传感器检测到所述金属边界，若所述磁场强度信号不连续则认为金属传感器没有检测到所述金属边界。

进一步地，预设一金属磁场强度范围，所述金属磁场强度范围为所述金属传感器所检测到的形成所述金属边界的金属物质的磁场强度的范围，在判断所述金属传感器检测到的磁场强度信号是否连续之前，判断所述金属传感器检测到的磁场强度是否在所述金属磁场强度范围内，

若所述磁场强度在所述金属磁场强度范围以内再判断所述磁场强度信号是否连续，若所述磁场强度在所述金属磁场强度范围外则认为金属传感器没有检测到所述金属边界。

进一步地，所述金属磁场强度范围是金属传感器在规定检测距离处检测到的形成所述金属边界的金属物质的磁场强度的范围。

进一步地，所述规定检测距离大于或等于在自行走设备工作范围边界布设的铁磁性金属物质形成的金属边界与自行走设备工作范围边界间的距离。

进一步地，在所述自行走设备的头侧设置有所述金属传感器。

进一步地，在所述自行走设备的四周侧均设置有所述金属传感器。

进一步地，所述自行走设备的每一侧至少设置两个所述金属传感器。

进一步地，判断所述磁场强度信号是否连续的方式为：自行走设备在运行过程中，若自行走设备某一侧所有的金属传感器检测到的磁场强度均处于预设金属磁场强度范围以内，则判定信号为连续性信号；否则判定信号不是连续性信号。

进一步地，判断所述磁场强度信号是否连续的方式为：在其中一个金属传感器检测到信号后，自行走设备转动一定角度，若自行走设备一侧的所有传感器不能检测到数值相同的磁场强度或检测到的磁场强度数值之间的差异量在规定的补偿数值以内，则判定所检测到的信号不是连续性的；若自行走设备一侧的所有传感器检测到数值相同的磁场强度或检测到的磁场强度数值之间的差异量在规定的补偿数值以内，则判定所检测到的信号是连续性的。

进一步地，判断所述磁场强度信号是否连续的方式为：在其中一个金属传感器检测到信号后，自行走设备转动一定角度，若自行走设备一侧的所有传感器不能检测到数值相同的磁场强度或检测到的磁场强度数值之间的差异量在规定的补偿数值以内，则判定所检测到的信号不是连续性的；若自行走设备一侧的所有传感器检测到数值相同的磁场强度或检测到的磁场强度数值之间的差异量在规定的补偿数值以内，自行走设备沿此时的机器朝向方向，继续行进，在行进过程中，每间隔一预定距离继续检测，如果所述自行走设备一侧的所有传感器在相邻行进位置均检测到数值相同的磁场强度或检测到的磁场强度数值之间的差异量在规定的补偿数值以内，则判定所检测到的信号是连续性的。

进一步地，所述铁磁性金属物质为金属粉末或金属块。

进一步地，所述金属粉末或金属块外部进行包胶处理。

一种自行走设备的边界探测方法，自行走设备在工作区域内移动时，在GPS信号良好时，使用GPS信号进行定位和导航；在GPS信号不好的区域或情况下，打开所述金属传感器，采用上述的方法实现边界探测。

一种自行走设备，包括边界探测单元和主控制单元，所述边界探测单元包括金属传感器，所述边界探测单元用于执行上述的自行走设备的边界探测方法，所述主控制单元用于接收金属传感器发送的信号并判断金属传感器检测到的金属物质的磁场强度信号是否连续以及是否在所述金属磁场强度范围内，所述主控制单元根据边界探测结果控制所述自行走设备的运行。

进一步地，所述自行走设备是割草机器人。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明将需要割草范围四周填埋或散落连续的铁磁性金属颗粒(粉或者块)形成封闭的环形金属边界，割草范围内障碍物四周也可以同样的方式形成环形封闭金属边界，在机器四周设置金属探测器，通过金属探测器检测周围环境中金属物质，检测过程中当检测到连续的金属物质时，视为所检测到的为金属边界，进行转向等动作，避免对割草区域内的金属物质误判，提高了边界判断精度，同时减少了布线的麻烦；

(2)本发明预设一金属传感器所检测到的形成金属边界的金属物质的磁场强度的范围，所述金属磁场强度范围是金属传感器在规定检测距离处检测到的形成所述金属边界的金属物质的磁场强度的范围，在判断金属传感器检测到的磁场强度信号是否连续之前，还需判断金属传感器检测到的磁场强度是否在所述金属磁场强度范围内，通过磁场强度是否在所述金属磁场强度范围内以及信号是否连续来综合判断是否是金属边界，进一步提高了边界判断精准度；

(3)本发明有多种对金属物质磁场强度信号是否连续的方式，每种方式在一定程度上综合考虑了成本大小和精度高低，在实际运用时可具体选择；

(4)本发明金属探测边界方法与GPS定位方法可共同运用，自行走设备在GPS信号良好时，优先利用GPS信号指示位置并进行导航运动割草，在GPS信号不好的区域或情况利用所述的金属探测边界方法进行割草边界、障碍物辅助识别，提高了应用范围也有效的解决了GPS定位在信号不好的地方无法识别障碍物的情况，使机器运行更加可靠。

附图说明

图1是本发明中金属传感器分布示意图。

图2是金属边界布置位置示意图。

图中，1为割草机器人，2为金属传感器，3为割草区域，4为割草机器人工作范围边界，5为金属边界；6为障碍物。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明的自行走设备的边界探测方法适用于多种自行走设备，可实现自行走设备的工作区域边界和障碍物的识别，本实施例以割草机器人为例详细说明。

如图1所示的一种割草机器人，割草机器人1四周均匀分布有传感器2。传感器在割草机器人两侧设置，在每一侧至少设置有2个，本实施例中，割草机器人每一侧设置有三个传感器，分别位于割草机器人头、尾和中间位置。

传感器为金属探测器，该金属探测器是利用电磁感应的原理，利用有交流电通过的线圈，产生迅速变化的磁场。这个磁场能在金属物体内部能感生涡电流。涡电流又会产生磁场，倒过来影响原来的磁场，接收线圈会放大这一频率并将相应信号传送到金属探测器的控制台，控制台继而对这一信号加以分析。这时智能割草机器人主控制单元收到来自金属探测器的电信号。在实际应用过程中，预先设定一个金属磁场强度范围，此范围为所布置边界所采用的金属物质在被检测时，金属传感器所检测到的磁场强度。若所检测到的电信号不在此预设范围内，则认定是其它带有金属性质的物体，若所接收的电信号强度在设定强度范围以内，且为连续均匀的即可判断是边界线或者障碍物等不可逾越的边界，开始控制机器实施拐弯、掉头等步骤。

优选地，为了进一步提高检测精准度和考虑机器实际运行情况，所述预设金属磁强强度范围是金属传感器在规定检测距离处检测到的形成所述金属边界的金属物质的磁场强度的范围。由于金属传感器检测数值随着与被检测物质之间的距离变化而变动，因此需要对检测距离进行一个限定，理想状态下，规定检测距离为金属边界与机器行走边界间的距离；出于安全、防止设备移动至行走距离以外等因素的考虑，所述规定检测距离不得小于在割草机器人工作范围边界4布设的铁磁性金属物质形成的金属边界与割草机器人工作范围边界4间的距离。

如图2所示，在割草机器人1初次使用时，需要进行割草机器人边界设定，通常是人为遥控割草机器人沿割草区域3的边界行走，完成施教过程。图2中，割草机器人沿割草区域3边缘行走的边界为割草机器人工作范围边界4，割草机器人在工作范围边界4内进行工作，在割草机器人行走过程中，将金属物质撒在或埋设在割草机器人外侧位置，金属物质构成金属边界5。同样的，在割草区域3中的障碍物6周围也可以播撒或者埋设金属物质形成金属边界。本实施例中，金属边界5可以是铁磁性金属粉末或者铁磁性金属块。为了更进一步避免金属氧化导致的金属边界失效，所使用的金属粉末或者金属块可以是外部进行包胶处理的。割草区域中的障碍物外一周也播撒或埋设金属物质。所使用的金属粉末或者金属块检测时的磁场强度均处于预先设定的磁场强度范围内。

在实际使用过程中，具体采用的金属探测方法为：

S1、割草机在割草区域3内移动时，当GPS信号良好时，使用GPS信号进行定位和导航割草，金属传感器关闭；在GPS信号不好的区域或情况下，进入下面步骤；

S2、当割草机GPS信号较差或者缺失的情况下，打开金属传感器2，利用金属探测边界方法进行割草边界、障碍物辅助识别，防止割草机运行至边界以外或者撞击到割草区域内的障碍物6。

金属探测边界方法如下：

a1、割草机器人开启金属传感器2，进行金属检测，根据预先设定金属磁场强度范围，若检测到的电信号不在此信号范围内，认定割草机器人附近没有金属边界或障碍物边界，割草机器人按预设线路正常运行，若所接收的电信号强度在设定强度范围之内，进入步骤a2；

a2、当所接收的电信号强度在设定强度范围之内，进行信号连续性判断，若判定信号为非连续性信号，割草机器人按预设线路正常运行；若判定信号为连续性信号，即可判断是边界线或者障碍物等不可逾越的边界，并进入步骤a3；

a3、割草机主控接收到边界信息，开始控制机器实施拐弯、掉头等步骤。

本发明有多种对金属物质磁场强度信号是否连续的方式，每种方式在一定程度上综合考虑了成本大小和精度高低，在实际运用时可具体选择：

第一种具体的判定电磁信号是否连续的方式是：割草机器人在运行过程中，若割草机器人某一侧(头部、两侧中之一或者尾部)所有的传感器均检测到处于预设磁场强度范围内的电信号，则判定信号为连续性信号，实际使用过程中，机器绝大多数情况下均为朝向车头方向运行，出于简化设备结构，减少成本的角度，也可仅在车头一侧安装金属传感器。相邻传感器之间距离可以不小于10cm，避免传感器距离太近，导致灵敏度过高，发生误检测。

由于割草机器人在运行过程中，不一定正向朝向边界线运行，为了更精确地进行检测，可以使用第二种信号连续性判断方式：割草机器人在其中一个传感器检测到信号后，转动一定角度，转动过程中，传感器实时进行检测，若割草机器人一侧的三个传感器不能检测到数值相同的磁场强度或检测到的磁场强度数值之间的差异量在规定的补偿数值以内，则判定所检测到的金属不是连续性的；当割草机器人一侧的三个传感器检测到数值相同的磁场强度或检测到的磁场强度数值之间的差异量在规定的补偿数值以内，则判断割草机器人临近金属边界，机器进行拐弯、掉头等操作。

下面为第三种更复杂精度更高的连续性判断方式，割草机器人在其中一个传感器检测到信号后，转动一定角度，转动过程中，传感器实时进行检测，若割草机器人一侧的三个传感器不能检测到数值相同的磁场强度或检测到的磁场强度数值之间的差异量在规定的补偿数值以内，则判定所检测到的金属不是连续性的；当割草机器人一侧的三个传感器检测到数值相同的磁场强度或检测到的磁场强度数值之间的差异量在规定的补偿数值以内时，割草机器人沿此时的机器朝向方向，继续行进，在行进过程中，每间隔一段距离继续检测，如果在相邻位置均检测到数值相同的磁场强度或检测到的磁场强度数值之间的差异量在规定的补偿数值以内，即判定所检测到的金属物质为连续金属边界。

对于第二和第三种判断方式，理想状态下，是在机器转动过程中，机器一侧的所有传感器均检测到同一大小的金属磁场强度，因为此时表示每个传感器到达所检测到的金属物质的距离相同，由于传感器是在机器侧部不同位置分布的，说明所检测到的金属物质呈现为线型，进而判定此时检测到的金属物质为边界线。

但是由于实际测量有误差，所以多个传感器可能检测数值之间存在微小的差异，当机器同一侧的所有传感器检测值之间的差异量小于所规定的补偿数值，即可视为所有传感器检测数值相同，判定边界连续，因此当机器同一侧所有金属传感器检测到的数值相同(理想状态下)，或者差异量在规定的补偿数值之内(考虑误差等综合因素的情况下)，为判定边界连续的条件。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种自行走设备的边界探测方法，在所述自行走设备工作范围边界和/或工作范围内的障碍物的四周布设铁磁性金属物质形成金属边界，其特征在于，判断设置于所述自行走设备上的金属传感器检测到的金属物质的磁场强度信号是否连续，

若所述磁场强度信号连续则认为金属传感器检测到所述金属边界，若所述磁场强度信号不连续则认为金属传感器没有检测到所述金属边界；

预设一金属磁场强度范围，在判断所述金属传感器检测到的磁场强度信号是否连续之前，判断所述金属传感器检测到的磁场强度是否在所述金属磁场强度范围内，

若所述磁场强度在所述金属磁场强度范围以内再判断所述磁场强度信号是否连续，若所述磁场强度在所述金属磁场强度范围外则认为金属传感器没有检测到所述金属边界；

所述金属磁场强度范围是金属传感器在规定检测距离处检测到的形成所述金属边界的金属物质的磁场强度的范围；

判断所述磁场强度信号是否连续的方式为：在其中一个金属传感器检测到信号后，自行走设备转动一定角度，若自行走设备一侧的所有传感器不能检测到数值相同的磁场强度或检测到的磁场强度数值之间的差异量在规定的补偿数值以内，则判定所检测到的信号不是连续性的；若自行走设备一侧的所有传感器检测到数值相同的磁场强度或检测到的磁场强度数值之间的差异量在规定的补偿数值以内，自行走设备沿此时的机器朝向方向，继续行进，在行进过程中，每间隔一预定距离继续检测，如果所述自行走设备一侧的所有传感器在相邻行进位置均检测到数值相同的磁场强度或检测到的磁场强度数值之间的差异量在规定的补偿数值以内，则判定所检测到的信号是连续性的。

2.根据权利要求1所述的自行走设备的边界探测方法，其特征在于，所述规定检测距离大于或等于在自行走设备工作范围边界布设的铁磁性金属物质形成的金属边界与自行走设备工作范围边界间的距离。

3.根据权利要求1所述的自行走设备的边界探测方法，其特征在于，在所述自行走设备的头侧设置有所述金属传感器。

4.根据权利要求1所述的自行走设备的边界探测方法，其特征在于，在所述自行走设备的四周侧均设置有所述金属传感器。

5.根据权利要求1所述的自行走设备的边界探测方法，其特征在于，所述自行走设备的每一侧至少设置两个所述金属传感器。

6.根据权利要求1所述的自行走设备的边界探测方法，其特征在于，所述铁磁性金属物质为金属粉末或金属块。

7.根据权利要求6所述的自行走设备的边界探测方法，其特征在于，所述金属粉末或金属块外部进行包胶处理。

8.一种自行走设备的边界探测方法，其特征在于，

自行走设备在工作区域内移动时，在GPS信号良好时，使用GPS信号进行定位和导航；在GPS信号不好的区域或情况下，打开所述金属传感器，采用权利要求1-7任一项所述的方法实现边界探测。

9.一种自行走设备，其特征在于，包括边界探测单元和主控制单元，所述边界探测单元包括金属传感器，所述边界探测单元用于执行权利要求2-8中任一项所述的自行走设备的边界探测方法，所述主控制单元用于接收金属传感器发送的信号并判断金属传感器检测到的金属物质的磁场强度信号是否连续以及是否在所述金属磁场强度范围内，所述主控制单元根据边界探测结果控制所述自行走设备的运行。

10.根据权利要求9所述的自行走设备，其特征在于，所述自行走设备是割草机器人。

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