CN112218518A - 具有困境避免和障碍物避开路径计划的自主地面维护机器 - Google Patents

Abstract

操作自主地面维护机器包括：确定用于机器到达作业区域的分区中的目的地道路点的行进路径。基于预先确定的地形图，对于问题区域分析行进路径。甚至在机器开始沿路径行进之前，也可以计划机器的转动，以主动地防止机器被困。

Description

具有困境避免和障碍物避开路径计划的自主地面维护机器

本申请要求2018年5月25日提交的美国临时申请No.62/676,379以及2019年2月5日提交的美国临时申请No.62/801,267的优先权，这两个美国临时申请通过引用并入本文。

技术领域

本文中描述的实施例涉及自主地面维护机器，特别是涉及用于自主地面维护机器以避免被困和避开障碍物的路径计划。

背景技术

诸如草坪机械和花园机械之类的地面维护机器已知用于执行各种任务。例如，业主和专业人士等都使用电动草坪剪草机来维护地产或庭院内的草地区域。

自主地执行割草功能的草坪剪草机也是已知的。自主草坪剪草机通常由电池供电，并且通常受限于仅切割地产草坪的一部分就需要充电，充电通常需要剪草机返回到充电基站。此外，许多自主草坪剪草机都是由差速驱动系统提供动力的，这意味着仅剪草机的前部或后部的两个车轮被提供动力。与四轮或全轮驱动系统相比，这简化了用于操作的动力传动系统。自主草坪剪草机通常还会在固定地产边界内以随机行驶模式割草。固定地产边界内的地形可能会给某些自主草坪剪草机带来问题，尤其是那些具有差速驱动系统的自主草坪剪草机。例如，一个问题区域是具有足以导致差速从动轮的牵引力损失的陡坡度的斜坡。特别是，接近陡坡下坡边界处的草坪剪草机在停止并试图移动离开边界后可能会被卡住。

为了解决此类问题区域，一些自主草坪剪草机通过采取规避动作对固定地产边界中的地形变化做出反应。例如，当水平检测器感测到自主草坪剪草机处于足够陡的坡度(即，对于牵引力而言太陡)时，可以触发规避策略(evasive maneuver)。规避动作可以包括反向路线或使草坪剪草机转动以退出问题区域。

虽然有时是有效的，但水平检测器并不能在所有情况下都防止自主剪草机被卡住，尤其是当接近边界时。因为水平检测器只能感测到草坪剪草机何时已经到达陡坡，所以当水平检测器感测到了陡坡的时候，自主剪草机可能已经失去了反向或转向离开边界的能力。牵引力的损失可能会阻碍自主剪草机在整个预期作业区域继续割草的能力。无法恢复牵引力可能会降低自主剪草机的效率。另外，当已经位于陡坡上时所采取的规避动作可能会在一段时间起作用，但最终会磨平地面，因此该区域中的后续规避动作可能会最终失败并且机器人可能会被卡住。在陡坡上采取规避动作也会损坏草皮，进一步降低了牵引力，并且将来可能需要维修。

除潜在的陡坡之外，地形还可能包括在自主草坪剪草机的路径上的障碍物。这些障碍物可能会阻碍自主剪草机有效地覆盖预期作业区域的能力。当存在障碍物时，自主剪草机的有效性可能会进一步降低。

发明内容

本发明的公开的实施例涉及用于自主地面维护机器的路径计划，以通过基于预先确定的地形图来计划机器沿行进路径的转动来避免被困在问题区域中。使用这种主动技术，机器可以被取向为当穿越问题区域时维持牵引力。机器可以基于预先确定的地形图来分析计划的行进路径是否将穿越问题区域，诸如陡坡。机器可以决定是沿向前方向(例如，对于陡的上坡斜坡)穿越问题区域，还是沿反向方向(例如，对于陡的下坡斜坡)穿越问题区域。机器还可以使用传感器检测障碍物、然后决定是在接触障碍物之前还是之后改变路线来避开障碍物。问题区域、障碍物或两者均可以由用户手动地识别或由机器自主地识别。这些技术的使用可以提高许多自主地面维护机器的有效性。

在一个实施例中，本发明的公开涉及一种用于操作自主地面维护机器的方法。该方法包括：确定自主地面维护机器到达作业区域中的目的地道路点的行进路径；基于预先确定的地形图，分析行进路径是否将穿越问题区域；基于预先确定的地形图，确定自主地面维护机器沿行进路径的计划转动；以及基于计划转动命令自主地面维护机器沿行进路径推进。

在另一实施例中，本发明的公开涉及一种自主地面维护机器，其包括限定有前端和后端的壳体以及与壳体相关联的机具。机器包括将壳体的前端支撑在地面上的至少一个前轮以及将壳体的后端支撑在地面上的两个后轮。机器还包括由壳体支撑的机具马达以及由壳体支撑并可操作地联接到后轮的推进系统。推进系统适于独立地控制两个后轮的速度和旋转方向，从而控制壳体在地面上的速度和方向。机器进一步包括可操作地联接到推进系统的控制器。控制器适于生成壳体的行驶计划。控制器适于自主地：确定壳体到达作业区域中的目的地道路点的行进路径；基于预先确定的地形图，分析行进路径是否将穿越问题区域；基于预先确定的地形图，计划壳体的转动；以及基于计划的转动命令推进系统将壳体沿行进路径推进。

在又一实施例中，本发明的公开涉及一种自主地面维护机器，其包括限定有前端和后端的壳体以及与壳体相关联的机具。机器包括将壳体的前端支撑在地面上的至少一个前轮以及将壳体的后端支撑在地面上的两个后轮。机器还包括由壳体支撑的机具马达以及由壳体支撑并可操作地联接到后轮的推进系统。推进系统适于独立地控制两个后轮的速度和旋转方向，从而控制壳体在地面上的速度和方向。机器进一步包括：定位成在壳体的前端或后端的方向上检测障碍物的障碍物感测电路，以及可操作地联接到推进系统和障碍物感测电路的控制器。控制器适于自主地：基于预先确定的地形图和当前行进路径，确定壳体的计划转动；使用障碍物感测电路，检测沿当前行进路径到达作业区域中的目的地道路点的障碍物；确定目的地道路点是当前分区内的下一坐标还是作业区域的新分区内的起始坐标；响应于目的地道路点是当前分区内的下一坐标，使用如下命令来避开障碍物：命令推进系统将壳体沿当前行进路径推进，直到与障碍物进行接触；以及在避开障碍物之后，命令推进系统将壳体朝目的地道路点推进。

上述概述并非旨在描述本发明的公开的每个实施例或每个实现方式。通过参考下面的详细描述和权利要求书，结合附图，对本发明的更全面的理解将变得显而易见并得以理解。

附图说明

将参考附图进一步描述示例性实施例，其中：

图1是根据本发明的公开的一个实施例的结合了路径计划的自主地面维护机器的示意性正视图。

图2是根据本发明的公开的一个实施例的图1的机器所覆盖的作业区域的俯视图。

图3是根据本发明的公开的一个实施例的图2的作业区域内的分区和图1的机器在该分区内的路径的俯视图。

图4是根据本发明的公开的一个实施例的沿着行进路径的海拔对距离的曲线图。

图5是沿着图4的行进路径的坡度对距离的曲线图。

图6是根据本发明的公开的一个实施例的执行障碍物避开方法的图1的机器的俯视图。

图7是根据本发明的公开的一个实施例的执行另一障碍物避开方法的图1的机器的俯视图。

图8是根据本发明的公开的一个实施例的操作图1的机器的方法的一个实例的流程图。

图9是根据本发明的公开的一个实施例的使用图1的机器来实现穿越图8的作业区域的一个实例的流程图。

图10是根据本发明的公开的一个实施例的使用图1的机器且利用图9的多个道路点来实现穿越分区的一个实例的流程图。

图11是根据本发明的公开的一个实施例的使用图1的机器来实现确定图8的作业区域的地形图的一个实例的流程图。

图12是根据本发明的公开的一个实施例的使用图1的机器来实现确定沿着图10的行进路径的计划转动的一个实例的流程图。

图13是根据本发明的公开的一个实施例的使用图1的机器沿着行进路径避开障碍物的方法。

图14是根据本发明的公开的一个实施例的使用图1的机器沿着行进路径避开障碍物的另一方法。

图15是根据本发明的公开的一个实施例的图1的机器的牵引力控制方法。

这些图主要是为了清楚起见而给出的，因此不一定按比例绘制。此外，各种结构/部件，包括但不限于紧固件、电气部件(布线、电缆等)等可以被示意性地示出或者从一些或全部视图中被去除，以更好地示出所描绘的实施例的各方面，或者其中，对于理解本文所描述的各种示例性实施例而言，不是必须包括这样的结构/部件。然而，在特定附图中缺乏对这样的结构/部件的图示/描述不应该被解释为以任何方式限制各种实施例的范围。更进一步，术语“附图”和“图”在本文中可以互换使用。

具体实施方式

在以下对示例性实施例的详细描述中，参考了构成其一部分的附图。应理解的是，当然可以设想到本文没有描述和/或示出的其他实施例。

本文提供的所有标题都是为了方便读者，并且不应当用于限制标题后面的任何文本的含义，除非是如此规定的。此外，除非另有指出，否则说明书和权利要求中的表示数量的所有数字和表示方向/取向的所有术语(例如，竖直、水平、平行、垂直等)在任何情况下均应理解为由术语“约”修饰。术语“和/或”(如果使用的话)是指所列元件中的一个或所有，或者所列元件中的任何两个或多个的组合。术语“即”被用作也就是说(拉丁文短语id est)的缩写并且是指“也就是”。术语“例如”被用作示例性(拉丁文短语exempligratia)的缩写并且是指“例如”。

除非上下文另有明确规定，否则术语“或”通常以其包含性含义使用，例如，是指“和/或”。术语“和/或”是指所列元件中的一个或所有，或者所列元件中的至少两个的组合。

本发明的公开的实施例提供了自主地面维护机器以及在作业区域中利用路径计划操作该机器的方法，以实现操作期间对作业区域的改进的覆盖。例如，该机器可以是自主剪草机，其适于随着剪草机穿过作业区域(例如，住宅或商业地产的草皮地面)行进而在作业区域内割草。通过实施像本文所描述和说明的那些技术，这样的剪草机能够实现比利用已知随机行驶覆盖方法以其他方式提供的切割覆盖率更高效的切割覆盖率。

涉及用于自主地面维护机器的路径计划的本发明的公开的技术可以通过基于预先确定的地形图计划机器沿着行进路径的转动来帮助避免被困在问题区域中。使用这种主动技术，机器可以在穿越问题区域时被取向为维持牵引力。机器可以基于预先确定的地形图来分析计划的行进路径是否将穿越问题区域，诸如陡斜坡。机器可以决定是沿向前方向(例如，陡的上坡斜坡)还是沿反向方向(例如，陡的下坡斜坡)穿越问题区域。机器还可以使用传感器检测障碍物、然后决定是否在接触障碍物之前或之后改变路线来避开障碍物。问题区域、障碍物或两者均可由用户手动识别或由机器自动识别。这些技术的使用可以改善许多自主地面维护机器的有效性。

虽然在本文中被描述为自主剪草机，但是这样的构造仅是示例性的，因为本文描述的系统和方法也可应用于其他自主地面维护机器，包括例如商用剪草产品、其他地面作业机器或车辆(例如，碎屑鼓风机/真空吸尘器、曝气机、除草机、物料撒布机、除雪机)以及诸如真空吸尘器和地板洗涤器/清洁器之类的室内作业车辆(例如，可能遇到障碍物的那些室内作业车辆)。

应注意的是，术语“包括”及其变型在随附的说明书和权利要求书中出现这些术语的情况下不具有限制性意义。此外，“一”、“一个”、“该”、“至少一个”和“一个或多个”在本文中可互换地使用。此外，诸如“左”、“右”、“前”、“前部”、“向前”、“后”、“后部”、“向后”、“顶部”、“底部”、“侧面”、“上”、“下”、“上方”、“下方”、“水平”、“竖直”等的相对术语可以在本文中被使用，并且如果使用的话，这些术语来自特定图中所示的视角，或者是当车辆100处于操作配置时(例如，当车辆100被定位成使得车轮106和108搁在大体水平的地面103上时，如图1中所示)。然而，这些术语仅用于简化描述，而不是限制对所描述的任何实施例的解释。

虽然实际地面维护机器的构造不一定是理解本发明的公开的核心，但图1示出了草坪剪草系统(为了便于描述，示意性地示出剪草机100)的自主地面维护机器(例如，自主操作车辆，诸如自主草坪剪草机100)的一个实例。如该视图中所示，剪草机100可以包括壳体102(例如，带有护罩的机架或底盘)，该壳体102承载和/或围住剪草机的各种部件，如下所述。剪草机100可以进一步包括地面支撑构件，例如将壳体102支撑在大地(例如草地)表面103上的一个或多个后轮106和一个或多个前轮108。如图所示，前轮108用于支撑剪草机壳体102的前端134，而后轮106用于支撑剪草机壳体的后端136。

后轮108中的一个或两个可以由推进系统(例如，包括一个或多个电动轮马达104)驱动，以将剪草机100在地面103上面推进。在一些实施例中，前轮108可以相对于壳体102(例如，围绕竖直轴线)自由旋转。在这样的构造中，可以借助两个后轮106的差速旋转，以类似于常规零转弯半径(ZTR)的乘坐式剪草机的方式，来控制剪草机的方向。也就是说，推进系统可以包括用于左和右后轮106中的每一个后轮的单独的轮马达104，使得可以独立地控制每个后轮的速度和方向。另外地或作为替代方案，前轮108可以是能通过推进系统(例如，包括一个或多个转向马达105)主动转向的，以辅助控制剪草机100的方向，和/或可以由推进系统驱动(即，以提供前轮驱动或全轮驱动的剪草机)。

机具(例如，割草元件，诸如刀片110)可以联接至由壳体102承载的切割马达112(例如，机具马达)。当马达112和104被通电时，剪草机100可以在地面103上面推进，使得剪草机所经过的植被(例如，草地)被刀片110切割。虽然在本文中示出为仅使用单个刀片110和/或马达112，但是在本发明的公开范围内，可设想到包含由单个或多个马达提供动力的多个刀片的剪草机。此外，虽然在本文中在一个或多个常规“刀片”的背景下进行了描述，但是在不脱离本发明的公开范围的情况下，其他切割元件当然也是可以的，包括例如圆盘、尼龙弦或线元件、刀、切割卷筒等。更进一步地，还可以设想到将各种切割元件(例如，旋转刀片)与边缘安装的绳式修剪机组合的实施例。

剪草机100可以进一步包括动力源，在一个实施例中，动力源是具有基于锂的化学物质(例如，锂离子)的电池114。在不脱离本发明的公开范围的情况下，其他实施例可以利用其他化学物质的电池，或者完全利用其他动力源技术(例如，太阳能、燃料电池、内燃机)。应进一步注意的是，虽然示出为使用独立的刀片和轮马达，但是这样的构造仅是示例性的，因为还可以设想到刀片和轮动力由单个机具马达提供的实施例。

剪草机100可以进一步包括一个或多个传感器以提供位置数据。例如，一些实施例可以包括全球定位系统(GPS)接收器116(或可以提供类似数据的其他位置传感器)，全球定位系统(GPS)接收器116适于估计剪草机100在作业区域内的位置并将这样的信息提供至控制器120，下面将对控制器120进行详细说明。在其他实施例中，轮106、108中的一个或多个可以包括编码器118，编码器118提供可用于估计在给定作业区域内的剪草机位置(例如，基于初始起始位置)的轮旋转/速度信息。剪草机100可以进一步包括传感器115，传感器115适于在使用边界丝线限定作业区域的边界时检测边界丝线。

剪草机100可以包含一个或多个前障碍物检测传感器130和一个或多个后障碍物检测传感器132。障碍物检测传感器130、132可以用于当剪草机100分别沿向前或反向方向行进时检测剪草机100的路径中的障碍物。剪草机100能够在沿任一方向移动的同时进行剪草。如图所示，传感器130、132可以分别位于剪草机100的前端134或后端136。传感器130、132可以使用接触式感测、非接触式感测或两种类型的感测。例如，取决于剪草机100的状态(例如，在分区内或者在分区之间行进)，可以同时启用接触式和非接触式感测，或者可以仅使用一种类型的感测。接触式感测的一个实例包括使用从壳体102突出的接触缓冲器，接触缓冲器可以检测剪草机100何时接触到障碍物。非接触式传感器可以优选地在与障碍物接触之前离剪草机100一定距离处使用声波或光波来检测障碍物(例如，使用红外、无线电检测和测距(雷达)、光检测和测距(激光雷达)等等)。

除了上述传感器之外，现在已知或以后开发的其他传感器也可以被置入剪草机100中。

剪草机100还可以包括适于监视和控制各种剪草机功能的控制器120。控制器120可以包括处理器122，处理器122接收各种输入并执行存储在存储器124中的一个或多个计算机程序或应用。存储器124可以包括计算机可读指令或应用，当例如由处理器122执行时，该计算机可读指令或应用使控制器120执行各种计算和/或发出命令。也就是说，处理器122和存储器124可以一起限定可操作用于处理输入数据并生成输出到一个或多个部件/装置的期望输出的计算设备。例如，处理器122可以从GPS接收器116和/或编码器118接收包括位置数据在内的各种输入数据，并且生成对一个或多个驱动轮马达104的速度和转向角度命令，以使驱动轮106旋转(以相同或不同的速度以及沿相同或不同的方向)。换言之，控制器120可以控制剪草机100的转向角度和速度以及切割刀片的速度和操作。

另外，剪草机100可以与诸如智能电话或远程计算机之类的分离装置可操作地通信。可以使用智能手机或远程计算机等上的应用程序来识别或限定问题区域或障碍物。例如，用户可以在剪草区域的地图上识别问题区域或障碍物。障碍物的一个实例是永久性障碍物，诸如巨石。剪草机100可以从独立的装置接收识别出的问题区域或障碍物。在这种情况下，剪草机100可以被配置为响应于接收到识别出的问题区域而仅在特定方向上穿过问题区域进行剪草，或者剪草机可以被配置为采取主动的规避策略以避免在穿越斜坡时碰到障碍物并且可以响应于接收到识别出的障碍物而形成围绕永久性障碍物的排除区。

鉴于以上内容，将显而易见的是，控制器120的功能可以以本领域技术人员已知的任何方式来实现。例如，存储器124可以包括任何易失性、非易失性、磁性、光学和/或电性的介质，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、非易失性RAM(NVRAM)、电可擦可编程ROM(EEPROM)、闪存和/或任何其他数字介质。虽然示出为存储器124和处理器122都被包含到控制器120中，但是两者可以被包含在分离的模块中。

处理器122可以包括以下各项中的任何一个或多个：微处理器、控制器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或等效的离散或集成逻辑电路。在一些实施例中，处理器122可以包括多个部件，诸如一个或多个微处理器、一个或多个控制器、一个或多个DSP、一个或多个ASIC和/或一个或多个FPGA以及其他离散或集成逻辑电路的任何组合。本文中属于控制器120和/或处理器122的功能可以实现为软件、固件、硬件或它们的任何组合。

在图1中，整体示出了控制器120与电池114、一个或多个轮马达104、刀片马达112、可选的边界丝线传感器115、无线电设备117和GPS接收器116之间的示意性连接。该互连仅是示例性的，因为剪草机100的各种子系统可以借助总线架构(例如，控制器局域网(CAN)总线)或借助准许数据和/或动力在剪草机的各种部件之间传递的任何其他连接构造以几乎任何方式(例如，彼此之间直接地，无线地)连接。尽管未示出与传感器130、132的连接，但是可以以类似的方式连接剪草机100的这些传感器和其他部件。

尽管剪草机100可以使用各种方法来覆盖区域，但是图2示出了利用剪草机100使用多个分区202、210覆盖的作业区域200的一个实例。可以使用固定地产边界或其他类型的边界来限定作业区域200。剪草机100可以操作为沿着多条路径行进穿过作业区域200，以充分地切割作业区域200中的所有草。例如，当在分区202、210之间过渡时，剪草机100可以根据需要进行充电。充电基座(未示出)可以位于作业区域200内。

可以以地形图测绘作业区域200。例如，可以在剪草机的示教模式期间或在连续的初始剪草操作期间开发地形图。无论如何，地形图可以包含关于作业区域200的地形的信息，例如，海拔、坡度、识别出的障碍物(例如，永久性障碍物)、识别出的卡住区域(例如，剪草机由于坡度或其他牵引条件而被卡住的区域)或其他可以促进剪草机100穿越作业区域的能力的信息。例如，地形图可以针对在覆盖作业区域200的坐标系204(例如，笛卡尔网格)中的多个坐标存储海拔数据或坡度数据。在某些情况下，识别出的卡住区域可能与陡坡无关，但是如果剪草机100开始或继续在该卡住区域存在问题，则可以将这些区域视为陡坡。

仅出于说明性目的示出坐标系204。存储在地形图中的点的分辨率可以足以提供关于作业区域200中的地形的有用的海拔和/或坡度信息(例如，英尺或分米级)。例如，点的分辨率可以与小于或等于剪草机100的宽度的点间间隔相对应。在某些情况下，路径计划的不同功能可以使用不同级别的分辨率。例如规划局限或排除区的路径计划可以具有最高分辨率(例如，厘米级)。换言之，接近、邻近或靠近不规则边界或障碍物的点的分辨率可以具有更细的粒度。

剪草机100可以从作业区域的边界开始覆盖作业区域200。剪草机100可以确定第一分区202。分区202可以邻近作业区域200的边界定位，或者如图所示，可以进一步位于作业区域内。在一个实施例中，分区202是动态分区，诸如行驶局限分区(例如，智能分区)，对于这种动态分区，分区随着操作的进行而扩展。在某些情况下，动态分区202可以扩展到覆盖整个作业区域200。在其他情况下，动态分区202可以扩展到一点，并且当剪草机100完成了对动态分区的剪草时，剪草机100可以开始另一分区(例如，分区210，其可以是动态的或固定的)以继续剪草。

在另一实施例中，分区202是在作业区域200内具有固定边界的静态分区。通常，静态分区202不覆盖整个作业区域200。当剪草机100完成对静态分区202的剪草时，剪草机可以开始另一分区(例如，分区210，其可以是动态的或固定的)以继续剪草。

剪草机100可以确定第一分区202内的起始坐标或点206。在一些实施例中，起始坐标206可以选自分区202内的最高点。如果需要，剪草机100可以转动以使其自身从作业区域200边界处的当前位置朝向起始坐标206取向。剪草机100可以将自身朝着起始坐标206推进。

在到达起始坐标206之后，剪草机100可以开始行进穿过分区202以在该分区内进行割草。如下所述，剪草机100可以在分区内使用随机生成的目的地道路点。另外地或在替代方案中，剪草机100可以在分区内使用具有计划道路点的计划模式。这种模式剪草可以使用计划的道路点创建来覆盖区域。

当剪草机100到达最终目的地道路点208时，剪草机完成了在当前分区202内的割草。剪草机100可以确定下一分区210和在下一分区内的下一起始点212。剪草机100可以自身进行取向并开始行进到下一起始点212。从分区202中的最终目的地道路点208开始的或朝向下一分区210中的下一起始点212的路径220可以被描述为“去向目标”路径。

一旦剪草机100到达下一起始点212，剪草机100就可以开始行进穿过下一分区210。生成行驶局限区并进行作业的过程可以重复多次，以提供对作业区域200的充分覆盖。

通常，剪草机100被配置为以最佳方式接近具有陡坡度的斜坡，以防止当在该斜坡上遇到障碍物时被卡住。例如，在没有本申请技术的情况下，使用后轮驱动的剪草机可能沿山坡向前行驶并撞上树木，剪草机可能无法向后离开树木并且可能被卡住。相比之下，使用后轮驱动的本申请的剪草机100可以被配置为沿同一山坡反向行驶。例如，当剪草机100撞上树木时，剪草机可以具有比剪草机向前走时更大的牵引力，并且可能更有能力离开树木行驶而不会被卡住。

在图3中，覆盖分区302的一种方法300示出为俯视图，其示出了用于使剪草机100穿过该分区的至少一部分的路径顺序。在所示的实施例中，剪草机100从起始点304行进至目的地道路点306。在到达目的地道路点306之后，剪草机100可以确定第二目的地道路点308，转动X1度，并且朝着第二目的地道路点行进。该转动和行进的顺序可以继续，以到达第三目的地道路点310、第四目的地道路点312和最终目的地道路点314(例如，分别使用转动X2度、X3度和X4度)。剪草机100可以沿相反方向转动并到达相同取向(例如，在相反方向上的360度减去X1度与转动X1度是相同的取向)。尽管在该图示中仅示出了几个目的地道路点306、308、310、312、314，但是剪草机100可以行进至更多的道路点，以便充分地覆盖分区302。在一些实施例中，剪草机100可以选择可用于转动并使其自身朝向下一目的地道路点取向的最小角度(例如，逆时针转动90度而不是顺时针转动270度)。在其他实施例中，剪草机100可以使用更大或最大的角度转动。

虽然本文在独立的静态分区背景下进行了描述，但这种配置并不是限制性的，因为本发明的公开的实施例可用于使用行驶局限区来覆盖作业区域，如2017年11月20日提交的标题为“用于在行驶局限区内操作自主机器人作业机器的系统和方法(System andmethod for operating an autonomous robotic working machine within atravelling containment zone)”的美国临时申请No.62/588,680(Ingvalson等人)以及2017年12月18日提交的标题为“用于在行驶局限区内操作自主机器人作业机器的系统和方法(System and method for operating an autonomous robotic working machinewithin a travelling containment zone)”的美国临时申请No.62/599,938(Ingvalson等人)中所述，这两个美国临时申请通过引用并入本文。

当剪草机100选择下一目的地道路点时，剪草机可以使用预先确定的地形图来确定剪草机的取向或方向。特别地，地形图可以用于确定通向下一目的地道路点的路径的取向或方向。

在图4中，地形图中可包含的数据的一个图示被示出为海拔曲线图400，该海拔曲线图400利用海拔曲线408沿着一条示例性路径402绘制海拔对距离。可以以各种方式确定作业区域的海拔数据。在一个实例中，剪草机100第一次穿越作业区域时，剪草机100可以收集海拔数据。如图所示，海拔曲线图400与地形图的截面相对应。基于多个截面增填整个地形图可能要花费一些时间(例如，不止一次穿过地图)。剪草机100可以使用已经测量的海拔数据的二维插值来填充地形图的尚未测量的部分。还有，尽管剪草机100可以收集离散样本中的海拔数据，但是也可以使用诸如线拟合算法之类的平滑函数来生成曲线图400，以如图所示外推出海拔曲线408的平滑曲线。

剪草机100可以分析沿路径402的海拔曲线408以获得各种信息。在一些实施例中，剪草机100可以选择分区内的最高海拔作为起始坐标或新的行驶局限区中的道路点。

剪草机100可以使用沿路径402的海拔数据来确定坡度曲线412，坡度曲线412与示出为图5中曲线图410的海拔曲线图400的路径402相对应，该曲线图410是地形图中可包含的数据的另一图示，例如地形图的截面的海拔数据。如图所示，曲线图410绘制沿路径402的坡度(以度为单位)对距离。可以基于离散海拔数据或基于平滑海拔曲线408来计算坡度曲线412。可以使用诸如线拟合算法之类的平滑函数来生成曲线图410，以外推出坡度曲线412的平滑曲线。可以以多个斜率或使用海拔曲线408的微分函数来计算坡度曲线412。

另外地或作为替代方案，剪草机100可以例如基于测量俯仰角和侧倾角数据直接确定和存储坡度。例如，可以使用海拔数据和剪草机100存储的坡度的组合来计算坡度曲线412。

通常，与向前下坡行驶相比，当沿向前方向上坡行驶时，剪草机100的后轮106(图1)将具有更大的牵引力。同样，与反向上坡行驶相比，当沿反向方向下坡行驶时，剪草机100通常具有更大的牵引力。对于前轮驱动剪草机，情况可能相反。本文所述的技术在上坡时使后轮驱动剪草机100沿向前方向取向以向后轮106提供牵引力，并且在下坡时使剪草机沿反向方向取向。如本文所述，剪草机100可以仅当上坡或下坡坡度足够陡而导致剪草机出现问题(例如，问题区域)时转动。也就是，某些具有缓坡度的上坡或下坡斜坡可能不需要剪草机100分别沿向前或反向方向取向，因此，剪草机可以沿反向方向穿越一些缓上坡斜坡，或者沿向前方向穿越一些缓下坡斜坡。

在一些实施例中，剪草机100可以被配置为确定或存储质量特性数据(例如，质量分布数据)以及俯仰角和/或侧倾角数据。例如，可以测量俯仰角和/或侧倾角以生成数据。可以使用任何合适的技术来确定质量特性数据以及俯仰角和/或侧倾角数据，例如受益于本发明的公开的本领域普通技术人员已知的那些。用于确定质量特性数据的技术的非限制性实例包括使用3D计算机辅助设计/制图(CAD)工具或使用称量台。俯仰角和/或侧倾角数据可以由剪草机100的导航系统确定。导航系统可以被配置为融合来自一个或多个传感器的传感器数据以提供俯仰角和/或侧倾角数据。机载传感器的非限制性实例包括：惯性测量单元(IMU)，轮传感器，全球定位系统(GPS)，或适用于确定剪草机100的位置和/或取向的任何其他装置。剪草机100的取向可以包括例如俯仰角、侧倾角和偏航角/航向角。

使用质量特性数据以及俯仰角和/或侧倾角数据，割草机100可以被配置为确定在每个轮上重量如何分布，并确定每个轮处可用于执行操纵的最大牵引力。剪草机100可以将受限的车轮扭矩施加到一个或多个轮上，使得在操纵期间不超过最大牵引力。例如，如果剪草机100在斜坡上，则剪草机可以确定哪个驱动轮106具有较小的牵引力并相应地限制该驱动轮的加速度。在另一实例中，当剪草机100在沿山坡向上或向下加速时，可以对两个车轮限制扭矩。

在一个或多个实施例中，剪草机100可以基于俯仰角和/或侧倾角数据中的特定俯仰角和/或侧倾角来确定不应执行的某些操纵(例如，向前或反向穿越或者枢转转向)。在一个实例中，剪草机100由于山坡的存在而可能具有高的侧倾角，并且可以确定不应执行以该高的侧倾角枢转转向来面对上坡的操纵。通常，剪草机100可以被配置为主动地避免打滑，而不是仅对打滑事件做出反应，这可以有助于避免剪草机无法恢复(例如，被卡住)的情况。

坡度曲线412可以用于识别沿路径402的地形的各个点或区域。例如，可以确定一个或多个局部最大值404(图4)和一个或多个局部最小值406(图4)(例如，其中坡度曲线等于零)。剪草机100可以选择沿路径402或在整个区域内的局部最大值404或最小值406之一作为起始坐标。特别地，剪草机100可以选择具有最小局部坡度(例如，最平坦区域)的局部最大值404或最小值406。

可以通过将存储在地形图中的多个坡度进行比较并识别具有最小绝对幅值的坡度来确定局部坡度。可以基于存储的海拔数据将局部坡度计算为矢量。为了找到最小局部坡度，可以针对分区中的多个单元搜索地形图。然后，可以将分区中的那些单元进行比较，以识别最小的存储或计算出的梯度。

局部最大值404和最小值406可以与可转动区域414相关联。通常，可转动区域414与沿路径402的涵盖平坦区域和小斜坡的一系列坡度相关联。可转动区域414可以包括局部最大值404和最小值406，如通过比较图4和图5所示。理想的可转动区域414可以包括零坡度点(例如，海拔的最大值或最小值)。

问题区域416可以与沿路径402的涵盖最陡斜坡的一系列高幅值坡度(包括极高正值和极高负值的坡度)相关联，如通过比较图4和图5所示。问题区域416与在不考虑剪草机的取向的情况下剪草机100不应穿越的坡度相关联。

在某些情况下，问题区域可以包括无法通过的区域。无法通过的区域可以由剪草机无法毫不费力地穿越的坡度限定。如果确定沿该路径存在无法通过的区域(例如，坡度太陡)，则剪草机可以避开或跳过当前路径402。例如，剪草机可以在其路径上检测到超过阈值的坡度，并在达到该坡度之前或达到坡度后不久停止。阈值可以基于例如司法或工业上可接受的标准来确定。剪草机可以试图在时间窗口内移动到具有较低坡度的区域。当时间窗口到期时，用户可以手动地提供指令、命令或指导来移动剪草机。

剪草机100可以基于坡度曲线412确定一个或多个可转动区域414。可以使用一个或多个坡度阈值来确定可转动区域414，该一个或多个坡度阈值可以包括可转动区域的上坡度阈值418(例如，正坡度)和下坡度阈值419(例如，负坡度)。在坡度曲线412的幅值不超出坡度阈值418、419中的任何一个的情况下，剪草机100可以将路径402的该部分指定为可转动区域414。对于所示的坡度曲线412，沿路径402示出了三个可转动区域414，这三个可转动区域414与坡度曲线412的不高于可转动区域的上坡度阈值418且不低于可转动区域的下坡度阈值419的部分相关联。

剪草机100可以基于坡度曲线412确定一个或多个问题区域416。可以使用一个或多个坡度阈值来确定问题区域416，该一个或多个坡度阈值可以包括上坡度阈值420(例如，正坡度)和下坡度阈值421(例如，负坡度)。通常，可转动区域的阈值418、419和问题区域的阈值420、421是不同的，但是在一些实施例中，其值可以接近或甚至相同。在坡度曲线412的幅值超出坡度阈值420、421之一的情况下，剪草机100可以将路径402的该部分指定为问题区域416。对于所示的坡度曲线412，沿路径402示出了两个问题区域416，这两个问题区域416与坡度曲线412的高于问题区域的上坡度阈值420或低于问题区域的下坡度阈值421的部分相关联。

在一些实施例中，可以使用坡度曲线412的绝对值并将其与坡度阈值进行比较。在坡度曲线412的绝对值不超出可转动区域的一个坡度阈值(例如，坡度阈值418)的情况下，可以将路径402的该部分指定为可转动区域414。在坡度曲线412的绝对值超出问题区域的一个坡度阈值(例如，坡度阈值420)的情况下，可以将路径402的该部分指定为问题区域416。

剪草机100可以使用沿路径402识别出的可转动区域414和问题区域416来确定剪草机沿行进路径402的计划转动。具体地，当剪草机100沿行进路径402识别出问题区域416时，剪草机可以分析行进路径是否包括剪草机在到达问题区域之前将穿越的在前的可转动区域414。在前的可转动区域414可以用于将剪草机100取向在穿越问题区域416的优选方向上。剪草机100可以基于计划转动来穿越行进路径402。在一个实施例中，可以在剪草机100开始穿越行进路径402到达当前分区内的目的地道路点或到达新分区中的起始坐标之前确定计划转动。在另一实施例中，可以在行进路径402的穿越期间但在剪草机100到达问题区域416或到达在前的可转动区域416之前确定计划转动。

对于每个问题区域416，剪草机100可以识别优选方向以将剪草机推进穿过问题区域。例如，如果问题区域416与正坡度相关联(并且剪草机100是后轮驱动机器)，则剪草机可以确定优选方向是穿过问题区域的向前方向。同样，如果问题区域416与负坡度相关联，则剪草机可以确定优选方向是穿过问题区域的反向方向。

然后，剪草机100可以确定剪草机穿越在剪草机到达问题区域416之前或以前所处的在前的可转动区域414的方向。如果剪草机100穿越在前的可转动区域414的方向与穿过问题区域的优选方向不同，那么剪草机将在在前的可转动区域414中转动(例如180度)。如果剪草机100穿越在前的可转动区域414的方向与穿过问题区域的优选方向相同，那么剪草机将不会在在前的可转动区域414中转动。

在一些实施例中，控制器120(图1)可以用于使用和存储与地形图相关联或从地形图确定的各种曲线图、曲线和数据，包括坐标、海拔、坡度、阈值、可转动区域、问题区域、行进路径、分区、作业区域和计划转动。

在图5中，使用与路径402的一部分相对应的部分A、B和C(示出为与曲线图410的坡度曲线412对齐)示意性地示出了针对坡度曲线412使用计划转动的一个实例。首先，由于剪草机已确定第一问题区域416(最左侧问题区域)具有正坡度，因此剪草机100决定在向前方向上沿路径402沿着部分A行驶下去。剪草机100在第一可转动区域414(最左侧可转动区域)中不转动，并且行进穿过第一问题区域416(最左侧问题区域)。然后，剪草机100在点B处到达第二可转动区域414(中间可转动区域)并转动180度。然后，因为剪草机已确定第二问题区域416(最右侧问题区域)具有负坡度，所以剪草机100在反向方向上沿路径402沿着部分C继续下去。

一旦针对沿行进路径402的所有问题区域416都计划了转动，则可以基于计划转动将剪草机100沿行进路径进行推进。然而，预先确定的地形图可能不包括沿行进路径402放置的可能阻碍割草机100前进的障碍物。

计划转动可能对于在分区或作业区域的边界处的下坡坡度特别有用。通常，后轮驱动剪草机很容易在下坡边界处停下来并试图移动离开该边界之后被卡住。通过计划转动，剪草机100被配置为使用提供最大牵引力的取向(例如，向后或向前)以上坡离开边界移动。使用计划转动对于剪草机100会遇到更多转弯或边界的作业区域(例如，使用行驶局限区以覆盖作业区域)而言可能更有利。

在图6中，示出了用于修改行进路径502以应对障碍物504的一种方法500。当剪草机100沿路径502推进时，剪草机使用传感器130来检测障碍物504。传感器130使用非接触式感测以在剪草机100接触障碍物之前检测到障碍物504。在检测到障碍物504时，剪草机100转动以避开障碍物504，并且沿绕开障碍物(例如，绕开障碍物的宽度)的绕行路线506行进。然后，剪草机100在避开障碍物之后朝着计划的目的地道路点继续前进。在一些实施例中，可以与计划的行进路径类似地针对问题区域分析绕行路线506。

在图7中，示出了用于修改行进路径502以应对障碍物504的另一种方法510。除了传感器130使用接触式感测以在剪草机100与障碍物504接触时检测到障碍物504之外，方法510在很多方面类似于方法500。剪草机100转动以避开障碍物504，并且沿绕开障碍物(例如，绕开障碍物的宽度)的绕行路线512行进。通常，绕行路线512可以采用比绕行路线506更紧密靠近障碍物504的路径。然后，在离开障碍物之后剪草机100朝着计划的目的地道路点继续前进。在一些实施例中，可以与计划的行进路径类似地针对问题区域分析绕行路线512。

在一些实施例中，剪草机100可以选择使用方法500、510中的任一种。传感器130可以既包括接触式感测能力又包括非接触式感测能力，两种能力可以由剪草机100选择。在一个实例中，剪草机100可以在分区内行驶(例如，驶向当前分区内的目的地道路点)时选择方法510，以提高分区的覆盖范围。在另一实例中，例如，剪草机100可以在分区之间行驶(例如，驶向下一分区内的目的地道路点)时选择方法500，因为在分区之间行进时的剪草通常不用于覆盖作业区域。

尽管在图6和图7中剪草机100被示出为逆时针转动以避开障碍物504，但剪草机也可以沿顺时针方向转动以避开障碍物。顺时针或逆时针转动的决定可以基于作业区域中可用的开放区域。例如，剪草机100可以朝具有更多可用开放区域的方向转动。另外地或作为替代方案，顺时针或逆时针转动的决定可以基于哪个取向提供足够或最大的牵引力。

剪草机100可能遇到各种类型的障碍物504(例如，人造的或天然的)。例如，在示教或训练模式期间，传感器130可能无法检测到一些障碍物。剪草机100可以通过被卡住或通过接收指示障碍物位置的用户输入(例如，与地形图相关的用户定义的排除区)来检测一些障碍物(例如，从地面升高的游乐场滑梯)。如果剪草机100卡在了地形图中的某个位置，则剪草机可以被配置为记住地形图中的该位置和条件(例如，俯仰角、侧倾角和/或航向角)。在一些实施例中，剪草机100可以在有或没有用户许可的情况下自动地识别并创建排除区。当地形图用于路径计划时，任何包含卡住位置的路径都可以被视为排除区、障碍物或太陡而无法穿越的坡度。可以更新地形图或其他数据结构以反映这种排除区、障碍物或坡度的存在。换言之，剪草机100可以在后续的计划路径上避开相同的导致被卡住的位置和/或条件。以这种方式，即使当传感器130没有直接检测到障碍物时，也可以使用方法500、510避开障碍物504。

已经描述了剪草机100的各种功能，由此可以产生用于操作剪草机的各种方法。在图8中，示出了自主地操作地面维护机器(例如，剪草机100)的一般方法600。方法600可以包括确定作业区域的地形图602。在一些实施例中，可以根据存储在存储器中的作业区域的先前穿越来确定地形图。在其他实施例中，可以从其他数据(例如，训练操作，GPS收集的数据，等等)确定地形图。

方法600还可以包括特别是基于包含在地形图内的数据用机器穿越作业区域604。在一些实施例中，海拔和坡度数据中的至少一者可以用于计划机器的行进路径。

图9示出了用机器穿越作业区域的方法604的一个实例。方法604可以包括行进到作业区域中的起始坐标606。当机器开始覆盖作业区域或其中的分区时，可以确定机器要到达的起始坐标。当行进到起始坐标时，机器可能不会优先考虑覆盖(例如，不割草)。可以基于海拔或坡度数据选择起始坐标。例如，可以基于分区中的最高海拔或基于新分区中的最小局部坡度来选择起始坐标。

方法604还可以包括利用多个目的地道路点穿越分区608。可以一次确定一个目的地道路点。例如，机器可以确定要到达的第一目的地道路点，然后在到达第一目的地道路点之后确定第二目的地道路点。该过程可以继续进行，直到作业区域已被充分覆盖(例如，被剪草)为止。在一些实施例中，可以沿着分区的分界随机地选择目的地道路点。

方法604可以进一步包括行进到新分区中的起始坐标610。一旦当前分区已被覆盖(例如，剪草完成)，就可以确定新分区。

图10示出了利用多个目的地道路点穿越分区的方法608的一个实例。具体地，方法608可以生成机器的行驶计划。方法608可以包括确定行进路径612。可以基于随机选择的目的地道路点确定行进路径。

方法608还可以包括针对问题区域分析行进路径614。该分析可以基于包含行进路径数据的地形图。地形图可以包括梯度数据，该梯度数据可以用于确定行进路径的足够陡(例如，极高正值或负值的坡度)而符合问题区域的部分。

此外，方法608可以包括确定沿行进路径的计划转动616。特别是，机器可能需要转动到优选方向以穿越问题区域。

另外，方法608可以包括将机器取向到目的地道路点618。机器618的取向可以优选地在确定计划转动616之后发生，因为机器可以根据行进路径的计划转动的结果来决定沿向前还是反向方向开始。该顺序可以防止机器在作业区域中额外转动。

方法608可以进一步包括根据计划转动命令机器沿行进路径推进620。如上所述，机器可以在向前或反向方向上被推进以沿行进路径开始，并且可以基于计划转动根据需要转动以到达目的地道路点。

图11示出了确定作业区域的地形图的方法602的一个实例。方法602可以包括穿越作业区域622。可以选择穿越作业区域622的任何合适的方法。如果穿越不打算覆盖作业区域(例如，割草)，则可能不会随机地选择路径。

方法602可以包括确定作业区域中多个的坐标的海拔624。海拔数据可以用于帮助计划机器在随后穿越作业区域时的行进路径。

方法602可以进一步包括确定作业区域中的多个坐标的坡度626。坡度数据可以用于帮助计划机器在随后穿越作业区域时的行进路径。坡度可以基于海拔数据例如计算为斜率或使用微分函数来计算。另外地或作为替代方案，方法602可以包括测量剪草机的俯仰角、侧倾角或两者，以确定作业区域中多个坐标的坡度。在这样的实施例中，确定海拔624可以是可选的。

另外，方法602可以包括基于海拔和/或坡度数据存储作业区域的地形图628。所存储的地形图可以包含例如每当确定行进路径以识别问题区域和/或可转动区域时就可以取回和使用的数据。

图12示出了用于确定沿行进路径的计划转动的方法616的一个实例。方法616可以包括分析行进路径630以得到在前的可转动区域。具体地，可以识别机器在到达问题区域之前将要穿越的可转动区域。

方法616还可以包括确定机器穿越问题区域的优选方向632。例如，如果问题区域具有正坡度，则机器将优先选择向前方向，并且如果问题区域具有负坡度，则机器将优先选择反向方向(假设机器为后轮驱动，对于前轮驱动则相反)。

此外，方法616可以包括确定机器将穿越在前的可转动区域的方向634。

另外，方法616可以包括计划使机器在在前的可转动区域中转动(如果需要的话)，以沿优选方向穿越问题区域。例如，如果优选方向是向前的，并且机器将沿反向方向(例如，相反方向)穿越在前的可转动区域，那么机器将在在前的可转动区域中转动180度。如果优选方向和通过可转动区域的方向相同，那么机器将不会在在前的可转动区域中转动。

一旦已经计划转动并且命令机器沿行进路径推进620(图10)，机器就可以执行如图13所示的用于沿路径行进的障碍物检测方法700。方法700可以包括沿行进路径开始702。可以使用推进系统以沿向前或反向方向驱动车轮。

方法700还可以包括检测行进路径中的障碍物704。可以使用接触式或非接触式传感器检测障碍物。

方法700可以进一步包括确定目的地道路点的类型706。例如，目的地道路点可以是起始坐标(“去向目标”)或当前分区内的坐标。

另外，方法700可以包括基于目的地道路点的类型避开障碍物708。例如，如果目的地道路点是起始坐标，则剪草机可以采取较宽绕行路线以避免与障碍物接触。如果目的地道路点在当前分区内，则剪草机可以采取绕开障碍物的较短绕行路线，以围绕障碍物紧密覆盖分区。可以使用推进系统以采取规避动作的方式(例如，使机器转动并绕过障碍物行进)来驱动车轮。

尽管如图所示确定目的地道路点的类型708在其他步骤(例如，从行进路径开始702)之后进行，但是可以在采取规避动作之前的任何点确定目的地道路点的类型706。

此外，方法700可以包括在离开障碍物之后继续到目的地道路点710。

在图14中示出了更详细的障碍物检测方法750，该方法750也可以包括从行进路径开始702。方法750可以进一步包括确定目的地道路点的类型752。如果目的地道路点在当前分区内，则方法750可以使用接触式传感器754进行障碍物检测。当使用接触式传感器检测障碍物756时，机器可以在转动之前接触障碍物758以采取规避动作。如果目的地道路点在新分区中或当前分区之外，则方法750可以使用非接触式传感器760进行障碍物检测。当使用非接触式传感器检测障碍物762时，机器可以在接触障碍物之前转动764以采取规避动作。在采取规避动作之后，方法750可以接着包括继续到目的地道路点710。

图15示出了可用于与自主机器(例如，图1的剪草机100)的牵引力控制方法800的一个实例。方法800可以包括确定自主机器的质量特性(例如，表征质量分布)802，这可以在自主机器的操作期间或之前完成。在一些实施例中，自主机器可以基于质量特性来确定在每个轮上重量如何分布。方法800还可以包括确定自主机器的俯仰角、侧倾角、或俯仰角和侧倾角二者804，这可以使用导航系统(例如，IMU)的传感器来测量。剪草机100可以被配置为确定或存储质量特性数据(例如，质量分布数据)以及测得的俯仰角和/或侧倾角数据。

基于质量特性以及俯仰角和/或侧倾角，方法800可以包括例如在执行计划操纵之前确定在一个或多个驱动轮处可用的最大牵引力806。可用于确定每个轮处的最大牵引力的其他信息包括但不限于轮类型(例如，高牵引轮或低牵引轮)和地形条件。可以使用任何合适的技术来确定可用的最大牵引力和地形条件，诸如受益于本发明的公开的本领域普通技术人员可以使用的那些技术。用于确定地形条件的技术的各种实例包括使用较差的情况进行牵引并使用测量值来估计牵引力(例如，在线估计)。

如果轮扭矩不超过确定的轮最大牵引力808，则方法800可以继续自主机器的规定(nominal)操作810。另一方面，如果轮扭矩超过确定的轮最大牵引力808，则方法800可以限制施加到自主机器的轮上的扭矩812。

在一些实施例中，方法800可以包括基于当前最大牵引力或至少基于俯仰角或侧倾角来确定合格的操纵814。某些操纵可能被认为是不合格的，因为如果要是以自主机器的特定俯仰角和/或侧倾角来执行这些操纵，则自主机器可能会被卡住。例如，当自主机器在斜坡上向上行驶时，向前穿越的操纵可能是合格的，而反向穿越的操纵可能是不合格的。方法800可以使用受限的施加扭矩和合格的操纵继续进行自主机器的修改后的操作816，这可以降低被卡住的风险。

虽然本发明的公开不限于此，但是通过对以下提供的特定示例性实施例的讨论将获得对本发明的公开的各个方面的理解，这些实施例在用于困境避免和障碍物避开的路径计划中提供了优点。示例性实施例的各种修改以及本发明的公开的附加实施例在本文中将变得显而易见。

示例性实施例

在示例性实施例A1中，一种用于操作自主地面维护机器的方法，包括：确定机器到达作业区域中的目的地道路点的行进路径；基于预先确定的地形图，分析行进路径是否将穿越问题区域；基于预先确定的地形图，确定机器沿行进路径的计划转动；以及基于计划转动命令机器沿行进路径推进。

在示例性实施例A2中，一种方法，包括根据任何一个A实施例的方法，进一步包括：利用预先确定的地形图，分析行进路径是否会使机器在问题区域之前穿越在前的可转动区域；确定将机器推进穿过问题区域的优选方向；确定机器将穿越在前的可转动区域的方向；以及响应于确定机器将穿越在前的可转动区域，计划使机器在在前的可转动区域中转动到与对于问题区域来说的优选方向相反的方向上。

在示例性实施例A3中，一种方法，包括根据任何一个A实施例的方法，进一步包括：基于先前对作业区域的穿越来确定地形图。

在示例性实施例A4中，一种方法，包括根据实施例A3的方法，其中，确定地形图的步骤包括：确定作业区域内的多个坐标的多个坡度。

在示例性实施例A5中，一种方法，包括根据实施例A4的方法，进一步包括：确定在地形图中沿行进路径的多个海拔、俯仰角或侧倾坡度。

在示例性实施例A6中，一种方法，包括根据任何一个A实施例的方法，其中，分析行进路径是否将穿越问题区域的步骤包括：将沿行进路径的多个坡度与问题区域的阈值坡度进行比较。

在示例性实施例A7中，一种方法，包括根据任何一个A实施例的方法，进一步包括：使用沿行进路径的多个坡度和可转动区域的阈值坡度，分析行进路径是否将穿越可转动区域。

在示例性实施例A8中，一种方法，包括根据任何一个A实施例的方法，进一步包括：在将机器转动到新起始取向之前，对于问题区域分析到达新目的地道路点的新行进路径。

在示例性实施例A9中，一种方法，包括根据任何一个A实施例的方法，其中，目的地道路点是当前分区内的下一坐标或作业区域的新分区内的起始坐标。

在示例性实施例A10中，一种方法，包括根据实施例A9的方法，进一步包括：使用预先确定的地形图，基于海拔或坡度数据来确定新分区内的起始坐标。

在示例性实施例A11中，一种方法，包括根据实施例A10的方法，其中，确定新分区内的起始坐标是基于新分区中的最高海拔或新分区中的最小局部坡度。

在示例性实施例A12中，一种方法，包括根据任何一个A实施例的方法，进一步包括：检测沿行进路径的障碍物并采取规避动作。

在示例性实施例A13中，一种方法，包括根据实施例A12的方法，进一步包括：确定目的地道路点是当前分区内的下一坐标还是作业区域的新分区内的起始坐标。

在示例性实施例A14中，一种方法，包括根据实施例A13的方法，进一步包括：在与障碍物进行接触之前或之后避开障碍物。

在示例性实施例A15中，一种方法，包括根据任何一个A实施例的方法，其中，分区是作业区域的行驶局限区。

在示例性实施例B1中，一种自主地面维护机器，包括：壳体，其限定有前端和后端；机具，其与壳体相关联；至少一个前轮，其将壳体的前端支撑在地面上；两个后轮，其将壳体的后端支撑在地面上；机具马达，其由壳体支撑；推进系统，其由壳体支撑并可操作地联接到后轮，其中，推进系统适于独立地控制两个后轮的速度和旋转方向，从而控制壳体在地面上的速度和方向；以及控制器，其可操作地联接到推进系统。控制器适于生成壳体的行驶计划。控制器适于自主地：确定壳体到达作业区域中的目的地道路点的行进路径；基于预先确定的地形图，分析行进路径是否将穿越问题区域；基于预先确定的地形图，计划壳体的转动；以及基于计划转动命令推进系统将壳体沿行进路径推进。

在示例性实施例B2中，一种机器，包括根据任何一个B实施例的机器，其中，控制器进一步适于自主地：利用预先确定的地形图，分析行进路径是否会使壳体在问题区域之前穿越在前的可转动区域；确定将壳体推进穿过问题区域的优选方向；确定壳体将穿越在前的可转动区域的方向；以及响应于确定壳体将穿越在前的可转动区域，计划使壳体在在前的可转动区域中转动到与对于问题区域来说的优选方向相反的方向上。

在示例性实施例B3中，一种机器，包括根据任何一个B实施例的机器，其中，目的地道路点被包含在作业区域的行驶局限区内。

在示例性实施例B4中，一种机器，包括根据实施例B3的机器，其中，控制器进一步适于：确定作业区域的至少行驶局限区的地形图。

在示例性实施例B5中，一种机器，包括根据任何一个B实施例的机器，其中，确定行进路径包括：随机地选择目的地道路点或以计划的模式选择下一目的地道路点。

在示例性实施例B6中，一种机器，包括根据任何一个B实施例的机器，其中，控制器进一步适于：基于预先确定的地形图来确定沿行进路径的多个坡度。

在示例性实施例B7中，一种机器，包括根据任何一个B实施例的机器，其中，控制器进一步适于：识别沿行进路径的局部最大值或最小值；以及将可转动区域限定在局部最大值或最小值处。

在示例性实施例B8中，一种机器，包括根据任何一个B实施例的机器，其中，控制器进一步适于：自主地在计划壳体的转动之后命令推进系统将壳体沿行进路径推进。

在示例性实施例B9中，一种机器，包括根据任何一个B实施例的机器，其中，控制器进一步适于：自主地在将壳体转动到新起始取向之前对于问题区域分析到达新目的地道路点的新行进路径。

在示例性实施例B10中，一种机器，包括根据任何一个B实施例的机器，其中，目的地道路点是当前分区内的下一坐标或作业区域的新分区内的起始坐标。

在示例性实施例B11中，一种机器，包括根据实施例B10的机器，其中，控制器进一步适于：自主地使用预先确定的地形图基于海拔或坡度数据确定新分区内的起始坐标。

在示例性实施例B12中，一种机器，包括根据实施例B11的机器，其中，确定新分区内的起始坐标是基于新分区中的最高海拔或新分区中的最小局部坡度。

在示例性实施例C1中，一种自主地面维护机器，包括：壳体，其限定有前端和后端；机具，其与壳体相关联；至少一个前轮，其将壳体的前端支撑在地面上；两个后轮，其将壳体的后端支撑在地面上；机具马达，其由壳体支撑；推进系统，其由壳体支撑并可操作地联接到后轮，其中，推进系统适于独立地控制两个后轮的速度和旋转方向，从而控制壳体在地面上的速度和方向；障碍物感测电路，其被定位成检测在壳体的前端或后端的方向上的障碍物；以及控制器，其可操作地联接到推进系统和障碍物感测电路。控制器适于自主地：基于预先确定的地形图和当前行进路径，确定壳体的计划转动；使用障碍物感测电路，检测沿当前行进路径到达作业区域中的目的地道路点的障碍物；确定目的地道路点是当前分区内的下一坐标还是作业区域的新分区内的起始坐标；响应于目的地道路点是当前分区内的下一坐标，使用如下命令来避开障碍物：命令推进系统将壳体沿当前行进路径推进，直到与障碍物进行接触，并采取规避动作；以及在避开障碍物之后，命令推进系统将壳体朝目的地道路点推进。

在示例性实施例C2中，一种机器，包括根据任何一个C实施例的机器，其中，控制器进一步适于自主地：响应于目的地道路点是起始坐标，使用如下命令来避开障碍物：命令推进系统将壳体沿当前行进路径推进，直到与障碍物进行接触；或者在与障碍物进行接触之前使壳体转动。

在示例性实施例C3中，一种机器，包括根据实施例C2的机器，其中，避开障碍物包括：基于作业区域中可用的开放区域来确定使壳体沿顺时针转动还是沿逆时针转动。

在示例性实施例D1中，一种方法或机器，包括根据任何一个A、B或C实施例的方法或机器，其中，响应于机器的测得的俯仰角或侧倾角来限制施加的轮扭矩。

在示例性实施例D2中，一种方法或机器，包括根据任何一个D实施例的方法或机器，其中，基于质量特性数据和机器的测得的俯仰角或侧倾角来确定最大牵引力，并且基于最大牵引力来限制施加的轮扭矩。

在示例性实施例D3中，一种方法或机器，包括根据任何一个D实施例的方法或机器，其中，基于机器的测得的俯仰角或侧倾角来确定机器的某些操纵是否合格。

因此，公开了具有用于困境避免和障碍物避开路径计划的自主地面维护机器的各种实施例。尽管本文参考了构成本发明的公开一部分的附图，但是本领域的至少普通技术人员将理解，本文实施例的各种改变和修改都在本发明的公开范围内或不背离本发明的公开范围。例如，本文描述的实施例的多个方面可以以各种方式彼此组合。因此，应当理解，在所附权利要求的范围内，可以以不同于本文中明确描述的方式来实践所要求保护的发明。

将理解的是，框图的每个框以及那些框的组合可以通过用于执行所示出的功能的手段来实现。

本文所引用的所有参考文献和出版物均通过引用将其全部内容明确地并入本发明的公开中，除非它们可能与本发明的公开直接矛盾。

除非另有说明，否则本文使用的所有科学和技术术语具有本领域中通常使用的含义。本文提供的定义是为了促进对本文中经常使用的某些术语的理解，并不意味着限制本发明的公开范围。

Claims (15)

1.一种用于操作自主地面维护机器的方法，包括：

确定所述自主地面维护机器到达作业区域中的目的地道路点的行进路径；

基于预先确定的地形图，分析所述行进路径是否将穿越问题区域；

基于预先确定的所述地形图，确定所述自主地面维护机器沿所述行进路径的计划转动；以及

基于所述计划转动命令所述自主地面维护机器沿所述行进路径推进。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：

利用预先确定的所述地形图，分析所述行进路径是否会使所述自主地面维护机器在所述问题区域之前穿越在前的可转动区域；

确定将所述自主地面维护机器推进穿过所述问题区域的优选方向；

确定所述自主地面维护机器将穿越所述在前的可转动区域的方向；以及

响应于确定所述自主地面维护机器将穿越所述在前的可转动区域，计划使所述自主地面维护机器在所述在前的可转动区域中转动到与对于所述问题区域来说的所述优选方向相反的方向上。

3.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括：基于先前对所述作业区域的穿越来确定地形图。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，确定所述地形图的步骤包括：确定所述作业区域内的多个坐标的多个坡度。

5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括：确定在所述地形图中沿所述行进路径的多个海拔、俯仰角或侧倾坡度。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，分析所述行进路径是否将穿越问题区域的步骤包括：将沿所述行进路径的多个坡度与问题区域的阈值坡度进行比较。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，进一步包括：使用沿所述行进路径的多个坡度和可转动区域的阈值坡度，分析所述行进路径是否穿越可转动区域。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，进一步包括：在将所述自主地面维护机器转动到新起始取向之前，针对问题区域分析到达新目的地道路点的新行进路径。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，所述目的地道路点是当前分区内的下一坐标或所述作业区域的新分区内的起始坐标。

10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：使用预先确定的所述地形图，基于海拔或坡度数据来确定所述新分区内的所述起始坐标。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，确定所述新分区内的所述起始坐标是基于所述新分区中的最高海拔或所述新分区中的最小局部坡度的。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，进一步包括：检测沿所述行进路径的障碍物并采取规避动作。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中：

响应于所述自主地面维护机器的测得的俯仰角或侧倾角，限制施加的轮扭矩；

可选地，基于质量特性数据和所述自主地面维护机器的所述测得的俯仰角或侧倾角来确定最大牵引力，并基于所述最大牵引力来限制所述施加的轮扭矩；以及

可选地，基于所述自主地面维护机器的所述测得的俯仰角或侧倾角，确定所述自主地面维护机器的某些操纵是否合格。

14.一种自主地面维护机器，包括：

壳体，其限定有前端和后端；

机具，其与所述壳体相关联；

至少一个前轮，其将所述壳体的所述前端支撑在地面上；

两个后轮，其将所述壳体的所述后端支撑在所述地面上；

机具马达，其由所述壳体支撑；

推进系统，其由所述壳体支撑并能操作地联接到所述后轮，其中，所述推进系统适于独立地控制两个所述后轮的速度和旋转方向，从而控制所述壳体在所述地面上的速度和方向；以及

控制器，其能操作地联接到所述推进系统，所述控制器适于生成所述壳体的行驶计划，所述控制器适于自主地执行指令以执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法。

15.一种自主地面维护机器，包括：

壳体，其限定有前端和后端；

机具，其与所述壳体相关联；

至少一个前轮，其将所述壳体的所述前端支撑在地面上；

两个后轮，其将所述壳体的所述后端支撑在所述地面上；

机具马达，其由所述壳体支撑；

推进系统，其由所述壳体支撑并能操作地联接到所述后轮，其中，所述推进系统适于独立地控制两个所述后轮的速度和旋转方向，从而控制所述壳体在所述地面上的速度和方向；

障碍物感测电路，其被定位成检测在所述壳体的所述前端或所述后端的方向上的障碍物；以及

控制器，其能操作地联接到所述推进系统和所述障碍物感测电路，所述控制器适于自主地：

基于预先确定的地形图和当前行进路径，确定所述壳体的计划转动；

使用所述障碍物感测电路，检测沿所述当前行进路径到达作业区域中的目的地道路点的障碍物；

确定所述目的地道路点是当前分区内的下一坐标还是所述作业区域的新分区内的起始坐标；

响应于所述目的地道路点是所述当前分区内的下一坐标，使用如下命令来避开所述障碍物：命令所述推进系统将所述壳体沿所述当前行进路径推进，直到与所述障碍物进行接触，并采取规避动作；以及

在避开所述障碍物之后，命令所述推进系统将所述壳体朝所述目的地道路点推进。

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