CN112352530B - 一种自动除草机器人的工作路径优化方法 - Google Patents

一种自动除草机器人的工作路径优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自动除草机器人的工作路径优化方法，包括以下步骤：构建除草工作场地的电子地图；在所述电子地图上构建障碍桩的分布；根据所述人行通道的宽度，确定采用一条通道工作路径或者多条往返的通道工作路径；根据所述桩通道的长度，确定采用首尾相接的波浪形的桩间工作路径或者S形的桩间工作路径；所述通道工作路径与所述桩间工作路径衔接，形成自动除草机器人的除草工作路径，并生成在所述电子地图上。本发明，工作路径无重叠，并且最大程度地减少了机器人频繁的加速减速、转弯，使得自动除草机器人可以用平稳的行驶速度，减少停止时间，减少了能耗，最大程度地提高了整个系统的工作效率。

Description

一种自动除草机器人的工作路径优化方法
技术领域
本发明涉及智能机器人技术领域，具体涉及一种自动除草机器人的工作路径优化方法。
背景技术
对于葡萄园、果园以及光伏发电站等大型场地，草坪应当适时修剪，以维持场地的整洁。然而人工修剪是一项非常的繁重的工作，不仅劳动强度大，而且效率低。
自动除草机器人能够自动行走、自动除草、无需人工操作，从而减轻人力，提高工作效率，并能保持除草高度与质量的稳定。因而，在葡萄园、果园以及光伏发电站等场地得以广泛应用。
对自动除草机器人来说，工作路径的优化对整体效率的影响非常关键和重要。现有的作法通常是人工手动在场地电子地图上规划机器人的除草工作路径，一方面人工工作的效率较低；另一方面，也造成了机器人的整体运行效率较低。
有鉴于此，急需对现有的自动除草机器人工作路径规划方法进行改进，以自动生成优化的工作路径，提高路径规划的效率和机器人的整体运行效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有自动除草机器人工作路径规划方法，人工工作的效率较低，机器人的整体运行效率也较低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种自动除草机器人的工作路径优化方法，包括以下步骤：
构建除草工作场地的电子地图；
在所述电子地图上构建障碍桩的分布，所述障碍桩构建成以障碍桩的中心为圆心的圆形保护区；所述障碍桩按水平行、竖直列呈点阵状分布，相邻两列障碍桩之间形成人行通道，同一列相邻的两个障碍桩之间形成桩通道；
根据所述人行通道的宽度，确定采用一条通道工作路径或者多条往返的通道工作路径；根据所述桩通道的长度，确定采用首尾相接的波浪形的桩间工作路径或者S形的桩间工作路径；
所述通道工作路径与所述桩间工作路径衔接，形成自动除草机器人的除草工作路径，并生成在所述电子地图上。
在本方案中，所述波浪形的桩间工作路径包括：
驶入直线段和驶出直线段，二者平行且分别布置在所述障碍桩的两侧，外端分别与所述通道工作路径衔接；
曲线段，绕过所述障碍桩布置，且两端分别与所述驶入直线段和驶出直线段的内端衔接。
在本方案中，所述曲线段由三阶贝塞尔曲线拟合而成，任一时刻t的拟合公式B(t)为：
B(t)＝P0(1-t)3+3P1 t(1-t)2+3P2 t2(1-t)+P3 t3；
第一控制点P0为驶入直线段D1内端点的坐标；
第四控制点P3为驶出直线段D3内端点的坐标；
第二控制点P1的坐标为：
Figure GDA0003582565550000021
第三控制点P2的坐标为：
Figure GDA0003582565550000022
L为机器人宽度W的1/2与所需要安全距离LS之和，LG为同一列中两个障碍桩之间的距离。
在本方案中，所述S形的桩间工作路径由三阶贝塞尔曲线拟合而成，任一时刻t的拟合公式B(t)为：
B(t)＝P0(1-t)3+3P1 t(1-t)2+3P2 t2(1-t)+P3 t3；
第一控制点P0为驶入点的坐标；
第四控制点P3为驶出点的坐标；
第二控制点P1的坐标为：
Figure GDA0003582565550000031
第三控制点P2的坐标为：
Figure GDA0003582565550000032
L为机器人宽度W的1/2、果树半径R以及果树与机器人之间的安全距离LS之和。
在本方案中，通过对剩余续航里程和返航路程的对比，判断除草机器人是否需要进行返航充电。
在本方案中，根据自动除草机器人当前的电池剩余电量计算出可运行的长度，并规划出回程路径。
与现有技术相比，本发明提供的自动除草机器人的除草工作路径优化方法，基于除草工作场地内的障碍桩的分布情况，根据人行通道的宽度，确定采用一条通道工作路径或者多条往返的通道工作路径；根据桩通道的长度，确定采用首尾相接的波浪形的桩间工作路径或者S形的桩间工作路径，自动优化得出的除草工作路径，工作路径无重叠，并且最大程度地减少了机器人频繁的加速减速、转弯，使得自动除草机器人可以用平稳的行驶速度，减少停止时间，减少了能耗，最大程度地提高了整个系统的工作效率。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为本发明中波浪形的桩间工作路径拟合算法示意图；
图3为本发明中多条往返的通道工作路径与波浪形的桩间工作路径组合示意图；
图4为本发明中一条通道工作路径与波浪形的桩间工作路径组合示意图；
图5为本发明中一条通道工作路径与S形桩间工作路径组合示意图；
图6为本发明中S形桩间工作路径拟合算法示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种自动除草机器人的除草工作路径优化方法，基于除草工作场地内的障碍桩的分布情况，自动优化得出自动除草机器人的除草工作路径。工作路径无重叠，并且最大程度地减少了机器人频繁的加速减速、转弯，使得自动除草机器人可以用平稳的行驶速度，减少停止时间，减少了能耗，最大程度地提高了整个系统的工作效率。下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做出详细说明。
如图1所示，本发明方法包括以下步骤：
步骤110：构建除草工作场地的电子地图，获得除草工作场地的边界，除草工作场地可以是葡萄园、果园或者光伏发电站等。
该步骤可以利用航拍照片或者卫星照片等场地图像获得除草工作场地的电子地图，也可以根据除草工作场地的设计图获得。
步骤120：在电子地图的边界范围内，构建障碍桩的位置分布情况，障碍桩主要指的是除草工作场地内的葡萄藤、果树或者光伏发电装置的地面支架等障碍物。
可采用的方式包括：
(1)手动在除草工作场地的电子地图上标记各障碍桩的坐标位置，并以该坐标位置为圆心，生成一个圆形安全区域，此安全区域是除草机器人除草工作时需要避开、禁止进入的区域。
(2)利用除草机器人或其他移动机器人遍历除草工作场地，通过移动机器人上的摄像头和GPS定位装置获得各障碍桩的位置。
各障碍桩按照水平行、竖直列的形式呈点阵状分布，相邻两列障碍桩之间形成人行通道，同一列相邻的两个障碍桩之间形成桩通道，通常人行通道较宽，作为工作人员的日常维护通道；桩通道较窄，平时不会走人。
步骤130：根据人行通道的宽度，确定采用一条通道工作路径或者多条往返的通道工作路径。
当相邻两列障碍桩之间的间距小于除草机器人宽度的两倍时，采用一条工作路径；当相邻两列障碍桩之间的间距大于除草机器人宽度的两倍时，采用多条往返路径。
如图4、图6所示，人行通道B采用一条通道工作路径。如图3所示，人行通道采用多条往返的通道工作路径。
步骤140：根据桩通道的长度，确定采用首尾相接的波浪形的桩间工作路径或者S形的桩间工作路径。
当桩通道的长度大于除草机器人长度的两倍时，采用首尾相接的波浪形的桩间工作路径；当桩通道的长度小于除草机器人长度的两倍时，采用首尾相接的S形的桩间工作路径。
如图3、图4所示，桩通道采用首尾相接的波浪形的桩间工作路径，如图5所示，桩通道采用首尾相接的S形的桩间工作路径。
步骤150：将通道工作路径与桩间工作路径衔接，形成自动除草机器人的除草工作路径，并生成在电子地图上。
如图2、图3和图4所示，波浪形的桩间工作路径由驶入直线段D1、驶出直线段D3和曲线段D2组成。
驶入直线段D1和驶出直线段D3相互平行，与人行通道B垂直，分别布置在障碍桩C的两侧，外端分别与相邻的桩间工作路径衔接，并且最外端的桩间工作路径与通道工作路径衔接。
曲线段D2围绕障碍桩C布置，且两端分别与驶入直线段D1和驶出直线段D3的内端衔接。
曲线段D2由三阶贝塞尔曲线拟合形成，拟合公式为：
B(t)＝P0(1-t)3+3P1 t(1-t)2+3P2 t2(1-t)+P3 t3；
其中，B(t)为自驶入点P0(t＝0，简化计算)至驶出点P3(t＝1，简化计算)之间任一时刻t时，机器人在曲线段D2上的坐标。
在实际应用时，驶入点和驶出点的时间t分别以实际时间t1和t2计算，以下简化计算中，t1＝0，t2-t1＝1。
第一控制点P0(驶入点)为驶入直线段D1内端点的坐标；
第四控制点P3(驶出点)为驶出直线段D3内端点的坐标。
第二控制点P1的坐标为：
Figure GDA0003582565550000061
第三控制点P2的坐标为：
Figure GDA0003582565550000062
L为机器人宽度W的1/2与所需要安全距离LS之和，LG为同一列中两个障碍桩(如两株葡萄藤)之间的距离。
三阶贝塞尔曲线的重点在于第二、第三控制点的选择，本发明方法中，第二、第三控制点的选择方法如下：
请参见图2所示，自驶入点(第一控制点)P0、第一途经点A1、第二途经点A2和驶出点(第四控制点)P3构成的除草工作路径由三阶贝塞尔曲线拟合而成。
其中，第一途经点A1和第二途经点A2在同一条水平线上。
P0至A1、P3至A2的水平和垂直距离均为L。
假设机器人经过A1点的时间为t1(为简化计算，设驶入点P0的时间t＝0，驶出点P3的时间t＝1，即曲线段总时间为1)，由于路径是对称的，机器人经过A2点的时间为1-t1，通过B(t)联立方程组得出P1和P2的坐标如下：
Figure GDA0003582565550000071
Figure GDA0003582565550000072
如图4、图5所示，S形工作路径主要应用于果园等场地。
由于果树的主杆直径较大，以果树为中心画一个圆，确定一个最小安全半径，作为果树的自我保护区。
机器人的除草工作路径同样由三阶贝塞尔曲线拟合而成，自P0驶入，途经A1、A2，至P3驶出，拟合公式与波浪形的桩间工作路径的曲线段D2相同，其中第二、第三控制点的坐标分别为：
Figure GDA0003582565550000073
Figure GDA0003582565550000074
P0、A1、A2以及P3的距离均为L，L为机器人宽度W的1/2、果树半径R以及果树与机器人之间的安全距离LS之和。
根据以上方法选择得到的第二、第三控制点，最大程度地减少了机器人频繁的加速减速、转弯，使得自动除草机器人可以用平稳的行驶速度，减少停止时间，减少了能耗，最大程度地提高了整个系统的工作效率。
本发明方法中，当除草机器人续航小于总路径时，需要对除草工作进行分配，在合适的区域进行返航充电。通过对剩余续航里程和返航路程的对比，判断除草机器人是否需要进行返航充电。
在除草机器人无法单次完成工作时，需要多次工作时，把除草机器人的工作进行切分。(Xi，Yi)为当前工作完成的返航点，下次工作时除草机器人将从充电点行驶到该位置，然后开始工作。直至运行到下一个需要返航的工作点(Xi+1，Yi+1)。重复该操作，直至除草工作完全完成。
本发明方法，通过高精度的GPS RTK定位，把光伏板，果树或者葡萄藤的位置规划出来，系统将根据定好的位置，自动将路径规划出来，根据不同的场景和不同的尺寸位置距离，以实现完全遍历，而且无重叠运行的目标。
系统还将自动计算出所需要行走的路径长度。
根据计算出的路径总长度系统将继续根据机器人的能耗还有速度还有除草的效能计算出整体运行的时间。
本发明方法，还将根据机器人现有的能电池剩余电量计算出可运行的长度然后计算出规划出最佳的回程路径，进行充电。当机器人充完电以后系统将判断现有的位置和当前位置之前已经完成的位置之间最优的运行路径。
在本发明中，机器人可以用平稳的行驶速度，减少加减速减少转弯减少停止的时间，最大程度的提高了整个系统的效率。
与现有技术相比，本发明提供的方法，具有如下优点：
(1)根据除草工作场地内的障碍桩的分布情况，自动优化得出自动除草机器人的除草工作路径，工作路径无重叠。
(2)采用三阶贝塞尔曲线拟合曲线段工作路径，最大程度地减少了机器人频繁的加速减速、转弯，使得自动除草机器人可以用平稳的行驶速度，减少停止时间，减少了能耗，最大程度地提高了整个系统的工作效率。
(3)针对不同的场景自动择不同的曲线段，波浪形的桩间工作路径或者S形的桩间工作路径。并通过合理地选择不同的第二、第三控制点，进一步保证了自动除草机器人可以用平稳的行驶速度，减少了机器人频繁的加速减速、转弯。
(4)根据机器人现有的能电池剩余电量计算出可运行的长度然后计算出规划出最佳的回程路径，进行充电，保证系统正常运行。
本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自动除草机器人的工作路径优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建除草工作场地的电子地图；
在所述电子地图上构建障碍桩的分布，所述障碍桩构建成以障碍桩的中心为圆心的圆形保护区；所述障碍桩按水平行、竖直列呈点阵状分布，相邻两列障碍桩之间形成人行通道，同一列相邻的两个障碍桩之间形成桩通道；
根据所述人行通道的宽度，确定采用一条通道工作路径或者多条往返的通道工作路径；根据所述桩通道的长度，确定采用首尾相接的波浪形的桩间工作路径或者S形的桩间工作路径；
所述通道工作路径与所述桩间工作路径衔接，形成自动除草机器人的除草工作路径，并生成在所述电子地图上；
所述波浪形的桩间工作路径包括：
驶入直线段和驶出直线段，二者平行且分别布置在所述障碍桩的两侧，外端分别与所述通道工作路径衔接；
曲线段，绕过所述障碍桩布置，且两端分别与所述驶入直线段和驶出直线段的内端衔接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曲线段由三阶贝塞尔曲线拟合而成， 任一时刻t的拟合公式
Figure 239666DEST_PATH_IMAGE001
为：
Figure 156807DEST_PATH_IMAGE003
；
第一控制点
Figure 874227DEST_PATH_IMAGE004
为驶入直线段D1内端点的坐标；
第四控制点
Figure 269436DEST_PATH_IMAGE005
为驶出直线段D3内端点的坐标；
第二控制点
Figure 83808DEST_PATH_IMAGE006
的坐标为：
Figure 591757DEST_PATH_IMAGE007
；
第三控制点
Figure 858790DEST_PATH_IMAGE008
的坐标为：
Figure 57690DEST_PATH_IMAGE009
；
L为机器人宽度W的1/2与所需要安全距离LS之和，LG为同一列中两个障碍桩之间的距离。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S形的桩间工作路径由三阶贝塞尔曲 线拟合而成，任一时刻t的拟合公式
Figure 664252DEST_PATH_IMAGE010
为：
Figure 657616DEST_PATH_IMAGE012
；
第一控制点
Figure 411945DEST_PATH_IMAGE013
为驶入点的坐标；
第四控制点
Figure 335908DEST_PATH_IMAGE014
为驶出点的坐标；
第二控制点
Figure 859293DEST_PATH_IMAGE015
的坐标为：
Figure 289137DEST_PATH_IMAGE016
；
第三控制点
Figure 468446DEST_PATH_IMAGE017
的坐标为：
Figure 743569DEST_PATH_IMAGE018
；
L为机器人宽度W的1/2、果树半径R以及果树与机器人之间的安全距离LS之和。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过对剩余续航里程和返航路程的对比，判断除草机器人是否需要进行返航充电。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据自动除草机器人当前的电池剩余电量计算出可运行的长度，并规划出回程路径。
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