CN112486174A - 基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法和自行走设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法和自行走设备，在设备上设置有地磁传感器组、惯性测量单元和信息存储模块，每组地磁传感器组包括至少一个地磁传感器，方法包括以下步骤：步骤一：采集多个特征点的地磁信息数据和角度信息数据，形成有序的边界特征矩阵数据库；步骤二：设备启动，根据边界特征矩阵数据库中的信息完成边界工作并将已工作的点位标记；步骤三：设备以内旋方式继续工作，同时记录当前点位的地磁信息和角度信息，并将已工作的点位标记为已工作状态；步骤4：设备在工作区域内按照步骤三中的内旋方式作业到工作区域中心点时，即完成了工作区域的遍历工作。本发明运行方便、成本低，机器可实现完全的自主导航遍历。

Description

基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法和自行走设备

技术领域

本发明属于设备控制技术领域，具体涉及一种基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法和自行走设备。

背景技术

当前自动割草机的割草模式一种是随机直线模式：割草机随机直线行走割草时，当遇到边界线时，自动根据预设程序，完成90度、135度等角度的转弯，然后执行行走，继续割草，待下次碰到边界线后，又自动转弯，再直线行走，依次反复，尽可能使行走路径避免重复。随机直线割草方式存在部分草地高频次碾压和割草效率低的问题。另外通过检测通电边界线的方式，存在工程施工量增加、材料成本增加、线缆易损坏等缺点。

另一种是使用高精度卫星定位导航系统，进行遍历割草，由于智能割草机使用场景的特殊性，基于卫星导航系统，需要使用高精度定位模块,需要架设本地RTK基站或者使用网络差分定位服务。本地架设RTK基站的方式，需要增加无线通信模块、高精度定位模块、高性能处理器及高精度定位天线等模块，成本高、且无线通信可靠性较低。GPS信号经常被地形、地物所影响。网络差分定位功能，则需要根据产品的使用地区，链接到不同的网络差分服务器和使用不同的电信运营的服务，需要增加GPRS通信模块和运营商服务费，增加了材料成本和后期的运营成本。

发明内容

为解决以上问题，本发明提出了一种基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法和自行走设备。

实现以上目的的技术解决方案如下：

一种基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法，在所述自行走设备上设置有至少一组地磁传感器组、惯性测量单元和信息存储模块，每组所述地磁传感器组包括至少一个地磁传感器，所述地磁传感器的数量至少为两个，

所述方法包括以下步骤：

步骤一：在所述自行走设备的工作边界上设定多个采集点位，通过所述地磁传感器采集多个采集点位的边界地磁信息以及通过所述惯性测量单元获取多个采集点位的边界角度信息，将所述边界地磁信息和边界角度信息存储于所述信息存储模块中形成边界特征矩阵数据库；

步骤二：自行走设备从工作边界线内任一点启动，沿着启动时的方向行进，并通过地磁传感器组实时采集当前地磁信息，将实时采集的地磁信息与边界特征矩阵数据库中的边界地磁信息进行数据匹配，判定是否到达边界，

当检测到工作边界时，通过读取匹配到的边界特征矩阵数据库中的边界角度信息以及下一个或多个边界特征矩阵数据库中的边界角度信息，提前获取设备的行进方向，作为设备的前进方向，自行走设备开启工作模式，每前进一个采集点位，将此点位标记为已工作状态，将工作状态和相应边界地磁信息绑定并更新到信息存储模块；

步骤三：自行走设备沿着工作边界进行作业，当匹配到的采集点位的边界地磁信息被标记为已工作状态时，设备以内旋方式继续工作：调整设备向工作区域内部切入后继续工作，保证至少一个地磁传感器仍然能够匹配到边界特征矩阵数据库中的边界地磁信息，同时设备按照匹配到的边界特征矩阵数据库中的边界角度信息以及下一个边界特征矩阵数据库中的边界角度信息，提前获取行进方向，作为设备的前进方向，设备继续行进，信息存储模块记录当前点位的地磁信息和角度信息，并将已工作的点位标记为已工作状态；

步骤4：当自行走设备在工作区域内按照步骤三中的内旋方式作业到工作区域中心点时，即完成了工作区域的遍历工作。

进一步地，至少有两个地磁传感器的连线与自行走设备的中轴线的夹角大于0°。

进一步地，所述步骤一具体包括：首次使用自行走设备时，遥控自行走设备沿工作边界行走一圈，自行走设备按照一定的速度平稳行进，在行走过程中通过所述地磁传感器组定时检测并存储当前点位的边界地磁信息分别存入信息存储模块，所述边界地磁信息包括三轴地磁数据Mx、My、Mz，所述边界角度信息包括航向角。

进一步地，所述地磁传感器组包括六组，分别为后排左一地磁传感器组、后排中间地磁传感器组、后排右一地磁传感器组、前排左一地磁传感器组、前排中间地磁传感器组和前排右一地磁传感器组。

进一步地，六组地磁传感器组分别包括四个地磁传感器。

进一步地，每组地磁传感器组里的四个地磁传感器的X轴在同一平面内且方向不相同或Y轴在同一平面内且方向不相同。

进一步地，所述多个采集点位等距分布在工作区域的边界上。

进一步地，所述步骤一中每个点位数据采集时，将自行走设备停止一预定时间，每个地磁传感器在预定时间内多次采集地磁信息数据，将每个地磁传感器多次采集的数据通过中值和均值滤波去除信号噪声后，作为该点位的地磁信息数据。

进一步地，所述步骤二中将地磁传感器实时采集的地磁信息与边界特征矩阵数据库进行数据匹配具体包括：当自行走设备向前行进时，通过安装在前排的前排左一地磁传感器组、前排中间地磁传感器组和前排右一地磁传感器组检测的地磁信息与边界特征矩阵数据库进行匹配；当自行走设备后退时，通过安装在后排的后排左一地磁传感器组、后排中间地磁传感器组、后排右一地磁传感器组检测的地磁信息与边界特征矩阵数据库进行匹配。

进一步地，所述步骤二中判定自行走设备是否到达边界具体包括：当至少一个地磁传感器组中的至少一个传感器的三轴地磁信息数据与边界特征矩阵数据库中的对应数据匹配时则判定自行走设备到达边界。

进一步地，将边界特征矩阵数据库中的边界地磁信息数据设定一阈值范围，在进行数据匹配时，当至少一个传感器的三轴地磁信息数据落入对应数据的阈值范围内时则判定自行走设备到达边界。

进一步地，所述后排中间地磁传感器组与后排左一地磁传感器组、后排右一地磁传感器组之间的间距均为d，所述前排中间地磁传感器组与前排左一地磁传感器组、和前排右一地磁传感器组之间的间距均为d，所述步骤三中设备向工作区域内部切入具体为设备向工作区域内部移动一预定距离，所述预定距离不超过自行走设备的最大工作宽度。

进一步地，所述步骤三中设备向工作区域内部切入具体为设备向工作区域内部移动d或2d的距离。

进一步地，所述步骤一中将设备记录的第一个点位标记为设备进入工作边界线标记点，所述步骤四中完成了工作区域的遍历工作后，通过控制设备随机方向前行到工作边界位置，沿着边界线行进，并通过采集的实时地磁信息信号判断当前点位是否为设备进入工作边界线的标记点，当读取到该标记点时，转向离开工作区域。

一种自行走设备，所述自行走设备包括上述的地磁传感器组、惯性测量单元和信息存储模块。

进一步地，所述自行走设备为智能割草机机器人。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)在一个较小的范围内，理论上不同位置的磁场差异性是非常微小的，普通工具无法进行探测，但是由于智能割草机的使用场景多为庭院周围的草地，而草地附近建筑物较多。地磁场容易受到金属物的干扰，当穿过钢筋混凝土结构建筑物时，原有磁场被建筑物内金属物质干扰扭曲，使得建筑物附近形成一个独特的有规律的局部磁场，提升了磁场的差异性，而且建筑物不发生变化，局部磁场也固定不变。使用地磁信息引导割草机进行遍历割草，传感器安装于机器本体，机器可实现完全的自主导航遍；

(2)本发明方法节省了敷设电缆线的材料成本、工时成本，也无需使用高精度定位相关高成本的定位技术，不会因建筑物、植被信号遮挡，导致无定位机器不能正常作业，传感器安装于机器本体，使智能割草机能够更自主独立工作；

(3)不需要机器与RTK基站进行实时无线通信，避免因无线通信被干扰导致的机器不能正常作业；

(4)因地磁信息及航向信息数据处理量较小，不需要性能很高的主控芯片即可完成全部的数据运算，可以降低主控芯片硬件成本。

附图说明

图1是智能割草机割工作区域示意图。

图2是地磁传感器在智能割草机上的分布示意图。

图3是地磁传感器组方向组合示意图，箭头方向为传感器X轴方向。

图4是基于地磁和惯导的遍历割草行进线路示意图。

图中：1、智能割草机，2、充电站，3、草坪，4、地磁边界检测范围，5、后排左一地磁传感器组，6、后排中间地磁传感器组，7、后排右一地磁传感器组，8、前排左一地磁传感器组，9、前排中间地磁传感器组，10、前排右一地磁传感器组，11、IMU，12、每组地磁传感器安装排列方式，13、边界地磁信息示意，14、割草机遍历割草示意。

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。

本实施例中，自动行走设备为智能割草机，但在其他实施例中，自动行走设备还可以是智能扫雪机、智能清洁设备等。

基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法包括如下步骤：

步骤1：采集多个特征点的地磁信息数据和角度信息数据，形成草地边界磁场有序的边界特征矩阵数据库。

如图1所示，首次使用智能割草机1时，遥控割草机1沿需要维护的草坪边界行逆时针走一圈，智能割草机1按照一定的速度平稳行进，在行驶过程中通过如图2和图3所示分布在割草机底盘上的地磁传感器组，定时检测并存储边界当前点位的地磁信息和当前从IMU获取的角度信息数据分别放入信息存储模块。地磁信息和角度信息主要是三轴磁场模值和航向角(Phi)。Mx、My、Mz分别为三轴地磁数据。将机器记录的第一个点位标记为割草机进入草坪边界线标记点。

如图2所示，割草机前、后排各左、中、右三组传感器，六组地磁传感器组分别为后排左一地磁传感器组5、后排中间地磁传感器组6、后排右一地磁传感器组7、前排左一地磁传感器组8、前排中间地磁传感器组9和前排右一地磁传感器组10，间隔d宽幅可根据车体宽度设置，每组传感器单独采集并形成独立的地磁特征数据路线，最终采集完所有地磁特征数据后，形成如图4所示地磁边界,虚线与虚线间隔距离为d，惯性测量单元IMU11设置于机器中间位置。

当割草机向前行进时，通过安装在前部的地磁传感器检测的磁场数据与边界地磁信息数据进行匹配。当割草机后退时，通过安装在后部的地磁传感器组检测的此档数据与边界地磁信息数据进行匹配。

每个点位数据采集时，将机器停止一定时间，通过短时间内的多次数据采集，将每组数据通过中值和均值滤波去除信号噪声后，作为该点的地磁信息数据。

绕行草坪边界一周共采集N个点位的地磁信息，N个点位是等距分布在草坪的边界上，形成草坪边界磁场特征矩阵数据，并存储到信息存储模块。每个位置的磁场信息依次记录，数据为：

P1(Mx1,My1,Mz1),P2(Mx2,My2,Mz2)，…,Pn(Mxn,Myn,Mzn)。两排6组共24只地磁传感器分别记录数据。

因为机器沿着草地边界采集数据时的方向与正常割草时行进到草地边界的方向有差异，三轴地磁传感器会因为方向不同，每个地磁矢量分量有所不同。结合图3，通过使用四个地磁传感器按照三轴中的X轴指向进行四个方向上的布局模式，可以使机器适应多种到达边界的姿态，每组地磁传感器组里的四个地磁传感器的X轴在同一平面内且方向不相同或Y轴在同一平面内且方向不相同。当机器到达边界时，当至少一个地磁传感器组中的至少一个传感器的三轴地磁信息数据与边界特征矩阵数据库中的对应数据匹配时则判定自行走设备到达边界，同时可将边界特征矩阵数据库中的边界地磁信息数据设定一阈值范围，在进行数据匹配时，当至少一个传感器的三轴地磁信息数据落入对应数据的阈值范围内时则判定自行走设备到达边界。

步骤2：

在完成割草机对机器边界地磁信息及行进时航向角数据的采集后，机器已经将边界数据整理成有序的地磁特征序列存储到信息存储模块。

当机器从边界线内任一点启动后，机器将沿着启动时的方向行进，行进时通过障碍物模块实时检测障碍并避开，并通过传感器组实时采集当前地磁特征信息，将机器的地磁传感器实时采集的地磁信息数据与草地边界磁场特征矩阵数据库进行数据匹配，判定是否到达边界。

当检测到边界时，通过读取匹配到的有序边界特征矩阵数据库中的航向角数据，调整割草机的行进方向，并通过预读取下一个或多个地磁点位的数据，提前获取割草机的行进方向，作为割草机的前进方向，例如机器可以获取当前边界点位的航向角以及下一个点位的航向角即可按照两个航向角的指示行进。割草机启动割草功能后，每前进一个地磁特征点位，将此点位标记为已修剪状态，将修剪状态和地磁特征序列数据绑定并更新到存储单元。

步骤3：

结合图4，割草机沿着地磁边界进行割草作业，当匹配到的地磁特征点被标记为已修剪时，表示割草机完成了草坪边界的修剪作业。此时，通过程序设定，将调整一定的角度向内切入一预定距离，该预定距离不超过割草机的切割单元的最大切割宽度(若超过最大切割宽度将导致部分草坪无法被修剪到)。该预定距离优选的为d或者2d(均不超过最大切割宽度)，以保证地磁传感器组可以匹配到地磁边界线的信息。图中14即表示内切后的内旋试路线，割草机想草坪内部移动了2d的距离，可以保证前、后排传感器组的右边两组(即后排右一地磁传感器组7和前排右一地磁传感器组10)仍然可以匹配到地磁边界线的左侧两组信息。当割草机前行时，实时记录当前点位的地磁信息和当前的航向角信息，并将已修剪的点位标记为已修剪状态。

步骤4：当割草机在草坪内部按照逆时针内旋方式作业到草坪中心点时，即完成了工作区域的遍历割草工作，通过控制割草机随机方向前行到地磁边界位置，沿着边界线行进，并通过采集的实时地磁特征信号判断当前点位是否为割草机进入草坪的标记点。当读取到进入草坪标记点时，向右转向，离开作业区域。

本发明割草机在首次执行遍历割草任务时，处于学习模式，地磁边界识别系统为主导航系统，在实时采集地磁信息的同时，通过IMU获取实时航向角数据，并将当前地磁特征信息与航向数据绑定。割草机在第二次及后续遍历割草作业中可通过地磁特征信息采集比对，获取当前地磁特征信息绑定的前进角度及后续地磁特征点绑定的角度信息，提前预判前进方向。机器从最外侧边界开始遍历割草，并将当前点位地磁信息与作业状态绑定后存储，当沿着草坪边界行走一圈，识别到已作业点位后，机器沿逆时针行走，向左切入内圈1d或2d作业宽幅，保持前后两排传感器中的最右侧一排传感器可以识别到上一圈的地磁作业信息，提前读取后续多个点位的地磁信息，判断行走路径，并将实际行走方向与当前地磁信息特征绑定并存储，重复上述动作到最终完成割草作业。

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 (16)

1.一种基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法，在所述自行走设备上设置有至少一组地磁传感器组、惯性测量单元和信息存储模块，每组所述地磁传感器组包括至少一个地磁传感器，所述地磁传感器的数量至少为两个，

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：在所述自行走设备的工作边界上设定多个采集点位，通过所述地磁传感器采集多个采集点位的边界地磁信息以及通过所述惯性测量单元获取多个采集点位的边界角度信息，将所述边界地磁信息和边界角度信息存储于所述信息存储模块中形成边界特征矩阵数据库；

步骤二：自行走设备从工作边界线内任一点启动，沿着启动时的方向行进，并通过地磁传感器组实时采集当前地磁信息，将实时采集的地磁信息与边界特征矩阵数据库中的边界地磁信息进行数据匹配，判定是否到达边界，

当检测到工作边界时，通过读取匹配到的边界特征矩阵数据库中的边界角度信息以及下一个或多个边界特征矩阵数据库中的边界角度信息，提前获取设备的行进方向，作为设备的前进方向，自行走设备开启工作模式，每前进一个采集点位，将此点位标记为已工作状态，将工作状态和相应边界地磁信息绑定并更新到信息存储模块；

步骤三：自行走设备沿着工作边界进行作业，当匹配到的采集点位的边界地磁信息被标记为已工作状态时，设备以内旋方式继续工作：调整设备向工作区域内部切入后继续工作，保证至少一个地磁传感器仍然能够匹配到边界特征矩阵数据库中的边界地磁信息，同时设备按照匹配到的边界特征矩阵数据库中的边界角度信息以及下一个边界特征矩阵数据库中的边界角度信息，提前获取行进方向，作为设备的前进方向，设备继续行进，信息存储模块记录当前点位的地磁信息和角度信息，并将已工作的点位标记为已工作状态；

步骤4：当自行走设备在工作区域内按照步骤三中的内旋方式作业到工作区域中心点时，即完成了工作区域的遍历工作。

2.根据权利要求1所述的基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法，其特征在于，至少有两个地磁传感器的连线与自行走设备的中轴线的夹角大于0°。

3.根据权利要求2所述的基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：首次使用自行走设备时，遥控自行走设备沿工作边界行走一圈，自行走设备按照一定的速度平稳行进，在行走过程中通过所述地磁传感器组定时检测并存储当前点位的边界地磁信息分别存入信息存储模块，所述边界地磁信息包括三轴地磁数据Mx、My、Mz，所述边界角度信息包括航向角。

4.根据权利要求3所述的基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法，其特征在于，所述地磁传感器组包括六组，分别为后排左一地磁传感器组(5)、后排中间地磁传感器组(6)、后排右一地磁传感器组(7)、前排左一地磁传感器组(8)、前排中间地磁传感器组(9)和前排右一地磁传感器组(10)。

5.根据权利要求4所述的基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法，其特征在于，六组地磁传感器组分别包括四个地磁传感器。

6.根据权利要求5所述的基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法，其特征在于，每组地磁传感器组里的四个地磁传感器的X轴在同一平面内且方向不相同或Y轴在同一平面内且方向不相同。

7.根据权利要求3所述的基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法，其特征在于，所述多个采集点位等距分布在工作区域的边界上。

8.根据权利要求3-7任一项所述的基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法，其特征在于，所述步骤一中每个点位数据采集时，将自行走设备停止一预定时间，每个地磁传感器在预定时间内多次采集地磁信息数据，将每个地磁传感器多次采集的数据通过中值和均值滤波去除信号噪声后，作为该点位的地磁信息数据。

9.根据权利要求8所述的基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法，其特征在于，所述步骤二中将地磁传感器实时采集的地磁信息与边界特征矩阵数据库进行数据匹配具体包括：当自行走设备向前行进时，通过安装在前排的前排左一地磁传感器组(8)、前排中间地磁传感器组(9)和前排右一地磁传感器组(10)检测的地磁信息与边界特征矩阵数据库进行匹配；当自行走设备后退时，通过安装在后排的后排左一地磁传感器组(5)、后排中间地磁传感器组(6)、后排右一地磁传感器组(7)检测的地磁信息与边界特征矩阵数据库进行匹配。

10.根据权利要求9所述的基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法，其特征在于，所述步骤二中判定自行走设备是否到达边界具体包括：当至少一个地磁传感器组中的至少一个传感器的三轴地磁信息数据与边界特征矩阵数据库中的对应数据匹配时则判定自行走设备到达边界。

11.根据权利要求10所述的基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法，其特征在于，将边界特征矩阵数据库中的边界地磁信息数据设定一阈值范围，在进行数据匹配时，当至少一个传感器的三轴地磁信息数据落入对应数据的阈值范围内时则判定自行走设备到达边界。

12.根据权利要求10所述的基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法，其特征在于，所述后排中间地磁传感器组(6)与后排左一地磁传感器组(5)、后排右一地磁传感器组(7)之间的间距均为d，所述前排中间地磁传感器组(9)与前排左一地磁传感器组(8)、和前排右一地磁传感器组(10)之间的间距均为d，所述步骤三中设备向工作区域内部切入具体为设备向工作区域内部移动一预定距离，所述预定距离不超过自行走设备的最大工作宽度。

13.根据权利要求12所述的基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法，其特征在于，所述步骤三中设备向工作区域内部切入具体为设备向工作区域内部移动d或2d的距离。

14.根据权利要求12所述的基于地磁和惯导的自行走设备遍历控制方法，其特征在于，所述步骤一中将设备记录的第一个点位标记为设备进入工作边界线标记点，所述步骤四中完成了工作区域的遍历工作后，通过控制设备随机方向前行到工作边界位置，沿着边界线行进，并通过采集的实时地磁信息信号判断当前点位是否为设备进入工作边界线的标记点，当读取到该标记点时，转向离开工作区域。

15.一种自行走设备，其特征在于，所述自行走设备包括权利要求1-14任一项中所述的地磁传感器组、惯性测量单元和信息存储模块。

16.根据权利要求15所述的自行走设备，其特征在于，所述自行走设备为智能割草机机器人。

Images