CN112969903A - 供自主工具中使用的导航系统和用于控制自主工具的方法 - Google Patents

Abstract

一种供自主工具中使用的导航系统，该导航系统包括：多个锚定器，该多个锚定器单独地布置在地形上，每个锚定器都布置成发出电磁信号；信号传递模块，该信号传递模块包括信号接收器，该信号接收器被布置成接收该电磁信号，其中，该信号传递模块连接到被布置成在该地形上移动的该自主工具；以及处理器，该处理器被布置成处理由该信号接收器接收到的电磁信号，以便确定该信号传递模块与该多个锚定器中的每一个之间的物理距离。该处理器被进一步布置成基于所确定的物理距离和该地形的与该多个锚定器中的每一个的位置相关联的地图数据来确定该信号传递模块相对于该地形上的参考位置的当前位置。本发明还披露了一种用于控制自主工具的方法。

Description

供自主工具中使用的导航系统和用于控制自主工具的方法

技术领域

本发明涉及一种导航系统和一种用于控制设备的方法，并且具体地但非排他地，涉及一种供自主工具中使用的导航系统和一种用于控制自主工具的方法。

背景技术

草坪的维护需要大量的体力劳动，包括对草坪不断浇水、施肥和修剪以保持良好的草覆盖率。尽管有时使用洒水器或灌溉系统可以轻松地应对浇水和施肥，但修剪过程是一种需要园丁付出大量体力的过程。

一段时间以来，草坪割草机的设计者和制造商一直尝试制造自主草坪割草机，以代替传统的推拉式割草机。然而，景观的不可预测性以及创造准确且可用的产品的成本意味着许多自主草坪割草机的表现完全达不到令人满意的性能水平。

部分原因是因为花园具有许多不同的种类和形状以及高度和轮廓不同的事实。因此，自主割草机在对这些不同类型的地形进行导航方面有很大的麻烦。继而，许多推式割草机仍然是用户的首选，因为其性能和控制仍然可以是手动的，以克服与不同景观轮廓相关的问题。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种供自主工具中使用的导航系统，该导航系统包括：多个锚定器，该多个锚定器单独地布置在地形上，每个锚定器都布置成发出电磁信号；信号传递模块，该信号传递模块包括信号接收器，该信号接收器被布置成接收该电磁信号，其中，该信号传递模块连接到被布置成在该地形上移动的该自主工具；以及处理器，该处理器被布置成处理由该信号接收器接收到的电磁信号，以便确定该信号传递模块与该多个锚定器中的每一个之间的物理距离；其中，该处理器被进一步布置成基于所确定的物理距离和该地形的与该多个锚定器中的每一个的位置相关联的地图数据来确定该信号传递模块相对于该地形上的参考位置的当前位置。

在第一方面的实施例中，该处理器被进一步布置成基于所确定的物理距离和该地形的与该多个锚定器中的至少三个锚定器的位置相关联的地图数据来确定该信号传递模块的当前位置。

在第一方面的实施例中，该当前位置通过三边测量和/或三角测量确定。

在第一方面的实施例中，该处理器被进一步布置成基于所确定的物理距离和该地形的与除了该多个锚定器中的该至少三个锚定器之外的附加锚定器的位置相关联的地图数据来验证该信号传递模块的当前位置。

在第一方面的实施例中，该处理器被布置成基于从该多个锚定器中的每一个发出的到达该信号传递模块的该电磁信号的信号传播周期来确定该信号传递模块与该多个锚定器中的每一个之间的物理距离。

在第一方面的实施例中，该处理器被进一步布置成基于该电磁信号在该地形上的信号传播速度来确定该信号传递模块与该多个锚定器中的每一个之间的物理距离。

在第一方面的实施例中，该信号传递模块进一步包括信号发射器，该信号发射器被布置成将触发信号发射到该多个锚定器中的每一个。

在第一方面的实施例中，该处理器被布置成基于从该信号发射器发射的到达该多个锚定器中的每一个的该触发信号的触发信号传播周期和该信号传播周期来确定该信号传递模块与该多个锚定器中的每一个之间的该物理距离。

在第一方面的实施例中，该物理距离是基于飞行时间计算方法确定的。

在第一方面的实施例中，该参考位置包括该自主工具的停靠位置。

在第一方面的实施例中，该参考位置包括该多个锚定器之一的位置。

在第一方面的实施例中，该电磁信号包括射频信号。

在第一方面的实施例中，该电磁信号包括超宽带射频信号。

在第一方面的实施例中，该电磁信号包括红外信号。

在第一方面的实施例中，该电磁信号包括激光信号。

在第一方面的实施例中，该导航系统进一步包括至少一个传感器，该至少一个传感器被布置成向该处理器提供与该自主工具的导航相关联的补充信息。

在第一方面的实施例中，该至少一个传感器包括IMU、里程计传感器和GPS传感器中的至少一个。

在第一方面的实施例中，该多个锚定器定位在该地形上的多边形区域的多个角落。

在第一方面的实施例中，该自主工具被布置成在由该多个锚定器界定的该多边形区域内进行操作。

在第一方面的实施例中，该多个锚定器中的至少一个锚定器被定位成背离该地形上的目标操作区域的预定边界。

在第一方面的实施例中，该自主工具包括室外工具或室内工具。

在第一方面的实施例中，该室外工具包括自主草坪割草机、除雪机或高压清洗机。

在第一方面的实施例中，该室内工具包括真空吸尘器。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于控制自主工具的方法，该方法包括以下步骤：在该自主工具的当前位置处接收从单独地布置在地形上的多个信号源中的每一个发出的电磁信号；处理接收到的电磁信号，从而确定该自主工具与该多个信号源中的每一个之间的物理距离；以及基于所确定的物理距离和该地形的与该多个信号源中的每一个的位置相关联的地图数据来确定该自主工具相对于该地形上的参考位置的当前位置。

在第二方面的实施例中，该自主工具相对于该地形上的参考位置的当前位置是基于所确定的物理距离和该地形的与该多个信号源中的至少三个信号源的位置相关联的地图数据确定的。

在第二方面的实施例中，该当前位置通过三边测量和/或三角测量确定。

在第二方面的实施例中，该方法进一步包括基于所确定的物理距离和该地形的与除了该多个信号源中的该至少三个信号源之外的附加信号源的位置相关联的地图数据来验证该自主工具的当前位置的步骤。

在第二方面的实施例中，该方法进一步包括基于从该多个信号源中的每一个发出的到达该自主工具的该电磁信号的信号传播周期来确定该自主工具与该多个信号源中的每一个之间的物理距离的步骤。

在第二方面的实施例中，该信号传递模块与该多个信号源中的每一个之间的物理距离进一步基于该电磁信号在该地形上的信号传播速度来确定。

在第二方面的实施例中，该方法进一步包括从该自主工具向该多个信号源中的每一个发射触发信号的步骤；其中，该多个信号源被布置成在接收到该触发信号时发射该电磁信号。

在第二方面的实施例中，该方法进一步包括基于分别从该自主工具发出的到达该多个信号源中的每一个的该触发信号以及从该多个信号源中的每一个发出的到达该自主工具的该电磁信号的信号传播周期来确定该自主工具与该多个信号源中的每一个之间的物理距离的步骤。

在第二方面的实施例中，该物理距离是基于飞行时间计算方法确定的。

在第二方面的实施例中，该参考位置包括该自主工具的停靠位置。

在第二方面的实施例中，该参考位置包括锚定器的位置，其中，该锚定器是被布置成发出该电磁信号的该信号源。

在第二方面的实施例中，该方法进一步包括处理与该自主工具的导航相关联的补充信息的步骤，其中，该补充信息由至少一个传感器提供。

在第二方面的实施例中，该至少一个传感器包括IMU、里程计传感器和GPS传感器中的至少一个。

在第二方面的实施例中，该方法进一步包括确定从该自主工具的当前位置开始的行进路径的步骤，其中，该行进路径基本上泛滥式地填充由预定边界界定的目标操作区域。

在第二方面的实施例中，该行进路径是基于A*寻路过程确定的。

在第二方面的实施例中，该多个锚定器定位在对该地形上的目标操作区域进行限定的多边形区域的多个角落。

在第二方面的实施例中，该方法进一步包括限定要从该目标区域排除的至少一个禁止进入区域的步骤。

在第二方面的实施例中，该方法进一步包括创建和存储该地形的与这些锚定器的位置、该目标操作区域和该至少一个禁止进入区域相关联的地图数据的步骤。

在第二方面的实施例中，该地图数据是在该自主工具上运行边界行走例程时创建的。

在第二方面的实施例中，该多个锚定器中的至少一个锚定器被定位成背离该预定边界。

在第二方面的实施例中，该地图数据由在计算设备上执行的应用创建。

在第二方面的实施例中，该方法进一步包括基于由单独地布置在该地形上的该多个锚定器所限定的多个边界将全局操作区域划分为多个局部操作区域的步骤。

在第二方面的实施例中，在每个操作例程中，该自主工具被控制为在多个局部操作区域之一上进行操作。

在第二方面的实施例中，该方法进一步包括在确定从该自主工具的当前位置开始的行进路径的步骤之前，初始化该自主工具的操作的步骤。

在第二方面的实施例中，初始化该自主工具的操作的步骤包括通过以下操作获得该自主工具的取向的步骤：确定该自主工具相对于该地形上的该参考位置的初始位置；将该自主工具从第一方向旋转到第二方向；以及使该自主工具沿该第二方向行进预定距离；以及

基于确定相对于该参考位置的该初始位置和该当前位置，确定在该第二方向上定位的该自主工具的取向。

在第二方面的实施例中，该方法进一步包括基于在该自主工具的操作期间从该多个信号源中的至少一个信号源发出的电磁信号的接收失败来确定该自主工具的当前位置的步骤。

在第二方面的实施例中，该方法进一步包括记录与该地形的地图数据中的预定位置相关联的这些电磁信号的接收失败的步骤。

在第二方面的实施例中，该方法进一步包括响应于该电磁信号的该接收失败而继续该自主工具的操作的步骤。

在第二方面的实施例中，该方法进一步包括在成功地接收从该多个信号源中的至少三个信号源发出的该电磁信号时，基于三边测量和/或三角测量来恢复对该自主工具的当前位置的确定的步骤。

在第二方面的实施例中，该自主工具包括室外工具或室内工具。

在第二方面的实施例中，该室外工具包括自主草坪割草机、除雪机或高压清洗机。

在第二方面的实施例中，该室内工具包括真空吸尘器。

附图说明

现在将参照附图以举例方式来描述本发明的实施例，在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的自主草坪割草机的图示；

图2是展示了图1的自主草坪割草机的各种控制系统和模块的示例的框图；

图3是展示了图1的自主草坪割草机的操作的流程图；

图4是示出了在未知位置处的物体的三角测量的示意图；

图5是示出了在边界区域内割草机的三角测量的示意图；

图6是示出了自主草坪割草机在边界区域周围的边界行走的示意图；

图7a是示出了自主草坪割草机从其原点开始的初始移动的示意图；

图7b是示出了自主草坪割草机的初始化的示意图；

图7c是示出了自主草坪割草机的初始化的示意图；

图7d是示出了自主草坪割草机的初始化的示意图；

图7e是示出了自主草坪割草机的初始化的示意图；

图8a是示出了自主草坪割草机的修剪路径的示意图；

图8b是示出了自主草坪割草机的修剪路径的示意图；

图9是示出了第一修剪场景的示意图；

图10是示出了第二修剪场景的示意图；

图11是根据本发明的一个实施例的锚定器的图示；

图12是示出了第三修剪场景的示意图；

图13是示出了第三修剪场景的示意图；

图14是示出了第四修剪场景的示意图；

图15是展示了具有许多障碍物的典型花园的图；

图16是示出了第五修剪场景的示意图；

图17是示出了第六修剪场景的示意图；

图18是示出了第六修剪场景的示意图；以及

图19是示出了替代性的修剪场景的示意图，在该替代性的修剪场景中，割草机仅参考锚定器中的两个锚定器而定位。

具体实施方式

参考图1至图19，提供了供自主工具100中使用的导航系统200的图示，该导航系统包括：多个锚定器20，该多个锚定器单独地布置在地形10上，每个锚定器被布置成发出电磁信号22；信号传递模块300，该信号传递模块包括信号接收器310，该信号接收器被布置成接收电磁信号22，其中，信号传递模块300连接到被布置成在地形10上移动的自主工具100；以及处理器400，该处理器被布置成处理由信号接收器310接收到的电磁信号22，以便确定该信号传递模块300与该多个锚定器20中的每一个之间的物理距离；其中，处理器400被进一步布置成基于所确定的物理距离和地形10的与多个锚定器20中的每一个的位置相关联的地图数据来确定信号传递模块300相对于地形10上的参考位置的当前位置。

在此示例中，自主工具100可以被结合作为室外工具，如自主草坪割草机100，该自主草坪割草机被布置成在草坪或草生长的表面上进行操作以便割草。此动作通常被称为“修剪草坪”，并且通常由园丁和园艺工人进行以维护草坪表面。术语“自主草坪割草机100”还可以包括可以自主地(即，在最小的用户干预下)操作的任何类型的割草设备或草坪割草机。预期在某个点需要用户干预来设置或初始化割草机100或使用特定命令校准该割草机，但是一旦进行了这些规程，该割草机就很大程度上适于其自行操作，直到需要进一步的命令或需要维修、校准或纠错为止。相应地，自主草坪割草机100也可以被称为自动草坪割草机、自驱式草坪割草机、机器人草坪割草机等。

在如图1所示的此实施例中，自主草坪割草机100或称为草坪割草机或割草机，包括支撑割草机100的操作部件的框架或壳体102。这些操作部件可以包括但不限于至少一个马达，比如电动马达，该马达被布置成驱动割草机的刀片，以便切割割草机要修剪到的草坪的草。至少一个马达也可以用来通过比如齿轮传动机构或齿轮箱等传动系统来驱动割草机本身，该传动系统将驱动力传递至割草机的轮子装置104，但优选地，如此实施例的情况，分开的马达用于沿其操作表面驱动割草机，其中每个后轮104R具有其自己的单独马达和齿轮箱。这是有利的，因为可以通过对这些马达中的每一个的简单控制来实施对割草机的操纵。重要的是应注意，术语“轮子装置”还可以包括由各种不同类型的轮子和轮子组合形成的驱动装置，包括履带(比如坦克履带中)、链条、皮带(比如雪地皮带中)或其他形式驾驶装置。

在其他示例中，术语“自主工具”可以包括其他户外工具，比如除雪机、电动或煤气鼓风机、园林绿化工具、多功能户外设备、便携式发电机、高压清洗机、泵、土壤护理、浇水，例如，软管、肥料或土壤调查工具。在一些其他示例中，术语“自主工具”还可以包括任何室内工具，比如真空吸尘器、风扇、空气过滤器或便携式加热器。

优选地，如图1至图2的实施例所示，割草机100包括导航系统200，该导航系统进行操作以围绕工作区域10对割草机100进行定位和导航，使得割草机100可以切割工作区域10的草。导航系统200可以包括多个特定的导航模块，每个特定的导航模块被布置成提供为割草机100获得的单独的导航信息。继而，然后将这些导航模块中的每一个获得或确定的导航信息返回到导航系统200，以传输到控制器400。在由控制器400处理导航信息时，控制器400然后可以生成用于控制割草机100在工作或操作区域10内的移动和操作的命令。

这些导航模块可以至少包括以下内容：

-信号传递模块300，该信号传递模块具有信号接收器310，该信号接收器被布置成与单独地定位在地形10上的多个锚定器20通信，每个锚定器被布置成发出电磁信号22，以便辅助确定割草机100相对于参考点的定位；

-里程计模块220，该里程计模块被布置成确定轮子104行进的距离，以便辅助确定割草机100距起点的定位；

-惯性测量单元(IMU)模块226，该IMU模块被布置成通过检测和记录施加在割草机100上的各种力来测量割草机100的移动力，这些各种力包括移动方向、移动力、移动磁向位、加速度和陀螺仪移动。在这些示例实施方式中，可以使用多于一个IMU 226来提高准确性，因为附加IMU 226将辅助消除随时间推移的误差

-还可以实施其他附加导航模块(未示出)以与导航系统通信，以便向导航系统提供进一步的输入以调整和控制割草机，例如，可以用于获得割草机100的GPS坐标的GPS传感器222和可以用于防止割草机100撞入障碍物的障碍物检测模块224。

这些导航模块各自被布置成获得、检测和确定一组导航相关信息，该一组导航相关信息继而被布置成由控制器上的处理器400处理以设计合适的命令来操作割草机100。如将在下文参考图7a至图8b进行说明的那样，在一个示例中，自主草坪割草机100将通过从停靠站500开始而进行操作，该停靠站将形成割草机100的起点和返回点。当离开停靠站500时，割草机100然后可以使用导航系统200辅助在工作或操作区域10周围对割草机100进行导航，切割操作区域10中的草坪，然后继续导航回到停靠站500。

参考图2，提供了自主草坪割草机100的框图，该框图展示了自主草坪割草机100的基本部件。在此实施例中，割草机100包括可以被实施为计算设备或被实施为一个或多个控制板的控制器/处理器400，其中每个控制板具有被布置成接收信息和分析所接收到信息并向割草机100提供指令以便操作割草机100的一个或多个处理器400。优选地，控制器/处理器400被实施成具有主印刷电路板组件(PCBA)，该主印刷电路板组件被布置成在PCBA上具有两个处理器并与附加计算模块一起操作。传感器PCBA中的若干个传感器PCBA还可以具有其自己的单独微控制器单元(MCU)。

控制器/处理器400被布置成从割草机100的导航系统200接收导航信息，并且继而在接收到此导航信息后，将利用控制器400已经可以访问的现有信息(比如控制算法406或操作区域的预定义地图)来处理导航信息，以生成对割草机的每个操作部件的各种不同命令，包括被布置为驱动割草机的驱动马达210和/或操作刀片的刀片马达212。

导航系统200包括信号传递模块300、里程计模块220和IMU单元226，该里程计模块包括用于检测割草机100的轮子的旋转位移的轮子传感器232。

信号传递模块300包括信号接收器310，该信号接收器用于从信号源接收嵌入有割草机100相对于参考位置的相对位置的信号。为了促进信号的接收，信号传递模块300还包括信号发射器320，该信号发射器用于发出触发信号以请求或触发这种信号从信号源传送到信号传递模块300。

优选地，信号源可以与信号传递模块300共享类似或相同的构造，并且可以被结合作为锚定器20，该锚定器从信号传递模块300的信号发射器320接收触发信号，并且继而向信号传递模块300的信号接收器310发出与割草机100相对于参考位置的相对位置相关联的信号。

尽管信号传递模块300在确定割草机100的位置方面可能是准确的，但是IMU 226、里程计传感器232和可选的GPS传感器222用作用于提供与割草机100相关联的补充信息以提高定位准确性的附加传感器。

里程计模块220可以被实施为被布置成驱动割草机100的后轮104R的两个马达中的每一个。例如，里程计模块220被提供一个或多个绝对编码器或编码器传感器，以测量轮子104R的旋转数量，里程计模块220被实施为与这些轮子一起操作。继而，当与轮子104R的圆周耦接时，旋转数量将提供关于割草机100在工作表面上行进的距离的估计(考虑到任何传动比，如果适用的话)。由于割草机100还可以通过允许其相对的轮子在相反的方向上自旋而沿其工作表面转动，因此还可以检测和测量这种移动和旋转，以便确定割草机100沿工作表面的方向和转动速率。

一旦确定了旋转数量，则每个轮子104R的旋转数量(包括其方向以及轮子10R是否正在经历转弯方向)然后将被传输到控制器400以进行处理。继而，控制器400然后可以利用来自导航系统200的其他信息来处理此结果，以确定割草机100的定位。

另一方面，IMU模块226可以被实施为通过检测和记录割草机100经受的各种力来测量割草机的移动力。例如，IMU 226检测并记录割草机100经受的各种力，包括移动方向、移动力、移动磁向位、加速度和陀螺仪移动。优选地，IMU 226通过使用至少一个加速度计来检测割草机的加速或减速速率、使用至少一个陀螺仪来检测割草机的陀螺仪移动以及使用磁力计来检测割草机的移动磁向位来起作用。

控制器400可以接收由IMU模块226检测到的导航信息。在由处理器400进行处理之后，可以基于由IMU模块226供应的导航信息来开发用于操作割草机100的合适命令。

这些模块中的每一个被布置成提供特定功能并且返回检测、计算、收集或勘测的单独的导航信息，如信号传递模块300的情况那样，该信号传递模块被布置成接收由一个或多个锚定器20发出的电磁信号22。

如此实施例中所展示的，控制器400还被布置成控制割草机驱动马达210以沿工作区域内的工作表面驱动割草机100。优选地，如在此实施例中的情况那样，通过使马达210与后轮104R中的每个后轮相邻放置来驱动割草机100，其中每个马达210被布置成驱动每个后轮104R。

继而，控制器400可以将来自比如电池214等电源的电流引导至马达210，以便执行一个或两个马达210的受控操作。通过使一个或多个轮子以不同的速度或方向转动，这可以允许割草机100的前进、后退和转弯动作。

控制器400还可以命令刀片马达212操作，以便操作刀片来切割工作表面的草。为了执行这些功能，控制器400将执行控制例程或过程206，该控制例程或过程确定割草机100的操作条件以及何时操作割草机。这些命令至少包括命令割草机100的行进方向和刀片212的操作的指令。

其他命令也是可能的，包括割草机100行进到工作区域内的特定定位、或者返回到特定定位(比如停靠站500)的命令、以及特定命令，比如刀片马达212的操作速度或刀片212的高度，以便确定被切割的草的高度。

如下面将参考图6说明的，控制器400还可以被预编程为具有初始化例程408，在初始化例程中，最初识别割草机的工作区域和工作表面10。这些过程可以帮助识别工作区域的边界以及应该避免在边界12内的某些表面(没有行进区域)或者不应该使刀片马达激活212的分类。一旦识别了这些工作区域10，控制器400然后就可以控制割草机100从停靠站500导航到起点，其中割草机100可以按照控制算法406所规定的那样从起点开始切割草。

例如，控制算法406可以包括特定的切割程序，该切割程序沿行进路径(例如沿纵轴)修剪草坪10，然后在限定的工作区域内以纬度形式对每个纵轴作业，以便切割由预定边界12界定的工作区域10中的草。更具体地，工作区域10可以经由基于A*寻路过程或泛滥式填充切割算法确定的行进路径被割草机100覆盖，如将在下文参考图8a至图8b说明的。其他切割程序也是可能的，并且可以基于用户的期望操作的工作区域10的形状和轮廓来加以选择。

优选地，由于控制器400将与导航系统200的每个导航模块通信，因此控制器400可以在初始化和一般操作期间从这些导航模块中的每一个接收大量不同的导航信息。为了处理此导航信息以便确定用于割草机100的操作命令，控制器400可以首先对从导航系统200接收的所有导航信息应用滤波器或平均函数。这种滤波函数可以允许控制器400忽略或最小化放在与从其他导航模块获得的导航信息相比时看起来不正确的从第一导航模块获得的导航信息上的任何加权。一个或多个滤波器可以被应用以辅助识别控制器400接收到的所有导航信息的“最佳配合”趋势，继而允许忽略或进一步调查可能与平均或最佳配合趋势相去甚远的异常、偏差或不一致。

作为示例，控制器400可以从信号传递模块300和模块220接收导航信息。在处理期间，里程计模块220可能已经跟踪到割草机100已行进到相对于地形10上的参考位置的特定位置。然而，根据由信号传递模块300和IMU 226获得的导航信息，割草机100的定位可能与从里程计模块220获得的坐标相距显著很远的距离。在这些情况下，当将滤波函数应用于信号传递模块300和里程计模块220的所有导航信息时，“最佳配合”或“平均”可以继而指示里程计模块220的坐标是异常的，因为它与其他导航模块完全不一致。相应地，控制器400然后可以在生成对割草机100的命令时继续忽略这种异常。

还预期控制器400还可以对从导航系统200和其他传感器(比如GPS传感器222、障碍物检测模块224等)获得的所有数据应用类似的滤波函数。这种滤波器可能有利于减少/消除来自每个源的不良数据点，并且辅助确定导航/定位数据的哪些源最可靠，并且使用选择这些源来代替。

参考图3，示出了展示了操作自主草坪割草机100的过程流程3000的示例实施例的流程图。该操作可以开始于将多个锚定器20放置在室外花园10内的预定位置处的步骤3001。

用户/操作者可以放置多个锚定器20以限定用于操作割草机100的物理区域10。在一个示例中，用户可以简单地沿地形10的周界放置锚定器20。换句话说，锚定器20可以被放置以形成用于修剪操作的多边形区域。优选地，用户/操作者还可以根据特定的需求(例如，在地形10内容纳信号盲点)放置附加锚定器20以包围地形区域10内的任何特定区域。

在一个示例中，锚定器20可以直接插入到地形区域10上，并且然后由用户通过锚定器20上的开关或通过比如移动电话等无线连接到锚定器20的远程计算设备来激活。在另一个示例中，锚定器20可以被插入到被预定义在地形10上的多个套管中。以此方式，锚定器20与电源(例如，定位于套管处的电池)电连通。

在锚定器20被定位在期望的位置处并且被接通后，在步骤3002处，锚定器20可以通过向彼此发送电磁信号22或从彼此接收电磁信号22来彼此通信以指示其在地形区域10内的相应位置。这种信号22也可以从锚定器20传输到计算设备，使得锚定器20的单独位置可以可视地或图形地显示在远程计算设备上。

锚定器20的位置可以一起理想地限定初步边界。然而，在该区域之间可能存在一些障碍物，或者地形10可能不恰好呈规则形状。为了微调初步边界，用户可以在步骤3003处通过使割草机100在地形10周围移动来收集地形10的地图数据，以生成用于确定修剪区域10的地图数据。通过这样做，割草机100然后可以由用户教导关于工作区域10的定位和定义以及覆盖工作区域10的不同部分所需的任何行进路径。

在一个示例中，用户可以首先沿一个或多个操作区域10的周界手动操作割草机100，以便向割草机100教导割草机100需要修剪的操作区域10。这有时可以被称为“边界行走模式”，代表用户使割草机沿操作区域10的边界12“行走”。

例如，可以通过使用无线连接到割草机100的计算设备(比如移动电话、遥控器或手持式控制器)以此模式操作割草机100。用户可以开始向割草机100发出命令以驱动割草机100。这些命令被接收并由控制器400处理，以便沿着表面驱动割草机100。

在一个示例中，移动电话可以进一步包括允许用户沿操作表面10的周界12驱动割草机100的应用或界面，同时割草机100的位置可以在应用或界面上即时显示给用户。

当用户沿这些周界12驱动割草机100时，将处于边界行走模式的割草机100然后可以操作其导航系统200，以便连续地收集与其附近环境相关联的导航信息。例如，这可以包括里程计模块220(用于记录行进距离以及行进方向)、IMU 226(用于测量行进方向)以及可以有助于完善导航信息的任何其他导航模块或传感器(例如，GPS 222、障碍物检测模块224等)。

一旦完成边界行走过程，处理器400然后就可以在步骤3004处基于收集到的导航信息来生成地图数据，以供随后的正常自主操作中使用。可以以虚拟地图的形式呈现的这种存储的导航信息然后可以由割草机100利用实时导航信息来处理以在操作时设计割草机100的定位，该实时导航信息由导航系统200在正常割草机操作期间实时获得。

在正常修剪操作开始之前，在步骤3005处，割草机100进入初始化模式以确定其相对于地图数据的取向。这是非常重要的，因为割草机100必须首先将其坐标系与存储在地图数据中的坐标系对齐，否则割草机100可能会行进到边界12之外的位置。

在一个示例实施例中，割草机100可以处于修剪区域10内的一个位置，该修剪区域由用户定位的多个锚定器20界定。割草机100可以首先沿第一方向行进预定的短距离，比如0.5米至1米。处于初始化模式的割草机100仅被允许移动可以由锚定器20检测的最小距离。这防止了割草机100用完用户控制，并且因此防止在两个坐标系匹配成功之前碰到任何障碍物。

割草机100的信号接收器310然后可以接收从定位的锚定器20中的每一个发射的电磁信号22。这些信号22由割草机100的处理器400处理，以便确定割草机100相对于锚定器20中的一个或多个锚定器的初始位置，而该特定锚定器20的位置被视为参考位置。

一旦确定了割草机100的初始位置，处理器400将命令割草机100从初始方向即第一取向旋转到另一方向即第二取向。优选地，第一方向和第二方向彼此垂直。然后，割草机100可以沿第二方向行进另一个预定的短距离，比如0.5米至1米，以到达另一个位置。

行进到当前位置后，一个或多个锚定器20的信号发射器在参考位置处将另一个信号22发送到割草机100。割草机100的信号接收器310接收并处理从该锚定器20发射的信号22，以便确定割草机100相对于该特定锚定器20的当前位置。

通过比较割草机100相对于参考位置的初始位置和当前位置，割草机100的处理器400将确定割草机100相对于虚拟地图的取向。然后，用户可以在步骤3006处开始正常修剪操作。

参考图4，示出了展示了割草机100如何通过具有已知位置的多个锚定器20来定位其位置的示意图。如所示出的，提供有定位于区域10中的至少三个锚定器20和被布置在由锚定器20界定的区域10中的割草机100。锚定器20中的每一个和割草机100的信号传递模块300可以包括一对信号发射器和信号接收器，用于将电磁信号发射到另一个锚定器20或信号传递模块300，并且用于接收分别由另一个锚定器20或信号传递模块300发出的另一个电磁信号或反射的同一电磁信号。

在一个示例中，锚定器20中的每一个将电磁信号22发送到割草机100的接收器310。电磁信号22可以包括超宽带射频信号、激光信号、红外信号等。

优选地，用于本发明的电磁信号22可以是6GHz至8.5GHz频率范围内的超宽带射频信号，并且以3×10⁸ms^-1的光速行进。与其他类型的电磁信号相比，使用超宽带射频的优势在于，超宽带射频信号可以传递高达10cm至20cm的更精确的准确度。此外，超宽带射频信号的低等待时间意味着每秒可以重复进行高达100次的位置扫描，并且因此，这特别适合于实时定位应用(比如本发明的割草机应用)。

锚定器20可以在预定周期内发出连续的信号串。替代性地，锚定器20仅在通过接收触发信号而触发时才发出单个信号。例如，锚定器20可以从割草机100接收触发信号，并且响应于该触发信号而将另一个信号发送到割草机100。一旦接收到信号，割草机100的处理器400将取得与信号传播到割草机100的时间有关的数据。参考信号的传播速度，可以确定割草机100相对于锚定器20中的每一个的物理距离，并且继而可以通过三边测量和/或三角测量来计算割草机100的位置。

在一个特定示例中，可以通过飞行时间方法来确定割草机100的位置。割草机100可以将触发信号22发送到锚定器20，以便确定这种触发信号22的传播时间。继而在接收到触发信号22之后，锚定器20可以将信号22’发送回到割草机100并且获得另一个传播时间。以此方式，割草机100获得了从割草机100行进到锚定器20的触发信号22的触发信号传播时间段以及从锚定器20返回行进到割草机100的信号22’的信号传播时间段。基于信号22、22’的速度和信号传播周期，可以确定割草机100相对于锚定器20中的每一个的物理距离，并且因此，可以通过三边测量和/或三角测量来计算割草机100的位置。

在又另一个示例中，可以通过到达时间差方法来确定割草机100的位置。在此方法中，信号22可以由割草机100发送到锚定器20中的每一个，而锚定器20不会将信号发送回割草机100。由于割草机100相对于锚定器20中的每一个的距离不同，每个锚定器20存在时间差，以接收由割草机100发送的信号22。割草机100的物理距离以及因此定位可以通过多点定位计算。

参考图5，展示了确定割草机100在地形区域10中的定位的示例实施例。如所示出的，在地形区域10中定位了限定了多边形可修剪区域的四个锚定器20a、20b、20c、20d。在其中，存在等待基于锚定器20a至20d定位其位置的割草机100。用户/操作员可以通过无线连接到割草机100的电子设备(例如，移动电话)上的应用来启动这种操作。

在使操作初始化时，锚定器20a至20d使用例如宽带、超宽带、激光、红外(由实线表示)彼此通信以建立其相应的参考位置。一旦确定了锚定器20a至20d的参考位置，割草机100就可以将比如超宽带射频信号等电磁信号22发送到锚定器20a至20d中的任何三个，例如，三个相邻的锚定器20a至20c。锚定器20a至20c接收信号22，并且然后将信号22’返回到割草机100。当割草机100接收到返回信号22’时，割草机100的处理器400可以基于信号22从割草机100行进到锚定器20a并且以信号22的速度一起行进回到割草机100所需的时间来计算割草机100相对于特定锚定器(例如，20a)的物理距离。

例如，假设超宽带射频信号22从割草机100行进到锚定器20a的时间为t1，并且超宽带射频信号22’从锚定器20a行进回到割草机100的时间为t2，割草机100与锚定器20a之间的物理距离D1将通过信号22的速度乘以(t2-t1)来确定。通过此方式，在获得至少三个物理距离(例如D1、D2、D3)之后，割草机100的位置可以通过三边测量和/或三角测量来计算。

尽管使用三个锚定器20足以提供割草机100的准确定位，但是第四锚定器20充当备用，以验证割草机100的位置。例如，可以基于割草机100与附加锚定器20d(例如距割草机100最远的锚定器)之间的通信，验证通过三边测量和/或三角测量计算出的割草机100的位置。

另外，第四锚定器20d的使用还可用于测量割草机100的三维位置，该三维位置包括割草机100相对于参考位置(即锚定器20的水平高度)的相对竖直位置。这特别重要，因为修剪表面可能会不平整，并且割草机100可能会相对于修剪地面略微倾斜。

再次参考图5，可以基于上文讨论的方法通过割草机100与锚定器20a至20c之间的通信来确定割草机100的位置。为了验证割草机100的位置，割草机100可以将信号发送到附加锚定器，例如在这种情况下为锚定器20d，该锚定器继而将相同信号或另一个信号发送回到割草机100以便确定信号在割草机100与锚定器20d之间来回传播的时间。

继而，基于信号22的速度和该信号22的传播时间来确定物理距离D0。割草机100的处理器400可以基于地形10的与割草机100和锚定器20a至20c之间的通信相关联的存储的地图数据将割草机100与锚定器20d之间的估计距离与割草机100与锚定器20d之间的所确定的距离D0进行比较以进行验证。当割草机100在需要增强的导航准确性的不规则可修剪区域中操作时，这可能是有利的。

参考图6，展示了用于以边界行走模式操作割草机100的示例过程。在此示例中，初始化过程或例程408是可以由用户执行以便预先配置割草机100以在工作区域中进行自我操作的一组规程。

如所示出的，提供了由定位于区域10的角落处的多个锚定器20所限定的可修剪区域10。还存在被布置在可修剪区域的底部处的停靠站500，用于存储和给割草机100充电。可以通过手动地向割草机100教导用于工作的工作区域/边界12来实施初始化。

在一个示例中，用户/操作者可以站立或坐在停靠站500附近的位置，尽管应当理解，用户/操作者也可以站立或坐在任何其他位置。用户可以使用计算设备、虚拟控制器或遥控器来控制割草机100从停靠站500移出。优选地，计算设备是无线地连接到割草机100的移动设备，比如移动电话、膝上型计算机、智能手表等，并且包括用于控制割草机100的应用。

在割草机100从起始位置(例如，停靠站500)出发之后，用户可以控制割草机100沿一个或多个操作区域10的周界移动，以教导割草机100需要修剪的操作区域。可选地，用户可以在此教导过程期间跟随割草机100，以便紧密地监测割草机100的操作路径，并且避免割草机100撞到其间的任何障碍物中。

当用户沿这些周界驱动割草机100时，导航系统200可以连续地收集与其附近环境相关联的导航信息。例如，导航系统200可以激活用于记录行进距离以及行进方向的里程计模块220、测量行进方向的IMU 236以及可以有助于完善导航信息以实现割草机的更准确的定位的任何其他导航模块或传感器(例如，GPS 222或障碍物检测模块224等)中的每一个。

在边界行走过程期间，割草机100与锚定器20进行信号通信。优选地，在边界12上的各个位置处的锚定器20的信号强度可以由信号传递模块300连续地确定。从一个或多个锚定器20发出的信号22的任何接收失败，即信号强度低于预定阈值，将被记录在地形10的地图数据中。在正常修剪操作期间，地图数据将由导航系统200部署。

在围绕修剪区域10的周界行走之后，处理器400可以处理地图数据以生成新地图或微调与锚定器20的位置相关联的初步地图数据，并且继而用该地图或地图数据来绘制割草机100的初始取向。在一个示例中，用户可以使用移动设备中包括的应用来执行割草机中存储的用于执行初始化的程序或规程。

最初，程序/规程可以开始于控制割草机100从停靠站500移出。如图7a所示，在割草机100从停靠站500出发之后，割草机100将从锚定器20接收信号22，以便确定割草机100相对于锚定器20的初始位置。割草机100可以在第一方向上以预定角度移动短距离以到达第一位置，如图7b所示。

在此位置处，割草机100从锚定器20接收信号，该信号继而告诉割草机100相对于锚定器20有多近。之后，割草机100返回到初始位置，如图7c所示。然后，割草机100沿与如图7b和图7c所示的方向垂直的另一个方向以另一个预定角度行进短距离以到达第二位置。

在图7d所示的位置处，割草机100从锚定器20接收另一个信号22，该信号告诉割草机100其在当前位置相对于锚定器20的距离。然后，割草机100返回到初始位置。因此，可以通过将从如图7b和图7e所示的两个位置(第一位置和第二位置)获得的相对于锚定器20的位置数据进行比较来确定割草机100的取向。

参考图8a和图8b，示出了在图7a至图7e中成功初始化的割草机100可以如何围绕可修剪区域移动以执行正常修剪操作的示例实施例。如所示出的，如图7a所描述的，割草机100可以在初始位置处开始移动。割草机100相对于停靠站500向前移动，直到其到达边界12(如先前通过边界行走过程确定的)为止，如图6所示。

一旦割草机100到达边界12的第一端12a，其例如逆时针旋转90度两次，并且在相反的向后方向上行进预定距离，直到割草机100到达边界12的另一端12b。然后，割草机100顺时针旋转90度两次，并且再次在向前的方向上行进预定距离，直到该割草机再次到达边界12的第一端12a。割草机100重复这些步骤以覆盖可修剪区域10的一半，直到区域10的一半被割草机100的向前行进路线泛滥式填充。

由于修剪操作的起始位置定位于工作区域10的中心部分的某处，因此如上文所描述沿行进路径行进的割草机100将仅覆盖一半工作区域10a。为了使其余的工作区域10b泛滥式填充，一旦割草机100结束了行进路径，该割草机将返回到初始位置，如图8a所示。

如图8b所示，在割草机100返回其初始位置之后，割草机100将以相同的方式在剩余的工作区域10中移动，但在相反的方向上移动，直到剩余的区域10b被割草机100覆盖为止。最后，割草机100可以返回其初始位置并且停靠在停靠区域500中，以终止修剪操作和/或进行电池充电。

参考图9，展示了要修剪的区域10的示例实施例。在此示例中，区域10具有多边形形状。在区域10内，在区域10的中心部分提供连接有屏障的房屋13，该房屋继而将区域10分成两个子区域10a和10b。为了修剪这些子区域10a和10b，用户可以首先沿子区域10a和10b的周界手动放置多个锚定器20。锚定器20可以使用不同的电磁信号22(比如超宽带射频信号、激光信号、红外信号或其他类型的射频飞行时间技术)彼此通信，这些电磁信号继而确定这些锚定器的相应定位。

为了使割草机100初始化以进行操作，用户可以执行前述的边界行走过程，以向割草机100教导边界12以供操作。具体地，用户可以控制割草机100沿子区域10a和10b中的每一个的周界行进，以便教导割草机100要修剪的操作区域10。

在边界行走过程期间，割草机100的导航系统200可以连续地收集与其附近环境相关联的导航信息，并且这种导航信息可以以虚拟地图的形式存储在割草机100的存储器中。与子区域10a和10b相关联的地图数据可以被传输到计算设备并且以图形方式呈现给用户，这可以继而允许用户选择要修剪的特定操作区域10。

在一些示例中，用户可以具有多于一个割草机100，例如两个割草机100’、100”以供操作。两个割草机100’、100”中的每一个可以分别放置在子区域10’、10”中的每一个中。两个割草机100’、100”可以经由无线连接独立地与计算设备通信。用户可以通过执行边界行走过程来为割草机100’、100”中的每一个限定操作边界12’、12”。之后，割草机100’、100”如上所述确定其位置和取向，并且同时开始修剪其相应区域10’、10”。以此方式，用于修剪的操作时间将至少节省一半。

参考图10，示出了要修剪的区域10的另一个示例实施例。在此示例中，区域10也具有多边形形状。在区域10内，在可修剪区域10的中心顶部处提供了房屋13。在可修剪区域10的右下角附近还提供了椭圆游泳池14，该椭圆泳池应该是要从可修剪区10排除的禁止进入区域。为了修剪此区域，在一个示例中，用户可以通过分别部署包围子区域10a、10b和10c的多个锚定器20来将全局操作区域10分成或划分为不同的局部操作区域，例如操作区10a、10b和10c。在每个操作例程中修剪操作区10a、10b和10c。

用户可以对区10a至10c中的每一个执行边界行走。为了从修剪区10c中排除椭圆游泳池14，用户可以引导割草机100绕区10b的边界12b以及游泳池14的边界行走。可以将包括与游泳池14相关联的边界(即，禁止进入区域)在内的地图数据存储在处理器400中。

用户可以最初将割草机100放置在区10a中以执行如上所述的修剪操作。一旦在区10a中的操作完成，用户就可以切换割草机100以在区10b中进行操作，接着在区10c中进行操作。

有利地，尽管用户可以部署足够数量的锚定器20以覆盖区域10的不同区，但是用户可以利用最少四个锚定器20来逐阶段修剪所有区10a至10c。

例如，用户可以首先使用多个锚定器20来限定特定区以供修剪操作，例如图10中的区10A。一旦在区10a中的修剪操作完成，用户就可以从区10a中仅移除一些锚定器20，并且在区域10的尚未被修剪的其余部分中进行部署，以便限定另一个区以供操作，例如区10b、10c。可以重复这些过程，直到整个区域10被修剪为止。

在一个替代性示例中，锚定器20未恰好定位在边界12上。例如，尽管四个锚定器20通常一起形成多边形的初步边界，其中每个锚定器20优选地定位于初步边界的四个角落，但是割草机100仍将执行上述边界行走过程以确定修剪区域10的实质边界12。因此，锚定器20可以不必恰好定位在多边形的角落，例如，锚定器20可以定位于边界12的外部或内部。应当理解，锚定器20的定位仅用作初步边界，并且随后该初步边界将由用户细化，即在边界行走过程期间根据地形10上的障碍物的位置而拉伸或减小。

参考图11，示出了锚定器20的示例实施例。如所示出的，锚定器20包括由支撑结构26在下方支撑的锚定器单元24。锚定器单元24是三维结构，具有定位于锚定器单元24的顶部和底部处的两个(上和下)平面表面。应当理解，锚定器单元24可以具有圆柱体、立方体、长方体形状或三棱柱、六棱柱等形状。

在一个示例中，锚定器单元24可以包括太阳能电池板28、至少一个电池和信号传递模块30。太阳能电池板28可以布置在锚定器单元20的上表面上以吸收阳光。一方面，太阳能电池板28可以通过将太阳能转换成电能来为锚定器单元24供电而用作电源。另一方面，太阳能电池板28可以将过多的太阳能转换成可以储存在电池中的电能，使得锚定器单元24仍然可以在多云天气或者暂时挡住阳光的情况下进行操作。

该电池可以是任何可再充电电池，示例包括但不限于镍镉、镍金属氢化物、锂离子、锂离子聚合物电池等。当锚定器20在太阳能电池板不能为锚定器单元24供电的环境下操作时，锚定器单元24可以仅由电池供电或与太阳能电池板组合供电。太阳能电池板和电池的组合作为电源可以是有利的，因为其可以提供更环保的修剪操作。

锚定器单元24的信号模块30可以包括信号接收器和信号发射器，信号接收器和信号发射器继而允许锚定器20与其他锚定器20以及割草机100的信号传递模块300通信。以此方式，可以基于在锚定器20之间以及在锚定器20与割草机100之间传输的信号来确定锚定器20和割草机100的位置。

支撑结构26可以是杆状或圆柱状的结构，同时应当理解，具有细长形状的其他结构也是可能的。支撑结构26提供表面以允许锚定器单元24可释放地附接到支撑结构26上。以此方式，锚定器单元24被定位在较高的位置以避免大多数障碍物，并且继而允许信号22从锚定器单元24发出以在期望的视线下覆盖边界范围。另外，锚定器单元24与支撑结构26之间的可释放布置可以为用户提供灵活性，以修剪具有不同区(例如，如图10所示的先前场景中提到的区10a、10b和10c)的操作区域10。

优选地，割草机100可以在边界行走过程和花园10的地图绘制期间使用由用户创建的虚拟边界。割草机100的位置准确性具有基于导航传感器(例如，信号传递模块300)的精度的正/负公差。在本发明中，信号传递模块300可以给出高达10cm到20cm的准确性，并且因此割草机100可以遵守安全规定，该安全规定仅允许从边界12延伸的最大割草机主体长度为0.5米。

如本发明的以下各个实施例中所描述的，用户可以使用一组自主工具100，该组自主工具包括但不限于花园、后院10或熟练收件人针对特定用途决定的其他类似环境中的多个锚定器20和割草机100。

优选地，为了与包括但不限于所部署的锚定器20和自主工具100的整个导航系统200的任何部件或与该整个导航系统进行交互，需要用户将移动应用下载到移动设备上。移动设备可以是智能手机、计算机、平板电脑等。通过这些移动设备，用户将能够通信和远程控制锚定器20和自主工具100的活动。然而，用于控制前述系统200和工具100的装置不限于移动应用。用户还可以通过其他手段(比如系统200和工具100附带的远程控制)进行控制。

优选地，锚定器20可以以用于不同目的的不同模式操作。锚定器20的主要特征即第一模式被称为“修剪模式”，而侧面特征即第二模式被称为“物联网(IOT)模式”。

在这种“修剪模式”下，锚定器20将辅助割草机100修剪花园或院子10，因为这些锚定器将限定割草机100在其中进行操作的边界12。另一方面，在这种“IOT模式”下，锚定器20将作为通道操作以促进其上嵌入有锚定器20的物体(例如，灯、监控摄像机等)与安装有“应用”的移动设备之间的通信。只要存在无线连接，这种模式就可以在任何时间为用户提供对嵌入式物体的远程可控制性。

为了开始使用自主工具100的一个示例实施例，用户可以首先访问托管“应用”的下载链接的网站或另一个第三方的“应用”，以控制自主工具100和锚定器20。然后，用户可以将“应用”下载到(多个)预期的移动设备。

下载完成后，用户可以点击打开“应用”并注册个人账户。随后，系统可以请求用户将“应用”与购买的锚定器20和割草机100链接。这可以通过利用“应用”的扫描仪功能扫描在锚定器20和割草机100上标记的“QR码”或其他类似的独特签名来完成。

可选地，代替前述的配对方式，可能需要用户在“应用”中键入在那些设备上标记的唯一识别码。之后，通过Wi-fi、蓝牙或其他类似连接，锚定器20、割草机100和安装有“应用”的移动设备将相互链接并彼此通信。在这点上，用户可以利用移动设备无线地控制成对的锚定器20和割草机100。

可以在需要修剪的地方找到部署锚定器20的示例。这可以包括但不限于后院、前院、公园10中的花园或其他设施。在这种情况下，割草机100可以在由锚定器20限定的边界12内操作。

替代性地，这些锚定器20也可以在室内使用，比如但不限于办公室、家庭和购物中心。用户可以将锚定器20附接到兼容性设备，比如但不限于灯、窗帘、监控摄像机等，并且控制其活动。因此，其可以作为边界限定的物体或用于促进物联网的设备进行操作。

参考图12，示出了大厦，其中房屋13本身定位于四边形的院子10的一侧。另外，在院子10的每个角落总共部署了四个锚定器20。如果用户希望修剪四边形的院子或具有四个角落且在院子10中没有任何障碍物的任何形状，则用户可以在每个角落部署锚定器20，总共可以部署至少四个锚定器20。用户必须确保将锚定器20放置在视线上，并且不存在障碍物阻挡所有锚定器20之间的视线。

对于第一次使用，在将移动设备与割草机100和锚定器20配对之后，需要用户通过移动应用控制割草机100以执行前述边界行走过程。

参考图13，示出了类似于图12中所显示的大厦的布局。在开始边界行走之前，需要用户将割草机100放置在边界12中的任何一个上的任何点处。还需要用户点击打开安装在移动设备中的“应用”，并且在“应用”上选择相关功能。然后，用户可以通过移动设备或任何其他远程控制器控制割草机100沿所有四个边界12行走来开始边界行走阶段，如图中箭头符号所示。移动设备可以通过Wi-fi、蓝牙或其他类似的射频识别方法的用户与割草机100通信。当割草机100行走回到其开始边界行走过程的点时，边界行走的整个过程将结束。

在参考图14的替代性示例中，当一个或多个边界12不是直的而是弯曲的或不规则形状的，并且在院子10中没有任何障碍物时，用户仍然可以遵循如上文描述的相同规程。与图13中的前述场景相比，在这种情况下的唯一区别在于，用户可能不再控制割草机100在两个锚定器20之间的直线上行走，而是用户必须指示割草机100沿着遵循院子10的弯曲或不规则轮廓的路线行走。

如图15所示，在大多数情况下，花园或院子10中可能存在许多障碍物。这些障碍物可以是池塘、灌木丛、树木、凉亭、人行道15等。在这种情况下，除了定位于每个角落的那些锚定器20之外，用户可以在障碍物周围部署一个或多个锚定器20。然后，用户可以通过“应用”中的相同功能，将那些新部署的锚定器20设置为“栅栏”12，使得割草机100不会走过那些“栅栏”12并撞到障碍物。在一些未知故障的情况下，一旦割草机100错误地穿过栅栏，锚定器20可以通过移动应用警告用户。可以使用任何射频识别方法(比如但不限于Wi-fi和蓝牙)来传达这种警告。

花园或院子110可以包含四个以上的角落。参考图16，示出了房屋13和从房屋13延伸到大厦入口的人行道15。在这种情况下，围绕房屋13和人行道15，在大厦中总共存在十二个角落。在此场景下，用户可以选择购买更多的锚定器20并且将这些锚定器固定在大厦的每个角落。

作为处理具有四个以上角落的院子10的替代方案，参考图17，用户可以选择将整个院子10分成多个矩形部分(像用户可能期望的一样多)。然后，用户可以通过设置四个锚定器20(每个角落一个锚定器)来选择对任一部分进行操作。在此实施例中，并且针对首次使用，用户必须如所展示的在区10a的每个角落设置四个锚定器20。然后，用户必须在割草机100可以在区10a中自身进行操作之前在区10a内执行边界行走。对于其他区10b、10c等重复此过程。

在每个边界行走阶段结束时，移动应用可以提示用户将生成的地图保存在某个存储器空间中。通过任何射频识别技术，存储器空间可以是但不限于任何电子设备、割草机100或锚定器20。

有利地，具有将在“边界行走”阶段期间生成的地图保存在某个存储器空间中的能力，对于用户而言将是方便的，因为此后用户不必在相同的院子10中重复相同的阶段。

在区10a处完成边界行走阶段之后，用户可以移除先前部署在区10a处的锚定器20，并且在区10b中重新使用这些锚定器，如图18所示。对于区10c的其余部分等可以重复此过程，直到所有区都完成了边界行走阶段。

在一个或多个区10中完成边界行走阶段时，用户可以开始修剪阶段。需要注意的是，可以进行修剪阶段，只要区中的任何一个区(例如10a)是“边界行走的”，而不是所有区10a、10b、10c都是“边界行走的”。再次，在边界行走阶段期间，需要用户将锚定器20放置在记录的位置处，尽管可能不需要在完全相同的位置使用相同的锚定器20。换句话说，在完全相同的位置处具有不同的锚定器20可能就足够了。

为了开始修剪，用户可能必须首先确保割草机100连接到锚定器20。然后，用户可以点击打开“应用”并且选择将通过Wi-fi、蓝牙或其他射频识别方法以无线方式指示割草机100开始在区10内修剪的功能。当修剪区10时，割草机100可以返回其停靠500并且等待来自用户的下一个指令。如果要修剪的区更多，则用户可以首先移除锚定器20并将其放置在其他区的角落，然后用户可以点击应用并指示割草机100根据在“边界行走”阶段生成的区地图修剪该特定区域10。

可选地，锚定器20还可以用作各种物体的物联网，使得用户可以控制远程地嵌入有锚定器20的物体的活动。这些物体可以是任何日常物体，比如但不限于灯具、窗帘、咖啡机、空调、风扇、监控摄像机等。为了将锚定器嵌入到物体上，用户可能必须手动将锚定器20从先前嵌入有该锚定器的物体上脱离，然后用户才能通过某种锁定机构将该锚定器固定在新物体上。

锚定器20可以无线地(借助于一些射频识别技术，比如但不限于Wi-fi和蓝牙)或通过线对与嵌入式物体通信。在成功配对时，锚定器20可以发送通知并提示对“应用”的进一步动作。然后，用户可以点击打开通知可以无线控制嵌入式物体的活动。例如，如果锚定器20被嵌入在这些物体上，则用户可以无线地打开或关闭灯具，或者用户可以匹配“应用”上的闭路电视。

尽管不是要求的，但是参考附图描述的实施例可以被实施为应用程序编程接口(API)或被实施为由开发人员使用的一系列库，或者可以被包括在另一软件应用中，比如终端或个人计算机操作系统或便携式计算设备操作系统。通常，由于程序模块包括辅助执行特定功能的例程、程序、对象、部件和数据文件，因此本领域技术人员将理解，软件应用的功能可以分布在多个例程、对象或部件上以实现与本文中期望的相同功能。

在割草机操作期间，可能存在割草机100最终会到达信号源(即锚定器20)的信号覆盖较弱的位置的情况，而这种弱信号点在上述边界行走过程期间已预先确定并预先记录在地形10的地图数据中。因此，尽管割草机100可能没有通过前述的如图4至图5所述的三边测量和/或三角测量来定位其位置，这需要从至少三个信号源接收信号，但是割草机100的当前位置、取向和行进方向可以基于至少两个锚定器20发出的信号22来确定。

最后参考图19，示出了要由割草机100修剪的并且分别被四个锚定器20a、20b、20c和20d包围的地形10。割草机100处于从锚定器20c和20d发出的信号22被房屋13基本上阻挡的位置处。有利地，割草机100仍可以继续修剪操作并且基于锚定器20a和20b的参考位置沿例如通过上述泛滥式填充过程限定的行进路径行进。一旦割草机100到达信号22所覆盖的新位置(其中从四个锚定器20a至20d中的三个锚定器发出的信号22可以由信号接收器310接收)，割草机100的当前位置就可以再次通过前述三边测量和/或三角测量来确定。

还应当了解，在本发明的方法和系统完全由计算系统实施或部分地由计算系统实施的情况下，可以利用任何适当的计算系统架构。这将包括独立计算机、网络计算机和专用硬件装置。在使用术语“计算系统”和“计算设备”的情况下，这些术语旨在涵盖能够实施所述功能的任何适当的计算机硬件布置。

本领域的技术人员将理解的是，在不脱离如广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对这些具体实施例中所示的发明作出众多的变化和/或修改。因此，应认为当前这些实施例是在所有方面均为说明性的而非限制性的。

除非另有说明，否则本文所包含的对现有技术的任何引用均非认可该信息是公知常识。

Claims (55)

1.一种供自主工具中使用的导航系统，该导航系统包括：

-多个锚定器，该多个锚定器单独地布置在地形上，每个锚定器都布置成发出电磁信号；

-信号传递模块，该信号传递模块包括信号接收器，该信号接收器被布置成接收该电磁信号，其中，该信号传导模块连接到被布置成在该地形上移动的该自主工具；以及

-处理器，该处理器被布置成处理由该信号接收器接收到的电磁信号，以便确定该信号传递模块与该多个锚定器中的每一个之间的物理距离；

其中，该处理器被进一步布置成基于所确定的物理距离和该地形的与该多个锚定器中的每一个的位置相关联的地图数据来确定该信号传递模块相对于该地形上的参考位置的当前位置。

2.根据权利要求1所述的导航系统，其中，该处理器被进一步布置成基于所确定的物理距离和该地形的与该多个锚定器中的至少三个锚定器的位置相关联的地图数据来确定该信号传递模块的当前位置。

3.根据权利要求2所述的导航系统，其中，该当前位置通过三边测量和/或三角测量确定。

4.根据权利要求2所述的导航系统，其中，该处理器被进一步布置成基于所确定的物理距离和该地形的与除了该多个锚定器中的该至少三个锚定器之外的附加锚定器的位置相关联的地图数据来验证该信号传递模块的当前位置。

5.根据权利要求1所述的导航系统，其中，该处理器被布置成基于从该多个锚定器中的每一个发出的到达该信号传递模块的该电磁信号的信号传播周期来确定该信号传递模块与该多个锚定器中的每一个之间的物理距离。

6.根据权利要求5所述的导航系统，其中，该处理器被进一步布置成基于该电磁信号在该地形上的信号传播速度来确定该信号传递模块与该多个锚定器中的每一个之间的物理距离。

7.根据权利要求5所述的导航系统，其中，该信号传递模块进一步包括信号发射器，该信号发射器被布置成将触发信号发射到该多个锚定器中的每一个。

8.根据权利要求7所述的导航系统，其中，该处理器被布置成基于从该信号发射器发射的到达该多个锚定器中的每一个的该触发信号的触发信号传播周期和该信号传播周期来确定该信号传递模块与该多个锚定器中的每一个之间的物理距离。

9.根据权利要求8所述的导航系统，其中，该物理距离是基于飞行时间计算方法确定的。

10.根据权利要求1所述的导航系统，其中，该参考位置包括该自主工具的停靠位置。

11.根据权利要求1所述的导航系统，其中，该参考位置包括该多个锚定器之一的位置。

12.根据权利要求1所述的导航系统，其中，该电磁信号包括射频信号。

13.根据权利要求12所述的导航系统，其中，该电磁信号包括超宽带射频信号。

14.根据权利要求1所述的导航系统，其中，该电磁信号包括红外信号。

15.根据权利要求1所述的导航系统，其中，该电磁信号包括激光信号。

16.根据权利要求1所述的导航系统，进一步包括至少一个传感器，该至少一个传感器被布置成向该处理器提供与该自主工具的导航相关联的补充信息。

17.根据权利要求16所述的导航系统，其中，该至少一个传感器包括IMU、里程计传感器和GPS传感器中的至少一个。

18.根据权利要求1所述的导航系统，其中，该多个锚定器定位在该地形上的多边形区域的多个角落。

19.根据权利要求18所述的导航系统，其中，该自主工具被布置成在由该多个锚定器界定的该多边形区域内进行操作。

20.根据权利要求1所述的导航系统，其中，该多个锚定器中的至少一个锚定器被定位成背离该地形上的目标操作区域的预定边界。

21.根据权利要求1所述的导航系统，其中，该自主工具包括室外工具或室内工具。

22.根据权利要求21所述的导航系统，其中，该室外工具包括自主草坪割草机、除雪机或高压清洗机。

23.根据权利要求21所述的导航系统，其中，该室内工具包括真空吸尘器。

24.一种用于控制自主工具的方法，该方法包括以下步骤：

-在该自主工具的当前位置处接收从单独地布置在地形上的多个信号源中的每一个发出的电磁信号；

-处理接收到的电磁信号，从而确定该自主工具与该多个信号源中的每一个之间的物理距离；以及

-基于所确定的物理距离和该地形的与该多个信号源中的每一个的位置相关联的地图数据来确定该自主工具相对于该地形上的参考位置的当前位置。

25.根据权利要求24所述的用于控制自主工具的方法，其中，该自主工具相对于该地形上的参考位置的当前位置是基于所确定的物理距离和该地形的与该多个信号源中的至少三个信号源的位置相关联的地图数据确定的。

26.根据权利要求25所述的用于控制自主工具的方法，其中，该当前位置通过三边测量和/或三角测量确定。

27.根据权利要求25所述的用于控制自主工具的方法，该方法进一步包括基于所确定的物理距离和该地形的与除了该多个信号源中的该至少三个信号源之外的附加信号源的位置相关联的地图数据来验证该自主工具的当前位置的步骤。

28.根据权利要求24所述的用于控制自主工具的方法，该方法进一步包括基于从该多个信号源中的每一个发出的到达该自主工具的该电磁信号的信号传播周期来确定该自主工具与该多个信号源中的每一个之间的物理距离的步骤。

29.根据权利要求28所述的用于控制自主工具的方法，其中，该信号传递模块与该多个信号源中的每一个之间的物理距离进一步基于该电磁信号在该地形上的信号传播速度来确定。

30.根据权利要求24所述的用于控制自主工具的方法，该方法进一步包括从该自主工具向该多个信号源中的每一个发射触发信号的步骤；其中，该多个信号源被布置成在接收到该触发信号时发射该电磁信号。

31.根据权利要求30所述的用于控制自主工具的方法，该方法进一步包括基于分别从该自主工具发出的到达该多个信号源中的每一个的该触发信号以及从该多个信号源中的每一个发出的到达该自主工具的该电磁信号的信号传播周期来确定该自主工具与该多个信号源中的每一个之间的物理距离的步骤。

32.根据权利要求31所述的用于控制自主工具的方法，其中，该物理距离是基于飞行时间计算方法确定的。

33.根据权利要求24所述的用于控制自主工具的方法，其中，该参考位置包括该自主工具的停靠位置。

34.根据权利要求24所述的用于控制自主工具的方法，其中，该参考位置包括锚定器的位置，其中，该锚定器是被布置成发出该电磁信号的该信号源。

35.根据权利要求24所述的用于控制自主工具的方法，该方法进一步包括处理与该自主工具的导航相关联的补充信息的步骤，其中，该补充信息由至少一个传感器提供。

36.根据权利要求35所述的用于控制自主工具的方法，其中，该至少一个传感器包括IMU、里程计传感器和GPS传感器中的至少一个。

37.根据权利要求24所述的用于控制自主工具的方法，该方法进一步包括确定从该自主工具的当前位置开始的行进路径的步骤，其中，该行进路径基本上泛滥式地填充由预定边界界定的目标操作区域。

38.根据权利要求24所述的用于控制自主工具的方法，其中，该行进路径是基于A*寻路过程确定的。

39.根据权利要求37所述的用于控制自主工具的方法，该方法进一步包括限定要从该目标区域排除的至少一个禁止进入区域的步骤。

40.根据权利要求39所述的用于控制自主工具的方法，该方法进一步包括创建和存储该地形的与布置在该地形上的多个锚定器的位置、该目标操作区域和该至少一个禁止进入区域相关联的地图数据的步骤。

41.根据权利要求40所述的用于控制自主工具的方法，其中，该地图数据是在该自主工具上运行边界行走例程时创建的，以便限定该预定边界。

42.根据权利要求40所述的用于控制自主工具的方法，其中，该多个锚定器定位在对该地形上的目标操作区域进行限定的多边形区域的多个角落。

43.根据权利要求40所述的用于控制自主工具的方法，其中，该多个锚定器中的至少一个锚定器被定位成背离该预定边界。

44.根据权利要求40所述的用于控制自主工具的方法，其中，该地图数据由在计算设备上执行的应用创建。

45.根据权利要求37所述的用于控制自主工具的方法，该方法进一步包括基于由单独地布置在该地形上的该多个锚定器所限定的多个边界将全局操作区域划分为多个局部操作区域的步骤。

46.根据权利要求45所述的用于控制自主工具的方法，其中，在每个操作例程中，该自主工具被控制为在多个局部操作区域之一上进行操作。

47.根据权利要求37所述的用于控制自主工具的方法，该方法进一步包括在确定从该自主工具的当前位置开始的行进路径的步骤之前，初始化该自主工具的操作的步骤。

48.根据权利要求47所述的用于控制自主工具的方法，其中，初始化该自主工具的操作的步骤包括通过以下操作获得该自主工具的取向的步骤：

-确定该自主工具相对于该地形上的该参考位置的初始位置；

-将该自主工具从第一方向旋转到第二方向；以及

-使该自主工具沿该第二方向行进预定距离；以及

-基于确定相对于该参考位置的该初始位置和该当前位置，确定在该第二方向上定位的该自主工具的取向。

49.根据权利要求25所述的用于控制自主工具的方法，该方法进一步包括基于在该自主工具的操作期间从该多个信号源中的至少一个信号源发出的电磁信号的接收失败来确定该自主工具的当前位置的步骤。

50.根据权利要求49所述的用于控制自主工具的方法，该方法进一步包括记录与该地形的地图数据中的预定位置相关联的这些电磁信号的接收失败的步骤。

51.根据权利要求49所述的用于控制自主工具的方法，该方法进一步包括响应于该电磁信号的接收失败而继续该自主工具的操作的步骤。

52.根据权利要求51所述的用于控制自主工具的方法，该方法进一步包括在成功地接收从该多个信号源中的至少三个信号源发出的该电磁信号时，基于三边测量和/或三角测量来恢复对该自主工具的当前位置的确定的步骤。

53.根据权利要求24所述的用于控制自主工具的方法，其中，该自主工具包括室外工具或室内工具。

54.根据权利要求53所述的用于控制自主工具的方法，其中，该室外工具包括自主草坪割草机、除雪机或高压清洗机。

55.根据权利要求53所述的用于控制自主工具的方法，其中，该室内工具包括真空吸尘器。

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