CN113475215A - 利用激光测距和定位控制的无人剪草机 - Google Patents

利用激光测距和定位控制的无人剪草机 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用激光测距和定位控制的无人剪草机，该无人剪草机全自动按用户设定的剪草过程完成剪草，该剪草机包括布设在剪草机顶部的激光测距仪、以及布设在剪草机内部的激光剪草控制系统；该激光剪草控制系统设有用户设定剪草路线单元、建立草坪数字地形图单元、建立剪草过程数字模型单元、剪草机当前坐标测定单元、比较坐标误差单元、修正坐标误差单元、以及中央控制单元；中央控制单元对上述各个单元分别发送指令并接收它们的数据，从而指令剪草机按照正确的方位工作；本发明将剪草控制系统各个单元进行有机结合，解决了由于公众草坪和私家草坪的平面形状和地貌各不相同、限止自动剪草机的工作效率、影响剪草的质量的新的技术问题。

Description

利用激光测距和定位控制的无人剪草机
技术领域
本发明涉及无人剪草机技术领域，尤其涉及一种利用激光测距和定位控制的无人剪草机。
背景技术
利用无人机剪草机修理公众草坪、足球场和私家草坪已是十分普通的情况。
公众草坪和私家草坪的平面形状和地貌各不相同，所以限止了自动剪草机的工作效率，并且十分影响剪草的质量。这种情况的原因主要是由于现有自动剪草机不能对草坪的地形和平面形状进行精准的描述，以至于剪草机在运行过程中不能自动处理特殊地貌地形问题。对于每天定时剪草的草坪，自动剪草机没有存贮和消除已发现的不良操作行为，因此不仅没有减轻人工的干预，而且维护、保养的人工工作量很大。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提出一种利用激光测距和定位控制的无人剪草机，目的在于解决现有自动剪草机不能对草坪的地形和平面形状进行精准的描述，以至于剪草机在运行过程中不能自动处理特殊地貌地形问题、不仅没有减轻人工的干预，而且维护、保养的人工工作量很大的问题。
本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：
一种利用激光测距和定位控制的无人剪草机，该无人剪草机全自动按用户设定的剪草过程完成剪草，其特征在于：该剪草机包括布设在剪草机顶部的激光测距仪、以及布设在剪草机内部的激光剪草控制系统；
该激光剪草控制系统设有用户设定剪草路线单元、建立草坪数字地形图单元、建立剪草过程数字模型单元、剪草机当前坐标测定单元、比较坐标误差单元、修正坐标误差单元、以及中央控制单元；所述草坪数字地形图单元用于建立草坪的三维数字地形图；所述剪草过程数字模型单元用于建立剪草过程三维曲线图、以及三维曲线图上每个时间点对应的三维坐标；所述剪草机当前坐标测定单元用于确定剪草机当前动态坐标；所述比较坐标误差单元根据剪草过程数字模型当前时间点坐标和剪草过程实际坐标进行坐标误差对比；所述修正误差单元以剪草过程数字模型当前时间点坐标为标准，对剪草机当前坐标进行校正；所述中央控制单元对上述各个单元分别发送指令并接收它们的数据，从而指令剪草机按照正确的方位工作。
所述建立草坪数字地形图单元包括草坪平面坐标模块、草坪高度测量点设置模块、草坪测量点立体坐标模块、数字差分模块；所述草坪高度测量点设置模块从草坪平面坐标模块选出若干个点作为草坪高度测量点；所述草坪测量点立体坐标模块将每个测量点高度的测量结果结合该点的平面坐标、构成草坪测量点立体坐标；所述数字差分单元将若干个草坪测量点立体坐标采用差分方法差自动生成草坪地形三维数字模型。
所述建立剪草过程数字模型单元包括建立剪草过程的实际三维曲线模型模块、预算完成当前三维剪草路线时间模块、设定等分时间间隔并计算等分数量模块、按照等分数量将剪草过程等分模块、计算剪草过程模型各个等分时间点坐标模块；所述预算完成当前三维剪草路线时间模块，根据剪草过程的实际三维曲线的总长度和剪草机的速度，预算完成当前三维剪草路线剪草时间。
所述剪草机当前坐标测定单元包括激光测量原点绝对坐标设定模块、剪草机和激光测量原点相对坐标、剪草机当前绝对坐标，所述激光测量原点绝对坐标存储激光测量原点的绝对坐标模块；所述剪草机和激光测量原点相对坐标模块用于计算剪草机和激光测量原点之间的相对坐标；所述剪草机当前坐标模块根据激光测量原点绝对坐标、剪草机和原点相对坐标计算出剪草机当前的绝对坐标。
所述比较坐标误差单元包括获取剪草机当前坐标模块、剪草过程数字模型当前时间点坐标模块、中央控制模块、比较坐标误差块；所述比较坐标误差模块对比剪草机当前坐标、剪草过程数字模型当前时间点坐标，这两种坐标的误差值。
所述的修正坐标误差单元包括：获取坐标误差单元模块、以及修正坐标误差模块，所述修正坐标误差模块以剪草过程数字模型当前时间点坐标为标准，修正剪草机当前坐标，并指令剪草机遵循正确的方向和位置。
建立所述草坪数字地形图、剪草过程数字模型以后，剪草机进行一到二次全程剪草，剪草机控制系统记录全部剪草过程，修正剪草过程数字模型，形成合理准确剪草过程，日常剪草按照剪草过程数字模型执行，没有用户新的剪草过程，无需更改剪草过程。
本发明的优点效果
本发明将剪草控制系统各个单元进行有机结合，解决了由于公众草坪和私家草坪的平面形状和地貌各不相同、限止自动剪草机的工作效率、影响剪草的质量的新的技术问题：本发明各个单元相互依赖和支持的特征具体体现在：草坪三维地形图技术为剪草过程数字模型技术奠定了基础、剪草过程数字模型技术又使得草坪三维地形图技术得到了应用；剪草过程数字模型技术使得剪草机当前坐标的误差得到了纠正，剪草机当前坐标测定技术又是对于剪草过程数字模型技术的进一步印证；获取剪草机当前坐标技术、以及剪草过程数字模型当前时间点坐标技术，这两种技术依赖于比较误差单元进行比较才能得到坐标误差结果，比较误差单元又依赖于修正误差单元对误差进行修正。以上各种技术组合以后取得了新的效果，相比组合以前各个独立的效果要优越得多，因此，具有突出的实质性特点和显著的进步。
附图说明
图1为本发明建立草坪数字地形图原理图；
图2为本发明剪草机自身当前坐标测定示意图；
图3为本发明建立剪草过程实际三维曲线模型示意图；
图4为本发明激光剪草控制系统流程图；
图5为本发明比较坐标误差流程图；
图6为本发明激光剪草控制系统框架图；
图7为本发明建立草坪数字地形图单元结构；
图8为本发明建立剪草过程的数字模型单元结构；
图9为本发明剪草机当前坐标测定单元结构；
图10为本发明比较坐标误差单元结构；
图11为本发明修正坐标误差单元结构。
图12-1为草坪可以是任意形状的X-Y平面图示意图；
图12-2为草坪也可以是任意形状建立的座标图示意图。
具体实施方式
本发明设计原理
1、建立草坪数字地形图设计原理。如图1所示，0点是数字座标原点，A点是草坪平面图上的平面座标(Ax,Ay)，利用激光测距仪L测得距离L-B、以及距离L-A，通数字模型可得相对水平面高度的点A的举力L-A，以及A的高度HA(Az)形成A点的地形座标为(Ax,Ay,Az)。
测量A点的高度：激光L-A与水平线的夹角是已知的，激光L-A距离是可以测出来的,通过勾股定理就能计算出M-A的高度；又因为激光测距仪发光点L的高度是已知的，L点的高度减去M-A的高度就是A点的高度。测量B点的高度：L-B的距离是可以测量的，激光L-B与水平线的夹角是已知的，通过勾股定理，B-M的高度就是已知的，又因为激光测距仪发光点L的高度是已知的，L点的高度加上B-M的高度就是B点的高度。
按照以上方法逐点按平面座标测得草坪的地形数值立体图，也就是草坪数字地形图。实际上并不需要去密集的测量所有点，仅需测量若干标法点后采用数字差分的方式，自动生成地形立体数字模型。
2、剪草机当前坐标测定原理。如图2所示，图2左侧的激光测距仪标杆相当于坐标原点，剪草机随时随地和坐标原点的相对距离是能够通过剪草机上的激光测距仪测出的，由于激光测距仪标杆的绝对坐标是已知的，剪草机随时随地和坐标原点的相对距离也是可以测算的，用坐标原点的测距仪标杆的绝对坐标加上剪草机和测距仪标杆的相对坐标，就是剪草机的绝对坐标。
3、建立实际剪草过程三维曲线模型原理。如图3所示，这个模型和本发明草坪数字地型图是重叠的，共享数据库。
A图是用户要求的二维平面剪草过程曲线。
B图是实际草坪地形图。
A图平面上的任何一点AA，相对草坪数字地形图上的一个座标点。因此BA曲线是一个剪草机将在草坪上实际运行的一条三维立体曲线。
这个数字过程把二维平面投射到三维立体图上去，所有相交点即形成二维的剪草机运行曲线。这条曲线复合实际草坪地形。
基于以上原理，本发明设计了一种利用激光测距和定位控制的无人剪草机。
一种利用激光测距和定位控制的无人剪草机，该无人剪草机全自动按用户设定的剪草过程完成剪草，该剪草机包括布设在剪草机顶部的激光测距仪、以及布设在剪草机内部的激光剪草控制系统；
该激光剪草控制系统设有用户设定剪草路线单元、建立草坪数字地形图单元、建立剪草过程数字模型单元、剪草机当前坐标测定单元、比较坐标误差单元、修正坐标误差单元、以及中央控制单元；所述草坪数字地形图单元用于建立草坪的三维数字地形图；所述剪草过程数字模型单元用于建立剪草过程三维曲线图、以及三维曲线图上每个时间点对应的三维坐标；所述剪草机当前坐标测定单元用于确定剪草机当前动态坐标；所述比较坐标误差单元根据剪草过程数字模型当前时间点坐标和剪草过程实际坐标进行坐标误差对比；所述修正误差单元以剪草过程数字模型当前时间点坐标为标准，对剪草机当前坐标进行校正；所述中央控制单元对上述各个单元分别发送指令并接收它们的数据，从而指令剪草机按照正确的方位工作。
补充说明：
1、平面描述：草坪可以是任意形状的X-Y平面图，如图12-1所示，草坪也可以是任意形状建立的座标图，如图12-2所示，利用矢量A的长度和α角度建立极坐标描述草坪形状，因此在座标内的草坪上任何一点的位置都是由直角坐标系或极坐标系来描述。
2、地形描述：对于面积相对较小的私人草坪和体育场草坪，以及小型公众草坪，地形的高低不平整不是影响草坪后草坪外观的重要因素，但对于像公园带有坡度或山坡的草坪，剪草机的运行速度受坡度影响，不同速度剪草将带来外观色泽平整的不同，因此要建立一个地形数字模型，控制剪草机以匀速工作。
3、激光测距仪：采用高精度市场商品，激光测距仪，具备测距和激光发射角记录设备、举力精度：0.01米/100米，角度：0.001度/180度。
这里的激光测距仪只是一个提供脉冲激光源的设备，不需要连续照射的设备，仅仅指示出激光照射的距离和发射角度。
4、控制方式：
激光测距仪不仅确定剪草机的位置，同时具备自动目标跟踪能力，原理十分简单，也不需要重新开发新设备，市场供应的产品一般都具备定位—跟踪能力，不同型号，不同级别的设备的差别只是作用距离和精度不同。
假设激光测定的原点在A点，B点是剪草机位置，B(XB,YB,ZB)激光测距仪安装在剪草机上部。当剪草机按程序运动Δ变化时(XΔ,YΔ,ZΔ)，将产生新的座标位置，这个变化数值会自动记录通知。剪草机上部的激光测距仪，由激光测距仪改变信号发射方向去跟踪A点，建立精确的B点的新坐标。根据新的座标和剪草程序已制定的剪草路线去确定剪草机正确的运动方向和运动数值。实施以上过程，剪草机将自动完成剪草任务。对于固定草地以上过程只是进行一次或几次。机载的简单的计算机将存储合理的经修正过的剪草过程。全自动操作剪草机工作。
6、自动导航：在形成草坪或草场的数字地形图以后，地图上任何一处的三向座标就是剪草机工作的航导图。当安装在剪草机上的激光测距仪确定了剪草机前所处的座标后，用这个座标和剪草路程上规定的座标进行比较。若发现有差别时，即由剪草机的运行机构指示剪草机运动回到数字地形图指示的座标位置，然后按剪草程序在此座标时规定的下一步方向去剪草。从此步骤去执行每一点的剪草机的运动，即可完成在某个草坪上的按用户设定的剪草路程完成一次完整的剪草过程。
7、适用情况：凡是采用电动或油机为动力，并且有运动控制功能的非人工的自动剪草机都可以安装本文所介绍的自动剪草导航设备。本全自动导航系统可以把运动信息，包括运动速度、运动方向等信息链接到剪草机的运动控制部分，指导剪草机的全部剪草过程。
在需要剪草的草坪边树立一支高度测量杆，测量杆上部固定由测量高度用激光测距仪，根据已经数字化的草坪平面图座标，逐点采用激光测距仪来测量各点的相对高度，形成一个三维的数字地形图。
以上整个的建立数字模型的过程是全自动的。自动的行程数字模型后，数控自动剪草机场根据不同剪刀机的性能编制自动剪草过程。用户也可以提供用户需要的剪草过程，由数控自动剪草机自动形成剪草过程。
所述建立草坪数字地形图单元如图7所示，所述建立草坪数字地形图单元包括草坪平面坐标模块、草坪高度测量点设置模块、草坪测量点立体坐标模块、数字差分模块；所述草坪高度测量点设置模块从草坪平面坐标模块选出若干个点作为草坪高度测量点；所述草坪测量点立体坐标模块将每个测量点高度的测量结果结合该点的平面坐标、构成草坪测量点立体坐标；所述数字差分单元将若干个草坪测量点立体坐标采用差分方法差自动生成草坪地形三维数字模型。
所述建立剪草过程数字模型单元如图8所示，包括建立剪草过程的实际三维曲线模型模块、预算完成当前三维剪草路线时间模块、设定等分时间间隔并计算等分数量模块、按照等分数量将剪草过程等分模块、计算剪草过程模型各个等分时间点坐标模块；所述预算完成当前三维剪草路线时间模块，根据剪草过程的实际三维曲线的总长度和剪草机的速度，预算完成当前三维剪草路线剪草时间。
所述剪草机当前坐标测定单元如图9所示，包括激光测量原点绝对坐标设定模块、剪草机和激光测量原点相对坐标、剪草机当前绝对坐标，所述激光测量原点绝对坐标存储激光测量原点的绝对坐标模块；所述剪草机和激光测量原点相对坐标模块用于计算剪草机和激光测量原点之间的相对坐标；所述剪草机当前坐标模块根据激光测量原点绝对坐标、剪草机和原点相对坐标计算出剪草机当前的绝对坐标。
所述比较坐标误差单元如图10所示，包括获取剪草机当前坐标模块、剪草过程数字模型当前时间点坐标模块、中央控制模块、比较坐标误差块；所述比较坐标误差模块对比剪草机当前坐标、剪草过程数字模型当前时间点坐标，这两种坐标的误差值。
所述的修正坐标误差单元如图11所示，包括：获取坐标误差单元模块、以及修正坐标误差模块，所述修正坐标误差模块以剪草过程数字模型当前时间点坐标为标准，修正剪草机当前坐标，并指令剪草机遵循正确的方向和位置。
建立所述草坪数字地形图、剪草过程数字模型以后，剪草机进行一到二次全程剪草，剪草机控制系统记录全部剪草过程，修正剪草过程数字模型，形成合理准确剪草过程，日常剪草按照剪草过程数字模型执行，没有用户新的剪草过程，无需更改剪草过程。
补充说明：
如图4、图5所示，在形成草坪或草场的数字地形图以后，地图上任何一处的三向座标就是剪草机工作的航导图。当安装在剪草机上的激光测距仪确定了剪草机当前所处的座标后，用这个座标和剪草过程数字模型上规定的座标进行比较。若发现有差别时，即由剪草机的运行机构指示剪草机运动回到剪草过程数字模型指示的座标位置，然后按剪草程序在此座标时规定的下一步方向去剪草。从此步骤去执行每一点的剪草机的运动，即可完成在某个草坪上的按用户设定的剪草路程完成一次完整的剪草过程。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围；应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用激光测距和定位控制的无人剪草机，该无人剪草机全自动按用户设定的剪草过程完成剪草，其特征在于：该剪草机包括布设在剪草机顶部的激光测距仪、以及布设在剪草机内部的激光剪草控制系统；
该激光剪草控制系统设有用户设定剪草路线单元、建立草坪数字地形图单元、建立剪草过程数字模型单元、剪草机当前坐标测定单元、比较坐标误差单元、修正坐标误差单元、以及中央控制单元；所述草坪数字地形图单元用于建立草坪的三维数字地形图；所述剪草过程数字模型单元用于建立剪草过程三维曲线图、以及三维曲线图上每个时间点对应的三维坐标；所述剪草机当前坐标测定单元用于确定剪草机当前动态坐标；所述比较坐标误差单元根据剪草过程数字模型当前时间点坐标和剪草过程实际坐标进行坐标误差对比；所述修正误差单元以剪草过程数字模型当前时间点坐标为标准，对剪草机当前坐标进行校正；所述中央控制单元对上述各个单元分别发送指令并接收它们的数据，从而指令剪草机按照正确的方位工作。
2.根据权利要求1所述的一种利用激光测距和定位控制的无人剪草机，其特征在于：所述建立草坪数字地形图单元包括草坪平面坐标模块、草坪高度测量点设置模块、草坪测量点立体坐标模块、数字差分模块；所述草坪高度测量点设置模块从草坪平面坐标模块选出若干个点作为草坪高度测量点；所述草坪测量点立体坐标模块将每个测量点高度的测量结果结合该点的平面坐标、构成草坪测量点立体坐标；所述数字差分单元将若干个草坪测量点立体坐标采用差分方法差自动生成草坪地形三维数字模型。
3.根据权利要求1所述的一种利用激光测距和定位控制的无人剪草机，其特征在于：所述建立剪草过程数字模型单元包括建立剪草过程的实际三维曲线模型模块、预算完成当前三维剪草路线时间模块、设定等分时间间隔并计算等分数量模块、按照等分数量将剪草过程等分模块、计算剪草过程模型各个等分时间点坐标模块；所述预算完成当前三维剪草路线时间模块，根据剪草过程的实际三维曲线的总长度和剪草机的速度，预算完成当前三维剪草路线剪草时间。
4.根据权利要求1所述的一种利用激光测距和定位控制的无人剪草机，其特征在于：所述剪草机当前坐标测定单元包括激光测量原点绝对坐标设定模块、剪草机和激光测量原点相对坐标、剪草机当前绝对坐标，所述激光测量原点绝对坐标存储激光测量原点的绝对坐标模块；所述剪草机和激光测量原点相对坐标模块用于计算剪草机和激光测量原点之间的相对坐标；所述剪草机当前坐标模块根据激光测量原点绝对坐标、剪草机和原点相对坐标计算出剪草机当前的绝对坐标。
5.根据权利要求1所述的一种利用激光测距和定位控制的无人剪草机，其特征在于：所述比较坐标误差单元包括获取剪草机当前坐标模块、剪草过程数字模型当前时间点坐标模块、中央控制模块、比较坐标误差块；所述比较坐标误差模块对比剪草机当前坐标、剪草过程数字模型当前时间点坐标，这两种坐标的误差值。
6.根据权利要求1所述的一种利用激光测距和定位控制的无人剪草机，其特征在于：所述的修正坐标误差单元包括：获取坐标误差单元模块、以及修正坐标误差模块，所述修正坐标误差模块以剪草过程数字模型当前时间点坐标为标准，修正剪草机当前坐标，并指令剪草机遵循正确的方向和位置。
7.根据权利要求1所述的一种利用激光测距和定位控制的无人剪草机，其特征在于：建立所述草坪数字地形图、剪草过程数字模型以后，剪草机进行一到二次全程剪草，剪草机控制系统记录全部剪草过程，修正剪草过程数字模型，形成合理准确剪草过程，日常剪草按照剪草过程数字模型执行，没有用户新的剪草过程，无需更改剪草过程。
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