CN114097400B - 基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人 - Google Patents

基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人，包括机体、设置于机体上的激光雷达和激光雷达高度自动调节装置、用于控制激光雷达高度自动调节装置的控制装置，所述机体上设置有用于保持激光雷达平衡状态的平衡装置。本发明通过在割草机器人上设置平衡装置，当割草机器人运动时，激光雷达不会因为俯仰角与滚动角运动导致晃动，因为无刷电机与配重的总重量大于激光雷达的重量，又因为激光雷达受到的作用点力直接作用在激光雷达的重心上，所以可以实现激光雷达始终平衡状态，解决了单线激光雷达在草坪环境中检测时无法实现平衡状态的问题，避免了因激光雷达误判障碍物位置而出现漏检或碰撞的情况。

Description

基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人
技术领域
本发明属于智能割草设备技术领域，具体涉及一种基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人。
背景技术
在校园草坪及别墅区草坪的日常维护中，利用割草机器人可以极大地提升工作效率，因此在国内外被广泛应用，但是割草机器人在花丛与树木较多环境下作业时，由于传感器的不稳定性易发生漏检及避障失效。为了降低割草机器人的漏检率及提高其避障能力，在其身上加装了高性能传感器的检测装置，并对割草机器人的稳定性展开了研究。然而，GPS只能在大面积范围且障碍物较少场地中使用，但很难在障碍物较多的场地中使用。因此，选用多线激光雷达可实现三维立体感知，但是经济成本较高，不适合用于家用割草机器人。
专利号为2021106606320的专利文献，公开了“一种基于单线激光雷达自动升降装置的家用割草机器人、系统以及建图方法”，其利用SLAM算法与2D激光雷达升降控制融合，实现了2D激光雷达高度的无极调节，提高了建立的二维栅格地图的精确度，解决了单线激光雷达不能实现多平面感知的问题，但是该方案在实际应用当中，存在的问题是，由于对单线激光雷达的位置稳定性没有准确保证，在凹凸不平的草坪中单线激光雷达受到颠簸容易出现晃动的情况，这样便极大的影响了检测效果。
所以，需要一个新的方案来解决这个问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的单线激光雷达在草坪环境中检测时无法实现平衡状态的问题，提供一种基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人，能够确保单线激光雷达在复杂环境的检测过程中能够保持水平平衡状态，从而保证了激光雷达的良好检测效果，家用割草机器人的使用效果得到了保障。
技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人，包括机体、设置于机体上的激光雷达和激光雷达高度自动调节装置、用于控制激光雷达高度自动调节装置的控制装置，所述机体上设置有用于保持激光雷达平衡状态的平衡装置。
进一步地，所述平衡装置包括无刷电机、电机驱动板和导管组件，所述导管组件连接在机体的雷达架上，所述激光雷达和电机驱动板设置于导管组件上，所述无刷电机位于激光雷达的正下方，所述电机驱动板连接着无刷电机用于控制无刷电机转动，所述无刷电机上设置有若干扇叶，所述无刷电机用于实现扇叶的匀速旋转，扇叶的匀速旋转是为了使激光雷达达到平衡状态。
进一步地，所述导管组件包括第一导管、第二导管、两个第三导管、两个第四导管、两个第五导管、第六导管，第一导管的两端设置有第一轴承和第二轴承，第一导管通过第一轴承连接着连接头，通过第二轴承连接着第二导管，第二导管通过两个第三轴承分别连接着两个第三导管，第四导管通过第四轴承和第五轴承分别连接着第三导管和第五导管，第六导管通过两个第六轴承分别连接着两个第五导管，电机驱动板设置于第二导管上，激光雷达通过连接座设置于第六导管上，无刷电机设置于第六导管底部位于激光雷达的正下方处。
进一步地，所述导管下方设置有用于确定激光雷达重心位置的配重，所述配重与无刷电机的重量和大于激光雷达的重量，当力量作用在系统重心上的时候，因为惯性力的关系，系统不会晃动。
所述激光雷达重心位置的确定方法为：激光雷达的重心采用悬挂法来确定，具体方法是先在上端面取A点把激光雷达悬挂起来，物体静止时，据二力平衡，物体所受的重力与悬绳的拉力在同一竖直线上，所以物体的重心一定在通过A点的竖直线AB上.然后在侧面取C点把物体再悬挂一次，同理可知，物体的重心一定在通过C点的竖直线CD上，AB和CD的交点0，就是激光雷达重心的位置。
进一步地，所述激光雷达固定在导管俯仰角的正方向。
进一步地，所述激光雷达和无刷电机纵向同轴设置。
进一步地，所述电机驱动板用胶水粘贴在导管组件上。
进一步地，所述配重包括两个配重块，两个配重块基于激光雷达对称设置，导管组件下方设置有与两个配重块分别匹配的两个凹槽，两个配重块分别安装于两个凹槽内。
进一步地，所述导管组件通过螺纹配合连接在机体的雷达架上。
本发明中当割草机器人在草坪中行驶时，车轮受到凹凸不平影响时发生倾斜与抖动，此时激光雷达安置在平衡装置上可以始终实现水平状态，防止了激光雷达在检测过程中发生晃动，实现激光雷达的有效检测，并利用SLAM算法实时建立精确地栅格地图。
有益效果：本发明与现有技术相比，根据“陀螺仪”的原理设计了一种平衡装置，并且将此平衡装置设置于割草机器人上，当割草机器人运动时，激光雷达不会因为俯仰角与滚动角运动导致晃动，因为无刷电机与配重的总重量大于激光雷达的重量，激光雷达的重力为重心位置垂直向下，又因为下方导管、无刷电机与配重总的反作用力直接作用在激光雷达的重心上，所以可以实现激光雷达始终平衡状态，解决了单线激光雷达在草坪环境中检测时无法实现平衡状态的问题，避免了因激光雷达误判障碍物位置而出现漏检或碰撞的情况，从而保证了激光雷达的良好检测效果，家用割草机器人的使用效果得到了保障。
附图说明
图1为基于平衡2D激光雷达装置的割草机器人总装图；
图2为平衡装置的内部结构图；
图3为平衡装置的结构装配图；
图4为控制系统硬件构成流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明提供一种基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人，包括机体1、设置于机体1上的激光雷达3和激光雷达高度自动调节装置5、用于控制激光雷达高度自动调节装置5的控制装置6，激光雷达高度自动调节装置5包括雷达架4，括雷达架4上设置有连接头41，平衡装置2连接在连接头41上，激光雷达3设置于平衡装置2上，平衡装置2用于保持激光雷达3处于水平平衡状态。
如图2和图3所示，平衡装置2包括无刷电机9、电机驱动板7和导管组件，导管组件包括第一导管21、第二导管22、两个第三导管23、两个第四导管24、两个第五导管25、第六导管26，第一导管21的两端设置有第一轴承31和第二轴承32，第一导管21通过第一轴承31采用螺纹配合的方式连接着连接头41，通过第二轴承32连接着第二导管22，第二导管22通过两个第三轴承33分别连接着两个第三导管23，第四导管24通过第四轴承34和第五轴承35分别连接着第三导管23和第五导管25，第六导管26通过两个第六轴承36分别连接着两个第五导管25，电机驱动板7通过胶水粘贴设置于第二导管22上，激光雷达3通过连接基座8设置于第六导管26上，激光雷达3固定在导管俯仰角的正方向，无刷电机9设置于第六导管26底部位于激光雷达3的正下方处，且激光雷达3和无刷电机9纵向同轴设置，无刷电机9上设置有若干扇叶10，电机驱动板7连接着无刷电机9用于控制无刷电机9转动，第六导管26底部还设置有两个配重块11，两个配重块11基于激光雷达3对称设置，第六导管26底部设置有与两个配重块11分别匹配的两个凹槽12，两个配重块11通过螺母和螺杆分别安装于两个凹槽12内，两个配重11与无刷电机9的重量和大于激光雷达3的重量。
上述平衡装置2的结构中，由于多个导管和多个轴承的组合连接关系，使得导管组件具备了俯仰(pitch)和滚动(roll)运动方式，家用割草机器人在移动的过程中，由于两个配重11与无刷电机9的重量和大于激光雷达3的重量，导致激光雷达3受到的作用点力直接作用在激光雷达3的重心上，所以即使导管组件发生俯仰角与滚动角运动，激光雷达3也能够始终保持水平平衡状态，不会因为俯仰角与滚动角运动导致晃动，从而解决了激光雷达3在检测过程中一直存在的晃动问题，提升了激光雷达3的检测效果。
本实施例中激光雷达3重心位置的确定方法为：激光雷达3的重心采用悬挂法来确定，具体方法是先在上端面取A点把激光雷达悬挂起来，物体静止时，据二力平衡，物体所受的重力与悬绳的拉力在同一竖直线上，所以物体的重心一定在通过A点的竖直线AB上.然后在侧面取C点把物体再悬挂一次，同理可知，物体的重心一定在通过C点的竖直线CD上，AB和CD的交点0，就是激光雷达重心的位置。
本实施例还提供一种基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人控制系统，参照图4，该系统包括供电模块、2D激光雷达(2D-laser)采集模块、中央处理单元(JetsonNano)、SLAM算法模块、2D激光雷达平衡装置和下位机(STM32)，2D-laser采集模块用于采集割草机器人前方障碍物情况，并且将采集的信息传递给JetsonNano，Jetson Nano通过SLAM算法进行算法计算判定，STM32控制电机控制板，控制2D激光雷达平衡装置是否变化，通过2D激光雷达平衡装置使得2D激光雷达能够在检测过程当中保持水平平衡状态，不会发生晃动，保证了2D激光雷达的检测效果，从而建立精确的栅格地图。
本实施例还提供一种家用割草机器人建图方法，包括如下步骤：
S1：启动割草机器人控制节点、建图节点；
S2：实时获取割草机器人附近草坪环境，建立初步的二维栅格地图；
二维栅格地图的建立方式为：以割草机器人主体为基点，获取割草机器人主体前方障碍物的点云信息，从而判断障碍物在草坪环境中的位置。
S3：割草机器人在移动的过程中，激光雷达在激光雷达高度自动调节装置的作用下，沿着滑轨做上下移动，当割草机器人前进到花丛高度低于或高于激光雷达设定高度时，启动控制代码调节激光雷达高度，直到可以检测到障碍物位置时停止调节；
“启动控制代码调节激光雷达高度”的前进方向会根据障碍物的高度实时调整，以使得割草机器人降低漏检率。
割草机器人在凹凸不平的草坪上移动的过程中，由于平衡装置2的作用，激光雷达3能够保持水平平衡状态；
S4：沿着当前方向前进，直到遇到不规则的花丛时，返回步骤S3；
S5：沿着当前方向前进，前进过程中若没有遇到不规则花丛时，通过导航算法实现割草机器人自主建图，并且遇到障碍物能及时避让，直到建立精确地二维栅格地图。
本实施例中SLAM算法对草坪环境建立二维栅格地图的过程为：根据2D激光雷达的激光数据，利用运动模型、观测模型等模型提取出障碍物区域，并通过算法计算出障碍物(花丛)的高度，对所提取的障碍物(花丛)的高度进行区分，分为以下3种情况：①LAB＞C；②A≤LAB≤C；③LAB<A，如果是情况①和③，直接建立精确的二维栅格地图；如果是情况②，要先计算出2D激光雷达与障碍物(花丛)之间的差值Δe，计算公式如下：Δe＝C-LAB,然后，确定伸缩量ΔL(10mm用于调解时存在必要误差)，根据伸缩量ΔL驱动2D激光雷达上下移动，改变2D激光雷达的高度，建立精确的二维栅格地图。

Claims (8)

1.基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人，包括机体、设置于机体上的激光雷达和激光雷达高度自动调节装置、用于控制激光雷达高度自动调节装置的控制装置，其特征在于，所述机体上设置有用于保持激光雷达平衡状态的平衡装置；
所述平衡装置包括无刷电机、电机驱动板和导管组件，所述导管组件连接在机体的雷达架上，所述激光雷达和电机驱动板设置于导管组件上，所述无刷电机位于激光雷达的正下方，所述电机驱动板连接着无刷电机用于控制无刷电机转动，所述无刷电机上设置有扇叶，所述无刷电机用于实现扇叶的匀速旋转；
所述导管组件包括第一导管、第二导管、两个第三导管、两个第四导管、两个第五导管、第六导管，第一导管的两端设置有第一轴承和第二轴承，第一导管通过第一轴承连接着连接头，通过第二轴承连接着第二导管，第二导管通过两个第三轴承分别连接着两个第三导管，第四导管通过第四轴承和第五轴承分别连接着第三导管和第五导管，第六导管通过两个第六轴承分别连接着两个第五导管，电机驱动板设置于第二导管上，激光雷达通过连接座设置于第六导管上，无刷电机设置于第六导管底部位于激光雷达的正下方处。
2.根据权利要求1所述的基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人，其特征在于，所述导管组件下方设置有用于确定激光雷达重心位置的配重，所述配重与无刷电机的重量和大于激光雷达的重量。
3.根据权利要求1所述的基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人，其特征在于，所述激光雷达固定在导管俯仰角的正方向。
4.根据权利要求1所述的基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人，其特征在于，所述激光雷达和无刷电机纵向同轴设置。
5.根据权利要求2所述的基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人，其特征在于，所述配重包括两个配重块，两个配重块基于激光雷达对称设置，导管组件下方设置有与两个配重块分别匹配的两个凹槽，两个配重块分别安装于两个凹槽内。
6.根据权利要求1所述的基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人，其特征在于，所述导管组件通过螺纹配合连接在机体的雷达架上。
7.根据权利要求1所述的基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人，其特征在于，所述电机驱动板用胶水粘贴在导管组件上。
8.根据权利要求2所述的基于单线激光雷达平衡装置的家用割草机器人，其特征在于，所述激光雷达重心位置的确定方法为：激光雷达的重心采用悬挂法来确定，具体方法是先在上端面取A点把激光雷达悬挂起来，物体静止时，据二力平衡，物体所受的重力与悬绳的拉力在同一竖直线上，所以物体的重心一定在通过A点的竖直线AB上，然后在侧面取C点把物体再悬挂一次，同理可知，物体的重心一定在通过C点的竖直线CD上，AB和CD的交点O，就是激光雷达重心的位置。
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