ES2320023T3 - Procedimiento para el analisis de superficies de suelo y robot de mantenimiento de cesped para poner en practica el procedimiento. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para el análisis de la superficie de suelo para robots cortacésped según el cual la superficie de suelo en la zona a tratar se escanea respecto a su reflectancia mediante el propio movimiento de avance de un dispositivo de medición equipado con un diodo de infrarrojo y un sensor de infrarrojo a fin de llevar a cabo un análisis de la superficie de suelo y para especificar una superficie de trabajo definida para el robot cortacésped, caracterizado porque mediante un sensor de distancia se detectan desviaciones de una distancia nominal predeterminada entre el dispositivo de medición y el suelo y porque el valor de reflectancia se corrige conforme a la distancia real.

Description

Procedimiento para el análisis de superficies de suelo y robot de mantenimiento de césped para poner en práctica el procedimiento.

Robots de servicio se usan desde hace tiempo también en el ámbito doméstico. En particular robots para la aspiración de polvo y para cortar el césped tienen cada vez mayor aceptación. El problema principal de robots autónomos móviles de este tipo es la implementación de un dispositivo de navegación adaptado a la función de estos robots.

Mientras que robots de aspiración de polvo se mantienen debido a la limitación de las viviendas en su zona de actividad con ayuda de sensores especiales para la detección de límites fijos como paredes, para robots de mantenimiento de césped aún no está solucionado de manera satisfactoria el problema de la limitación de la superficie de trabajo en exteriores.

Se conocen robots para cortar el césped mantenidos en su superficie de trabajo mediante bucles de inducción. Debido a que la instalación de bucles de inducción alrededor de las superficies de césped a cortar requiere un volumen de trabajo considerable, existen algunos desarrollos que facilitan un uso autónomo de robots móviles también sin bucles de inducción.

Debido a que superficies de suelo con una capa de hierba presentan ciertas propiedades características, es natural usarlas para una detección de superficies de césped. Existen distintos dispositivos de medición que detectan estas características mayoritariamente ópticas y facilitan una detección de césped mediante un procedimiento de análisis de superficies de suelo. Mediante este análisis se especifica para el robot una superficie de trabajo definida, rodeada por límites virtuales como la transición a losas de piedra, bancales, arena, tierra y similares. La superficie de césped está rodeada por un límite detectable mediante el robot, por lo que el césped se convierte en una superficie de trabajo automáticamente detectada.

Una gran ventaja consiste en que estos robots son apropiados también para el uso en alquiler en comunidades o jardines, ya que se pueden transportar sin problema a otras superficies de césped y se adaptan automáticamente sin medidas de preparación a nuevos entornos. Asimismo, son apropiados para el uso en grandes superficies en instalaciones de golf y en parques donde el uso de bucles de inducción y de medios auxiliares similares no es practicable.

Un cortacésped autopropulsado con un dispositivo de medición con cámara y escáner de láser se conoce por el documento DE 103 27 223 A1. Son desventajosos en este caso los gastos elevados para los sensores complicados y el hardware requerido para el procesamiento de datos. Bajo el aspecto de seguridad de un equipo de consumo parece problemático también el uso de un láser abierto.

Otro método de solución para mantener un robot en su campo de trabajo en superficies de césped está basado en el análisis del espectro luminoso en la gama de infrarrojos cercanos. Se aprovecha el comportamiento particular de reflexión de luz a partir de una longitud de onda de 700 nm. Por encima del borde de reflexión característico originado por la clorofila contenida en la hierba, denominado como "Red Edge", se muestra un comportamiento de reflexión particularmente intenso.

En el documento DE 199 32 552 C2 se describe un cortacésped autopropulsado con un dispositivo de medición activo de infrarrojo para el análisis del espectro de luz infrarroja reflejado por el suelo. En esta realización, el proceso de medición se lleva a cabo a corta distancia debajo del cortacésped y delante del mecanismo de corte. Este procedimiento puede provocar situaciones peligrosas en el caso de límites críticos del césped, como por ejemplo bordes en declive, bordes de estanques de jardín y similares a causa del tiempo de reacción corto motivado por la velocidad de marcha y la distancia entre la superficie de medición y la rueda delantera o el mecanismo de corte, respectivamente. Debido a la distancia corta entre la superficie de medición y el mecanismo de corte no puede llevarse a cabo una discriminación entre huecos en el césped y el borde del césped. El robot cortacésped puede usarse por lo tanto únicamente en césped bien cuidado.

La invención parte conforme al preámbulo de la reivindicación 1 de un procedimiento que se da a conocer en el documento DE-A-19 325 52 según el cual la superficie de suelo en la zona a tratar se escanea respecto a su reflexión por el propio movimiento de avance mediante un diodo de infrarrojo y sensores de infrarrojo.

El objetivo de la invención consiste en crear un procedimiento y un dispositivo para el análisis de superficies de suelo en los cuales están combinadas las ventajas de la técnica previsora de escaneado con láser y las ventajas de la medición de la reflectancia de luz infrarroja prescindiendo de fuentes de luz de láser, garantizándose una evaluación fiable de los valores de reflexión.

Este objetivo se consigue con respecto al procedimiento con las características de la parte caracterizante de la reivindicación 1, así como con un robot cortacésped con las características caracterizantes de la reivindicación 7.

Con el uso del sensor de distancia se detectan variaciones de la distancia básicamente especificada entre el dispositivo de medición y el suelo para poder evaluar de esta manera correctamente los valores de reflexión obtenidos. De este modo se crea también la posibilidad de explorar el suelo a una distancia relativamente grande delante del cortacésped, ya que conforme a la invención se compensan incluso variaciones relativamente grandes de la distancia originadas por movimientos de vuelco.

Configuraciones del procedimiento según la invención se desprenden de las reivindicaciones dependientes 2 a 6 y configuraciones del robot cortacésped se caracterizan en las reivindicaciones 8 y 9.

El dispositivo de medición conforme a la invención está agrupado en un cabezal de medición de infrarrojo con una óptica de emisión y de recepción antepuesta que se compone de una unidad de evaluación como un microprocesador o similar, un fotodiodo de infrarrojo, un conjunto ordenado fotográfico de infrarrojo y un diodo emisor de infrarrojo. El cabezal de medición dispuesto de forma inclinada emite luz infrarroja enfocada y modulada preferentemente desde el lado superior del robot bajo un ángulo de aproximadamente 25 grados respecto a la horizontal a la zona de la superficie de suelo a tratar. Proyecta una superficie de medición con un diámetro de aproximadamente 2 cm sobre la superficie de césped o de suelo a una distancia de aproximadamente 30 cm delante de la parte frontal del robot. Una parte de la luz infrarroja se refleja aquí y se detecta mediante el fotodiodo de infrarrojo y el conjunto ordenado fotográfico de infrarrojo del cabezal de medición. Aprovechando el comportamiento particular de la reflexión de luz infrarroja por la biomasa contenida en el césped se mide la intensidad de reflexión mediante el fotodiodo de infrarrojo. Debido a ondulaciones u hondonadas del suelo o una vegetación variable, tal como una altura y posición de las hojas de la hierba del césped, varía la distancia entre la superficie de medición y el cabezal de medición durante el avance del robot. Para calcular la reflectancia de la superficie explorada mediante la superficie de medición es preciso conocer con exactitud suficiente la distancia entre la superficie explorada y el dispositivo de medición. Un sensor de distancia, compuesto de un conjunto ordenado fotográfico de infrarrojo y de una unidad de evaluación, determina permanentemente según el procedimiento de triangulación la distancia entre el cabezal de medición y la superficie de medición y actúa al mismo tiempo como sensor para la detección de peligros de colisión. La unidad de evaluación del cabezal de medición calcula a partir de la distancia y la reflexión un valor real que se asigna a los índices de reflexión de las superficies de suelo o de obstáculos, respectivamente, memorizados en esta unidad de evaluación. Para conseguir una resolución lo suficientemente alta, las superficies de medición se iluminan mediante un rayo de luz infrarroja fuertemente enfocado con un tamaño lo suficientemente pequeño. Para evitar la interferencia de luz extraña están implementados filtros de infrarrojo y una modulación de
la luz.

La invención comprende además un procedimiento para la evaluación de las características de la superficie de suelo según su reflectancia y estructura. Debido a que el pequeño detalle de la superficie de medición en la superficie de suelo no permite una información unívoca acerca de las condiciones de suelo delante del robot, el suelo se escanea en la dirección de marcha por el propio movimiento de avance. De esta línea de escaneado se forman continuamente valores de medición de los cuales se pueden determinar coordenadas bidimensionales como altura y longitud así como la reflectancia de la superficie y clasificar obstáculos rígidos, huecos en el suelo, bordes inclinados y similares. Estos datos se transmiten a la unidad de control de planificación de la trayectoria de marcha. Gracias a la distancia entre la parte frontal del robot y la superficie de medición, la unidad de control dispone siempre de un intervalo de tiempo lo suficientemente largo para reaccionar de manera adecuada ante las más diversas condiciones de entorno. De este modo se diferencia también entre un borde del césped y un hueco en el césped para evitar maniobras de desvío innecesarias.

Para un análisis de la superficie de suelo se requieren por lo menos dos líneas de escaneado, generadas mediante dos cabezales de medición dispuestos preferentemente a la izquierda y a la derecha encima de la parte frontal del robot que exploran el trayecto de desplazamiento delante de las vías de las ruedas motrices. Una tercera línea de escaneado o más líneas situadas entre aquellas generan una imagen espacial con mayor resolución de la zona a analizar.

Mediante los datos de la unidad de evaluación, un robot equipado como cortacésped puede diferenciar entre superficies de césped cortadas y no cortadas. Cuando las dos líneas de escaneado se comparan entre sí, la unidad de control puede suministrar a la planificación de trayecto de marcha datos para una circulación exacta a lo largo del borde de corte.

En otra realización, el cabezal de medición puede estar montado de forma móvil, por lo que el haz de luz infrarroja se desplaza durante la marcha con una determinada frecuencia de tal modo que se explora un ancho definido de la superficie de suelo delante del robot y debido al propio movimiento de marcha se obtiene una imagen continua de la estructura y reflectancia de la zona escaneada. De esta manera se ahorra por lo menos un cabezal de medición, pero se requiere un mecanismo de guía muy complejo.

Los robots cortacésped, que reciben su energía de una batería recargable, se usan típicamente con alta frecuencia de corte. Están concebidos la mayoría de las veces como cortacéspedes para cubrir el suelo con sustancia orgánica y, por lo tanto, sólo son condicionalmente apropiados para hierba alta. Pero ocasionalmente es necesario usarlos también con la hierba del césped crecida, por ejemplo después de un periodo de vacaciones o después de un periodo de mal tiempo. Para un funcionamiento autónomo es preciso que el sistema sensor previsor pueda diferenciar entre hojas bajas de arbustos o matas y hierba alta. Mediante la relación entre la intensidad reflejada y la distancia medida, que es conforme a la definición la reflectancia, las ramas sin hojas se clasifican por ejemplo como obstáculo. Por otro lado, las hojas a poca altura sobre el suelo de arbustos o matas no se perciben en primer lugar como obstáculos, igual que la hierba alta, debido a sus características de reflexión similares. Para conseguir la diferenciación necesaria, la hierba alta se dobla hacia delante durante un paso de segado por medio de la cubierta frontal del robot dispuesta delante de los módulos de medición. De esta manera se evita un tapado de los cabezales de medición y se impide una maniobra de desviación innecesaria. A diferencia de lo anteriormente expuesto, la cubierta frontal del robot penetra unos centímetros en el follaje de arbustos y matas que crecen en superficies de césped y cuyas hojas tienen características de reflexión similares a las de la hierba. Esto se registra mediante los sensores de distancia de los cabezales de medición y se activa una reacción de desviación. Flores, arbustos y matas en bancales no llegan a entrar en contacto con el robot, ya que las características de reflexión de las superficies de los bancales activan con anterioridad reacciones de desviación.

Mediante la comparación de los datos medidos y calculados con los índices de reflexión guardados se determina el índice de superficie foliar definido como la relación entre la superficie de hojas y la superficie de suelo. Mediante el índice de superficie foliar es posible llevar a cabo una evaluación del estado del césped en relación con un cartografiado automático de la superficie de césped con ayuda de GPS o sensores del campo magnético terrestre dentro de la unidad de control, o elaborar y evaluar mapas de la superficie de césped mediante radiocomunicación con un PC en el domicilio y un programa de ordenador correspondiente. Es posible llevar a cabo cálculos de la cantidad de abono requerida. Un robot equipado con un dispositivo apropiado puede usarse también como vehículo con navegación autónoma para la distribución selectiva de simientes o abonos. Debido a la medición permanente mediante los sensores durante la circulación, la cantidad aplicada puede adaptarse también de forma continua a la demanda real de la superficie parcial atravesada.

La invención se explica con referencia a un ejemplo de realización integrado en un robot cortacésped y a los dibujos.

Un robot cortacésped mostrado en las figuras (1 y 2) presenta en el lado frontal encima de la cubierta frontal (10) dos cabezales de medición IR (1) que proyectan en la superficie de césped o de suelo, respectivamente, en el trayecto de desplazamiento delante de las dos ruedas motrices (3) mediante dos rayos de luz infrarroja (4) dos líneas de escaneado (2) con dos superficies de medición (5) con una distancia de aproximadamente 30 a 40 cm delante de la parte frontal del robot cortacésped y un diámetro de aproximadamente 2 cm.

Los cabezales de medición de infrarrojos (1), compuestos de un fotodiodo de infrarrojo (6), de un diodo emisor de infrarrojo (7) y de un conjunto ordenado fotográfico de infrarrojo (8), están dispuestos de forma inclinada a una altura de aproximadamente 20 cm en la cubierta frontal y desplazados en aproximadamente 10 cm hacia atrás, por lo que forman un ángulo de radiación de aproximadamente 25º respecto a la horizontal.

Claims (9)

1. Procedimiento para el análisis de la superficie de suelo para robots cortacésped según el cual la superficie de suelo en la zona a tratar se escanea respecto a su reflectancia mediante el propio movimiento de avance de un dispositivo de medición equipado con un diodo de infrarrojo y un sensor de infrarrojo a fin de llevar a cabo un análisis de la superficie de suelo y para especificar una superficie de trabajo definida para el robot cortacésped, caracterizado porque mediante un sensor de distancia se detectan desviaciones de una distancia nominal predeterminada entre el dispositivo de medición y el suelo y porque el valor de reflectancia se corrige conforme a la distancia real.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque para el análisis de la superficie de suelo se prevén por lo menos dos líneas de escaneado que exploran el trayecto de marcha delante de las vías de las ruedas de accionamiento.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el dispositivo de medición se apoya de forma móvil de tal manera para el análisis de la superficie de suelo que el rayo de luz infrarroja se orienta en marcha de tal modo que la superficie de suelo se explora con un ancho definido delante del robot cortacésped.

4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el dispositivo de medición está dirigido del lado superior del robot cortacésped hacia delante a la superficie de suelo y efectúa además del análisis de césped una detección de peligros de colisión.

5. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4 caracterizado porque los rayos de medición están dirigidos hacia delante y hacia abajo con un ángulo de 10 a 80 grados, preferentemente con un ángulo de 25 grados.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2 caracterizado porque mediante valores de reflectancia diferentes se distingue entre césped cortado y no cortado, por lo que se consigue una marcha exacta a lo largo del borde de corte.

7. Robot cortacésped para poner en práctica el procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque está equipado con un dispositivo de medición (1) para la medición de distancia cuyos rayos de medición (4) están dirigidos de forma inclinada hacia delante y hacia abajo.

8. Robot cortacésped de acuerdo con la reivindicación 7 caracterizado porque un respectivo dispositivo de medición (1) dirige sus rayos de medición (4) hacia delante de las dos ruedas motrices.

9. Robot cortacésped de acuerdo con la reivindicación 7 caracterizado porque un dispositivo de medición (1) está apoyado de forma orientable de tal manera que explora con un ancho predeterminado el campo situado por delante.