TW201426233A - 自主性移動載具動態定位和邊界偵測系統 - Google Patents

Abstract

一種自主性移動載具動態定位和邊界偵測系統，其包括有：一載具包含有一控制單元、一驅動單元、一訊號單元及一計算單元，該訊號單元處環狀設置有複數個定位接收器，一邊界系統包含至少有三個以上之偵測柱，並由偵測柱圍繞插設於載具四周，透過最接近載具之兩個相鄰偵測柱形成三角形區域，該載具能透過三角形區域之夾角準確的得知載具是否接近路徑邊界，並利用動態坐標讓控制單元能自動修正載具之預設路徑，且於三角形區域內其一夾角為1度至10度區間時，判定載具接近路徑邊界而必需轉向，俾以限制載具於邊界系統內進行自主性作業。

Description

自主性移動載具動態定位和邊界偵測系統

本發明係有關於一種邊界偵測系統，尤指一種利用無線訊號與三角函數運算之自主性移動載具動態定位和邊界偵測系統。

按，習知之一種自動化區域偵測之割草機結構，如美國專利US6885912 B2一案「AREA COVERAGE WITH AN AUTONOMOUS ROBOT」，其主要揭露有一割草機能自動行駛於割草區域，並於碰撞障礙物時自動進行閃避，而該無障礙物之外圈邊界處，能利用地釘將電線固定圈繞於割草機四周，進而形成區域邊界，當割草機接近該電線時，該割草機接收到一電磁感應，使割草機判定碰觸區域邊界，進而自動控制割草機改變行駛方向，即達到自主性割草作業之目的，然而，詳觀上述習知結構不難發覺其尚存有些許不足之處，主要原因係歸如下：

(一)、該割草機僅透過程式進行預定路徑之行駛，當路徑上有高低不平時，該割草機容易偏離預定路徑，更會隨著徑駛距離的增加而疊積偏移量，造成無法達到預期之割草效果，明顯有實用性不足之缺失。

(二)、該割草機於接近邊界時，是透過電線產生電磁感應，才能判定割草機位置，若該區域邊界內存在有其它帶電設備，將會導致割草機之誤判，或者電線有一處斷路或短路時，該邊界將完全失去功能，並存在有不易排除故障之問題。

(三)、該區域邊界是利用電線與地釘所圈繞而成，當需要改變區域邊界時，該電線需要全部抽回並重新進行圈繞，若欲透過接線方式改變其區域邊界，將會提高漏電與斷線之可能性，因此有便利性不足之缺失。

有鑑於此，本發明人於多年從事相關產品之製造開發與設計經驗，針對上述之目標，詳加設計與審慎評估後，終得一確具實用性之本發明。

本發明所欲解決之技術問題在於針對現有技術存在的上述缺失，提供一種自主性移動載具動態定位和邊界偵測系統。

一載具包含有一控制單元、一驅動單元、一訊號單元及一計算單元，該控制單元以預設路徑控制驅動單元，使載具能自主性移動，該訊號單元呈一柱狀延伸於載具頂端，並於訊號單元處環狀設置有複數個定位接收器，又該定位接收器接收無線訊號經由計算單元運算，再由計算單元傳輸至控制單元，另該載具之訊號單元於定位接收器頂端蓋設有一弧形罩，並由弧形罩阻隔陽光直射定位接收器，藉以穩定接收邊界系統端之無線訊號，一邊界系統包含至少有三個以上之偵測柱，並由偵測柱圍繞插設於載具四周，該偵測柱皆設有一邊界發射器、一邊界接收器及一定位發射器，又該每一偵測柱皆以邊界發射器發射無線訊號至相鄰一側的偵測柱邊界接收器而構成載具之路徑邊界，並由定位發射器發射無線訊號至載具的定位接收器，透過最接近載具之兩個相鄰偵測 柱形成三角形區域，並以載具能透過三角形區域之夾角準確的得知載具是否接近路徑邊界。

其中，該偵測柱之定位發射器包含有一馬達、一雷射筆及一電位計，由該馬達轉動雷射筆對準載具之定位接收器，並以電位計取得電射筆之位置，藉此得知三角形區域內之夾角，又該電射筆係固定於一旋轉平台上，且該旋轉平台軸設於偵測柱頂端，且該馬達齒合有一齒輪組，並透過齒輪組轉動該旋轉平台，使雷射筆能穩定的進行角度變化，另該旋轉平台底端裝設有至少一極限開關，由極限開關限制旋轉平台能轉動之最大角度，藉此讓雷射筆保持指向邊界內。

本發明的主要目的在於，該載具係裝設有訊號單元與計算單元，且該載具之外圍插設有邊界系統之偵測柱，又該偵測柱以定位發射器發射無線訊號至載具之定位接收器，並透過最接近載具之兩處偵測柱形成三角形區域，藉由計算單元運算得知載具之動態坐標，應用動態坐標自主修正載具之預設路徑，藉此準確的調整行駛方向與閃避障礙物，俾以提高其實用性。

本發明的次要目的在於，該偵測柱以定位發射器發射無線訊號至載具之定位接收器，並透過最接近載具之兩處偵測柱形成三角形區域，該載具能透過三角形區域之夾角準確的得知載具是否接近路徑邊界，當夾角小於設定值時，判定載具接近路徑邊界而必需轉向，即能限制載具於邊界系統內進行自主性作業，若當部份偵測柱故障時，該偵測柱將自動與鄰近之偵測柱相連結，使邊 界系統仍可持續使用，俾以提高其耐用性。

本發明的另一目的在於，該邊界系統係應用至少三個偵測柱插設於載具四周，藉以形成路徑邊界，當需要改變路徑邊界時，僅需要增加或減少偵測柱數量，並局部進行偵測柱位置調整，即能快速變更載具之作業區域，俾以提高其便利性。

其他目的、優點和本發明的新穎特性將從以下詳細的描述與相關的附圖更加顯明。

為使 貴審查委員對本發明之目的、特徵及功效能夠有更進一步之瞭解與認識，以下茲請配合【圖式簡單說明】詳述如后：先請由第1圖連續至第4圖所示觀之，一種自主性移動載具動態定位和邊界偵測系統，其包括有：一載具(10)及一邊界系統(20)，一載具(10)包含有一控制單元(11)、一驅動單元(12)、一訊號單元(13)及一計算單元(14)，該控制單元(11)以預設路徑(a1)控制驅動單元(12)，使載具(10)能自主性移動，該訊號單元(13)呈一柱狀延伸於載具(10)頂端，並於訊號單元(13)處環狀設置有複數個定位接收器(131)，又該定位接收器(131)接收無線訊號經由計算單元(14)運算，再由計算單元(14)傳輸至控制單元(11)，另該載具(10)之訊號單元(13)於定位接收器(131)頂端蓋設有一弧形罩(132)，並由弧形罩(132)阻隔陽光直射定位接收器(131)，藉以穩定接收邊界系統(20)端之無線訊號，一邊界系統(20)包含至少有三個以上之偵測柱(21)，並由偵測柱(21)圍繞插設於載具 (10)四周，該偵測柱(21)皆設有一邊界發射器(211)、一邊界接收器(212)及一定位發射器(22)，又該每一偵測柱(21)皆以邊界發射器(211)發射無線訊號至相鄰一側的偵測柱(21)邊界接收器(212)而構成載具(10)之路徑邊界(a2)，並由定位發射器(22)發射無線訊號至載具(10)的定位接收器(131)，透過最接近載具(10)之兩個相鄰偵測柱(21)形成三角形區域，並以載具(10)的計算單元(14)運算兩個相鄰偵測柱(21)至載具(10)的距離，進而取得載具(10)之動態坐標(x,y)(配合第5圖所示)，利用動態坐標(x,y)讓控制單元(11)能自動修正載具(10)之預設路徑(a1)，且於三角形區域內其一夾角(θ 1)(θ 2)為1度至10度區間時，判定載具(10)接近路徑邊界(a2)而必需轉向，俾以限制載具(10)於邊界系統(20)內進行自主性作業。

其實際應用之情況，再請由第1、2、3、4圖所示觀之，本發明係能應用於一種自動割草作業，首先將邊界系統(20)之偵測柱(21)依序插設於割草區域的外圍，並根據割草區域的外圍曲度調整相鄰偵測柱(21)之間的距離，令偵測柱(21)之邊界發射器(211)能發射無線訊號至相鄰的另一偵測柱(21)，藉此於割草區域形成路徑邊界(a2)，再將具割草功能之載具(10)置放於該邊界系統(20)內，使偵測柱(21)圍繞於載具(10)四周，此時載具(10)由控制單元(11)執行預設路徑(a1)，讓驅動單元(12)產生自主性移動，即能達到自動割草之使用效果，又該偵測柱(21)之定位發射器(22)皆發射無線訊號至載具(10)的定位接收器(131)，由偵測柱 (21)與載具(10)之相對距離判定，最接近載具(10)之兩個相鄰偵測柱(21)形成三角形區域，透過計算單元(14)以三角函數運算法得知兩個相鄰偵測柱(21)至載具(10)的距離，進而取得載具(10)之動態坐標(x,y)(配合第5圖所示)，由動態坐標(x,y)之變化能判斷載具(10)是否行駛於所設定之預設路徑(a1)上，讓控制單元(11)能自動修正載具(10)之行駛路徑，藉此消除地面高低不平對載具(10)路徑之影響，又當割草過程中該動態坐標(x,y)停止變化時，即能判定載具(10)碰撞其它障礙物，並由控制單元(11)改變預設路徑(a1)進行閃避，另一方面，該載具(10)能透過三角形區域之夾角(θ 1)(θ 2)(配合第5圖所示)準確的得知載具(10)是否接近路徑邊界(a2)，此時能設定夾角(θ 1)(θ 2)為1度至10度區間時，判定載具(10)接近路徑邊界(a2)而必需轉向，即能限制載具(10)於邊界系統(20)內進行自主性作業，其中，該偵測柱(21)之定位發射器(22)包含有一馬達(221)、一雷射筆(222)及一電位計(223)，由該馬達(221)轉動雷射筆(222)對準載具(10)之定位接收器(131)，並以電位計(223)取得電射筆(222)之位置，藉此得知三角形區域內之夾角(θ 1)(θ 2)，又該電射筆(222)係固定於一旋轉平台(224)上，且該旋轉平台(224)軸設於偵測柱(21)頂端，且該馬達(221)齒合有一齒輪組(225)，並透過齒輪組(225)轉動該旋轉平台(224)，使雷射筆(222)能穩定的進行角度變化，另該旋轉平台(224)底端裝設有至少一極限開關(226)，由極限開關(226)限制旋轉平台(224)能轉動之最大角度，藉此讓雷射筆(222)保持指 向邊界內。

再進一步說明，其計算單元(14)之運算方法，續請由第1圖連續至第5圖所示，當載具(10)位於兩偵測柱(21)之間時，該載具(10)之動態坐標為(x,y)，最接近載具(10)之兩個偵測柱(21)為A點與B點，設定A點為座標(0,0)位置，由A點至B點為邊線L，A點至動態坐標(x,y)為距離L1，B點至動態坐標(x,y)為距離L2，且該邊線L與距離L1構成有夾角θ 1，而該邊線L與距離L2構成有夾角θ 2，其中，該邊線L、夾角θ 1、夾角θ 2及A點座標皆為已知條件，該邊線L於安裝兩相鄰偵測柱(21)時即能量測之間的距離，而該夾角θ 1、夾角θ 2是由定位發射器(22)之馬達(221)帶動雷射筆(222)轉動而讀取電位計(223)所得知，經由三角函數之直角坐標系取得下述兩運算公式：L1．Sin θ 1=L2．Sin θ 2

L1．Cos θ 1+L2．Cos θ 2=L

透過運算公式能求得距離L1及距離L2，即能推算動態坐標(x,y)=〔L1．Cos θ 1,L1．Sin θ 1〕；同理，再請配合第6圖所示，當載具(10)兩偵測柱(21)一側時，該運算公式為：L1．Sin θ 1=L2．Sin θ 2

L1．Cos θ 1-L2．Cos θ 2=L

載具(10)之動態坐標(x,y)=〔(L+L2．Cos θ 2),L2．Sin θ 2〕

再請配合第7圖所示，該運算公式為： L1．Sin θ 1=L2．Sin θ 2

-L1．Cos θ 1-L2．Cos θ 2=L

載具(10)之動態坐標(x,y)=〔-L1．Cos θ 1,L1．Sin θ 1〕。

藉上述具體實施例之結構，可得到下述之效益：(一)該載具(10)係裝設有訊號單元(13)與計算單元(14)，且該載具(10)之外圍插設有邊界系統(20)之偵測柱(21)，又該偵測柱(21)以定位發射器(22)發射無線訊號至載具(10)之定位接收器(131)，並透過最接近載具(10)之兩處偵測柱(21)形成三角形區域，藉由計算單元(14)運算得知載具(10)之動態坐標(x,y)，應用動態坐標(x,y)自主修正載具(10)之預設路徑(a1)，藉此準確的調整行駛方向與閃避障礙物，俾以提高其實用性；(二)該偵測柱(21)以定位發射器(22)發射無線訊號至載具(10)之定位接收器(131)，並透過最接近載具(10)之兩處偵測柱(21)形成三角形區域，該載具(10)能透過三角形區域之夾角(θ 1)(θ 2)準確的得知載具(10)是否接近路徑邊界(a2)，當夾角(θ 1)(θ 2)小於設定值時，判定載具(10)接近路徑邊界(a2)而必需轉向，即能限制載具(10)於邊界系統(20)內進行自主性作業，若當部份偵測柱(21)故障時，該偵測柱(21)將自動與鄰近之偵測柱(21)相連結，使邊界系統(20)仍可持續使用，俾以提高其耐用性；(三)該邊界系統(20)係應用至少三個偵測柱(21)插設於載具(10)四周，藉以形成路徑邊界(a2)，當需要改變路徑邊界(a2)時，僅需要增加或減少偵測柱(21)數量，並局部進行偵測柱(21)位置調整，即能快速變更載具(10)之作業區 域，俾以提高其便利性。

綜上所述，本發明確實已達突破性之結構設計，而具有改良之發明內容，同時又能夠達到產業上之利用性與進步性，且本發明未見於任何刊物，亦具新穎性，當符合專利法相關法條之規定，爰依法提出發明專利申請，懇請 鈞局審查委員授予合法專利權，至為感禱。

唯以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍；即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

本發明部份：

(10)‧‧‧載具

(11)‧‧‧控制單元

(12)‧‧‧驅動單元

(13)‧‧‧訊號單元

(131)‧‧‧定位接收器

(132)‧‧‧弧形罩

(14)‧‧‧計算單元

(20)‧‧‧邊界系統

(21)‧‧‧偵測柱

(211)‧‧‧邊界發射器

(212)‧‧‧邊界接收器

(22)‧‧‧定位發射器

(221)‧‧‧馬達

(222)‧‧‧雷射筆

(223)‧‧‧電位計

(224)‧‧‧旋轉平台

(225)‧‧‧齒輪組

(226)‧‧‧極限開關

(a1)‧‧‧預設路徑

(a2)‧‧‧路徑邊界

第1圖：係本發明之結構方塊圖。

第2圖：係本發明之使用狀態示意圖。

第3圖：係本發明之偵測柱剖視圖。

第4圖：係本發明之預設路徑示意圖。

第5圖：係本發明之三角函數運算示意圖(一)。

第6圖：係本發明之三角函數運算示意圖(二)。

第7圖：係本發明之三角函數運算示意圖(三)。

(10)‧‧‧載具

(11)‧‧‧控制單元

(12)‧‧‧驅動單元

(13)‧‧‧訊號單元

(131)‧‧‧定位接收器

(14)‧‧‧計算單元

(20)‧‧‧邊界系統

(21)‧‧‧偵測柱

(211)‧‧‧邊界發射器

(212)‧‧‧邊界接收器

(22)‧‧‧定位發射器

Claims (5)

1. 一種自主性移動載具動態定位和邊界偵測系統，其包括有：一載具，該載具包含有一控制單元、一驅動單元、一訊號單元及一計算單元，該控制單元以預設路徑控制驅動單元，使載具能自主性移動，該訊號單元呈一柱狀延伸於載具頂端，並於訊號單元處環狀設置有複數個定位接收器，又該定位接收器接收無線訊號經由計算單元運算，再由計算單元傳輸至控制單元；以及一邊界系統，該邊界系統包含至少有三個以上之偵測柱，並由偵測柱圍繞插設於載具四周，該偵測柱皆設有一邊界發射器、一邊界接收器及一定位發射器，又該每一偵測柱皆以邊界發射器發射無線訊號至相鄰一側的偵測柱邊界接收器而構成載具之路徑邊界，並由定位發射器發射無線訊號至載具的定位接收器，透過最接近載具之兩個相鄰偵測柱形成三角形區域，並以載具的計算單元運算兩個相鄰偵測柱至載具的距離，進而取得載具之動態坐標，利用動態坐標讓控制單元能自動修正載具之預設路徑，且於三角形區域內其一夾角為1度至10度區間時，判定載具接近路徑邊界而必需轉向，俾以限制載具於邊界系統內進行自主性作業。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之自主性移動載具動態定位和邊界偵測系統，其中，該載具之訊號單元於定位接收器頂端蓋設有一弧形罩，並由弧形罩阻隔陽光直射定位接收器，藉以穩定接收邊界系統端之無線訊號。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之自主性移動載具動態定位和邊界偵測系統，其中，該定位發射器包含有一馬達、一雷射筆及一電位計，由該馬達轉動雷射筆對準載具之定位接收器，並以電位計取得電射筆之位置，藉此得知三角形區域內之夾角。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之自主性移動載具動態定位和邊界偵測系統，其中，該電射筆係固定於一旋轉平台上，且該旋轉平台軸設於偵測柱頂端，又該馬達齒合有一齒輪組，並透過齒輪組轉動該旋轉平台。
5. 根據申請專利範圍第4項所述之自主性移動載具動態定位和邊界偵測系統，其中，該旋轉平台底端裝設有至少一極限開關，由極限開關限制旋轉平台能轉動之最大角度。