本發(fā)明涉及一種智能割草機(jī)系統(tǒng),尤其是指一種無外部導(dǎo)航信息的割草機(jī)自主有序割草方法。
背景技術(shù):
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隨著改進(jìn)人們生活環(huán)境、增加城市綠化面積的需求,國(guó)內(nèi)外各種單位、家庭的草坪迅速發(fā)展,為減輕繁重的人工割草勞動(dòng)力和減少常規(guī)人操作油動(dòng)割草機(jī)的噪聲,近些年無人自動(dòng)割草機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。但是目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的自動(dòng)割草機(jī)尚不能有效實(shí)現(xiàn)自主有序割草技術(shù),主要原因是自動(dòng)割草機(jī)的行駛依賴在草坪邊界圈埋電線圍欄的外部無線電信號(hào)來導(dǎo)航。一旦自動(dòng)割草機(jī)受到其他電磁干擾或遇到障礙物,自動(dòng)割草機(jī)就出現(xiàn)雜亂行駛,不能有效完成整個(gè)草坪的割草任務(wù),未割草坪區(qū)域和重復(fù)局限在部分區(qū)域內(nèi)割草問題難以克服。圈埋的圍欄電線還容易受到損壞。
因?yàn)槠胀ㄐl(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(如GPS或北斗)對(duì)地面定位誤差很大,實(shí)際定位誤差大于十幾米,無法用來準(zhǔn)確導(dǎo)航自動(dòng)割草機(jī)。國(guó)外出現(xiàn)少數(shù)用差分GPS來定位自動(dòng)割草機(jī),但是由于產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)昂貴(相當(dāng)于普通自動(dòng)割草機(jī)價(jià)格的三倍),因此,很難被用于家庭草坪割草所采納。即使用差分GPS來定位的自動(dòng)割草機(jī),也存在對(duì)于不同的草坪形狀(包括有障礙物)如何實(shí)現(xiàn)有效的“有序”割草問題。
本發(fā)明就是要設(shè)計(jì)一套不依賴外部信息割草機(jī)自主有序割草方法和成本價(jià)格低的智能割草機(jī)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
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本發(fā)明提供一種無需外部導(dǎo)航信息的割草機(jī)自主有序割草方法,無需在草坪邊界圈埋電線圍欄的外部信息,也不需用差分GPS導(dǎo)航,本發(fā)明利用自動(dòng)割草機(jī)本身的裝置和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng),就可對(duì)不同形狀的草坪實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃路徑有序行駛割草,并具有避障重規(guī)劃自主有序割草功能。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:一種無外部導(dǎo)航信息的割草機(jī)自主有序割草方法,包括多邊形邊界的草坪自主有序割草方法、曲線邊界的草坪自主有序割草方法和避障重新規(guī)劃路徑自主有序割草方法。
多邊形邊界的草坪自主有序割草方法包括多邊形邊界草坪的分區(qū)方法和多邊形邊界草坪的自主有序割草方法,多邊形邊界草坪的分區(qū)方法包括:多邊形邊界草坪根據(jù)拓?fù)湫螤钭詣?dòng)分成若干個(gè)矩形、三角形和梯形;多邊形邊界草坪的自主有序割草方法包括:矩形區(qū)自動(dòng)規(guī)劃正反向平行“U”形組成的割草行駛路徑,三角形區(qū)和梯形區(qū)自動(dòng)規(guī)劃正反向平行“U”形長(zhǎng)度等差遞減的割草行駛路徑。
曲線邊界的草坪自主有序割草方法包括曲線邊界的草坪總體行駛地圖規(guī)劃方法和曲線邊界的草坪有序行駛自主導(dǎo)航方法;曲線邊界的草坪總體行駛地圖規(guī)劃方法包括:根據(jù)草坪邊界曲線形狀,首先確定草坪“形心”,再以形心為中心,生成相對(duì)于邊界曲線的內(nèi)部序列曲線地圖,邊界內(nèi)的曲線與邊界曲線具有幾何相似性并以極坐標(biāo)三次樣條曲線表示,邊界內(nèi)的序列曲線的徑向半徑尺寸大小是依每減小一個(gè)割草寬度遞減,所有上述序列曲線生成后形成地圖曲線集存儲(chǔ)在計(jì)算控制系統(tǒng)中;所述的曲線邊界的草坪有序行駛自主導(dǎo)航方法包括:割草機(jī)在上述規(guī)劃的地圖曲線上行駛時(shí),對(duì)于極坐標(biāo)樣條曲線表達(dá)的規(guī)劃路徑所在位置作下一點(diǎn)θj+1的三次樣條插值,得到曲線上型值點(diǎn)sj(ρj,θj)及該點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)s'j(ρj,θj),由該點(diǎn)一階導(dǎo)數(shù)值得到該點(diǎn)切線,也就是割草機(jī)前進(jìn)的方向,而與下一點(diǎn)兩切線的夾角,就是割草機(jī)將要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度Δθ,割草機(jī)每小段前進(jìn)距離由計(jì)算該段曲線的“弧長(zhǎng)”給定,前進(jìn)的方向就是曲線該點(diǎn)轉(zhuǎn)角Δθ,其前進(jìn)距離和轉(zhuǎn)角的控制由計(jì)算控制系統(tǒng)操控割草機(jī)行駛,轉(zhuǎn)角的控制由計(jì)算控制系統(tǒng)中的陀螺角速率對(duì)時(shí)間段Δt積分測(cè)控割草機(jī)角度反饋而實(shí)現(xiàn)(圖3)。
避障重新規(guī)劃路徑自主有序割草方法通過兩個(gè)紅外測(cè)距儀機(jī)和避障重新規(guī)劃路徑自主有序行駛的軟件程序?qū)崿F(xiàn),兩個(gè)紅外測(cè)距儀安裝在割草機(jī)的前部,并通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算控制系統(tǒng)連接,以分別傳遞所測(cè)試到的障礙物與割草機(jī)上兩個(gè)紅外測(cè)距儀的距離:左側(cè)距離L1,右側(cè)距離L2;采用為非接觸傳感避障技術(shù),根據(jù)左側(cè)距離L1、右側(cè)距離L2的大小判斷割草機(jī)左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn),通過兩個(gè)紅外測(cè)距儀的繼續(xù)檢測(cè)繞過障礙物,向預(yù)規(guī)劃的地圖行駛曲線上相近的一個(gè)點(diǎn)行駛(圖5)。
本發(fā)明具有如下有益效果:
(1)全自主規(guī)劃路徑和導(dǎo)航的智能割草技術(shù);
(2)無需額外在草坪邊界圈埋電線圍欄;
(3)無需差分GPS導(dǎo)航割草機(jī);
(4)不受外部無線電信號(hào)的電磁干擾;
(5)適于不同邊界形狀草坪的有序規(guī)劃割草作業(yè);
(6)非接觸傳感避障技術(shù);
(7)成本低。
附圖說明:
圖1為本發(fā)明的矩形邊界草坪的自主有序割草路徑規(guī)劃示意圖。
圖2為本發(fā)明的多邊形、曲線邊界草坪的自主有序割草路徑規(guī)劃示意圖,
2(a)多邊形邊界草坪的自主有序割草路徑規(guī)劃
2(b)曲線邊界草坪的自主有序割草路徑規(guī)劃。
圖3為本發(fā)明的曲線邊界草坪的自主導(dǎo)航行駛方法原理圖。
圖4為本發(fā)明的割草機(jī)自動(dòng)檢測(cè)障礙物位置方法的示意圖。
圖5為本發(fā)明的割草機(jī)自動(dòng)檢測(cè)、回避障礙物和重新規(guī)劃路徑方法的示意圖。
其中:
1-紅外測(cè)距儀;2-自動(dòng)割草機(jī);3-計(jì)算控制系統(tǒng)。
具體技術(shù)方案:
1.對(duì)于矩形邊界草坪,割草機(jī)的基本行駛路徑是“直線”,直線+到邊轉(zhuǎn)彎弧形一個(gè)來回路徑就是“U”形?!癠”形的寬度應(yīng)等于(或略小于)割草機(jī)的割草寬度(圖1)。
2.對(duì)于多邊形邊界草坪,首先割草機(jī)的計(jì)算控制系統(tǒng)要根據(jù)邊界點(diǎn)的情況做簡(jiǎn)要的拓?fù)浞治觯耗男┦蔷哂兄苯堑南噜忂??哪些是具有鈍角的相鄰邊?哪些是具有銳角的相鄰邊?是否是全凸形?是否具有凹形?其次,需找出具有凹直角鄰邊(如沒有凹邊,就找出凹直角鄰邊),將多邊形按最少個(gè)數(shù)劃分出若干個(gè)矩形。再次,將多邊形已劃矩形后余下部分,根據(jù)具有非直角相鄰邊,按最小個(gè)數(shù)劃分為若干個(gè)梯形或三角形。
由于矩形是最方便規(guī)劃導(dǎo)航路徑割草的形狀,所以盡可能將多邊形大部分區(qū)域劃分為矩形,以減少梯形和三角形數(shù)量。
對(duì)于梯形和三角形區(qū)域,不能按等長(zhǎng)度“U”形依次規(guī)劃路徑,對(duì)于梯形和三角形區(qū)的斜邊,按等差梯度逐次改變“U”形長(zhǎng)度規(guī)劃割草路徑(圖2a)。
3.各矩形區(qū)、梯形區(qū)、三角區(qū)的割草行徑的起始點(diǎn)和終結(jié)點(diǎn)規(guī)劃,應(yīng)設(shè)計(jì)前一割草區(qū)終結(jié)點(diǎn)與下一割草區(qū)起始點(diǎn)相接,以避免或減少重復(fù)路徑。
4.對(duì)于曲線邊界的草坪,首先對(duì)曲線邊界曲線上型值點(diǎn)sj(ρj,θj),用極坐標(biāo)樣條曲線擬合(圖3)表示:
其中:
hj+1=θj+1-θj
t=(θ-θj)/hj+1
其次,按面積靜矩方法求出曲線邊界內(nèi)的面積“形心”O(jiān)點(diǎn)。再以形心為中心,生成相對(duì)于邊界曲線的內(nèi)部序列曲線地圖,邊界內(nèi)的曲線與邊界曲線具有幾何相似性并仍以極坐標(biāo)三次樣條曲線表示,邊界內(nèi)的序列曲線的徑向半徑尺寸大小是依每減小一個(gè)割草寬度遞減,所有上述序列曲線(圖2b)生成后形成地圖曲線集存儲(chǔ)在計(jì)算控制系統(tǒng)中。
5.上述預(yù)計(jì)路徑曲線的割草機(jī)行駛導(dǎo)航方法:對(duì)于預(yù)計(jì)的路徑曲線做三次極坐標(biāo)三次樣條曲線插值來確定割草機(jī)每一步的行徑。具體方法是對(duì)割草機(jī)所在位置作下一點(diǎn)的三次樣條插值,得到曲線上型值點(diǎn)sj(ρj,θj)及該點(diǎn)的一階導(dǎo)數(shù)s'j(ρj,θj)。由該點(diǎn)一階導(dǎo)數(shù)值得到該點(diǎn)切線,也就是割草機(jī)前進(jìn)的方向,而與下一點(diǎn)兩切線的夾角,就是割草機(jī)將要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度Δθ。割草機(jī)每小段前進(jìn)的距離由計(jì)算該段曲線的“弧長(zhǎng)”給定,前進(jìn)的方向就是曲線該點(diǎn)轉(zhuǎn)角Δθ,其前進(jìn)距離和轉(zhuǎn)角的控制由計(jì)算控制系統(tǒng)操控割草機(jī)行駛,轉(zhuǎn)角的控制由計(jì)算控制系統(tǒng)中的陀螺角速率對(duì)時(shí)間段Δt積分測(cè)控割草機(jī)角度反饋而實(shí)現(xiàn)。一圈封閉曲線規(guī)劃路徑,依次求得每小段前進(jìn)的“弧長(zhǎng)”和前進(jìn)的轉(zhuǎn)角Δθ,完成全程環(huán)形路徑的行駛作業(yè),并記錄行駛過程的各段“弧長(zhǎng)”和前進(jìn)轉(zhuǎn)角Δθ的數(shù)據(jù)數(shù)組(圖3)。
由于逐圈向內(nèi)的規(guī)劃曲線具有幾何相似性,只要計(jì)算最外圈的各段“弧長(zhǎng)”和前進(jìn)轉(zhuǎn)角Δθ的數(shù)據(jù),內(nèi)圈曲線的前進(jìn)轉(zhuǎn)角Δθ數(shù)組不變,僅僅各段“弧長(zhǎng)”按極坐標(biāo)徑長(zhǎng)ρi對(duì)相應(yīng)的邊界的極坐標(biāo)徑長(zhǎng)ρ1之比例而減小。
6.本發(fā)明為非接觸傳感避障技術(shù),所述的避障傳感器為安裝在割草機(jī)前部左右兩個(gè)紅外測(cè)距儀1,兩個(gè)紅外測(cè)距儀通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算控制系統(tǒng)3連接,以分別傳遞所測(cè)試到的障礙物與割草機(jī)上兩個(gè)紅外測(cè)距儀的距離:L1(左側(cè)距離),L2(右側(cè)距離)。
當(dāng)割草機(jī)前方(2米距離之內(nèi))遇到障礙物(圖4),紅外測(cè)距儀會(huì)自動(dòng)感應(yīng)障礙物并測(cè)出與障礙物之間的距離。如果L1=L2,割草機(jī)默認(rèn)朝右轉(zhuǎn);如果L1>L2(或左側(cè)紅外測(cè)距儀感應(yīng)障礙物),割草機(jī)默認(rèn)朝左轉(zhuǎn),如果L1<L2(或右側(cè)紅外測(cè)距儀感應(yīng)障礙物),割草機(jī)默認(rèn)朝右轉(zhuǎn)。根據(jù)預(yù)設(shè)計(jì)的地圖路徑線上離當(dāng)前割草機(jī)前方最近的點(diǎn),作為重新規(guī)劃行徑的目標(biāo)點(diǎn),控制割草機(jī)向目標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)和前進(jìn),同時(shí)兩個(gè)紅外測(cè)距儀的繼續(xù)檢測(cè),繞過障礙物,直到達(dá)到該目標(biāo)點(diǎn),然后按預(yù)設(shè)計(jì)的地圖路徑行駛作業(yè)(圖5)。
此項(xiàng)非接觸傳感避障技術(shù),可避免割草機(jī)與障礙物碰撞,可重新自動(dòng)尋找預(yù)計(jì)路線上的點(diǎn),按規(guī)劃行駛,可以避免行徑錯(cuò)亂的情況發(fā)生。
7.本方法記錄正確導(dǎo)航的全部數(shù)據(jù)和規(guī)劃路線數(shù)據(jù),因此對(duì)于特點(diǎn)的草坪,可以按預(yù)設(shè)路線地圖行駛,不必重復(fù)計(jì)算。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進(jìn),這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。