CN109845475B - 智能割草机器人的调头控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能割草机器人的调头控制方法，包括：确定虚拟安全边界；监测智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间的位置关系；当智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间距离达到第一阈值时，智能割草机器人采用至少两段行走方式调转行驶方向，其中第一段行走以第一转弯半径转向第一角度,第二段行走以第二转弯半径转向第二角度，所述第一转弯半径不等于第二转弯半径。本发明还提供了一种智能割草机器人的调头控制系统。上述智能割草机器人的调头控制方法及系统通过多段行走调头可以保证调头区域无漏割草坪，能够有效提供调头的顺畅性和平稳性，以及提高行进效率。

Description

智能割草机器人的调头控制方法及系统

技术领域

本发明涉及智能割草机器人技术领域，具体为一种智能割草机器人的调头控制方法及系统。

背景技术

随着城镇化的发展，越来越多的园林、高尔夫球场等出现在了人们日常生活中。因此，智能割草机器人作为智慧农业的范围被提了出来。

智能割草机器人作为园林服务机器人的一种，是农业机器人中应用较为广泛的一类。自上世纪80年代起，国内外许多公司都在智能割草机的研究上做了很大的投入，取得了一些丰硕的成果。智能割草机器人的工作环境一般为相对封闭的区域，要求具有足够的智能进行自主完成路径规划，尽管我们现有方法对路径规划后，割草的效果在区域内相对比较满意，但仍然存在许多关键性问题没有解决。随着割草面积的增多，需要进行多次调头转弯操作，以往的调头方法会频繁的对草坪造成较严重的损伤，特别是高端场地如高尔夫球场和私人园林等对割草质量有十分严格的要求。因此，急需一种能够在不损害草坪质量前提下完成顺利调头的控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能割草机器人的调头控制方法，包括：

确定虚拟安全边界；

监测智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间的位置关系；

当智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间距离达到第一阈值时，智能割草机器人采用至少两段行走方式调转行驶方向，其中第一段行走以第一转弯半径转向第一角度,第二段行走以第二转弯半径转向第二角度，所述第一转弯半径不等于第二转弯半径。

进一步的，所述控制方法还包括步骤：

当智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间距离达到第二阈值时，降低智能割草机器人的行驶速度，所述第二阈值大于第一阈值。

其中，所述智能割草机器人采用两段行走方式调转行驶方向，其中第一转弯半径的范围值为0.5-1.0倍轮距，第一角度范围值为60-120度；第二转弯半径的范围值为0.1-0.5倍轮距，第二角度范围值为60-120度，第一角度与第二角度之和为180度。

其中，所述虚拟安全边界与草坪边界或示教边界之间的距离为0.5-1个智能割草机器人本体的车身长度。

其中，所述智能割草机器人在调头过程中驱动轮的运转速度保持大于0。

本发明还提供了一种智能割草机器人的调头控制系统，包括：

虚拟安全边界设置模块，用于确定虚拟安全边界；

位置监测模块，用于监测智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间的位置关系；

调头控制模块，用于当智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间距离达到第一阈值时，智能割草机器人采用至少两段行走方式调转行驶方向，其中第一段行走以第一转弯半径转向第一角度，第二段行走以第二转弯半径转向第二角度，所述第一转弯半径不等于第二转弯半径。

进一步的，所述调头控制系统还包括：

速度控制模块，用于当位置监测模块监测到智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间距离达到第二阈值时，降低智能割草机器人的行驶速度，所述第二阈值大于第一阈值。

其中，所述智能割草机器人采用两段行走方式调转行驶方向，其中第一转弯半径的范围值为0.5-1.0倍轮距，第一角度范围值为60-120度；第二转弯半径的范围值为0.1-0.5倍轮距，第二角度范围值为60-120度，第一角度与第二角度之和为180度。

其中，所述虚拟安全边界与草坪边界或示教边界之间的距离为0.5-1个智能割草机器人本体的车身长度。

其中，所述速度控制模块还用于保持智能割草机器人在调头过程中驱动轮的运转速度大于0。

上述智能割草机器人的调头控制方法及系统，可以在较短的时间内完成调头，并且能够有效提供调头的顺畅性和平稳性，以及提高行进效率。其次，在进行对边界的调头执行任务时，本发明可以有效的降低割草面积，极大的降低执行补漏过程中对草坪的二次损害，增加了智能割草机器人的市场竞争力。本发明所述的智能割草机器人的调头控制方法及系统的优势在于：第一，其采用多段行走调头方式，其目的是保证调头区域无漏割草坪；第二，调头过程驱动轮保持转动状态，其目的是降低车轮对草坪的损伤。

附图说明

图1是本发明一种智能割草机器人的调头控制方法的较佳实施方式的流程图。

图2是本发明一种智能割草机器人的调头控制方法的另一较佳实施方式的流程图。

图3是本发明一种智能割草机器人的调头控制方法的另一较佳实施方式的流程图。

图4及图5是智能割草机器人的工作示意图。

图6是本发明一种智能割草机器人的调头控制系统的较佳实施方式的方框图。

图7是本发明一种智能割草机器人的调头控制系统的另一较佳实施方式的方框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1所示，为本发明一种智能割草机器人的调头控制方法的较佳实施方式的流程图。所述智能割草机器人的调头控制方法的较佳实施方式包括以下步骤：

步骤S1：确定虚拟安全边界。本实施方式中，根据边界信息，将边界内缩为虚拟安全边界，此步操作与传统割草方式相比可有效提供安全保障，防止在边界调头处车身与未知的边界外发生碰撞。本实施方式中，所述虚拟安全边界与草坪边界或示教边界之间的距离为0.5-1个智能割草机器人本体的车身长度。

步骤S2：监测智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间的位置关系；

步骤S3：判断智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间的距离是否达到第二阈值。若智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间的距离达到第二阈值，则执行步骤S4，否则返回执行步骤S3。

步骤S4：降低智能割草机器人的行驶速度。

本实施方式中，所述智能割草机器人在调头过程中驱动轮的运转速度保持大于0，如此可以降低智能割草机器人在工作时其车轮对草坪的损伤。当然，其他实施方式中，上述步骤S3及S4可省略。

步骤S5：判断智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间的距离是否达到第一阈值，其中第一阈值小于第二阈值。若智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间的距离达到第一阈值，则执行步骤S6，否则返回执行步骤S5。

步骤S6：智能割草机器人采用至少两段行走方式调转行驶方向，其中第一段行走以第一转弯半径转向第一角度,第二段行走以第二转弯半径转向第二角度，所述第一转弯半径不等于第二转弯半径。

本实施方式中，所述第一转弯半径的范围值为0.5-1.0倍轮距，第一角度范围值为60-120度；所述第二转弯半径的范围值为0.1-0.5倍轮距，第二角度范围值为60-120度，第一角度与第二角度之和为180度。

请继续参考图2所示，为本发明一种智能割草机器人的调头控制方法的另一较佳实施方式的流程图。所述智能割草机器人的调头控制方法的另一较佳实施方式包括以下步骤：

步骤S11：智能割草机器人沿着路径规划直线行走。判断智能割草机器人当前的位置是否到达指定的第二阈值范围内(其中第二阈值为路径规划此段终点距离当前位姿的阈值)，若智能割草机器人当前的位置到达指定的第二阈值范围内，则执行步骤S12。若智能割草机器人当前的位置未到达指定的第二阈值范围内，则继续执行步骤S11。

步骤S12：操作所述智能割草机器人的两个驱动轮进行靠边界减速操作。

步骤S13：判断智能割草机器人是否到达第一阈值范围内(此第一阈值为十分靠近边界端点位置，且已知)。若智能割草机器人当前的位置到达指定的第一阈值范围内，则执行步骤S14。若智能割草机器人当前的位置未到达指定的第一阈值范围内，则返回至步骤S13。

步骤S14：此时智能割草机器人停止路径跟随操作，进行调头逻辑。

步骤S15：判断当前智能割草机器人的航向和当前的位姿，结合对应的控制方法，进而执行第一段行走约90°、以0.75倍轮距为半径的拟合曲线。结合路径规划的第一段起点，拟合出第一段曲线数据。

步骤S16：当智能割草机器人到达第一段拟合曲线数据终点后，进行第二段拟合，大致为行走约90°、以0.25倍轮距为半径。结合路径规划的第二段起点，拟合出第二段曲线数据。

步骤S17：结合第一段和第二段曲线拟合数据，得到在任何位置调头时到下一起始端点的一条理想弧线。

步骤S18：获得两端曲线拟合平滑后的数据(此数据结合了当前智能割草机器人的航向位姿等信息)，进行路径的速度的左右轮分配，进而执行调头的整个控制逻辑。

请继续参考图3所示，更为详细的，所述智能割草机器人的调头控制方法包括以下步骤：

步骤S21：获得虚拟安全边界。

步骤S22：获取智能机器人本体的当前位姿信息。

步骤S23：判断是否到达虚拟安全边界。若到达虚拟安全边界，则执行步骤S24，否则返回执行步骤S22。

步骤S24：加载调头曲线终点。

步骤S25：获得平滑化曲线数据。

步骤S26：对智能割草机器人执行运动控制跟踪。

步骤S27：判断是否到达曲线终点。若到达曲线终点，则执行步骤S28，否则返回执行步骤S26。

步骤S28：获取智能割草机器人本体的当前位姿信息。

步骤S29：固定智能割草机器人本体的左右轮角速度。

步骤S30：执行前行曲线控制逻辑。

步骤S31：判断智能割草机器人本体的车身是否垂直下一条规划路径。若智能割草机器人本体的车身垂直下一条规划路径，则执行步骤S32，否则返回至步骤S30。

步骤S32：执行二段曲线调头控制逻辑。

上述步骤展示了一个完整的自动调头控制过程。假设此时智能割草机器人已经完成了部分割草任务，机器人的各项工作参数正常，且此时割草任务临近割草边界。所述智能割草机器人可以在工作区域中通过自身传感器检测位姿关系，当检测到进入内缩边界的阈值范围内时，控制自身进行减速到达。通过速度的降低保证在靠近边界预设点时，可以获得较精准的位姿信息，便于在进行第一段曲线拟合时提供较理想的数据。

请参考图4所示，图中所述智能割草机器人已经割完了部分面积，当其安全到达内缩边界区域时(其中，内缩边界为智能割草机器人整个的工作范围，形成一个闭合的活动区域，边界的形成可由外部地图加载方式获得，也可以由携带精确定位信息在工作区域边界进行数据采集所形成的一系列点集合)。请继续参考图5所示，其展示了图1中步骤S4的详细过程，此时需要注意的是，需要定位模块提供准确的航向定位信息，经过路径规划起始方向可以准确得到更新调头后航向的准确信息。

请参考图6所示，为本发明一种智能割草机器人的调头控制系统的较佳实施方式的方框图。所述智能割草机器人的调头控制系统的较佳实施方式包括虚拟安全边界设置模块、位置监测模块、调头控制模块、速度控制模块。所述虚拟安全边界设置模块用于确定虚拟安全边界。所述位置监测模块用于监测智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间的位置关系。所述调头控制模块用于当智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间距离达到第一阈值时，智能割草机器人采用至少两段行走方式调转行驶方向，其中第一段行走以第一转弯半径转向第一角度，第二段行走以第二转弯半径转向第二角度，所述第一转弯半径不等于第二转弯半径。所述速度控制模块用于当位置监测模块监测到智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间距离达到第二阈值时，降低智能割草机器人的行驶速度，其中所述第二阈值大于第一阈值，所述速度控制模块还用于保持智能割草机器人在调头过程中驱动轮的运转速度大于0。

本实施方式中，所述智能割草机器人采用两段行走方式调转行驶方向，其中第一转弯半径的范围值为0.5-1.0倍轮距，第一角度范围值为60-120度；第二转弯半径的范围值为0.1-0.5倍轮距，第二角度范围值为60-120度，第一角度与第二角度之和为180度。所述虚拟安全边界与草坪边界或示教边界之间的距离为0.5-1个割草机器人本体的车身长度。

请参考图7所示，为本发明一种智能割草机器人的调头控制系统的另一较佳实施方式的方框图。所述智能割草机器人的调头控制系统的另一较佳实施方式包括上位机显示模块、数据库存储模块、运算模块、运动控制模块及定位模块。

所述上位机显示模块可包括手机APP、工控显示器或平板电脑等具有人机交互功能的计算显示器，用于提供异常工作状况的反馈等重要人机交互信息。所述数据存储模块用于按一定时间对智能割草机器人的当前位置进行数据刷新，还用于存储虚拟安全边界信息、若干预设阈值距离及调头控制算法，本实施方式中，所述调头控制算法为两段行走方式。所述运算模块用于运行优化的曲线跟踪算法。所述运动控制模块用于按照预存的调头控制算法进行姿态的调整，即调头控制。所述定位模块用于提供精确的位姿信息，包含但不限于经纬度、航向、翻滚、俯仰等定位信息。

本实施方式中，所述智能割草机器人的驱动轮为两个，用于为整个割草机器人提供动力和方向的选择。所述驱动轮可位于智能割草机器人的前部或后部。所述割草机器人的动能可以为汽油、电池等供能方式，所述定位模块可为RKT差分雷达定位、视觉摄像头、激光雷达、惯性导航里程计等。

上述智能割草机器人的调头控制方法及系统经过准确调头的智能割草机器人能有更加安全的调头控制和更加高效的割草效率。本实施方式中，虚拟边界也可以为智能割草机器人的界定工作区域，所述智能割草机器人将不会出现在边界之外，通过有效且精准的定位信息，可以确保整个智能割草机器人在整个工作任务过程中出现在工作区域内。安全虚拟边界即为安全边界，主要为调头预留一部分阈值，一般选择为车身的长度。所述智能割草机器人的车身的运动控制模块携带有两个驱动轮和两个万向轮(包括但不限于分别同时处于前端或后端的机械结构控制机器人)，当驱动轮指令相同时，可以获得准确的直线数据。当速度不同时，可以获得理想的曲线路径。本发明所述的智能割草机器人的调头控制方法及系统可以基本不损害待割草坪，且顺利完成调头，使得在满足割草的效率情况下，完成理想的调头控制，极大提高智能割草机器人的市场竞争力。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种智能割草机器人的调头控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

确定虚拟安全边界；

监测智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间的位置关系；

当智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间距离达到第一阈值时，智能割草机器人采用至少两段行走方式调转行驶方向，其中第一段行走以第一转弯半径转向第一角度,第二段行走以第二转弯半径转向第二角度，所述第一转弯半径不等于第二转弯半径；

所述智能割草机器人采用两段行走方式调转行驶方向，其中第一转弯半径的范围值为0.5-1.0倍轮距，第一角度范围值为60-120度；第二转弯半径的范围值为0.1-0.5倍轮距，第二角度范围值为60-120度，第一角度与第二角度之和为180度；

所述智能割草机器人在调头过程中驱动轮的运转速度保持大于0。

2.如权利要求1所述的智能割草机器人的调头控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括步骤：

当智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间距离达到第二阈值时，降低智能割草机器人的行驶速度，所述第二阈值大于第一阈值。

3.如权利要求1所述的智能割草机器人的调头控制方法，其特征在于：所述虚拟安全边界与草坪边界或示教边界之间的距离为0.5-1个智能割草机器人本体的车身长度。

4.一种智能割草机器人的调头控制系统，其特征在于：所述调头控制系统包括：

虚拟安全边界设置模块，用于确定虚拟安全边界；

位置监测模块，用于监测智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间的位置关系；

调头控制模块，用于当智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间距离达到第一阈值时，智能割草机器人采用至少两段行走方式调转行驶方向，其中第一段行走以第一转弯半径转向第一角度，第二段行走以第二转弯半径转向第二角度，所述第一转弯半径不等于第二转弯半径；

速度控制模块，用于当位置监测模块监测到智能割草机器人本体与虚拟安全边界之间距离达到第二阈值时，降低智能割草机器人的行驶速度，所述第二阈值大于第一阈值；

所述智能割草机器人采用两段行走方式调转行驶方向，其中第一转弯半径的范围值为0.5-1.0倍轮距，第一角度范围值为60-120度；第二转弯半径的范围值为0.1-0.5倍轮距，第二角度范围值为60-120度，第一角度与第二角度之和为180度；

所述速度控制模块还用于保持智能割草机器人在调头过程中驱动轮的运转速度大于0。

5.如权利要求4所述的智能割草机器人的调头控制系统，其特征在于：所述虚拟安全边界与草坪边界或示教边界之间的距离为0.5-1个智能割草机器人本体的车身长度。

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