基於電子羅盤的割草機器人局部路徑規劃方法
2023-09-22 19:31:25
專利名稱：基於電子羅盤的割草機器人局部路徑規劃方法
技術領域：
本發明涉及一種控制割草機器人路徑的方法，尤其是一種基於電子羅盤的割草機器人局部路徑規劃方法，可精確控制和優化割草機器人工作時的路徑。
背景技術：
隨著經濟的發展，生活水平的提高，人們的環境意識越來越強，綠色草坪在大小城市中已隨處可見，但割草作業的任務量大且帶有很強的重複性，因此對智能割草機器人的研究是社會發展的需要。智能割草機器人是一個相當複雜的系統，它集多種功能和多種技術於一體，因此對智能割草機器人的研究涉及很多方面，相比於以往割草機器人運動路徑失控，重複性大的問題，本發明研究基於電子羅盤的割草機器人局部路徑規劃方法，可精確控制和優化割草機器人的工作路徑，以求得複雜環境下割草機器人平滑、穩定、精確的工作，解決了以上問題。
發明內容
本發明的目的在於提供一種基於電子羅盤的割草機器人局部路徑規劃方法，該方法利用電子羅盤硬體模塊對割草機器人所處位置的方位進行檢測，分析得到割草機器人此刻在磁場中X、Y、Z軸上的分量，從而根據輸出的航向角來精確校正割草機器人的運動路徑。減少了電能消耗和提高了割草效率，精確控制運動路徑並優化軌跡。本發明採用的技術方案是
基於電子羅盤的割草機器人局部路徑規劃方法，割草機器人與電子羅盤硬體模塊是通過I2 C協議來實現通訊。電子羅盤
硬體模塊檢測割草機器人所處位置的方位並將方位信號傳遞給路徑規劃控制模塊。同時， 根據外部環境狀況，監控感應模塊判斷割草機器人的運動狀態割草狀態、邊界狀態、導航狀態，並將狀態信號傳遞給路徑規劃控制模塊。路徑規劃控制模塊對接收到的方位信號和狀態信號進行分析處理，判斷割草機器人下一步的精確位置及運動狀態。本發明採用的技術方案的步驟如下
O電子羅盤硬體模塊記錄割草機器人當前和歷史的方位信息，並轉換為方位信號傳送給路徑規劃控制模塊；
2)監控感應模塊根據外部環境來判斷割草機器人當前的環境狀況，並轉換為狀態信號傳送給路徑規劃控制模塊；
3)路徑規劃控制模塊分析處理接收到的方位信號和狀態信號，優化得到相應的運動狀態及路徑。最後將得到的數位訊號發送給割草機器人的運動系統控制模塊；
4)運動系統控制模塊根據接收到的數位訊號來控制割草機器人按相應的命令運動到下一位置。所述步驟I)中的電子羅盤硬體模塊包含放大器、濾波器及A/D轉換器。通過電子羅盤測量割草機器人所處位置在磁場中Χ、γ軸方向上的分量，同時測得Z軸的分量，並對這三個數值進行放大濾波和A/D轉換，再通過I 2 C通訊傳給割草機器人的路徑規劃控制模塊；同時結合電子羅盤測量得到的俯仰角和翻滾角對X、Y軸的磁場強度作補償校正，傳送給割草機器人的路徑規劃控制模塊，分析計算得到割草機器人的地理航向角和姿態角。它能確定割草機器人當前和歷史的方位，進而控制割草機器人下一步的運動方位，來實現軌跡的優化。所述步驟2)中的監控感應模塊判斷割草機器人當前的環境狀況，根據環境狀況得到狀態信號，確定割草機器人下一步的運動狀態，總共有三個狀態割草狀態，邊界狀態，導航狀態。所述步驟3)中的路徑規劃控制模塊，根據接收的方位信號和狀態信號來判斷割草機器人的精確運動位置。其運動控制特徵如下
O割草狀態
在割草狀態輸入的條件下，割草機器人沿某一方向行走，遇到障礙(包括導航標誌、邊界、牆、階梯等)後退，利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人相對於原來方向順時針轉動某一設定的角度，並判斷障礙是否還在監控感應模塊設定的感應範圍內。若是，重複後退轉彎的步驟；若不是，則利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人沿轉後的方向繼續行走並判斷。如此循環此過程，直到整個區域被覆蓋。2)邊界狀態
本發明中邊界狀態有兩種形式，一種是割草時遇到的邊界，此時在割草機器人中作為障礙處理，在割草狀態中已說明。另一種則是在回基站的過程中遇到的邊界，具有不同的處理方式。在回基站過程中，由於導航標誌設置在邊界處，故識別到邊界時，利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人沿著邊界行走，尋找導航標誌。具體為當遇到邊界時，利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人順時針轉一個固定角度，判斷邊界是否還在監控感應範圍內，若是，利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人再轉一個設定的角度；若不是，則利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人直線前進一段距離，在此過程中監控感應模塊仍在不斷的判斷中。如此反覆，直到發現標誌。3)導航狀態
本發明中當割草機器人在割草過程中電量達到某一設定值時，割草機器人就要回基站充電。其基本的方式是不管割草機器人在草地的哪個位置，割草機器人得到這一信號後先停止割草，然後利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人向前直線行走直到發現邊界，再以邊界狀態的方式進行處理。找到導航標誌後，判斷標誌是否在割草機器人的右側，若是，利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人左轉一個角度，並移動一段距離，再判斷；若不是，利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人右轉一個角度，並移動一段距離，再判斷。如此反覆，直到順著標誌走到充電處。所述步驟4)中的運動系統控制模塊，控制割草機器人按相應的執行命令運動到下一位置。本發明具有的有益效果是
帶有電子羅盤的割草機器人與傳統割草機器人相比，能精確控制割草路徑，在割草模式，邊界模式，導航模式中實現有規律的路徑變化，避免了傳統割草方式的無規律性，盲目性和出現的路徑失控問題，減少了電能消耗和提高了割草效率，充分覆蓋整個區域。
圖I是系統體系結構圖。圖2是三個狀態流程圖。圖3是基於電子羅盤的系統框圖。圖4是三軸磁阻傳感器引腳及外圍電路圖。圖5是I 2 C通訊電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實例對本發明做進一步詳述
圖I所示，是系統體系結構圖。由路徑規劃控制模塊，電子羅盤硬體模塊，監控感應模塊和運動系統控制模塊組成。所述的電子羅盤硬體模塊記錄割草機器人當前和歷史的方位信息，並轉換為方位信號傳送給路徑規劃控制模塊。所述的監控感應模塊根據外部環境來判斷割草機器人當前的環境狀況，並轉換為狀態信號傳送給路徑規劃控制模塊。所述的路徑規劃控制模塊分析處理接收到的狀態信號和方位信號，優化得到相應的運動狀態及路徑。得到的運動狀態若是割草狀態，則以割草狀態下的路徑控制割草機器人的運動，實現了在割草狀態下精準校正螺旋式軌跡，精準校正迂迴式軌跡，精準校正隨機式軌跡；得到的運動狀態若是邊界狀態，則以邊界狀態下的路徑控制割草機器人的運動，實現了在邊界狀態下精準校正邊界轉彎角度和優化邊界軌跡速度；得到的運動狀態若是導航狀態，則以導航狀態下的路徑控制割草機器人的運動，實現了在導航狀態下精準校正導航轉彎角度。所述的運動系統控制模塊控制割草機器人按相應的命令運動到下一位置。圖2所示，是三個狀態流程圖。由監控感應模塊根據外部環境判斷割草機器人是否處於割草狀態。若處於割草狀態，則利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人沿原來方向繼續行走。在此過程中判斷是否發現障礙(包括邊界，標誌，牆或者樓梯等)，若未發現障礙，則利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人沿原來方向繼續行走；若發現障礙，則後退，利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人相對於原來方向順時針轉過一定角度後再判斷障礙能否被發現。如此反覆，直至完全覆蓋草地。實現了在割草狀態下精準校正螺旋式軌跡，精準校正迂迴式軌跡，精準校正隨機式軌跡。若得到的是回基站狀態，則判斷有無發現邊界。若未發現邊界，利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人沿原來方向繼續行走；若發現邊界，則後退，利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人相對於原來方向順時針轉過一定角度，再判斷能否發現邊界。如此反覆來控制割草機器人沿著邊界行走，直至找到導航標誌。實現了在邊界狀態下精準校正邊界轉彎角度和優化邊界軌跡速度。發現導航標誌後，根據監控感應模塊來判斷標誌相對於割草機器人是在其左側還是右側。若是左側，則利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人右轉一個角度，再判斷左右側；若是右側，則利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人左轉一個角度，再判斷左右側。如此反覆，直至走過導航區，到達充電處充電。實現了在導航狀態下精準校正導航轉彎角度。圖3所示，是基於電子羅盤的系統框圖。其功能的實現主要包括以下三個部分信息獲取、信號調理及輸出。以類似於霍尼韋爾公司的三軸磁阻傳感器，型號為HMC5883LBY 為例。測得割草機器人所處方位X、Y軸的分量；以重力加速度傳感器，型號為ADXL345為例，測得Z軸的分量。三個數據放大濾波後經過A/D轉換，變為數位訊號。將此數據通過 I 2 C通訊協議傳遞給割草機器人的路徑規劃控制模塊。同時結合重力加速度傳感器測量得到的俯仰角和翻滾角對X、Y軸的磁場強度作補償校正，傳送給割草機器人的路徑規劃控制模塊，分析計算得到割草機器人的地理航向角和姿態角，來控制割草機器人的轉彎角度， 實現軌跡的優化。圖4所示，是三軸磁阻傳感器引腳及外圍電路圖。本發明中三軸磁阻傳感器是以類似於霍尼韋爾公司，型號為HMC5883LBY的傳感器晶片為例。其中3，5，6，7，14腳不連接， 4腳與13腳連接供應電源，I腳是串行時鐘-I a C總線主/從時鐘，16腳是串行時鐘-I a C總線主/從數據，8腳和12腳是置位/復位連接，11腳接地，10腳是存儲電容器連接，15 腳是數據準備，中斷引腳。圖5所示，是I 2 C通訊電路圖。以型號為AT24C02A的晶片為例。其中1，2，3，7 腳均接地，8腳接電源電壓。6腳是串行時鐘，與HMC5883LBY晶片的I腳連接。5腳是串行數據，與HMC5883LBY晶片的16腳連接。
權利要求
1.基於電子羅盤的割草機器人局部路徑規劃方法，其特徵在於它由路徑規劃控制模塊，電子羅盤硬體模塊，監控感應模塊和運動系統控制模塊組成；該方法的步驟如下1)電子羅盤硬體模塊記錄割草機器人當前和歷史的方位信息，並轉換為方位信號傳送給割草機器人的路徑規劃控制模塊；2)監控感應模塊根據外部環境來判斷割草機器人當前的環境狀況，並轉換為狀態信號傳送給割草機器人的路徑規劃控制模塊；3)路徑規劃控制模塊分析處理接收到的方位信號和狀態信號，優化得到相應的運動狀態及路徑，最後將得到的數位訊號發送給割草機器人的運動系統控制模塊；4)運動系統控制模塊根據接收到的數位訊號來控制割草機器人按相應的命令運動到下一位置。
2.根據權利要求I所述的基於電子羅盤的割草機器人局部路徑規劃方法，其特徵在於所述步驟I)中的電子羅盤硬體模塊包含放大器、濾波器及A/ D轉換器；通過電子羅盤測量割草機器人所處位置在磁場中X、Y軸方向上的分量，同時測得Z軸的分量，並對這三個數值進行放大濾波和A/D轉換，再通過I2C通訊將信號傳給割草機器人的路徑規劃控制模塊；同時結合電子羅盤測量得到的俯仰角和翻滾角對X、Y軸的磁場強度作補償校正，傳送給割草機器人的路徑規劃控制模塊，分析計算得到割草機器人的地理航向角和姿態角；它能確定割草機器人當前和歷史的方位， 進而控制割草機器人下一步的運動方位，來實現軌跡的優化。
3.根據權利要求I所述的基於電子羅盤的割草機器人局部路徑規劃方法，其特徵在於所述步驟3)中的路徑規劃控制模塊，是根據電子羅盤硬體模塊和監控感應模塊提供的方位信息和環境狀況來實現路徑規劃；監控感應模塊根據外部環境判斷割草機器人是否處於割草狀態；若處於割草狀態，則利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人沿原來方向繼續行走；在此過程中判斷是否發現障礙，若未發現障礙，則利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人沿原來方向繼續行走；若發現障礙，則後退，利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人相對於原來方向順時針轉過一定角度後再判斷障礙能否被發現；如此反覆，直至完全覆蓋草地；實現了在割草狀態下精準校正螺旋式軌跡，精準校正迂迴式軌跡，精準校正隨機式軌跡；若得到的是回基站狀態，則判斷有無發現邊界；若未發現邊界，利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人沿原來方向繼續行走；若發現邊界，則後退，利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人相對於原來方向順時針轉過一定角度，再判斷能否發現邊界；如此反覆來控制割草機器人沿著邊界行走，直至找到導航標誌；實現了在邊界狀態下精準校正邊界轉彎角度和優化邊界軌跡速度；發現導航標誌後，根據監控感應模塊來判斷標誌相對於割草機器人是在其左側還是右側；若是左側，則利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人右轉一個角度，再判斷左右側；若是右側，則利用電子羅盤硬體模塊的方位信號來控制割草機器人左轉一個角度，再判斷左右側；如此反覆，直至走過導航區，到達充電處充電；實現了在導航狀態下精準校正導航轉彎角度。
4.根據權利要求I所述的基於電子羅盤的割草機器人局部路徑規劃方法，其特徵在於所述步驟2)中的監控感應模塊判斷割草機器人當前的環境狀況，根據環境狀況得到狀態信號，確定割草機器人下一步的運動狀態，總共有三個狀態割草狀態，邊界狀態，導航狀態。
5.根據權利要求I所述的基於電子羅盤的割草機器人局部路徑規劃方法，其特徵在於所述步驟4)中的運動系統控制模塊來控制割草機器人按相應的命令運動到下一位置。
全文摘要
本發明公開了一種基於電子羅盤的割草機器人局部路徑規劃方法。包括路徑規劃控制模塊，電子羅盤硬體模塊，監控感應模塊和運動系統控制模塊。電子羅盤硬體模塊和監控感應模塊為路徑規劃控制模塊提供割草機器人當前的方位信息和環境狀況。路徑規劃控制模塊實現割草狀態、邊界狀態、導航狀態下路徑的精準校正及軌跡的優化，並由運動系統控制模塊來控制割草機器人執行相應的動作命令。本發明能實現多種工作方式的轉換，精準控制割草機器人在各個狀態下的軌跡，解決了以往割草機器人工作時運動路徑失控的問題，用於草坪的自動修剪，能適應複雜地形的作業，並充分覆蓋整個區域，減少了電能消耗和提高了割草機器人的工作效率。
文檔編號A01D75/00GK102591342SQ20121002514
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月6日 優先權日2012年2月6日
發明者朱培培, 江興旺, 趙亮 申請人:浙江大學