一种除草机器人控制系统及控制方法

1.本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种除草机器人控制系统及控制方法。


背景技术：

2.除草机器人，即智能除草机器人，通常用于果园、农场等场地的除草等操作，与人工除草相比，智能除草机器人拥有效率高、稳定性好等优点。
3.由于与室内扫地机器人相比，除草机器人的工作环境为无边界围栏的室外开阔环境，室内扫地机器人所使用的室内导航及避障系统无法直接运用于除草机器人。因此，在具体工作时，除草机器人通常会按照后台端预先规划的路径（如基于gps的路径规划）前进，工作完毕后回到初始位置，由工作人员将其运回存放处；除此，当除草机器人的电量不足时，通常也会发出提醒，便于工作人员将其运回充电处进行充电。为了便于操作，部分工作人员会在除草机器人的工作区域周围修建存储室，并在存储室内设置充电装置。这样，机器人工作完成后或者电量不足时，工作人员可以较为方便的将其运到存储室内存放或充电。
4.上述技术虽然能够在一定程度上实现智能除草，但仍存在以下问题：第一，除草机器人的工作路径是基于gps进行，但很多区域（如很多果园）的gps精度/信号既不出色、也不稳定，除草机器人的导航路线经常出现较大的偏差，除草机器人按照偏差较大的路径进行工作后，可能出现需要人工进行二次修剪的情况；第二，除草机器人工作完或者电量不足时，仍需要人工协助移动到存储室内，该操作仍然相对麻烦；部分工作人员尝试过让除草机器人自主进行室内外的移动，但室内的gps定位信号太弱，无法用于路径规划；而如果使用室内定位技术，室内外的衔接路段又存在导航的问题，再加上室外gps信号的精度问题，除草机器人的室内外全自动行驶一直未能有所突破；即，现有技术手段下，除草机器人完全自主进行室内外移动的技术难以实现，因此，本领域技术人员只能在人工协助移动的便捷性上进行改进优化。
5.综上，怎样避免出现需要人工二次修剪的情况，同时能够让除草机器人全程智能化移动，从而进一步减少工作人员的工作量，成为了本领域技术人员急需解决的问题。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样避免出现需要人工二次修剪的情况，同时能够让除草机器人全程智能化移动，从而进一步减少工作人员的工作量。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种除草机器人控制系统，包括除草机器人、存储室以及与除草机器人通信的后台端；存储室开有供除草机器人进出的通道开口；存储室内设有充电装置；还包括磁导线，所述磁导线从充电装置处开始，沿存储室的室内边界及室外的工作区域边界一周后回到充电装置处，形成一个闭合区域；所述磁导线包括多个长直线段；除草机器人包括定位模块、处理模块和电磁传感器；定位模块用于进行实时定位，
电磁传感器用于采集磁力数据并发送给处理模块，处理模块用于根据定位信息及磁力数据进行除草机器人的工作地图生成和路劲规划控制；除草机器人的模式包括地图生成模式和除草工作模式；后台端内存储有工作地图，所述工作地图为基于基准地图、存储室的室内地图及工作区域的室外地图形成的拓扑地图，所述基准地图为磁导线形成的闭合区域。
8.相应的，本发明还提供了上述除草机器人的工作地图生成方法，为此，本发明采用了如下的技术方案：一种除草机器人工作地图生成方法，其特征在于，应用于上述的除草机器人控制系统，包括：s1、控制除草机器人启动地图生成模式后，控制除草机器人沿磁导线绕一周，根据除草机器人的定位信息生成虚拟边界，并得到基准地图，所述基准地图用于描述以磁导线为边界形成的闭合区域；s2、按照预设的工作路线，控制除草机器人在储存室内移动，并基于slam算法生成室内地图，并在移动过程中，根据磁力传感器的数据实时分析除草机器人在基准地图中的位置；s3、按照预设的工作路线，控制除草机器人在工作区域移动，并结合激光slam室外建图技术构建室外地图 ；还在移动过程中，根据磁力传感器的数据实时分析除草机器人在基准地图中的位置；s4、以除草机器人在基准地图中的位置为关联，将基准地图、室内地图及室外地图进行融合得到拓扑地图，并作为工作地图进行存储。
9.上述的除草机器人工作地图生成方法中，作为优选方案，所述步骤s1中，虚拟边界的生成过程包括，将除草机器人沿磁导线绕一周时获得的定位数据，作为磁导线的参照定位数据，并将该参照定位数据作为磁导线形成的闭合区域的虚拟边界。
10.上述的除草机器人工作地图生成方法中，作为优选方案，所述步骤s2中，所述根据磁力传感器的数据实时分析除草机器人在基准地图中的位置包括，根据磁力传感器的数据以及磁导线的电流数据，分析除草机器人与磁导线各长直线段的位置关系，得到除草机器人在磁导线形成的闭合区域内的位置，进而分析除草机器人在基准地图上所处的位置。
11.上述的除草机器人工作地图生成方法中，作为优选方案，执行完所述s4后，还包括：s5、当除草机器人以除草工作模式进行工作时，对室内地图及室外地图进行实时更新；s6、在基准地图、室内地图和室外地图的交汇处设置门机制，所述门机制为工作地图的更新触发机制，当机器人移动到门机制处时，根据最新的室内地图及室外地图，对工作地图进行更新。
12.上述的除草机器人工作地图生成方法中，作为优选方案，所述步骤s4包括：s41、将基准地图栅格化后，提取除草机器人在s2及s3中的行驶轨迹在基准地图上的对应栅格，并作为候选拓扑节点集进行标记；s42、获取各候选拓扑节点在室内地图或室外地图中的环境信息，并判断各候选拓扑节点对应的环境信息是否满足预设的拓扑条件，若满足则将对应的栅格区域作为拓扑节
点，若不满足则将对应的栅格区域作为边；s43、按照预设的连接方式将各拓扑节点进行连接，得到拓扑地图。
13.此外，本发明还提供了上述除草机器人的工作控制方法，为此，本发明采用了如下的技术方案：一种除草机器人控制方法，使用上述的除草机器人控制系统，包括：步骤一、控制除草机器人启动除草工作模式后，通过电磁传感器获取除草机器人的当前位置；步骤二，若当前位置为存储室内则转到步骤三，若当前位置信息为存储室外则转到步骤四；步骤三，结合工作地图及当前位置信息，控制除草机器人移动到存储室的通道开口处，对工作地图进行更新，再转到步骤四；步骤四、结合工作地图及当前的位置信息生成工作路径，并按照工作路径控制除草机器人工作。
14.上述的除草机器人控制方法中，作为优选方案，步骤一中，控制除草机器人启动除草工作模式后，还获取除草机器人的当前电量；若当前电量低于预设最低电量，则转到步骤五，否则转到步骤二；步骤五、根据工作地图及当前位置信息生成充电路径后，控制除草机器人沿充电路径行驶到充电装置处充电；并持续获取除草机器人的当前充电电量，若当前充电电量大于预设的最低充电电量则转到步骤三。
15.上述的除草机器人控制方法中，作为优选方案，步骤四中，所述工作路径包括按先后顺序依次排列的多个目标位置；按照工作路径控制除草机器人工作时，通过dwa路径规划进行相邻目标位置之间的最优路径规划。
16.上述的除草机器人控制方法中，作为优选方案，步骤四中，按照工作路径控制除草机器人工作时，还根据激光雷达的检测数据进行实时避障。
17.相比于现有技术相比，本技术具有如下有益效果：1、本技术中除草机器人的工作路径是基于拓扑地图生成，而拓扑地图是基于磁导线得到的基准地图生成，而磁导线的位置基本固定，毫无疑义的，拓扑地图上的每个位置在基准地图上的位置也是固定的，相当于，本技术通过磁导线得到了一套相对位置体系，基于这套相对位置体系，除草机器人在工作过程时可以准确的了解其位于室内/室外的准确位置。将需要除草机器人经过的具体位置按照一定的顺序排列，即可以得到工作路径。除草机器人按照工作路径进行工作，即可以保证其前行位置的精确性，可防止出现导航路线偏差过大导致的需要人工二次修改的情况。
18.2、本技术通过磁导线形成栅格地图后，将室内地图及室外地图与栅格地图进行融合，得到拓扑地图，该拓扑地图既包含了室内的位置信息，同时也包括了室外的位置信息，实现了室内外无间隙的全局导航。工作人员使用除草机器人时，只需要将其上电，后续的操作（如自动行驶到存放位置、自动行驶到充电位置等）均可以自动完成，无需人员辅助操作。
19.3、磁导线的存在，还可以起到边界限定的作用，可防止除草机器人在工作过程中行驶到基准地图以外的区域，出现磕、碰、摔倒等导致损伤的情况。
20.4、每次除草机器人工作时，都会对当前的室内地图、室外地图进行及时更新，下一
次进行工作时，则会基于已更新的信息及时生成拓扑地图作为更新后的工作地图，可以保证工作地图的有效性。
21.5、本技术中除草机器人在上电后、工作前会进行电量检测，电量低于预设电量时会控制其进行充电后再进行工作，可防止出现工作过程中电量不足，影响整体效率的情况。可保证整体效率的稳定性。
附图说明
22.为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：图1为实施例中除草机器人控制系统的逻辑框图；图2为实施例中除草机器人工作地图生成方法的流程图；图3为实施例中除草机器人控制方法的流程图。
具体实施方式
23.下面结合附图对本发明进一步的详细说明。
实施例
24.针对现有技术的不足，本发明提供了一种除草机器人控制系统及控制方法，创造性的引入了磁导线，并通过对磁导线的合理布置，不仅将室内室外的地图信息进行了有效融合，还基于磁导线得到的基准地图产生了一套相对位置体系，能够保证除草机器人自主移动的准确性，避免出现需要人工二次修剪的情况，同时能够让除草机器人全程智能化移动，进一步减少工作人员的工作量。同时还能够提升除草机器人工作时的安全性。
25.本发明中的除草机器人控制系统，如图1所示，包括除草机器人、存储室、磁导线以及与除草机器人通信的后台端。
26.本实施例中，存储室为中空的长方体，存储室内设有充电装置，具体的，本实施例中充电装置为充电桩。存储室还开有供除草机器人进出的通道开口；具体的，通道开口的开口朝向工作区域，且通道开口所在的存储室墙体与工作区域的边界相接。为便于说明，本实施例中的工作区域的垂直投影为长方形。工作区域与存储室通道开口所在墙体的底部部分重叠。磁导线从充电装置处开始，沿存储室的室内边界及工作区域边界一周后回到充电装置处，形成一个闭合区域。所述磁导线包括多个长直线段。长直线段的具体数量及长度，本领域技术人员可依据存储室及工作区域的大小及形状具体设置。
27.除草机器人上设有定位模块、扫描模块、通信模块、存储模块、避障模块和电磁传感器。本实施例中，定位模块为gps/北斗定位模块；通信模块为5g模块；避障模块及扫描模块均为激光雷达模块。定位模块用于进行实时定位，电磁传感器用于采集磁力数据并发送给处理模块 处理模块用于根据定位信息及磁力数据，进行除草机器人的工作地图生成和路劲规划控制。除草机器人的模式包括地图生成模式和除草工作模式。
28.后台端为服务器。后台端内存储有工作地图 ，所述工作地图为基于基准地图、存储室的室内地图及工作区域的室外地图形成的拓扑地图，所述基准地图为磁导线形成的闭合区域。
29.如图2所示，本技术还提供一种除草机器人工作地图生成方法，应用于上述除草机器人控制系统，包括：s1、控制除草机器人启动地图生成模式后，控制除草机器人沿磁导线绕一周，根据除草机器人的定位信息生成虚拟边界，并得到基准地图，所述基准地图用于描述以磁导线为边界形成的闭合区域。具体的，虚拟边界的生成过程包括，将除草机器人沿磁导线绕一周时获得的定位数据，作为磁导线的参照定位数据，并将该参照定位数据作为磁导线形成的闭合区域的虚拟边界。
30.虽然除草机器人的工作环境中的gps信号并不稳定，精度也难以保证，但是，其在短时间内的gps信号保持一致还是能够保证的，生成基准地图时，通过定位信息来生成虚拟边界，这个定位信息只是一个用来描述基准地图边界的参考数据（即参照定位数据），其具体数值是否准确并不重要，因为本技术在具体导航时并不依赖gps定位信息，而是基准地图这个自由位置体系。在后续具体工作时，若gps的精度出现变化（如从向东偏移10米变为向东偏移15米），也只需要依据基准地图，将接收到的gps数值进行整体平移处理即可。
31.s2、按照预设的工作路线，控制除草机器人在储存室内移动，并基于slam算法生成室内地图，并在移动过程中，根据磁力传感器的数据实时分析除草机器人在基准地图中的位置。slam (simultaneous localization and mapping)，即时定位与地图构建算法，或并发建图与定位。具体的，构建室内地图时，可使用基于linux系统上的ros平台实现基本的slam算法，除草机器人可以实现构建室内环境地图、室内智能避障导航以及室内定位功能。其底层主要以stm32和树莓派为核心，使用激光雷达获取室内地图信息。在ros上执行相应脚本，调用gmapping，acml算法实现地图构建和定位。
32.同时，根据毕奥-萨法尔定律可知，在长直导线中通过稳定的直流电，导线周围会感生出电磁场，除草机器人通过电磁传感器感知电磁场，即可识别环境中磁导线的位置，换个说法，根据磁力传感器的数据以及磁导线中的电流数据，便可以分析除草机器人与磁导线各长直线段的位置关系，从而了解其在磁导线所形成的闭合区域内的位置，进而得到其在基准地图上所处的位置。
33.预设的工作路线，本领域技术人员可依据除草机器人在具体使用环境中的具体工作内容设置。
34.s3、按照预设的工作路线，控制除草机器人在工作区域移动，并通过机器人搭载的定位系统和陀螺仪，结合激光slam室外建图技术构建室外地图；并在移动过程中，根据磁力传感器的数据实时分析除草机器人在基准地图中的位置。室外地图的构建与室内地图的构建思路大体相同，在此不再赘述。
35.s4、以除草机器人在基准地图中的位置为关联，将基准地图、室内地图及室外地图进行融合得到拓扑地图，并作为工作地图进行存储。具体地，s4包括：s41、将基准地图栅格化后，提取除草机器人在s2及s3中的行驶轨迹在基准地图上的对应栅格，并作为候选拓扑节点集进行标记。本实施例中，将基准地图栅格化时，栅格的宽度与机器人前进时的除草宽度相同。
36.s42、获取各候选拓扑节点在室内地图或室外地图中的环境信息，并判断各候选拓扑节点对应的环境信息是否满足预设的拓扑条件，若满足则将对应的栅格区域作为拓扑节点，若不满足则将对应的栅格区域作为边。拓扑节点的具体拓扑条件，本领域技术人员可依
据除草机器人工作环境的具体情况具体设置。本实施例中，拓扑条件的具体内容为，若根据移动机器人当前的位置信息，判断当前区域可以划分为建图子区域并在此区域创建局部栅格地图加以保存，且当前区域不存在还未创建的子区域，则当前位置满足拓扑条件。这样处理的目的是用以判断室内地图或室外地图环境中是否存在新的工作区域（即判断室内地图或室外地图环境区域是否发生变化），若存在，则通过拓扑对地图进行相应的更新。
37.s43、按照预设的连接方式将各拓扑节点进行连接，得到拓扑地图。
38.s5、当除草机器人以除草工作模式进行工作时，对室内地图及室外地图进行实时更新；s6、在基准地图、室内地图和室外地图的交汇处设置门机制，所述门机制为工作地图的更新触发机制，当机器人移动到门机制处时，根据最新的室内地图及室外地图，对工作地图进行更新。本实施例中，存储室的通道开口处属于设置的门机制处之一。
39.如图3所示，本发明还提供一种除草机器人控制方法，使用上述除草机器人控制系统，包括：步骤一、控制除草机器人启动除草工作模式后，通过电磁传感器获取除草机器人的当前位置及当前电量；若当前电量低于预设最低电量，则转到步骤五，否则转到步骤二；本实施例中，预设最低电量为45%，在其他实施例中，本领域技术人员可依据除草机器人的单次工作量具体设置，在此不再赘述。
40.步骤二，若当前位置为存储室内则转到步骤三，若当前位置信息为存储室外则转到步骤四；步骤三，结合工作地图及当前位置信息，控制除草机器人移动到存储室的通道开口处，对工作地图进行更新，再转到步骤四。由于存储室内的环境及果园的环境可能会出现变化，如果工作地图一直为初始的状态，则该工作地图的有效性会随着时间的推移而逐渐降低。这样的设置，每次除草机器人移动到通道开口处时，都会对当前的室内地图、室外地图进行及时更新，下一次进行工作时，则会基于已更新的信息及时生成拓扑地图作为更新后的工作地图，可以保证工作地图的有效性。
41.步骤四、结合工作地图及当前的位置信息生成工作路径，并按照工作路径控制除草机器人工作。其中，所述工作路径包括按先后顺序依次排列的多个目标位置；按照工作路径控制除草机器人工作时，通过dwa路径规划进行相邻目标位置之间的最优路径规划。dwa(dynamic window approach)，即局部路径规划算法的动态窗口法。
42.为保证工作路径的有效性，本实施例中在生成工作路径时，以完全覆盖工作环境为原则进行路径规划，以规划出的路径拐点位置为机器人导航的节点依次发布，当前位置到下一个目标点之间通过dwa路径规划进行最优路径选择执行。按照工作路径控制除草机器人工作时，还根据激光雷达的检测数据进行实时避障。由于智能除草机器人在丘陵山地果园环境下工作，其工作区域有梯坎、小丘陵、土坑、沟槽等悬崖类复杂果园环境下，机器人应感知这些环境并主动避开。要感知悬崖环境，除了搭载激光雷达、gps/北斗定位避障传感器外，还可以在除草机器人的正前方和底部垂直方向上搭载红外传感器，根据该传感器的反射测距原理，可检测水平前方高于水平地面的梯坎、丘陵、土堆等，底部垂直方向可检测土坑、沟槽等低于水平地面的地势。
43.步骤五、根据工作地图及当前位置信息生成充电路径后，控制除草机器人沿充电
路径行驶到充电装置处充电；并持续获取除草机器人的当前充电电量，若当前充电电量大于预设的最低充电电量则转到步骤三。电量低于预设电量时控制除草机器人进行充电后再进行工作，可防止出现工作过程中电量不足，影响整体效率的情况。本实施例中，预设的最低充电电量为80%。
44.本技术中除草机器人的工作路径是基于拓扑地图生成，而拓扑地图是基于磁导线得到的基准地图生成，而磁导线的位置基本固定，毫无疑义的，拓扑地图上的每个位置在基准地图上的位置也是固定的，相当于，本技术通过磁导线得到了一套相对位置体系，基于这套相对位置体系，除草机器人在工作过程时可以准确的了解其位于室内/室外的准确位置。将需要除草机器人经过的具体位置按照一定的顺序排列，即可以得到工作路径。除草机器人按照工作路径进行工作，即可以保证其前行位置的精确性，可防止出现导航路线偏差过大导致的需要人工二次修改的情况。
45.除此，本技术通过磁导线形成栅格地图后，将室内地图及室外地图与栅格地图进行融合，得到拓扑地图，该拓扑地图既包含了室内的位置信息，同时也包括了室外的位置信息，实现了室内外无间隙的全局导航。工作人员使用除草机器人时，只需要将其上电，后续的操作（如自动行驶到存放位置、自动行驶到充电位置等）均可以自动完成，无需人员辅助操作。并且，磁导线的存在，同时还可以起到边界限定的作用，可防止除草机器人在工作过程中行驶到基准地图以外的区域，出现磕、碰、摔倒等导致损伤的情况。
46.最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。