一种智能割草机及其路径规划方法与流程

1.本技术涉及自动控制技术领域，具体地涉及一种智能割草机及其路径规划方法。


背景技术：

2.智能割草机被广泛应用于家庭庭院草坪的维护、大型草地的修剪。为了实现智能割草机的预定功能，如对指定场所的割草，需要对智能割草机的路径进行全区域覆盖规划，使其完全覆盖指定场所内所有无障碍的区域。根据对指定场所的不同覆盖路径规划，可分为随机路径规划和非随机路径规划两种。
3.随机路径方式下(如图1所示)，割草机20在由边界线30围成的工作区域内直线行走，通过割草机20上配置的边界传感器21/22检测割草机20碰到边界线30后转向再直线l行走；工作区域内的各种方向的直线不断交叉积累，最终依靠概率的方式覆盖几乎整个工作区域的方法。此方式下智能割草机运行的工作面积覆盖率低，耗时长，效率低，容易发生部分区域与角落的漏切割和重复切割，且切割耗时长。
4.非随机路径规划(有规划的路径)，就可以大幅度的提高工作面积覆盖率，效率高，耗时少；但是该方式实施的前提要让智能割草机知晓其实时位置坐标，以及需要割草的工作区域的形状尺寸；基于实时定位信息智能割草机的控制模块进行导航控制。目前定位常采用基于卫星定位与导航(dgps差分gps)、惯性定位与导航，超宽带定位与导航(uwb)等方式，该类实施方式下，成本高，不利于智能割草机的普及。如采用基于卫星定位与导航(dgps差分gps)的路径规划技术，该实施方式下系统需要一个差分基站，实施成本高昂，用户安装使用极其不方便；同时其系统运行依赖于卫星信号及实时差分算法，一旦出现天气(云层厚度)变化、较高建筑物或树木遮挡等情况，就可能出现较大的定位误差，导致其虚拟边界不稳定，从而有可能导致割草机行走到虚拟边界以外，造成安全问题。
5.因此，需改进现有的智能割草机的路径规划方法。


技术实现要素：

6.为克服上述缺点，本技术的目的在于：提供一种基于边界线工作的智能割草机及其路径规划方法。该方法下智能割草机极大的提升了割草效率，同时仍然能够保证基本的安全性能。
7.为了达到以上目的，本技术采用如下技术方案：
8.本技术实施例提供一种智能割草机的路径规划方法，其特征在于，所述路径规划方法包括：
9.s10.建立边界线电子地图，所述边界线电子地图包括：基于实时监测模块获取智能割草机处于边界线时其自身周围的信息并依据预设的算法模型生成特征点云闭环信息，
10.s20.控制模块基于确定的边界线电子地图对所述工作区域进行路径规划，智能割草机基于规划的路径移动。这样基于确定的边界线电子地图及边界线启动双重的作用限定工作区域。该方式下，边界线电子地图相当于虚拟的边界线(其包括实体边界线位置及实体
边界线两侧可作参考的物体对应的标记在虚拟的边界线上)，这样在割草时利用边界线电子地图/虚拟的边界线实现精确导航、精确定位,提高割草效率。该实时监测模块可为激光雷达、可测距的摄像头模组。
11.在一较佳的实施方式中，该步骤s10包括：
12.s1.智能割草机以边界线的预设位置为起点沿所述边界线环行至少1圈，
13.s2.实时监测模块在所述智能割草机移动的同时获取所述智能割草机周围的特征信息或距离信息，并将获取的特征信息或距离信息反馈至数据处理模块，
14.s3.数据处理模块接收并响应所述特征信息或距离信息，依据预设的算法模型生成特征点云闭环。
15.在一较佳的实施方式中，该步骤s1中，预设位置为充电站，运行时所述智能割草机在边线传感器及边界线的引导下从充电站处开始沿边界线移动1圈返回至充电站。
16.在一较佳的实施方式中，该智能割草机沿边界线移动1圈或多圈。
17.在一较佳的实施方式中，该步骤s20中包括：基于边界线电子地图获取运行信息，并基于运行信息依据预设路径控制智能割草机移动路径，
18.所述运行信息包括：移动路径的方式、工作区域的形状、工作区域内障碍物的形状及障碍物的位置中的至少一种。该方式下基于边界线电子地图获取工作区域的形状、工作区域内的地形及周边环境特征，这样基于此可高效的路径规划(如整块工作区域的移动路径规划、工作区域分割成小块并据此进行移动路径规划，提高割草的效率)，在工作区域内时基于边界线电子地图及实时获取的图像及距离的信息实现精确定位智能割草机当前的位置。
19.在一较佳的实施方式中，该预设路径包括：弓字形往复行走、螺旋形或回字形行走中的至少一种。
20.在一较佳的实施方式中，该步骤s20中，在工作区域内移动时，实时监测模块实时获取所述智能割草机周围的信息并将信息反馈至数据处理模块，以精确的定位智能割草机当前的位置。
21.在一较佳的实施方式中，该步骤s10包括：
22.工作区域内智能割草机从任意一处开始向任意方向直线行走，直到碰到边界线后返回，并与原直线间隔预设距离平行行走，并以此不断往复，同时在智能割草机每一次碰边界线时标定此处边界点并获取边界点处边智能割草机的周围信息，且多个所述边界点连接成闭环。
23.在一较佳的实施方式中，该预设距离为智能割草机切割直径的0.5～1倍。
24.在一较佳的实施方式中，该步骤s20中包括：
25.所述智能割草机以第一工作模式或第二工作模式移动，
26.所述第一工作模式配置成所述智能割草机仅在边界线电子地图的区域内移动，
27.所述第二工作模式配置成所述智能割草机在边界线电子地图及边界线共同作用的区域内移动。
28.在一较佳的实施方式中，该步骤s20中包括：所述智能割草机以第三工作模式移动，所述第三工作模式配置成所述智能割草机在边界线电子地图及边界线共同作用的模式下移动切换至仅在边界线电子地图的模式下移动或仅在边界线电子地图的模式下移动切
换至所述智能割草机在边界线电子地图及边界线共同作用的模式下移动。这样智能割草机可在边界线电子地图及边界线共同限定的区域内运行或仅在边界线电子地图限定的区域内运行或，在边界线电子地图及边界线共同限定的区域场合下，关闭边界线后仅在边界线电子地图限定的区域内运行。当然智能割草机可在边界线限定的区域内运行。
29.本技术实施例提供一种智能割草机，其特征在于，包括：
30.本体，所述本体上配置有移动部件，所述移动部件连接驱动电机，该驱动电机电性连接控制模块，基于驱动电机的驱动所述移动部件动作使得智能割草机移动，
31.信号检测装置，其配置于本体上，用以检测边界线信号，
32.实时监测模块，其配置于所述本体上，所述实时监测模块连接数据处理模块，数据处理模块处理的数据传输至控制模块，
33.控制模块其电性连接所述数据处理模块，所述智能割草机配置成运行时执行上述的路径规划方法。这样的设计，基于实时监测模块在智能割草机移动时实时的其周围的信息，并反馈至数据处理模块，数据处理模块接收并响应该信息，在建立边界线电子地图步骤时，基于实时监测模块(如，激光雷达)快速形成围绕边界线的特征点云闭环信息；在割草同时基于实时监测模块采集的信息，能精确的确定智能割草机在位于工作区域的位置坐标，这样有利于路径规划，提高割草效率。在不能确定位置坐标时或没有边界信号时停止工作。
34.有益效果
35.与现有技术相比，本技术实施方式的智能割草机，运行时先建立围绕边界线(实体边界线)的特征点云闭环信息的边界线电子地图，该边界线电子地图包括实体边界线信息及边界线信息两侧的可供参考的特征信息、工作区域内的障碍物等信息。运行时基于实时监测模块(视觉或激光传感器)的slam定位和导航算法的路径规划方法，使得智能割草机在更加智能化，极大提升割草效率，同时仍然能够保证基本的安全性能。
附图说明
36.附图用来提供对本公开技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。附图中各部件的形状和大小不反映真实比例，目的只是示意说明本技术内容。
37.图1所示为传统的随机路径规划方法示意图，
38.图2所示为本技术实施例的智能割草机沿边界线环行的示意图，
39.图3和图4所示为本技术另一实施例的智能割草机在直线往复运动中确定边界线电子地图的示意图，
40.图5所示为规划路径：弓字直线往复路线的示意图，
41.图6所示为规划路径：螺旋形和回字形路线的示意图，
42.图7/图8所示为本技术实施例的智能割草机的结构示意图。
具体实施方式
43.以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本技术而不限于限制本技术的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
44.除非另外定义，本公开实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本技术所属领域内具有一般技能的人员所理解的通常意义。“包括”或者“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。在本文中，“电性连接”包括构成要素通过具有某种电作用的元件连接在一起的情况。“具有某种电作用的元件”只要可以进行连接的构成要素间的电信号的授受，就对其没有特别的限制。“具有某种电作用的元件”例如可以是电极或布线，或者是晶体管等开关元件，或者是电阻器、电感器或电容器等其它功能元件等。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
45.实施例
46.本技术提出一种智能割草机该智能割草机，包括：本体，该本体上配置有移动部件，移动部件连接驱动电机，基于驱动电机的驱动移动部件动作使得智能割草机移动，信号检测装置，其配置于本体上，用以检测边界线信号，实时监测模块，其配置于本体上，实时监测模块连接数据处理模块(进行数据传输，可为无线连接数据传输、也可为物理连接进行数据传输)控制模块其连接数据处理模块，智能割草机配置成运行时执行先建立边界线电子地图，再对工作区域进行规划路径，提高割草效率。该智能割草机配置的实时监测模块可获取具有可测距的三维图像信息。较佳的，该实时监测模块为激光雷达、可测距摄像头模组(如相机与传感器的组合，获得图像信息及距离信息)。移动部件为车轮或履带。较佳的，数据处理模块集成在控制模块上。
47.在一实施方式中，该智能割草机配置有充电端子，其配置于本体的侧端。这样的设计，该智能割草机可沿进入充电站的方向离开充电站。便于以充电站以起点绕边界线一圈或多圈，建立边界线电子地图。
48.在一实施方式中，实时监测模块为测距模组(如超声波传感器)，该传感器用以在智能割草机行走过程中，实时的测量距离信息，并传输至数据处理模块(如控制模块中的mcu进行计算和处理)，逐步形成并记录工作区域的边界，并采用lds slam算法生成工作区域及其周边的电子地图；与此同时，根据该lds slam算法，智能割草机在位于工作区域内任何位置时，通过测距模组和电子地图都能知道自己的精确的位置坐标。
49.在一实施方式中，该智能割草机包括：边界线信号检测装置(即边界线传感器)，在边界线传感器和边界线的引导作用下，智能割草机在切割开始时首先骑着边界上沿边界线移动一圈(或多圈)。以建立边界线电子地图，相当于虚拟的边界线(虚拟的边界线包括实体边界线位置及实体边界线两侧可作参考的物体对应的标记在虚拟的边界线上)。或，智能割草机在工作区域内向前行走碰到边界线时，当其头部的边界线传感器探出边界线外时，检测到负极性即界外信号，此时智能割草机判定碰到了边界线并结合可测距摄像头模组的定位数据，就可以精准的确定此处边界线在在电子地图中的位置坐标；通过多次的在不同地点触碰边界，标定积累而得到整个实体边界线的虚拟的高精度(厘米级)边界线电子地图。这个高精度的边界线电子地图可以为路径规划提供更精准的定位和导航依据。当可测距摄像头或激光测距模组受弱光或强光或者受其它环境因素影响，而发生功能性障碍，导致控制模块无法获得准确的定位数据时，智能割草机可以采取两种控制模式：第一种，报错停
机；第二种，报错并进入随机路径工作模式。由于物理边界线及其电磁信号的限定作用，此时智能割草机仍然能够在工作区域内安全的进行割草作业。可以理解，该智能割草机还具有电池、1个或多个割草电机及匹配的切割单元等，该切割单元安装在本体上，电池为智能割草机提供驱动、割草等的电能，控制模块控制该割草电机进而控制切割单元。
50.本技术的实施方式中，智能割草机在作业时，边界线通电产生一定频率的脉冲电磁信号，并且以边界线为界，这种脉冲电磁信号具备两种相反的极性；一般定义在边界线以内为正极性信号，而在在边界线以外为负极性信号(在一模式下，建立边界线电子地图后，可关闭该边界线，智能割草机任然能在边界线电子地图围成的区域内工作)。即相当于而沿着工作区域的边缘形成了一个电子篱笆墙，在篱笆墙(即边界线)内/外两侧恰好是正负极性相反的信号。在智能割草机本体的前部的两侧安装有两个边界线信号检测装置；两个边界线信号检测装置分别接收边界线发出的电磁信号。当智能割草机在工作区域内且边界线信号检测装置(边界线传感器)接收到的是正极性信号(在边界线内)时，割草机会保持直向前行走；当智能割草机行走到工作区域的边界处时，其头部的一个或者两个边界线传感器出界，就会接收到负极性信号(在边界线外)；此时智能割草机的控制模块控制割草机转向(较佳的，先后退一定距离再转向)，使头部朝向工作区域内部(两个边界线传感器都接收到正极性信号)，然后再直线向前行走；由此保证智能割草机不会越出边界，始终都被限定在该特定的工作区域内行走。在边界线传感器接收到负极性信号时，机器转向回到工作区域或者寻找工作区域；而在边界线传感器检测不到边界线信号时，机器立即停止工作；这种机制保证了智能割草机使用时的绝对安全性。
51.接下来描述本技术提出的上述智能割草机的路径规划方法，智能割草机配置成在由边界线围设的工作区域内工作，其特征在于，路径规划方法包括：
52.s10.建立边界线电子地图，所述边界线电子地图包括：基于实时监测模块(如激光雷达)获取智能割草机处于边界线时其自身周围的信息并依据预设的算法模型生成特征点云闭环信息，
53.s20.控制模块基于确定的边界线电子地图对所述工作区域进行路径规划，智能割草机基于规划的路径移动。智能割草机在由边界线围设的工作区域内行走和工作，提高割草效率。建立边界线电子地图，如，在切割时首先沿边界线(智能割草机骑着边界线)上行走一圈(从充电站出发，直至再返回至充电站)。智能割草机在移动的同时根据激光雷达所采样的工作区域内及割草机周边物体的信息，并基于预设的算法模型确定边界线电子地图。该方式下，边界线电子地图相当于虚拟的边界线并将实体边界线两侧可作参考的物体对应的标记在虚拟的边界线上，这样在割草时利用虚拟的边界线实现精确导航、精确定位。该方式下，还可确定智能割草机的实时位置坐标，并基于此电子地图进行路径规划以便于进行高效的切割(割草)作业。
54.下面结合图2来描述本技术一实施例的智能割草机的建立边界线电子地图的方法，该方法包括：
55.s1.智能割草机200以边界线300的预设位置为起点沿边界线环行至少1圈，
56.s2.实时监测模块(如激光雷达)在智能割草机移动的同时获取智能割草机周围的信息(特征信息或距离信息)，并将获取的信息反馈至数据处理模块，
57.s3.数据处理模块接收并响应所述信息，依据预设的算法模型生成特征点云闭环。
较佳的，该预设位置为充电站100(非工作状态下，智能割草机200通常在充电站100上)。该方法下，智能割草机200，在切割开始时首先骑着边界线上(也称沿边界线)300环行一圈(或多圈)，在移动过程中利用激光雷达捕捉智能割草机200周围的信息(如，边界线300两侧的环境信息/参照物信息、障碍物信息、工作区域内，(激光雷达的探测范围比较广可覆盖边界线围成的工作区域)的参照物/障碍物信息)，按照slam算法形成围绕边界线的特征点云闭环，以建立高精度(厘米级)的边界线电子地图。此边界线电子地图确定了工作区域，进而实现智能割草机的控制模块据边界线电子地图进行作业路径规划(基于边界线电子地图获得的工作区域)，该边界线电子地图匹配对应实体边界线。作业时智能割草机在工作区域移动，基于激光雷达或可测距的摄像模块采样的当前信息再结合边界线电子地图的信息可实现精确定位。进而提高作业效率。该方式下，较佳的，充电端子配置于智能割草机本体的侧部，这样智能割草机可沿进入充电站的方向离开充电站。
58.作为图2实施方式的变形如图3所示，建立边界线电子地图时，使智能割草机200从工作区域内任意一处开始向任意方向直线l1行走，直到碰到边界线300(或者障碍物)后停止，移动一个(割草的)刀宽的距离后，与来时的直线反向且平行行走，直到下一次碰到边界线300；并以此相同的方式，向更远的区域平推。在这种平行往复运动中，每次当智能割草机碰到边界线时，当其头部的边界线传感器探出边界线外时，检测到负极性即界外信号，此时智能割草机判断碰到了边界线，结合可测距摄像头模组或者激光测距模组并采集此处的信息，就可以精准的确定此处边界线的位置坐标；通过多次的在不同地点触碰边界，标定该点的位置坐标，并通过不断积累而得到整个实体边界线的高精度(厘米级)边界线电子地图。
59.作为图2实施方式的变形如图4，使智能割草机200从工作区域内任意一处开始向任意方向斜直线l2行走，直到碰到边界线300(或者障碍物)后停止，移动一个刀宽(割草刀宽)的距离后，与来时的直线反向且平行行走，直到下一次碰到边界；并以此相同的方式，向更远的区域平推。在这种平行往复运动中，每次当智能割草机碰到边界线300时，当其头部的边界线传感器探出边界线外时，检测到负极性即界外信号，此时智能割草机判断出碰到了边界线；可测距摄像头模组或者激光测距模组采集此处的信息，就可以精准的确定此处边界线的位置坐标；通过多次的在不同地点触碰边界，标定该点的位置坐标，并通过不断积累而得到整个实体边界线的高精度(厘米级)电子地图。
60.在一实施方式中，在建立/确定边界线电子地图后(此时获得工作区域内的运行信息包括：工作区域的形状、工作区域内障碍物的形状及障碍物的位置中的至少一种，控制模块根据工作区域的形状、障碍物的布局等情况进行路径规划，并以此导航控制智能割草机移动进行作业。在一实施方式中，在建立/确定边界线电子地图后，依据如图5所示为在确定边界线电子地图后，其行走路线包括弓字形l3往复行走，或45
°
斜直线l4往复行走，或螺旋形或回字形(参见图6)行走等多种路线，该方式下，依据建立的边界线电子地图，智能割草机采用基于视觉或激光传感器的slam定位和导航算法，使其更多的时间覆盖在工作区域来割草，这样极大的提升割草效率；且能始终保证智能割草机在限定的工作区域内工作，不能走出工作区域内，保证了智能割草机的安全性能。还可按照最高效率原则或者有客户指定的方式，按照有规划和有目的路线行走，对工作区域进行高效率的全覆盖遍历。
61.如图7所示为本技术一实施例的智能割草机的示意图，在智能割草机200，包括本体203，本体203前方侧(割草机行驶方向上)配置有边界线传感器201/202，本体203上配置
有至少一组可测距相机205(可测距相机包括相机及测距传感器)。本体203设有移动部件204，其电性连接驱动电机(图未示)，并基于驱动电机的驱动使得移动部件204动作从而使得智能割草机200移动。利用可测距相机，以获得视野内的二维图片信息及智能割草机与对应物的距离信息，这样数据处理模块(如mcu)基于vslam算法提取采样的特征点，并储存在特征点云数据中并集合距离信息，从而获得实际的比例尺，将特征点云换算成三维的具有精确尺寸的地图数据，以此可确定当前智能割草机自身的位置。
62.作为图7上述实施方式的变形，如图8所示，在智能割草机2000包括本体2003，本体2003前方侧(割草机行驶方向上)配置有边界线传感器2001/2002，本体2003上配置激光测距模组2005；本体2003设有移动部件2004，其电性连接驱动电机(图未示)，并基于驱动电机的驱动使得移动部件204动作从而使得智能割草机2000移动。运行时该激光测距模组2005在360
°
方向上实时的测量智能割草机到边界线或边界线及其周边物体的距离信息，这样数据处理模块(如mcu)基于预设的算法模型(如tds slam算法)，计算生成具有精确尺寸的地图数据，以此确定当前智能割草机自身的位置。
63.本技术提出的智能割草机，其运行时先建立确定边界线电子地图，该边界线电子地图包括，边界线位置信息、边界线两侧的参照物/障碍物的信息，依据该边界线电子地图获取到根据工作区域的形状、工作区域内障碍物的布局等情况，然后基于建立的边界线电子地图进行工作区域的路径规划。智能割草机采用基于视觉或激光传感器的slam定位和导航算法，使得智能割草机隐形更加智能化，更多的时间覆盖在工作区域，提升割草效率；且始终保证智能割草机在工作区域内工作。智能割草机可工作于边界线围成的工作区域与边界线电子地图限定的共同区域内，这样类似双重边界线，确保智能割草机的安全性能。该场合下智能割草机运行于第二工作模式较佳的，在运行时还可关闭边界线，该场合下智能割草机运行于第三工作模式。在一实施方式中，智能割草机(该场合下智能割草机运行于第一工作模式)可仅工作于边界线电子地图的工作区域，利用边界线电子地图的信息实现精确定位。这种工作机理保证了智能割草机的安全性能。
64.上述实施例只为说明本技术的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本技术的内容并据以实施，并不能以此限制本技术的保护范围。上述的自行走设备可为服务机器人。凡如本技术精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本技术的保护范围之内。