智能割草设备及其运行控制方法与流程

1.本发明涉及电动工具领域，具体涉及一种智能割草设备及其运行控制方法。


背景技术：

2.随着移动机器人技术的发展，近年来越来越多的机器人走进了人们的日常生活中，类似于扫地机器人，能自动在用户草坪中进行割草、自主反充、自主避障的智能割草设备器人也逐渐开始普及。这种智能割草设备器人可以将用户从清洁、维护草坪等繁重且枯燥的家务生活中解放出来，越来越受到用户的青睐。
3.一般，智能割草设备所工作的区域可由多个子区域构成，而这些子区域由狭窄的连接通道连接，割草机需要通过狭窄的通道在不同的子区域内工作完成割草任务。为了完成割草任务，现有技术中多是通过用户手动输入或标记工作区域内的子区域或者通道等的特征，来指导割草机在不同子区域的移动割草，此方法增加了用户的工作量，且用户输入的数据往往不够准确，可能会对割草机造成负面影响，同时也增加了用户使用割草机的难度降低了用户体验。


技术实现要素：

4.为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种能够高效准确通过狭窄通道在不同工作区域工作的智能割草设备。
5.为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种智能割草设备， 包括：控制模块，用于控制所述智能割草设备在边界线限定的工作区域移动；地图构建模块，用于在所述智能割草设备沿所述边界线行走时生成所述边界线限定的工作区域的区域地图；所述控制模块包括：地图获取单元，用于获取所述区域地图；数据处理单元，用于识别所述区域地图中的子工作区域和区域连接通道，并生成所述区域地图的拓扑结构；控制单元，被配置为：根据所述区域地图的拓扑结构控制所述智能割草设备通过所述区域连接通道在不同的子工作区域移动割草。
6.进一步的，所述数据处理单元包括：区域划分子单元，用于识别所述地图区域中的子工作区域和区域连接通道；出入口提取子单元，用于提取所述区域连接通道和子工作区域对接处的出入口节点；关系提取子单元，针对连接在同一子工作区域的不同出入口记录其连接关系；拓扑生成子单元，用于基于所述子工作区域、所述区域连接通道和所述出入口与所述子工作区域的连接关系生成所述区域地图的拓扑结构。
7.进一步的，还包括：运行检测模块，用于获取所述智能割草设备在运行过程中的位姿信息；所述控制单元被配置为：获取所述位姿信息；获取所述智能割草设备的位置信息；在根据所述拓扑结构和所述位置信息确定所述智能割草设备处于所述出入口一定距离范围时，基于所述位姿信息判断所述智能割草设备的运行方向是否朝向所述出入口；在所述智能割草设备朝向所述出入口运行时，控制所述智能割草设备沿所述边界线通过所述区域连接通道以在不同的子工作区域内移动。
8.进一步的，所述控制单元被配置为：检测所述智能割草设备沿所述边界线行走时，边界线的信号强度；在所述信号强度大于强度阈值时，控制所述智能割草设备按当前行走方向继续沿边界线行走通过所述区域连接通道；在所述信号强度小于所述强度阈值时，控制所述智能割草设备调转方向沿与所述当前运行方向相反的方向沿所述边界线行走通过所述区域连接通道。
9.进一步的，所述控制单元被配置为：在所述智能割草设备在沿所述边界线通过所述区域连接通道的过程中，控制所述智能割草设备转向所述区域连接通道的中间位置行驶。
10.进一步的，所述控制单元被配置为：在所述智能割草设备沿所述区域连接通道行走的过程中，获取设备左右两侧的信号强度；根据所述左右两侧的信号强度控制所述智能割草设备在所述区域连接通道的中间位置行驶，以使所述左右两侧的信号强度的比值处于预设比值范围。
11.一种智能割草设备的控制方法，所述方法包括：在智能割草设备沿所述边界线行走时生成所述边界线限定的工作区域的区域地图；识别所述区域地图中的子工作区域和区域连接通道，并生成所述区域地图的拓扑结构；根据所述区域地图的拓扑结构控制所述智能割草设备通过所述区域连接通道在不同的子工作区域移动割草。
12.进一步的，所述识别所述区域地图中的子工作区域和区域连接通道，并生成所述区域地图的拓扑结构，包括：识别所述地图区域中的子工作区域和区域连接通道；对比所述区域连接通道和所述子工作区域，以确定所述区域连接通道的出入口；基于所述子工作区域、所述区域连接通道和所述出入口生成所述区域地图的拓扑结构。
13.进一步的，还包括：获取智能割草设备在运行过程中的位姿信息；获取所述智能割草设备的位置信息；在根据所述拓扑结构和所述位置信息确定所述智能割草设备处于所述出入口一定距离范围时，基于所述位姿信息判断所述智能割草设备的运行方向是否朝向所述出入口；在所述智能割草设备朝向所述出入口运行时，控制所述智能割草设备沿所述边界线通过所述区域连接通道以在不同的子工作区域内移动。
14.进一步的，还包括：检测所述智能割草设备沿所述边界线行走时，边界线的信号强度；在所述信号强度大于强度阈值时，控制所述智能割草设备按当前行走方向继续沿边界线行走通过所述区域连接通道；在所述信号强度小于所述强度阈值时，控制所述智能割草设备调转方向沿与所述当前运行方向相反的方向沿所述边界线行走通过所述区域连接通道。
15.本发明的有益之处在于：利用地图信息，自动识别工作区域内的所有子区域和连接通道，并根据识别出的特征为割草机的运行导航，使其能高效准确的通过狭窄通道在各子区域内移动割草。
附图说明
16.图1是作为一种实施方式的智能割草设备工作系统示意图；图2是作为一种实施方式的智能割草设备的结构图；图3是作为一种实施方式的智能割草设备的电路框图；图4是作为一种实施方式的智能割草设备工作区域灰度图；
图5是作为一种实施方式的智能割草设备子工作区域灰度图；图6是作为一种实施方式的智能割草设备区域连接通道灰度图；图7是作为一种实施方式的智能割草设备工作区域的拓扑结构图；图8是作为一种实施方式的智能割草设备运行示意图；图9是作为一种实施方式的智能割草设备的运动控制方法的流程示意图。
具体实施方式
17.以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
18.本发明的技术方案除了适用于智能割草设备，还适用于自动清洁设备、自动浇灌设备、自动扫雪机等适合无人值守的设备，以及其他类型能够采用以下披露的技术方案的实质内容的自移动设备均可落在本发明的保护范围内。本技术以主要针对智能割草设备而言。可以理解的是，针对不同的自移动设备，可以采用不同的功能附件，不同功能附件对应不同的动作方式，在本技术的智能割草机中，功能附件为切割刀片，用以切割植被。
19.参考图1，所示的割草系统，包括工作区域100、边界线200、子工作区域300、区域连接通道400、智能割草设备500。其中，边界线200用于限定割草机的工作区域100，通常边界线200首尾连接形成封闭的工作区域100。在本技术中，工作区域100可以包括多个子工作区域300和区域连接通道400，区域连接通道400将不同的子工作区域300连接起来，共同构成工作区域100。可以理解的，区域连接通道400通常比较狭窄，其宽度可能只能容下割草机通过，例如，可以是0.5米、1米或者2米等，其长度与其所连接的两个子工作区域300间的距离相关。在本技术中，边界线200可以是能够发出电信号的设施，例如可以是导线、信号发射装置等能够发射电磁信号或光信号的设施。
20.如图2和图3所示，智能割草设备500至少包括壳体501、设置于割草机主体下方的切割刀片502、驱动轮503、控制驱动轮503行走的驱动马达（未示出）、控制模块10、电源装置20，地图构建模块30。其中，控制模块10可以包括地图获取单元101、数据处理单元102、控制单元103。可以理解的是，割草机500还包括驱动切割刀片502的切割马达（未示出）。控制模块10通过控制驱动马达和切割马达分别实现对驱动轮503的切割刀片502的控制。切割刀片用于切割草，切割刀片具有割草半径r。可以理解的，割草机500在沿边界线200行走时，工作区域最大可以是在以边界线200构成的工作区域100的基础上向外扩展r距离形成的区域。
21.电源装置20，用于向驱动马达和切割马达供电，以及提供控制模块10、地图构建模块30和运行检测模块40等单元模块的供电电压。可选的，电源装置可以是直流电源电池包，也可以是交流市电，此处不做限定。
22.地图构建模块30，用于在割草机500沿边界线200行走的过程中，构建边界线200所包围的工作区域的区域地图。
23.控制模块10，用于控制智能割草机500在边界线限定的工作区域移动。如图1所示，工作区域100包括多个子工作区域300和区域连接通道400，控制模块10可以控制割草机500通过区域连接通道400在不同的子工作区域300工作，以完成工作区域所有的割草任务。一般来说，控制模块10可以根据用户输入的不同子工作区域或区域连接通道的特征（例如子
区域编号、通道编号或者工作区域的边界特征等）控制割草机500通过区域连接通道在不同子区域移动割草。然而，这种依赖用户操作来识别工作区域相关特征并控制割草机工作的方法，其准确性不稳定且可能给割草机带来负面的影响，例如用户输入的区域连接通道的入口有偏差，则割草机在通过入口进入狭窄通道时可能会误进入非工作区域，若非工作区域存在障碍物则可能会损坏割草机。
24.本技术针对具备多个子工作区域和狭窄的区域连接通道的工作区域，通过割草机自动识别区域地图的特征，完成在工作区域的移动割草。
25.具体实现中，控制模块10中的地图获取单元101可以获取上述区域地图，并将该地图数据传输至数据处理单元102；由数据处理单元102对区域地图进行图像处理，以识别出区域地图中的子工作区域和区域连接通道，并生成区域地图的拓扑结构；进而控制单元103可以根据上述区域地图的拓扑结构控制割草机500通过区域连接通道400在不同的子工作区域移动割草。
26.在一个实施例中，数据处理单元102对区域地图的处理过程如下：具体的，数据处理单元102可以包括区域划分子单元1021、出入口提取子单元1022、关系提取子单元1023和拓扑生成子单元1024。其中，数据处理单元102可将区域地图进行图像灰度化处理得到如图4所示的灰度图像。可选的，针对工作区域的灰度图像，区域划分子单元1021可以先提取子工作区域的特征得到图5所示的子工作区域的灰度图像，其中子区域特征可以包括区域的面积、轮廓或者中心位置等特征。具体的，提取子工作区域特征的方法可以是先做闭操作，再做开操作，以提取并记录子工作区域的边界。所谓的闭操作可以是先膨胀后腐蚀逐渐缩圈以提取出工作区域中较大的子工作区域。进一步的，另外，区域划分子单元1021还可对子工作区域分配唯一的区域标识，如子区域id。同样的，区域划分子单元1021在提取子工作区域的特征后可以提取区域连接通道的特征，同样，区域连接通道的特征可以包括通道的长度、宽度、轮廓等。具体的，区域划分子单元1021可通过比较原灰度图像和子工作区域的灰度图像即图4和图5后提取二者的差异得到区域连接通道的灰度图像，如图6所示，可以理解的，还可以提取并记录区域连接通道的边界线，对区域连接通道分配唯一的通道标识，如通道id。进一步的，关系提取子单元1023，可针对连接在同一子工作区域的不同出入口记录其连接关系，例如对每个区域连接通道出入口与每个子工作区域做测试，判断出入口对应的子工作区域，然后对同一子工作区域的出入口，记录其连接关系。进一步的，拓扑生成子单元1024，可以基于上述子工作区域、区域连接通道的特征以及出入口与子工作区域的连接关系生成工作区域的拓扑结构。具体的，上述拓扑结构如图7所示， 虚线1的两个端点位于两个不同的子工作区域，虚线2的两个端点位于同一子工作区域，则虚线1为区域连接通道的拓扑线，虚线2为子工作区域的拓扑线。
27.可以理解的是，上述将数据处理单元划分为四个子单元的方式并不是唯一的，采用不同的数据处理方法识别工作区域内相关特征的时，可对数据处理单元进行不同的子单元划分。
28.在本发明实施例中，通过利用区域地图自动提取、识别工作区域内的子工作区域和狭窄的区域连接通道的特征，保证了割草机在不同子区域移动割草控制的准确性。
29.在本技术中，数据处理单元102还可以采用其他图像处理方法识别出工作区域中的子工作区域和区域连接通道，以便控制单元103能够根据识别结果控制割草机通过区域
连接通道在不同子工作区域移动割草。
30.在一个实施例中，智能割草设备500还可以包括运行检测模块40，运行检测模块40可以在割草机500行走的过程中获取割草机的位姿信息，所述位姿信息可以包括割草机的移动方向、位置姿态等信息。在割草机移动的过程中，控制单元10可以基于定位模块实时监测割草机的位置信息，并结合上述拓扑结构和割草机的位置信息判断割草机是否运行到距离出入口一定距离范围的区域，即实时监测割草机是否行走至狭窄通道出入口附近。进一步的，在监测到割草机行走至出入口附近时，控制单元103可以根据上述位姿信息判断所述智能割草设备的运行方向是否朝向该出入口。也就是说，在割草机行走至出入口附近时，需要判断割草机是否要进入狭窄的区域连接通道，以在与该通道相连的另一子工作区域内割草。可以理解的，在确定割草机的运行方向是朝向出入口时，可以认为割草机即将进入该出入口对应的区域连接通道，从而控制单元可以控制割草机沿边界线通过该区域连接通道。
31.在一种可选的实现方式中，如图8所示，假设出入口的两个拓扑节点为a，b，两个节点的中心为点c，假设割草机运行在距离中心点c（未示出）一定范围（半径为r的距离）时，计算割草机的运行方向相对于线ab的夹角α，在α满足一定的阈值范围时，确认割草机的运行方向是朝向该出入口的。
32.需要说明的是，在控制割草机沿边界线通过区域连接通道时，如图8所示，首先需要控制割草机移动至边界线200上，例如沿箭头1所指的方向移动至边界线，然后控制割草机沿边界线行走。在这个过程中，割草机沿边界线行走的方向可能是远离通道出入口的方向，如箭头2所指的方向，也可能是朝向通道出入口的方向，如箭头3所指的方向。因此，为了避免割草机远离出入口，控制单元可以检测边界线的信号强度，并根据信号强度与强度阈值的关系控制割草机沿边界线的移动方向。具体的，在检测到的信号强度大于强度阈值时，可以确定割草机正在沿边界线进入区域连接通道，此时控制单元只需控制割草机按当前行走方向继续沿边界线行走通过区域连接通道；若检测到信号强度小于强度阈值，则确定割草机正在沿边界线远离区域连接通道，此时控制单元控制智能割草设备调转方向沿与当前运行方向相反的方向沿边界线行走通过区域连接通道。
33.可以理解的是，割草机沿边界线通过区域连接通道时，可能会由于边界线外的非工作区域存在不可知的障碍物或者其他原因导致其不能正常运行。事例性的，控制单元在控制割草机沿边界线通过区域连接通道的过程中，可以控制割草机转向通道中间位置行驶，所谓的通道中间位置即形成区域连接通道的两边界线的中间位置。
34.需要说明的是，区域连接通道的宽度不同，通道内信号的强度也不同，当通道宽度较窄时，通道内的信号强度在一定误差范围内可以认为是相同的；当通道宽度大于一定值时，通道中间的信号强度较弱两边的信号强度较强，形成了中间弱两边强的信号空间。割草机在通道内行驶的过程中，控制单元可分别获取割草机左右两侧的信号强度，然后根据左右两侧的信号强度控制割草机在通道的中间位置行驶，使机身左右两个的信号强度的比值处于预设比值范围，所述的预设比值范围可以是0.5至1.5之间的任意数，如0.6、0.8、1、1.2、1.3等。事例性的，割草机在通道内以第一方向行驶时，控制单元检测到机身左侧的信号强度较弱，机身右侧的信号强度较强，且二者的比值为0.2，则可以确定割草机距离左侧的边界线较远，此时控制单元控制割草机向左转向并朝左侧边界线移动一定距离，直至左右两侧的信号强度比值处于预设比值范围，再控制割草机转回上述第一方向继续行驶。其
中，第一方向即割草机驶离区域连接通道的方向，可以认为与从通道入口到通道出口的方向一致。
35.进一步的，割草机在通道内行驶的过程中，当控制单元检测到信号强度低于强度阈值时，可以确定割草机已驶出该通道，驶入了与之连接的子工作区域。需要说明的，在割草机驶入子工作区域后，在该区域内行走割草，具体的行走控制方式此处不做限定。
36.下面将结合图9说明用于智能割草机运动控制方法的流程示意图，该方法包括如下步骤：s101，获取边界线所限定的工作区域的区域地图。
37.s102，识别区域地图中的子工作区域和区域连接通道，生成相应的拓扑结构。
38.s103，获取割草机在运行过程中的位姿信息。
39.s104，获取割草机的位置信息。
40.s105，根据拓扑结构和位置信息判断割草机是否处于出入口一定距离范围，若是则转入步骤s106，否则返回步骤s104。
41.s106，基于位姿信息判断割草机的运行方向是否朝向出入口，若是则转入步骤s107，否则返回步骤s103继续获取割草机的位姿信息。
42.s107，控制割草机沿边界线通过区域连接通道。
43.需要说明的是，在割草机沿边界线通过区域连接通道的过程中，可以根据检测到的边界线的信号强度控制割草机在通道的中间位置行驶，具体可以参见上述实施例中的描述，此处不再赘述。
44.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。