本發(fā)明涉及一種智能割草機系統(tǒng)，尤其是指一種無外部導(dǎo)航信息的割草機自主有序割草方法。

背景技術(shù)：
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隨著改進人們生活環(huán)境、增加城市綠化面積的需求，國內(nèi)外各種單位、家庭的草坪迅速發(fā)展，為減輕繁重的人工割草勞動力和減少常規(guī)人操作油動割草機的噪聲，近些年無人自動割草機應(yīng)運而生。但是目前國內(nèi)外生產(chǎn)的自動割草機尚不能有效實現(xiàn)自主有序割草技術(shù)，主要原因是自動割草機的行駛依賴在草坪邊界圈埋電線圍欄的外部無線電信號來導(dǎo)航。一旦自動割草機受到其他電磁干擾或遇到障礙物，自動割草機就出現(xiàn)雜亂行駛，不能有效完成整個草坪的割草任務(wù)，未割草坪區(qū)域和重復(fù)局限在部分區(qū)域內(nèi)割草問題難以克服。圈埋的圍欄電線還容易受到損壞。

因為普通衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(如GPS或北斗)對地面定位誤差很大，實際定位誤差大于十幾米，無法用來準確導(dǎo)航自動割草機。國外出現(xiàn)少數(shù)用差分GPS來定位自動割草機，但是由于產(chǎn)品價格相對昂貴(相當于普通自動割草機價格的三倍)，因此，很難被用于家庭草坪割草所采納。即使用差分GPS來定位的自動割草機，也存在對于不同的草坪形狀(包括有障礙物)如何實現(xiàn)有效的“有序”割草問題。

本發(fā)明就是要設(shè)計一套不依賴外部信息割草機自主有序割草方法和成本價格低的智能割草機。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明提供一種無需外部導(dǎo)航信息的割草機自主有序割草方法，無需在草坪邊界圈埋電線圍欄的外部信息，也不需用差分GPS導(dǎo)航，本發(fā)明利用自動割草機本身的裝置和計算機軟件系統(tǒng)，就可對不同形狀的草坪實現(xiàn)自主規(guī)劃路徑有序行駛割草，并具有避障重規(guī)劃自主有序割草功能。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種無外部導(dǎo)航信息的割草機自主有序割草方法，包括多邊形邊界的草坪自主有序割草方法、曲線邊界的草坪自主有序割草方法和避障重新規(guī)劃路徑自主有序割草方法。

多邊形邊界的草坪自主有序割草方法包括多邊形邊界草坪的分區(qū)方法和多邊形邊界草坪的自主有序割草方法，多邊形邊界草坪的分區(qū)方法包括：多邊形邊界草坪根據(jù)拓撲形狀自動分成若干個矩形、三角形和梯形；多邊形邊界草坪的自主有序割草方法包括：矩形區(qū)自動規(guī)劃正反向平行“U”形組成的割草行駛路徑，三角形區(qū)和梯形區(qū)自動規(guī)劃正反向平行“U”形長度等差遞減的割草行駛路徑。

曲線邊界的草坪自主有序割草方法包括曲線邊界的草坪總體行駛地圖規(guī)劃方法和曲線邊界的草坪有序行駛自主導(dǎo)航方法；曲線邊界的草坪總體行駛地圖規(guī)劃方法包括：根據(jù)草坪邊界曲線形狀，首先確定草坪“形心”，再以形心為中心，生成相對于邊界曲線的內(nèi)部序列曲線地圖，邊界內(nèi)的曲線與邊界曲線具有幾何相似性并以極坐標三次樣條曲線表示，邊界內(nèi)的序列曲線的徑向半徑尺寸大小是依每減小一個割草寬度遞減，所有上述序列曲線生成后形成地圖曲線集存儲在計算控制系統(tǒng)中；所述的曲線邊界的草坪有序行駛自主導(dǎo)航方法包括：割草機在上述規(guī)劃的地圖曲線上行駛時，對于極坐標樣條曲線表達的規(guī)劃路徑所在位置作下一點θ_j+1的三次樣條插值，得到曲線上型值點s_j(ρ_j,θ_j)及該點的一階導(dǎo)數(shù)s'_j(ρ_j,θ_j)，由該點一階導(dǎo)數(shù)值得到該點切線，也就是割草機前進的方向，而與下一點兩切線的夾角，就是割草機將要轉(zhuǎn)動的角度Δθ，割草機每小段前進距離由計算該段曲線的“弧長”給定，前進的方向就是曲線該點轉(zhuǎn)角Δθ，其前進距離和轉(zhuǎn)角的控制由計算控制系統(tǒng)操控割草機行駛，轉(zhuǎn)角的控制由計算控制系統(tǒng)中的陀螺角速率對時間段Δt積分測控割草機角度反饋而實現(xiàn)(圖3)。

避障重新規(guī)劃路徑自主有序割草方法通過兩個紅外測距儀機和避障重新規(guī)劃路徑自主有序行駛的軟件程序?qū)崿F(xiàn)，兩個紅外測距儀安裝在割草機的前部，并通過數(shù)據(jù)線與計算控制系統(tǒng)連接,以分別傳遞所測試到的障礙物與割草機上兩個紅外測距儀的距離：左側(cè)距離L₁，右側(cè)距離L₂；采用為非接觸傳感避障技術(shù)，根據(jù)左側(cè)距離L₁、右側(cè)距離L₂的大小判斷割草機左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，通過兩個紅外測距儀的繼續(xù)檢測繞過障礙物，向預(yù)規(guī)劃的地圖行駛曲線上相近的一個點行駛(圖5)。

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)全自主規(guī)劃路徑和導(dǎo)航的智能割草技術(shù)；

(2)無需額外在草坪邊界圈埋電線圍欄；

(3)無需差分GPS導(dǎo)航割草機；

(4)不受外部無線電信號的電磁干擾；

(5)適于不同邊界形狀草坪的有序規(guī)劃割草作業(yè)；

(6)非接觸傳感避障技術(shù)；

(7)成本低。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的矩形邊界草坪的自主有序割草路徑規(guī)劃示意圖。

圖2為本發(fā)明的多邊形、曲線邊界草坪的自主有序割草路徑規(guī)劃示意圖，

2(a)多邊形邊界草坪的自主有序割草路徑規(guī)劃

2(b)曲線邊界草坪的自主有序割草路徑規(guī)劃。

圖3為本發(fā)明的曲線邊界草坪的自主導(dǎo)航行駛方法原理圖。

圖4為本發(fā)明的割草機自動檢測障礙物位置方法的示意圖。

圖5為本發(fā)明的割草機自動檢測、回避障礙物和重新規(guī)劃路徑方法的示意圖。

其中：

1-紅外測距儀；2-自動割草機；3-計算控制系統(tǒng)。

具體技術(shù)方案：

1.對于矩形邊界草坪，割草機的基本行駛路徑是“直線”，直線+到邊轉(zhuǎn)彎弧形一個來回路徑就是“U”形?！癠”形的寬度應(yīng)等于(或略小于)割草機的割草寬度(圖1)。

2.對于多邊形邊界草坪，首先割草機的計算控制系統(tǒng)要根據(jù)邊界點的情況做簡要的拓撲分析：哪些是具有直角的相鄰邊？哪些是具有鈍角的相鄰邊？哪些是具有銳角的相鄰邊？是否是全凸形？是否具有凹形？其次，需找出具有凹直角鄰邊(如沒有凹邊，就找出凹直角鄰邊)，將多邊形按最少個數(shù)劃分出若干個矩形。再次，將多邊形已劃矩形后余下部分，根據(jù)具有非直角相鄰邊，按最小個數(shù)劃分為若干個梯形或三角形。

由于矩形是最方便規(guī)劃導(dǎo)航路徑割草的形狀，所以盡可能將多邊形大部分區(qū)域劃分為矩形，以減少梯形和三角形數(shù)量。

對于梯形和三角形區(qū)域，不能按等長度“U”形依次規(guī)劃路徑，對于梯形和三角形區(qū)的斜邊，按等差梯度逐次改變“U”形長度規(guī)劃割草路徑(圖2a)。

3.各矩形區(qū)、梯形區(qū)、三角區(qū)的割草行徑的起始點和終結(jié)點規(guī)劃，應(yīng)設(shè)計前一割草區(qū)終結(jié)點與下一割草區(qū)起始點相接，以避免或減少重復(fù)路徑。

4.對于曲線邊界的草坪，首先對曲線邊界曲線上型值點s_j(ρ_j,θ_j)，用極坐標樣條曲線擬合(圖3)表示：

其中：

h_j+1＝θ_j+1-θ_j

t＝(θ-θ_j)/h_j+1

其次，按面積靜矩方法求出曲線邊界內(nèi)的面積“形心”O(jiān)點。再以形心為中心，生成相對于邊界曲線的內(nèi)部序列曲線地圖，邊界內(nèi)的曲線與邊界曲線具有幾何相似性并仍以極坐標三次樣條曲線表示，邊界內(nèi)的序列曲線的徑向半徑尺寸大小是依每減小一個割草寬度遞減，所有上述序列曲線(圖2b)生成后形成地圖曲線集存儲在計算控制系統(tǒng)中。

5.上述預(yù)計路徑曲線的割草機行駛導(dǎo)航方法：對于預(yù)計的路徑曲線做三次極坐標三次樣條曲線插值來確定割草機每一步的行徑。具體方法是對割草機所在位置作下一點的三次樣條插值，得到曲線上型值點s_j(ρ_j,θ_j)及該點的一階導(dǎo)數(shù)s'_j(ρ_j,θ_j)。由該點一階導(dǎo)數(shù)值得到該點切線，也就是割草機前進的方向，而與下一點兩切線的夾角，就是割草機將要轉(zhuǎn)動的角度Δθ。割草機每小段前進的距離由計算該段曲線的“弧長”給定，前進的方向就是曲線該點轉(zhuǎn)角Δθ，其前進距離和轉(zhuǎn)角的控制由計算控制系統(tǒng)操控割草機行駛，轉(zhuǎn)角的控制由計算控制系統(tǒng)中的陀螺角速率對時間段Δt積分測控割草機角度反饋而實現(xiàn)。一圈封閉曲線規(guī)劃路徑，依次求得每小段前進的“弧長”和前進的轉(zhuǎn)角Δθ，完成全程環(huán)形路徑的行駛作業(yè)，并記錄行駛過程的各段“弧長”和前進轉(zhuǎn)角Δθ的數(shù)據(jù)數(shù)組(圖3)。

由于逐圈向內(nèi)的規(guī)劃曲線具有幾何相似性，只要計算最外圈的各段“弧長”和前進轉(zhuǎn)角Δθ的數(shù)據(jù)，內(nèi)圈曲線的前進轉(zhuǎn)角Δθ數(shù)組不變，僅僅各段“弧長”按極坐標徑長ρ_i對相應(yīng)的邊界的極坐標徑長ρ₁之比例而減小。

6.本發(fā)明為非接觸傳感避障技術(shù)，所述的避障傳感器為安裝在割草機前部左右兩個紅外測距儀1，兩個紅外測距儀通過數(shù)據(jù)線與計算控制系統(tǒng)3連接,以分別傳遞所測試到的障礙物與割草機上兩個紅外測距儀的距離：L₁(左側(cè)距離)，L₂(右側(cè)距離)。

當割草機前方(2米距離之內(nèi))遇到障礙物(圖4)，紅外測距儀會自動感應(yīng)障礙物并測出與障礙物之間的距離。如果L₁＝L₂，割草機默認朝右轉(zhuǎn)；如果L₁>L₂(或左側(cè)紅外測距儀感應(yīng)障礙物)，割草機默認朝左轉(zhuǎn)，如果L1<L2(或右側(cè)紅外測距儀感應(yīng)障礙物)，割草機默認朝右轉(zhuǎn)。根據(jù)預(yù)設(shè)計的地圖路徑線上離當前割草機前方最近的點，作為重新規(guī)劃行徑的目標點，控制割草機向目標點轉(zhuǎn)動和前進，同時兩個紅外測距儀的繼續(xù)檢測,繞過障礙物,直到達到該目標點，然后按預(yù)設(shè)計的地圖路徑行駛作業(yè)(圖5)。

此項非接觸傳感避障技術(shù)，可避免割草機與障礙物碰撞，可重新自動尋找預(yù)計路線上的點，按規(guī)劃行駛，可以避免行徑錯亂的情況發(fā)生。

7.本方法記錄正確導(dǎo)航的全部數(shù)據(jù)和規(guī)劃路線數(shù)據(jù)，因此對于特點的草坪，可以按預(yù)設(shè)路線地圖行駛，不必重復(fù)計算。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。