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一种GNSS单点定位和惯性导航割草机的运行方法

2021-03-30 09:08:28

一种GNSS单点定位和惯性导航割草机的运行方法

  技术领域

  本发明涉及一种智能割草机的运行方法,具体说是GNSS单点定位和惯性导航割草机的运行方法。

  背景技术

  智能割草机在带有草坪院落的家庭中应用广泛,割草机的智能化能够实现降低劳动成本、简化操作方式、降低误伤风险等目标,如何实现割草机对草坪工作区域的高效覆盖是当前割草机智能化的主要研究方向。

  目前,智能割草机的运行方法为随机方式进行割草任务,即主要以草坪内部前进+草坪边缘转弯的方式来实现割草运行,但是该种方式无规划、效率低、覆盖性差,需要多次反复任务才能将草坪的所有区域覆盖完毕,甚至会出现某些区域很少到达的情况,长期下来,可能导致明显的草坪高低不平,影响草坪的观赏性。

  发明内容

  本发明要解决的技术问题是提供一种GNSS单点定位和惯性导航割草机的运行方法,该运行方式的效率高、覆盖性好,不会出现草坪高低不平的情况,草坪的观赏性较好。

  为解决上述问题,提供以下技术方案:

  本发明的GNSS单点定位和惯性导航割草机的运行方法,其特点是包括如下步骤:步骤1:分割工作区域

  割草机确定工作区域,并选取工作区域中的任意点作为初始点,将待工作区域分割成k个宽度不超过n米、长度不限的作业区域,分割方向可以是任意角度,其中,n≥4,k≥1。

  步骤2:当前作业区域内工作

  步骤201:割草机设定往复作业的目标直线,在作业区域内直线行走,进行作业。

  步骤202:割草机直线行走过程中,若已到达作业区域的围线边界或遇到了障碍物,

  转步骤203;若超过当前作业区域范围转步骤204。

  步骤203:割草机后退一段距离脱离障碍物或工作区域的围线边界,转步骤204。

  步骤204:割草机进行换线动作。

  步骤205:换线完成后,割草机到达了下一条目标直线,转步骤201,如此重复,直至当前作业区域工作完成。

  步骤3:作业区域调度

  步骤301:割草机先选定下个作业区域的任意点作为目标点;接着,割草机将当前点作为起点,起点与目标点的连线作为目标线。之后,割草机沿目标线行走以到达下个作业区域,完成调度;由于各种原因导致无法成功到达目标区域,转步骤302。

  步骤302:割草机控制器控制割草机沿围线边界行走,实时检测当前点是否属于目标区域,若满足要求,则成功调度;否则失败后,割草机跳过该区域选择其它作业区域进行调度。

  步骤4:重复步骤2和步骤3,直至覆盖整个工作区域即可。

  其中,所述步骤1中的每个相邻作业区域有m米的重叠部分,其中0.5≤m≤2。所述步骤201中割草机直线行走时,以横向偏差和航向偏差为误差控制量,以期给定一个控制量使得横向偏差和航向偏差达到最小;其中,所述横向偏差为当前位置与目标直线的垂向距离,航向偏差为当前航向与目标直线方向的角度差,控制量为割草机中两个行走轮的速度差。

  所述步骤202中割草机直线行走过程中,割草机若撞到了障碍物,先后退10厘米~20厘米,再进行步骤204。

  所述步骤204中割草机的换线的操作包括转弯和前进:即原地先向靠近下一条直线一侧旋转90度,再前进一段距离到达下一条线上,最后,再向靠近下一条直线一侧旋转90度,即完成换线;换线后的位置即为当前目前直线的起点。

  所述步骤301中,割草机沿目标线行走到下个作业区域的任意点上,即认为到达目标作业区域,完成调度。

  割草机进行作业区域调度时,在前往目标作业区域过程中发生了碰撞或到达了边界,则重新选择一个起点重复步骤3。

  所述302步骤中,割草机到达围线边界后,根据围线边界上的围线检测信号沿围线边界顺时针/逆时针行走,若在行走过程中发现到达了目标区域的范围内,则调度成功;若顺时针、逆时针均行走完成,则认为无法到达目标区域,割草机跳过该区域选择其它作业区域进行调度。

  附图说明

  图1是本发明的GNSS单点定位和惯性导航割草机的运行方法的流程原理图;

  图2是本发明的GNSS单点定位和惯性导航割草机的运行方法中割草机进行作业区域分割的示意图;

  图3是本发明的GNSS单点定位和惯性导航割草机的运行方法中割草机在作业区域内往复作业的示意图;

  图4是本发明的GNSS单点定位和惯性导航割草机的运行方法中割草机在直线行走时的控制示意图;

  图5是本发明的GNSS单点定位和惯性导航割草机的运行方法中割草机在作业区域调度时的示意图;

  图6是本发明的GNSS单点定位和惯性导航割草机的运行方法中割草机在作业区域调度过程中到达草坪边界时的示意图。

  具体实施方式

  以下结合附图对本发明做进一步详细说明。

  如图1所示,本发明的GNSS单点定位和惯性导航割草机的运行方法,包括如下步骤:

  步骤1:分割工作区域

  割草机确定工作区域,并选取工作区域中的任意点作为初始点,将待工作区域分割成k个宽度不超过n米、长度不限的作业区域,分割方向可以是任意角度,每个相邻作业区域有m米的重叠部分,其中,n≥4,k≥1,0.5≤m≤2。

  割草以任意角度将待工作区域划分为k个作业区域,惯性导航的定位性能决定了区域的最大宽度,为保证割草机驱动器厘米级的直线控制精度,需要保证割草机在直线往复覆盖的过程中,GNSS单点定位和惯性导航组合保持在一定的精度范围内。GNSS单点定位精度决定了相邻区域之间的重叠宽度,区域间的重叠,可以降低由于位置误差导致的区域之间的漏割问题。惯性导航与GNSS单点定位相结合,可以实现长时定位的稳定性,保证定位误差始终在一定范围之内同时可以实现短时间内的准确定位和定姿,保证在短距离直线控制的过程中割草机的位置与目标位置之间的误差在厘米级。

  如图2所示,以南北分割方向为例,割草机控制器随机选取任意点作为开始工作的参考起点S(Sx,Sy),从起点开始分别向东、西方向扩散进行作业区域分割,每个作业区域的宽度为n米,相邻区域相互重叠m米。则第一个区块为x∈(Sx-n/2,Sx+n/2)的所有点。

  假设东侧k1个作业区域,西侧有k2个作业区域。

  则x∈(Sx+(n-m)×k-n/2,Sx+(n-m)×k+n/2),k=1,2...k1的所有点属于东侧的第k个作业区域。x∈(Sx-(n-m)×k-n/2,Sx-(n-m)×k+n/2),k=1,2...k2的所有点属于西侧的第k个作业区域。

  步骤2:当前作业区域内工作

  步骤201:割草机设定往复作业的目标直线,在作业区域内直线行走,进行作业。

  直线行走时,以横向偏差和航向偏差为误差控制量,以期给定一个控制量使得横向偏差和航向偏差达到最小。其中,所述横向偏差为当前位置与目标直线的垂向距离,航向偏差为当前航向与目标直线方向的角度差,控制量为割草机中两个行走轮的速度差。

  以南北分割方向为例,分割后的某一作业区域如图3所示,区域内的任意一点P均可作为区域内任务的起点。若工作时由南向北偏移,如图3中黑色指示线所示,首先割草机控制器设置一条东西向的目标直线,目标直线的起点为当前割草机所在的位置坐标A,终点为东侧/西侧的一点B,步骤201的目标即:割草机控制器下发电机转速指令给电机驱动器,控制割草机沿目标直线AB行走。以横向偏差δp和航向偏差δφ为误差控制量,以期给定一个控制量使得横向偏差δp和航向偏差δφ达到最小,其中,横向偏差δp为当前位置与目标AB线的垂向距离,航向偏差δφ为当前航向与目标AB线方向的角度差,如图4所示。最终的直线行走效果取决于组合导航位置误差、姿态误差、及控制误差。

  步骤202:割草机直线行走过程中,若已到达作业区域的围线边界或遇到了障碍物,转步骤203;若撞到了障碍物,先后退10厘米~20厘米,再进行步骤204;若超过当前作业区域范围转步骤204;

  步骤203:割草机后退一段距离脱离障碍物或工作区域的围线边界,转步骤204。

  步骤204:割草机进行换线动作。

  步骤205:换线完成后,割草机到达了下一条目标直线,转步骤201,如此重复,直至当前作业区域工作完成。

  割草机的换线的操作包括转弯和前进:即原地先向靠近下一条直线一侧旋转90度,再前进一段距离到达下一条线上,最后,再向靠近下一条直线一侧旋转90度,即完成换线。换线后的位置即为当前目前直线的起点。

  若工作时为由南向北偏移,割草机控制器控制行走电机先原地右转90度,前进一段距离到达下一条线上,再右转90度到下一条目标线的方向上。前进距离由割草机刀片割草直径决定,步骤203和步骤204中,是否前进/后退完毕根据车轮的转动参数判断:

  d=∑(vl+vr)/2×δt

  其中,d为行走距离,vl为左轮速度,vr为右轮速度,δt为车轮控制周期。

  如图3所示,由南向北任务完成后,南侧仍有部分区域尚未覆盖,割草机以P点北侧x米的一点Q作为起点,开始由北向南进行任务,此时以P点为起点的区域和Q为起点的区域重叠了x米,降低定位误差对覆盖性的影响。

  步骤3:作业区域调度

  步骤301:割草机先选定下个作业区域的任意点作为目标点。接着,割草机将当前点作为起点,起点与目标点的连线作为目标线。之后,割草机沿目标线行走以到达下个作业区域,完成调度;由于各种原因导致无法成功到达目标区域,转步骤302。

  割草机沿目标线行走到下个作业区域的任意点上,即认为到达目标作业区域,完成调度。

  步骤302:割草机控制器控制割草机沿围线边界顺时针/逆时针行走,行走过程中实时检测当前点是否属于目标区域,若在行走过程中发现到达了目标区域的范围内,则调度成功;若顺时针、逆时针均行走完成,则认为无法到达目标区域,割草机跳过该区域选择其它作业区域进行调度。

  割草机进行作业区域调度时,在前往目标作业区域过程中发生了碰撞或到达了边界,则重新选择一个起点重复步骤3。

  如图5所示,割草机以当前点作为起点A,目标作业区域内的任意一点B均可作为目标点B以AB线为目标行走,在AB线行走过程中,检测到到达目标作业区域的C点即可认为行走完成,开始在目标作业区域内工作。

  若在AB线行走过程中,发生了碰撞或到达了边界,割草机控制器则需重新选择一个起点A。如图6所示,假设在前进过程到达了边界上的一点C,割草机控制器控制割草机行走电机重新将车头方向调整至草坪内部的方向,并前进一段距离远离草坪边界,到达A’点之后,以A’为起点,B’为终点,沿A’B’线行走。

  若在区域调度的过程中发生多次失败,则转至步骤302,割草机控制器选择沿线调度的方式到达下一个区域。到达边界后,割草机控制器根据边界上的围线检测信号沿围线顺时针/逆时针行走,若在行走过程中发现到达了目标区域的范围内,则调度成功;若顺时针、逆时针均行走完成,则认为无法到达目标区域,跳过该区域进行下一个任务。

  步骤4:重复步骤2和步骤3,直至覆盖整个工作区域即可。

  本发明GNSS单点定位和惯性导航割草机的运行方法,与现有技术相比,割草机控制器增加了米级定位的GNSS单点定位模块和惯性测量单元,两者结合以实现组合导航,在长时米级定位和短时厘米级定位精度的条件下,实现米级的区域分割和厘米级的往复直线作业。割草机控制器进行决策后,将下发行走电机转速指令给电机驱动器,控制行走电机完成指定动作。区域之间重叠的方式可以降低米级定位对覆盖率的影响,改善漏割问题。区块的宽度限制可以保证直线行走的精度,在区块内直线行走时,实际轨迹与目标轨迹的误差在厘米级。与目前现有的随机作业方式相比,作业效率提高,每次任务的覆盖率得以提升,长期任务后,可以保持草坪的各个区域草高度基本一致,不影响草坪的观赏性。

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