CN102169345A - 一种机器人行动区域设定***及其设定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器人行动区域设定***及其设定方法，设定***包括信号发生源、由导线所围成的行动区域以及磁感应装置；所述导线的两端头连接在信号发生源的信号输出端上形成闭合回路，所述信号发生源可输出变化电流使导线周围区域形成变化磁场，所述磁感应装置安装于机器人上用于感应磁场信号。相比现有围线方式，本发明利用磁场变化来获取机器人的位置及距离信息，因此可以有效的设定割草机器人的工作区域，并实现割草机器人在划定的行动区域内自主割草，具有布线简单、可靠性高、功耗低等优点，使割草机器人能适应复杂地形的作业。

Description

一种机器人行动区域设定***及其设定方法
技术领域
本发明属于智能机器的移动定位技术领域，尤其涉及一种机器人行动区域设定***及其设定方法。
背景技术
传统的割草机即使自动化程度再高都需要人工对其行进路线进行调整、功耗大、劳动强度高、且存在较大的噪音，不利与节约能源及劳动力，环保效果差。近年来出现了自动割草机器人，目的在于实现机器人的自主割草。控制机器人自主割草必须首先解决如何设定割草机器人工作区域的问题，有效控制割草机器人在规定范围内活动，这是实现割草机器人自主割草的关键及难点。目前对于自动割草机区域设定方法的研究逐步增多，其中较为常用的是以围线方式划定割草机器人行动区域，由于现有的围线方式存在布线相对复杂、灵活性差、功耗高等缺点，不适合复杂地形，局限性大。
中国国家知识产权局于2008-03-19公开了专利号为“200710071374.2”、名称为“一种机器人电子篱笆控制***”的专利，针对现有机器人利用红外线、超声波、碰撞开关等技术手段实现指定范围内工作所存在的局限性，提出利用单片机和电磁场技术来实现机器人自动导航、避障、检测。但该专利的技术方案侧重于解决机器人对其自身行动路径的自动调整、控制，而对于如何设定机器人工作区域的问题却没有提出有效的解决方案。
发明内容
本发明所要解决的问题就是提供一种机器人行动区域设定***及其设定方法，具有布线简单、可靠性高、功耗低的特点，使机器人能适应复杂地形的作业。
为解决上述技术问题，本发明首先提出了一种机器人行动区域设定***，其特征在于：包括信号发生源、由导线所围成的行动区域以及磁感应装置；所述导线的两端头连接在信号发生源的信号输出端上形成闭合回路，所述信号发生源可输出变化电流使导线周围区域形成变化磁场，所述磁感应装置安装于机器人上用于感应磁场信号。
进一步的，所述信号发生源包括串联连接的电阻R与电容C，具有开关功能的电子元件I、电子元件II、电子元件III及电子元件IV；电容C一端串接电子元件I与电子元件II，电子元件I与电子元件II并联连接，电子元件I连接电源端VCC，电子元件II连接接地端GDN；电阻R一端串接电子元件III与电子元件IV，电子元件III与电子元件IV并联连接，电子元件III连接接地端GDN，电子元件IV连接电源端VCC；所述电子元件I、电子元件II、电子元件III及电子元件IV均由一控制芯片控制开闭。
进一步的，电子元件I、电子元件III断开时，电子元件II、电子元件IV处于闭合状态；电子元件I、电子元件III闭合时，电子元件II、电子元件IV处于断开状态。
进一步的，所述磁感应装置内设有信号放大单元以及与信号放大单元连接的滤波单元，所述滤波单元上连接有幅值采集单元及整形单元。感应电动势信号经信号放大单元放大、滤波单元滤波后，由幅值采集单元完成幅值输出，由整形单元整形后输出具有交替高低电平的波形信号。
为了进一步解决上述技术问题，本发明还提出了一种机器人行动区域设定方法，其特征在于包括如下步骤：
1)信号发生源产生交替变换的正向电流与逆向电流，使导线两侧区域形成变化磁场，设定位于行动区域内的磁场为内磁场，位于行动区域外的磁场为外磁场，内磁场与外磁场的方向始终相反；
2)磁感应装置根据内磁场与外磁场所产生的感应电动势信号输出相应幅值，该幅值反应机器人离导线的距离；
3)磁感应装置根据内磁场与外磁场所产生的感应电动势信号输出具有高电平与低电平交替的波形信号，行动区域内输出高电平时，行动区域外则输出低电平，行动区域内输出低电平时，则行动区域外输出高电平；该波形信号中高电平与低电平输出时间的长短反应机器人的相对于导线的位置，即：机器人在行动区域内或是在行动区域外。
进一步的，信号发生源控制导线中正向电流与逆向电流交替变换的方法如下：
1)电流经电源端VCC、电子元件IV、导线2、电阻R、电容C、电子元件II流至接地端GDN，将上述电流设定为正向电流.；当电子元件II、电子元件IV断开，电子元件I、电子元件III闭合时，电流经电源端VCC、电子元件I、电容C、电阻R、导线、电子元件III流至接地端GDN，将上述电流设定为逆向电流；
2)控制芯片控制电子元件II与电子元件IV断开，电子元件I与电子元件III闭合，逆向电流对电容C充电；
3)控制芯片控制电子元件I与电子元件III断开，电子元件II与电子元件IV闭合，导线中产生正向电流，在保持正向电流的过程中，电容电压不断升高，使得通过电阻R的正向电流不断减小，即导线中的正向电流不断减小；
4)控制芯片控制电子元件II与电子元件IV断开，电子元件I与电子元件III闭合，导线中产生逆向电流，在保持逆向电流的过程中，电容电压不断升高，使得通过电阻R的逆向电流不断减小。
重复操作步骤2)-步骤4)，正向电流与逆向电流在导线中交替变换，从而使导线两侧区域形成变化磁场，该变化磁场在感应电感上产生感应电动势，感应电动势信号经磁感应装置的放大、滤波、幅值采集后，其输出的幅值反应了机器人离导线的距离。由于导线上正向电流与逆向电流交替时间的不等性，造成高电平与低电平输出时间不等，且内磁场与外磁场的方向始终相反，故行动区域内外高电平与低电平交替顺序正好相反，行动区域内输出高电平时，行动区域外则输出低电平，行动区域内输出低电平时，则行动区域外输出高电平，因此可以根据整形输出高电平与低电平时间的长短来判断机器人的位置：在行动区域外或是在行动区域内。
本发明的有益效果：相比现有围线方式，本发明利用磁场变化来获取机器人的位置及距离信息，因此可以有效的设定割草机器人的工作区域，并实现割草机器人在划定的行动区域内自主割草，具有布线简单、可靠性高、功耗低等优点，使割草机器人能适应复杂地形的作业。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
图1为本发明的行动区域设定图；
图2为信号发生源的电路原理图；
图3为信号发生源控制电流变化的一个实施例；
图4为磁感应装置的结构图。
具体实施方式
参照图1，本发明的机器人行动区域设定***，包括信号发生源1、由导线2所围成的行动区域3以及磁感应装置5；所述导线2的两端头连接在信号发生源1的信号输出端上形成闭合回路，所述信号发生源1可输出变化电流使导线2周围区域形成变化磁场，所述磁感应装置5安装于机器人4上用于感应磁场信号。
参照如2，信号发生源1包括串联连接的电阻R与电容C；具有开关功能的电子元件I、电子元件II、电子元件III及电子元件IV；电容C一端串接电子元件I11与电子元件II12，电子元件I11与电子元件II12并联连接，电子元件I11连接电源端VCC，电子元件II12连接接地端GDN；电阻R一端串接电子元件III13与电子元件IV14，电子元件III13与电子元件IV14并联连接，电子元件III13连接接地端GDN，电子元件IV14连接电源端VCC；所述电子元件I11、电子元件II12、电子元件III13及电子元件IV14均由一控制芯片控制开闭。
参照图4，所述磁感应装置5内设有信号放大单元51、滤波单元52、幅值采集单元53及整形单元54。
本发明所提出机器人行动区域设定方法，包括如下步骤：
1)信号发生源1产生交替变换的正向电流与逆向电流，使导线2两侧区域形成变化磁场，设定位于行动区域3内的磁场为内磁场，位于行动区域3外的磁场为外磁场，内磁场与外磁场的方向始终相反；
2)磁感应装置5根据内磁场与外磁场所产生的感应电动势信号输出相应幅值，该幅值反应机器人4离导线2的距离；
3)磁感应装置5根据内磁场与外磁场所产生的感应电动势信号输出具有高电平与低电平交替的波形信号，行动区域3内输出高电平时，行动区域3外则输出低电平，行动区域3内输出低电平时，则行动区域3外输出高电平；该波形信号中高电平与低电平输出时间的长短反应机器人4的相对于导线2的位置，即：机器人4在行动区域3内或是在行动区域3外。
信号发生源1控制导线2中正向电流与逆向电流交替变换的方法如下：
1)电流经电源端VCC、电子元件IV14、导线2、电阻R、电容C、电子元件II12流至接地端GDN，将上述电流设定为正向电流.；当电子元件II12、电子元件IV14断开，电子元件I11、电子元件III13闭合时，电流经电源端VCC、电子元件I11、电容C、电阻R、导线2、电子元件III13流至接地端GDN，将上述电流设定为逆向电流；
2)控制芯片控制电子元件II12与电子元件IV14断开，电子元件I11与电子元件III13闭合，逆向电流对电容C充电；
3)控制芯片控制电子元件I11与电子元件III13断开，电子元件II12与电子元件IV14闭合，导线2中产生正向电流，在保持正向电流的过程中，电容电压不断升高，使得通过电阻R的正向电流不断减小，即导线2中的正向电流不断减小；
4)控制芯片控制电子元件II12与电子元件IV14断开，电子元件I11与电子元件III13闭合，导线2中产生逆向电流，在保持逆向电流的过程中，电容电压不断升高，使得通过电阻R的逆向电流不断减小。
下面通过一个具体的实施方式来解释本发明的特点：
电子元件I11、电子元件III13断开时，电子元件II12、电子元件IV14闭合；电子元件I11、电子元件III13闭合时，电子元件II12、电子元件IV14断开；设定电子元件II12、电子元件IV14的闭合时间为断开时间的2倍；电子元件I11、电子元件III13的断开时间为闭合时间的2倍；电阻远离电容的一端设定一测试点T1，电阻与电容之间设定一测试点T2，电容远离电阻的一端设定一测试点T3。
1、当电子元件II12、电子元件IV14断开，电子元件I11、电子元件III13闭合时，逆向电流对电容C充电，测试点T3的电压比测试点T2电压高，此时测试点T3的电压为V1；
2、当电子元件I11、电子元件III13断开，电子元件II12、电子元件IV14闭合的瞬间，测试点T1电压为VCC，因测试点T3连接接地端GND，故测试点T2的电压为-V1，此时正向电流最大；在保持正向电流的过程中，电容电压不断升高，使得通过电阻R的正向电流不断减小，在正向电流降至最低时，测试点T2的电压比测试点T3的电压高，此时测试点T2的电压V2；
3、当电子元件II12、电子元件IV14再次断开，电子元件I11、电子元件III13再次闭合时，测试点T1的电压为零，因测试点T3连接电源端VCC，故此时测试点T2的电压为VCC+V2，逆向电流最大；在保持逆向电流的过程中，电容电压不断升高，使得通过电阻R的逆向电流不断减小，在电子元件I11、电子元件III13断开，电子元件II12、电子元件IV14闭合瞬间前，逆向电流降至最低。
参照图4重复操作上述三个步骤，电流在导线2中的方向不断发生改变，以此在导线2两侧区域形成变化磁场，设定位于行动区域3内的磁场为内磁场，位于行动区域3外的磁场为外磁场，内磁场与外磁场的方向始终相反，越靠近导线2，则内磁场与外磁场的强度越大；该变化磁场在感应电感上产生感应电动势，感应电动势信号经磁感应装置5的放大、滤波、幅值采集后，其输出的幅值反应了机器人4离导线2的距离。
由于导线2上正向电流与逆向电流交替时间的不等性，造成高电平与低电平输出时间不等，且内磁场与外磁场的方向始终相反，故行动区域3内外高电平与低电平交替顺序正好相反，行动区域3内输出高电平时，行动区域3外则输出低电平，行动区域3内输出低电平时，则行动区域3外输出高电平，因此可以根据整形输出高电平与低电平时间的长短来判断机器人4的位置：在行动区域外或是在行动区域内。
得知机器人4的位置信息与距离信息后便能方便的控制机器人的行走路径，使其在设定行动区域3内作业，具有布线简单、可靠性高、功耗低的特点，割草机器人能适应复杂地形的作业。本发明所提供的机器人行动区域设定***及其设定方法并不仅限于割草机器人上使用，类似的智能机械，如地面抛光机器人、擦玻璃机器人等都适用。通过上述技术内容，本领域技术人员完全可以在不脱离本发明精神范围的前提下进行多种修改及变换，只要不脱离本发明精神的修改及变换均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。

Claims (6)

1.一种机器人行动区域设定***，其特征在于：包括信号发生源(1)、由导线(2)所围成的行动区域(3)以及磁感应装置(5)；所述导线(2)的两端头连接在信号发生源(1)的信号输出端上形成闭合回路，所述信号发生源(1)可输出变化电流使导线(2)周围区域形成变化磁场，所述磁感应装置(5)安装于机器人(4)上用于感应磁场信号。
2.根据权利要求1所述的一种机器人行动区域设定***，其特征在于：所述信号发生源(1)包括串联连接的电阻R与电容C，具有开关功能的电子元件I(11)、电子元件II(12)、电子元件III(13)及电子元件IV(14)；电容C一端串接电子元件I(11)与电子元件II(12)，电子元件I(11)与电子元件II(12)并联连接，电子元件I(11)连接电源端VCC，电子元件II(12)连接接地端GDN；电阻R一端串接电子元件III(13)与电子元件IV(14)，电子元件III(13)与电子元件IV(14)并联连接，电子元件III(13)连接接地端GDN，电子元件IV(14)连接电源端VCC；所述电子元件I(11)、电子元件II(12)、电子元件III(13)及电子元件IV(14)均由一控制芯片(15)控制开闭。
3.根据权利要求2所述的一种机器人行动区域设定***，其特征在于：电子元件I(11)、电子元件III(13)断开时，电子元件II(12)、电子元件IV(14)处于闭合状态；电子元件I(11)、电子元件III(13)闭合时，电子元件II(12)、电子元件IV(14)处于断开状态。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种机器人行动区域设定***，其特征在于：所述磁感应装置(5)内设有信号放大单元(51)以及与信号放大单元(51)连接的滤波单元(52)，所述滤波单元(52)上连接有幅值采集单元(53)及整形单元(54)。
5.一种机器人行动区域设定方法，其特征在于包括如下步骤：
1)信号发生源(1)产生交替变换的正向电流与逆向电流，使导线(2)两侧区域形成变化磁场，设定位于行动区域(3)内的磁场为内磁场，位于行动区域(3)外的磁场为外磁场，内磁场与外磁场的方向始终相反；
2)磁感应装置(5)根据内磁场与外磁场所产生的感应电动势信号输出相应幅值，该幅值反应机器人(4)离导线(2)的距离；
3)磁感应装置(5)根据内磁场与外磁场所产生的感应电动势信号输出具有高电平与低电平交替的波形信号，行动区域(3)内输出高电平时，行动区域(3)外则输出低电平，行动区域(3)内输出低电平时，则行动区域(3)外输出高电平；该波形信号中高电平与低电平输出时间的长短反应机器人(4)的相对于导线(2)的位置，即：机器人(4)在行动区域(3)内或是在行动区域(3)外。
6.根据权利要求5所述的一种机器人行动区域设定方法，其特征在于：信号发生源(1)控制导线(2)中正向电流与逆向电流交替变换的方法如下：
1)电流经电源端VCC、电子元件IV(14)、导线(2)2、电阻R、电容C、电子元件II(12)流至接地端GDN，将上述电流设定为正向电流.；当电子元件II(12)、电子元件IV(14)断开，电子元件I(11)、电子元件III(13)闭合时，电流经电源端VCC、电子元件I(11)、电容C、电阻R、导线(2)、电子元件III(13)流至接地端GDN，将上述电流设定为逆向电流；
2)控制芯片(15)控制电子元件II(12)与电子元件IV(14)断开，电子元件I(11)与电子元件III(13)闭合，逆向电流对电容C充电；
3)控制芯片(15)控制电子元件I(11)与电子元件III(13)断开，电子元件II(12)与电子元件IV(14)闭合，导线(2)中产生正向电流，在保持正向电流的过程中，电容电压不断升高，使得通过电阻R的正向电流不断减小，即导线(2)中的正向电流不断减小；
4)控制芯片(15)控制电子元件II(12)与电子元件IV(14)断开，电子元件I(11)与电子元件III(13)闭合，导线(2)中产生逆向电流，在保持逆向电流的过程中，电容电压不断升高，使得通过电阻R的逆向电流不断减小。
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