CN108628314B - 一种多机协作草坪修剪机器人***及方法 - Google Patents
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Abstract
一种多机协作草坪修剪机器人***及方法，包括地面站控制***、定位***和若干机器人，其中，定位***用于确定工作区域的大小与障碍物的位置以及机器人位置信息，并将其发送给地面站控制***；地面站控制***接收到定位***发送的信息后，用户通过地面站控制***选择工作区域、工作机器人数量、机器人行走速度以及路径规划方式；地面站控制***路径规划出机器人路径并发送给机器人；机器人接收路径信息后进行任务作业。各机器人在地面站指挥下，可以同时对同一区域进行作业且具有避障能力，保证了工作的高效性与安全性。
Description
技术领域
本发明涉及一种草坪修剪机器人，具体为一种多机协作草坪修剪机器人***及方法。
背景技术
草坪修剪机器人是集环境感知、路径动态规划和行为控制等多种功能于一体的综合机器人***，与传统的草坪修剪机械相比,割草机器人更具有优势：可以自主工作、具有较高的安全性、更利于环境保护等等。但目前的草坪修剪机器人无法有效多机协作完成任务，仍存在许多进步的空间，具体存在问题如下。
1.草坪修剪机器人还无法适应格式不同类型的草坪，无法完成多多样化草坪的修剪任务。
2.草坪修剪机器人由于在户外非结构化空间内工作，无法应对在工作环境内的障碍躲避问题，其安全性还有待提高。
3.草坪修剪机器人往往为单机作业，还没有多机协作共同完成割草任务、提高作业效率的多机协作割草机器人。
发明内容
本发明针对传统草坪修剪机器人无法有效多机协作完成任务的问题，目的在于提出一种多机协作草坪修剪机器人***及方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种多机协作草坪修剪机器人***，包括地面站控制***、定位***和若干机器人，其中，
定位***用于确定工作区域的大小与障碍物的位置以及机器人位置信息，并将其发送给地面站控制***；
地面站控制***接收到定位***发送的信息后，用户通过地面站控制***选择工作区域、工作机器人数量、机器人行走速度以及路径规划方式；地面站控制***路径规划出机器人路径并发送给机器人；
机器人接收路径信息后进行任务作业。
本发明进一步的改进在于，定位***采用局部定位***或GPS定位***。
本发明进一步的改进在于，局部定位***包括三个定位基站，设置在工作环境周围；多个标签设置在多个机器人上，用以检测工作区域的大小与障碍物的位置以及机器人的位置。
本发明进一步的改进在于，地面站控制***包括人机交互端以及路径规划模块；
人机交互端，用于用户设定工作区域的大小、机器人数量、机器人行走速度、路径规划方式以及对机器人状态的监控；
路径规划模块，用于自动生成机器人的路径规划信息，并通过无线传输模块将路径规划信息传输为机器人。
本发明进一步的改进在于，机器人包括：无线通讯模块、草坪修剪机构以及机器人控制端；
无线通讯模块，包括无线数据传输接收端和发送端，用于接收地面站控制***的路径规划信息，并发送给机器人，同时将机器人的位置与速度信息发送给机器人控制端；
草坪修剪机构，用于机器人移动过程中的草坪修剪工作；
机器人控制端，用于控制机器人和实现路径规划。
本发明进一步的改进在于，机器人控制端包括电机控制板、机器人主控制板以及机器人姿态调整模块；
电机控制板，用于控制机器人的移动，并将机器人的移动电机的转速与位移信息转输给机器人主控制板；
机器人主控制板，用于接收路径规划信息，实现控制机器人的移动和修剪草坪机构的运行；还用于接收电机控制板和姿态调整模块的信息，实现控制机器人移动与草坪修剪机构运行，并将接收到的信息反馈给地面站***；
机器人姿态调整模块，包括设置在机器人上的电子陀螺仪、磁力计、加速度计以及增量式编码器，用于测量机器人移动过程中的方向、速度和位移，并反馈给机器人主控制板。
一种多机协作草坪修剪方法，包括以下步骤：
步骤1：定位***获得机器人的位置信息，并将位置信息传输给地面站控制***；
步骤2：地面站控制***接收定位***反馈的位置信息后，用户通过地面站控制***操作界面完成对工作区域的划分，确定总体和各个除草机器人的工作区域范围，并通过无线通讯模块将确定的工作区域范围信息传输给各个机器人；
步骤3：机器人通过无线通讯模块接收来自地面站控制***发送的消息并完成任务。
本发明进一步的改进在于，机器人通过无线通讯模块接收来自地面站控制***发送的消息并完成任务的具体过程为：机器人包括电机控制板、机器人主控制板以及机器人姿态调整模块，机器人姿态调整模块包括设置在机器人上的电子陀螺仪、磁力计、加速度计以及增量式编码器；
机器人主控制板接收来自地面站控制***的消息，先将不完整的消息与错误消息清除，将接收的正确消息进行分类处理，具体为：若机器人接收到的是状态监控消息，则机器人反馈机器人当前的位置坐标、移动速度、草坪修剪电机转速；若机器人接收到的是路径规划点坐标消息，则机器人将坐标点依次储存并转化为机器人驱动电机的命令；若机器人接收的是启动或者制动消息，则直接转化为电机的启动与制动命令。
本发明进一步的改进在于，机器人将坐标点依次储存并转化为机器人驱动电机的命令后，草坪机器人等待地面站发送的启动指令，接收到启动命令后，机器人控制端通用过电机驱动板驱动轮电机和割草电机转动，同时接收并记载定位模块发送的位置信息，判断是否到达目标点；到达目标点时，机器人控制端控制电机驱动板断电，使机器人完成制动；未到达目标点时，机器人控制端先调用寄存的角度信息；同时，通过机器人姿态调整模块更新角度，机器人控制端计算需要转动角度并控制电机完成转弯；调用寄存的路径规划点坐标消息，计算由当前坐标到目标点所需的位移；然后机器人主控制板控制电机完成机器人移动。
本发明进一步的改进在于，为了防止机器人移动偏差过大，设置安全距离L为30cm，设定机器人每隔10s测量一次距离，判断距离目标点距离是否在30cm内；如果L<30cm，机器人控制端降低电机转速，机器人速度降低，调用增量式编码器，测量机器人继续前进位移L时视为到达目标点，制动停止机器人移动，并转换到下一目标点；当L>30cm时，电子陀螺仪更新当前角度信息，判断机器人是否偏离路线，然后调用增量式编码器，使机器人直行到下一检测点。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
针对非结构化的工作环境以及实际工作中出现的障碍回避问题，本***在地面站控制***中搭载的路径规划模块可以解决。首先由定位***得到整个环境的工作区域大小，工作区域形状、工作区域内障碍物的位置信息。然后地面站控制***可根据路径规划模块中设定的路径规划算法对工作区域的不规则边界进行处理，使机器人在工作时可以沿着不规则边界进行草坪修剪，同时通过路径规划使机器人在移动时避开环境内的障碍物，安全性能好。
针对以往单机作业的草坪修剪问题，本方法采用多机协作共同完成任务的方式，提高工作效率。用户可在地面站控制***中的命令窗口设置工作机器人的数量与工作方式，地面站控制***在任务划分时可将工作区域划分为与机器人数量相等的多个小型区域，每个小型工作区域可由单个草坪修剪机器人完成，多个机器人同时对多个小型工作区域进行作业，可提高整体草坪修剪的工作效率。各机器人在地面站控制***指挥下，可以同时对同一区域进行作业且具有避障能力，保证了工作的高效性与安全性。
附图说明
图1为基本框架图。
图2为草坪修剪机器人具体执行任务时的流程图。
图3为地面站用户控制界面图。
图4机器人路径执行图。
图5机器人硬件控制***图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述。
参见图1，本发明的一种多机协作草坪修剪机器人***，主要由地面站控制***、定位***和若干机器人组成。地面站控制***用于完成对多个机器人的任务分配和路径规划，定位***用于使机器人得知自身位置，并使机器人通过无线传输模块得知各自的工作区域与路径信息，完成各自的草坪修剪。具体的，1.定位***用于确定工作区域的大小与障碍物的位置以及机器人位置信息，并将其发送给地面站控制***。2.用户通过地面站控制***选择工作区域、工作机器人数量、机器人行走速度以及路径规划方式等参数。3.地面站控制***路径规划出机器人路径并发送给机器人。4.机器人接收路径信息后进行任务作业。
首先，通过定位***获得工作区域的大小与障碍物的位置以及和草坪修剪机器人的位置信息；定位***将信息传输给地面站控制***；定位***采用局部定位***或GPS定位***。局部定位***包括三个定位基站，设置在工作环境周围；多个标签设置在多个机器人上，用以检测工作区域的大小与障碍物的位置以及机器人的位置。GPS定位***为机载GPS接收端，用于接收GPS定位信息。
其次，用户操控地面站控制***接收定位***的信息后对整个工作区域的大小进行划分，设定草坪修剪机器人的数量以及路径规划方式，然后进行路径规划并将路径规划的信息传递给机器人。
地面站控制***包括：
人机交互端，用于用户设定工作区域的大小、机器人数量、机器人行走速度、路径规划方式等参数以及对机器人状态的监控。
路径规划模块，用于自动生成机器人的路径规划信息，并通过无线传输模块将路径规划信息传输为机器人。
最后，机器人接收路径规划模块的信息，并完成实际任务。
机器人包括：无线通讯模块、草坪修剪机构以及机器人控制端；具体如下：
无线通讯模块，含有无线数据传输接收端和发送端，用于接收地面站控制***的路径信息，并发送给机器人，同时将机器人的位置与速度信息发送给机器人控制端；
草坪修剪机构，用于机器人移动过程中的草坪修剪工作。本发明中修剪草坪机构为型号BTS7960的割草电机。
机器人控制端，用于控制机器人和实现路径规划，机器人控制端机器人控制端包括电机控制板、机器人主控制板以及机器人姿态调整模块；
电机控制板，用于控制机器人的移动，并将机器人的移动电机的转速与位移信息转输给机器人主控制板。机器人的移动电机为型号BTS7960的驱动轮电机。
机器人主控制板，用于接收路径规划信息，实现控制机器人的移动和修剪草坪机构的运行；还用于接收电机控制板和姿态调整模块的信息，实现控制机器人移动与草坪修剪机构运行，并将接收到的信息反馈给地面站***；
本发明中修剪草坪机构为型号BTS7960的割草电机。
机器人姿态调整模块，包括设置在机器人上的电子陀螺仪、磁力计、加速度计以及增量式编码器，用于测量机器人移动过程中的方向、速度和位移，并反馈给机器人主控制板。
请参考图1与图2，本发明的多机协作草坪修剪方法，具体实施步骤如下：
步骤1：定位***获得草坪修剪机器人的位置信息，并将位置信息传输给地面站控制***。
本发明中，采用GPS定位或局部定位两种模式，局部定位采用UWB超宽带测距定位，主要包括用于区域和障碍物标定的基站传感器与机载接收端传感器。主要原理为超宽带电信号测量两传感器之间距离，由多个传感器之间相互测距，可建立相对坐标系进行定位。主要功能为标定工作区域与区域内障碍，建立实际工作区域与控制***之间的联系，标定区域内障碍与机器人的相对位置，为路径规划提供基础。UWB局部定位信号接收发送器，实时向控制***地面站部分发送机器人的位置数据。地面站控制***部分为或者局部定位***信号接收端。用于接收机器人的初始位置信息和环境信息。
采用GPS模式时，需要机载端GPS接收器，接收GPS卫星信号，完成定位。
步骤2：地面站控制***接收定位***反馈的位置信息后，用户通过地面站控制***操作界面完成对工作区域的划分，确定总体和各个除草机器人的工作区域范围。并通过无线通讯模块将确定的工作区域范围信息传输给各个机器人。
如图3所示，地面站控制***操作界面包括标题、电子地图、生成路径数据显示区以及命令窗口；其中，电子地图界面为用户显示地图信息。用户可以通过地面站控制***操作界面对整个***进行控制与监控。
当定位***为GPS时，地面站控制***可直接导入GPS卫星地图进行定位，在使用局部定位***时，需要用户在命令窗口中根据局部定位***的大小进行地图区域划分，如本发明中所采用的UWB局部定位模块，在实际操作中需要在环境中设置三到四座基站传感器，使基站传感器在实际环境中按照坐标系进行摆放，并由用户实际设定每个基站传感器的坐标，然后用户需要在命令窗口中首先输入基站传感器在实际环境坐标中的坐标值作为地面站控制***中的标准值用于机器人定位。将电子地图界面中电子地图中的坐标与实际环境的对应之后，用户需在电子地图界面中划定工作范围与标定障碍。之后再在命令窗口中设置工作机器人数量与路径规划方式。最后，地面站控制***内置有路径规划模块，将用户设定的工作区域与障碍边界条件、定位***传递的机器人原始位置、路径规划方式这些参数进行路径规划与路径覆盖。本***路径规划采用传统蚁群算法，路径覆盖采用田埂式路径覆盖算法。将电子地图界面中用户所标定的工作区域进行路径规划，得出每个草坪修剪机器人的工作路径信息，然后通过通讯模块将路径信息传输给各个除草机器人，各个机器人实现除草。用户通过路径生成数据区显示的数据实时监控各个机器人的路径坐标信息。如果出错，用户能够修改、删除、重新定义；机器人的数量、路径覆盖方式等也可以自定义；根据定义好的信息进行合理的区域分割路径规划，规划好的路径可以进行修改。紧急情况下，用户还可以通过命令窗口对机器人下达制动命令，确保安全。
针对不同类型的草坪修剪要求，本发明中用户可以通过地面站控制***的控制界面的命令窗口完成对多样草坪的修剪。用户可按照草坪的修剪方式、草坪修剪的高度、以及修剪草坪的次序进行设置，由地面站控制***将提前按照这些要求对工作任务进行分配可由多个搭载不同高度草坪修剪机的机器人完成不同高度草坪修剪的任务；可提前规划好机器人的草坪修剪次序；也可以根据按照用户要求自由修改草坪机器人修剪的路线；完成多样式的草坪修剪任务。
步骤3：参见图4和图5，机器人通过无线通讯模块接收来自地面站控制***发送的消息并完成任务，具体过程如下：
首先，草坪修剪机器人通过无线通讯模块接收来自地面站控制***发送的消息并完成任务。参见图5，搭载无线通信模块的机器人控制板接收来自地面站控制***的消息，先将不完整的消息与错误消息清除，将接收的正确消息进行分类处理，具体过程为：若机器人接收到的地面站控制***发送的是状态监控消息，则机器人反馈机器人当前的位置坐标、移动速度、草坪修剪电机转速等状态信息；若机器人接收到的是路径规划点坐标消息，则机器人将坐标点依次储存并转化为机器人驱动电机的命令；如果机器人接收的是启动或者制动消息，则直接转化为电机的启动与制动命令。
机器人将坐标点依次储存并转化为机器人驱动电机的命令后，草坪机器人会等待地面站发送的启动指令，接收到启动命令后，机器人控制端采用ardunio控制板，ardunio控制板将通用过电机驱动板驱动轮电机和割草电机转动，同时接收记载定位模块发送的位置信息，判断是否到达目标点。到达目标点时，ardunio控制板控制电机驱动板断电，使机器人完成制动。
未到达目标点时，ardunio控制板先调用寄存的角度信息。同时，含有陀螺仪、磁力计、加速度计的姿态调整模块更新角度，ardunio控制板计算需要转动角度并控制电机完成转弯。调用寄存的路径规划点坐标消息，计算由当前坐标到目标点所需的位移。ardunio控制板控制电机完成机器人移动。
为了防止机器人移动偏差过大，本发明还设置了安全距离L(本发明设定L为30cm)。设定机器人每隔10s测量一次距离，判断距离目标点距离是否在30cm内。如果L<30cm，控制板降低电机转速，机器人速度降低，调用增量式编码器，测量机器人继续前进位移L时视为到达目标点，制动停止机器人移动，并转换到下一目标点。当L>30cm时，电子陀螺仪更新当前角度信息，判断机器人是否偏离路线，然后调用增量式编码器，使机器人直行到下一检测点。
本发明的***可以多个割草机器人协同工作，共同完成大面积草坪的修剪。***包括地面站、多个割草机器人和定位***。地面站能够进行作业区域划分、作业区域标定、障碍物规划、各机器人的运行轨迹规划、以及将轨迹发送给各割草机器人等功能。每个割草机器人包括机器人本体、主控制板、割草装置、定位装置、传感模块和通信模块等，主控板是整个机器人的控制部分，负责其他各部分的控制与协调；机器人本体可以移动，割草装置装在本体上，定位装置用于帮地面站标定工作区域范围和测量割草机器人的位置，传感模块可以检测障碍物和特定目标，通信模块负责主控板与地面站的通信，即将当前坐标上传至地面站，并接收来自地面站的规划轨迹位置序列和指令。各机器人在地面站指挥下，可以同时对同一区域进行作业且具有避障能力，保证了工作的高效性与安全性。
Claims (3)
1.一种多机协作草坪修剪机器人***，其特征在于，包括地面站控制***、定位***和若干机器人，其中，
定位***用于确定工作区域的大小与障碍物的位置以及机器人位置信息，并将其发送给地面站控制***；
地面站控制***接收到定位***发送的信息后，用户通过地面站控制***选择工作区域、工作机器人数量、机器人行走速度以及路径规划方式；地面站控制***规划出机器人路径并发送给机器人；
机器人接收路径信息后进行任务作业；
地面站控制***包括人机交互端以及路径规划模块；
人机交互端，用于用户设定工作区域的大小、机器人数量、机器人行走速度、路径规划方式以及对机器人状态的监控；
路径规划模块，用于自动生成机器人的路径规划信息，并通过无线传输模块将路径规划信息传输给机器人；
机器人包括：无线通讯模块、草坪修剪机构以及机器人控制端；
无线通讯模块，包括无线数据传输接收端和发送端，用于接收地面站控制***的路径规划信息，并发送给机器人，同时将机器人的位置与速度信息发送给地面站控制***；
草坪修剪机构，用于机器人移动过程中的草坪修剪工作；
机器人控制端，用于控制机器人和实现路径规划；
定位***采用局部定位***或GPS定位***；
局部定位***包括三个定位基站，设置在工作环境周围；多个标签设置在多个机器人上，用以检测工作区域的大小与障碍物的位置以及机器人的位置；
机器人控制端包括电机控制板、机器人主控制板以及机器人姿态调整模块；
电机控制板，用于控制机器人的移动，并将机器人的移动电机的转速与位移信息传输给机器人主控制板；
机器人主控制板，用于接收路径规划信息，实现控制机器人的移动和草坪修剪机构的运行；还用于接收电机控制板和姿态调整模块的信息，实现控制机器人移动与草坪修剪机构运行，并将接收到的信息反馈给地面站控制***；机器人主控制板接收来自地面站控制***的消息，先将不完整的消息与错误消息清除，将接收的正确消息进行分类处理，具体为：若机器人接收到的是状态监控消息，则机器人反馈机器人当前的位置坐标、移动速度、草坪修剪电机转速；若机器人接收到的是路径规划点坐标消息，则机器人将坐标点依次储存并转化为机器人驱动电机的命令；若机器人接收的是启动或者制动消息，则直接转化为电机的启动与制动命令；
机器人姿态调整模块，包括设置在机器人上的电子陀螺仪、磁力计、加速度计以及增量式编码器，用于测量机器人移动过程中的方向、速度和位移，并反馈给机器人主控制板。
2.一种多机协作草坪修剪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：定位***获得机器人的位置信息，并将位置信息传输给地面站控制***；
步骤2：地面站控制***接收定位***反馈的位置信息后，用户通过地面站控制***操作界面完成对工作区域的划分，确定总体和各个除草机器人的工作区域范围，并通过无线通讯模块将确定的工作区域范围信息传输给各个机器人；
步骤3：机器人通过无线通讯模块接收来自地面站控制***发送的消息并完成任务，具体过程为：机器人包括电机控制板、机器人主控制板以及机器人姿态调整模块，机器人姿态调整模块包括设置在机器人上的电子陀螺仪、磁力计、加速度计以及增量式编码器；
机器人主控制板接收来自地面站控制***的消息，先将不完整的消息与错误消息清除，将接收的正确消息进行分类处理，具体为：若机器人接收到的是状态监控消息，则机器人反馈机器人当前的位置坐标、移动速度、草坪修剪电机转速；若机器人接收到的是路径规划点坐标消息，则机器人将坐标点依次储存并转化为机器人驱动电机的命令；若机器人接收的是启动或者制动消息，则直接转化为电机的启动与制动命令；
机器人将坐标点依次储存并转化为机器人驱动电机的命令后，草坪机器人等待地面站发送的启动指令，接收到启动命令后，机器人主控制板通过电机驱动板驱动移动电机和割草电机转动，同时接收并记载定位模块发送的位置信息，判断是否到达目标点；到达目标点时，机器人主控制板控制电机驱动板断电，使机器人完成制动；未到达目标点时，机器人主控制板先调用寄存的角度信息；同时，通过机器人姿态调整模块更新角度，机器人主控制板计算需要转动角度并控制电机完成转弯；调用寄存的路径规划点坐标消息，计算由当前坐标到目标点所需的位移；然后机器人主控制板控制电机完成机器人移动。
3.根据权利要求2所述的一种多机协作草坪修剪方法，其特征在于，为了防止机器人移动偏差过大，设置安全距离L为30cm，设定机器人每隔10s测量一次距离，判断距离目标点距离是否在30cm内；如果L<30cm，机器人主控制板降低电机转速，机器人速度降低，调用增量式编码器，测量机器人继续前进位移L时视为到达目标点，制动停止机器人移动，并转换到下一目标点；当L>30cm时，电子陀螺仪更新当前角度信息，判断机器人是否偏离路线，然后调用增量式编码器，使机器人直行到下一检测点。
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