CN112286181B - 一种基于地磁的自行走设备检测控制方法和自行走设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于地磁的自行走设备检测控制方法和自行走设备，在自行走设备上设置有地磁传感器组和地磁信息存储模块，地磁传感器组包括至少一个地磁传感器，所述方法包括以下步骤：步骤一：在自行走设备的工作边界上设定多个采集点位，通过地磁传感器采集多个采集点位的地磁数据，将地磁数据存储于地磁信息存储模块中形成边界磁场特征矩阵数据库；步骤二：自行走设备在工作过程中，将地磁传感器实时采集的地磁数据与工作区域边界磁场特征矩阵数据库进行数据匹配，判定是否到达边界。本发明方法节省了敷设电缆线的材料成本、工时成本，也无需使用高精度定位相关高成本的定位技术，传感器安装于机器本体，使智能割草机能够更自主独立工作。
Description
技术领域
本发明属于设备控制技术领域，具体涉及一种基于地磁的自行走设备检测控制方法和自行走设备。
背景技术
目前市场上的智能割草机有多种边界检测方式。其中主流方式有两种，一种是通过传感器检测敷设在草坪边沿的通有交变电流的电缆所产生的磁场来感知草坪边界，一种是基于卫星导航***的电子围栏。
通过检测通电边界线的方式，存在工程施工量增加、材料成本增加、线缆易损坏等缺点。
由于智能割草机使用场景的特殊性，基于卫星导航***的电子围栏，需要使用高精度定位模块,需要架设本地RTK基站或者使用网络差分定位服务。本地架设RTK基站的方式，需要增加无线通信模块、高精度定位模块、高性能处理器及高精度定位天线等模块，成本高、且无线通信可靠性较低。GPS信号经常被地形、地物所影响。网络差分定位功能，则需要根据产品的使用地区，链接到不同的网络差分服务器和使用不同的电信运营的服务，需要增加GPRS通信模块和运营商服务费，增加了材料成本和后期的运营成本。
发明内容
为解决以上问题，本发明提出了一种基于地磁的自行走设备检测控制方法和自行走设备。
实现以上目的的技术解决方案如下：
一种基于地磁的自行走设备检测控制方法，在所述自行走设备上设置有至少一组地磁传感器组和地磁信息存储模块，所述地磁传感器组包括至少一个地磁传感器，
所述方法包括以下步骤：
步骤一：在所述自行走设备的工作边界上设定多个采集点位，通过所述地磁传感器采集多个采集点位的地磁数据，将所述地磁数据存储于所述地磁信息存储模块中形成边界磁场特征矩阵数据库；
步骤二：自行走设备在工作过程中，将地磁传感器实时采集的地磁数据与工作区域边界磁场特征矩阵数据库进行数据匹配，判定自行走设备是否到达边界。
优选地，所述步骤一具体包括：首次使用自行走设备时，遥控自行走设备沿工作区域边界行走一圈，自行走设备按照一定的速度平稳行进，在行驶过程中通过所述地磁传感器组定时检测并存储当前点位的地磁信息分别存入地磁信息存储模块，所述地磁信息包括三轴地磁数据Mx、My、Mz。
优选地，所述地磁传感器组包括两组，分别为第一地磁传感器组和第二地磁传感器组，所述第一地磁传感器组安装于自行走设备的前部，所述第二地磁传感器组安装于自行走设备的后部。
优选地，所述第一地磁传感器组和第二地磁传感器组分别包括四个地磁传感器。
优选地，所述第一地磁传感器组里的四个地磁传感器的X轴在同一平面内且方向不相同或Y轴在同一平面内且方向不相同，所述第二地磁传感器组里的四个地磁传感器的X轴在同一平面内且方向不相同或Y轴在同一平面内且方向不相同。
优选地，所述多个采集点位等距分布在工作区域的边界上。
优选地，所述步骤一中每个点位数据采集时，将自行走设备停止一预定时间，每个地磁传感器在预定时间内多次采集地磁数据，将每个地磁传感器多次采集的数据通过中值和均值滤波去除信号噪声后，作为该点位的地磁数据。
优选地，所述步骤二中将地磁传感器实时采集的地磁数据与工作区域边界磁场特征矩阵数据库进行数据匹配具体包括：当自行走设备向前行进时，通过安装在前部的第一地磁传感器组检测的地磁数据与边界磁场特征矩阵数据库进行匹配；当自行走设备后退时，通过安装在后部的第二地磁传感器组检测的地磁数据与边界磁场特征矩阵数据库进行匹配。
优选地，所述步骤二中判定自行走设备是否到达边界具体包括：当至少一个地磁传感器组中的至少一个传感器的三轴地磁数据与边界磁场特征矩阵数据库中的对应数据匹配时则判定自行走设备到达边界。
优选地，将边界磁场特征矩阵数据库中的数据设定一阈值范围，在进行数据匹配时，当至少一个传感器的三轴地磁数据落入对应数据的阈值范围内时则判定自行走设备到达边界。
一种自行走设备，所述自行走设备包括上述的地磁传感器组和地磁信息存储模块。
优选地，所述自行走设备为智能割草机机器人。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)在一个较小的范围内，理论上不同位置的磁场差异性是非常微小的，普通工具无法进行探测，但是由于智能割草机的使用场景多为庭院周围的草地，而草地附近建筑物较多，地磁场容易受到金属物的干扰，当穿过钢筋混凝土结构建筑物时，原有磁场被建筑物内金属物质干扰扭曲，使得建筑物附近形成一个独特的有规律的局部磁场，提升了磁场的差异性，而且建筑物不发生变化，局部磁场也固定不变，本发明方法节省了敷设电缆线的材料成本、工时成本，也无需使用高精度定位相关高成本的定位技术，传感器安装于机器本体，使智能割草机能够更自主独立工作；
(2)针对草地上出现较小的铁磁物质一类的障碍物时，也会影响到铁磁物质周围的较小区域内地磁场，与建筑物对地磁场影响的范围相比，此范围更小，局限在铁磁物质周围，可以通过一定的算法将其作为障碍物绕开，如果出现铁磁物质恰好出现在边界位置，地磁传感器检测到当前磁场的变化后，可以作为障碍物处理，后退然后改变行进方向，针对非金属一类的障碍物，可以在障碍物周围设置铁磁物质，对障碍物进行标定，通过机器检测的地磁数据判断出该障碍物。
附图说明
图1是智能割草机割工作区域示意图。
图2是地磁传感器在智能割草机上的分布示意图。
图3是地磁传感器组方向组合示意图，箭头方向为传感器X轴方向。
图中：1、割草机，2、充电站，3、草坪，4、地磁边界检测范围，5、后驱动左轮，6、前转向左轮，7、第一地磁传感器组，8、第二地磁传感器组，9、后驱动右轮，10、前转向右轮，11、12、13、14为一组传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
本实施例中，自动行走设备为智能割草机，但在其他实施例中，自动行走设备还可以是智能扫雪机、智能清洁设备等。
智能割草机边界检测控制方法包括如下步骤：
步骤1：在所述智能割草机的工作边界上设定多个采集点位，采集多个点位的地磁数据，形成草地边界磁场特征矩阵数据库。
如图1-2所示，首次使用智能割草机1时，遥控割草机1沿需要维护的草坪边界行走一圈，智能割草机1按照一定的速度平稳行进，在行驶过程中通过分布在割草机底盘上的地磁传感器组7、8定时检测并存储当前点位的地磁信息分别放入地磁信息存储模块。
如图2所示，割草机前部和后部分别安装第一地磁传感器组8和第二地磁传感器组7，当割草机正常工作向前行进时，通过安装在前部的第一地磁传感器组8检测的磁场数据与边界磁场特征矩阵数据库的数据进行匹配。当割草机后退时，通过安装在后部的地磁传感器组7检测的此档数据与边界磁场特征矩阵数据库的数据进行匹配。
如图2所示，每个点位同时通过安装在割草机前部和后部的第一地磁传感器组8和第二地磁传感器组7进行地磁数据的采集，主要是三轴磁场模值。Mx、My、Mz分别为三轴地磁数据。
每个点位数据采集时，将机器停止一定时间，通过短时间内的多次数据采集，将每组数据通过中值和均值滤波去除信号噪声后，作为该点的地磁数据。
绕行草坪边界一周共采集N个点位的地磁信息，N个点位是等距分布在草坪的边界上，形成草坪边界磁场特征矩阵数据，并存储到本机数据库。每个位置的磁场依次记录：数据P1(Mx1,My1,Mz1),P2(Mx2,My2,Mz2)，…,Pn(Mxn,Myn,Mzn)。两组共8只传感器分别记录数据，每个点位共形成8组数据(每个传感器对应一组数据)。
步骤2：机器在工作过程中，将机器的地磁传感器实时采集的地磁数据与草地边界磁场特征矩阵数据库的数据进行数据匹配，判定是否到达边界。因为机器沿着草地边界采集数据时的方向与正常割草时行进到草地边界的方向有差异，三轴地磁传感器会因为方向不同，每个地磁矢量分量有所不同。可以将每个地磁传感器组内的每个地磁传感器的X轴设置在同一平面内且方向不相同，如图3所示，图中四个传感器的四个箭头表示四个传感器的X轴方向，该四个X轴分别指向同一平面内的四个不同方向，可以使机器适应多种到达边界的姿态。当机器到达边界时，当至少一个地磁传感器组中的至少一个传感器的三轴地磁数据与边界磁场特征矩阵数据库中的对应数据匹配时则判定自行走设备到达边界，涉及判断的传感器越多、数据越多则判断越准确。
当机器正常运行状态下，通过地磁传感器进行实时的地磁数据探测。因为割草机器处在移动状态，所以采用滑动平均值滤波的方式进行数据处理，此方法可以提高数据采集的平滑性和实时性。
将经过处理后的数据与机器内部存储的边界磁场特征矩阵数据库的数据进行比对，在进行数据匹配时，可以根据机器内部读取的数据，做一定的阈值范围，放宽边界匹配要求，当数据匹配时，则认为机器检测到草坪边界。
本发明提出了基于地磁场的边界检测控制方法。地磁场边界控制技术基于的地磁场是一个是矢量场，因为地磁场的趋势性，在不同的地理位置地磁场可以表现出不同的地磁特征，如三轴磁场强度等。
在安装调试割草机器人时，遥控智能割草机沿着需要修理的草坪边界行走，通过安装在机体的地磁传感器，采集草坪边界位置的磁场信息，经过处理形成草坪边界磁场特征矩阵并存储到机器数据库。在安装调试完成后，割草机通过实时比对当前割草机采集的地磁信息与机器数据库存储的数据，判断智能割草机当前位置，使割草机始终在边界范围内工作，进而实现智能割草机的边界控制。
本发明方法还包括以下进一步的应用：
鉴于地磁数据的唯一性，在割草机边界数据采集成功后，可以结合惯性导航模块进行割草机的路径规划、遍历割草等功能开发。
铁磁性物质放在地磁传感器周围较近处，将干扰局部地磁场，引起磁场数据突变，且因为地磁场有趋势性，利用这一特性可以用来检测草地上含有铁磁物质的障碍物(例如当地磁数据发生突变时则认为有可能存在磁性物质)。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于地磁的自行走设备检测控制方法，在所述自行走设备上设置有至少一组地磁传感器组和地磁信息存储模块，所述地磁传感器组包括至少一个地磁传感器，
其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：在所述自行走设备的工作边界上设定多个采集点位，通过所述地磁传感器采集多个采集点位的地磁数据，将所述地磁数据存储于所述地磁信息存储模块中形成边界磁场特征矩阵数据库；
步骤二：自行走设备在工作过程中，将地磁传感器实时采集的地磁数据与工作区域边界磁场特征矩阵数据库进行数据匹配，判定自行走设备是否到达边界，
所述地磁传感器组包括两组，分别为第一地磁传感器组(8)和第二地磁传感器组(7)，所述第一地磁传感器组(8)安装于自行走设备的前部，所述第二地磁传感器组(7)安装于自行走设备的后部，
所述步骤二中将地磁传感器实时采集的地磁数据与工作区域边界磁场特征矩阵数据库进行数据匹配具体包括：当自行走设备向前行进时，通过安装在前部的第一地磁传感器组(8)检测的地磁数据与边界磁场特征矩阵数据库进行匹配；当自行走设备后退时，通过安装在后部的第二地磁传感器组(7)检测的地磁数据与边界磁场特征矩阵数据库进行匹配。
2.根据权利要求1所述的基于地磁的自行走设备检测控制方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：首次使用自行走设备时，遥控自行走设备沿工作区域边界行走一圈，自行走设备按照一定的速度平稳行进，在行驶过程中通过所述地磁传感器组定时检测并存储当前点位的地磁信息分别存入地磁信息存储模块，所述地磁信息包括三轴地磁数据Mx、My、Mz。
3.根据权利要求2所述的基于地磁的自行走设备检测控制方法，其特征在于，所述第一地磁传感器组(8)和第二地磁传感器组(7)分别包括四个地磁传感器。
4.根据权利要求3所述的基于地磁的自行走设备检测控制方法，其特征在于，所述第一地磁传感器组(8)里的四个地磁传感器的X轴在同一平面内且方向不相同或Y轴在同一平面内且方向不相同，所述第二地磁传感器组(7)里的四个地磁传感器的X轴在同一平面内且方向不相同或Y轴在同一平面内且方向不相同。
5.根据权利要求4所述的基于地磁的自行走设备检测控制方法，其特征在于，所述多个采集点位等距分布在工作区域的边界上。
6.根据权利要求3-5任一项所述的基于地磁的自行走设备检测控制方法，其特征在于，所述步骤一中每个点位数据采集时，将自行走设备停止一预定时间，每个地磁传感器在预定时间内多次采集地磁数据，将每个地磁传感器多次采集的数据通过中值和均值滤波去除信号噪声后，作为该点位的地磁数据。
7.根据权利要求6所述的基于地磁的自行走设备检测控制方法，其特征在于，所述步骤二中判定自行走设备是否到达边界具体包括：当至少一个地磁传感器组中的至少一个传感器的三轴地磁数据与边界磁场特征矩阵数据库中的对应数据匹配时则判定自行走设备到达边界。
8.根据权利要求7所述的基于地磁的自行走设备检测控制方法，其特征在于，将边界磁场特征矩阵数据库中的数据设定一阈值范围，在进行数据匹配时，当至少一个传感器的三轴地磁数据落入对应数据的阈值范围内时则判定自行走设备到达边界。
9.一种自行走设备，其特征在于，所述自行走设备包括权利要求1-8任一项中所述的地磁传感器组和地磁信息存储模块。
10.根据权利要求9所述的自行走设备，其特征在于，所述自行走设备为智能割草机机器人。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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