用于室外机器人惯性碰撞检测方法与流程

相关申请

本申请根据§§119、120、363、365和37c.f.r.§1.55和§1.78要求于2018年8月14日提交的第16/103,409号美国专利申请的权益和优先权，并且该申请和本申请还根据§§119、120、363、365和37c.f.r.§1.55和§1.78要求于2017年8月16日提交的第62/546,081号美国临时申请的权益和优先权，以及第16/103,409号美国专利申请和第62/546,081号美国临时申请中的每个均通过引用并入本文。

本申请2017年2月17日的第15/435,660号美国专利申请，该美国专利申请以引用的方式并入本文中。

本发明涉及一种机器人，优选地涉及一种自主式花园除草机器人。

背景技术：

杂草降低产量，因为它们从粮食作物植物中偷取水、营养素和阳光。这对于所有的种植者来说都是一个重大的挑战。一个来源声明：“当前，杂草控制由有机种植者和许多常规种植者排为第一生产成本”，参见fundamentalsofweedscience,4thedition,robertl.zimdahl,page308，通过引用结合到本文中。另外，随着杂草变得对常用除草剂具有抗性，杂草问题越来越恶化。参见https://en.wikipedia.org/wiki/glyphosate，在此引入作为参考。

杂草的机械根除会解决除草剂抗性问题。因此，这种策略已经被许多人追捧。例如，参见http://www.bosch-presse.de/presseforum/details.htm？txtid＝7361&tk-id＝166，在此引入作为参考。所面临的挑战是构建能够区分杂草和所需作物的成本有效的工具。纯粹的机械方法可商购(参见，例如http://www.ley.com/upload/origined/turfcare-us/files/weederspecsheetfinal.pdf，在此引入作为参考)，但在范围上是有限的。基于视觉的方法还没有在商业上被证明是成功的，这可能是因为在生长周期的一些部分期间杂草与作物之间的巨大相似性。还参见第2013/0345876号美国公开专利申请和第5,442,552号和第8,381,501号美国专利。

技术实现要素：

本发明提供了一种由能够区分杂草和作物的传感器引导的机械式根除方法。

一个实施方式的特征在于一种除草机器人，其包括底盘、电动切割子系统、用于操纵底盘的驱动子系统、底盘上的杂草传感器子系统以及安装至底盘的加速度感测子系统。控制器子系统控制驱动子系统，并响应于杂草传感器子系统和加速度感测子系统。控制器子系统配置成通过调制底盘的速度来控制驱动子系统，从而围绕花园操纵底盘。在检测到杂草时，电动切割子系统切割杂草。根据加速度感测子系统的输出来确定底盘的加速度，并且如果底盘的所确定的加速度下降到预定水平以下，则根据一个或多个预编程的行为来控制控制驱动子系统。

控制器子系统还可配置成在底盘移动预定距离之后和/或在预定时间段之后使电动切割子系统断电。优选地，控制器子系统配置成以随机或确定性模式在花园周围操纵底盘。除草机器人还可包括由底盘承载的用于为电动切割子系统和驱动子系统供电的至少一个电池以及由底盘承载的用于对该至少一个电池充电的至少一个太阳能电池板。控制器子系统可配置为当电池功率低于预定水平时使驱动子系统断电。在一个示例中，电动切割子系统包括马达，该马达具有承载在底盘下方旋转的绳的轴。杂草传感器子系统可包括至少一个位于底盘前部下方的电容传感器。优选的电容传感器是电容侧翼器(capaciflector)接近传感器。还可包括作物/障碍物传感器子系统，其包括至少一个向前安装的电容传感器。同样，优选为电容式接近传感器。加速度感测子系统可包括惯性测量单元。一个或多个预编程的行为可包括控制驱动子系统使底盘的方向反向、转动底盘、使底盘循环反向运动和向前运动和/或增加驱动子系统的速度。

在一个实例中，控制器子系统通过根据预定波形调制施加至驱动子系统的电压来调制底盘的速度。优选地，控制器子系统通过对由加速度感测子系统输出的信号应用卷积并通过计算由加速度感测子系统输出的信号的卷积的均方根值来确定底盘的加速度。

在一个版本中，驱动子系统包括多个轮和用于由控制器子系统控制的每个轮的驱动马达。优选地，具有4个盘形轮和4个驱动马达，并且所有的轮都是负外倾的(例如，以60°的角度)。盘形轮优选地包括边缘指状部。

本发明的特征还在于一种地面机器人，其包括底盘、用于操纵所述底盘的驱动子系统、以及安装至所述底盘的加速度感测子系统。控制器子系统控制驱动子系统，并响应于加速度感测子系统。控制器子系统配置成通过调制底盘的速度来控制驱动子系统操纵底盘，确定底盘的加速度，并且如果所确定的底盘的加速度下降到预定水平以下，则根据一个或多个预编程的行为来控制驱动子系统。在一些实例中，机器人还包括电动杂草切割子系统和底盘上的杂草传感器子系统。控制器子系统配置为响应于由杂草感测子系统检测到的杂草而为电动杂草切割子系统通电。

本发明的特征还在于操纵地面机器人的方法。根据预定的波形来调制机器人的速度。在机器人的行进方向上感测机器人的加速度。如果机器人在行进方向上的加速度下降到预定水平以下，则根据一个或多个预编程的行为操纵机器人。该方法还可包括在花园中操纵机器人、检测花园中的任何杂草以及切割杂草。

然而，在其它实施方式中，本发明不需要实现所有这些目的，并且其权利要求不应限于能够实现这些目的的结构或方法。

附图说明

本领域技术人员从以下对优选实施方式的描述和附图中可想到其它目的、特征和优点，在附图中：

图1a是检测待切割杂草的除草机器人的示例的示意性侧视图；

图1b是检测作物植物的图1a的机器人的示例的示意性侧视图；

图1c是检测放置在作物植物幼苗周围的套筒的图1a和图1b的机器人的示意性侧视图；

图2是根据本发明的除草机器人的示例的示意性三维视图；

图3和图4是图2的机器人的示意性仰视图；

图5是图2至图4的机器人的另一视图；

图6是描述与本发明的示例性方法相关联的主要步骤并且还描述机器人的控制器子系统的主要编程逻辑的示例的流程图；

图7是示出与图2至图5的机器人相关联的主要部件的框图；

图8是描述与机器人的电子电路相关的主要部件的框图；

图9是用于向机器人轮马达施加变化的电压以调节机器人底盘的速度的波形的一个示例的曲线图；

图10是当机器人根据图9所示的速度调节进行操纵时加速度感测子系统输出的示例的示意图；

图11是当机器人被卡住和/或遇到障碍物时由加速度感测子系统输出的加速度信号的示例的示意图；

图12是描述了与释放卡住的机器人和/或操纵已撞击障碍物的机器人的一种方法相关的主要步骤并且还描述了与机器人的控制器子系统相关的主要编程逻辑的示例的流程图；

图13是描述了当机器人倒置时与驱动子系统和/或杂草敲击马达断电相关的主要步骤并且还描述了机器人的控制器子系统的编程逻辑的示例的流程图；

图14是示出根据本发明的实例的园艺机器人的另一版本的示意图；.

图15是图14的机器人的示意性仰视图；以及

图16a和图16b是比较常规四轮驱动机器人和极度曲面轮式机器人的足迹的示意图，其中阴影线区域表示驱动轮在地面上的投影，以及阴影线表示每个轮的地面接触片。

具体实施方式

除了下面公开的一个或多个优选实施方式之外，本发明还能够具有其它实施方式，并且能够以各种方式实践或实现。因而，应理解的是，本发明在其应用中不限于在以下描述中阐述的或在附图中示出的结构细节和部件布置。如果在这里仅描述了一个实施方式，则其权利要求不限于该实施方式。另外，除非存在清楚和令人信服的表明某种排除、限制或免责声明的证据，否则不应限制性地阅读其权利要求书。

本发明公开了一种基于移动机器人的系统，其从家庭花园中清除杂草。机器人优选地包括室外移动平台、可再生电源、能够检测机器人指定操作区域的边界的传感器、能够检测障碍物的传感器、能够检测杂草的一个或多个传感器、以及用于消除杂草的机构。可选地包括用于将害虫驱出花园的机构、用于收集关于土壤和植物的信息的系统以及用于收集花园中的植物的图像以用于离线分析植物健康和/或随时间推移的可视化的系统。注意，图像可与机器人位置相关，以用于跟踪各个植物。

移动平台可包括4个驱动轮，每个驱动轮均通过由公共微处理器控制的独立马达提供动力。一个或两个顶部安装的光伏电池提供电力。优选的花园边界传感器可基于电容。障碍物检测传感器可用作第二边界检测传感器。主障碍物检测传感器优选地基于电容。第二障碍物传感器可为虚拟的。它可监测车轮转动、驱动马达pwm、三个正交加速度计、三个正交陀螺仪和/或其它信号。计算机算法组合这些信号，以确定机器人何时被障碍物阻止移动。安装在机器人底盘底部的杂草传感器也优选地基于电容。

并不是机器人遇到的所有物体都是导电的并接地。因此，机器人可具有至少一个附加的碰撞感测模态。作为一个实例，使用观察车轮旋转、命令的车轮功率、加速度计和陀螺仪。参见，例如，adynamic-model-basedwheelslipdetectorformobilerobotsonoutdoorterrain,lagnemma&ward,ieeetransactionsonrobotics,vol.24,no.4,august2008，在此引入作为参考。

图1a示出了具有包括从动轮32a和32c的带有驱动子系统的自主地面机器人10的示例。电容式杂草传感器12优选地位于底盘14的前部下方，并且电容式作物植物/障碍物传感器16优选安装在底盘14的前部的较高处。杂草20由杂草传感器12检测，并且作为响应，使机动化杂草切割器18通电。可选地，当机器人10向前驱动时，切割器18通电。切割杂草20，然后使杂草切割器18断电并关闭(例如，在预定时间段之后)。

当图1b中的机器人10遇到作物植物22时，作物植物/障碍物传感器16现在检测作物植物22的存在，并且机器人10从作物植物22转向和机动。杂草切割器没有通电。在图1c中，如果机器人10遇到障碍物、栅栏和/或置于作物植物幼苗26周围的导电套筒24，则会产生相同的结果。

图2至图5所示的机器人10的驱动子系统可包括4个从动轮32a至32d和4个相应的轮驱动变速箱34a至34d，每一个都具有其自己的驱动马达控制器(未示出)。可使用其它驱动子系统。

优选的杂草切割子系统包括驱动线段42的马达40。底盘14还承载由一个或多个太阳能电池46a、46b充电的电池44、以及用于控制器子系统的一个或多个电路板。图中示出了杂草传感器12，并且作物植物/障碍物传感器16a、16b位于机器人的前方。

如图6所示，控制器子系统配置为确定电池是否被充电-步骤50，并且如果未充电，则进入休眠模式-步骤52，其中机器人在花园中保持静止。

当电池充分充电到预定水平(例如，80％)以上时，控制器子系统控制驱动轮马达，使得机器人优选地以随机方式在花园周围机动以完全覆盖-步骤56。

当控制器子系统接收到来自杂草传感器的信号时-步骤58，控制器子系统为杂草切割马达通电-步骤59，并且可控制驱动轮马达以在杂草上向前驱动机器人-步骤60，从而切割杂草。在预定的行进距离之后和/或在预定的行进时间之后，控制器子系统对杂草切割器马达断电-步骤61。在其它实施方式中，底盘不是向前移动以便切割杂草。然后，杂草切割电动机在预定时间之后被断电。

如步骤62至步骤64所示，如果控制器子系统接收到来自作物植物/障碍物传感器的信号，则控制器子系统控制驱动轮马达转动并转弯远离作物植物/障碍物。杂草切割器马达没有通电。在其它设计中，使用微控制器、专用集成电路等。控制器子系统优选地包括存储在由一个或多个处理器执行的板上存储器中的计算机指令。计算机指令按照图6的流程图和这里的说明来进行设计和编码。

因而，机器人自动地周期性地围绕花园进行机动，切割杂草，以及避开作物植物、幼苗和障碍物。机器人可为6至7英寸宽和9至10英寸长，从而允许在作物植物行中操作。底盘也可为圆形的(例如，直径为7-8英寸)。机器人可重约1千克，以避免压实土壤。机器人底盘优选地配置为使得杂草传感器离地面约1英寸，以及一个或多个作物植物/障碍物传感器离地面大约1.5英寸。杂草切割线可离地面0.5英寸。可使用图4中的直立面向前的右面作物植物/障碍物传感器16a和直立面向前的左面作物植物/障碍物传感器16b，如果左面传感器检测到作物植物/障碍物，则机器人向右转动，而如果右面传感器检测到作物植物/障碍物，则机器人向左转动。也可使用后部安装的传感器。在其它实施方式中，不包括杂草传感器，并且每当机器人机动时，就运行杂草切割子系统。

图7示出了控制器子系统70基于来自杂草传感器12、作物植物/障碍物传感器16和可选的运动传感器71的输入来控制驱动马达34和杂草切割马达40。可选的导航子系统72也可包括于加速度计和/或陀螺仪中。在一个实例中，控制器子系统包括处理器80，如图8所示。图7至图8还示出了功率管理控制器45。还可包括一个或多个环境传感器82，如图7所示，诸如摄像机84的成像器、视频捕获处理器86和上行链接子系统(例如，蓝牙、蜂窝或wi-fi)88。图7还示出了充电和编程端口90。

以下公开了用于增强小型、廉价、户外移动机器人的性能的几种方法，机器人具体为应用于草坪、花园和农业应用的机器人以及先前描述的机器人。

在移动机器人中广泛使用的碰撞检测方法依赖于仪表化的机械缓冲器。参见第6,809,490号美国专利，在此引入作为参考。尽管通常是适当的，但是这种缓冲器在机械上复杂、笨重并且易于失效，特别是当在灰尘环境、肮脏环境或潮湿环境中工作时。为了最小化成本和最大化用于小型廉价移动机器人的可靠性，我们公开了一种新颖的惯性碰撞检测系统。

近年来，基于mems的惯性测量单元imu已经变得廉价并且广泛可用。原则上，由imu测量的信号(加速度和旋转)可进行积分，以产生机器人在任何时间的姿势(位置和方向)。因而，确定机器人何时遭受碰撞的一种方法是监视机器人的轨迹(如通过积分imu的输出而计算的轨迹)，并且当向电动机施加电力但机器人的姿势不改变时声明碰撞已经发生。不幸的是，低成本的imu可对易感，并且易于偏置漂移达到不能以足够的精度来计算用于该目的的机器人所遵循的轨迹的程度。

使用车载imu测量机器人沿其预期运动方向的加速度。沿该方向的突然减速可靠地指示碰撞。然而，室外机器人可能遇到使其逐渐减慢的松散的土壤或植被。在许多情况下，由与软障碍物的碰撞引起的减速可能下降到imu的噪声/漂移偏置底层值以下，并且机器人的固定变得不可检测。

在一个实例中，机器人的控制驱动子系统的控制器可不断地调节机器人的速度-周期性地调节机器人的加速度，然后使机器人减速。当机器人不受阻碍时，该调制加速度在来自imu的信号中显著出现。但是当机器人压靠在障碍物上时，无论它已经快速或缓慢地减速，调制加速度信号从imu输出消失。

在一个示例中，控制器子系统(例如，图7中的微控制器70)控制机器人的驱动子系统(例如，轮马达34)，以通过如图9所示调制底盘的速度来围绕花园或其它区域操纵机器人底盘。周期性地，如图9的波形所示-步骤100，图12，施加至机器人轮马达的电压增加然后减小。当机器人如图10所示进行操纵时，加速度感测子系统(例如，图7的imu72)感测机器人的加速度，如图12的步骤102所示。然而，当如图12的步骤103所示，由如图11所示的加速度感测子系统检测到的底盘的周期性加速度的幅度因为机器人被卡住或撞击障碍物而下降到预定水平以下时，则控制器子系统根据一个或多个预编程行为来控制机器人驱动子系统，如图11的步骤104(例如，使机器人底盘反向、转动机器人底盘、增加底盘的速度(例如，通过向驱动马达施加较高的电压)、和/或在底盘的反向运动和向前运动之间循环)，从而如果机器人被卡住，则释放机器人，或操纵机器人远离障碍物。

本领域技术人员将认识到的是，存在许多方式来测量加速度信号中存在的调制水平。质量为约1kg的机器人的优选实施方式是用周期为3.3hz的方波调制机器人的指令速度。速度调制(以及加速调制)的幅度选择成与imu的能力相匹配。具有较低噪声的单元可检测较小的幅度。

在一个优选实现中，来自机载imu的正向加速度信号通过3.3hz正弦波的一个周期进行卷积。然后，将卷积的rms值与固定阈值进行比较。当rms值下降到阈值以下时，假定机器人与障碍物碰撞或被卡住。作为响应，控制器编程为对驱动子系统断电、输出信号等。

注意，其它卷积核也是可能的，但是优选地，所有卷积核均具有零均值。当机器人向上或向下指向斜坡时，将dc偏置添加到正向加速度。零均值内核对该值求平均，使得只有机器人施加的周期性调制出现在输出中。

速度调制碰撞检测方案可能被某些环境特征欺骗。例如，假设机器人的轮卡在小的凹陷处中，使得每次施加加速度时，机器人向前摇摆，并且每次它试图减速时，机器人向后摇摆。在这种情况下，加速度信号被压下，但是仍然可解释为正常的向前运动。

图17中的附加传感器12可发现这种情况。假设机器人具有面朝下的电容或接近传感器。在正常情况下，来自这种传感器的信号与地形中的波动相匹配，并且与机器人的故意的速度调制无关。然而，当机器人如上所述被卡住时，来自向下指向的传感器的信号变得与加速度调制信号很好地相关联。随着机器人向前摇摆和向后摇摆，机器人到地面的距离增大和减小。因而，控制器子系统可进行编程，以寻找加速度和地面接近信号之间的相关性。找到足够强的相关意味着机器人被卡住而不是进行进展。

建议具有一种使机器人断电的装置，该装置是直观的，并且用户始终可接近该装置。因为这里描述的机器人很小并且重量轻，所以可使用一种特别简单的方法。当机器人倒置时，机器人禁止所有的运动。在用户故意按下启动按钮之前，机器人不会重新激活。该方案还用作故障保护方法。如果机器人翻倒下斜坡或以其它方式翻倒，则机器人自动关闭直到由用户协助。

如果传感器如已描述的那样进行布置，则如果用户以意想不到的方式拿起机器人，则他们可用他们的手意外地触发杂草驱逐器传感器。然而，如上所述，即使在机器人倒置之前，也可检测到这种情况，并禁用杂草驱逐器。由于上面的植物和杂草传感器的布置，用户的手极有可能在几乎与杂草传感器相同的时间触发植物传感器中的一个或多个。当然，传感器输入的这种组合也在正常操作期间发生(例如，当杂草在植物附近发芽时)。

为了允许正常操作，同时在拾取过程中还禁用杂草驱逐器，机器人可选择在启用驱逐器电动机之前等待指定的时间量。由于机器人在该点将停止驱动，如果机器人通过车载加速度计、测斜仪或其它嵌入式传感器检测到运动，则它可以以类似于反转运动禁止的方式禁止运动。参见图13。

为户外使用而设计的小型、廉价的移动机器人面临着阻碍移动的挑战。机器人在其上操作的表面可包括松土、泥、岩石、陡坡、洞、障碍物和其它困难的元素。然而，机器人的尺寸要求其轴距短且地面间隙小。另外，机器人通常没有许多即将来临的危险的提前通知。它仅在移动性受阻之后才获悉移动性问题。

如图14至图15所示，机器人10'包括圆形底盘14'，其支承太阳能电池板46'，并由4个从动轮32驱动，每个从动轮32均具有盘形、负外倾(例如，60°)，并且每个轮均包括间隔开的边缘指状部110。

结果是改善了小型室外移动机器人的移动性/自主性。这种方法折衷了一些推进效率，以利于增强机器人的能力，从而使其自身与挑战性的情况相脱离。

4轮驱动(4wd)对于实现高移动性是有益的，但是配置4个驱动轮具有挑战性。为了获得最佳的性能，例如除草机器人的移动性系统应该具有下面列出的特性。首先，机器人的宽度w尽可能小。参见图16a和图16b。窄的宽度使得机器人能够装配在紧密种植的作物植物之间。机器人越窄，机器人能够接近的花园的比例越大。另外，驱动轮的直径应当较大，以便使下沉到地形中的影响最小。

驱动轮也尽可能靠近壳体/底盘。当机器人跟随一排作物植物时，图16b中的外壳与轮之间的距离b和b'不会被扫过杂草。因而，这种宽度的杂草边缘将潜在地包围植物。轮的接触点之间的距离尽可能大。这使得机器人在坡度上具有最大的稳定性，并且当机器人遇到地形波动时，使侧倾和俯仰变化最小。必须在机器人下方留出尽可能大的空间以用于安装杂草切割机构(图16b中的c')。最大化杂草切割机构的宽度，使得机器人能够以较少的通过清除所有杂草。机器人的地面间隙尽可能大。高地面间隙最小化机器人在岩石和其它地形特征上高度居中的可能性。机器人的推进机构的占地面积尽可能地大到机器人的总占地面积的部分。这使机器人的重量将由高定心物体而不是由驱动机构的部分支承的可能性最小化。驱动轮周围的开放体积必须尽可能地大，使得在轮与机器人主体之间不会捕获碎屑，从而不会固定机器人。推进效率应该尽可能地高，以便在单次电池充电时最大化运行时间。

极端的外倾轮配置(例如，60°)在9个所需的所列特征中的8个中提供对常规4wd的改进。降低推进效率以实现所有其它期望的特性。

当车轮外倾变得极端时，推进效率稍微降低，因为当车轮与地面接触时，驱动轮的轮辋上的点在y方向上产生小的运动。车轮下沉越深，效率损失越大。

注意，轮的接触片配置成使得在同一方向上驱动轮引起机器人在+x或-x方向上移动。沿相反方向驱动机器人的相对侧上的轮使得机器人在适当的位置上旋转，从而进行正转或负转。

注意，通过提供更宽的轴距，向外移动接触片增加机器人的整体稳定性。

常规(零外倾)轮的一个缺点是它们会向上甩污物或碎屑，污物或碎屑更可能落在机器人的顶部(这在具有安装在机器人顶部的太阳能电池的机器人的情况下是一个缺点)。通过使用具有极度外倾的轮，这种松散的污物和碎屑停留在地面附近。

当新出现的杂草处于它们的“白线(white-thread)”或子叶发育阶段时，它们对土壤的干扰是高度易感的。当机器人移动时，内倾、前展或高外倾配置引起轮磨擦地面。该动作倾向于在杂草变得可见之前杀死杂草，并且是机器人的杂草根除策略的一部分。

这种策略可单独使用，或与前面描述的用绳子修剪器切割杂草的方法结合使用。

尽管在一些附图但不是其他附图中示出了本发明的具体特征，但这仅是为了方便起见，因为每个特征可与根据本发明的任何或所有其它特征相结合。词语“包括”、“包含”、"具有"和"带有"应被广泛和全面地解释，并且不限于任何物理互连。另外，在本申请中公开的任何实施方式均不应被认为是唯一可能的实施方式。

另外，在本专利的专利申请的起诉期间提出的任何修改不是对提交的申请中提出的任何权利要求要素的放弃：本领域技术人员不能合理地预期起诉应当字面地包含所有可能的等同物的权利要求，许多等同物在修改时将是不可预见的，并且超出了对要被放弃的内容(如果有的话)的公平解释。修改基础上的基本原理可承载不超过许多等同物的切向关系，和/或存在许多其他原因，申请人不能预期描述任何修改的权利要求元素的某些非实质性替代。

本领域的技术人员将会想到其它实施方式，并且这些实施方式都落在所附权利要求书的范围内。