一种基于全景机器视觉的智能割草机器人的制作方法

1.本发明涉及割草机器人技术领域，尤其涉及一种基于全景机器视觉的智能割草机器人。


背景技术：

2.随着人工智能和信息科学技术的不断发展，越来越多的智能化设备进入生产生活的各个方面。利用智能机器人代替人工劳作已经成为未来富有广阔发展前景的趋势。使用智能割草机器人进行草地维护修剪，不仅可以减轻人力，大大提高效率，节省能源消耗，而且价格成本低廉，可重复使用便于维护。目前常见的割草机器人一般依靠电子围栏来构建区域，机器人在限定区域内无序行进或者按预先设定的行进方案进行工作；或者使用uwb的方案来帮助机器人确定自己的位置以及地图范围。电子围栏的方案需要人工布置磁感线，安装成本较高，且机器人不能依据工作场景进行路径规划，工作效率非常低；uwb定位方法需要安装定位基站、定位标签、辅助定位基站、充电定位站等诸多装置，不可避免带来安装复杂、成本较高等问题。
3.如公开号为cn102771246a的专利公开了一种智能割草机系统及其智能割草方法，包括割草机、自带摄像装置、自带各传感器，边界电子围栏和充电站。智能割草机在边界电子围栏圈定的割草区域内，依靠自带的摄像装置和割草电机电流检测装置，通过单目视觉技术和各传感器的数据融合，完成对当前局部范围内割草情况的认知，实现对区域内草坪的智能化割草，同时利用自身各传感器进行蔽障，边界控制和自动返回充电。上述专利虽然可以使得智能割草机对区域内草坪疏密和散布等情况做出不同的割草行为，但是其需要电子围栏来构建区域，安装成本高。
4.因此，智能割草机器人的便捷、智能、低成本已经成为了当前该领域亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于全景机器视觉的智能割草机器人，以弥补传统智能割草机器人安装复杂、智能程度低、成本较高、工作效率低的问题。
6.为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种基于全景机器视觉的智能割草机器人，包括机器人壳体，还包括设置于机器人壳体内的传感器模块、主控模块、运动模块、切割模块；所述主控模块分别与传感器模块、运动模块、切割模块连接；
8.所述传感器模块包括全景光学单元、imu传感器单元、超声波传感器单元、轮速里程计单元；
9.全景光学单元，用于获取全景图像数据，并将获取到的全景图像数据发送至主控模块；
10.imu传感器单元，用于获取机器人的三轴姿态和加速度数据，并将获取到的三轴姿
态和加速度数据发送至主控模块；
11.超声波传感器单元，用于获取机器人工作环境周围的障碍物信息，并将获取到的障碍物信息发送至主控模块；
12.轮速里程计单元，用于获取机器人的轮速里程信息，并将获取到的轮速里程信息发送至主控模块；
13.主控模块，用于分别接收全景光学单元、imu传感器单元、超声波传感器单元、轮速里程计单元发送的数据信息，对接收到的数据信息进行处理，得到机器人的位置信息以及生成机器人的工作环境地图，并向运动模块、切割模块发送控制指令；
14.运动模块，用于接收主控模块发送的控制指令，并根据接收到的控制指令控制机器人进行移动；
15.切割模块，用于接收主控模块发送的控制指令，并根据接收到的控制指令控制机器人进行启动/停止割草工作。
16.进一步的，所述全景光学单元包括同轴设置的第一全景环带单元块透镜、第二全景环带单元块透镜、全景环带中继透镜组、滤光片、图像传感器、镜筒；
17.第一全景环带单元块透镜靠近物面的表面包括外凸的前折射面，所述前折射面中部设置内凹的前反射面；第二全景环带单元块透镜靠近像面的表面包括外凸的后反射面，所述后反射面中部设置外凸的后折射面；入射光依次从前折射面、后反射面、前反射面、后折射面后，再通过全景环带中继透镜组进入滤光片，并到达图像传感器上进行成像。
18.进一步的，所述主控模块包括计算单元、控制单元、存储单元、电源单元；
19.计算模块，用于对全景光学单元、imu传感器单元、超声波传感器单元、轮速里程计单元发送的数据信息进行计算，并将计算结果发送至控制单元；
20.控制单元，用于根据计算模块计算得到的结果向运动模块、切割模块发送控制指令；
21.存储模块，用于存储全景光学单元、imu传感器单元、超声波传感器单元、轮速里程计单元发送的数据信息；
22.电源模块，用于为机器人提供电能。
23.进一步的，所述运动模块包括电机、轮子；通过电机驱动轮子转动以使机器人进行移动。
24.进一步的，所述第二全景环带单元块透镜的后反射面镀有圆环反射膜。
25.进一步的，所述滤光片表面上镀覆有红外截止滤膜。
26.进一步的，所述全景光学单元中的最小半视场角范围是30
°‑
60
°
，最大半视场角大于90
°
。
27.进一步的，所述图像传感器形成的像包括中央成像盲区和成像区域，中央成像盲区对应天空，成像区域对应机器人周围场景。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果：
29.(1)本发明提供的一种基于全景机器视觉的智能割草机器人具有全景光学系统和机器视觉算法的优势，其中全景光学系统利用自身的折反射特性构造能够对周围360
°
景物进行一次成像，是一种超大视场特殊成像光学系统，解决了采用传统相机系统进行定位和环境感知时，视野范围小的问题，提高了算法的鲁棒性，更适合用于户外场景感知。同时，全
景光学系统相对于使用激光雷达进行环境感知的方案，成本大大降低，同时也可以提供激光雷达不具备的图像信息。
30.(2)本发明提供的一种基于全景机器视觉的智能割草机器人，使用机器视觉算法和全景光学系统进行配合，极大地提升了智能割草机器人的工作效率，极大地降低了智能割草机器人的成本，无需人工布设电子围栏或者搭建定位基站和定位标签，极大地简化了智能割草机器人的安装和维护成本，可灵活应用多种需要草地修整的场景中。
附图说明
31.图1是实施例一提供的一种基于全景机器视觉的智能割草机器人模块示意图；
32.图2是实施例一提供的基于全景机器视觉的智能割草机器人的内部结构示意图；
33.图3是实施例一提供的基于全景机器视觉的智能割草机器人的底部示意图；
34.图4是实施例一提供的基于全景机器视觉的智能割草机器人的全景光学单元结构示意图；
35.图5是实施例一提供的基于全景机器视觉的智能割草机器人的全景光学单元的成像分布图；
36.其中，1.全景光学单元；2.imu传感器单元；3.超声波传感器单元；4.轮速里程计单元；5.电机；6.轮子；7.机器人壳体；10.第一全景环带单元块透镜；11.第二全景环带单元块透镜；12.全景环带中继透镜组；13.滤光片；14.图像传感器；15.镜筒；100.传感器模块；101.主控模块；102.运动模块；103.切割模块；o.入射光。
具体实施方式
37.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于全景机器视觉的智能割草机器人。
39.实施例一
40.本实施例提供一种基于全景机器视觉的智能割草机器人，如图1
‑
3所示，包括机器人壳体7，还包括设置于机器人壳体内的传感器模块100、主控模块101、运动模块102、切割模块103；主控模块101分别与传感器模块100、运动模块102、切割模块103连接。
41.传感器模块100包括全景光学单元1、imu传感器单元2、超声波传感器单元3、轮速里程计单元4；全景光学单元、imu传感器单元设置于壳体上方，超声波传感器单元、轮速里程计单元设置于壳体下方，且轮速里程计单元设置于轮子旁(如轮子的转轴上)。
42.全景光学单元1，用于获取全景图像数据，并将获取到的全景图像数据发送至主控模块。
43.如图4所示，全景光学单元包括同光轴设置的第一全景环带单元块透镜10、第二全景环带单元块透镜11、全景环带中继透镜组12、滤光片13、图像传感器14、镜筒15；从物方到
像方依次排列的顺序是：第一全景环带单元块透镜10、第二全景环带单元块透镜11、全景环带中继透镜组12、滤光片13、图像传感器14。
44.第一全景环带单元块透镜10靠近物面的表面包括外凸的前折射面，前折射面中部设置内凹的前反射面；第二全景环带单元块透镜11靠近像面的表面包括外凸的后反射面，后反射面中部镀有外凸的圆环反射膜的后折射面。
45.入射光o依次从第一全景环带单元块透镜10的前折射面的透射区域进入全景光学单元1，在第二全景环带单元块透镜11的后反射面发生一次反射，在第一全景环带单元块透镜10的前反射面上进行二次反射，在第二全景环带单元块透镜11的后折射面出射后进入全景环带中继透镜组12，在全景环带中继透镜组12的像差校正功能下出射，再通过滤光片13后在图像传感器14上进行成像。
46.全景光学单元能够对周围360
°
场景进行实时成像，其最小半视场角范围是30
°‑
60
°
，最大半视场角大于90
°
。
47.滤光片表面上镀覆有红外截止滤膜，可滤除红外光，使图像传感器上仅有可见光进行成像。
48.如图4所示为全景光学单元的成像分布图，全景光学单元1成像会形成中央成像盲区s1和成像区域s2,，中央成像盲区s1对应成像区域是天空，成像区域s2为360
°
环视成像，成像拍摄区域是智能割草机器人周围360
°
场景。通过该全景光学单元1的环视成像功能，能够相对双目视觉多帧成像获得更大的成像范围，在360
°
范围内实现成像，大大增强了智割草机器人的环境感知能力。
49.imu传感器单元2，用于获取机器人的三轴姿态和加速度数据，并将获取到的三轴姿态和加速度数据发送至主控模块。
50.imu传感器是惯性测量单元，用于测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般的，一个imu包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。
51.本实施例将imu传感器单元获取到的三轴姿态和加速度数据传输至主控模块，使主控模块快速得知割草机器人的位置信息。
52.超声波传感器单元3，用于获取机器人工作环境周围的障碍物信息，并将获取到的障碍物信息发送至主控模块。
53.超声波传感器是将超声波信号转换成其它能量信号(通常是电信号)的传感器。超声波是振动频率高于20khz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。
54.本实施例将超声波传感器获取到的障碍物信息传输至主控模块，使主控模块实时避障。
55.轮速里程计单元4，用于获取机器人的轮速里程信息，并将获取到的轮速里程信息发送至主控模块。
56.里程计技术是自主机器人导航的关键，因为它能够在环境中进行自我定位。且可以根据得知机器人的移动距离和移动速度。
57.本实施例轮速里程信息和imu信息，可以确定机器人自身的位置以及机器人的移动距离和移动速度。
58.主控模块101，用于分别接收全景光学单元、imu传感器单元、超声波传感器单元、轮速里程计单元发送的数据信息，对接收到的数据信息进行处理，得到机器人的位置信息以及生成机器人的工作环境地图，并向运动模块、切割模块发送控制指令。
59.主控模块101包括计算单元、控制单元、存储单元、电源单元；
60.计算模块，用于对全景光学单元、imu传感器单元、超声波传感器单元、轮速里程计单元发送的数据信息进行计算，并将计算结果发送至控制单元；
61.控制单元，用于根据计算模块计算得到的结果向运动模块、切割模块发送控制指令；
62.存储模块，用于存储全景光学单元、imu传感器单元、超声波传感器单元、轮速里程计单元发送的数据信息；
63.电源模块，用于为机器人提供电能。
64.在本实施例中，主控模块分别与图像传感器imu传感器单元、超声波传感器单元、轮速里程计单元电性连接，使得主控模块及时处理相应的数据信息。
65.割草机器人在开始工作过程中，主控模块获取到图像传感器生成的全景图像，通过对图像进行识别和处理，检测到所述的环境以及割草区和未割草区等，然后根据imu传感器单元、超声波传感器单元、轮速里程计单元传输的数据信息计算出自身进行位置、前进的方向、距离、附近的障碍物等，最后生成地图和机器人的位姿信息，根据生成的信息对运动模块、切割模块进行相应的控制。
66.本实施例的主控模块能够对全景光学单元拍摄的图像数据以及imu传感器单元、超声波传感器单元、轮速里程计单元获取的数据进行实时处理和计算，能够智能识别草坪、人、栅栏、建筑等物体，帮助割草机器人实现实时的定位和建图，并可以控制割草机器人进行移动和割草工作，且可以实时避障和规划路径。
67.运动模块102，用于接收主控模块发送的控制指令，并根据接收到的控制指令控制机器人进行移动。
68.运动模块包括电机5、轮子6；主控模块通过控制单元控制电机驱动轮子转动以使机器人进行移动。
69.切割模块103，用于接收主控模块发送的控制指令，并根据接收到的控制指令控制机器人进行启动/停止割草工作。
70.在本实施例中，基于全景机器视觉的智能割草机器人结合全景光学系统1和主控系统5的优势，仅需智能割草机器人本身就能实现不同面积不同场景的草地割草工作，无需大量的人力物力成本消耗，大大提升草地维护效率而无需安装复杂的定位装置和昂贵的价格，相比于当前市场的割草机器人具有明显的优势。
71.与现有技术相比，本实施例的有益效果：
72.(1)本实施例提供的一种基于全景机器视觉的智能割草机器人具有全景光学系统和机器视觉算法的优势，其中全景光学系统利用自身的折反射特性构造能够对周围360
°
景物进行一次成像，是一种超大视场特殊成像光学系统，解决了采用传统相机系统进行定位和环境感知时，视野范围小的问题，提高了算法的鲁棒性，更适合用于户外场景感知。同时，
全景光学系统相对于使用激光雷达进行环境感知的方案，成本大大降低，同时也可以提供激光雷达不具备的图像信息。
73.(2)本实施例提供的一种基于全景机器视觉的智能割草机器人，使用机器视觉算法和全景光学系统进行配合，极大地提升了智能割草机器人的工作效率，极大地降低了智能割草机器人的成本，无需人工布设电子围栏或者搭建定位基站和定位标签，极大地简化了智能割草机器人的安装和维护成本，可灵活应用多种需要草地修整的场景中。
74.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。