自动工作系统，自移动设备及其控制方法与流程

本发明涉及一种自动工作系统，还涉及一种自移动设备及其控制方法。

背景技术：

随着计算机技术和人工智能技术的不断进步，类似于智能机器人的自动工作系统已经开始慢慢的走进人们的生活。其中一个很好的例子是自动割草机系统的应用，自动割草机系统能够在没有人工操控的情况下完成草坪的切割。自动割草机通常体积小巧，集成有切割系统，驱动系统，能源系统，以及控制系统等。自动割草机系统一次设置之后，就无需再投入精力管理，将用户从维护草坪的枯燥工作中解放出来，因此受到极大欢迎。

例如自动割草机系统这样的自动工作系统，其正常工作需要多个系统、多种技术的精密配合，定位是其中一项关键技术。定位技术帮助自动工作系统的自移动设备减少重复行走的时间，全面地覆盖工作区域。例如自动割草机这样的在户外工作的自移动设备，其定位通常使用全球导航卫星系统(gnss)来实现，如果有足够的卫星覆盖范围，全球导航卫星系统能够提供精确的位置信息。然而，卫星信号有时会因建筑物、树木等被阻断，如果自移动设备不能够接收到可靠的卫星信号，就不能够准确的在工作区域内导航，也就不能够很好地覆盖整个区域。

为了实现更精确和不间断的定位信息，可以利用无需依赖外部信息源的相对定位系统，如惯性导航系统(ins)，包含惯性传感器，利用自移动设备的位置、速度和定向角度的初始估算作为起点，随时间推移而整合，确定自移动设备当前的位置、速度和定向角度。然而，仅有惯性传感器不适合用于精确定位，因为所需的数据整合操作会导致定位方案随着时间而偏移，从而导致无限量的误差累积。

基于上述问题，需要为自动工作系统提供一种定位方案，使得自动工作系统在不能够接收到可靠的卫星信号的情况下也能够可靠定位。

技术实现要素：

本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：

一种自移动设备，在由界限限定的工作区域内移动并工作，包括：壳体；移动模块，安装于壳体，由驱动马达驱动以带动自移动设备移动；控制模块，控制自移动设备的移动和工作；卫星导航装置，接收卫星信号；至少一个位置传感器，检测与自移动设备的位置相关的特征；所述自移动设备还包括融合处理单元，所述融合处理单元包括至少两个输入，其中之一为卫星信号，其中另一为所述位置传感器的输出；所述融合处理单元对卫星信号和所述位置传感器的输出进行运算，输出自移动设备的位置信息；所述控制模块基于所述融合处理单元输出的自移动设备的位置信息，控制所述移动模块带动自移动设备移动。

优选的，所述位置传感器包括运动或状态传感器，检测自移动设备的运动或状态参数。

优选的，所述运动或状态传感器包括惯性导航传感器。

优选的，所述惯性导航传感器包括加速度计、里程计、陀螺仪、姿态检测传感器的至少其中之一。

优选的，所述控制模块判断所述惯性导航传感器的输出误差，当误差大于等于预设值时，使用卫星信号修正所述惯性导航传感器的输出误差。

优选的，所述位置传感器包括至少两个，至少其中之一独立于所述惯性导航传感器；所述控制模块判断所述惯性导航传感器的输出误差，当误差大于等于预设值时，使用所述独立于惯性导航传感器的位置传感器的输出，修正所述惯性导航传感器的输出误差。

优选的，所述控制模块判断所述惯性导航传感器的输出误差，当误差大于等于预设值时，控制所述移动模块带动自移动设备改变移动方式，以修正所述惯性导航传感器的输出误差。

优选的，所述控制模块控制所述移动模块带动自移动设备改变移动方式包括，控制所述自移动设备停止移动。

优选的，所述移动模块包括轮组，所述运动或状态传感器包括轮速计，检测所述轮组的转速。

优选的，所述位置传感器包括环境检测传感器，检测自移动设备相对于界限的位置关系。

优选的，所述环境检测传感器包括表面识别传感器，检测自移动设备的下方或移动方向的前方是否为待加工表面。

优选的，所述表面识别传感器包括电容传感器、摄像头、红外传感器的至少其中之一。

优选的，所述环境检测传感器包括障碍检测传感器，检测自移动设备的移动方向上是否存在障碍。

优选的，所述障碍检测传感器包括超声波传感器、激光传感器的至少其中之一。

优选的，所述卫星导航装置为dgps装置。

优选的，所述融合处理单元运算自移动设备的位置信息时，根据所述卫星导航装置接收的卫星信号是否可靠，调整卫星信号与所述位置传感器的输出的权重。

优选的，当所述卫星导航装置接收的卫星信号可靠时，所述位置传感器的输出的权重为零。

本发明还提供一种自动工作系统，包括上述任一项所述的自移动设备。

本发明还提供一种自移动设备的控制方法，包括步骤：接收卫星信号；检测与自移动设备的位置相关的特征，输出特征参数；对所述卫星信号和特征参数进行融合处理，输出自移动设备的位置信息；基于所述自移动设备的位置信息，控制自移动设备的移动。

优选的，提供惯性导航传感器，以检测与自移动设备的位置相关的特征。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过将卫星导航信号与惯性导航信号融合，或卫星导航信号与其他能够反映自移动设备的当前位置的参数融合，使得自移动设备能够持续获得精确的导航数据，保证自动工作系统的安全性，提高自动工作系统的工作效率。

本发明还提供：

一种自动工作系统，包括自移动设备，所述自移动设备包括：卫星导航装置，包括至少一个卫星信号接收器，输出指示自移动设备位置的第一位置信号；惯性导航装置，包括至少一个检测自移动设备运动或状态参数的传感器，输出指示自移动设备位置的第二位置信号；所述自动工作系统还包括控制模块，判断卫星导航装置输出的第一位置信号可靠时，控制自移动设备基于第一位置信号工作；判断卫星导航装置输出的第一位置信号不可靠时，控制自移动设备基于第三位置信号工作，其中，第三位置信号通过整合卫星导航装置和惯性导航装置的信号而得到。

优选的，控制模块判断卫星导航装置接收不到卫星信号时，控制自移动设备基于惯性导航装置输出的第二位置信号工作。

优选的，控制模块控制自移动设备基于第一位置信号或第三位置信号工作在第一模式下，控制自移动设备基于第二位置信号工作在第二模式下。

优选的，第一模式下，自移动设备持续行走。

优选的，第二模式下，自移动设备间断地行走，自移动设备停止行走时，控制模块使用自移动设备的实际运动参数值修正第二位置信号的误差。

优选的，自移动设备的实际运动参数值包括值为零的速度参数。

优选的，第二模式下，自移动设备每行走时间t1，停止行走时间t2，在时间t2内使用自移动设备的实际运动参数值修正第二位置信号的误差。

优选的，所述自移动设备还包括至少一个独立于所述惯性导航装置的检测自移动设备的运动或状态参数的传感器，用于修正第二位置信号的误差。

优选的，所述自移动设备还包括轮组，所述独立于惯性导航装置的传感器为轮速传感器。

优选的，卫星信号接收器接收到大于等于4颗卫星的信号时，判断卫星导航装置输出的第一位置信号可靠；卫星信号接收器接收到1至3颗卫星的信号时，判断卫星导航装置输出的第一位置信号不可靠；卫星信号接收器接收到0颗卫星的信号时，判断卫星导航装置接收不到卫星信号。

优选的，所述第一位置信号为差分gps信号。

本发明还提供一种能够持续精确的确定自移动设备的位置的方法，包括以下步骤：

s1：使用至少一个卫星信号接收器接收卫星信号，使用惯性导航装置计算自移动设备的至少一个运动或状态参数；

s2：判断卫星信号是否可靠；

s3：若卫星信号可靠，输出基于卫星信号生成的第一位置信号；

s4：若卫星信号不可靠，输出基于卫星信号和惯性导航装置的信号的融合生成的第三位置信号。

优选的，还包括步骤s5：若卫星信号消失，输出基于惯性导航单元的参数生成的第二位置信号。

优选的，步骤s5包括如下操作：控制自移动设备停止行走，用自移动设备的实际运动参数值修正惯性导航装置的信号的误差。

优选的，控制自移动设备每行走时间t1，停止行走时间t2，在时间t2内使用自移动设备的实际运动参数值修正惯性导航装置的信号的误差。

优选的，还包括步骤s6：若卫星信号恢复，回到步骤s3或者步骤s4。

优选的，步骤s5包括如下操作：使用至少一个独立于所述惯性导航装置的检测自移动设备的运动或状态参数的传感器，修正惯性导航装置的信号的误差。

本发明还提供：

一种自动工作系统，包括自移动设备和基站，自移动设备包括导航模块，导航模块包括第一信号接收装置、第二信号接收装置、惯性导航装置、以及融合处理单元；基站用于接收并处理卫星信号，并将处理后的信号通过无线通讯装置发送给第一信号接收装置；第二信号接收装置接收卫星信号；融合处理单元将第一信号接收装置、第二信号接收装置接收的信号、以及惯性导航装置的信号整合，生成指示自移动设备位置的第三位置信号。

本发明还提供：

一种确定自移动设备的位置的系统，包括：卫星导航装置，包括至少一个卫星信号接收器，生成指示自移动设备位置的第一位置信号；惯性导航装置，包括至少一个检测自移动设备运动或状态参数的传感器，生成指示自移动设备位置的第二位置信号；融合处理单元，将来自卫星导航装置和惯性导航装置的参数整合以生成指示自移动设备位置的第三位置信号；所述用于确定自移动设备的位置的系统还包括：控制模块，检测卫星导航装置输出的第一位置信号是否可靠，当检测到第一位置信号可靠时，输出第一位置信号作为自移动设备的位置信号，当检测到第一位置信号不可靠时，输出第三位置信号作为自移动设备的位置信号。

优选的，当控制模块检测到卫星信号消失时，输出第二位置信号作为自移动设备的位置信号。

优选的，当控制模块检测到卫星信号消失时，控制自移动设备停止行走，使用自移动设备的实际运动参数值修正惯性导航装置的信号的误差，而后控制自移动设备继续行走。

优选的，当控制模块检测到卫星信号消失时，控制自移动设备每行走时间t1，停止行走时间t2，在时间t2内使用自移动设备的实际运动参数值修正惯性导航装置的信号的误差。

优选的，当控制模块检测到卫星信号恢复时，控制自移动设备持续行走，当检测到第一位置信号可靠时，输出第一位置信号作为自移动设备的位置信号，当检测到第一位置信号不可靠时，输出第三位置信号作为自移动设备的位置信号。

本发明还提供：

一种自动工作系统，包括自移动设备，所述自移动设备包括：卫星导航装置，包括至少一个卫星信号接收器；惯性导航装置，包括至少一个检测自移动设备运动或状态参数的传感器；融合处理单元，当卫星信号接收器接收到卫星信号时，将来自卫星导航装置和惯性导航装置的参数整合以生成指示自移动设备位置的信号；当卫星信号接收器接收不到卫星信号时，输出由惯性导航装置生成的位置信号，并使自移动设备间断的行走，在自移动设备停止行走时，使用自移动设备的实际运动参数值修正惯性导航装置输出的位置信号的误差。

本发明还提供：

一种自动工作系统，包括自移动设备，所述自移动设备包括：卫星导航装置，包括至少一个卫星信号接收器；惯性导航装置，包括至少一个检测自移动设备运动或状态参数的传感器；至少一个独立于所述惯性导航装置的检测自移动设备的运动或状态参数的传感器；融合处理单元，当卫星信号接收器接收到卫星信号时，将来自卫星导航装置和惯性导航装置的参数整合以生成指示自移动设备位置的信号；当卫星信号接收器接收不到卫星信号时，输出由惯性导航装置生成的位置信号，并使用所述独立于惯性导航装置的传感器输出的信号修正惯性导航装置的信号的误差。

优选的，所述自移动设备包括轮组，所述独立于惯性导航装置的传感器为轮速传感器。

本发明还提供：

一种自动工作系统，包括自移动设备，所述自移动设备包括：卫星导航装置，包括至少一个卫星信号接收器；惯性导航装置，输出指示自移动设备的位置的信号；所述自移动设备还包括控制模块，控制模块检测卫星信号接收器接收到的卫星信号是否可靠，若卫星信号可靠，使用卫星信号修正惯性导航装置输出的位置信号；若卫星信号不可靠，或接收不到卫星信号时，使自移动设备间断的行走，在自移动设备停止行走时，使用自移动设备的实际运动参数值修正惯性导航装置输出的位置信号的误差。

本发明还提供：

一种自动工作系统，包括自移动设备，所述自移动设备包括：卫星导航装置，包括至少一个卫星信号接收器；惯性导航装置，输出指示自移动设备的位置的信号；至少一个独立于所述惯性导航装置的检测自移动设备的运动或状态参数的传感器；所述自移动设备还包括控制模块，控制模块检测卫星信号接收器接收到的卫星信号是否可靠，若卫星信号可靠，使用卫星信号修正惯性导航装置输出的位置信号；若卫星信号不可靠，或接收不到卫星信号时，使用所述独立于惯性导航装置的传感器输出的信号修正惯性导航装置的信号的误差。

优选的，所述自移动设备包括轮组，所述独立于惯性导航装置的传感器为轮速传感器。

本发明还提供：

一种自动工作系统，包括自移动设备，所述自移动设备包括：至少一个卫星信号接收器；惯性导航装置，生成指示自移动设备的位置的信号；将惯性导航装置生成的位置信号作为自移动设备的导航信号，并使用卫星信号接收器接收到的卫星信号修正惯性导航装置的信号的误差。

本发明还提供：

一种自动工作系统，包括自移动设备，所述自移动设备包括：惯性导航装置，生成指示自移动设备的位置的信号；至少一个独立于所述惯性导航装置的检测自移动设备的运动或状态参数的传感器；将惯性导航装置生成的位置信号作为自移动设备的导航信号，使用所述独立于惯性导航装置的传感器输出的信号修正惯性导航装置的信号的误差。

附图说明

以上所述的本发明的目的、技术方案以及有益效果可以通过下面附图实现：

图1是本发明的第一实施例的自动割草机的结构示意图；

图2是本发明的第一实施例的自动割草机的导航模块示意图；

图3是本发明第五实施例的自动工作系统的组成示意图。

图4是本发明第六实施例的确定自动割草机的位置的方法的步骤图；

具体实施方式

图1是本发明的第一实施例的自移动设备的结构示意图。本实施例中，自移动设备为自动割草机1，在其他实施例中，自移动设备也可以是自动扫雪机、自动洒水机等适合无人值守的设备。本实施例中，自动割草机1包括壳体3、移动模块5、切割模块7、能源模块(图未示)和控制模块(图未示)等，移动模块5、切割模块7、能源模块和控制模块均安装于壳体3。移动模块5包括轮组，由驱动马达驱动来带动自动割草机1移动。切割模块7包括切割组件，安装于壳体底部，由切割马达驱动以旋转执行割草工作。能量模块包括电池包，为自动割草机1的移动和工作供电。控制模块与移动模块5、切割模块7、能源模块电连接，控制移动模块5带动自动割草机1移动，并控制切割模块7执行割草任务。

本实施例中，自动割草机1包括导航模块9，与控制模块电连接，为自动割草机1提供当前位置信息，使得自动割草机1能够在由界限限定的工作区域内移动并工作。界限包括工作区域的边界，如草地与非草地的界限，还包括工作区域内的障碍。

图2为本实施例的导航模块原理图。本实施例中，导航模块包括卫星导航装置，接收卫星信号，卫星信号包括卫星角度、时钟等。本实施例中，卫星信号为gps信号，在其他实施例中，卫星信号也可以是伽利略、北斗等信号，或同时使用几种信号。具体的，本实施例中，卫星信号为差分gps(dgps)信号。

导航模块还包括至少一个位置传感器，检测与自动割草机的位置相关的特征。本实施例中，位置传感器包括运动或状态传感器，检测自移动设备的运动或状态参数，具体的，本实施例中，运动或状态传感器包括惯性导航传感器。惯性导航传感器可以包括加速度计、里程计、陀螺仪、姿态检测传感器等，检测自移动设备的速度、加速度、行驶方向等。

导航模块还包括融合处理单元，融合处理单元包括至少两个输入，其中之一为卫星信号，其中另一为惯性导航传感器的输出，融合处理单元对卫星信号和惯性导航传感器的输出进行运算，输出自动割草机的位置信息。本实施例中，卫星导航装置将接收到的卫星信号直接输入给融合处理单元。融合处理单元运用复杂的算法f(x)，来得到自移动设备的位置坐标g。而不是由卫星导航装置和惯性导航传感器分别输出位置坐标，再进行简单的处理。本实施例中，融合处理单元始终具有两个输入，即卫星信号和惯性导航传感器的输出，即使在卫星信号被遮挡时，融合处理单元的运算仍需读取卫星信号，并赋予一定的权重，也就是说，即使在卫星信号差时，卫星信号仍然参与融合处理单元的运算。本实施例中，自动割草机的工作过程中，控制模块始终基于融合处理单元输出的自动割草机的位置信息，控制移动模块带动自动割草机移动。

本实施例的自动割草机，通过融合处理单元处理卫星信号和惯性导航传感器的输出，来获得精确的导航数据，即使在卫星信号被遮挡时，自动割草机也能够持续高精度定位，从而保证了自动割草机工作的安全性、以及工作的高效率。

本实施例中，惯性导航传感器的输出会随时间累积误差，使得惯性导航传感器的输出的精度降低，因此，需要修正惯性导航传感器的输出误差。本实施例中，控制模块判断惯性导航传感器的输出误差，当误差大于预设值时，修正惯性导航传感器的输出误差。对惯性导航传感器的输出误差大小的判断，可以通过比较可靠的卫星信号指示的自动割草机的位置，与惯性导航传感器的输出指示的自动割草机的位置来判断，也可以通过检测自动割草机偏离预设路径的距离来判断，或者通过计算距离上一次惯性导航传感器被修正的时间来判断，等等。

惯性导航传感器的输出误差的修正包括多种方式，其中一种为，利用卫星信号来修正惯性导航传感器的输出误差，例如，每隔预设时间使用卫星信号修正惯性导航传感器的输出误差，或者，判断卫星信号可靠时，使用卫星信号修正惯性导航传感器的输出误差。

另一种修正惯性导航传感器的输出误差的方式为，位置传感器包括至少两个，至少其中之一独立于惯性导航传感器，例如独立的轮速计等，使用独立于惯性导航传感器的位置传感器的输出参数，来修正惯性导航传感器的输出误差。

另一种修正惯性导航传感器的输出误差的方式为，控制移动模块带动自移动设备改变移动方式，具体的，控制自动割草机停止移动。自动割草机停止移动时速度、加速度参数为零，利用自动割草机停止移动时的运动或状态参数来修正惯性导航传感器的输出误差。

本发明的第二实施例中，自动割草机的结构与第一实施例基本相同，差异在于，运动与状态传感器包括轮速计，检测轮组的转速。轮速计可以是码盘。当然，导航模块还可以包括其他运动或状态传感器，来检测自动割草机的运动或状态参数。与集成式的惯性导航传感器相比，独立的运动或状态传感器的设置更灵活。当然，在其他实施例中，轮速计等运动或状态传感器也可以统称为惯性导航传感器。

本发明的第三实施例中，自动割草机的结构与第一实施例基本相同，差异在于，位置传感器包括环境检测传感器，检测自移动设备相对于界限的位置关系。环境检测传感器可以包括草地识别传感器，检测自动割草机的下方或移动方向的前方是否为待切割草地。草地识别传感器可以包括电容传感器、摄像头、红外传感器等等。环境检测传感器还可以包括障碍检测传感器，检测自动割草机的移动方向上是否存在障碍。障碍检测传感器可以包括超声波传感器、激光传感器等等。超声波传感器或激光传感器，向环境中发射信号，接收由障碍物反射的信号，来判断障碍物与自动割草机的距离，实现非接触检测。环境检测传感器输出自动割草机相对于界限的位置关系的参数。融合处理单元处理卫星信号与环境检测传感器的输出时，评估卫星信号的定位误差，若在卫星信号的定位误差范围内，自动割草机相对于界限的位置关系具有不确定性，则当环境检测传感器的输出指示自动割草机位于界限内时，融合处理单元输出的位置信息反应自动割草机位于界限内，控制模块控制自动割草机继续前进。环境检测传感器能够辅助自动割草机的导航，确保自动割草机工作的安全性。

本发明的第四实施例中，自动割草机的导航方式与第一实施例基本相同，差异在于，融合处理单元运算自动割草机的位置信息时，根据卫星导航装置接收的卫星信号是否可靠，调整卫星信号与惯性导航传感器的输出的权重。当卫星信号可靠时，例如卫星导航装置能够接收到大于等于4颗卫星的信号时，增大卫星信号的权重，减小惯性导航传感器的输出的权重。当卫星信号不可靠时，例如卫星导航装置接收到少于4颗卫星的信号时，减小卫星信号的权重，增大惯性导航传感器的输出的权重。本实施例中，当卫星导航装置接收的卫星信号可靠时，令惯性导航传感器的输出的权重为零。也就是说，当卫星信号可靠时，融合处理单元仅基于卫星导航装置接收到的卫星信号输出自动割草机的位置信息。

当然，在其他实施例中，通过调节卫星信号与惯性导航传感器的输出的权重，可以使得卫星信号的权重始终为零，也就是说，融合处理单元仅基于惯性导航传感器的输出输出自动割草机的位置信息。卫星信号用于修正惯性导航传感器的输出误差。

本发明的第五实施例中，自动割草机包括卫星导航装置，卫星导航装置包括至少一个卫星信号接收器，输出指示自动割草机位置的第一位置信号。本实施例中，卫星信号接收器为全球定位系统(gps)接收器，接收全球导航卫星系统(gnss)的信号。当然，卫星信号接收器也可以是接收伽利略卫星导航系统或北斗卫星导航系统的信号的接收器。gps接收器可以与卫星群进行通信，从卫星接收指示每个gps接收器实际位置的信号。卫星导航装置将接收到的卫星信号进行处理，生成一个指示自动割草机当前位置的信号，即第一位置信号，该处理过程是基于已知精确坐标的差分gps基准对自动割草机的坐标进行修正的过程，得到的第一位置信号为差分gps(d-gps)信号。具体的，该位置信号为(x,y,z)坐标信号，x,y,z分别指示自动割草机当前的经度、纬度和海拔高度，也可以在自动割草机的工作区域设定一个原点，输出的(x,y,z)为相对于原点的位置坐标。

自动割草机还包括惯性导航装置，惯性导航装置包括至少一个检测自动割草机运动参数的传感器，输出指示自动割草机位置的第二位置信号。本实施例中，自动割草机包括多个惯性和运动传感器，这些传感器可以形成惯性导航装置的至少一部分。多个惯性和运动传感器可以包括加速计，里程计，陀螺仪，指南针，还可以包括轮转速传感器、前进方向传感器、转向角传感器、姿态或定向传感器等等。惯性导航装置基于这些传感器获得的参数信号，推算自动割草机的位置。位置推算时采用先前确定的位置或定位而计算当前位置，并基于在过去的时间周期内以及在特定的过程内已知的或估算的速度推算当前位置。惯性导航装置能够从自动割草机的最后一个已知良好位置或已知最初起始位置通过位置推算确定自动割草机的当前位置，惯性导航装置输出的位置信号即自动割草机的第二位置信号。惯性导航装置可以作为单独的系统而提供，其可以包括计算机或控制器，其连续地计算自动割草机的位置、定向和速度，而无需外部参照。使用惯性导航装置的一个问题是，惯性导航装置输出的位置信号会随着时间的推移不断地累积误差，因此不能持续提供精确的定位。

自动割草机还包括融合处理单元，融合处理单元整合卫星导航装置和惯性导航装置的信号，输出指示自动割草机位置的第三位置信号。卫星导航装置和惯性导航装置的信号的整合通过卡尔曼滤波信息融合算法来实现。卡尔曼滤波是一种高效递归的滤波算法，其根据一系列不完整的或可能有噪声的信号来估算动态系统的状态。将卫星导航装置的信号输出连同惯性导航装置的信号输出一起选择性地输出给卡尔曼滤波，经卡尔曼滤波输出的位置信号即指示自动割草机位置的第三位置信号。使用信息融合的好处在于，当卫星信号良好时，通过信息融合得到的位置信号的精度很高，可以比卫星导航装置输出的位置信号的精度更高，当卫星信号被遮挡时，仍然可以采用信息融合得到的位置信号对自动割草机进行持续的导航。

自动割草机可以基于不同的位置信号工作。本发明的第五实施例中，卫星导航装置接收到的卫星信号良好时，即卫星导航装置输出的第一位置信号可靠时，控制模块控制自动割草机基于第一位置信号工作。将第一位置信号作为自动割草机的导航信号，控制自动割草机在工作区域内行走，具体的，控制自动割草机按照用户预先设定的路线规律地行驶，通过检测自动割草机的实时位置判断自动割草机的行驶是否偏离预设路线，通过记录行驶过的位置，判断是否覆盖了整个工作区域，以及是否在已覆盖的区域重复工作，并相应地调整行驶方向。当卫星信号被遮挡时，卫星信号精度降低，即卫星导航装置输出的第一位置信号不可靠，控制自动割草机基于第三位置信号工作，即基于卫星信号与惯性导航信号融合后的位置信号工作。工作方式与基于第一位置信号工作时相同。在第五实施例中，使用高精度的惯性导航装置，其能够持续长时间的输出高精度的信号，因此，在卫星信号不可靠，甚至是卫星信号消失时，始终使用第三位置信号作为自动割草机的导航信号。

本发明的第六实施例中，当卫星信号消失时，控制自动割草机基于惯性导航装置输出的第二位置信号工作。惯性导航装置在自动割草机的工作过程中持续输出位置信号，将形成误差累积，因此当卫星信号消失时，立即用融合算法得到的位置信号重置惯性导航装置输出的位置信号，并采用融合算法推算的误差参数去补偿惯导，如此可使得惯性导航装置输出的位置信号的精度高，误差参数精确，可维持惯性导航装置工作在较长时间。

本实施例中，自动割草机可以工作在不同模式，当卫星信号良好时，自动割草机基于第一位置信号工作在第一模式下，当卫星信号被遮挡时，自动割草机基于第三位置信号工作在第一模式下，当卫星信号消失时，自动割草机工作在第二模式下。其中，第一模式下，自动割草机基于用户预先设定的路线规律地行驶，例如在工作区域内以相互平行的路径行驶，或者从边界开始以半径逐渐减小的螺旋状的路径行驶，等等。第二模式下，自动割草机基于惯性导航装置输出的位置信号工作，由于惯性导航装置输出的位置信号的误差会随着时间的推移不断的累积，因此不适于使自动割草机再按照预设路径持续行走。本实施例中，第二模式下，自动割草机间断地行走，自动割草机停止行走时，使用自动割草机的实际运动参数修正第二位置信号的误差。自动割草机的实际运动参数包括值为零的速度参数。自动割草机在第二模式下的工作方式具体如下：

本实施例中，当卫星信号消失后，惯性导航装置能够精确定位一段时间，设为t0，自动割草机基于第二位置信号工作t0时间后，惯性导航装置输出的位置信号不能满足精度的要求，此时令自动割草机停止行走一段时间t2，之后每行走时间t1，停止行走时间t2。自动割草机行走的路径与第一模式下的行走路径一致。自动割草机停止行走时，实际速度为零，惯性导航装置输出的速度即为速度误差，基于速度误差对惯性导航装置的其他各项误差进行修正，从而得到修正的位置信号。利用上述方法，能够在卫星信号消失的情况下，始终为自动割草机提供精确的定位。自动割草机停止行走时，自动割草机的切割模块同时停止执行工作。t1和t2的确定与修正算法有关，例如采用卡尔曼滤波进行修正，能获得较小的t2值，较大的t1值。本实施例中，t2在10秒-5分钟之间，t1在1分钟-10分钟之间，具体的，t2为1分钟，t1为2分钟。停止行走的时间和相邻两次停止之间的间隔时间，也可以由控制模块进行实时的控制。上述修正惯性导航装置的定位误差的方法，可以大幅度提高惯性导航装置的定位精度，且不需要增加外部器件，是一种有效而廉价的技术。

本发明的第五实施例还提供一种确定自动割草机的位置的方法，包括以下步骤：

s1：使用至少一个卫星信号接收器接收卫星信号，使用惯性导航装置计算自动割草机的至少一个运动或状态参数；

s2：判断卫星信号是否可靠；

s3：若卫星信号可靠，输出基于卫星信号生成的第一位置信号；

s4：若卫星信号不可靠，输出基于卫星信号和惯性导航装置的参数信号的融合生成的第三位置信号。

本发明的第五实施例中，卫星导航装置和惯性导航装置可选择性的设置在自动割草机的顶部，或者前部、后部、侧部中的任一位置。至少一个卫星信号接收器随自动割草机的移动而移动，卫星信号接收器从卫星接收指示其实际位置的信号，也即接收指示自动割草机的实际位置的信号。卫星导航装置将卫星信号接收器接收的信号进行处理，生成指示自动割草机位置的第一位置信号。当自动割草机处于空旷的环境中时，卫星信号接收器能够与较多的卫星进行通信，接收到的卫星信号可靠。自动割草机受房屋、树木等遮挡时，卫星信号接收器只能与个别卫星进行通信，接收到的卫星信号不可靠。本实施例中，当卫星信号接收器接收到大于等于4颗卫星的信号时，判断卫星信号可靠，即第一位置信号可靠，当卫星信号接收器接收到1至3颗卫星的信号时，判断卫星信号不可靠，即第一位置信号不可靠。需要的卫星信号数随卫星信号接收器以及自动割草机的运行和安全问题的不同而不同。若卫星信号可靠，将第一位置信号作为自动割草机的导航信号，若卫星信号不可靠，将另一位置信号作为自动割草机的导航信号。该另一位置信号具体指，基于卫星信号和惯性导航信号的融合生成的第三位置信号。本实施例中，使用惯性导航装置计算自动割草机的至少一个运动或状态参数。惯性导航装置设置在自动割草机上，包括至少一个检测自动割草机的运动参数的传感器，传感器可以包括轮转速传感器、转向角传感器、加速计、里程计等等，检测自动割草机的运动参数，包括速度、加速度等，以及状态参数，包括位置参数等。惯性导航装置的参数信号连同卫星信号一起选择性地进行融合处理，融合处理的算法可以采用卡尔曼滤波等，得到一个新的指示自动割草机位置的信号，即第三位置信号。经融合处理的位置信号能够滤除单纯的卫星信号和惯性导航信号的误差，更精确更稳定。本实施例中，当卫星信号不可靠时，输出经融合处理的第三位置信号作为自动割草机的导航信号。

本发明的第六实施例中，确定自动割草机的位置的方法还包括步骤s5：若卫星信号消失，输出基于惯性导航装置的参数生成的第二位置信号。当自动割草机行走到接收不到卫星信号的区域，例如被茂密的植被遮挡的区域，卫星信号被完全阻断，卫星信号消失，此时，利用惯性导航装置输出的位置信号进行导航。惯性导航装置能够基于定位初始值，根据传感器获得的参数信号，推算自动割草机的当前位置。惯性导航装置生成的位置信号为第二位置信号。惯性导航装置的定位初始值通常在惯性导航装置开始工作时，由卫星信号确定，当卫星信号可靠时，可以不断地重置惯性导航装置的定位，以消除惯性导航装置在工作过程中的累积误差。本实施例中，不需要使用卫星信号不断重置惯性导航装置的位置信号。本实施例中，发现卫星信号消失时，立即使用卫星信号与惯性导航信号经过融合算法处理后生成的位置信号重置惯性导航装置的位置信号，使得惯性导航装置的位置信号精度高，维持满足精度要求的时间长。

步骤s5还包括如下操作：控制自动割草机停止行走，用自动割草机的实际运动参数修正惯性导航装置的参数的误差。惯性导航装置输出的位置信号会随着时间的推移不断地累积误差，因此，自动割草机在使用惯性导航装置输出的位置信号作为导航信号工作一段时间后，将不能够维持精确的定位，若此时自动割草机还不能够恢复卫星信号的接收，则需要采取一种补偿措施，来校正惯性导航信号的误差。本实施例中，使自动割草机进入惯性导航模式后，即使用第二位置信号作为导航信号后，位置信号的精度降低到不能满足工作要求时，使自动割草机停止行走，此时，自动割草机的实际速度为零，惯性导航装置输出的速度值即为速度误差，基于速度误差对惯性导航装置的其他各项误差进行修正，从而得到修正的位置信号。位置信号得到修正后，恢复自动割草机的行走，直到位置信号的误差再次累积到不满足精度要求，再使得自动割草机停止行走，重复上述的修正方法。本实施例中，使得自动割草机每行走时间t1，停止行走时间t2，在时间t2内使用自动割草机的实际运动参数，包括值为零的实际速度，来修正惯性导航装置的信号的误差。时间t1和时间t2的值结合惯性导航装置生成位置信号的算法、修正算法等因素来确定。在其他实施例中，t1与t2也可以是变化的值。

通常，自动割草机停止行走的时间越长，也即对位置信号的修正计算的时间越长，修正后得到的位置信号就越精确，这种使自动割草机长时间停止行走，对位置进行解算的方法称为零速修正方法。

该实施例中，确定自动割草机的位置的方法还包括步骤s6：若卫星信号恢复，控制自动割草机持续行走，并回到步骤s3或s4。若自动割草机从卫星信号被完全遮挡的区域行驶到卫星信号恢复接收的区域，则停止步骤s5中的操作，自动割草机基于第一位置信号或第三位置信号持续行走。若自动割草机接收到可靠的卫星信号，则基于卫星信号生成的第一位置信号工作，若自动割草机接收到的卫星信号仍然不可靠，则基于卫星信号和惯性导航信号融合生成的第三位置信号工作。本实施例的确定自动割草机的位置的方法可以通过图4所示的步骤图来表示。

在自动割草机的工作区域内，存在着能够接收到可靠的卫星信号的工作区域d1’，只能接收到不可靠的卫星信号的工作区域d1”，不能接收到卫星信号的工作区域d2。自动割草机接收卫星信号，同时使惯性导航装置处于工作状态。自动割草机在不同区域时，接收到的卫星信号的强度不同，使用的导航信号便不同。当自动割草机处在区域d2时，接收不到卫星信号，使用零速修正的方法对惯性导航信号进行修正，呈走走停停的状态。当自动割草机从区域d2驶出时，恢复接收卫星信号，则恢复持续行走的状态，自动割草机从区域d2行驶到区域d1’，则使用第一位置信号作为导航信号，自动割草机从区域d2行驶到区域d1”，则使用第三位置信号作为导航信号。在本实施例中，认为自动割草机从卫星信号可靠的区域d1’行驶到卫星信号不可靠的区域d1”，再行驶到卫星信号消失的区域d2，符合大多数工作区域的特性。当然，自动割草机也可能直接由区域d1’进入区域d2，此时仍然是基于相应状态下的导航信号进行工作，只是在进入区域d2时，惯性导航装置的位置信号将由卫星信号进行重置。同样的，自动割草机可在工作区域内从任何状态的区域之间穿行，并不会影响其根据卫星信号的状态确定导航信号。

本发明的第七实施例中，自动割草机包括至少一个独立于惯性导航装置的传感器，检测自动割草机的运动参数，具体的，本实施例中，自动割草机包括至少一个独立于惯性导航装置的轮速传感器，检测自动割草机的轮转速。步骤还包括如下操作：使用轮速传感器检测自动割草机的轮转速，从而得到自动割草机的实际速度，将该实际速度值与惯性导航装置输出的速度值进行比较，得到速度误差。当惯性导航装置的信号误差超过阈值时，即惯性导航装置的输出的位置信号不能满足自动割草机的定位精度要求时，使用该实际速度值修正速度误差，并基于速度误差修正惯性导航装置的其他各项误差，从而得到修正的位置信号。或者，使用基于轮速传感器得到的自动割草机的实际速度值不断地修正惯性导航装置的信号误差，重置周期根据惯性导航装置生成位置信号的算法、惯性导航装置的传感器的精度等因素来确定。

本发明的第五实施例的自动工作系统的组成如图3所示，自动工作系统包括自动割草机1和基站2，自动割草机1包括导航模块9，导航模块9包括第一信号接收装置11、第二信号接收装置13、惯性导航装置、以及融合处理单元。基站2用于接收并处理卫星信号，并将处理后的信号通过无线通讯装置发送给第一信号接收装置11；第二信号接收装置13接收卫星信号；融合处理单元将第一信号接收装置11、第二信号接收装置13接收的信号，以及惯性导航装置的信号整合，生成指示自动割草机1位置的第三位置信号。

如图3所示，自动割草机1在工作区域内行走，基站2固定设置在工作区域内或工作区域外，基站2的位置保证其与工作区域内的自动割草机1能够进行无线通讯，通常基站2与自动割草机1的距离不超过100km。基站2包括至少一个卫星信号接收器，接收指示基站2位置的卫星信号，基站2包括无线通讯装置，将处理过的卫星信号发送给自动割草机1。自动割草机1上安装有一个接收基站2发送的无线信号的接收器，即第一信号接收器11，自动割草机1上还安装有一个接收卫星信号的接收器，即第二信号接收器13。本实施例中，卫星信号接收器为gps接收器。若仅使用自动割草机上的gps接收器进行定位，误差较大，为了减小gps定位的误差，使用基站2来对自动割草机1的gps定位进行修正。通常，基站2的位置坐标是已知的，将基站2接收到的gps定位坐标与已知的位置坐标进行比较，从而得到gps定位坐标的修正量。在自动割草机1的工作过程中，基站2不断地将gps定位坐标的修正量发送给自动割草机1，一方面，自动割草机1的第二信号接收装置13接收到指示自动割草机1的卫星定位信号，另一方面，自动割草机1的第一信号接收装置11接收到gps定位坐标的修正量，使用该修正量对卫星定位信号进行修正，能够得到精度较高的gps定位信号。使用上述方法获得的位置信号称为差分gps信号。如图3所示，本实施例中，第一信号接收装置11与第二信号接收装置13均设置在自动割草机1的顶部。本实施例中，惯性导航装置是一个集成模块，其包括多个检测自动割草机1运动参数的传感器，这些参数包括自动割草机1的速度、加速度、方向、里程等等。本实施例中，融合处理单元将第一信号接收装置11、第二信号接收装置13，以及惯性导航装置的信号整合，生成指示自动割草机1位置的第三位置信号。具体的，信号处理装置处理第一信号接收装置11和第二信号接收装置13接收到的信号得到一个较为精确的卫星定位信号，卫星定位信号与惯性导航装置的信号进行交叉检验，最后输出经修正的更为精确的位置信号。该经整合的位置信号在卫星信号弱时也能够提供精确的定位信号，且能够长时间维持精确定位。

本发明还提供了一种利用上述结构和方法确定自动割草机的位置的系统，包括：卫星导航装置、惯性导航装置、以及融合处理单元。

本发明的第八实施例中，自动割草机的结构或导航方法与第五实施例基本相同，差异在于，在判断卫星信号接收器能够接收到卫星信号时，无论卫星信号的强弱，即只要接收到大于等于1颗卫星的信号，都将卫星信号与惯性导航信号融合后的位置信号，即第三位置信号，作为自动割草机的位置信号。在其中一种情况下，当卫星信号接收器接收不到卫星信号时，仍然使用卫星信号与惯性导航信号融合后的位置信号，即第三位置信号，作为自动割草机的位置信号。在该种情况下，使用高精度的惯性导航装置，其能够持续长时间的输出高精度的信号。在其中另一种情况下，当卫星信号接收器接收不到卫星信号时，使用惯性导航装置输出的位置信号作为自动割草机的位置信号，并且选择性地使用零速修正的算法，或者使用独立于惯性导航装置的检测自动割草机的运动或状态参数的传感器，来修正惯性导航装置输出的信号的误差。

本发明的第九实施例中，自动割草机的结构或导航方法与第五实施例基本相同，差异在于，无论卫星信号接收器是否能够接收到卫星信号，或者无论接收到的卫星信号是否可靠，均使用惯性导航装置输出的位置信号作为自动割草机的位置信号。在其中一种情况下，当卫星信号可靠时，使用卫星信号修正惯性导航装置输出的信号的误差，当卫星信号不可靠或接收不到卫星信号时，选择性地使用零速修正的算法，或者使用独立于惯性导航装置的检测自动割草机的运动或状态参数的传感器，来修正惯性导航装置输出的信号的误差。在其中另一种情况下，无论卫星信号是否可靠，均使用卫星信号修正惯性导航装置输出的信号的误差。在其中另一种情况下，无论卫星信号是否可靠，或者是否能够接收到卫星信号，均使用独立于惯性导航装置的检测自动割草机的运动或状态参数的传感器，来修正惯性导航装置输出的信号的误差。

本发明不局限于所举的具体实施例结构，基于本发明构思的结构或方法均属于本发明保护范围。