一种精密自动割草机分布式信标激光定位与轨迹控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及自动导引小车的定位与轨迹运动控制技术，特别涉及自动精密割草机 分布式信标激光扫描定位导航、车体转角位移姿态寻位，位置坐标和角位移补偿智能轨迹 控制、超声波距离测量与防撞控制技术。适合于高档草坪精密割草和对草坪美化要求较高 的场合。
【背景技术】
[0002] 传统自动导引小车的导航定位系统大多采用以铺设电磁导线或色带为导航标志 的定位导向方法，这种制导方式固定，编程简单，自动导引小车只能沿着预设导线或色带的 轨迹运动，缺少轨迹运动控制的灵活性。
[0003] 绿色草坪是由无数生机勃勃的小草组成的"生物地毯"，精密割草的目的是在不伤 害草坪草皮和根部组织的前提下，实现对草坪精整和美化，因此挖地铺设电磁导线或者在 草坪上粘贴引导标识不适合精密自动割草机的定位和导向。本发明提供了一种适于精密自 动割草机的分布式信标激光定位与轨迹控制系统，可以满足精密自动割草机的自动导航和 运动轨迹控制的需要。
【发明内容】
[0004] 1、发明目标
[0005] (1)本发明在总线结构上，采用由现场总线和无线通信所组成的分布式总线结构， 各模块相互独立，在承担独立的工作任务的前提下，共享通信接口，这种总线结构可以减少 系统的通信数据量和开发工作量。
[0006] (2)本发明要求系统集图形预处理、信标分布式激光扫描定位、自动轨迹控制、超 声波测距防撞和美化草坪为一体，达到美化草坪和节能环保的目的
[0007] (3)本发明也适用于自动导引小车（AGV)等的自动导航和和轨迹控制。
[0008] 2、控制原理
[0009] 保证轨迹控制的准确性、稳定性和可靠性，首先进行割草机机体的转角和坐标的 实时测量，并把测量的结果及时反馈给割草机的中央监控模块，由中央监控模块根据割草 机的运动状态，执行运动闭环控制算法，进行对割草机坐标的自动纠偏，实现割草机轨迹运 动的智能控制。
[0010] (1)基于激光水平扫描位置坐标测量原理
[0011] 如图1，将智能化精密自动割草机机体⑴放置草坪地块0ABC任一位置，远程信标 (50)和远程信标（51)分别直立在点0(0,0)和点A(0，c)。D(x，y)为割草机激光扫描收发 器（36)旋转中心坐标，在此定义为割草机机体⑴的质点位置坐标，DO、DA分别是割草机 位置D到点信标的水平距离，分别通过激光扫描测距实时获取，DO = ai，DA = a2。
[0012] 在Λ 0AD中，由余弦定理可得：
[0013] Cos ( γ J = (c^+a^-a/)/^cai
[0014] 贝1J，割草机位置坐标：D(x, y) = (aysinh 1)，aycosh 1))
[0015] DO和DA距离由激光测距获取，由此可以计算D(x，y)坐标。
[0016] (2)割草机机体水平转角测量原理（图1)
[0017] 如图1，割草机机体中心轴线（52)通过点D(x，y)且与割草机机体两侧边平行。
[0018] 割草机机体的转角α定义为割草机机体中心轴线（52)与Y轴垂直运动方向的夹 角，其算法如下：
[0019] ^=90。-γ!
[0020] α = β 2-β 1
[0021] 这里，α〈〇,表示割草机机体中心线逆时针转动α角，
[0022] α >〇,表示割草机机体中心线顺时针转动α角，
[0023] α =〇,表示割草机机体中心线和y轴垂直。
[0024] β 2由云台立式伺服电机上的旋转编码器A、B、Z脉冲实时获取。
[0025] (3)激光云台垂直面摆动补偿控制原理
[0026] 如图2,激光扫描收发器（36)发射激光到远程信标（50)上，远程信标反馈激光到 激光收发器（36)，所述激光收发器（36)测量其到远程信标的水平距离&1。由于草坪地面 的不平整，割草机在运动过程中，割草机机体在垂直平面内会发生角度偏转，这个偏转角度 由安装在控制箱中的电子罗盘检测。
[0027] 为保证激光扫描所测得的距离是信标和激光收发器之间的水平距离，必须使激光 扫描器收发器（36)在垂直面内进行补偿角度，保证激光扫描收发器发射水平激光射线，保 证激光射线照射到信标及其内置激光感应器阵列（53)上，保证接收水平反射的激光信 号。具体的补偿方法是：当电子罗盘测量到割草机机体逆时针方向偏转角度01，在激光扫 描控制器的控制下，激光云台中的卧式伺服电机带动曲柄摇杆机构，控制激光扫描收发器 (36)反方向补偿角度Θ 2, Θ 2 = - Θ 1，确保激光扫描收发器（36)保持水平状态，满足扫描 发射水平激光要求和接收水平激光信号要求，保证&1测量精度。同时，激光扫描收发器在 垂直面的摆动补偿控制，便于激光有效高度范围内扫描到远程信标（50)。信标内置激光感 应器阵列（53)，用于及时感应到扫描激光。激光感应器阵列（53)由4个激光感应器叠加而 成，以适应激光扫描收发器的高度变化，确保距离数据&1的有效性。4个激光感应器的感应 信号通过逻辑"或"运算，运算结果为" 1"表示该信标被扫描，此时的即为当前信标反射 激光所测的距离值。
[0028] (4)害幃机万向轮角位移测量原理
[0029] 测量割草机万向轮的角位移是为了判断割草机的转角趋势提供辅助数据支持，为 运动轨迹纠偏控制算法提供参照。割草机万向轮相对于割草机机体的角位移可通过安装在 万向轮轮轴上的绝对编码器获得，根据割草机机体的转角，可实时计算出万向轮相对于垂 直Υ轴运动方向夹角Φ。绝对编码器将实时测得的角位移转化为Α、Β相脉冲，根据脉冲频率 和顺序进行计数和正反转判断，将测得的结果，发送到运动控制模块的脉冲计数器中，经总 线接口，发送到中央监控模块的存储器中。
[0030] (3)技术方案
[0031] 根据发明目标和工作原理，本发明提供的一种精密自动割草机分布式信标激光定 位与轨迹控制系统包括硬件和软件。
[0032] 优选地，所述硬件分为三个部分7个模块。第一部分安装在割草机的车体上，包括 中央监控、运动控制、激光定位导航和超声波控制4个模块，各模块之间通过RS485总线组 成主从式接口，其中，中央监控模块为主机，其余为从机。所述第二部分包括手持遥控模块1 个，通过红外接口和中央监控模块通信。所述第三部分包括分布式远程信标控制模块2个， 其中：一个远程信标控制模块安装在远程信标装置（50)内，另一个远程信标控制模块安装 在远程信标装置（51)内。每个远程信标控制模块通过各自的无线射频接口与激光定位导 航模块建立数据通信。
[0033] 优选地，所述远程信标控制模块包括远程信标、信标控制器、激光反射感应器阵 列和射频无线通信接口等外围电路。
[0034] 优选地，所述软件系统包括中央监控子系统、分布式信标激光扫描定位子系统、