一种基于UWB的割草机器人工作边界建立与识别系统和方法与流程

本申请属于机器人自主定位导航领域，具体涉及一种基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别系统和方法。
背景技术：
：随着社会经济的快速发展，城镇绿化建设面积越来越大，城市绿化投入逐年增加。草坪作为城市绿化的重要植物材料，在给人们带来绿色的同时也需要注入大量人力、物力和财力进行维护。在草坪维护过程中，草坪的修剪最为繁琐和复杂，为了降低其劳动强度和成本，发展研制自动割草机器人是一项非常有市场价值的工作。其中，为保证上述自动割草机器人设备不走出工作区域，需要采用边界识别方法对割草机器人的工作范围进行控制。割草区域边界识别性能是自动割草机器人工作的重要性能指标。目前，较为常见的边界建立与识别方法有两种，一种是基于电磁感应线圈的边界识别；另一种是基于图像的边界识别。对于方法一：利用电磁感应原理，在草坪四周布设电磁线圈，实现金属边界的检测，该方法是一类传统方法，该方法的优点是成本较低，大部分情况下检测是准确的。缺点是只适合小范围的草坪区域，对于大范围的草坪区域布设线圈量较大，材料成本和人力成本都较高，且对于一些畸形的草坪区域，尖锐的锐角区域，机器人边界识别的效果较差，会出现机器人对边界判断错误，行走出边界导致机器人丢失的情况发生。对于方法二：通过从图像传感器采集到的图像信号中进行边界识别，该方法的优点是不需要额外增加设备，只需要机器人上安装摄像头即可，但是应用场景需要进行图像采集数据训练，训练的数据量要求很大，且受现场环境变动影响也较大，对图像识别算法干扰较大，存在很多不确定性。技术实现要素：本申请的目的在于提供一种基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别系统和方法，为了解决目前工作区域建立与识别方法中的弊端，提升割草机器人边界建立与边界识别的智能化能力。为实现上述目的，本申请所采取的技术方案为：一种基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别系统，所述基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别系统包括uwb基站、定位模块、远程配置模块以及割草机器人，其中：所述uwb基站至少设有四个，且所有uwb基站间隔环布在该割草机器人工作对应的割草区域的周围；所述定位模块包括uwb标签，所述定位模块沿割草区域的边沿运动，同时所述uwb标签定时接收uwb基站的信号，并根据接收的信号解算得到所述定位模块的位置信息，将所述位置信息实时发送至所述远程配置模块；所述远程配置模块用于接收位置信息，并根据定位模块沿割草区域的边沿运动一周所得到的位置信息构建割草机器人工作的虚拟边界，并将虚拟边界发送至所述割草机器人；所述割草机器人与所述定位模块为可拆卸连接，并在工作状态下，所述割草机器人上安装所述定位模块，所述割草机器人接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，并实时接收定位模块解算得到的当前位置信息，计算所述虚拟边界与当前位置信息的最短距离，若该最短距离小于边界阈值，则改变运行方向。作为优选，所述所有uwb基站中设置一个为主基站、其余的为从基站，所述从基站通过uwb信号将发射的定位数据发送至所述主基站，所述主基站通过uwb信号将所有基站的定位数据发送至所述uwb标签；所述主基站安装有ap模块，所述主基站通过ap模块与所述远程配置模块之间无线通信，并实现uwb标签与远程配置模块之间的数据传输。作为优选，所述割草机器人接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，执行如下操作括：所述远程配置模块通过无线通信将所述虚拟边界发送至主基站，所述主基站通过uwb信号将虚拟边界发送至定位模块的uwb标签；所述定位模块与所述割草机器人之间为串口通信，所述定位模块的uwb标签接收主基站发送的虚拟边界，所述定位模块通过串口将虚拟边界传输给割草机器人。作为优选，所述远程配置模块运行有配置模式、测距模式和建图模式，所述远程配置模块包括初始化配置单元、坐标系建立与测距单元和边界建立单元，其中：所述初始化配置单元用于运行所述配置模式，所述初始化配置单元接收输入的配置信息，完成uwb基站和uwb标签的初始化；所述坐标系建立与测距单元用于运行所述测距模式，所述坐标系建立与测距单元接收各uwb基站的位置信息，以主基站与其中一个从基站的连线为x轴，作过主基站并垂直于x轴的线作为y轴建立坐标轴，并根据其余uwb基站的位置信息解算出其余各uwb基站的坐标并标注在坐标系中；所述边界建立单元用于运行所述建图模式，所述边界建立单元根据定位模块沿割草区域边沿运动一周所得到的位置信息构建割草机器人工作的虚拟边界。作为优选，所述边界建立单元根据定位模块沿割草区域边沿运动一周所得到的位置信息构建割草机器人工作的虚拟边界，执行如下操作：所述边界建立单元接收位置信息，根据所述位置信息解算出对应的坐标并标注在坐标系中，同时将该坐标添加至集合中；根据定位模块沿割草区域边沿运动一周所得到的位置信息解算得到若干个坐标，若干个坐标依次标注在坐标系中形成虚拟边界，同时依次添加至集合中，得到与所述虚拟边界对应的边界点集合。作为优选，所述割草机器人接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，并实时接收定位模块解算得到的当前位置信息，计算所述虚拟边界与当前位置信息的最短距离，执行如下操作：所述割草机器人接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，即边界点集合；接收定位模块解算得到的当前位置信息，并将当前位置信息解算为坐标；依次取所述边界点集合中的一个坐标元素，计算坐标元素与割草机器人当前的坐标的距离值；遍历所述边界点集合计算得到多个距离值，取所有距离值中的最小值作为割草机器人与虚拟边界之间当前的最短距离。本申请还公开一种基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别方法，所述基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别方法面向uwb基站、定位模块、远程配置模块以及割草机器人，所述基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别方法，包括：设置至少四个所述uwb基站，且所有uwb基站间隔环布在该割草机器人工作对应的割草区域的周围；控制所述定位模块沿割草区域的边沿运动，并利用定位模块上安装的uwb标签定时接收uwb基站的信号，根据接收的信号解算得到所述定位模块的位置信息，将所述位置信息实时发送至所述远程配置模块；采用所述远程配置模块接收位置信息，并根据定位模块沿割草区域的边沿运动一周所得到的位置信息构建割草机器人工作的虚拟边界，并将虚拟边界发送至所述割草机器人；预设所述割草机器人与所述定位模块为可拆卸连接，并在工作状态下，在所述割草机器人上安装所述定位模块，所述割草机器人接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，并实时接收定位模块解算得到的当前位置信息，计算所述虚拟边界与当前位置信息的最短距离，若该最短距离小于边界阈值，则改变运行方向。作为优选，所述所有uwb基站中设置一个为主基站、其余的为从基站，所述从基站通过uwb信号将发射的定位数据发送至所述主基站，所述主基站通过uwb信号将所有基站的定位数据发送至所述uwb标签；所述主基站安装有ap模块，所述主基站通过ap模块与所述远程配置模块之间无线通信，并实现uwb标签与远程配置模块之间的数据传输；所述通过割草机器人接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，包括：所述虚拟边界由远程配置模块通过无线通信发送至主基站，并且虚拟边界由主基站通过uwb信号发送至定位模块的uwb标签；所述定位模块的uwb标签接收主基站发送的虚拟边界，并由定位模块通过串口将虚拟边界传输给割草机器人。作为优选，所述远程配置模块运行有配置模式、测距模式和建图模式，其中：在所述配置模式下，接收输入的配置信息，完成uwb基站和uwb标签的初始化；在所述测距模式下，接收各uwb基站的位置信息，以主基站与其中一个从基站的连线为x轴，作过主基站并垂直于x轴的线作为y轴建立坐标轴，并根据其余uwb基站的位置信息解算出其余各uwb基站的坐标并标注在坐标系中；在所述建图模式下，根据定位模块沿割草区域边沿运动一周所得到的位置信息构建割草机器人工作的虚拟边界，包括：接收位置信息，根据所述位置信息解算出对应的坐标并标注在坐标系中，同时将该坐标添加至集合中；根据定位模块沿割草区域边沿运动一周所得到的位置信息解算得到若干个坐标，若干个坐标依次标注在坐标系中形成虚拟边界，同时依次添加至集合中，得到与所述虚拟边界对应的边界点集合。作为优选，所述割草机器人接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，并实时接收定位模块解算得到的当前位置信息，计算所述虚拟边界与当前位置信息的最短距离，包括：接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，即边界点集合；接收定位模块解算得到的当前位置信息，并将当前位置信息解算为坐标；依次取所述边界点集合中的一个坐标元素，计算坐标元素与割草机器人当前的坐标的距离值；遍历所述边界点集合计算得到多个距离值，取所有距离值中的最小值作为割草机器人与虚拟边界之间当前的最短距离。本申请提供的基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别系统和方法，通过uwb标签端解算位置信息的定位模式，实现对割草机器人实时定位导航，并采用虚拟边界的方式建立割草边界，将定位稳定性提高到割草机器人可接受的范围之内。并且虚拟边界的建立有效地降低了割草机器人的部署人力成本，有效降低了现阶段定位的误差，提高了割草机器人的工作效率。附图说明图1为本申请的基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别系统的结构示意图；图2为本申请远程配置模块运行配置模式的界面示意图；图3为本申请远程配置模块运行测距模式的界面示意图；图4为本申请远程配置模块运行建图模式的界面示意图；图5为本申请计算割草机器人与虚拟边界距离的示意图。图示中：110、x轴；120、从基站；130、主基站；140、实际的割草区域；150、uwb标签；160、定位模块；170、虚拟边界。具体实施方式下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的
技术领域：
的技术人员通常理解的含义相同。本文在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。如图1所示，其中一个实施例中，提供一种基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别系统，本实施例的基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别系统包括uwb基站、定位模块、远程配置模块以及割草机器人，其中：1)uwb基站：uwb基站至少设有四个，且所有uwb基站间隔环布在该割草机器人工作对应的割草区域的周围。uwb基站安装在割草区域的四周，用几何定位算法实现定位，理论情况下针对一个割草区域至少安装3个基站即可。但在实际应用中，环境复杂、干扰情况多，为了保证定位精度，一般最少部署4个uwb基站，uwb基站部署形成一个四边形，避免采用所有uwb基站形成一条直线部署的方式。所有uwb基站中设置一个为主基站(图1中d所示即为主基站)、其余的为从基站(图1中a、b、c所示即为从基站)，从基站和主基站安装在割草区域的周边，均匀分布，并且主基站和从基站安装高度尽量高过草坪高度，减少遮挡。安装区域和草地的割草区域的实际边界保持向外扩20～30cm距离，以降低uwb边界定位的边界系统误差。为了降低uwb基站的部署难度，在一实施例中，设置基站采用电池供电，割草期间uwb基站处于开启状态，不割草期间uwb基站处于休眠状态，以降低电池充电或更换的频率。2)定位模块：定位模块包括uwb标签，定位模块沿割草区域的边沿运动，同时uwb标签定时接收uwb基站的信号，并根据接收的信号解算得到定位模块的位置信息，将位置信息实时发送至远程配置模块。为了保证数据传输的稳定性和降低误码率，在一实施例中，从基站通过uwb信号将发射的定位数据发送至主基站，所述主基站通过uwb信号将所有基站的定位数据发送至所述uwb标签。并且主基站安装有ap模块，即主基站带有ap热点功能，主基站通过ap模块与所述远程配置模块之间无线通信，并实现uwb标签与远程配置模块之间的数据传输。即远程配置模块以主基站为媒介和uwb标签以及从基站进行通信。并且主基站与远程配置模块之间的距离保持在30米之内。定位模块可以是具有行走、滚动或飞行等运动功能的装置，并且该装置上安装有uwb标签，定位模块也可以是仅包含uwb标签，在沿割草区域的边沿运动时依靠外力实现，例如依靠运动装置或通过人、动物携带uwb标签的方式实现。本实施例在uwb定位中，通过uwb标签toa解算位置信息的方式，省略了将接收的uwb基站的信号传输给服务器，服务器解算后又将位置信息回传至uwb标签的过程，不仅提高了定位速度，且可避免数据传输带来的误码情况。3)远程配置模块：远程配置模块用于接收位置信息，并根据定位模块沿割草区域的边沿运动一周所得到的位置信息构建割草机器人工作的虚拟边界，并将虚拟边界发送至所述割草机器人。在一实施例中，远程配置模块运行有配置模式、测距模式和建图模式，并且远程配置模块包括初始化配置单元、坐标系建立与测距单元和边界建立单元，其中：3.1)如图2所示，初始化配置单元用于运行配置模式，初始化配置单元接收输入的配置信息，完成uwb基站和uwb标签的初始化，包括设置uwb基站的基本网络信息，uwb基站广播频率设置，以及uwb基站的工作状态监测，远程配置模块向从基站发送的配置信息由主基站转送。uwb标签和uwb基站出厂会自带唯一标识id，uwb基站会设置唯一ip地址，选择是否设置为主基站，若是主基站，则作为组网通信媒介，并定时广播时钟矫正包完成基站时钟同步矫正工作，以及基站的工作状态监测，提供一种参数配置表如表1所示。表1硬件配置参数表序号配置参数名称解释示例备注1基站id十六进制数2是否启用布尔型数据3基站类型主从基站分类4基站ip基站ipdhcp模式5serverip服务器ipdhcp模式6基站坐标(x,y,z)可手动编辑保存7基站状态是否在线8标签id十六进制数3.2)如图3所示，坐标系建立与测距单元用于运行测距模式，所述坐标系建立与测距单元接收各uwb基站的位置信息，以主基站与其中一个从基站的连线为x轴，作过主基站并垂直于x轴的线作为y轴建立坐标轴，建立坐标轴后主基站的坐标默认设置为(0，0)，通过uwb信号精准测距的特性，远程配置系统可通过指令获得四个基站两两之间的距离，并基于基站之间的距离，运用toa定位算法解算出其余各uwb基站的坐标并标注在坐标系中。需要说明的是，若现场环境较复杂，会影响测距模式下检测的基站坐标精度的情况下，也可使用人工测量输入的方式确定各uwb基站的初始坐标。本实施例中uwb基站部署为一个矩形，则所建立坐标轴的x轴110为主基站130与其中一个从基站120之间的连线，y轴为主基站130与另一从基站120之间的连线。并且根据上述可知，标注基站的坐标时，以主基站130为坐标原点，并测量四个基站两两之间的距离。由图可知，所有uwb基站与实际的割草区域140之间存在20～30cm的间距，以减少在建图和割草机器人工作过程中定位导航在边界区域和靠近基站的区域不可避免的系统误差。并且带有uwb标签150的定位模块160在割草区域140内运动。3.3)边界建立单元用于运行建图模式，所述边界建立单元根据定位模块沿割草区域边沿运动一周所得到的位置信息构建割草机器人工作的虚拟边界。其中，边界建立单元建立虚拟边界的具体执行操作如下：所述边界建立单元接收位置信息，根据所述位置信息解算出对应的坐标并标注在坐标系中，同时将该坐标添加至集合中。根据定位模块沿割草区域边沿运动一周所得到的位置信息解算得到若干个坐标，若干个坐标依次标注在坐标系中形成虚拟边界，同时依次添加至集合中，得到与所述虚拟边界对应的边界点集合。边界建立单元所建立的虚拟边界的一种示意图如图4所示，当虚拟边界170建成后通过可视化界面观察是否符合实际，若误差较大，可重置重新测量。需要说明的是，远程配置模块为带有配置系统的装置，如电脑、服务器等。4)割草机器人：割草机器人与定位模块为可拆卸连接，并在工作状态下，割草机器人上安装所述定位模块，割草机器人接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，并实时接收定位模块解算得到的当前位置信息，计算所述虚拟边界与当前位置信息的最短距离，若该最短距离小于边界阈值，则改变运行方向。割草机器人与定位模块为可拆卸连接时，则该系统中通过一个定位模块即可实现虚拟边界的建立和识别，降低了设备成本和建图实施的复杂度。根据uwb基站，uwb标签以及远程配置模块之间的通信方法，在一实施例中，所述割草机器人接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，包括：所述远程配置模块通过无线通信将所述虚拟边界发送至主基站，所述主基站通过uwb信号将虚拟边界发送至定位模块的uwb标签。所述定位模块与所述割草机器人之间为串口通信，所述定位模块的uwb标签接收主基站发送的虚拟边界，所述定位模块通过串口将虚拟边界传输给割草机器人。如图5所示，所述割草机器人接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，并实时接收定位模块解算得到的当前位置信息，计算所述虚拟边界与当前位置信息的最短距离，执行如下操作：所述割草机器人接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，即边界点集合。接收定位模块解算得到的当前位置信息，并将当前位置信息解算为坐标。依次取所述边界点集合中的一个坐标元素，计算坐标元素与割草机器人当前的坐标的距离值。遍历所述边界点集合计算得到多个距离值，取所有距离值中的最小值作为割草机器人与虚拟边界之间当前的最短距离。为了便于理解割草机器人对虚拟边界的识别过程，在一实施例中，假设uwb标签解算得到割草机器人的当前位置信息对应的坐标为pr＝(xr,yr)，草地的边界点集合为p，且p＝{(xi,yi)}，i＝1,2,3,…,i，在设置的割草机器人的边界阈值d0＝10cm，实时进行遍历计算搜索，当边界点集合中的第i个坐标与坐标pr的距离的值小于边界阈值d0时，则判断割草机器人接近边界，提示割草机器人调转行进方向，避免其走出边界。本实施例的基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别系统，通过uwb标签端解算位置信息的定位模式，实现对割草机器人实时定位导航，并采用虚拟边界的方式建立割草边界，将定位稳定性提高到割草机器人可接受的范围之内。并且虚拟边界的建立有效地降低了割草机器人的部署人力成本，有效降低了现阶段定位的误差，提高了割草机器人的工作效率。在另一实施例中，还提供一种基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别方法，所述基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别方法面向uwb基站、定位模块、远程配置模块以及割草机器人，所述基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别方法，包括：设置至少四个所述uwb基站，且所有uwb基站间隔环布在该割草机器人工作对应的割草区域的周围。控制所述定位模块沿割草区域的边沿运动，并利用定位模块上安装的uwb标签定时接收uwb基站的信号，根据接收的信号解算得到所述定位模块的位置信息，将所述位置信息实时发送至所述远程配置模块。采用所述远程配置模块接收位置信息，并根据定位模块沿割草区域的边沿运动一周所得到的位置信息构建割草机器人工作的虚拟边界，并将虚拟边界发送至所述割草机器人。预设所述割草机器人与所述定位模块为可拆卸连接，并在工作状态下，在所述割草机器人上安装所述定位模块，所述割草机器人接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，并实时接收定位模块解算得到的当前位置信息，计算所述虚拟边界与当前位置信息的最短距离，若该最短距离小于边界阈值，则改变运行方向。具体的，所述所有uwb基站中设置一个为主基站、其余的为从基站，所述从基站通过uwb信号将发射的定位数据发送至所述主基站，所述主基站通过uwb信号将所有基站的定位数据发送至所述uwb标签。主基站安装有ap模块，所述主基站通过ap模块与所述远程配置模块之间无线通信，并实现uwb标签与远程配置模块之间的数据传输。具体的，通过割草机器人接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，包括：虚拟边界由远程配置模块通过无线通信发送至主基站，并且虚拟边界由主基站通过uwb信号发送至定位模块的uwb标签。定位模块的uwb标签接收主基站发送的虚拟边界，并由定位模块通过串口将虚拟边界传输给割草机器人。具体的，所述远程配置模块运行有配置模式、测距模式和建图模式，其中：在所述配置模式下，接收输入的配置信息，完成uwb基站和uwb标签的初始化。在所述测距模式下，接收各uwb基站的位置信息，以主基站与其中一个从基站的连线为x轴，作过主基站并垂直于x轴的线作为y轴建立坐标轴，并根据其余uwb基站的位置信息解算出其余各uwb基站的坐标并标注在坐标系中。在所述建图模式下，根据定位模块沿割草区域边沿运动一周所得到的位置信息构建割草机器人工作的虚拟边界，包括：接收位置信息，根据所述位置信息解算出对应的坐标并标注在坐标系中，同时将该坐标添加至集合中；根据定位模块沿割草区域边沿运动一周所得到的位置信息解算得到若干个坐标，若干个坐标依次标注在坐标系中形成虚拟边界，同时依次添加至集合中，得到与所述虚拟边界对应的边界点集合。具体的，所述割草机器人接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，并实时接收定位模块解算得到的当前位置信息，计算所述虚拟边界与当前位置信息的最短距离，包括：接收所述远程配置模块发送的虚拟边界，即边界点集合。接收定位模块解算得到的当前位置信息，并将当前位置信息解算为坐标。依次取所述边界点集合中的一个坐标元素，计算坐标元素与割草机器人当前的坐标的距离值。遍历所述边界点集合计算得到多个距离值，取所有距离值中的最小值作为割草机器人与虚拟边界之间当前的最短距离。关于基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别方法的进一步限定参见上述对于基于uwb的割草机器人工作边界建立与识别系统的限定，这里不再进行赘述。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页12