自动行走设备及其避障方法与流程

本发明涉及园林工艺领域，特别是涉及自动行走设备及其避障方法。

背景技术：

智能割草机具备自动行走功能，且能够自主完成修剪草坪的工作，无须人为直接控制和操作，大幅度降低人工操作，是一种适合家庭庭院、公共绿地等场所进行草坪修剪维护的工具。

通常智能割草机具有单一的避障功能，一种是通过割草机与障碍物碰撞，利用碰撞传感器实现退让。但是碰撞的结果可能破坏障碍物(花丛，灌木丛等)，而且长时间碰撞会对割草机本身存在伤害。一种是利用超声波传感器探测树木等障碍物，割草机靠近障碍物时，提前做出避让或绕行的动作，避免与障碍物碰撞。但是安装有超声波传感器的智能割草机不能避让比较矮的障碍物。

所以，目前智能割草机避障手段单一，不能适应复杂的割草环境，例如具有花丛、树干、灌木丛等植被的复杂环境。

技术实现要素：

基于此，有必要针对割草机单一的避障手段，提供一种自动行走设备的避障方法及其自动行走设备。

一种自动行走设备的避障方法，包括：获取表征在第一高度范围内存在障碍物的第一信号；获取表征在第二高度范围内存在障碍物的第二信号；联合根据所述第一信号和所述第二信号，发出避障指令；根据所述避障指令，改变自动行走设备的行走路径。

上述自动行走设备的避障方法，可以探测不同高度范围内的障碍物。当工作于遇到花丛、树干、灌木丛时等复杂环境时，自动行走设备利用该避障方法执行规避动作，更加智能以适应复杂的工作环境，同时提升自动行走设备的安全性。

在其中一个实施例中，所述获取表征在第一高度范围内存在障碍物的第一信号的步骤，具体包括：向周边环境发射超声波信号；接收所述周边环境对所述超声波信号的反射信号；根据所述反射信号，判断是否在第一高度范围内存在障碍物。

在其中一个实施例中，所述根据所述反射信号，判断是否在第一高度范围内存在障碍物的步骤，具体包括：获取表征第一高度范围内存在障碍物的第一预设参数值；当所述反射信号的第一参数值大于所述表征第一高度范围内存在障碍物的第一预设参数值时，判断在第一高度范围内存在障碍物。

在其中一个实施例中，所述反射信号的第一参数值为所述反射信号的强度值。

在其中一个实施例中，所述获取表征在第一高度范围内存在障碍物的第一信号的步骤，具体还包括：将发射超声波时刻与接收超声波时刻的时间差转化为第一信号的第二参数值；所述第一信号的第二参数值，用于表征所述自动行走设备与所述第一高度范围内的障碍物两者之间的距离。

在其中一个实施例中，还包括以下步骤：获取第一信号的第二预设参数值；当所述第一信号参数值小于所述第一信号的第二预设参数值时，发出避障指令。

在其中一个实施例中，所述获取表征在第二高度范围内存在障碍物的第二信号的步骤，具体包括：在所述自动行走设备与所述第二高度范围内的障碍物碰撞后，获取表征在所述第二高度范围内存在障碍物的第二信号参数值。

在其中一个实施例中，还包括以下步骤：获取第二信号的预设参数值；当所述第二信号参数值大于所述第二信号的预设参数值时，发出避障指令。

在其中一个实施例中，所述第一高度范围的最小值不大于所述第二高度范围的最大值。

通过设定第一高度范围的最小值不大于第二高度范围的最大值，则第一高度范围和第二高度范围之间没有间隙。那么，第一高度范围和第二高度范围基本覆盖障碍物的高度。在超声波覆盖的第一高度范围内，利用超声波的特性探测障碍物。在超声波无法覆盖第二高度范围内，通过碰撞接触探测障碍物。如此，利用上述避障方法可以探测到不同高度范围内的障碍物，进而采用不同的避障手段。

一种自动行走设备，包括：第一检测模块，用于获取表征在第一高度范围内存在障碍物的第一信号；设于所述第一检测模块下方的第二检测模块，用于获取表征在第二高度范围内存在障碍物的第二信号；

处理模块，用于联合根据所述第一信号和所述第二信号，发出避障指令；

控制模块，用于根据所述避障指令，控制所述自动行走设备的行走路径。

上述自动行走设备，可以探测不同高度范围内的障碍物。当工作于遇到花丛、树干、灌木丛时等复杂环境时，自动行走设备执行规避动作，更加智能以适应复杂的工作环境，同时提升自动行走设备的安全性。

在其中一个实施例中，所述第一检测模块包括超声波探头；所述超声波探头，用于发射和接收超声波信号；所述超声波探头安装在超声波探头固定座上，所述超声波探头固定座设于自动行走设备的外壳上。

在其中一个实施例中，所述第二检测模块包括磁块、与用于感应所述磁块的霍尔元件；所述霍尔元件，用于检测所述磁块是否发生位移；所述霍尔元件包括至少两个霍尔传感器。

附图说明

图1为本发明提供的一实施例中自动行走设备的避障方法流程图；

图2为本发明提供的一优选实施例中自动行走设备的避障方法流程图；

图3为本发明提供的又一优选实施例中自动行走设备的避障方法流程图；

图4为本发明提供的一实施例中自动行走设备的避障系统组成模块示意图；

图5为本发明提供的一实施例中自动行走设备的主视图；

图6为本发明提供的一实施例中自动行走设备的左视图；

图7为本发明提供的一实施例中自动行走设备的俯视图；

图8为本发明提供的一实施例中自动行走设备超声波避障组件示意图；

图9为本发明提供的一实施例中自动行走设备及其工作场景示意图。

其中，标号说明如下：

100驱动轮

200从动轮

300机壳

310超声波探头固定座

311超声波探头

320切割高度调节旋钮

400集草梳

510第一检测模块

520第二监测模块

600处理模块

700控制模块

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，在一个实施例中，一种自动行走设备的避障方法，包括以下步骤：

s110：获取表征在第一高度范围内存在障碍物的第一信号；

被定义为障碍物的物体能够阻止自动行走设备的行走，需要改变自动行走设备的行走路径对障碍物进行避让。

自动行走设备可以是智能割草机、智能扫雪机、智能扫地车、智能洗地车等类似的具有自动行走功能的智能设备。本发明的实施例以智能割草机为例。

在一个实施例中，请参见图9，智能割草机安装有超声波探头，超声波探头设置有发射装置和接收装置。智能割草机在草地上进行割草，超声波发射装置向割草机行进方向发射超声波，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即被反射，超声波接收装置接收到反射波。该反射波被定义为第一信号。因为超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波可用于距离的测量。

超声波探头安装于割草机的浮动盖上，距离地面具有一定高度，可用于探测高度较大的障碍物，例如树干、椅子。超声波探测的区域范围为第一高度h1范围。当第一高度h1范围内存在障碍物时，利用超声波的特性，接收装置接收障碍物反射回来的超声波信号，经过处理计算，在与障碍物具有一定距离的位置，控制智能割草机进行规避动作，进而避免障碍物与智能割草机的碰撞。

s120：获取表征在第二高度范围内存在障碍物的第二信号；

在一个实施例中，请参见图9，智能割草机的割草环境中在第二高度h2范围内存在障碍物，例如灌木丛、花丛等。针对第二高度h2范围内存在的障碍物，而且这些障碍物在超声波探头探测的高度范围之外，智能割草机设置有磁块、与用于感应磁块的霍尔元件进行障碍物探测。

磁块固定于智能割草机的外壳内部。霍尔元件分布在磁块的磁场范围内，用以通过检测磁性的强弱变化来判断磁块是否移动。该磁块的位移信号被定义为第二信号。

总之，智能割草机碰到第二高度范围内的障碍物后，外壳因碰撞而发生一定形变，磁块跟随外壳的形变而相对于霍尔传感器发生一定的位移。磁块由于位置发生变化而磁场发生变化，霍尔传感器检测到磁块位移，从而检测到智能割草机碰到了障碍物，进而控制智能割草机转弯、后退等。

s200：联合根据第一信号和第二信号，发出避障指令，

前文已经定义了被第一高度范围内的障碍物反射的超声波信号为第一信号，智能割草机与第二高度范围内的障碍物碰撞，设于智能割草机外壳上的磁块发生位移，该位移信号为第二信号。

进一步地，通过设定第一高度范围的最小值不大于第二高度范围的最大值，则第一高度范围和第二高度范围之间没有间隙甚至有重叠部分。那么，在割草机的工作环境中，障碍物的高度基本覆盖第一高度范围和第二高度范围。在超声波覆盖的第一高度范围内，利用超声波的特性探测障碍物，获取第一信号，在与障碍物具有一定距离的位置时，控制智能割草机进行规避动作。在超声波无法覆盖第二高度范围内，通过碰撞接触探测障碍物，获取第二信号，控制智能割草机转弯、后退。如此，利用上述避障方法可以探测到不同高度范围内的障碍物，进而采用不同的避障手段。

总之，联合根据第一信号和第二信号，结合两种避障手段，以探测不同高度范围内的障碍物，判断智能割草机是否遇到障碍物。当工作于遇到花丛、树干、灌木丛时等复杂环境时，智能割草机执行规避动作，以适应复杂的工作环境，同时提升智能割草机的安全性。

s300：根据避障指令，改变自动行走设备的行走路径。

联合根据所述第一信号和所述第二信号，智能割草机发出避障指令，以便控制智能割草机的移动。例如，与智能割草机一定距离处，存在第一高度h1范围内的障碍物，探测到超声波的发射信号，发出转向的避障指令，控制智能割草机转向。

进一步地，请参见图2，在一个优选实施例中，一种自动行走设备的避障方法，具体还包括以下步骤：

s111：向周边环境发出超声波信号；

s112：接收周边环境对超声波信号的反射信号；

s113：根据反射信号，判断是否在第一高度范围内存在障碍物。

进一步，在一个优选实施例中，判断是否在第一高度范围内存在障碍物的步骤，具体包括：

获取表征第一高度范围内存在障碍物的第一预设参数值；

当反射信号的第一参数值大于表征第一高度范围内存在障碍物的第一预设参数值时，判断在第一高度范围内存在障碍物。

其中，反射信号的第一参数值为反射信号的强度值。

进一步，在一个优选实施例中，获取表征在第一高度范围内存在障碍物的第一信号的步骤，具体还包括：

s114：将发射超声波时刻与接收超声波时刻的时间差转化为第一信号的第二参数值，第一信号的第二参数值，用于表征自动行走设备与第一高度范围内的障碍物两者之间的距离。

具体地，超声波发射装置向某一方向发射超声波，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来。超声波接收装置接收被反射回来的超声波，计算反射回来的超声波信号强度。同时获取预设的被反射回来的超声波信号强度值，当反射超声波信号强度值大于预设超声波信号强度值时，判断在第一高度范围内存在障碍物。

进一步地，在超声波发射时刻的同时开始计时，超声波接收装置接收到被反射回来的超声波，就立即停止计时，即计时器记录发射超声波时刻与接收超声波时刻的时间差t。时间差t定义为表征智能行走设备与障碍物两者之间距离的第一信号参数值。

在发射超声波时刻与接收超声波时刻的时间段内，超声波在障碍物与智能割草机两者来回来运动。将声波在空气中的传播速度记为v，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射装置距障碍物的距离s，即：s＝v*t/2。

请参见图2，在一个优选实施例中，一种自动行走设备的避障方法，具体还包括以下步骤：

s211：获取第一信号的第二预设参数值；

s212：当所述第一信号的第二参数值小于所述第一信号的第二预设参数值时，发出避障指令。

具体地，设置第一信号的第二预设参数值，可以将第一信号的第二预设参数值直接植入控制程序，在执行程序时直接调用。另一种方式为接收外部直接输入的第一信号的第二预设参数值，并进一步存储于存储器内，在执行程序时调用存储器中的第一信号的第二预设参数值。第一信号的第二预设参数值可以是时间参数，也可以是距离参数。

当第一信号的第二预设参数是时间参数时，将第一信号参数值t与预设的时间参数进行比较，当第一信号参数值t超过预设时间时，发出避障指令。

当第一信号的第二预设参数是距离参数时，由于超声波在空气中的传播速度约为340m/s，可以将距离参数转化为时间参数。将第一信号参数值t与转化得到的时间参数进行比较，当第一信号参数值t超过预设时间时，发出避障指令。

智能割草机安装有超声波探头，在与障碍物具有一定距离的位置时，智能割草机对障碍物进行规避动作，避免与障碍物的碰撞，进而避免碰撞对障碍物和智能割草机的损坏。

进一步地，请参见图3，在又一个优选实施例中，一种自动行走设备的避障方法，具体还包括以下步骤：

s121：自动行走设备与第二高度范围内的障碍物碰撞。

s122：获取表征在第二高度范围内存在障碍物的第二信号参数值。

智能割草机在割草时，遇到花丛、灌木丛等位于第二高度范围内的障碍物，这些障碍物超出超声波的探测区域。割草机不可避免地与第二高度范围内的障碍物的碰撞。

利用磁块和霍尔元件检测智能割草机机壳的形变，进而判断割草机是否发生了碰撞。磁块固定于智能割草机的外壳上，霍尔元件分布在磁块的磁场范围内。

当智能割草机与障碍物碰撞时，外壳发生形变，磁块跟随外壳的形变而相对于霍尔传感器发生一定的位移，磁块由于位置发生变化而磁场发生变化，霍尔元件可以检测到磁块位移。霍尔元件将检测到的位移物理量转变成电量，进而控制智能割草机。霍尔元件输出的电量信号定义为第二信号参数值。

s221：获取第二信号的预设参数值；

s222：当所述第二信号参数值大于所述第二信号的预设参数值时，发出避障指令。

具体地，设置第二信号的预设参数值，可以将第二信号的预设参数值直接植入控制程序，在执行程序时直接调用。另一种方式为接收外部直接输入的第二信号的预设参数值，并进一步存储于存储器内，在执行程序时调用存储器中的第二信号的预设参数值。第二信号参数值是电量参数。

将第二信号参数值与第二信号的预设电量参数进行比较，当第二信号参数值大于第二信号的预设电量参数值时，发出避障指令。

针对超声波探测区域之外的障碍物，利用霍尔元件检测磁块位移，从而检测到割草机碰到了障碍物，继而控制割草机转弯、后退等规避动作，减少对障碍物的损坏。

本发明公开的自动行走设备的避障方法联合使用超声波探头、霍尔元件两种传感器，可以探测不同高度范围内的障碍物。当工作于遇到花丛、树干、灌木丛时等复杂环境时，自动行走设备利用该避障方法执行规避动作，更加智能以适应复杂的工作环境，同时提升自动行走设备的安全性。

基于同样的思路，本发明的实施例还提供一种自动行走设备。请参见图4，该自动行走设备的避障系统具体包括：

第一检测模块，用于获取表征在第一高度h1范围内存在障碍物的第一信号。

设于第一检测模块下方的第二检测模块，用于获取表征在第二高度h2范围内存在障碍物的第二信号。

处理模块，用于联合根据第一信号和所述第二信号，发出避障指令。

控制模块，用于根据避障指令，控制自动行走设备的行走路径。

进一步地，第一检测模块包括超声波探头。超声波探头，用于发射和接收超声波信号。超声波探头安装在超声波探头固定座上，超声波探头固定座设于自动行走设备的外壳顶端上。第二检测模块包括磁块、与用于感应磁块的霍尔元件。霍尔元件，用于检测所述磁块是否发生位移。霍尔元件包括至少两个霍尔传感器。

具体地，自动行走设备可以是智能割草机、智能扫雪机、智能扫地车、智能洗地车等类似的具有自动行走功能的智能设备。本发明的实施例以智能割草机为例。

请参见图5、图6，智能割草机包括驱动轮100、从动轮200、机壳300、超声波探头固定座310、切割高度调节旋钮320、集草梳400、磁块(图中为示出)、霍尔元件(图中为示出)等。驱动轮100，支撑割草机机身，其所受的地面摩擦力向前，为割草机的行驶提供驱动力。从动轮200，支撑割草机机身并从属于驱动轮100随机身行走，从动轮200可在预定角度范围内转动。智能割草机行进时，草被集草梳400导向，整齐进入智能割草机的割草区。请参见图8，超声波探头固定座310上安装超声波探头311。

请参见图5，智能割草机设置有两个超声波探头固定座310，分别安装于机壳300上的左右两侧，超声波探头的横向覆盖为100％，超声波探头的识别距离为5-95mm。

请参见图7，经过发明人测算得出，超声波轴线与割草机的中轴线的夹角范围是30°至50°内，超声波探头的固定支座前端与机壳前端的水平距离范围是110mm至130mm内。超声波探头具有最佳固定位置，超声波轴线与割草机的中轴线的夹角为38°，以使超声波能够探测到割草机侧边的障碍物，具有水平方向是较宽的探测区域。超声波探头的固定支座前端与机壳前端的水平距离为126.4mm。以使割草机避免存在的盲区问题。

前文已详细介绍利用磁块和霍尔元件检测智能割草机机壳的形变，在此不再赘述。

上述自动行走设备，可以探测不同高度范围内的障碍物。当工作于遇到花丛、树干、灌木丛时等复杂环境时，自动行走设备执行规避动作，更加智能以适应复杂的工作环境，同时提升自动行走设备的安全性。

下面结合图9介绍本发明实施例的具体应用场景：

草地具有树干、花丛、灌木丛、椅子等障碍物。这些障碍物的高等不等，例如花丛和灌木丛的高度低于割草机的高度，树干和椅子的高度高于割草机的高度。本发明提供的割草机避障系统包括超声波探头、磁块和霍尔元件。

超声波探头安装在割草机机壳顶端。超声波的探头数量至少两个，以使超声波探头的横向覆盖为100％。超声波探头探测高度较高的障碍物，例如树干，将超声波探头探测高度记为h1。当第一高度h1范围内存在障碍物时，超声波被障碍物反射，超声波探头接收到被障碍物反射回来的超声波信号，经过处理计算，得到障碍物与割草机之间的距离。由于超声波在空气中的传播速度为340m/s，也可以将距离参数转化为时间参数。调取预设的参数值，将处理获得的时间参数或者距离参数与预设的时间参数或者距离进行比较，当处理获得的参数值超过预设参数值时，发出避障指令。割草机依照避障指令，改变行走路径，例如转弯等。因此，利用超声波探头可以在与障碍物具有一定距离的位置，控制智能割草机进行规避动作，避免障碍物与智能割草机的碰撞。

割草机底端距离地面60mm，在遇到高度小于60mm的障碍物时，割草机可以顺利通过。当障碍物出现在大于60mm且位于高度h2范围内时，超声波探测区域无法覆盖，这部分障碍物可以通过利用磁块和霍尔元件进行规避。磁块固定于智能割草机的外壳上。霍尔元件分布在磁块的磁场范围内，用以通过检测磁性的强弱变化来判断磁块是否移动。当智能割草机碰到第二高度h2范围内的障碍物后，外壳因碰撞而发生一定形变，磁块跟随外壳的形变而相对于霍尔传感器发生一定的位移，霍尔传感器检测到磁块位移，从而检测到智能割草机碰到了障碍物，进而可控制智能割草机对障碍物规避，例如后退。

本发明提供的自动行走设备及其避障方法探测不同高度范围内的障碍物。当工作于遇到花丛、树干、灌木丛时等复杂环境时，自动行走设备执行规避动作，更加智能以适应复杂的工作环境，同时提升自动行走设备的安全性。

上述所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。