本发明专利涉及自动化机械领域，特别涉及到一种基于激光雷达和ibeacon的割草机装置及方法。
背景技术：
割草机是一种用于切割草被、植被等，修剪杂草和处理平整绿化草坪的工具。随着科技的发展和生活水平的提高，自动割草机在人们的生活中出现的频率越来越高。然而自动割草机的工作环境相对于其他智能家居如扫地机器人等更加恶劣，由于草地的平整度不一样，因此无法确认草地的边界，所以会有各种意外情况发生。
近年来，有不少改善割草机装置的方法和新装置。发明专利“智能割草机及其控制方法”，通过设置标准色彩件来获取智能割草机外部环境的色彩校正，这样校正色彩后的图像信息时就不会偏离其真实的色彩，从而降低植被误判概率。但是该装置没有对路径进行规划，会导致对同一块草地进行多次不同方向的往复前进，会降低割草的效率。
本发明采用的技术方案可以指导割草机的路径规划，并采用多线激光雷达识别出植被的点云数据，可以大大地降低植被误判概率和提高割草机的工作效率。
技术实现要素：
为了解决上述的问题，本发明的目的在于提供一种基于激光雷达和ibeacon的割草机装置及方法，以提高割草机的智能化程度，降低植被误判概率和提高工作效率。
为实现本发明所述的内容，本发明提供一种基于激光雷达和ibeacon的割草机装置及方法，包括多线激光雷达、ibeacon基站、割草机本体、计算机系统、蓝牙模块、无线模块、通讯及控制模块、驱动装置、切割装置，所述多线激光雷达安装在割草机体后端，所述ibeacon基站基于ble技术向周围发送id信息，所述割草机本体的主控制器配有蓝牙模块，所述通讯及控制模块与驱动装置通过电气相连，所述驱动装置与切割装置电气相连，所述计算机系统包括数据运算单元、定位算法单元、位置控制单元，与所述通讯及控制模块通过无线模块互相传输信息。
一种基于激光雷达和ibeacon的割草机装置及方法，其工作步骤是：
步骤0)割草机在初始位置等待计算机系统指令；
步骤1)每个ibeacon基站基于ble技术向周围发送其特有的id信息；
步骤2)割草机本体通过蓝牙模块接收到ibeacon基站发射的信息，并通过无线方式将信息传输给计算机系统中的定位算法单元；
步骤3)计算机系统的定位算法单元接收并分析计算出割草机的位置信息，并通过无线方式返回给割草机的通讯及控制模块；
步骤4)计算机系统的位置控制单元接收割草机的具体位置，并根据事先存储的草地地图信息对割草机的运行路径进行规划，并通过无线方式返回给割草机的通讯及控制模块；
步骤5)割草机的通讯及控制模块控制割草机根据计算机系统的位置控制单元设定的路径和自身的位置信息前进一小段距离后，重复步骤2)和步骤3)，然后进入步骤6)；
步骤6)割草机的通讯及控制模块判断是否已经到达规划路径的终点，若是则停止在运动，否则进入步骤7)；
步骤7)割草机上的多线激光雷达扫描周围环境，并通过无线方式将点云数据传输给计算机系统中的数据运算单元，计算机系统的数据运算单元接收并过滤周围的噪声数据点，并判断出周围是否存在障碍物，若是，则计算出障碍物的形状和位置，进入步骤8)，否则返回步骤5)；
步骤8)计算机系统的位置控制单元接收障碍物的形状和位置，计算出割草机避障修正后的规划路径，并通过无线方式返回给割草机的通讯及控制模块，然后重复步骤5)；
本发明中，步骤7)中根据障碍物与激光雷达的距离和障碍物的高度及位置对其反射的激光采集点的个数进行估计，当分割出的点簇在估计值以内，即可筛选出障碍物。
本发明通过多线激光雷达应用于割草机，利用ibeacon装置检测割草机实时的位置，从而使得使用者可以自定义规划割草机的运行路径来提高割草机的工作效率，同时利用多线激光雷达扫描周围环境判断障碍物的形状和位置，计算出割草机避障修正后的规划路径。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明各模块和子模块之间的连接示意图；
图中1为多线激光雷达，2是ibeacon基站，3是割草机本体，4是计算机系统，5是蓝牙模块，6是无线模块a，7是无线模块b，8是通讯及控制模块，9是驱动装置，10是切割装置，11是定位算法单元，12是位置控制单元，13是数据运算单元。
具体实施方式
如图中所示，本具体实施例包括多线激光雷达1、ibeacon基站2、割草机本体3、计算机系统4、蓝牙模块5、通讯及控制模块8、驱动装置9、切割装置10，所述多线激光雷达1安装在割草机体3上部后端，所述ibeacon基站2基于ble技术向周围发送id信息，所述割草机本体3配有蓝牙模块5和无线模块a6，所述通讯及控制模块8与驱动装置9通过电气相连，所述驱动装置9与切割装置10电气相连，所述计算机系统4包括定位算法单元11、位置控制单元12、数据运算单元13，接有无线模块b7，与所述通讯及控制模块8通过无线模块互相传输信息。
本具体实施例的多线激光雷达1是德国ibeo-lux2010四线激光雷达。其中计算机系统4为一台工业控制计算机，具体型号为研华ipc-610l，通讯及处理模块的具体型号是stm32f103zet6，蓝牙模块的具体型号是cc2541，无线模块的具体型号是rf1100-232，与stm32f103zet6通过rs232串口连接。
本具体实施例中ibeacon基站的数量根据具体环境决定，设置为每隔40m2布置一个ibeacon基站，且ibeacon基站3个及3个以上。ibeacon基站硬件采用cc2541蓝牙芯片开发设计，通过c语言编程。每个ibeacon基站基于ble技术向周围发送其uuid、major、minor。其中uuid设定为相同的标识符，表示定位功能；major设定不同的标识符来区分不同的ibeacon基站；minor中设定每个基站的坐标信息。本具体实施的具体步骤如下：
步骤0)割草机3在初始位置等待计算机系统4指令；
步骤1)每个ibeacon基站2基于ble技术向周围发送其特有的id信息；
步骤2)割草机本体3通过蓝牙模块接收到ibeacon基站2发射的信息，并通过无线方式将信息传输给计算机系统4中的定位算法单元11；
步骤3)计算机系统4的定位算法单元11接收并分析计算出割草机3的位置信息，并通过无线方式返回给割草机3的通讯及控制模块8；
步骤4)计算机系统4的位置控制单元12接收割草机3的具体位置，并根据事先存储的草地地图信息对割草机3的运行路径进行规划，并通过无线方式返回给割草机3的通讯及控制模块8；
步骤5)割草机3的通讯及控制模块8控制割草机3根据计算机系统4的位置控制单元12设定的路径和自身的位置信息前进一小段距离后，重复步骤2)和步骤3)，然后进入步骤6)；
步骤6)割草机3的通讯及控制模块8判断是否已经到达规划路径的终点，若是则停止在运动，否则进入步骤7)；
步骤7)割草机3上的多线激光雷达1扫描周围环境，并通过无线方式将点云数据传输给计算机系统4中的数据运算单元13，计算机系统4的数据运算单元13接收并过滤周围的噪声数据点，并判断出周围是否存在障碍物，若是，则计算出障碍物的形状和位置，进入步骤8)，否则返回步骤5)；
步骤8)计算机系统4的位置控制单元12接收障碍物的形状和位置，计算出割草机3避障修正后的规划路径，并通过无线方式返回给割草机3的通讯及控制模块8，然后重复步骤5)；
本具体实施例中设置的每个停留点的停留时间不低于60s，两个停留点位置不超过2m，使得有足够的时间让多线激光雷达进行持续扫描、计算机系统进行运算定位、下达指令以及割草机进行除草工作。
本具体实施例中，多线激光雷达1工作时，此时角分辨率是0.1mard，距离分辨率是0.1m以及速度分辨率在10m/s，扫描范围为360°，选择0.25分度进行扫描。
本具体实施例中，采用改进后的加权近邻算法进行位置计算，根据倒数距离加权插值方法的思想确定权值。通过设有n个点，平面坐标为(xi，yi)，垂直高度为zi(i＝1，2，...，n)，倒数距离加权插值的插值函数为：
本具体实施例中，
假设有n个参考点，对应第i号参考点i＝1，2，...n的权值为wt，如果存在参考点i与待定位点(x，y)的欧式距离为di为0，则该i参考点的权值wt＝1，其他n-1个参考点的权值均为0；如果任一参考点与待定位点(x，y)的欧式距离不为0，则：
最后由x，y＝ln{wi×(xi，yi）}得到割草机的定点位置。
本具体实施例中，识辨出障碍物点簇的具体方法如下：
(1)对聚类出的类簇的点进行一遍扫描，获得每个簇的信息，包括类簇中采集点的个数nc、类簇中所有点距离激光雷达的平均距离davg以及类簇的上下左右边缘的位置坐标。
(2)根据统计出的类簇的信息进行粗筛选。将类簇中点的个数大于50的簇视为非草点簇。
(3)对筛选出的非草点簇进行精细的筛选。本算法利用障碍物与激光雷达的距离和障碍物的高度及位置对其反射的激光采集点的个数进行估计，从而筛选出障碍物点簇。首先获取激光雷达到达该簇的距离，记作r，令r＝davg，设障碍物的高度为wped，wped的取值范围是wmin＜wped＜wmax。如果以r为半径，将wped作为弧长，则有以下公式：
计算出扇形区域的对应的圆心角θ，公式如下：
根据激光雷达的角分辨率β和簇对应的圆心角θ利用公式(5)计算采集点的个数pc，则簇对应的点的个数为pc或者pc+1，公式如下：
如果障碍物点簇对应的个数记作pnum，则pnum的范围估计值的计算方法如下公式：
本具体实施例中，wped的取值范围为wped＞200mm，对聚类之后的簇根据该方法进行识辨出障碍物点簇，并根据点簇所在的位置、个数及分布情况计算出障碍物的位置及形状。
应当理解的是，以上所述仅为本发明的示例性描述，并非对本发明任何形式上的限制。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应属于本发明所附权利要求的保护范围。