智能除草机及除草方法
【专利摘要】本申请公开了一种智能除草机及除草方法，该智能除草机包括多传感器信息采集模块、中央处理器、除草机车轮驱动装置、除草机割草刀驱动装置；中央处理器通过接收多传感器信息采集模块的信息控制除草机车轮驱动装置和除草机割草刀驱动装置运转；多传感器信息采集模块包括分别独立安装在除草机上的用于识别草坪边界的边界识别传感器、用于识别除草机是否碰撞到障碍物的障碍物识别传感器、用于计算除草机航程的航程计数器、用于实时感应除草机的水平度、速度和方向的方位识别传感器组和辅助传感器组。本申请的智能草机及除草方法减少除草机的充电和工作的次数，节约电能、增加机载电池的使用寿命，减少电能的损耗。
【专利说明】
智能除草机及除草方法
技术领域
[0001]本公开一般涉及自动化农业园林设备领域，具体涉及智能除草设备，尤其涉及智能除草机及除草方法。
【背景技术】
[0002]除草机又称割草机、剪草机、草坪修剪机等。除草机是一种用于修剪草坪、植被等的机械工具，由于其给园林、农业或者家庭绿化的除草工作带来了极大的便利，因此使用广泛。
[0003]按行进方式划分除草机可以分为智能化半自动式、拖行式、后推行式、坐骑式、拖拉机悬挂式。这些除草机都需要人工辅助推动操作才能完成割草，割草人员的工作量依然很大的，尤其是在炎热的夏天。
[0004]目前市面上也有一些智能的除草机，已有的智能除草机器人产品随机路线工作，遇到边界及障碍物就避让或者返回，随机产生另一条工作路径，由此出现大量重复性工作路径，效率非常低下。
【发明内容】
[0005]鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种自动化程度高、效率高的智能除草机及除草方法。
[0006]第一方面，本发明提供一种智能除草机，该智能除草机包括多传感器信息采集模块、中央处理器、除草机车轮驱动装置、除草机割草刀驱动装置;所述中央处理器通过接收多传感器信息采集模块的信息控制所述除草机车轮驱动装置和除草机割草刀驱动装置运转;所述多传感器信息采集模块包括分别独立安装在除草机上的用于识别草坪边界的边界识别传感器、用于识别除草机是否碰撞到障碍物的障碍物识别传感器、用于计算除草机航程的航程计数器、用于实时感应除草机的水平度、速度和方向的方位识别传感器组和辅助传感器组。
[0007]在一优选实施例中，所述辅助传感器组包括分别独立安装在除草机上的用于感应是否下雨的落雨检测传感器、用于感应除草机运行状态的驱动状态检测传感器、用于监测除草机电源状态的电源管理监控器和用于检测障碍物距离除草机距离的测距传感器。
[0008]在一优选实施例中，所述方位识别传感器组包括集成的三维电子陀螺仪、三维加速传感器和三维地磁传感器。
[0009]在一优选实施例中，智能除草机还包括安装在除草机上的人机界面LCD触摸板。
[0010]在另一方面，采用上述除草机的除草方法包括以下步骤，
[0011](a)除草机以充电站为原点出发，中央处理器接收识别边界识别传感器的信息控制除草机车轮驱动装置沿着工作场地的边界行走一圈返回充电站。
[0012](b)在步骤(a)运行的过程中，中央处理器同时接收方位识别传感器组、航程计数器的信息绘制以工作场地的坐标数值标记的电子地图。
[0013](c)中央处理器以电子地图的信息计算除草机的最优行走路径。
[0014](d)中央处理器控制所述除草机车轮驱动装置根据最优行走路径行走，同时控制除草机割草刀驱动装置运转。
[0015](e)在步骤(d)的运行过程中，中央处理器同时接收障碍物识别传感器的信息，若遇到障碍物，则中央处理器在电子地图中标记障碍物的位置信息，同时重新计算最优行走路径。
[0016](f)在步骤(d)的运行过程中，中央处理器同时接收障碍物识别传感器、方位识别传感器组和辅助传感器组的信息控制除草机的运转。
[0017]根据本申请实施例提供的技术方案，通过在所述步骤中包含以下步骤，中央处理器根据障碍物识别传感器和测距传感器的信息精确计算障碍物的位置信息。
[0018]中央处理器同时结合障碍物识别传感器和测距传感器的信息可精确计算障碍物的位置信息。
[0019]根据本申请的某些实施例，所述步骤(f)中具体包括以下分步骤:
[0020](f-1)中央处理器接收方位识别传感器组中的三维电子陀螺仪的信息判断除草机的机身是否超出预设的倾斜度，若超出则发出报警信息并控制除草机车轮驱动装置和除草机割草刀驱动装置停止运行，若否执行下一步骤；
[0021](f-2)中央处理器接收方位识别传感器组中的三维加速度传感器的信息识别除草机的运行方向和运行速度；
[0022](f-3)中央处理器接收航程计数器和方位识别传感器组中的三维加速度传感器的信息判断除草机的底盘是否被卡住，若是则发出警告信息，并控制除草机车轮驱动装置和除草机割草刀驱动装置停止运行，若否执行下一步骤；
[0023](f-4)中央处理器接收方位识别传感器组中的三维加速度传感器和三维地磁传感器的信息精确判断除草机的运行方向，并矫正除草机车轮驱动装置的运行方向与最优行走路径相吻合；
[0024](f-5)中央处理器接收辅助传感器组中的额落雨检测传感器的信息判断是否有下雨、喷淋的情况，若是则控制除草机割草刀驱动装置停止运行，并控制除草机车轮驱动装置运行至充电站充电并执行步骤(f-9)，若否执行下一步骤；
[0025](f-6)中央处理器接收辅助传感器组中的驱动状态检测传感器的信息判断控制除草机车轮驱动装置和除草机割草刀驱动装置的运行参数和预设的参数是否一致，若否则发出警告信息并控制除草机车轮驱动装置和除草机割草刀驱动装置停止运行，若是执行下一步骤；
[0026](f-7)中央处理器接收辅助传感器组中的电源管理监控器的信息读取除草机工作时候电池的电压、电流、容量信息，中央处理器判断除草机电源达到过放临界点，若是控制除草机割草刀驱动装置停止运转，并控制除草机车轮驱动装置运行至充电站充电并执行步骤(f-9)，若否则执行下一步骤；
[0027](f-8)中央处理器判断除草机是否运行至最优路径的终点，若是则中央处理器控制除草机割草刀驱动装置停止运转，并控制除草机车轮驱动装置在充电站充电，若否则执行步骤(C)。
[0028](f-9)中央处理器判断除草机电源是否达到过冲临界点，若是控制除草机停止充电，若否则执行步骤(f-8)。
[0029]在上述步骤(c)和步骤(e)中所用的最短路径算法采用Floyd算法，该算法的思想是，设D(i，j，k)为从i到j中只以顶点集合V中的某个顶点k为中间节点的最短路径的长度。
[0030]若最短路径经过点k，则D(i，j，k)= D(i，k，k-1) +D(k，j，k-Ι);
[0031 ]若最短路径不经过点k，则D( i，j，k) = D( i，j，k-l)。
[0032]因此
[0033]D(i, j，k)=min(D(i，k，k-l)+D(k, j，k-l)，D(i, j，k-l))。
[0034]由上述公式可知:在原有路径的基础上加入其它顶点为中间节点后，若距离缩小，便以新路径替代原有路径。不断更新后，即可得到最短路径。
[0035]上述只是最短路径算法的一种高效的实施方式之一，在其他实施例中，也可以采用其他的最短路径算法，例如D i j ks tra (迪杰斯特拉)算法。
[0036]综上所述，本发明的有益效果是:减少除草机的充电和工作的次数，达到节约电能的目的，可以在最少的时间内完成最大的工作效率，并且全区域覆盖可以实现无切割盲区。增加机载电池的使用寿命，减少电能的损耗。在同类型产品中，本发明应用的新技术可以节约30%_40%的电能。并且整个工作过程完全不用人工干预，完全实现了除草机的全自动化。
【附图说明】
[0037]通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0038]图1是本发明智能除草机的原理框图；
[0039]图2是本发明智能除草方法的流程图；
[0040]图中:
[0041 ] 10、中央处理器；
[0042]20、除草机车轮驱动装置；
[0043]30、除草机割草刀驱动装置；
[0044]41、边界识别传感器；
[0045]42、障碍物识别传感器；
[0046]43、航程计数器；
[0047]44、方位识别传感器组；
[0048]45、辅助传感器组；
[0049]45-1、落雨检测传感器；
[0050]45-2、驱动状态检测传感器；
[0051 ] 45-3、电源管理监控器；
[0052]45-4、测距传感器；
[0053]44-1、三维电子陀螺仪；
[0054]44-2、三维加速传感器；
[0055]44-3、三维地磁传感器；
[0056]50、人机界面IXD触摸板；
【具体实施方式】
[0057]下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
[0058]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
[0059]请参考图1为智能除草机一种实施例的原理框图，该除草机包括多传感器信息采集模块、中央处理器10、除草机车轮驱动装置20、除草机割草刀驱动装置30;多传感器信息采集模块包括分别独立安装在除草机上的用于识别草坪边界的边界识别传感器41、用于识别除草机是否碰撞到障碍物的障碍物识别传感器42、用于计算除草机航程的航程计数器43、用于实时感应除草机的水平度、速度和方向的方位识别传感器组44和辅助传感器组45;中央处理器10通过接收多传感器信息采集模块的信息控制所述除草机车轮驱动装置20和除草机割草刀驱动装置30运转。
[0060]边界识别传感器41利用超低频信号识别技术，检测标记于工作场地边界处的信标，用于场地边界的识别，可以保证除草机不超出边界工作。航程计数器43为一个利用电磁霍尔感应原理的传感器，安装在除草机驱动轮轴的辅助装置上，采集除草机驱动轮的旋转速度，通过计算将其转化为直线距离，用于测绘除草机行进的航程数据。障碍物识别传感器42为安装于除草机壳体内的一种压力检测传感器，可以感应到除草机外壳受到的碰撞，用于识别工作场地中可能会影响除草机正常工作的障碍物。
[0061]在一优选实施例中，上述辅助传感器组45包括分别独立安装在除草机上的用于感应是否下雨的落雨检测传感器45-1、用于感应除草机运行状态的驱动状态检测传感器45-
2、用于监测除草机电源状态的电源管理监控器45-3和用于检测障碍物距离除草机距离的测距传感器45-4。
[0062]落雨检测传感器45-1如果检测到雨水信号则关闭除草机割草刀驱动装置30避免因其高速运行导致除草机内部进水受损。测距传感器45-4用于配合障碍物识别传感器42检测障碍物的最小位置信息，看给中央处理器10提供障碍物在地图上的详细信息。驱动状态检测传感器45-2，为一组专用集成电路，在其内部通过程序预设电机的额定参数，在电机运行时可以采集电机的运行参数跟预设参数进行比对，超过预设值发出警告信息，并自动停机。电源管理监控器45-3用于检测除草机工作时电池的电压、电流、容量等信息，在电池充电时还检测充电电流，电池容量判断等信息，可以保证电池不会过放电不会过充电。
[0063]在一优选实施例中，所述方位识别传感器组44包括集成的三维电子陀螺仪44-1、三维加速传感器44-2和三维地磁传感器44-3。
[0064]这三种传感器被设计成一种集成状态，通过信息接口为中央处理系统芯片组传输数据，其中三维电子陀螺仪44-1可以提供除草机的水平状态信息，如果工作时机身超出设计倾斜度会发出警告信息，并自动停机。三维加速传感器44-2可以提供除草机前进的方向和速度信息，正常工作时可以配合航程计数器43确定除草机的运行状态，如果底盘被卡住，驱动轮出现原地打转或空转除草机失去速度或速度异常时会发出警告信息，并自动停机。三维地磁场传感器为除草机提供准确的运行方向，结合三维加速度传感器提供的信息可以使除草机具有很好的长距离运行的直线度。三者综合输出的信息可以为中央处理系统芯片组准确的判断除草机实时的水平度、速度、方向信息。
[0065]在一优选实施例中，智能除草机还包括安装在除草机上的人机界面IXD触摸板50。
[0066]人机界面可以完成对智能除草机一些必要参数的设定，启动和停止的操作，直观的显示当前智能除草机的状态信息。
[0067]下面结合图2详细描述本发明智能除草机的除草方法:
[0068](a)除草机以充电站为原点出发，充电站被装置在将要除草的草坪的边界，中央处理器10接收识别边界识别传感器41的信息控制除草机车轮驱动装置20沿着工作场地的边界行走一圈返回充电站;在此步骤中，除草机割草刀驱动装置30为不工作的状态；
[0069](b)在步骤(a)运行的过程中，中央处理器10同时接收方位识别传感器组、航程计数器43的信息绘制以工作场地的坐标数值标记的电子地图；
[0070](c)中央处理器10以电子地图的信息计算除草机的最优行走路径；
[0071](d)中央处理器10控制所述除草机车轮驱动装置20根据最优行走路径行走，同时控制除草机割草刀驱动装置30运转，开始进行除草工作；
[0072](e)在步骤(d)的运行过程中，中央处理器10同时接收障碍物识别传感器42的信息，若遇到障碍物，则中央处理器10在电子地图中标记障碍物的位置信息，同时重新计算最优行走路径；
[0073](f)在步骤(d)的运行过程中，中央处理器10同时接收障碍物识别传感器42、方位识别传感器组44和辅助传感器组的信息控制除草机的运转。
[0074]所述步骤(e)中还包括，中央处理器10根据障碍物识别传感器42和测距传感器45-4的信息精确计算障碍物的位置信息。
[0075]所述步骤(f)中具体包括以下分步骤:
[0076](f-1)中央处理器10接收方位识别传感器组44中的三维电子陀螺仪44-1的信息判断除草机的机身是否超出预设的倾斜度，若超出则发出报警信息并控制除草机车轮驱动装置20和除草机割草刀驱动装置30停止运行，若否执行下一步骤；
[0077](f-2)中央处理器10接收方位识别传感器组44中的三维加速度传感器的信息识别除草机的运行方向和运行速度；
[0078](f-3)中央处理器10接收航程计数器43和方位识别传感器组44中的三维加速度传感器的信息判断除草机的底盘是否被卡住，若是则发出警告信息，并控制除草机车轮驱动装置20和除草机割草刀驱动装置30停止运行，若否执行下一步骤；
[0079](f-4)中央处理器10接收方位识别传感器组44中的三维加速度传感器和三维地磁传感器44-3的信息精确判断除草机的运行方向，并矫正除草机车轮驱动装置20的运行方向与最优行走路径相吻合；
[0080](f-5)中央处理器10接收辅助传感器组中的额落雨检测传感器45-1的信息判断是否有下雨、喷淋的情况，若是则控制除草机割草刀驱动装置30停止运行，并控制除草机车轮驱动装置20运行至充电站充电并执行步骤(7-9)，若否执行下一步骤；
[0081](f-6)中央处理器10接收辅助传感器组中的驱动状态检测传感器45-2的信息判断控制除草机车轮驱动装置20和除草机割草刀驱动装置30的运行参数和预设的参数是否一致，若否则发出警告信息并控制除草机车轮驱动装置20和除草机割草刀驱动装置30停止运行，若是执行下一步骤；
[0082](f-7)中央处理器10接收辅助传感器组中的电源管理监控器45-3的信息读取除草机工作时候电池的电压、电流、容量信息，中央处理器10判断除草机电源达到过放临界点，若是控制除草机割草刀驱动装置30停止运转，并控制除草机车轮驱动装置20运行至充电站充电并执行步骤(f-9)，若否则执行下一步骤；
[0083](f-8)中央处理器10判断除草机是否运行至最优路径的终点，若是则中央处理器10控制除草机割草刀驱动装置30停止运转，并控制除草机车轮驱动装置20在充电站充电，若否则执行步骤(C)。
[0084](f-9)中央处理器10判断除草机电源是否达到过冲临界点，若是控制除草机停止充电，若否则执行步骤(f-8)。
[0085]本发明的智能除草机使用了多传感器融合控制技术，工作区域识别和电子地图生成技术，路线规划技术，根据移动机器人运动控制特性，通过多传感器信息融合技术感知机器人周围的局部环境信息，将最短路径算法和地图信息相结合对移动机器人的避障动作与路径规划进行相应的控制，使得除草机拥有自主学习能力，实时的更新电子地图并且随时更新规划路线的。可以自动从充电站出发运动到预先自行测定好电子地图的目标区域内，按照最短路径算法自动规划路线运行并且自动规避障碍物，可以有效的减少重复路径，高效的进行除草工作。
[0086]以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
【主权项】
1.智能除草机，其特征在于:包括多传感器信息采集模块、中央处理器、除草机车轮驱动装置、除草机割草刀驱动装置;所述中央处理器通过接收多传感器信息采集模块的信息控制所述除草机车轮驱动装置和除草机割草刀驱动装置运转;所述多传感器信息采集模块包括分别独立安装在除草机上的用于识别草坪边界的边界识别传感器、用于识别除草机是否碰撞到障碍物的障碍物识别传感器、用于计算除草机航程的航程计数器、用于实时感应除草机的水平度、速度和方向的方位识别传感器组和辅助传感器组。2.根据权利要求1所述的智能除草机，其特征在于:所述辅助传感器组包括分别独立安装在除草机上的用于感应是否下雨的落雨检测传感器、用于感应除草机运行状态的驱动状态检测传感器、用于监测除草机电源状态的电源管理监控器和用于检测障碍物距离除草机距离的测距传感器。3.根据权利要求1或2所述的智能除草机，其特征在于:所述方位识别传感器组包括集成的三维电子陀螺仪、三维加速传感器和三维地磁传感器。4.根据权利要求1或2所述的智能除草机，其特征在于:智能除草机还包括安装在除草机上的人机界面IXD触摸板。5.根据权利要求1或2所述的智能除草机的除草方法，其特征在于:包括以下步骤， (a)除草机以充电站为原点出发，中央处理器接收识别边界识别传感器的信息控制除草机车轮驱动装置沿着工作场地的边界行走一圈返回充电站； (b)在步骤(a)运行的过程中，中央处理器同时接收方位识别传感器组、航程计数器的信息绘制以工作场地的坐标数值标记的电子地图； (c)中央处理器以电子地图的信息计算除草机的最优行走路径； (d)中央处理器控制所述除草机车轮驱动装置根据最优行走路径行走，同时控制除草机割草刀驱动装置运转； (e)在步骤(d)的运行过程中，中央处理器同时接收障碍物识别传感器的信息，若遇到障碍物，则中央处理器在电子地图中标记障碍物的位置信息，同时重新计算最优行走路径； (f)在步骤(d)的运行过程中，中央处理器同时接收障碍物识别传感器、方位识别传感器组和辅助传感器组的信息控制除草机的运转。6.根据权利要求5所述的智能除草机的除草方法，其特征在于:所述步骤(e)中还包括，中央处理器根据障碍物识别传感器和测距传感器的信息精确计算障碍物的位置信息。7.根据权利要求5所述的智能除草机的除草方法，其特征在于:所述步骤(f)中具体包括以下分步骤: (f-Ι)中央处理器接收方位识别传感器组中的三维电子陀螺仪的信息判断除草机的机身是否超出预设的倾斜度，若超出则发出报警信息并控制除草机车轮驱动装置和除草机割草刀驱动装置停止运行，若否执行下一步骤； (f-2)中央处理器接收方位识别传感器组中的三维加速度传感器的信息识别除草机的运行方向和运行速度； (f-3)中央处理器接收航程计数器和方位识别传感器组中的三维加速度传感器的信息判断除草机的底盘是否被卡住，若是则发出警告信息，并控制除草机车轮驱动装置和除草机割草刀驱动装置停止运行，若否执行下一步骤； (f_4)中央处理器接收方位识别传感器组中的三维加速度传感器和三维地磁传感器的信息精确判断除草机的运行方向，并矫正除草机车轮驱动装置的运行方向与最优行走路径相吻合； (f-5)中央处理器接收辅助传感器组中的额落雨检测传感器的信息判断是否有下雨、喷淋的情况，若是则控制除草机割草刀驱动装置停止运行，并控制除草机车轮驱动装置运行至充电站充电并执行步骤(f-9)，若否执行下一步骤； (f-6)中央处理器接收辅助传感器组中的驱动状态检测传感器的信息判断控制除草机车轮驱动装置和除草机割草刀驱动装置的运行参数和预设的参数是否一致，若否则发出警告信息并控制除草机车轮驱动装置和除草机割草刀驱动装置停止运行，若是执行下一步骤； (f-7)中央处理器接收辅助传感器组中的电源管理监控器的信息读取除草机工作时候电池的电压、电流、容量信息，中央处理器判断除草机电源达到过放临界点，若是控制除草机割草刀驱动装置停止运转，并控制除草机车轮驱动装置运行至充电站充电并执行步骤(f-9)，若否则执行下一步骤； (f-8)中央处理器判断除草机是否运行至最优路径的终点，若是则中央处理器控制除草机割草刀驱动装置停止运转，并控制除草机车轮驱动装置在充电站充电，若否则执行步骤(C)。 (f-9)中央处理器判断除草机电源是否达到过冲临界点，若是控制除草机停止充电，若否则执行步骤(f_8)。
【文档编号】G05D1/02GK106054898SQ201610612540
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月26日
【发明人】程道修, 李 杰
【申请人】天津鲁赫环保科技有限公司