一种基于边界电磁信号的割草机器人通讯方法和系统与流程

本申请属于边界信号技术领域，具体涉及一种基于边界电磁信号的割草机器人通讯方法和系统。

背景技术：

随着经济快速发展，各国城市现代化建设你超我赶，市政绿化与家庭花园绿化程度越来越高，大量的公园草坪、足球场草坪、golf球场草坪修剪工作十分繁重，重复性高。随着人工智能与物联网技术的发展，利用现代电子技术和智能控制技术的全自动智能割草机器人应运而生，在不久的将来势必会取代传统割草设备。

割草机器人，属于民用户外移动机器人领域，集机械、传感器、智能控制、人机交互、计算机等多个学科，应用传感器技术、定位技术、边界识别技术、全区域覆盖路径规划技术、自主回充技术和电源技术等实现全自动的草坪维护作业，具有高效、安全、便捷、使用简单、环保污染小等特点。

割草机器人一般拥有以下功能：自动割草、清理草屑、自动避雨、自动行走功能，自动躲避障碍物，电子虚拟篱笆、自动返回充电，网络控制等；具备安全检测和电池电量检测功能，具备一定爬坡能力，可调节修剪高度，可用app操控，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中小型设备。

为了实现割草机器人能够自动割草、同时又要确保割草机器人的安全性，需要为割草机器人圈定边界，再实现割草机器人在边界范围内自动割草。因此合理、高效并有一定加密性的边界发信与检测装置对割草机器人的自动化和安全性起了很大的作用。

目前市面上的边界处理系统都是在电子围栏中发送电磁信号，割草机器人通过检测该电磁信号并经过相应的处理判断机器人是否在电子围栏之内。而这类的电磁信号通常都是通过单个脉冲或者多个脉冲组合实现的，这种类型的脉冲信号抗干扰能力比较差，且不能实现基站和机器人之间的通信。

例如专利申请号为201110200675.7的专利文献，提供一种边界系统。边界系统中的信号发生装置，产生预设边界信号并发送给所述边界线，所述预设边界信号为一个具有交替出现的第一状态和第二状态的信号，在第一状态和第二状态交界处存在突变，所述控制单元包括信号处理单元和微处理器，检测信号包括对应于预设边界信号的第一状态的第一信号和对应于预设边界信号的第二状态的第二信号，所述信号处理单元根据第一信号与第二信号之间对应于所述突变的变化确定第二信号的起始点，并生成表示第二信号波形的处理信号，微处理器根据所述处理信号确定自动行走设备是否在工作区域内。但该方案并不具有高抗干扰能力且无法做到基站和机器人通信。

又如专利申请号为201610334140.1的专利文献，提供了一种边界线的脉冲信号识别系统、方法及智能割草系统，其中涉及一种抗干扰能力较高的脉冲方案，它是在周期t内产生一个高脉冲信号以及所述高脉冲信号连续分布的若干低脉冲信号；或者在周期t内产生若干低脉冲信号以及所述低脉冲信号之间分布的一个或多个高脉冲信号。同时，传感器具有不同的灵敏度。高脉冲对应高灵敏度的组合可以告诉智能割草机当前存在边界线，而低脉冲与低检测灵敏度的组合则可以过滤大部分干扰信号，提高抗干扰能力。但该方案需要不同放大倍数的传感器，且需要发射幅值不同的波形，成本较高，且无法实现基站与机器人通信，也难以避免同频的干扰信号。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种基于边界电磁信号的割草机器人通讯方法和系统，在不增加设备成本的基础上实现基站和割草机器人之间的通信，并且抗干扰能力强。

为实现上述目的，本申请所采取的技术方案为：

一种基于边界电磁信号的割草机器人通讯方法，用于实现基站和割草机器人之间通信，所述基于边界电磁信号的割草机器人通讯方法，包括：

接收基站发出的边界电磁信号，所述边界电磁信号为低频源信号与高频信号调制形成的载波信号，所述低频源信号包含完整周期波形与非完整周期波形；

对所述边界电磁信号进行放大；

将放大后的边界电磁信号进行滤波；

根据滤波后的边界电磁信号解调，得到所述低频源信号，识别所述低频源信号中完整周期波形与非完整周期波形的组合信息，将识别得到的组合信息与预设的动作指令进行对比，根据对比结果执行相应的动作。

作为优选，所述低频源信号中叠加通信信息，所述低频源信号中的完整周期波形表示数据位1，所述低频源信号中的非完整周期波形表示数据位0；

所述通信信息包含数据头、数据内容和校验码，所述通信信息由数据位0和数据位1构成。

作为优选，所述识别低频源信号中完整周期波形与非完整周期波形的组合信息，包括：

1)基准电压判断：取一段接收的信号数据，若该段信号数据的电压波动在预设电压阈值之内，则取该段信号数据的电压的平均值作为基准电压；

2)起始位判断：若信号数据中存在一个反向的低幅值波形和两个正向的高幅值波形，并且过零点检测的每个半波周期在预设周期范围之内，则当前波形位置作为该信号数据的起始位，并且取这三个半波周期的均值作为该信号数据的半波周期t，取两个正向的高幅值波形的平均幅值作为该信号数据的信号幅值v；

3)数据位判断：针对信号数据中起始位后的脉冲，通过过零点检测其半波周期是否在t±terr范围内，若是则为有效周期，即该脉冲为有效脉冲；否则该脉冲为干扰脉冲；terr为允许的半波周期误差；

4)数据内容判断：判断有效脉冲的正向幅值是否在v+verr范围，若是则该有效脉冲为数据位1；否则该有效脉冲为数据为0，识别该段信号数据中的所有有效脉冲得到数据内容中完整周期波形与非完整周期波形的组合信息；verr为允许的正向幅值误差；

5)校验码判断：对接收的信号数据中的校验码进行校验判断，若校验码有误，则该信号为干扰信号；否则该信号为边界电磁信号中的低频源信号。

作为优选，所述基于边界电磁信号的割草机器人通讯方法，还包括：

接收信号后匹配信号接收频率，若匹配成功则为有效的边界电磁信号；否则为无效的干扰信号。

作为优选，所述基于边界电磁信号的割草机器人通讯方法，还包括：

根据接收的边界电磁信号的相位判断割草机器人当前在边界线之内还是在边界线之外：若接收的边界电磁信号的相位正常，即表示割草机器人当前在边界线之内；若接收的边界电磁信号的相位相反，即表示割草机器人当前在边界线之外。

本申请还提供一种基于边界电磁信号的割草机器人通讯系统，所述基于边界电磁信号的割草机器人通讯系统包括割草机器人和基站，所述基于边界电磁信号的割草机器人通讯系统，执行如下操作：

所述基站用于产生边界电磁信号并发射，所述边界电磁信号为低频源信号与高频信号调制形成的载波信号，所述低频源信号中包含完整周期波形与非完整周期波形；

所述割草机器人用于接收所述边界电磁信号，对所述边界电磁信号进行放大；将放大后的边界电磁信号进行滤波；根据滤波后的边界电磁信号解调，得到所述低频源信号，识别所述低频源信号中完整周期波形与非完整周期波形的组合信息，将识别得到的组合信息与预设的动作指令进行对比，根据对比结果执行相应的动作。

作为优选，所述低频源信号中叠加通信信息，所述低频源信号中的完整周期波形表示数据位1，所述低频源信号中的非完整周期波形表示数据位0；

所述通信信息包含数据头、数据内容和校验码，所述通信信息由数据位0和数据位1构成。

作为优选，所述割草机器人识别低频源信号中完整周期波形与非完整周期波形的组合信息，执行如下操作：

1)基准电压判断：取一段接收的信号数据，若该段信号数据的电压波动在预设电压阈值之内，则取该段信号数据的电压的平均值作为基准电压；

2)起始位判断：若信号数据中存在一个反向的低幅值波形和两个正向的高幅值波形，并且过零点检测的每个半波周期在预设周期范围之内，则当前波形位置作为该信号数据的起始位，并且取这三个半波周期的均值作为该信号数据的半波周期t，取两个正向的高幅值波形的平均幅值作为该信号数据的信号幅值v；

3)数据位判断：针对信号数据中起始位后的脉冲，通过过零点检测其半波周期是否在t±terr范围内，若是则为有效周期，即该脉冲为有效脉冲；否则该脉冲为干扰脉冲；terr为允许的半波周期误差；

4)数据内容判断：判断有效脉冲的正向幅值是否在v+verr范围，若是则该有效脉冲为数据位1；否则该有效脉冲为数据为0，识别该段信号数据中的所有有效脉冲得到数据内容中完整周期波形与非完整周期波形的组合信息；verr为允许的正向幅值误差；

5)校验码判断：对接收的信号数据中的校验码进行校验判断，若校验码有误，则该信号为干扰信号；否则该信号为边界电磁信号中的低频源信号。

作为优选，所述割草机器人还执行如下操作：

接收信号后匹配信号接收频率，若匹配成功则为有效的边界电磁信号；否则为无效的干扰信号；

并且根据接收的边界电磁信号的相位判断割草机器人当前在边界线之内还是在边界线之外：若接收的边界电磁信号的相位正常，即表示割草机器人当前在边界线之内；若接收的边界电磁信号的相位相反，即表示割草机器人当前在边界线之外。

作为优选，所述基站包括mcu、放大电路、发射电路和电磁线圈，所述mcu用于产生所述载波信号，所述放大电路用于将载波信号放大，所述发射电路用于将放大后的载波信号发射至电磁线圈中；

所述基站和电磁线圈之间还连接有线圈断路检测电路，用于检测电磁线圈的断路情况并反馈至所述基站。

本申请提供的基于边界电磁信号的割草机器人通讯方法和系统，与现有技术相比具有以下有益效果：

1)通信发送的数据频率为低频，若按照本身的数据的频率来传输，不利于接收和同步。本申请使用载波传输，将数据的信号加载到载波的信号上，接收方按照载波的频率接收数据信号，并从中提取有意义的数据信号，便于数据的接收和同步。

2)利用完整周期波形与非完整周期波形的组合实现基站和割草机器人之间的通信，用户可以在基站控制机器人做相应的动作，并且通过编码功能和基站选择，机器人可以识别具体的位置信息，防止邻居家电子篱笆之间的互相干扰。

3)本申请通信功能成本低，无需专门的通信模块。

4)传输的数据本身具有校验功能，接受时数据校验不通过则认为校验失败，具有较强的抗干扰性能。

附图说明

图1为本申请的一种信号组合示意图；

图2为本申请发射波形与接收脉冲的一种示意图；

图3为本申请中基站的一种实施例结构示意图。

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。本文中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。

其中一个实施例中，提供一种基于边界电磁信号的割草机器人通讯方法，用于供基站和割草机器人之间进行通信及定位。

具体的，所述基于边界电磁信号的割草机器人通讯方法实施在割草机器人侧，包括：

接收基站发出的边界电磁信号。

对所述边界电磁信号进行放大。

将放大后的边界电磁信号进行滤波。

根据滤波后的边界电磁信号解调，得到所述低频源信号，识别所述低频源信号中完整周期波形与非完整周期波形的组合信息，将识别得到的组合信息与预设的动作指令进行对比，根据对比结果执行相应的动作。

如图1所示，所述边界电磁信号为低频源信号与高频信号调制形成的载波信号，每个信号周期为t，包含有高频信号、低频源信号和空信号。所述低频源信号中包含完整周期波形与非完整周期波形。

本实施例中割草机器人预设有动作指令，不同的动作指令为完整周期波形与非完整周期波形的不同组合，并且每一动作指令对应有相应的动作。

在不增加额外的通信设备的基础上，本实施例在原有的低频信号中叠加通信信息，完成基站与割草机器人之间的通信，通信方式简单且成本低。

并且为了克服低频信号不利于接收和同步的缺陷，本实施例将叠加通信信息的低频源信号加载到高频信号上，形成载波信号用于传输，以提高信号传输的可靠性。

在一实施例中，利用低频源信号中的完整周期波形表示数据位1，利用低频源信号中的非完整周期波形表示数据位0。并且通信信息包含数据头、数据内容和校验码，所述通信信息由数据位0和数据位1构成。

由此低频源信号中即包含数据内容，又包含了校验码，用于割草机器人对信号进行校验，提高抗干扰能力。

由于环境中可能存在多种电磁信号，除了与割草机器人对应的基站所发出的信号之外其余的均为干扰信号，在一实施例中，当割草机器人接收信号后，首先匹配信号接收频率，若匹配成功则为有效的边界电磁信号；否则为无效的干扰信号。

数据的解析和识别为通信中的重要环节，在一实施例中，如图2所示，图2中上方为发射的载波信号的示意脉冲，下方为接收的边界电磁信号的示意波形，并且发送的数据为整帧发送。

为了提高数据解析的可靠性和准确性，提供一种解析方式如下：

1)基准电压判断：取一段接收的信号数据，若该段信号数据的电压波动在预设电压阈值之内，则取该段信号数据的电压的平均值作为基准电压。

2)起始位判断：若信号数据中存在一个反向的低幅值波形和两个正向的高幅值波形，并且过零点检测的每个半波周期在预设周期范围之内，则当前波形位置作为该信号数据的起始位，并且取这三个半波周期的均值作为该信号数据的半波周期t，取两个正向的高幅值波形的平均幅值作为该信号数据的信号幅值v。

3)数据位判断：针对信号数据中起始位后的脉冲，通过过零点检测其半波周期是否在t±terr范围内，若是则为有效周期，即该脉冲为有效脉冲；否则该脉冲为干扰脉冲；terr为允许的半波周期误差。

4)数据内容判断：判断有效脉冲的正向幅值是否在v+verr范围，若是则该有效脉冲为数据位1；否则该有效脉冲为数据为0，识别该段信号数据中的所有有效脉冲得到数据内容中完整周期波形与非完整周期波形的组合信息；verr为允许的正向幅值误差。

5)校验码判断：对接收的信号数据中的校验码进行校验判断，若校验码有误，则该信号为干扰信号；否则该信号为边界电磁信号中的低频源信号。

根据割草机器人信号识别的常用电磁信号，在一实施例中，设置步骤1)中预设电压阈值优选取0.5v，步骤2)中的预设周期范围优选取90us～110us，即100us左右，以保证普适性。

在割草机器人的运作过程中，为保障割草机器人自身安全，需定时判断割草机器人的位置情况，在一实施例中，提供了一种简易的判断方法如下：

根据接收的边界电磁信号的相位判断割草机器人当前在边界线之内还是在边界线之外：若接收的边界电磁信号的相位正常，即表示割草机器人当前在边界线之内；若接收的边界电磁信号的相位相反，即表示割草机器人当前在边界线之外。

上述提供的判断方法简单，判断速度快，有利于割草机器人及时纠正位置，以降低割草机器人的损坏率。

在另一实施例中，还提供一种基于边界电磁信号的割草机器人通讯系统，该基于边界电磁信号的割草机器人通讯系统包括割草机器人和基站。该系统主要为了实现虚拟电子篱笆功能，保证割草机器人在该区域内运行。同时，该系统还带有通信功能，可以实现基站向机器人发送数据和指令，控制机器人做相应的动作。

本实施例的基于边界电磁信号的割草机器人通讯系统，执行如下操作：

所述基站用于产生边界电磁信号并发射，所述边界电磁信号为低频源信号与高频信号调制形成的载波信号，所述低频源信号中包含完整周期波形与非完整周期波形。

所述割草机器人用于接收边界电磁信号，对所述边界电磁信号进行放大；将放大后的边界电磁信号进行滤波；根据滤波后的边界电磁信号解调，得到所述低频源信号，识别所述低频源信号中完整周期波形与非完整周期波形的组合信息，将识别得到的组合信息与预设的动作指令进行对比，根据对比结果执行相应的动作。

具体的，所述低频源信号中叠加通信信息，所述低频源信号中的完整周期波形表示数据位1，所述低频源信号中的非完整周期波形表示数据位0；所述通信信息包含数据头、数据内容和校验码，所述通信信息由数据位0和数据位1构成。

为了提高抗干扰性，割草机器人接收信号后匹配信号接收频率，若匹配成功则为有效的边界电磁信号；否则为无效的干扰信号。

并且割草机器人根据接收的边界电磁信号的相位判断割草机器人当前在边界线之内还是在边界线之外：若接收的边界电磁信号的相位正常，即表示割草机器人当前在边界线之内；若接收的边界电磁信号的相位相反，即表示割草机器人当前在边界线之外。

当割草机器人解析接收的信号时，执行如下操作：

1)基准电压判断：取一段接收的信号数据，若该段信号数据的电压波动在预设电压阈值之内，则取该段信号数据的电压的平均值作为基准电压；

2)起始位判断：若信号数据中存在一个反向的低幅值波形和两个正向的高幅值波形，并且过零点检测的每个半波周期在预设周期范围之内，则当前波形位置作为该信号数据的起始位，并且取这三个半波周期的均值作为该信号数据的半波周期t，取两个正向的高幅值波形的平均幅值作为该信号数据的信号幅值v；

3)数据位判断：针对信号数据中起始位后的脉冲，通过过零点检测其半波周期是否在t±terr范围内，若是则为有效周期，即该脉冲为有效脉冲；否则该脉冲为干扰脉冲；terr为允许的半波周期误差；

4)数据内容判断：判断有效脉冲的正向幅值是否在v+verr范围，若是则该有效脉冲为数据位1；否则该有效脉冲为数据为0，识别该段信号数据中的所有有效脉冲得到数据内容中完整周期波形与非完整周期波形的组合信息；verr为允许的正向幅值误差；

5)校验码判断：对接收的信号数据中的校验码进行校验判断，若校验码有误，则该信号为干扰信号；否则该信号为边界电磁信号中的低频源信号。

如图3所示，在一实施例中，所述基站包括mcu、放大电路、发射电路和电磁线圈，所述mcu用于产生所述载波信号，所述放大电路用于将载波信号放大，所述发射电路用于将放大后的载波信号发射至电磁线圈中。

并且基站和电磁线圈之间还连接有线圈断路检测电路，用于检测电磁线圈的断路情况并反馈至所述基站。需要说明的是，本实施例中涉及的放大电路、发射电路和线圈断路检测电路均采用现有电路实现，不再进行赘述。

本实施例中基站通过线圈断路检测电路可实时监控电磁线圈的断路情况，及时产生应对措施，避免因基站无法发射信号而影响割草机器人的正常运行。

关于基于边界电磁信号的割草机器人通讯系统的进一步限定可参见上述对于基于边界电磁信号的割草机器人通讯方法的限定。

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。