用于自动割草机的导航系统和方法
用于自动割草机的导航系统和方法
【专利摘要】本发明公开一种用于机器人割草机的导航系统，包括：限定指定区域的边界的边界导线；边界传感器组件、和具有导航仲裁逻辑模块的车辆控制单元，导航仲裁逻辑模块被配置为对至少第一直线传播模式和第二弧线传播模式之间的选择进行仲裁。导航仲裁逻辑模块被配置为被配置为在传感器组件指示割草机接近指定区域的边界并且离边界的距离等于或小于指定转弯距离时选择弧线传播模式。边界传感器组件产生表示割草机相对于边界导线的测量的偏航角的传感器信号，并且导航仲裁逻辑模块被配置为依赖于估计的偏航角产生表示目标偏航角的输出信息。
【专利说明】用于自动割草机的导航系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于机器人割草机的导航系统，更具体地，涉及机器人割草机的用于执行导航逻辑的车辆控制单元，和涉及用于具有利用这种导航逻辑的车辆控制单元的机器人割草机的控制方法。
【背景技术】
[0002]机器人割草机可以包括具有传感器组件的边界传感系统，以使割草机能够检测标记要被割草的区域的边界的边界导线信号。边界传感系统可以检测机器人割草机已经达到边界导线的时间。当机器人割草机到达边界导线时，车辆控制单元可以，例如，提示割草机的驱动系统停止并转弯。期望具有可靠的导航逻辑，其能够根据机器人割草机的偏航角调整割草机路径并在倾斜角度接近边界导线时调整机器人割草机离边界导线的距离。
【发明内容】
[0003]为了解决这个需要，在本文中公开用于检测用于机器人割草机的车辆控制单元的边界传感器组件、用于导航机器人割草机的导航系统和方法。车辆控制单元包括被配置为对至少第一传播模式和第二传播模式之间的选择进行仲裁的导航仲裁逻辑模块，所述第一传播模式是割草机的直线传播模式，第二传播模式是割草机的弧线传播模式，导航仲裁逻辑模块被配置为在接收到指示割草机接近指定区域的边界并且离该边界的距离等于或小于指定转弯距离的传感器信息时选择第二传播模式。
[0004]在本发明的另一个方面，车辆控制单元被配置成接收表示割草机的相对于所述边界的测量到的偏航角的传感器信息。
[0005]在本发明的又一个方面，导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示目标偏航角的输出信息，所述目标偏航角依赖于假定的实际偏航角，所述假定的实际偏航角是估计的偏航角和测量的偏航角中的一个。
[0006]在本发明的又一个方面，在第一传播模式中，相对于所述边界的目标偏航角等于测量的偏航角。
[0007]在本发明的再一个方面，在第二传播模式中，目标偏航角表示测量的偏航角在沿着所述边界延伸的垂直平面上的镜面反射。
[0008]在本发明的另一个方面，车辆控制单元包括致动器模块，所述致动器模块被配置成将目标偏航角转变成目标偏航角和假定的实际偏航角之间的偏航角差值。
[0009]在本发明的又一个方面，车辆控制单元被配置为接收表示割草机的相对于所述边界的测量距离的传感器信息，并且其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示在第二传播模式中的目标速度矢量的输出信息，所述目标速度矢量依赖于所述测量距离。
[0010]在本发明的又一个方面，目标速度矢量的垂直于所述边界的速度分量与离所述边界的所述测量距离正相关。
[0011]在本发明的再一个方面，目标速度矢量的幅值与离所述边界的所述测量距离正相关。
[0012]在本发明的另一个方面，控制单元被配置为产生用于割草机推进系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的运动。
[0013]在本发明的另一个方面，控制单元被配置为产生用于割草机刀片马达系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的转动刀片速度。
[0014]在本发明的又一个方面，导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示目标速度矢量的输出信息，所述目标速度矢量在第一传播模式中具有比在第二传播模式中大的幅值。
[0015]在本发明的另一个方面，车辆控制单元包括定位模块，定位模块被配置为计算割草机在指定区域内的绝对当前位置。
[0016]在本发明的另一个方面，提供用于导航割草机的方法，包括由车辆控制单元所执行的步骤。
[0017]在本发明的又一个方面，导航系统设置有车辆控制单元、限定指定区域的边界的边界导线、和提供由车辆控制单元处理的传感器输入信息的边界传感器组件。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是机器人割草机系统的示意图，包括根据本发明的优选实施例的主边界导线内的机器人割草机。
[0019]图2是边界传感系统的示意图，具有用于根据本发明的一个方面的机器人割草机的边界传感器组件。
[0020]图3是示出表示根据图1的边界传感系统的拾波线圈信号曲线的示意图。
[0021]图4是图2的边界传感系统的示意图，具有在相对于边界导线的不同高度处的边界传感器组件。
[0022]图5是具有根据本发明的另一个方面的边界传感器组件的边界传感系统的示意图。
[0023]图6是具有包括图2和5的边界传感器的两者的边界传感器组件的边界传感系统的示意图。
[0024]图7是具有图6的边界传感系统的机器人割草机的示意图。
[0025]图8是具有根据本发明的另一优选实施例的边界传感器组件的边界传感系统的示意图。
[0026]图9是表示根据图8的边界传感系统的拾波线圈信号的曲线图的示意图。
[0027]图10是根据本发明的另一个方面的具有根据图8的边界传感系统的机器人割草机的示意性框图。
[0028]图11是配备有根据图8的边界传感系统的机器人割草机的根据实验绘制的自动航路校正的视图。
[0029]图12是具有根据本发明的另一优选实施例的边界传感器组件的边界传感系统的示意图。
[0030]图13是根据本发明的又一个方面的用于配备有至少在两个水平方向上对边界导线的磁场敏感的边界传感器组件的割草机的车辆控制单元(VCU)的一部分的示意性框图。
[0031]图14是图13的VCU的细节的方框图，图示导航控制器。[0032]图15是图14的导航控制器的细节的方框图，涉及将测量的传感器信号转换成相对于边界导线和相对于要修剪的指定区域的距离和方向。
[0033]图16是在线边界坐标中偏航角范围的图示。
[0034]图17是图14的进一步细节的方框图，涉及基于两种传播模式中的所选择的一个产生目标值。
[0035]图18是根据导航规则的一个示例的割草图案的鸟瞰视图。
【具体实施方式】
[0036]在本发明的一个优选的实施例中，如图1所不，机器人割草机100由在充电站105周期性充电的电池组109供电。车辆控制单元101控制机器人割草机的全部电子功能。例如，车辆控制单元101可以指挥一个或多个牵引马达110和111以驱动牵引轮、刀片马达112以转动切割刀片或多个刀片、电池组109、用户界面模块107和各种传感器。
[0037]车辆控制单元(VCU) 101可以是作为用于机器人割草机100的主控板的印刷电路板组件。车辆控制单元101可以解释和处理来自各种传感器的信息，并使用该信息来控制和操作一对牵引马达110和111，以在庭院上驱动机械人割草机100来维护草坪，并且驱动刀片马达112。传感器本身包括一个或多个边界传感器组件119，并且还可以包括一个或多个障碍物传感器或加速度计。车辆控制单元101可以与电池组通信，以监测电池组109的状态，并且保持电池组109中的一个或多个电池(例如锂离子电池)的充电。车辆控制单元101也可以连接到用户界面模块107，所述用户界面模块107可以包括液晶显示器(LCD)以及一些指示器灯和用于操作员输入的按钮。车辆控制单元101可以包括微控制器和使用数据总线连接到微控制器的外部静态随机存取存储器(SRAM)。
[0038]车辆控制单元101可以连接和控制刀片马达控制器，刀片马达控制器控制驱动机器人割草机100的切割刀片的刀片马达112。车辆控制单元101可以具有用于接收来自霍尔效应转子位置传感器的输入，以使用来自霍尔效应传感器的反馈信号检测刀片马达112的速度，并且可以检测通过刀片马达112的相位的电流。
[0039]为了移动机器人割草机100，车辆控制单元101优选地连接到用于左和右牵引马达110和111的牵引马达控制器。车辆控制单元101可以具有用于接收来自包含在牵引马达110和111中的霍尔效应转子位置传感器的信号的输入，并且以这种方式，车辆控制单元101可以使用来自霍尔效应传感器的反馈检测每个牵引马达110和111的速度，并且可以检测通过牵引马达的相位的电流。
[0040]仍参考图1，机器人割草机100在指定区域102中操作，指定区域102由形成定位在地面或草皮表面处或低于地面或草皮表面的环的主或外边界导线103围绕而成。此外，内线104可以是设置在充电站105定位在其中的主边界导线的区域内的较短的环。主边界导线103和内线104可以被连接到充电站105。
[0041 ] 在一个实施例中，边界驱动电路106可以被包含在充电站105中，并且可以驱动信号通过主边界导线103和内线104。在主边界导线上的波形的基频优选为约2kHz，并且机器人割草机100具有至少一个边界导线传感器组件119，所述至少一个边界导线传感器组件119检测波形并且提供信号到车辆控制单元101，以指示传感器组件119到主边界导线103的距离。[0042]图1还示出了所选择的用于说明固定和非固定笛卡尔坐标系的命名法。在随后的附图的描述中，大写字母名称X，Y和Z表示根据固定边界导线103的随后将被机器人割草机100接近的部分的固定笛卡尔坐标系。Z指定垂直轴线，该垂直轴线由在中心具有X的圆圈表示，X表示进入图像平面指向的方位，因此，一般而言，沿图1的自上而下的图示中的重力方向。Y表示沿边界导线103的水平方向。如果直流电流流过边界导线103，则Y对应于电流I的方向。交流电流以正弦振荡变换其方向，并且从而周期性地改变其相对于Y坐标的方向。X指定垂直于边界导线103的水平轴线，并且如果Y坐标围绕指定区域102顺时针方向定向，大致从要被割草的指定区域102向外指向。相反地，如果Y坐标逆时针定向，根据用于正笛卡尔坐标系统的右手定则，水平轴线X指向指定区域102。
[0043]以类似方式，选择小写字母名称X，y和z用于相对于给定边界传感器组件119的坐标。当机械人割草机100在水平表面上以直角接近边界导线103时，坐标X，y和Z指向与坐标X，Y和Z相同的方向。坐标X指向机器人割草机100的向前运动的方向，并且限定机器人割草机100的纵向轴线。当机器人割草机100在斜坡上或相对于边界导线103以其中机器人割草机100的纵向轴线X不垂直于边界导线103的角度定位时，坐标X，y和z指向与坐标X，Y和Z不同的方向。从固定坐标X，Y和Z测量的任何角度由诸如O之类的大写希腊字母表示，并且从传感器组件坐标x，y和z测量的任何角度由诸如Ψ，和Θ之类的小写希腊字母表示。坐标x，y和z以及X，Y和Z已被选择用于图示各种实施例的物理的几何形状，并且不是为了以限制的方式进行解释。此外，如下几何因素图示载送直流电流I的边界导线，但是在考虑到电流的振荡相位时适用于载送交流电流的边界导线。
[0044]如图2所示，边界导线103载送大致沿从绘图的底部朝向绘图的顶部的方向的直流电流I。电流I产生大致围绕边界导线103在顺时针方向上转动的转动磁场H。边界传感器组件119包括至少一个拾波线圈120，所述拾波线圈120定向成对于磁场H的垂直分量扎特别敏感。边界传感器组件119包括多于一个的拾波线圈(下面将进一步讨论)，但为简单起见，在图2中只表示拾波线圈120。当边界传感器组件119从指定区域102内接近边界导线103时，拾波线圈120检测磁场H的垂直分量Hz的增加强度。磁场强度的幅值表示拾波线圈120到边界导线103的水平距离。
[0045]但是，磁场H的垂直分量Hz的幅值不仅依赖于到边界导线103的水平距离，而且还依赖于在拾波线圈120和边界导线103之间的垂直高度差。图3的垂直轴线表示由拾波线圈120拾取的磁场强度的垂直分量Ηζ，并且水平轴线表示拾波线圈120和边界导线103之间的水平距离。两个轴线都以相对的而不是绝对的单位显示。绝对测量值依赖于电流I的大小和拾波线圈120的灵敏度。
[0046]如图3所示，各种绘制图表示拾波线圈120和边界导线103之间的不同的垂直高度差ΛΖ。当拾波线圈120越过边界导线103时，在全部图形中共有的是磁场强度分量扎的符号变化。边界导线103处的磁场强度分量Hz的符号的变化因此提供了极好的过境信息。在所选择的坐标系中，磁场强度分量氏在指定区域102内为正，在在指定区域102外为负。磁场强度分量Hz的这种符号的反向可以用作表明传感器组件119已经越过边界导线103的数字输入。
[0047]仍参考图3，当拾波线圈120接近边界导线时，磁场强度分量Hz的绝对值的幅值稳步增加，直到磁场强度分量Hz迅速减小，以改变其符号。当拾波线圈120与边界导线103在相同的相对高度时，这是最明显的。但是，磁场强度分量Hz的绝对幅值随着在拾波线圈120与边界导线103之间的高度差ΛΖ增加而显著降低。在拾波线圈120的高度增加的情况下，垂直磁场强度分量Hz的幅值趋近于零，并且在穿越边界导线103时，不能可靠地表示该符号的变化，如在图中特别地图示，表示高度ΛΖ= 10。
[0048]图4更详细地说明了这种现象。边界传感器组件119在边界导线103上方升高ΔΖ，并且具有远离边界导线103的水平距离ΛΧ。如在图2中所示，在边界传感器组件119的位置中的磁场H不是完全垂直的，但具有水平分量Hx。因此，如果边界传感器组件距离边界导线103具有相同的水平距离Λ X，则垂直分量Hz较小，但是垂直距离ΛΖ等于零。在更大的高度差ΛΖ处，边界传感器组件119可以仅仅足够接近边界导线103，用于在非常近的水平距离ΛΧ处能够检测的磁场强度H，其中垂直分量Hz本身是几乎没有的或不能够被检测到。
[0049]根据图5中所示实施例，假设边界传感器组件119的坐标X与边界导线103的坐标X彼此平行，增加被定向为对于边界传感器组件119的X轴敏感的拾波线圈122可以在磁场H的水平分量Hx上提供补充信息。如图5示出，分量Hz达到最大值，其中分量Hz改变符号，即，其中边界传感器组件定位在等于零的水平距离ΛΧ处的边界导线103的正上方。
[0050]如图6和7所示，边界传感器组件119图示,具有垂直敏感拾波线圈120和水平敏感拾波线圈122两者。如图7所示，磁场H在与水平面形成角度O的方向上流动。磁场H垂直于连接边界导线103和边界传感器组件119的径向线130，径向线130表示从边界导线103到传感器组件119的总距离D。因此，角度Θ还表示径向线130和垂直轴Z之间的角度，如图7所示。因此，以下等式适用:
[0051]ΔΧ = ΛΖ.tan? (I)
[0052]因为由线性线产生的磁场强度H —般与距离D的倒数成比例，水平分量Hx和垂直分量Hz之间的关系允许近似计算角度Θ:
[0053]Θ = atan (Hz/Hx) (2)
[0054]因为根据割草机100的几何形状和边界导线103的安装知道边界导线103和边界传感器组件119之间的垂直距离ΛΖ，可以基于Θ和ΛΖ根据等式(I)确定边界传感器组件119到边界导线103的水平距离ΛΧ。
[0055]到当前为止，已经讨论边界传感器组件119的坐标X和边界导线103的坐标X彼此平行时发生的传感器信号。然而，草坪割草机100可以以倾斜或偏航角Ψ接近边界导线103。偏航角Ψ限定边界传感器组件119围绕垂直轴线z的水平转动。
[0056]在图8中显示的另一个实施例中，在边界传感器组件119中包括第二水平拾波线圈124。图8以俯视图示出边界导线103和两个相同的边界传感器组件119。仅仅磁场H的地上部分由不同重量的箭头表示。在图9的顶部处显示的边界传感器组件119以等于零的偏航角Ψ相对于边界导线103定向，在该偏航角Ψ处坐标z和Z相互平行。在图9的底部处显示的边界传感器组件119以不为零的偏航角Ψ相对于边界导线103定向。在边界传感器组件从顶部处的方位向底部处的方位转动时，对垂直分量Hz敏感的拾波线圈120检测到大致恒定信号，因为拾波线圈120不改变它相对于其敏感的轴线的方位。然而，其他两个拾音线圈122和124不与固定轴线X和Y成一条直线地移动。
[0057]图9示出由大致沿着边界传感器组件119的三个笛卡儿坐标x，y和z配置的拾波线圈拾取的信号强度的视图。各个图形表示偏航角Ψ (度)和沿边界传感器组件119的坐标x，y和z的各个磁场强度分量成、$和氏(任意单位)与时间的关系。在偏航运动期间，在传感器组件的坐标系中的垂直分量氏与边界导线坐标的垂直分量Hz—般是相同的，并且从而保持大致恒定。
[0058]但是，Hx和Hy在传感器组件坐标系中的X和y分量显示出彼此之间的正弦-余弦关系，因为它们相对于相应的边界导线坐标系的角度Ψ在偏航转动期间变化。在图9中，边界传感器组件119首先在约15秒和35秒之间的时间间隔内在一个方向上转动360°，并且然后在35秒至55秒的时间间隔内反向转动返回到原来的方向，如由偏航角Ψ的曲线图所表示。
[0059]通过在边界传感器组件119中安装两个水平的(优选垂直的)的拾波线圈122和124，可以根据勾股定理计算边界传感器组件离边界导线103的水平距离:
[0060]Δ X2 = Δ X2+ Δ y2 (3)
[0061]等式(3)假定指定区域102在边界导线103附近是大致水平的。为了考虑可能导致传感器组件坐标X和水平XY平面之间的非零倾斜角?或传感器组件坐标y和水平XY平面之间的非零横摇角Φ的斜坡，基于等式(I)和(2)考虑的几何计算可以补偿斜坡，其中已知边界导线103被埋没处的深度。
[0062]可选地，在边界导线103沿已知路径安装在已知深度处的情况下，通过机械人割草机100在指定区域102上测试运行，可以在已知条件下校准用于单个拾波线圈120、122和124的信号的调整因素。
[0063]现在参考图10，用于机器人割草机100的控制系统利用一个或多个边界传感器119，用于检测由边界导线103发射的磁场H的分量Hx、Hy和Hz的幅值。表示磁场H的箭头只是象征性的，并不表示实际的磁力线。所述多个边界传感器119中的一个将表示分量Hx、Hy和Hz的幅值的信号发送到V⑶101。
[0064]VCU 101可以根据分量Hx、Hy和Hz的测量到的幅值确定当前坐标。例如，在等式
(2)证实偏航角Ψ时，可以根据分量扎、$和扎的幅值的比率计算偏航角Ψ、横摇角Φ和倾斜角?。另外，分量Hx、Hy和Hz的绝对幅值允许V⑶101确定距离边界导线的水平距离ΛΧ。
[0065]一旦已经确定这些数参量，VCU随后可以应用控制算法，用于生成到牵引马达110和111的指令以使割草机100遵循所期望的运动。所期望的运动被至少部分地预编程在V⑶101中，但是还可以通过经由示于图1中的用户界面模块107进行的用户输入被改变。控制算法基于所计算出的坐标将所期望的运动转变成用于在割草机100的左侧的牵引马达110的角速度O1，和用于在割草机100的右侧的牵引马达111的角速度ωρ角速度O1和角速度可以为正、负或零，并且取决于所期望的运动，符号和幅值可能彼此不同。VCUlOl将引起左牵引马达110以角速度O1运转的信号发送到左侧牵引马达110，将引起右牵引马达111以角速度运转的信号发送到右侧牵引马达111。值得注意的是，由VCU发送到牵引马达110和111的信号也可以表示转矩或与造成所期望的运动的车轮转动相关的任何其他参量。
[0066]图11图示由具有边界传感器组件的机器人割草机进行自动航向校正的一个示例，该边界传感器组件包括三个拾波线圈，例如拾波线圈120、122和124，以及类似于图10的控制系统。V⑶101接收来自拾波线圈120、122和124的表示分量Hx、Hy和Hz的信号。机器人割草机具有将边界传感器组件保持在距离边界导线103恒定距离ΛΧ = 10米处的目标。基于来自拾波线圈120、122和124的信号，V⑶101计算确定相对于边界导线103的偏航角Ψ的校正转动数。偏航角Ψ表示坐标X和坐标X之间的角度，或坐标I和坐标Y之间的同样的角度。校正动作被转变成发送到左和右牵引马达110和111的控制信号。牵引马达110和111作为刹车调整系统操作，其中两个牵引马达110和111之间的相对速度差导致偏航运动。因此，VCU指示机器人剪草机不断调整偏航角Ψ。如为离边界导线103的水平距离Λ X绘制的图形所示，由VCUlOl基于来自边界传感器组件119的信号进行的校正计算足够精确，用于在离目标距离相当小的偏差内引导草坪割草机100。
[0067]从前面的描述中明白的是，使用沿不同方向布置的至少两个拾波线圈120和122从边界传感器组件119获得信号导致指定区域102的边界的计算得到显著改善。另外，评价磁场的模拟幅值，而不是记录磁场H的符号的纯粹的数字变化，允许计算边界传感器组件119和边界导线103之间的水平距离。因此，机器人割草机100的V⑶101可以被编程，从而在距离边界导线103的、在可检测磁场H的范围内，甚至在指定区域102外的任何距离ΔΧ处转弯。例如，具有边界导线103的路径的虚拟地图可以被存储在V⑶中，并且操作者可以选择局部地改变机器人割草机转弯的位置离边界导线的距离。此外，因为机器人割草机100由于模拟信号及早认识到它接近边界导线103，机器人割草机100可以以较高的平均速度操作，因为机器人割草机100不依赖于磁场H的符号的突然改变。基于牵引马达110和111的转动速度，如果机器人割草机100相对于边界导线103以比由牵引马达110和111表示的速度低的速度移动，则VCUlOl可以检测低牵引力条件。
[0068]虽然所描述的实施例包括具有对应于正交坐标系的坐标的敏感轴线的拾波线圈布置，但拾波线圈方向的其中任意两个敏感轴线彼此之间形成非零角度的任意组合是合适的。如果存在第三拾波线圈，如果第三拾波线圈被布置为沿着与其他两个轴线的方向所限定的平面相交的轴线是敏感的，则第三拾波线圈可以占用第三维。但是第三拾波线圈也可以沿着由前两个拾波线圈的方向限定的平面布置以建立冗余。
[0069]根据一个实施例，为了检测一个拾波线圈的任何故障，在如图12中示意性示出在边界传感器组件119可以包括额外的冗余拾波线圈126。三个拾波线圈120、122和124的敏感轴线可以沿着立方体或平行六面体(也称为菱形)的边缘x，y和ζ延伸。在共享前三个拾波线圈120、122和124中的每一个共享分量的方向xyz上安装用于冗余的额外的第四拾波线圈126。在前三个拾波线圈120、122和124表示独立矢量时，可以从前三个拾波线圈120、122和124的信号Hx、Hy和Hz计算第四拾波线圈126的信号Hxyz。当第四拾波线圈126的测量信号与计算出的信号一致时，VCUlOl可以假设全部拾音线圈正常运行。如果第四拾波线圈的信号Hxyz与所计算出的信号偏差超过预定的误差范围，则VCU可以证实边界传感器组件有缺陷，并且需要维修或更换。误差数值取决于所测量的信号的整体精度，并且可以通过经验测量预先确定，并且存储在V⑶101的存储器中。
[0070]图12示出相互垂直的前三个拾波线圈120、122和124的方向。这仅是方向的一个示例。形成边界传感器组件119的四个拾波线圈可以相对于彼此布置在任何方向处，其中在一个共同的平面中存在不超过两个敏感轴线。例如，全部四个敏感轴线的方向可以相对于彼此形成相同角度，如可以通过具有从四面体的中心指向四个角中的每一个的轴线的四面体的形状被直观化。
[0071]为了改善传感器信号的信噪比，在信号被送入V⑶101之前，有限增益可以应用于各个拾取器线圈120、122、124和126的信号。
[0072]现在参照图13，割草机V⑶101可以包括执行不同任务的逻辑模块。值得注意的是，所有逻辑模块表示逻辑步骤，不必然是物理布置。因此，逻辑模块可以彼此共享处理和存储资源，或者包括单独的处理和存储能力。由此可见，逻辑模块的一部分可以彼此共享部分资源，而一些资源可以仅仅被分配给一个逻辑模块。在图13的实施例中，显示四个逻辑模块，即传感器模块140、导航模块142、致动器模块144和定位模块146。例如，传感器模块可以具有用于处理从传感器组件接收到磁场信息的已分配的单独的处理器。 [0073]传感器模块140生成输出信息，输出信息表不测量的磁场矢量H',.，磁场矢量3meas至少包含由边界导线103产生的磁场H的水平Y分量和水平X分量上的信息，其中为简单起见，假设在此上下文中，在彼此垂直的割草机坐标中输出X分量和Y分量。磁场H可以使用如在前面附图所介绍的传感器组件119或者使用输出表示由边界导线103产生的磁场H的水平分量的幅值和方向的模拟信号的任何其他传感器组件测量。传感器模块140还产生估计的割草机速度矢量?est的输出，估计的割草机速度矢量Ast可以被表示为边界导线坐标中的估计的幅值Vest和估计的偏航角Ψ@。估计上文速度矢量U列如可以是基于自从估计的速度矢量Ast的最后一次计算以后执行的动作先前地建立的数据的推断。
[0074]在从传感器模块140到导航模块142的信息路径中的时钟符号148指示实时处理，其中传感器模块140基于一个控制周期产生信息，并且该信息被馈送到导航模块142用于后续控制周期，从而建立由于因传感反馈引起的闭环控制。
[0075]导航模块142接收由传感器模块产生的数据输出，并且基于割草机100的位置和方向计算目标路径。将结合后续的图14、15和17被更详细地说明导航模块。
[0076]导航系统产生表示目标速度矢量^d6s的输出信息，目标速度矢量Vdes可以表示为目标幅值Vdes和目标偏航角Ψ^。取决于期望的导航运动，导航模块还可以产生关于切割刀片组件的转动速度的输出信息。例如，切割刀片组件的转动速度可以降低，而割草机与直线相比以弧线传播。
[0077]目标速度矢量Vd6的信息期望被传递至致动器模块144。致动器模块144还接收估计的速度矢量Ast的信息。致动器模块比较目标速度矢量Aes与估计的速度矢量V，并且将差值转化成矢量差A^act，矢量差可以表不为幅值差和偏航角差Δ Wac;t。以幅值差Λ Vart和偏航角差Λ Wart表示结果的好处在于，差值是一样的，与坐标系无关。因此，在边界导线坐标系中计算的差值Λ Vart和Λ Wac;t可以在没有任何进一步转变的情况下用在基于割草机的坐标系。偏航角的差值Λ Ψ-直接转换成割草机100的左和右牵引马达110和111之间的转矩差值。直接将幅值差Λ Vac;t转换成两个牵引马达的转矩平均值的变化。因此，基于所计算出的差值，致动器模块144产生到左牵引马达110和右牵引马达111的转矩指令。另外，致动器模块144提供所计算出的差值Λ Vart和Λ Wart的信息到定位模块146和传感器模块140。
[0078]定位模块146处理差值Λ Vact和Λ Ψ3ε?以及先前存储的定位信息，并且计算割草机100的全球方位ψβ1(Λ和实际位置(x，Y)art。全球方位ψβ1Λ和实际位置(x，Y)art指定割草机相对于指定区域102而不是边界导线103或割草机100的位置和方向。因为边界导线103绘制了一环路，边界导线103的坐标系统的绝对坐标根据边界导线的该坐标所基于的部分变化。全球方位#^^和实际位置(X，Y) ac;t基于地球边界坐标，并且因此甚至在不能检测到磁场时，也能给出割草机位于哪里和在指定区域102内在哪个方向上的信息。定位模块例如可以在时间域内对速度矢量求积分以得到当前位置，和平均偏航角差值以得到当前方向。定位模块提供全球方位叫^⑶和实际位置(X，Y)ac;t信息到传感器模块140，用于进一步处理。
[0079]传感器模块140还从致动器模块144接收全球方位Ψβ1Λ和实际位置(X，Y) act信息。使用这种计算出的信息和来自物理传感器组件的测量的磁场H，传感器模块140如上所述计算估计的速度矢量Ist。
[0080]图14显示导航模块，其可以表示被指定为在图13中的块A的导航模块142。导航模块接收估计的速度矢量Ast的输入信息，估计的速度矢量T例如在边界导线坐标中由估计的幅值Vart和估计的偏航角ψ-表示。导航模块进一步接收测量到的磁场矢量:0?_的信息。速度矢量信息Cst被任选地处理，以计算估计位置(X，Y)est和全球偏航比率Ψβ1(Λ。代替地，类似的信息可以从以在先前周期中计算全球偏航比率Ψβ1(Λ和实际位置(X，Y)ac;t的定位模块为代表的定位模块146获得。
[0081]在方块B中，测量的磁场矢量H s的传感器信号被处理以计算割草机100和边界导线103之间的距离D，以及割草机100在边界导线坐标中的当前偏航角Ψ-。将结合图15更详细地说明方块B内的过程。
[0082]以下参量然后被提供给方块C，表示导航仲裁:估计的速度矢量Ist信息、估计位置(X，Y)est信息、割草机100和边界导线103之间的距离D信息、在边界导线坐标中的当前偏航角Ψ-信息、和在指定区域102的绝对坐标中的全球偏航角Ψβ1(Λ信息。在块C中的仲裁导航处理这些输入参量，并输出目标速度矢量的目标值，目标速度矢量Vtfa例如由边界导线坐标中的目标速度幅值Vdes和目标偏航角Wdes表示。正如上文所述，也可以提供涉及割草机刀片的目标转动速度的信息。将参照图17在下文中更详细地描述块C内的处理的进一步详情。
[0083]现在参照图15，表示由传感器组件测量的磁场矢量的信号Hmeas可以被调整用于进一步处理(如果需要的话)。为了改善信噪比和平滑处理，可以应用在本领域中是已知的公知过滤器和转换。所得到的磁场矢量的调整信息，或不存在任何过滤器下测量的传感器信号M ，然后被处理以获得在边界导线坐标系中的实际原始偏航角原始偏航角△ Wac；t-raw表示沿割草机当前正面向的方向的单位矢量的示例。该单位矢量通过分别地归一化磁场矢量Sw或瓦^并且将这个单位矢量变换成边界导线坐标获得的。
[0084]原始实际偏航角Δ Waet_Mw可以经过包绕模(wrapping modulo)360°以由在(-180° ) < Wact < 180°的范围内的值表示。在图16中示出适合基于边界导线的偏航角Ψ的坐标约定。在所选择的约定中，从指定的区域102向外朝向边界导线103的方向由具有负符号的偏航角Ψ表示。从边界导线103向内移动进入指定的区域102被指定具有正符号。因此，原始实际偏航角AWaet_raw可以被包绕(wrapped)以获得在此范围内的值。
[0085]现在参照图17，块C的导航仲裁接收估计的速度矢量U言息、割草机的估计的绝对位置(X，Y)est信息、割草机100和边界导线103之间的距离D信息、在边界导线坐标中de当前偏航角Ψ-信息/和在指定区域102的绝对坐标中的全球偏航角Ψβ1Λ信息。[0086]导航仲裁在步骤150中作出决定，以进入两个传播模式152和154(直线模式152或弧线模式154)中的一个。一般地，如果自动割草机100接近边界导线103，为了不离开指定区域102，自动割草机100优选地具有用于改变其路程的合适控制装置。边界导线103指示割草机100优选不离开的指定区域102的边界。因此，割草机100优选在割草机到达边界导线之前开始在离边界导线的指定转弯距离处转弯。在步骤150中，割草机开始转弯的这个距离被指示为距离d。距离d可以是，例如，由目标转弯半径加上刀片半径组成，使得割草机刀片在转弯时切线地达到边界导线103。代替地，边界导线103可以被布置在离指定区域的边界一距离处，该距离对应于指定转弯距离。然后，割草机可以在到达边界导线103时开始转弯。然而，在后的原则类似于在前的原则之处在于，割草机100到达指定区域102的边界之前开始转弯。 [0087]在图17所示的示例中，导航仲裁考虑两个条件:割草机100和边界导线103之间的当前距离D是否至多等于指定转弯距离d，以及割草机100是否接近边界导线。如果距离D大于指定转弯距离d，或割草机100正在远离或平行于边界导线(WaetSO)移动，导航仲裁选择直线模式152。相反地，如果距离D等于或小于指定转向距离d，选择弧线模式154。
[0088]在直线模式152中，割草机100保持在直线路径上。因此，在边界导线坐标中的当前实际偏航角Ψ-被设置为目标偏航角Ψ&。在割草机方向坐标中，目标偏航角Ψ&也保持与当前偏航角Ψμ相同。因为割草机100不需要采取任何转动，目标速度的幅值Vdes可以被设置到最大可持续割草机速度Vmax，最大可持续割草机速度Vmax在致动器模块144中被转换成由两个牵引马达110和111所产生的相等最大转矩。
[0089]在所述实施例中，基于割草机的偏航角Vaet是割草机100的方向偏离割草机的原始方向的角度偏差，例如在割草机从充电站105出发的时间处。因此,沿着割草机100随着时间的推移行进的整个路径，割草机偏航角Vart从全球偏航角Ψβ1Λ1偏移恒定角度。基于割草机的偏航角Vart偏离边界导线坐标中的偏航角Ψ-的偏移量取决于边界导线103的、传感器组件当前正检测其磁场的对应部分的方向。在没有边界导线103的磁场H能够由传感器组件检测的区域中不存在基于边界导线的坐标。
[0090]在满足用于进入弧线模式的上述条件时，导航仲裁退出直线模式152并且进入弧线模式154。在弧线模式下，边界导线坐标中的目标偏航角被设置为正值，即被设置到指向区域102的方位。
[0091]选择目标偏航角Ψ&的一个示例子包括使实际的偏航角的符号反向(Ψ&=-Ψ3ε?)。这个设置产生实际偏航角Ψ-在沿边界导线103延伸的垂直平面处的镜面反射。由此产生的割草图案示于图18中并且随机出现。它可以覆盖凸起的或凹的指定区域102，因为割草机将最终达到指定区域102内的每个位置。
[0092]选择目标偏航角Ψ&的另一种选择可能在于180°到实际偏航角Wac;t以及顺时针和逆时针之间交替转弯方向。这样的设置将产生系统地覆盖指定区域102的平行轨迹。对于后者设置，充电站105或指定点优选地定位在指定区域的角落中，其中初始方向平行于边界导线的一部分延伸。用于在平行轨迹中割草的指定区域102的形状优选为凸状。
[0093]由于割草机不得不进行弧线导航，目标速度Vdes可以被设置为低于在直线模式中的速度。目标速度Vdes可以是预设值或依赖于距离边界导线的距离D和其他因素，如从在边界导线坐标中的实际偏航角Ψ-和从基于割草机轮的平均转速Vwteels的当前速度幅值计算出的当前的速度矢量。在所描绘的实施例中，只有该速度的垂直于边界导线的目标X分量文des基于距离D变化、基于在边界导线坐标系中的实际偏航角Wart变化、基于实际速度\的相对于边界导线103的X分量的幅值变化。平行于边界导线的Y分量令&可以保持不变，产生如在图17中所示可变的整体速度Vdes。代替地，整体速度Vdes可以是恒定的，导致可变的Y分量。这些概念的许多变化在本发明的范围内，包括影响割草机100的转弯动作的以上考虑因素和额外变量的组合。
[0094]当在割草机100位于离边界导线103距离d处时启动弧线模式时，轮滑可以防止立即转弯。湿或高大的草是相当湿滑的，使得割草机100的惯性可能会在割草机100实际转弯之前保持在短的距离内将割草机100在其轨迹上。由于从边界导线获得的两维信息，这样的意外运动被检测到并且可以得到补偿。如果割草机100比期望更靠近边界导线，该速度的较小X分量可以被选择以允许割草机在指定区域102内完成转弯。代替地，通过在保持车轮之间的导致割草机转弯的转动速度差或转矩差的同时降低车轮的平均转动速度或转矩，可以减小该速度的大小以及因而弧的半径。
[0095]弧线模式保持在原位，直至割草机已经采纳目标偏航角Ψ&。如果割草机在指定转动距离d处进入边界导线103的不同部分的附近，则它重新计算相对于边界导线103的最近接近的部分的目标偏航角Ψ&。
[0096]图18用草坪割草机100的模拟的割草模式的俯视图示这个原理。任意开始位置156被选定用于割草机100。割草机100沿直线出发，直到到达在离边界导线103的距离d内的位置158。由于割草机100接近边界导线103并且在边界导线103的距离d内，割草机进入弧线模式154。根据结合图17描述的实施例，实际偏航率Wac;t的符号是相反的，用于设置目标偏航率Ψ^。因此，割草机100相对于边界导线103进行镜面反射，其中进入角(由Ψ-所定义)与离去角(由Ψ&定义)相同，仅具有相反的符号。一旦割草机已完成转弯，并且达到目标偏航角时，则割草机恢复到直线模式152。有时候，割草机可以在边界导线103的不同部分的 指定转弯距离d内移动时处于弧线模式中。这种情况显示在区域160中。当割草机从图形的顶部朝向位置160沿直线传播时，它进入离边界导线103的下水平部的距离d内。因此，目标偏航角被计算，以沿着由虚线表示的路径162引导割草机100。然而，在弧线完成之前，割草机100到达边界导线103的左侧部分的距离d内。因此，设置新的目标偏航角，该新的目标偏航角对应于割草机在它定位在离边界导线的左侧部分的距离d处的位置中的反向偏航角。因此，割草机在弧线模式中继续，并且描述部分圆形，直到割草机达到新的目标偏航角Ψ^。
[0097]此外，其中，由于车轮的滑移，割草机100已经移动比距离d更靠近边界导线，例如，在位置164中的割草机路径描绘平行于边界导线103的、具有比在距离d处的弧形(例如，在位置166中)大的宽度的弧形。对于弧形164，割草机速度的X分量已经被降低以使割草机在指定区域102内转弯。由于该速度的Y分量没有减小，弧形显得比在位置166中更宽和更浅。在一般情况下，割草机速度的X分量可以与距离D正相关。
[0098]根据各个优选实施例的前面的描述，明显地，在不脱离本发明的如在所附权利要求中限定的范围的情况下，可以进行各种修改。
【权利要求】
1.一种用于机器人割草机的车辆控制单元，所述车辆控制单元包括被配置为对至少第一传播模式和第二传播模式之间的选择进行仲裁的导航仲裁逻辑模块，所述第一传播模式是割草机的直线传播模式，第二传播模式是割草机的弧线传播模式，导航仲裁逻辑模块被配置为在接收到指示割草机接近指定区域的边界并且离该边界的距离等于或小于指定转弯距离的传感器信息时选择第二传播模式。
2.根据权利要求1所述的车辆控制单元，其中所述车辆控制单元被配置成接收表示割草机的相对于所述边界的测量到的偏航角的传感器信息。
3.根据权利要求2所述的车辆控制单元，其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示目标偏航角的输出信息，所述目标偏航角依赖于假定的实际偏航角，所述假定的实际偏航角是估计的偏航角和测量的偏航角中的一个。
4.根据权利要求3所述的车辆控制单元，其中在第一传播模式中，相对于所述边界的目标偏航角等于测量的偏航角。
5.根据权利要求3所述的车辆控制单元，其中在第二传播模式中，目标偏航角表示测量的偏航角在沿着所述边界延伸的垂直平面上的镜面反射。
6.根据权利要求3所述的车辆控制单元，还包括致动器模块，所述致动器模块被配置成将目标偏航角转变成目标偏航角和假定的实际偏航角之间的偏航角差值。
7.根据权利要求3所述的车辆控制单元，其中车辆控制单元被配置为接收表示割草机的相对于所述边界的测量距离的传感器信息，并且其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示在第二传播模式中的目标速度矢量的输出信息，所述目标速度矢量依赖于所述测量距离。
8.根据权利要求7所述的车辆控制单元，其中目标速度矢量的垂直于所述边界的速度分量与离所述边界的所述测量距离正相关。
9.根据权利要求7所述的车辆控制单元，其中目标速度矢量的幅值与离所述边界的所述测量距离正相关。
10.根据权利要求1所述的车辆控制单元，其中控制单元被配置为产生用于割草机推进系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的运动。
11.根据权利要求1所述的车辆控制单元，其中控制单元被配置为产生用于割草机刀片马达系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的转动刀片速度。
12.根据权利要求1所述的车辆控制单元，其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示目标速度矢量的输出信息，所述目标速度矢量在第一传播模式中具有比在第二传播模式中大的幅值。
13.根据权利要求1所述的车辆控制单元，还包括定位模块，定位模块被配置为计算割草机在指定区域内的绝对当前位置。
14.根据权利要求1所述的车辆控制单元，其中导航仲裁逻辑模块被配置为在到所述边界的距离大于指定转弯距离或割草机正在移动远离或平行于边界时，选择第一传播模式。
15.一种用于机器人割草机的导航系统，所述导航系统包括: 限定指定区域的边界的边界导线、边界传感器组件和车辆控制单元，所述车辆控制单元包括被配置为对至少第一传播模式和第二传播模式之间的选择进行仲裁的导航仲裁逻辑模块，所述第一传播模式是割草机的直线传播模式，第二传播模式是割草机的弧线传播模式，导航仲裁逻辑模块被配置为在传感器组件指示割草机接近所述指定区域的边界并且离所述边界的距离等于或小于指定转弯距离时选择第二传播模式。
16.根据权利要求15所述的导航系统，其中边界传感器组件产生表示割草机相对于所述边界导线的测量的偏航角的传感器信号。
17.根据权利要求16所述的导航系统，其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示目标偏航角的输出信息，所述目标偏航角依赖于假定的实际偏航角，所述假定的实际偏航角是估计的偏航角和测量的偏航角中的一个。
18.根据权利要求16所述的导航系统，其中在第一传播模式中，相对于所述边界导线的目标偏航角等于测量的偏航角。
19.根据权利要求16所述的导航系统，其中在第二传播模式中，目标偏航角表示在沿着所述边界导线延伸的垂直平面上的测量的偏航角的镜面反射。
20.根据权利要求17所述的导航系统，还包括致动器模块，所述致动器模块被配置成将目标偏航角转变成目标偏航角和假定的实际偏航角之间的偏航角差值。
21.根据权利要求15所述的导航系统，其中边界传感器组件产生表示割草机的相对于所述边界导线的测量距离的传感器信息，并且其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示在第二传播模式中的目标速度矢量的输出信息，所述目标速度矢量依赖于所述测量距离。
22.根据权利要求21所述的导航系统，其中目标速度矢量的垂直于所述边界导线的速度分量与离所述边界导线的所述测量距离正相关。
23.根据权利要求21所述的导航系统，其中目标速度矢量的幅值与离所述边界导线的所述测量距离正相关。
24.根据权利要求17所述的导航系统，其中控制单元被配置为产生用于割草机推进系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的运动。
25.根据权利要求15所述的导航系统，其中控制单元被配置为产生用于割草机刀片马达系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的转动刀片速度。
26.根据权利要求15所述的导航系统，其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示目标速度矢量的输出信息，所述目标速度矢量在第一传播模式中具有比在第二传播模式中大的幅值。
27.根据权利要求15所述的导航系统，还包括定位模块，定位模块被配置为计算割草机在指定区域内的绝对当前位置。
28.根据权利要求15所述的导航系统，其中导航仲裁逻辑模块被配置为在到所述边界的距离大于指定转弯距离或割草机正在移动远离或平行于所述边界导线时，选择第一传播模式。
29.一种导航机器人割草机的方法，所述方法包括以下步骤: 接收表示离指定区域的边界的测量距离和相对于所述边界的测量偏航角的传感器信息； 对至少第一传播模式和第二传播模式之间的选择进行仲裁，所述第一传播模式是割草机的直线传播模式，第二传播模式是割草机的弧线传播模式；其中在接收到指示割草机接近所述指定区域的所述边界并且离所述边界的距离等于或小于指定转弯距离的传感器信息时，选择第二传播模式。
30.根据权利要求29所述的方法，其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示目标偏航角的输出信息，所述目标偏航角依赖于假定的实际偏航角，所述假定的实际偏航角是估计的偏航角和测量的偏航角中的一个。
31.根据权利要求30所述的方法，其中在第一传播模式中，相对于所述边界的目标偏航角等于测量的偏航角。
32.根据权利要求30所述的方法，其中在第二传播模式中，目标偏航角表示在沿着所述边界延伸的垂直平面上的测量的偏航角的镜面反射。
33.根据权利要求30所述的方法，还包括将目标偏航角转变成目标偏航角和假定的实际偏航角之间的偏航角差值的步骤。
34.根据权利要求29所述的方法，还包括产生表示第二传播模式中的目标速度矢量的输出信息的步骤，所述目标速度矢量依赖于所述测量距离。
35.根据权利要求34所述的方法，其中目标速度矢量的垂直于所述边界的速度分量与离所述边界的测量距离正相关。
36.根据权利要求34所述的方法，其中目标速度矢量的幅值与离所述边界的测量距离正相关。
37.根据权利要求29所述的方法，还包括产生用于割草机推进系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的运动的步骤。
38.根据权利要求29所述的方法，还包括产生用于割草机刀片电机系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的转动刀片速度的步骤。
39.根据权利要求29所述的方法，还包括产生表示目标速度矢量的输出信息的步骤，所述目标速度矢量在第一传播模式中具有比在第二传播模式中大的幅值。
40.根据权利要求29所述的方法，还包括计算割草机在所述指定区域内的绝对当前位置的步骤。
41.根据权利要求29所述的方法，其中在到所述边界的距离大于指定转弯距离或割草机正在移动远离或平行于所述边界时，选择第一传播模式。
【文档编号】G05D1/02GK103543746SQ201310283742
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年7月8日 优先权日:2012年7月9日
【发明者】大卫·A·约翰逊, 达斯·E·科林 申请人:迪尔公司
【专利摘要】本发明公开一种用于机器人割草机的导航系统，包括：限定指定区域的边界的边界导线；边界传感器组件、和具有导航仲裁逻辑模块的车辆控制单元，导航仲裁逻辑模块被配置为对至少第一直线传播模式和第二弧线传播模式之间的选择进行仲裁。导航仲裁逻辑模块被配置为被配置为在传感器组件指示割草机接近指定区域的边界并且离边界的距离等于或小于指定转弯距离时选择弧线传播模式。边界传感器组件产生表示割草机相对于边界导线的测量的偏航角的传感器信号，并且导航仲裁逻辑模块被配置为依赖于估计的偏航角产生表示目标偏航角的输出信息。
【专利说明】用于自动割草机的导航系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于机器人割草机的导航系统，更具体地，涉及机器人割草机的用于执行导航逻辑的车辆控制单元，和涉及用于具有利用这种导航逻辑的车辆控制单元的机器人割草机的控制方法。
【背景技术】
[0002]机器人割草机可以包括具有传感器组件的边界传感系统，以使割草机能够检测标记要被割草的区域的边界的边界导线信号。边界传感系统可以检测机器人割草机已经达到边界导线的时间。当机器人割草机到达边界导线时，车辆控制单元可以，例如，提示割草机的驱动系统停止并转弯。期望具有可靠的导航逻辑，其能够根据机器人割草机的偏航角调整割草机路径并在倾斜角度接近边界导线时调整机器人割草机离边界导线的距离。
【发明内容】
[0003]为了解决这个需要，在本文中公开用于检测用于机器人割草机的车辆控制单元的边界传感器组件、用于导航机器人割草机的导航系统和方法。车辆控制单元包括被配置为对至少第一传播模式和第二传播模式之间的选择进行仲裁的导航仲裁逻辑模块，所述第一传播模式是割草机的直线传播模式，第二传播模式是割草机的弧线传播模式，导航仲裁逻辑模块被配置为在接收到指示割草机接近指定区域的边界并且离该边界的距离等于或小于指定转弯距离的传感器信息时选择第二传播模式。
[0004]在本发明的另一个方面，车辆控制单元被配置成接收表示割草机的相对于所述边界的测量到的偏航角的传感器信息。
[0005]在本发明的又一个方面，导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示目标偏航角的输出信息，所述目标偏航角依赖于假定的实际偏航角，所述假定的实际偏航角是估计的偏航角和测量的偏航角中的一个。
[0006]在本发明的又一个方面，在第一传播模式中，相对于所述边界的目标偏航角等于测量的偏航角。
[0007]在本发明的再一个方面，在第二传播模式中，目标偏航角表示测量的偏航角在沿着所述边界延伸的垂直平面上的镜面反射。
[0008]在本发明的另一个方面，车辆控制单元包括致动器模块，所述致动器模块被配置成将目标偏航角转变成目标偏航角和假定的实际偏航角之间的偏航角差值。
[0009]在本发明的又一个方面，车辆控制单元被配置为接收表示割草机的相对于所述边界的测量距离的传感器信息，并且其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示在第二传播模式中的目标速度矢量的输出信息，所述目标速度矢量依赖于所述测量距离。
[0010]在本发明的又一个方面，目标速度矢量的垂直于所述边界的速度分量与离所述边界的所述测量距离正相关。
[0011]在本发明的再一个方面，目标速度矢量的幅值与离所述边界的所述测量距离正相关。
[0012]在本发明的另一个方面，控制单元被配置为产生用于割草机推进系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的运动。
[0013]在本发明的另一个方面，控制单元被配置为产生用于割草机刀片马达系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的转动刀片速度。
[0014]在本发明的又一个方面，导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示目标速度矢量的输出信息，所述目标速度矢量在第一传播模式中具有比在第二传播模式中大的幅值。
[0015]在本发明的另一个方面，车辆控制单元包括定位模块，定位模块被配置为计算割草机在指定区域内的绝对当前位置。
[0016]在本发明的另一个方面，提供用于导航割草机的方法，包括由车辆控制单元所执行的步骤。
[0017]在本发明的又一个方面，导航系统设置有车辆控制单元、限定指定区域的边界的边界导线、和提供由车辆控制单元处理的传感器输入信息的边界传感器组件。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是机器人割草机系统的示意图，包括根据本发明的优选实施例的主边界导线内的机器人割草机。
[0019]图2是边界传感系统的示意图，具有用于根据本发明的一个方面的机器人割草机的边界传感器组件。
[0020]图3是示出表示根据图1的边界传感系统的拾波线圈信号曲线的示意图。
[0021]图4是图2的边界传感系统的示意图，具有在相对于边界导线的不同高度处的边界传感器组件。
[0022]图5是具有根据本发明的另一个方面的边界传感器组件的边界传感系统的示意图。
[0023]图6是具有包括图2和5的边界传感器的两者的边界传感器组件的边界传感系统的示意图。
[0024]图7是具有图6的边界传感系统的机器人割草机的示意图。
[0025]图8是具有根据本发明的另一优选实施例的边界传感器组件的边界传感系统的示意图。
[0026]图9是表示根据图8的边界传感系统的拾波线圈信号的曲线图的示意图。
[0027]图10是根据本发明的另一个方面的具有根据图8的边界传感系统的机器人割草机的示意性框图。
[0028]图11是配备有根据图8的边界传感系统的机器人割草机的根据实验绘制的自动航路校正的视图。
[0029]图12是具有根据本发明的另一优选实施例的边界传感器组件的边界传感系统的示意图。
[0030]图13是根据本发明的又一个方面的用于配备有至少在两个水平方向上对边界导线的磁场敏感的边界传感器组件的割草机的车辆控制单元(VCU)的一部分的示意性框图。
[0031]图14是图13的VCU的细节的方框图，图示导航控制器。[0032]图15是图14的导航控制器的细节的方框图，涉及将测量的传感器信号转换成相对于边界导线和相对于要修剪的指定区域的距离和方向。
[0033]图16是在线边界坐标中偏航角范围的图示。
[0034]图17是图14的进一步细节的方框图，涉及基于两种传播模式中的所选择的一个产生目标值。
[0035]图18是根据导航规则的一个示例的割草图案的鸟瞰视图。
【具体实施方式】
[0036]在本发明的一个优选的实施例中，如图1所不，机器人割草机100由在充电站105周期性充电的电池组109供电。车辆控制单元101控制机器人割草机的全部电子功能。例如，车辆控制单元101可以指挥一个或多个牵引马达110和111以驱动牵引轮、刀片马达112以转动切割刀片或多个刀片、电池组109、用户界面模块107和各种传感器。
[0037]车辆控制单元(VCU) 101可以是作为用于机器人割草机100的主控板的印刷电路板组件。车辆控制单元101可以解释和处理来自各种传感器的信息，并使用该信息来控制和操作一对牵引马达110和111，以在庭院上驱动机械人割草机100来维护草坪，并且驱动刀片马达112。传感器本身包括一个或多个边界传感器组件119，并且还可以包括一个或多个障碍物传感器或加速度计。车辆控制单元101可以与电池组通信，以监测电池组109的状态，并且保持电池组109中的一个或多个电池(例如锂离子电池)的充电。车辆控制单元101也可以连接到用户界面模块107，所述用户界面模块107可以包括液晶显示器(LCD)以及一些指示器灯和用于操作员输入的按钮。车辆控制单元101可以包括微控制器和使用数据总线连接到微控制器的外部静态随机存取存储器(SRAM)。
[0038]车辆控制单元101可以连接和控制刀片马达控制器，刀片马达控制器控制驱动机器人割草机100的切割刀片的刀片马达112。车辆控制单元101可以具有用于接收来自霍尔效应转子位置传感器的输入，以使用来自霍尔效应传感器的反馈信号检测刀片马达112的速度，并且可以检测通过刀片马达112的相位的电流。
[0039]为了移动机器人割草机100，车辆控制单元101优选地连接到用于左和右牵引马达110和111的牵引马达控制器。车辆控制单元101可以具有用于接收来自包含在牵引马达110和111中的霍尔效应转子位置传感器的信号的输入，并且以这种方式，车辆控制单元101可以使用来自霍尔效应传感器的反馈检测每个牵引马达110和111的速度，并且可以检测通过牵引马达的相位的电流。
[0040]仍参考图1，机器人割草机100在指定区域102中操作，指定区域102由形成定位在地面或草皮表面处或低于地面或草皮表面的环的主或外边界导线103围绕而成。此外，内线104可以是设置在充电站105定位在其中的主边界导线的区域内的较短的环。主边界导线103和内线104可以被连接到充电站105。
[0041 ] 在一个实施例中，边界驱动电路106可以被包含在充电站105中，并且可以驱动信号通过主边界导线103和内线104。在主边界导线上的波形的基频优选为约2kHz，并且机器人割草机100具有至少一个边界导线传感器组件119，所述至少一个边界导线传感器组件119检测波形并且提供信号到车辆控制单元101，以指示传感器组件119到主边界导线103的距离。[0042]图1还示出了所选择的用于说明固定和非固定笛卡尔坐标系的命名法。在随后的附图的描述中，大写字母名称X，Y和Z表示根据固定边界导线103的随后将被机器人割草机100接近的部分的固定笛卡尔坐标系。Z指定垂直轴线，该垂直轴线由在中心具有X的圆圈表示，X表示进入图像平面指向的方位，因此，一般而言，沿图1的自上而下的图示中的重力方向。Y表示沿边界导线103的水平方向。如果直流电流流过边界导线103，则Y对应于电流I的方向。交流电流以正弦振荡变换其方向，并且从而周期性地改变其相对于Y坐标的方向。X指定垂直于边界导线103的水平轴线，并且如果Y坐标围绕指定区域102顺时针方向定向，大致从要被割草的指定区域102向外指向。相反地，如果Y坐标逆时针定向，根据用于正笛卡尔坐标系统的右手定则，水平轴线X指向指定区域102。
[0043]以类似方式，选择小写字母名称X，y和z用于相对于给定边界传感器组件119的坐标。当机械人割草机100在水平表面上以直角接近边界导线103时，坐标X，y和Z指向与坐标X，Y和Z相同的方向。坐标X指向机器人割草机100的向前运动的方向，并且限定机器人割草机100的纵向轴线。当机器人割草机100在斜坡上或相对于边界导线103以其中机器人割草机100的纵向轴线X不垂直于边界导线103的角度定位时，坐标X，y和z指向与坐标X，Y和Z不同的方向。从固定坐标X，Y和Z测量的任何角度由诸如O之类的大写希腊字母表示，并且从传感器组件坐标x，y和z测量的任何角度由诸如Ψ，和Θ之类的小写希腊字母表示。坐标x，y和z以及X，Y和Z已被选择用于图示各种实施例的物理的几何形状，并且不是为了以限制的方式进行解释。此外，如下几何因素图示载送直流电流I的边界导线，但是在考虑到电流的振荡相位时适用于载送交流电流的边界导线。
[0044]如图2所示，边界导线103载送大致沿从绘图的底部朝向绘图的顶部的方向的直流电流I。电流I产生大致围绕边界导线103在顺时针方向上转动的转动磁场H。边界传感器组件119包括至少一个拾波线圈120，所述拾波线圈120定向成对于磁场H的垂直分量扎特别敏感。边界传感器组件119包括多于一个的拾波线圈(下面将进一步讨论)，但为简单起见，在图2中只表示拾波线圈120。当边界传感器组件119从指定区域102内接近边界导线103时，拾波线圈120检测磁场H的垂直分量Hz的增加强度。磁场强度的幅值表示拾波线圈120到边界导线103的水平距离。
[0045]但是，磁场H的垂直分量Hz的幅值不仅依赖于到边界导线103的水平距离，而且还依赖于在拾波线圈120和边界导线103之间的垂直高度差。图3的垂直轴线表示由拾波线圈120拾取的磁场强度的垂直分量Ηζ，并且水平轴线表示拾波线圈120和边界导线103之间的水平距离。两个轴线都以相对的而不是绝对的单位显示。绝对测量值依赖于电流I的大小和拾波线圈120的灵敏度。
[0046]如图3所示，各种绘制图表示拾波线圈120和边界导线103之间的不同的垂直高度差ΛΖ。当拾波线圈120越过边界导线103时，在全部图形中共有的是磁场强度分量扎的符号变化。边界导线103处的磁场强度分量Hz的符号的变化因此提供了极好的过境信息。在所选择的坐标系中，磁场强度分量氏在指定区域102内为正，在在指定区域102外为负。磁场强度分量Hz的这种符号的反向可以用作表明传感器组件119已经越过边界导线103的数字输入。
[0047]仍参考图3，当拾波线圈120接近边界导线时，磁场强度分量Hz的绝对值的幅值稳步增加，直到磁场强度分量Hz迅速减小，以改变其符号。当拾波线圈120与边界导线103在相同的相对高度时，这是最明显的。但是，磁场强度分量Hz的绝对幅值随着在拾波线圈120与边界导线103之间的高度差ΛΖ增加而显著降低。在拾波线圈120的高度增加的情况下，垂直磁场强度分量Hz的幅值趋近于零，并且在穿越边界导线103时，不能可靠地表示该符号的变化，如在图中特别地图示，表示高度ΛΖ= 10。
[0048]图4更详细地说明了这种现象。边界传感器组件119在边界导线103上方升高ΔΖ，并且具有远离边界导线103的水平距离ΛΧ。如在图2中所示，在边界传感器组件119的位置中的磁场H不是完全垂直的，但具有水平分量Hx。因此，如果边界传感器组件距离边界导线103具有相同的水平距离Λ X，则垂直分量Hz较小，但是垂直距离ΛΖ等于零。在更大的高度差ΛΖ处，边界传感器组件119可以仅仅足够接近边界导线103，用于在非常近的水平距离ΛΧ处能够检测的磁场强度H，其中垂直分量Hz本身是几乎没有的或不能够被检测到。
[0049]根据图5中所示实施例，假设边界传感器组件119的坐标X与边界导线103的坐标X彼此平行，增加被定向为对于边界传感器组件119的X轴敏感的拾波线圈122可以在磁场H的水平分量Hx上提供补充信息。如图5示出，分量Hz达到最大值，其中分量Hz改变符号，即，其中边界传感器组件定位在等于零的水平距离ΛΧ处的边界导线103的正上方。
[0050]如图6和7所示，边界传感器组件119图示,具有垂直敏感拾波线圈120和水平敏感拾波线圈122两者。如图7所示，磁场H在与水平面形成角度O的方向上流动。磁场H垂直于连接边界导线103和边界传感器组件119的径向线130，径向线130表示从边界导线103到传感器组件119的总距离D。因此，角度Θ还表示径向线130和垂直轴Z之间的角度，如图7所示。因此，以下等式适用:
[0051]ΔΧ = ΛΖ.tan? (I)
[0052]因为由线性线产生的磁场强度H —般与距离D的倒数成比例，水平分量Hx和垂直分量Hz之间的关系允许近似计算角度Θ:
[0053]Θ = atan (Hz/Hx) (2)
[0054]因为根据割草机100的几何形状和边界导线103的安装知道边界导线103和边界传感器组件119之间的垂直距离ΛΖ，可以基于Θ和ΛΖ根据等式(I)确定边界传感器组件119到边界导线103的水平距离ΛΧ。
[0055]到当前为止，已经讨论边界传感器组件119的坐标X和边界导线103的坐标X彼此平行时发生的传感器信号。然而，草坪割草机100可以以倾斜或偏航角Ψ接近边界导线103。偏航角Ψ限定边界传感器组件119围绕垂直轴线z的水平转动。
[0056]在图8中显示的另一个实施例中，在边界传感器组件119中包括第二水平拾波线圈124。图8以俯视图示出边界导线103和两个相同的边界传感器组件119。仅仅磁场H的地上部分由不同重量的箭头表示。在图9的顶部处显示的边界传感器组件119以等于零的偏航角Ψ相对于边界导线103定向，在该偏航角Ψ处坐标z和Z相互平行。在图9的底部处显示的边界传感器组件119以不为零的偏航角Ψ相对于边界导线103定向。在边界传感器组件从顶部处的方位向底部处的方位转动时，对垂直分量Hz敏感的拾波线圈120检测到大致恒定信号，因为拾波线圈120不改变它相对于其敏感的轴线的方位。然而，其他两个拾音线圈122和124不与固定轴线X和Y成一条直线地移动。
[0057]图9示出由大致沿着边界传感器组件119的三个笛卡儿坐标x，y和z配置的拾波线圈拾取的信号强度的视图。各个图形表示偏航角Ψ (度)和沿边界传感器组件119的坐标x，y和z的各个磁场强度分量成、$和氏(任意单位)与时间的关系。在偏航运动期间，在传感器组件的坐标系中的垂直分量氏与边界导线坐标的垂直分量Hz—般是相同的，并且从而保持大致恒定。
[0058]但是，Hx和Hy在传感器组件坐标系中的X和y分量显示出彼此之间的正弦-余弦关系，因为它们相对于相应的边界导线坐标系的角度Ψ在偏航转动期间变化。在图9中，边界传感器组件119首先在约15秒和35秒之间的时间间隔内在一个方向上转动360°，并且然后在35秒至55秒的时间间隔内反向转动返回到原来的方向，如由偏航角Ψ的曲线图所表示。
[0059]通过在边界传感器组件119中安装两个水平的(优选垂直的)的拾波线圈122和124，可以根据勾股定理计算边界传感器组件离边界导线103的水平距离:
[0060]Δ X2 = Δ X2+ Δ y2 (3)
[0061]等式(3)假定指定区域102在边界导线103附近是大致水平的。为了考虑可能导致传感器组件坐标X和水平XY平面之间的非零倾斜角?或传感器组件坐标y和水平XY平面之间的非零横摇角Φ的斜坡，基于等式(I)和(2)考虑的几何计算可以补偿斜坡，其中已知边界导线103被埋没处的深度。
[0062]可选地，在边界导线103沿已知路径安装在已知深度处的情况下，通过机械人割草机100在指定区域102上测试运行，可以在已知条件下校准用于单个拾波线圈120、122和124的信号的调整因素。
[0063]现在参考图10，用于机器人割草机100的控制系统利用一个或多个边界传感器119，用于检测由边界导线103发射的磁场H的分量Hx、Hy和Hz的幅值。表示磁场H的箭头只是象征性的，并不表示实际的磁力线。所述多个边界传感器119中的一个将表示分量Hx、Hy和Hz的幅值的信号发送到V⑶101。
[0064]VCU 101可以根据分量Hx、Hy和Hz的测量到的幅值确定当前坐标。例如，在等式
(2)证实偏航角Ψ时，可以根据分量扎、$和扎的幅值的比率计算偏航角Ψ、横摇角Φ和倾斜角?。另外，分量Hx、Hy和Hz的绝对幅值允许V⑶101确定距离边界导线的水平距离ΛΧ。
[0065]一旦已经确定这些数参量，VCU随后可以应用控制算法，用于生成到牵引马达110和111的指令以使割草机100遵循所期望的运动。所期望的运动被至少部分地预编程在V⑶101中，但是还可以通过经由示于图1中的用户界面模块107进行的用户输入被改变。控制算法基于所计算出的坐标将所期望的运动转变成用于在割草机100的左侧的牵引马达110的角速度O1，和用于在割草机100的右侧的牵引马达111的角速度ωρ角速度O1和角速度可以为正、负或零，并且取决于所期望的运动，符号和幅值可能彼此不同。VCUlOl将引起左牵引马达110以角速度O1运转的信号发送到左侧牵引马达110，将引起右牵引马达111以角速度运转的信号发送到右侧牵引马达111。值得注意的是，由VCU发送到牵引马达110和111的信号也可以表示转矩或与造成所期望的运动的车轮转动相关的任何其他参量。
[0066]图11图示由具有边界传感器组件的机器人割草机进行自动航向校正的一个示例，该边界传感器组件包括三个拾波线圈，例如拾波线圈120、122和124，以及类似于图10的控制系统。V⑶101接收来自拾波线圈120、122和124的表示分量Hx、Hy和Hz的信号。机器人割草机具有将边界传感器组件保持在距离边界导线103恒定距离ΛΧ = 10米处的目标。基于来自拾波线圈120、122和124的信号，V⑶101计算确定相对于边界导线103的偏航角Ψ的校正转动数。偏航角Ψ表示坐标X和坐标X之间的角度，或坐标I和坐标Y之间的同样的角度。校正动作被转变成发送到左和右牵引马达110和111的控制信号。牵引马达110和111作为刹车调整系统操作，其中两个牵引马达110和111之间的相对速度差导致偏航运动。因此，VCU指示机器人剪草机不断调整偏航角Ψ。如为离边界导线103的水平距离Λ X绘制的图形所示，由VCUlOl基于来自边界传感器组件119的信号进行的校正计算足够精确，用于在离目标距离相当小的偏差内引导草坪割草机100。
[0067]从前面的描述中明白的是，使用沿不同方向布置的至少两个拾波线圈120和122从边界传感器组件119获得信号导致指定区域102的边界的计算得到显著改善。另外，评价磁场的模拟幅值，而不是记录磁场H的符号的纯粹的数字变化，允许计算边界传感器组件119和边界导线103之间的水平距离。因此，机器人割草机100的V⑶101可以被编程，从而在距离边界导线103的、在可检测磁场H的范围内，甚至在指定区域102外的任何距离ΔΧ处转弯。例如，具有边界导线103的路径的虚拟地图可以被存储在V⑶中，并且操作者可以选择局部地改变机器人割草机转弯的位置离边界导线的距离。此外，因为机器人割草机100由于模拟信号及早认识到它接近边界导线103，机器人割草机100可以以较高的平均速度操作，因为机器人割草机100不依赖于磁场H的符号的突然改变。基于牵引马达110和111的转动速度，如果机器人割草机100相对于边界导线103以比由牵引马达110和111表示的速度低的速度移动，则VCUlOl可以检测低牵引力条件。
[0068]虽然所描述的实施例包括具有对应于正交坐标系的坐标的敏感轴线的拾波线圈布置，但拾波线圈方向的其中任意两个敏感轴线彼此之间形成非零角度的任意组合是合适的。如果存在第三拾波线圈，如果第三拾波线圈被布置为沿着与其他两个轴线的方向所限定的平面相交的轴线是敏感的，则第三拾波线圈可以占用第三维。但是第三拾波线圈也可以沿着由前两个拾波线圈的方向限定的平面布置以建立冗余。
[0069]根据一个实施例，为了检测一个拾波线圈的任何故障，在如图12中示意性示出在边界传感器组件119可以包括额外的冗余拾波线圈126。三个拾波线圈120、122和124的敏感轴线可以沿着立方体或平行六面体(也称为菱形)的边缘x，y和ζ延伸。在共享前三个拾波线圈120、122和124中的每一个共享分量的方向xyz上安装用于冗余的额外的第四拾波线圈126。在前三个拾波线圈120、122和124表示独立矢量时，可以从前三个拾波线圈120、122和124的信号Hx、Hy和Hz计算第四拾波线圈126的信号Hxyz。当第四拾波线圈126的测量信号与计算出的信号一致时，VCUlOl可以假设全部拾音线圈正常运行。如果第四拾波线圈的信号Hxyz与所计算出的信号偏差超过预定的误差范围，则VCU可以证实边界传感器组件有缺陷，并且需要维修或更换。误差数值取决于所测量的信号的整体精度，并且可以通过经验测量预先确定，并且存储在V⑶101的存储器中。
[0070]图12示出相互垂直的前三个拾波线圈120、122和124的方向。这仅是方向的一个示例。形成边界传感器组件119的四个拾波线圈可以相对于彼此布置在任何方向处，其中在一个共同的平面中存在不超过两个敏感轴线。例如，全部四个敏感轴线的方向可以相对于彼此形成相同角度，如可以通过具有从四面体的中心指向四个角中的每一个的轴线的四面体的形状被直观化。
[0071]为了改善传感器信号的信噪比，在信号被送入V⑶101之前，有限增益可以应用于各个拾取器线圈120、122、124和126的信号。
[0072]现在参照图13，割草机V⑶101可以包括执行不同任务的逻辑模块。值得注意的是，所有逻辑模块表示逻辑步骤，不必然是物理布置。因此，逻辑模块可以彼此共享处理和存储资源，或者包括单独的处理和存储能力。由此可见，逻辑模块的一部分可以彼此共享部分资源，而一些资源可以仅仅被分配给一个逻辑模块。在图13的实施例中，显示四个逻辑模块，即传感器模块140、导航模块142、致动器模块144和定位模块146。例如，传感器模块可以具有用于处理从传感器组件接收到磁场信息的已分配的单独的处理器。 [0073]传感器模块140生成输出信息，输出信息表不测量的磁场矢量H',.，磁场矢量3meas至少包含由边界导线103产生的磁场H的水平Y分量和水平X分量上的信息，其中为简单起见，假设在此上下文中，在彼此垂直的割草机坐标中输出X分量和Y分量。磁场H可以使用如在前面附图所介绍的传感器组件119或者使用输出表示由边界导线103产生的磁场H的水平分量的幅值和方向的模拟信号的任何其他传感器组件测量。传感器模块140还产生估计的割草机速度矢量?est的输出，估计的割草机速度矢量Ast可以被表示为边界导线坐标中的估计的幅值Vest和估计的偏航角Ψ@。估计上文速度矢量U列如可以是基于自从估计的速度矢量Ast的最后一次计算以后执行的动作先前地建立的数据的推断。
[0074]在从传感器模块140到导航模块142的信息路径中的时钟符号148指示实时处理，其中传感器模块140基于一个控制周期产生信息，并且该信息被馈送到导航模块142用于后续控制周期，从而建立由于因传感反馈引起的闭环控制。
[0075]导航模块142接收由传感器模块产生的数据输出，并且基于割草机100的位置和方向计算目标路径。将结合后续的图14、15和17被更详细地说明导航模块。
[0076]导航系统产生表示目标速度矢量^d6s的输出信息，目标速度矢量Vdes可以表示为目标幅值Vdes和目标偏航角Ψ^。取决于期望的导航运动，导航模块还可以产生关于切割刀片组件的转动速度的输出信息。例如，切割刀片组件的转动速度可以降低，而割草机与直线相比以弧线传播。
[0077]目标速度矢量Vd6的信息期望被传递至致动器模块144。致动器模块144还接收估计的速度矢量Ast的信息。致动器模块比较目标速度矢量Aes与估计的速度矢量V，并且将差值转化成矢量差A^act，矢量差可以表不为幅值差和偏航角差Δ Wac;t。以幅值差Λ Vart和偏航角差Λ Wart表示结果的好处在于，差值是一样的，与坐标系无关。因此，在边界导线坐标系中计算的差值Λ Vart和Λ Wac;t可以在没有任何进一步转变的情况下用在基于割草机的坐标系。偏航角的差值Λ Ψ-直接转换成割草机100的左和右牵引马达110和111之间的转矩差值。直接将幅值差Λ Vac;t转换成两个牵引马达的转矩平均值的变化。因此，基于所计算出的差值，致动器模块144产生到左牵引马达110和右牵引马达111的转矩指令。另外，致动器模块144提供所计算出的差值Λ Vart和Λ Wart的信息到定位模块146和传感器模块140。
[0078]定位模块146处理差值Λ Vact和Λ Ψ3ε?以及先前存储的定位信息，并且计算割草机100的全球方位ψβ1(Λ和实际位置(x，Y)art。全球方位ψβ1Λ和实际位置(x，Y)art指定割草机相对于指定区域102而不是边界导线103或割草机100的位置和方向。因为边界导线103绘制了一环路，边界导线103的坐标系统的绝对坐标根据边界导线的该坐标所基于的部分变化。全球方位#^^和实际位置(X，Y) ac;t基于地球边界坐标，并且因此甚至在不能检测到磁场时，也能给出割草机位于哪里和在指定区域102内在哪个方向上的信息。定位模块例如可以在时间域内对速度矢量求积分以得到当前位置，和平均偏航角差值以得到当前方向。定位模块提供全球方位叫^⑶和实际位置(X，Y)ac;t信息到传感器模块140，用于进一步处理。
[0079]传感器模块140还从致动器模块144接收全球方位Ψβ1Λ和实际位置(X，Y) act信息。使用这种计算出的信息和来自物理传感器组件的测量的磁场H，传感器模块140如上所述计算估计的速度矢量Ist。
[0080]图14显示导航模块，其可以表示被指定为在图13中的块A的导航模块142。导航模块接收估计的速度矢量Ast的输入信息，估计的速度矢量T例如在边界导线坐标中由估计的幅值Vart和估计的偏航角ψ-表示。导航模块进一步接收测量到的磁场矢量:0?_的信息。速度矢量信息Cst被任选地处理，以计算估计位置(X，Y)est和全球偏航比率Ψβ1(Λ。代替地，类似的信息可以从以在先前周期中计算全球偏航比率Ψβ1(Λ和实际位置(X，Y)ac;t的定位模块为代表的定位模块146获得。
[0081]在方块B中，测量的磁场矢量H s的传感器信号被处理以计算割草机100和边界导线103之间的距离D，以及割草机100在边界导线坐标中的当前偏航角Ψ-。将结合图15更详细地说明方块B内的过程。
[0082]以下参量然后被提供给方块C，表示导航仲裁:估计的速度矢量Ist信息、估计位置(X，Y)est信息、割草机100和边界导线103之间的距离D信息、在边界导线坐标中的当前偏航角Ψ-信息、和在指定区域102的绝对坐标中的全球偏航角Ψβ1(Λ信息。在块C中的仲裁导航处理这些输入参量，并输出目标速度矢量的目标值，目标速度矢量Vtfa例如由边界导线坐标中的目标速度幅值Vdes和目标偏航角Wdes表示。正如上文所述，也可以提供涉及割草机刀片的目标转动速度的信息。将参照图17在下文中更详细地描述块C内的处理的进一步详情。
[0083]现在参照图15，表示由传感器组件测量的磁场矢量的信号Hmeas可以被调整用于进一步处理(如果需要的话)。为了改善信噪比和平滑处理，可以应用在本领域中是已知的公知过滤器和转换。所得到的磁场矢量的调整信息，或不存在任何过滤器下测量的传感器信号M ，然后被处理以获得在边界导线坐标系中的实际原始偏航角原始偏航角△ Wac；t-raw表示沿割草机当前正面向的方向的单位矢量的示例。该单位矢量通过分别地归一化磁场矢量Sw或瓦^并且将这个单位矢量变换成边界导线坐标获得的。
[0084]原始实际偏航角Δ Waet_Mw可以经过包绕模(wrapping modulo)360°以由在(-180° ) < Wact < 180°的范围内的值表示。在图16中示出适合基于边界导线的偏航角Ψ的坐标约定。在所选择的约定中，从指定的区域102向外朝向边界导线103的方向由具有负符号的偏航角Ψ表示。从边界导线103向内移动进入指定的区域102被指定具有正符号。因此，原始实际偏航角AWaet_raw可以被包绕(wrapped)以获得在此范围内的值。
[0085]现在参照图17，块C的导航仲裁接收估计的速度矢量U言息、割草机的估计的绝对位置(X，Y)est信息、割草机100和边界导线103之间的距离D信息、在边界导线坐标中de当前偏航角Ψ-信息/和在指定区域102的绝对坐标中的全球偏航角Ψβ1Λ信息。[0086]导航仲裁在步骤150中作出决定，以进入两个传播模式152和154(直线模式152或弧线模式154)中的一个。一般地，如果自动割草机100接近边界导线103，为了不离开指定区域102，自动割草机100优选地具有用于改变其路程的合适控制装置。边界导线103指示割草机100优选不离开的指定区域102的边界。因此，割草机100优选在割草机到达边界导线之前开始在离边界导线的指定转弯距离处转弯。在步骤150中，割草机开始转弯的这个距离被指示为距离d。距离d可以是，例如，由目标转弯半径加上刀片半径组成，使得割草机刀片在转弯时切线地达到边界导线103。代替地，边界导线103可以被布置在离指定区域的边界一距离处，该距离对应于指定转弯距离。然后，割草机可以在到达边界导线103时开始转弯。然而，在后的原则类似于在前的原则之处在于，割草机100到达指定区域102的边界之前开始转弯。 [0087]在图17所示的示例中，导航仲裁考虑两个条件:割草机100和边界导线103之间的当前距离D是否至多等于指定转弯距离d，以及割草机100是否接近边界导线。如果距离D大于指定转弯距离d，或割草机100正在远离或平行于边界导线(WaetSO)移动，导航仲裁选择直线模式152。相反地，如果距离D等于或小于指定转向距离d，选择弧线模式154。
[0088]在直线模式152中，割草机100保持在直线路径上。因此，在边界导线坐标中的当前实际偏航角Ψ-被设置为目标偏航角Ψ&。在割草机方向坐标中，目标偏航角Ψ&也保持与当前偏航角Ψμ相同。因为割草机100不需要采取任何转动，目标速度的幅值Vdes可以被设置到最大可持续割草机速度Vmax，最大可持续割草机速度Vmax在致动器模块144中被转换成由两个牵引马达110和111所产生的相等最大转矩。
[0089]在所述实施例中，基于割草机的偏航角Vaet是割草机100的方向偏离割草机的原始方向的角度偏差，例如在割草机从充电站105出发的时间处。因此,沿着割草机100随着时间的推移行进的整个路径，割草机偏航角Vart从全球偏航角Ψβ1Λ1偏移恒定角度。基于割草机的偏航角Vart偏离边界导线坐标中的偏航角Ψ-的偏移量取决于边界导线103的、传感器组件当前正检测其磁场的对应部分的方向。在没有边界导线103的磁场H能够由传感器组件检测的区域中不存在基于边界导线的坐标。
[0090]在满足用于进入弧线模式的上述条件时，导航仲裁退出直线模式152并且进入弧线模式154。在弧线模式下，边界导线坐标中的目标偏航角被设置为正值，即被设置到指向区域102的方位。
[0091]选择目标偏航角Ψ&的一个示例子包括使实际的偏航角的符号反向(Ψ&=-Ψ3ε?)。这个设置产生实际偏航角Ψ-在沿边界导线103延伸的垂直平面处的镜面反射。由此产生的割草图案示于图18中并且随机出现。它可以覆盖凸起的或凹的指定区域102，因为割草机将最终达到指定区域102内的每个位置。
[0092]选择目标偏航角Ψ&的另一种选择可能在于180°到实际偏航角Wac;t以及顺时针和逆时针之间交替转弯方向。这样的设置将产生系统地覆盖指定区域102的平行轨迹。对于后者设置，充电站105或指定点优选地定位在指定区域的角落中，其中初始方向平行于边界导线的一部分延伸。用于在平行轨迹中割草的指定区域102的形状优选为凸状。
[0093]由于割草机不得不进行弧线导航，目标速度Vdes可以被设置为低于在直线模式中的速度。目标速度Vdes可以是预设值或依赖于距离边界导线的距离D和其他因素，如从在边界导线坐标中的实际偏航角Ψ-和从基于割草机轮的平均转速Vwteels的当前速度幅值计算出的当前的速度矢量。在所描绘的实施例中，只有该速度的垂直于边界导线的目标X分量文des基于距离D变化、基于在边界导线坐标系中的实际偏航角Wart变化、基于实际速度\的相对于边界导线103的X分量的幅值变化。平行于边界导线的Y分量令&可以保持不变，产生如在图17中所示可变的整体速度Vdes。代替地，整体速度Vdes可以是恒定的，导致可变的Y分量。这些概念的许多变化在本发明的范围内，包括影响割草机100的转弯动作的以上考虑因素和额外变量的组合。
[0094]当在割草机100位于离边界导线103距离d处时启动弧线模式时，轮滑可以防止立即转弯。湿或高大的草是相当湿滑的，使得割草机100的惯性可能会在割草机100实际转弯之前保持在短的距离内将割草机100在其轨迹上。由于从边界导线获得的两维信息，这样的意外运动被检测到并且可以得到补偿。如果割草机100比期望更靠近边界导线，该速度的较小X分量可以被选择以允许割草机在指定区域102内完成转弯。代替地，通过在保持车轮之间的导致割草机转弯的转动速度差或转矩差的同时降低车轮的平均转动速度或转矩，可以减小该速度的大小以及因而弧的半径。
[0095]弧线模式保持在原位，直至割草机已经采纳目标偏航角Ψ&。如果割草机在指定转动距离d处进入边界导线103的不同部分的附近，则它重新计算相对于边界导线103的最近接近的部分的目标偏航角Ψ&。
[0096]图18用草坪割草机100的模拟的割草模式的俯视图示这个原理。任意开始位置156被选定用于割草机100。割草机100沿直线出发，直到到达在离边界导线103的距离d内的位置158。由于割草机100接近边界导线103并且在边界导线103的距离d内，割草机进入弧线模式154。根据结合图17描述的实施例，实际偏航率Wac;t的符号是相反的，用于设置目标偏航率Ψ^。因此，割草机100相对于边界导线103进行镜面反射，其中进入角(由Ψ-所定义)与离去角(由Ψ&定义)相同，仅具有相反的符号。一旦割草机已完成转弯，并且达到目标偏航角时，则割草机恢复到直线模式152。有时候，割草机可以在边界导线103的不同部分的 指定转弯距离d内移动时处于弧线模式中。这种情况显示在区域160中。当割草机从图形的顶部朝向位置160沿直线传播时，它进入离边界导线103的下水平部的距离d内。因此，目标偏航角被计算，以沿着由虚线表示的路径162引导割草机100。然而，在弧线完成之前，割草机100到达边界导线103的左侧部分的距离d内。因此，设置新的目标偏航角，该新的目标偏航角对应于割草机在它定位在离边界导线的左侧部分的距离d处的位置中的反向偏航角。因此，割草机在弧线模式中继续，并且描述部分圆形，直到割草机达到新的目标偏航角Ψ^。
[0097]此外，其中，由于车轮的滑移，割草机100已经移动比距离d更靠近边界导线，例如，在位置164中的割草机路径描绘平行于边界导线103的、具有比在距离d处的弧形(例如，在位置166中)大的宽度的弧形。对于弧形164，割草机速度的X分量已经被降低以使割草机在指定区域102内转弯。由于该速度的Y分量没有减小，弧形显得比在位置166中更宽和更浅。在一般情况下，割草机速度的X分量可以与距离D正相关。
[0098]根据各个优选实施例的前面的描述，明显地，在不脱离本发明的如在所附权利要求中限定的范围的情况下，可以进行各种修改。
【权利要求】
1.一种用于机器人割草机的车辆控制单元，所述车辆控制单元包括被配置为对至少第一传播模式和第二传播模式之间的选择进行仲裁的导航仲裁逻辑模块，所述第一传播模式是割草机的直线传播模式，第二传播模式是割草机的弧线传播模式，导航仲裁逻辑模块被配置为在接收到指示割草机接近指定区域的边界并且离该边界的距离等于或小于指定转弯距离的传感器信息时选择第二传播模式。
2.根据权利要求1所述的车辆控制单元，其中所述车辆控制单元被配置成接收表示割草机的相对于所述边界的测量到的偏航角的传感器信息。
3.根据权利要求2所述的车辆控制单元，其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示目标偏航角的输出信息，所述目标偏航角依赖于假定的实际偏航角，所述假定的实际偏航角是估计的偏航角和测量的偏航角中的一个。
4.根据权利要求3所述的车辆控制单元，其中在第一传播模式中，相对于所述边界的目标偏航角等于测量的偏航角。
5.根据权利要求3所述的车辆控制单元，其中在第二传播模式中，目标偏航角表示测量的偏航角在沿着所述边界延伸的垂直平面上的镜面反射。
6.根据权利要求3所述的车辆控制单元，还包括致动器模块，所述致动器模块被配置成将目标偏航角转变成目标偏航角和假定的实际偏航角之间的偏航角差值。
7.根据权利要求3所述的车辆控制单元，其中车辆控制单元被配置为接收表示割草机的相对于所述边界的测量距离的传感器信息，并且其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示在第二传播模式中的目标速度矢量的输出信息，所述目标速度矢量依赖于所述测量距离。
8.根据权利要求7所述的车辆控制单元，其中目标速度矢量的垂直于所述边界的速度分量与离所述边界的所述测量距离正相关。
9.根据权利要求7所述的车辆控制单元，其中目标速度矢量的幅值与离所述边界的所述测量距离正相关。
10.根据权利要求1所述的车辆控制单元，其中控制单元被配置为产生用于割草机推进系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的运动。
11.根据权利要求1所述的车辆控制单元，其中控制单元被配置为产生用于割草机刀片马达系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的转动刀片速度。
12.根据权利要求1所述的车辆控制单元，其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示目标速度矢量的输出信息，所述目标速度矢量在第一传播模式中具有比在第二传播模式中大的幅值。
13.根据权利要求1所述的车辆控制单元，还包括定位模块，定位模块被配置为计算割草机在指定区域内的绝对当前位置。
14.根据权利要求1所述的车辆控制单元，其中导航仲裁逻辑模块被配置为在到所述边界的距离大于指定转弯距离或割草机正在移动远离或平行于边界时，选择第一传播模式。
15.一种用于机器人割草机的导航系统，所述导航系统包括: 限定指定区域的边界的边界导线、边界传感器组件和车辆控制单元，所述车辆控制单元包括被配置为对至少第一传播模式和第二传播模式之间的选择进行仲裁的导航仲裁逻辑模块，所述第一传播模式是割草机的直线传播模式，第二传播模式是割草机的弧线传播模式，导航仲裁逻辑模块被配置为在传感器组件指示割草机接近所述指定区域的边界并且离所述边界的距离等于或小于指定转弯距离时选择第二传播模式。
16.根据权利要求15所述的导航系统，其中边界传感器组件产生表示割草机相对于所述边界导线的测量的偏航角的传感器信号。
17.根据权利要求16所述的导航系统，其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示目标偏航角的输出信息，所述目标偏航角依赖于假定的实际偏航角，所述假定的实际偏航角是估计的偏航角和测量的偏航角中的一个。
18.根据权利要求16所述的导航系统，其中在第一传播模式中，相对于所述边界导线的目标偏航角等于测量的偏航角。
19.根据权利要求16所述的导航系统，其中在第二传播模式中，目标偏航角表示在沿着所述边界导线延伸的垂直平面上的测量的偏航角的镜面反射。
20.根据权利要求17所述的导航系统，还包括致动器模块，所述致动器模块被配置成将目标偏航角转变成目标偏航角和假定的实际偏航角之间的偏航角差值。
21.根据权利要求15所述的导航系统，其中边界传感器组件产生表示割草机的相对于所述边界导线的测量距离的传感器信息，并且其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示在第二传播模式中的目标速度矢量的输出信息，所述目标速度矢量依赖于所述测量距离。
22.根据权利要求21所述的导航系统，其中目标速度矢量的垂直于所述边界导线的速度分量与离所述边界导线的所述测量距离正相关。
23.根据权利要求21所述的导航系统，其中目标速度矢量的幅值与离所述边界导线的所述测量距离正相关。
24.根据权利要求17所述的导航系统，其中控制单元被配置为产生用于割草机推进系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的运动。
25.根据权利要求15所述的导航系统，其中控制单元被配置为产生用于割草机刀片马达系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的转动刀片速度。
26.根据权利要求15所述的导航系统，其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示目标速度矢量的输出信息，所述目标速度矢量在第一传播模式中具有比在第二传播模式中大的幅值。
27.根据权利要求15所述的导航系统，还包括定位模块，定位模块被配置为计算割草机在指定区域内的绝对当前位置。
28.根据权利要求15所述的导航系统，其中导航仲裁逻辑模块被配置为在到所述边界的距离大于指定转弯距离或割草机正在移动远离或平行于所述边界导线时，选择第一传播模式。
29.一种导航机器人割草机的方法，所述方法包括以下步骤: 接收表示离指定区域的边界的测量距离和相对于所述边界的测量偏航角的传感器信息； 对至少第一传播模式和第二传播模式之间的选择进行仲裁，所述第一传播模式是割草机的直线传播模式，第二传播模式是割草机的弧线传播模式；其中在接收到指示割草机接近所述指定区域的所述边界并且离所述边界的距离等于或小于指定转弯距离的传感器信息时，选择第二传播模式。
30.根据权利要求29所述的方法，其中导航仲裁逻辑模块被配置为产生表示目标偏航角的输出信息，所述目标偏航角依赖于假定的实际偏航角，所述假定的实际偏航角是估计的偏航角和测量的偏航角中的一个。
31.根据权利要求30所述的方法，其中在第一传播模式中，相对于所述边界的目标偏航角等于测量的偏航角。
32.根据权利要求30所述的方法，其中在第二传播模式中，目标偏航角表示在沿着所述边界延伸的垂直平面上的测量的偏航角的镜面反射。
33.根据权利要求30所述的方法，还包括将目标偏航角转变成目标偏航角和假定的实际偏航角之间的偏航角差值的步骤。
34.根据权利要求29所述的方法，还包括产生表示第二传播模式中的目标速度矢量的输出信息的步骤，所述目标速度矢量依赖于所述测量距离。
35.根据权利要求34所述的方法，其中目标速度矢量的垂直于所述边界的速度分量与离所述边界的测量距离正相关。
36.根据权利要求34所述的方法，其中目标速度矢量的幅值与离所述边界的测量距离正相关。
37.根据权利要求29所述的方法，还包括产生用于割草机推进系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的运动的步骤。
38.根据权利要求29所述的方法，还包括产生用于割草机刀片电机系统的输入量，以基于第一传播模式或第二传播模式的选择引起期望的转动刀片速度的步骤。
39.根据权利要求29所述的方法，还包括产生表示目标速度矢量的输出信息的步骤，所述目标速度矢量在第一传播模式中具有比在第二传播模式中大的幅值。
40.根据权利要求29所述的方法，还包括计算割草机在所述指定区域内的绝对当前位置的步骤。
41.根据权利要求29所述的方法，其中在到所述边界的距离大于指定转弯距离或割草机正在移动远离或平行于所述边界时，选择第一传播模式。
【文档编号】G05D1/02GK103543746SQ201310283742
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2013年7月8日 优先权日:2012年7月9日
【发明者】大卫·A·约翰逊, 达斯·E·科林 申请人:迪尔公司
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