引導智能園林工具的方法和系統(tǒng)

引導智能園林工具的方法和系統(tǒng)

（美國專利號：US 20130184924 A1 歐洲專利號：EP2622425A1）

智能園林工具至少裝有兩個傳感器件，當它沿著草地上的引導線行進時，傳感器件會探測到由帶電引導線產(chǎn)生的磁場強度。采用這樣的方法和系統(tǒng)，能控制智能園林工具基于至少由兩個傳感器件探測得到的磁場強度差，沿著引導線行進。

該發(fā)明涉及智能園林工具，尤其是關于引導如智能割草機在內(nèi)的智能園林工具的系統(tǒng)和方法。

◆背景

智能園林工具（簡稱工具），例如智能割草機（以下簡稱割草機）等，已經(jīng)被廣泛地應用于草地維護等工作場合。典型的割草機是一個使用電池作為電源的自動智能工具。考慮到工作負載的變化和持續(xù)工作的要求，需要周期性地充電。同時，割草機工作時往往處于無人照看的情景，在操作過程中，如果電池能量低于預設的能量水平時，需要自己找到通往充電站的路徑。

當前，有很多技術用于引導割草機正確返回至充電站。首先，安裝在充電站上的天線可以用于導航，使割草機返回充電站。但是，天線僅能覆蓋充電站附近的有限區(qū)域，可能出現(xiàn)割草機在接近充電站前的這個階段處于失聯(lián)狀態(tài)。其次，割草機還可以通過引導線返回充電站。引導線可以是邊界界定線或草地上的穿通線。割草機裝有一個或多個傳感器以探測引導線的磁場強度。由于存在割草機每次返回路徑相同的情況，這會在草地上產(chǎn)生并不理想的永久的可視軌跡或痕跡。

為了克服這個缺點，割草機被設計成沿著遠處的引導線行進。在每次引導返回充電站時，可以隨機選擇割草機與引導線之間的距離。由于割草機返回充電站時依據(jù)固定的磁場強度，如果每次選擇不同的磁場強度值，割草機去充電站時的路徑就會不同。這個方法可以有效解決草坪上存在可視痕跡的問題。然而，這個方法不適用于草坪上的狹窄通道。因為在狹窄的通道上，如果智能割草機隨機選擇的磁場強度很小，就很難進行引導。

磁場強度還取決于很多動態(tài)變化的因素。這些因素包括引導線的電流、外界磁場的干擾、園林工具內(nèi)部電子元器件的溫度變化和電子器件在探測引導線磁場強度時存在的偏差。

◆概述

通過分析，需要提供一個改進的系統(tǒng)，為工具實行有效引導，解決或部分解決以上問題。

1) 工具引導系統(tǒng)完成了部分目標。引導系統(tǒng)至少包括一根適合傳導電流的引導線，以便在引導線附近可以產(chǎn)生一個電磁場。工具可以在一定距離外跟隨引導線行進。另外，工具裝有第一傳感器件和第二傳感器件，兩者相對于引導線能對不同的距離分別定位。第一和第二傳感器件還負責探測磁場強度，工具的驅(qū)動基于第一和第二傳感器件探測到的磁場強度的差值。使用探測到的磁場強度的相對差值可以確保工具在每個操作周期形成不同的路徑，從而降低了草坪上存在可視標記的嚴重性。另外，相對差值的使用還降低了工具在草坪上出現(xiàn)故障的可能，甚至可以穿過狹窄通道。

2) 至少第一和第二傳感器件之一可以探測磁場垂直分量的強度。磁場中的垂直分量是磁場在垂直方向的延伸部分。磁場垂直分量可以由傳感器件之一通過垂直環(huán)形傳感器、線圈或霍爾傳感器等類似件完成。

3) 第一和第二傳感器件沿著工具的長軸線方向安放，且相互之間應有一定距離，兩者均面向工具的前方。此外，要求沿著工具的長軸線放置的傳感器件之間的距離范圍為4 cm～30 cm，在5 cm～20 cm的范圍內(nèi)較好，在10 cm～15 cm的范圍內(nèi)最好。

4) 第一和第二傳感器件在垂直于工具長軸線方向的距離可以是5 cm～35 cm，在10 cm～30 cm的范圍內(nèi)較好，在15 cm～25 cm的范圍更好，最好是20 cm左右。這樣的話，引導線和第一傳感器件的距離不同于引導線和第二傳感器件的距離。通過這兩個傳感器件就會得到不同的信號強度。

5) 工具還可能包含第三個傳感器件。三個傳感器件在工具上的放置位置呈三角形，第二和第三傳感器件沿垂直于工具長軸線的直線放置。第一傳感器件沿工具長軸線的前方放置，這可以使工具沿著引導線順時針或逆時針方向運動。工具的驅(qū)動是基于第一個傳感器件測得的磁場強度和距離引導線較近的第二或第三傳感器件測得的磁場強度的差值。工具的驅(qū)動也會基于第一個傳感器件測得的磁場強度和距離引導線較遠的第二或第三傳感器件測得的磁場強度的差值。

6) 第一傳感器件與第二和第三傳感器件形成的直線之間的距離可以是4 cm～30 cm，在5 cm～20 cm的范圍內(nèi)較好，在10 cm～15 cm的范圍最好。

7) 工具的長軸線與第一傳感器件和第二和第三傳感器件之一形成的直線之間的夾角可以是40°～80°，在50°～70°的范圍內(nèi)較好，在55°～60°的范圍最好。

8) 引導線可以是草坪的邊界界定線。引導線能傳導非恒定的電流。

◆圖示說明和實例描述

圖1　安裝了兩個傳感器件的智能園林工具

圖2　安裝了三個傳感器件的智能園林工具

圖3　智能園林工具引導系統(tǒng)框圖

圖4　含有各種通道的草坪的布置圖

圖5　引導智能園林工具方法的流程圖

借助圖示，可以詳細描述該發(fā)明。

該發(fā)明可以體現(xiàn)在很多種形式中，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設計不必拘泥于所列形式。列出這些體現(xiàn)形式是為了將這個發(fā)明揭示得透徹和完整，可以全面地將發(fā)明所涉及的范圍傳遞給相關工作人員。

圖1顯示安裝了兩個傳感器件的工具100。工具是一臺割草機，包括驅(qū)動輪102和腳輪104。工具裝有切割系統(tǒng)106，其作用是在草坪上進行一個或多個操作。通常，草坪上安裝有用于工具引導線的界定線。引導線散落在草坪的邊界，通常被稱作邊界界定線。當電流通過引導線，會在引導線附近產(chǎn)生一個電磁場。引導線應能傳導非恒定的電流。工具包含沿著園林工具長軸線X安裝的第一傳感器件108，沿著直線Y安裝的第二傳感器件110，直線Y與長軸線X正交。傳感器件108和110可能形成垂直環(huán)狀傳感器。第一傳感器件較第二傳感器件的位置更靠近工具的前端。第一傳感器件和沿著直線Y方向的第二傳感器件的距離是D1。距離D1可能在15 cm～25 cm之間。有的設計中距離D1可能在10 cm～30 cm之間。通過第一傳感器件和第二傳感器件的直線與長軸線X構(gòu)成角度α。在不同的設計中，α值的范圍可能在40°～80°之間。第一傳感器件108與直線Y的正交距離是L，直線Y與工具正常行進方向垂直，且第二傳感器件是沿著直線Y放置的。在不同的設計中，正交距離L可能在4 cm～30 cm范圍之間。由于第一和第二傳感器件安放在工具上的不同位置，當工具沿著引導線運行時，器件與引導線之間的距離是不同的。傳感器件108和110是用來探測引導線產(chǎn)生的磁場強度的。但在有的設計中，傳感器件108和110可以是用來探測引導線產(chǎn)生的磁場垂直分量的強度。

通常情況下，希望工具能夠跟隨遠處的引導線行進。由于每個操作周期下跟隨工作的引導線的距離是不同的，這就可以確保每次都有不同的行進路徑，避免在草坪上留下可視痕跡。為了確保每個周期有不同的行進路徑，工具會裝有過程處理單元，負責提供給驅(qū)動控制器一個或多個指示。該指示是基于第一和第二傳感器件探測到的磁場強度的差值。根據(jù)過程處理單元提供的一個或多個指示，驅(qū)動控制器驅(qū)動工具沿著引導線行進，以這樣一種方式維持傳感器件測得的磁場強度是一個恒定的比率。

圖2顯示的是該發(fā)明按照另一種方式實現(xiàn)的智能園林工具。除了有第一和第二傳感器件，還包含了位于直線Y上的第三傳感器件202。如果工具是被設計成前后兩個方向行進的，那么三個傳感器件的安置可以是位于工具前后兩個部分。三個傳感器件可以使得工具跟隨引導線順時針或逆時針動作。沿著直線Y放置的第二和第三傳感器件之間的距離是D2，距離D2的范圍是距離D1的2倍。第二和第三傳感器件放置在工具的后方。第一傳感器件與直線Y的距離L較長，且第一和第二傳感器件所在的直線與長軸線X的夾角α更小。為了驅(qū)動工具，需要比較第一傳感器件和第二或第三傳感器件之一探測得到的磁場強度。過程處理單元負責提供給驅(qū)動控制器一個或多個指示，該指示是基于第一和第二或第三傳感器件探測到的磁場強度的差值。過程處理單元將選取探測到較高的磁場強度值（即與引導線靠得更近）的傳感器件對工具進行引導。而在另一種設計中，過程處理單元將選取探測到的較低磁場強度值（即與引導線離得更遠）的傳感器件對工具進行引導。

圖3顯示了工具引導系統(tǒng)300的組成圖。系統(tǒng)300包含傳感單元302，而傳感單元又包含一組傳感器件（108、110和202）。傳感單元負責探測引導線402產(chǎn)生的磁場強度，如圖4所示，勾畫了一個有410、420和430不同區(qū)域的草坪400。引導系統(tǒng)還包含一個儲存單元304。儲存單元是用來存儲由傳感器件302獲得的磁場強度的。此外，引導系統(tǒng)還包含過程處理單元306，它用來給工具的驅(qū)動控制器308提供操作指示。過程處理單元306提供驅(qū)動控制器308的指示是基于從存儲單元304或直接從傳感器件302獲取的磁場強度。過程處理單元提供驅(qū)動控制器308的指示是基于傳感器件108、110和202探測得到磁場強度的相對差值。其中一種實現(xiàn)方式是相對差值基于第一和第二傳感器件探測到磁場強度的差值。另一種實現(xiàn)方式是相對差值基于第一和第二或第三傳感器件之一探測到磁場強度的差值，選取探測到較高的磁場強度值（即與引導線靠得更近）的傳感器件對工具進行引導。當然，還有一種實現(xiàn)方式是相對差值基于第一和第二或第三傳感器件之一探測到磁場強度的差值，選取探測到較低的磁場強度值（即與引導線離得更遠）的傳感器件對工具進行引導。

過程處理單元306會產(chǎn)生一個用于發(fā)現(xiàn)磁場強度相對差值的參考值Δref。參考值Δref是在工具的任意操作周期中隨機產(chǎn)生的。隨機選擇參考值Δref的目的是確保在每一個操作周期工具跟隨引導線的距離是不同的。這樣可以避免草坪上形成可視痕跡。例如，如果參考值Δref設在10%，那么控制器會以傳感器件108、110和202探測得到的磁場強度的相對差值的10%來驅(qū)動工具。如果是這樣的話，從鄰近引導線測得磁場強度的相對值也會變化，而且與磁場強度的絕對值無關。在有的設計中，引導系統(tǒng)取決于多個磁場強度的相對值，而對于決定磁場強度絕對值的一個或多個因素不敏感。這些不敏感因素包括但不限于流經(jīng)引導線電流、通道上不同引導線之間的距離、土壤中引導線的深度、周邊區(qū)域磁場干擾、傳感器件的精確度以及工具上電氣元器件的變化等等。

此外，相對值的使用還使得工具可以順利通過草坪上的狹窄通道。例如，如果工具處于區(qū)域1的410，過程處理單元要求驅(qū)動控制器讓工具前往充電站，而充電站位于區(qū)域2的420，這時工具需要通過一個狹窄的通道430。如圖4所示，如果僅考慮磁場強度的絕對值，那么工具就不能越過狹窄通道到達目的地。但是如果使用了磁場強度的相對值，工具就可以沿著引導線402穿過狹窄通道430到達充電站404。正常情況下，相比遠離引導線，在接近引導線時的磁場強度值會急劇下降。即使設置的相對值很小，工具也會設法遠離引導線，因為驅(qū)動控制器會基于相對差值找到行進路線，當接近通道的另一頭時，磁場強度的方向會發(fā)生改變，磁場強度值也會逐漸增加。因此，當工具接近狹窄通道上的引導線時，由任何一個傳感器件測得的磁場強度之間的相對差值不僅可能為0，還可能是負值。

圖5是依據(jù)一種設計對智能園林工具進行引導的流程圖，該圖總結(jié)了本專利的主要思想。在步驟502，工具沿著引導線402行進。在一種實例中，引導線402是邊界界定線。在該發(fā)明的不同實現(xiàn)方式中，引導線402通電產(chǎn)生電流從而在引導線附近產(chǎn)生磁場強度。在步驟504，傳感器件108和110測得引導線402的磁場強度。在一種設計中，傳感器108和110可能是垂直環(huán)形傳感器。當然，傳感器件108和110還可以沿著長軸線X布置，之間的距離是L。當工具沿著引導線行進的時候，工具上的傳感器件108和110距離引導線的距離不同。在有些設計中，傳感器件108和110則是負責感知引導線產(chǎn)生的磁場垂直分量的強度。

（編譯 金軼）

Method and system for guiding a robotic garden tool