基于视觉和多传感器融合的智能割草机器人控制系统技术领域
本发明涉及智能割草机器人控制领域，更具体地说是一种基于视觉和多传感器融合的智能割草机器人控制系统。
背景技术
草坪作为绿化、商业、体育和居民生活中必不可少的一部分，其维护美化越来越受重视。国外对草坪的种植维护十分重视，甚至将其纳入法律范畴，而未来国内的草坪产业的需求和发展也必将高速发展，由此带来的替代传统人工维护方式的智能维护设备也将会得到大力的投入研究。
目前最常见的用于草坪维护美化的智能维护设备为智能割草机器人，现有的智能割草机器人大多采用传感器、智能控制和模式识别等技术，集成感知、识别、决策和控制等功能，智能割草机器人能够自主完成设定的工作任务，同时完成自身的充电维护等。基于成本和行业的限制，割草机器人的技术研究一直处于缓慢的发展中，割草机器人本体采用微控制器来接受传感器感知的外界环境情况，进而控制牵引式或一体式的割草机械结构完成割草任务，草坪区域的边界线采用电子篱笆或信标实现。在工作过程中，割草机器人大部分时间保持直线运动，介于草坪凹凸不平，容易偏航。这就导致割草机器人按规定的路线遍历后经常出现偏航情况，遗留较多的未处理的区域，而重复工作将会消耗大量的时间和电能，也不能取得很好的效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足，提供一种提高智能割草机器人割草效率的基于视觉和多传感器融合的智能割草机器人控制系统。
为解决现有技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于视觉和多传感器融合的智能割草机器人控制系统，包括主控制器、电机驱动模块、边界信号收发装置和传感器组模块，所述电机驱动模块包括车轮驱动模块和割草刀片驱动模块，所述控制系统还包括视觉识别模块，所述传感器组模块包括光电码盘传感器和电子罗盘传感器，所述视觉识别模块、光电码盘传感器和电子罗盘传感器均与主控制器连接。本发明由于设置有视觉识别模块、光电码盘传感器和电子罗盘传感器，可以有效地检测出草坪中未割草区域，使割草机器人保持正常线路割草，从而避免了草坪中出现较多的未割草区域，大大提高了智能割草机器人的割草效率。
所述主控制器为ArduinoDue控制器，ArduinoDue控制器是基于32位ARM核心的Arduino控制器，集成有54个数字IO口，12个模拟输入口，4路UART硬件串口,84MHz的时钟频率,一个USBOTG接口,两路ADC，两路TWI，一个电源插座，一个SPI接口，一个JTAG接口，一个复位按键和一个擦写按键。控制器上已经包含控制运行所需的各种部件，仅需要通过USB连接到电脑，或者通过AC-DC适配器、电池连接到电源插座就可以让控制器开始运行。ArduinoDue控制器兼容工作在3.3V且引脚排列符合1.0Arduino标准的Arduino扩展板，具有很好的实用性。
所述视觉识别模块包括用于采集草坪图像的摄像头，至少设置两个所述摄像头安装于割草机器人两侧，并且摄像头以向下斜角度安装，以实现整个采集图像中的物体都位于地面。由于草坪割草前和割草后区域有明显的颜色变化，通过两摄像头采集到的图像识别后的结果即可判定出已处理区域是否有遗漏，另外如果所采集到的图像中无明显边缘，此时可根据割草机工作前采集到的草坪的颜色的灰度对比判定是否是未割草的区域。鉴于割草机器人的移动速度较慢以及主控制器的处理能力有限，摄像头图像的采集以相对较低的频率进行，从而达到更好的检测识别效果。
所述光电码盘传感器包括光电检测装置和码盘，光电检测装置、码盘和车轮驱动模块依次连接。当车轮驱动模块中的电动机旋转时，码盘与电动机同速旋转，由发光二极管等电子元件组成的光电检测装置检测出码盘的转速，也即当前电动机的转速，进一步获取割草机器人的速度和短期内的移动距离。在工作过程中，光电码盘传感器检测割草机器人左右轮的转速，以确保左右轮的转数相同，这样割草机器人就能更精确的以直线的方式行走，以免偏离规划的路径。当视觉识别模块检测到未割草遗漏区不在割草机器人行进的线路或前方有障碍物时，主控制器控制光电码盘传感器，进一步控制车轮驱动模块，使得车轮发生转向，割草机器人进入未割草遗漏区工作或者绕开障碍物。
所述电子罗盘传感器是平面电子罗盘传感器或三维电子罗盘传感器，电子罗盘传感器指针水平正对小车的纵向轴。由于草坪的凹凸不平，割草机器人在移动过程中会发生一定的颠簸，导致割草机器人的航向发生偏移，无法直线前行。本发明采用电子罗盘传感器用于校准割草机器人移动路径的方向，一旦航向发生偏移，电子罗盘传感器将该信息传输到主控制器，通过计算得到偏移量，主控制器控制光电码盘传感器，使得割草机器人发生一定转向，补偿航向偏移，这样割草机器人又恢复以前正常的航向。
所述传感器组模块还包括用于检测草坪的检测传感器，所述检测传感器与割草刀片驱动模块连接。所述检测传感器核心部件为电容传感器，该电容传感器能够检测出草坪和非草坪区域之间的电容差异。这样，当割草机器人不是处于草坪之上，检测传感器将控制信息传递到割草刀片驱动模块，控制割草刀片停止工作，避免了割草刀片碰到石块或其它坚硬物所造成损坏。此外，所述传感器组模块还包括超声波传感器，用于检测割草机器人前方是否有障碍物。当有障碍物时，超声波传感器将信息传递到主控制器，由主控制器控制割草机器人转向行驶。
所述边界信号收发装置包括设置于边界的信号发射装置和设置于割草机器人的信号接收装置。边界的信号发射装置发射电信号，割草机器人的信号接收装置接收该信号。当信号接收装置接收到的信号经判断为到达边界信号时，主控制器控制割草机器人转向，避免割草机器人运动出边界。
进一步的，所述信号发射装置包括相互连接的信号发生器和电导线，所述电导线环绕草坪边界安装。在工作过程中，割草机器人上的主控制器控制信号发射装置的信号发生器，使得信号发生器在电导线上产生一定强度的电流。根据电磁感应原理，在电导线的周围产生一定强度的磁场，磁场强度随着离电导线的距离越远，强度越弱，割草机器人上的信号接收装置根据该磁场信号，从而确定割草机器人是否离开边界。
进一步的，所述信号接收装置包括依次连接的线圈单元、电容器和放大器。所述信号接收装置安装有一个或多个线圈单元，当线圈单元越靠近边界线，磁场信号的强度越大，而且线圈单元跨越边界线时，线圈单元上电流信号的方向发生变化。利用信号接收装置跨越边界时电流信号方向的反转，可以实现高效、准确的边界检测。
所述控制系统还包括用于将割草机器人工作记录、报警信息等数据传输到后台计算机终端的数据传输装置。通过数据传输装置将割草机器人工作过程中的工作记录、报警信息等数据传输到后台计算机终端做进一步分析，这将有利于对割草机器人工作状态的了解。
与现有技术相比，本发明由于设置有视觉识别模块、光电码盘传感器和电子罗盘传感器，可以有效地检测出草坪中未割草区域，使割草机器人保持正常线路割草，从而避免了草坪中出现较多的未割草区域，大大提高了割草机器人的割草效率，同时成本较低，使得割草机器人能够长时间稳定可靠地工作于各类未知环境中。
附图说明
附图1是本发明实施例的割草机器人仰视图。
附图2是本发明实施例的工作流程图。
附图3是本发明实施例的边界信号收发装置示意图。
附图4是本发明实施例的割草机器人工作示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的解释说明。附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
如图1所示的一种基于视觉和多传感器融合的智能割草机器人控制系统，包括主控制器、电机驱动模块、边界信号收发装置和传感器组模块。所述电机驱动模块包括车轮驱动模块11和割草刀片驱动模块12，所述控制系统还包括视觉识别模块，所述传感器组模块包括光电码盘传感器、电子罗盘传感器和检测传感器，电子罗盘传感器与车轮驱动模块11连接，检测传感器与割草刀片驱动模块12连接，此外还设有用于检测障碍物的超声波传感器30。所述视觉识别模块、光电码盘传感器和电子罗盘传感器均与主控制器连接。所述视觉识别模块包括用于采集草坪图像的摄像头一21和摄像头二22。所述电池40为割草机器人的电源。
如图2所示，割草机器人在开始工作过程中，分为图像识别进程、主控制进程和时间监听进程三部分。图像识别进程是指视觉识别模块采集图片并进行分析的过程，主要包括采集图像、图像预处理、边缘检测与灰度判定、获取匹配结果并更新检测结果储存和延时五个步骤，通过这一进程，从而检测出草坪中的割草区和未割草区；主控制进程是指主控制器的控制过程，主要包括获取所有事件状态及控制参数、判定当前状态并根据优先级处理事件、更新状态储存及参数输出、控制直行倒退或转弯四个步骤，从而实现主控制器对割草机器人工作的有效控制；时间监听进程包括边界信号收发装置、电子罗盘传感器、光电码盘传感器、超声波传感器和数据传输装置的工作进程。其中边界信号收发装置的工作为边界信号接收子进程、接收信号、信号放大、滤波及匹配和更新事件状态四步骤，电子罗盘传感器的工作为航向检测子进程、获取当前航向、对比分析和更新航向事件参数四步骤，光电码盘传感器的工作为光电码盘检测子进程、获取车轮转速、获取当前行车状态、计算校正参数和更新校准参数五步骤，超声波传感器的工作为障碍物检测子进程、超声波传感器接收信号、分析信号的强度和角度及更新障碍物状态四个步骤，数据传输装置的工作为无线模块子进程、读取端口数据和处理请求并输出数据三个步骤。通过时间监听进程，可以使得割草机器人能够有效正常工作。
如图3所示，边界信号收发装置包括设置于边界的信号发射装置和设置于割草机器人的信号接收装置，信号发射装置包括相互连接的信号发生器和电导线，电导线环绕草坪边界安装，信号接收装置包括线圈单元。信号发生器在电导线上产生一定强度的电流。根据电磁感应原理，在电导线的周围产生一定强度的磁场，磁场强度随着离电导线的距离越远，强度越弱。当线圈越靠近边界线，磁场信号的强度越大，而且线圈跨越边界线时，线圈上电流信号的方向发生变化。利用信号接收装置跨越边界时线圈上电流信号方向的反转，可以实现高效、准确的边界检测。
如图4所示，割草机器人所工作的草坪上有障碍物、未进行割草的遗漏区和边界线。割草机器人在工作过程中，通过超声波传感器来检测障碍物，通过视觉识别模块来找出草坪上的遗漏区，并利用光电码盘传感器及主控制器使割草机器人到达遗漏区进行工作。同时，割草机器人通过边界信号收发装置来保证其在工作过程中不会越出边界。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。