一種精密自動割草機分布式信標(biāo)激光定位與軌跡控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及自動導(dǎo)引小車的定位與軌跡運動控制技術(shù)，特別涉及自動精密割草機 分布式信標(biāo)激光掃描定位導(dǎo)航、車體轉(zhuǎn)角位移姿態(tài)尋位，位置坐標(biāo)和角位移補償智能軌跡 控制、超聲波距離測量與防撞控制技術(shù)。適合于高檔草坪精密割草和對草坪美化要求較高 的場合。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)自動導(dǎo)引小車的導(dǎo)航定位系統(tǒng)大多采用以鋪設(shè)電磁導(dǎo)線或色帶為導(dǎo)航標(biāo)志 的定位導(dǎo)向方法，這種制導(dǎo)方式固定，編程簡單，自動導(dǎo)引小車只能沿著預(yù)設(shè)導(dǎo)線或色帶的 軌跡運動，缺少軌跡運動控制的靈活性。
[0003] 綠色草坪是由無數(shù)生機勃勃的小草組成的"生物地毯"，精密割草的目的是在不傷 害草坪草皮和根部組織的前提下，實現(xiàn)對草坪精整和美化，因此挖地鋪設(shè)電磁導(dǎo)線或者在 草坪上粘貼引導(dǎo)標(biāo)識不適合精密自動割草機的定位和導(dǎo)向。本發(fā)明提供了一種適于精密自 動割草機的分布式信標(biāo)激光定位與軌跡控制系統(tǒng)，可以滿足精密自動割草機的自動導(dǎo)航和 運動軌跡控制的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 1、發(fā)明目標(biāo)
[0005] (1)本發(fā)明在總線結(jié)構(gòu)上，采用由現(xiàn)場總線和無線通信所組成的分布式總線結(jié)構(gòu)， 各模塊相互獨立，在承擔(dān)獨立的工作任務(wù)的前提下，共享通信接口，這種總線結(jié)構(gòu)可以減少 系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)量和開發(fā)工作量。
[0006] (2)本發(fā)明要求系統(tǒng)集圖形預(yù)處理、信標(biāo)分布式激光掃描定位、自動軌跡控制、超 聲波測距防撞和美化草坪為一體，達到美化草坪和節(jié)能環(huán)保的目的
[0007] (3)本發(fā)明也適用于自動導(dǎo)引小車（AGV)等的自動導(dǎo)航和和軌跡控制。
[0008] 2、控制原理
[0009] 保證軌跡控制的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性，首先進行割草機機體的轉(zhuǎn)角和坐標(biāo)的 實時測量，并把測量的結(jié)果及時反饋給割草機的中央監(jiān)控模塊，由中央監(jiān)控模塊根據(jù)割草 機的運動狀態(tài)，執(zhí)行運動閉環(huán)控制算法，進行對割草機坐標(biāo)的自動糾偏，實現(xiàn)割草機軌跡運 動的智能控制。
[0010] (1)基于激光水平掃描位置坐標(biāo)測量原理
[0011] 如圖1，將智能化精密自動割草機機體⑴放置草坪地塊0ABC任一位置，遠程信標(biāo) (50)和遠程信標(biāo)（51)分別直立在點0(0,0)和點A(0，c)。D(x，y)為割草機激光掃描收發(fā) 器（36)旋轉(zhuǎn)中心坐標(biāo)，在此定義為割草機機體⑴的質(zhì)點位置坐標(biāo)，DO、DA分別是割草機 位置D到點信標(biāo)的水平距離，分別通過激光掃描測距實時獲取，DO = ai，DA = a2。
[0012] 在Λ 0AD中，由余弦定理可得：
[0013] Cos ( γ J = (c^+a^-a/)/^cai
[0014] 貝1J，割草機位置坐標(biāo)：D(x, y) = (aysinh 1)，aycosh 1))
[0015] DO和DA距離由激光測距獲取，由此可以計算D(x，y)坐標(biāo)。
[0016] (2)割草機機體水平轉(zhuǎn)角測量原理（圖1)
[0017] 如圖1，割草機機體中心軸線（52)通過點D(x，y)且與割草機機體兩側(cè)邊平行。
[0018] 割草機機體的轉(zhuǎn)角α定義為割草機機體中心軸線（52)與Y軸垂直運動方向的夾 角，其算法如下：
[0019] ^=90。-γ!
[0020] α = β 2-β 1
[0021] 這里，α〈〇,表示割草機機體中心線逆時針轉(zhuǎn)動α角，
[0022] α >〇,表示割草機機體中心線順時針轉(zhuǎn)動α角，
[0023] α =〇,表示割草機機體中心線和y軸垂直。
[0024] β 2由云臺立式伺服電機上的旋轉(zhuǎn)編碼器A、B、Z脈沖實時獲取。
[0025] (3)激光云臺垂直面擺動補償控制原理
[0026] 如圖2,激光掃描收發(fā)器（36)發(fā)射激光到遠程信標(biāo)（50)上，遠程信標(biāo)反饋激光到 激光收發(fā)器（36)，所述激光收發(fā)器（36)測量其到遠程信標(biāo)的水平距離&1。由于草坪地面 的不平整，割草機在運動過程中，割草機機體在垂直平面內(nèi)會發(fā)生角度偏轉(zhuǎn)，這個偏轉(zhuǎn)角度 由安裝在控制箱中的電子羅盤檢測。
[0027] 為保證激光掃描所測得的距離是信標(biāo)和激光收發(fā)器之間的水平距離，必須使激光 掃描器收發(fā)器（36)在垂直面內(nèi)進行補償角度，保證激光掃描收發(fā)器發(fā)射水平激光射線，保 證激光射線照射到信標(biāo)及其內(nèi)置激光感應(yīng)器陣列（53)上，保證接收水平反射的激光信 號。具體的補償方法是：當(dāng)電子羅盤測量到割草機機體逆時針方向偏轉(zhuǎn)角度01，在激光掃 描控制器的控制下，激光云臺中的臥式伺服電機帶動曲柄搖桿機構(gòu)，控制激光掃描收發(fā)器 (36)反方向補償角度Θ 2, Θ 2 = - Θ 1，確保激光掃描收發(fā)器（36)保持水平狀態(tài)，滿足掃描 發(fā)射水平激光要求和接收水平激光信號要求，保證&1測量精度。同時，激光掃描收發(fā)器在 垂直面的擺動補償控制，便于激光有效高度范圍內(nèi)掃描到遠程信標(biāo)（50)。信標(biāo)內(nèi)置激光感 應(yīng)器陣列（53)，用于及時感應(yīng)到掃描激光。激光感應(yīng)器陣列（53)由4個激光感應(yīng)器疊加而 成，以適應(yīng)激光掃描收發(fā)器的高度變化，確保距離數(shù)據(jù)&1的有效性。4個激光感應(yīng)器的感應(yīng) 信號通過邏輯"或"運算，運算結(jié)果為" 1"表示該信標(biāo)被掃描，此時的即為當(dāng)前信標(biāo)反射 激光所測的距離值。
[0028] (4)害幃機萬向輪角位移測量原理
[0029] 測量割草機萬向輪的角位移是為了判斷割草機的轉(zhuǎn)角趨勢提供輔助數(shù)據(jù)支持，為 運動軌跡糾偏控制算法提供參照。割草機萬向輪相對于割草機機體的角位移可通過安裝在 萬向輪輪軸上的絕對編碼器獲得，根據(jù)割草機機體的轉(zhuǎn)角，可實時計算出萬向輪相對于垂 直Υ軸運動方向夾角Φ。絕對編碼器將實時測得的角位移轉(zhuǎn)化為Α、Β相脈沖，根據(jù)脈沖頻率 和順序進行計數(shù)和正反轉(zhuǎn)判斷，將測得的結(jié)果，發(fā)送到運動控制模塊的脈沖計數(shù)器中，經(jīng)總 線接口，發(fā)送到中央監(jiān)控模塊的存儲器中。
[0030] (3)技術(shù)方案
[0031] 根據(jù)發(fā)明目標(biāo)和工作原理，本發(fā)明提供的一種精密自動割草機分布式信標(biāo)激光定 位與軌跡控制系統(tǒng)包括硬件和軟件。
[0032] 優(yōu)選地，所述硬件分為三個部分7個模塊。第一部分安裝在割草機的車體上，包括 中央監(jiān)控、運動控制、激光定位導(dǎo)航和超聲波控制4個模塊，各模塊之間通過RS485總線組 成主從式接口，其中，中央監(jiān)控模塊為主機，其余為從機。所述第二部分包括手持遙控模塊1 個，通過紅外接口和中央監(jiān)控模塊通信。所述第三部分包括分布式遠程信標(biāo)控制模塊2個， 其中：一個遠程信標(biāo)控制模塊安裝在遠程信標(biāo)裝置（50)內(nèi)，另一個遠程信標(biāo)控制模塊安裝 在遠程信標(biāo)裝置（51)內(nèi)。每個遠程信標(biāo)控制模塊通過各自的無線射頻接口與激光定位導(dǎo) 航模塊建立數(shù)據(jù)通信。
[0033] 優(yōu)選地，所述遠程信標(biāo)控制模塊包括遠程信標(biāo)、信標(biāo)控制器、激光反射感應(yīng)器陣 列和射頻無線通信接口等外圍電路。
[0034] 優(yōu)選地，所述軟件系統(tǒng)包括中央監(jiān)控子系統(tǒng)、分布式信標(biāo)激光掃描定位子系統(tǒng)、