CN103891463A - 自动割草系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动割草系统，包括自动割草机及边界装置，所述边界装置包括若干无线发射器，所述若干无线发射器发出的射线作为边界线围成一个封闭或基本封闭的多边形，以界定工作区域，如此使得用户可快速更换或改变工作区域。

Description

自动割草系统

技术领域

本发明涉及一种自动割草系统。 

背景技术

随着计算机技术和人工智能技术的不断进步，类似于智能机器人的自动行走设备已经开始慢慢的走进人们的生活。三星、伊莱克斯等公司均开发了全自动吸尘器并已经投入市场。这种全自动吸尘器通常体积小巧，集成有环境传感器、自驱系统、吸尘系统、电池和充电系统，能够无需人工操控，自行在室内巡航，在能量低时自动返回基站，对接并充电，然后继续巡航吸尘。同时，哈斯科瓦纳等公司开发了类似的智能割草机，其能够自动在用户的草坪中割草、充电，无需用户干涉。由于这种自动割草系统一次设置之后就无需再投入精力管理，将用户从清洁、草坪维护等枯燥且费时费力的家务工作中解放出来，因此受到极大欢迎。 

现有的自动割草机一般应用于面积较大的工作区域，如1000平方米。自动割草机的工作区域的边界为可产生磁场的导线，自动割草机上的磁感应装置侦测磁场从而识别边界。在若干工作区域面积较小的工作区域，如50-200平方米，用于希望能快速更换或改变工作区域，而铺设导线作为边界非常麻烦，不方便更换或改变工作区域。 

因此有必要对现有的自动割草机及基站进行改进，使得用户可快速更换或改变工作区域。 

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种使得用户可快速更换或改变工作区域的自动割草系统。 

本发明的技术方案是这样实现的：一种自动割草系统，包括自动割草机及边界装置，所述边界装置包括若干无线发射器，所述若干无线发射器发出射线，各个无线发射器发出的射线作为边界线围成一个封闭或基本封闭的多边形，以界定所述自动割草机的工作区域，所述自动割草机设有至少一个第一无线接收器，用于接收无线发射器的无线信号以侦测所述工作区域的边界线。 

优选地，所述若干无线发射器为红外发射器，所述第一无线接收器为红外 接收器。 

优选地，所述若干无线发射器分别位于所述多边形的一个边角处的边界延长线上。 

优选地，所述自动割草系统还包括基站，所述基站位于所述工作区域的边界线上，所述基站具有至少一个朝向边界线的侧面，所述基站朝向边界线的侧面上设有无线发射器。 

优选地，所述无线发射器有多个，所述多个无线发射器的发射方向整体呈顺时针或逆时针分布。 

优选地，所述基站位于所述多边形的一个边角处。 

优选地，所述第一无线接收器位于所述自动割草机的至少一个机身侧面，所述自动割草机的前端还设有第二无线接收器，所述自动割草机还包括控制器，当所述控制器控制自动割草机回归时，若第一无线接收器接收到无线信号，则控制器控制自动割草机旋转，直到第二无线接收器接收到无线信号，之后控制自动割草机在行走过程中第二无线接收器始终接收到无线信号。 

优选地，在自动割草机行走的过程中，若第一无线接收器再次接收到无线信号，则控制器控制自动割草机旋转，直到第二无线接收器再次接收到无线信号。 

优选地，所述若干无线发射器包括电池、风力发电装置或太阳能发电装置。 

本发明中的自动割草系统的边界装置包括若干无线发射器，所述若干无线发射器发出的射线作为边界线围成一个封闭或基本封闭的多边形，以界定工作区域，如此使得用户可快速更换或改变工作区域。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明： 

图1是本发明的自动割草系统的示意图。 

图2是图1中的自动割草机的爆炸示意图。 

图3是图1中的自动割草机的方框示意图。 

图4是本发明的自动割草系统中的工作程序的流程示意图。 

图5是本发明的自动割草系统的另一较佳实施方式的示意图。 

图6是本发明的自动割草系统的另一较佳实施方式的示意图。 

图7是图6所示的自动割草系统的另一状态示意图。 

其中， 

100、自动割草机；    200、基站；       20、轮子； 

30、行走电机；       40、切割电机；    42、切割刀片； 

50、电源装置；      60、边界感应装置；      110、控制器； 

120、存储器；       130、启动键；           140、停止键； 

310、导线；         A1～A4、红外发射器；    B1～B3、红外接收器； 

15、碰撞感应器；    12、外壳体；            14、内壳体； 

16、凹槽；          150、电源键； 

具体实施方式

请参考图1，一种自动割草系统，包括自动割草机100、停靠站200及边界装置。边界装置用于限定工作区域的范围，自动割草机100用于在工作区域之中行走并进行割草工作，停靠站200用于供自动割草机100在能源不足时返回补充能量或供自动割草机100避雨或停靠。 

请同时参考图2及图3，自动割草机100包括沿纵向延伸的壳体，设置于壳体底部的若干轮子20，设置于壳体内且用于驱动轮子20的至少一个行走电机30，设置于壳体底部且用于切割工作的切割刀片42，设置于壳体内且用于驱动切割刀片42的切割电机40，以及为行走电机30及切割电机40供电的电源装置50。 

自动割草机100还包括控制器110、存储器120、操作界面及边界感应装置60。 

存储器120中存储有固定的工作程序，操作界面上仅设有启动键130、停止键140及电源键150，控制器110与存储器120、电源装置50、启动键130、停止键140、行走电机30、切割电机40及边界感应装置60均相连，电源键150与电源装置50相连。 

边界感应装置60用于感应工作区域的边界。自动割草机100正常割草时，当边界感应装置60感应到边界时，控制器110控制自动割草机100改变行走方向，以返回工作区域。本实施方式中，轮子20包括前轮、左驱动轮及右驱动轮，行走电机30包括左驱动电机及右驱动电机，其中左驱动电机用于驱动左驱动轮，右驱动电机用于驱动右驱动轮。控制器110控制左驱动电机及右驱动电机以不同的转速旋转，从而控制自动割草机100改变行走方向，以返回工作区域。 

电源键150被按下时，所述电源装置50开启或关闭。启动键130被按下时发出启动指令，停止键140被按下时发出停止指令。控制器110接收到启动指令后，执行存储器120中的工作程序，以控制自动割草机100自动进行割草工作及返回停靠站200进行充电，如此反复，直到控制器110接收到停止指令。 其他实施方式中，启动键130及停止键140也可合二为一。 

请参考图4，工作程序包括以下步骤： 

步骤S1：启动行走电机30。 

步骤S2：控制自动割草机100进入工作区域。 

步骤S3：控制自动割草机100按照预定路线或随机路线进行割草工作。 

步骤S4：侦测自动割草机100的至少一个第一参数，若第一参数达到第一预定值则控制自动割草机100返回停靠站200进行充电。本实施方式中，第一参数为工作时间，控制器110从自动割草机100启动时开始计时，当计时达到预定值时控制自动割草机100返回停靠站200。其他实施方式中，第一参数也可为电源装置50的电量，当侦测到电源装置50的电量低于预定值时，自动割草机100返回停靠站200进行充电。本实施方式中，电源装置50的电量通过监测电源装置50的电压实现。 

步骤S5：判断自动割草机100在进行割草或者充电的过程中，是否收到停止指令，若收到停止指令则进入步骤S7，否则进入步骤S6。 

步骤S6：侦测电源装置50的至少一个第二参数，若第二参数达到第二预定值则返回步骤S1，如此反复。本实施方式中，第二参数为电源装置50的电量，当侦测到电源装置50的电量达到预定值时则返回步骤S1。其他实施方式中，第二参数也可为充电时间，从自动割草机100与停靠站200对接充电时开始计时，若达到预定时间则返回步骤S1。 

步骤S7：关闭电源装置50。 

综上所述，自动割草机100的控制器110执行上述工作程序使得自动割草机100在工作区域面积较小的工作区域工作时，如50-200平方米，只要接收到启动指令即自动反复进行割草工作及返回停靠站200充电，直到接收到停止指令，无需用户输入工作参数，成本较低。 

边界装置可为物理边界装置或虚拟边界装置。物理边界装置与自动割草机100独立设置，用于形成边界线以界定工作区域；虚拟边界装置可设置于自动割草机100上或工作区域外，侦测自动割草机100附近的环境，根据侦测的数据判断自动割草机100是否位于工作区域内。 

请再次参考图1，物理边界装置可为与停靠站200电性连接的导线310。导线与停靠站200形成闭合回路，用于产生磁场信号，自动割草机100的边界感应装置60为侦测边界信号的磁感应装置，控制器110根据磁感应装置侦测到 的磁场方向判断自动割草机100是否位于工作区域内。 

物理边界装置可为若干彼此独立的无线发射器，无线发射器用于发出无线信号作为边界信号，自动割草机100的边界感应装置60为侦测无线信号的无线接收器，控制器110根据无线接收器是否接收到无线信号判断自动割草机100是否位于工作区域内。便携的无线发射器作为边界装置，使得用户可快速更换或改变工作区域。 

请参考图5，在本发明自动割草系统的另一较佳实施方式中，无线发射器为红外发射器A1、A2、A3、A4。所述红外发射器A1、A2、A3、A4发射的红外信号作为边界线形成封闭或基本封闭的多边形区域，以界定所述自动割草机100的工作区域。在其中一种实施方式中，红外发射器A1、A2、A3、A4均位于多边形的边角处，此时所述红外发射器A1、A2、A3、A4发射的红外信号形成的多边形区域是封闭的。 

在本实施方式中，红外发射器A1、A2、A3分别位于多边形的三个边角处的边界延长线上。停靠站200也位于一个边角处的边界延长线上，红外发射器A4设置于停靠站200朝向边界的侧面。此时所述红外发射器A1、A2、A3、A4发射的红外信号形成的多边形区域不完全封闭，在停靠站200处形成一个缺口，对本发明自动割草系统的实施不构成影响。 

本实施方式中，红外发射器A1、A2、A3上设有独立电池、风力发电装置或太阳能发电装置，从而能独立进行供电。红外发射器A4由停靠站200供电。 

无线接收器为设置于自动割草机100的侧面的红外接收器B1、B2。当红外接收器B1或红外接收器B2接收到红外信号时，控制器110即判断自动割草机100达到工作区域的边界。 

虚拟边界装置可为设置于自动割草机100内的全球定位模块(图未示)、草地识别模块(图未示)或设置于工作区域外的摄像模块(图未示)。 

全球定位模块与卫星无线通信，用于获知自动割草机100当前的位置坐标，控制器110将预定的位置坐标序列形成虚拟边界信息并形成工作区域的地图，若全球定位模块侦测的位置坐标不在虚拟边界信息围成的地图内，则控制器110判断自动割草机100位于工作区域外。 

草地识别模块用于根据地面的颜色或湿度判断自动割草机100当前的位置是否为草地，控制器110根据自动割草机100是否位于草地上判断自动割草机100是否位于工作区域内。 

具体地，草地识别模块可为朝向地面的颜色传感器(图未示)或设置于自动割草机100的壳体底部的若干电极(图未示)。颜色传感器侦测地面的颜色，若为绿色则控制器110判断自动割草机100位于工作区域内。若干电极从壳体底部向外伸出，其离地高度小于切割刀片的切割高度，当自动割草机100位于草地上时，若干电极间间隔有已割或未割的草，其介电常数ε将远大于空气的介电常数ε，而若干电极间的电容C满足：C＝εS/4πkd；其中S为若干电极的正对面积，k为常数，d为若干电极的距离，当若干电极设定之后，正对面积S与电极的距离d均为常数，即电容C的变化仅与介电常数ε有关。通过侦测若干电极间的电容，可知得知自动割草机100是否位于草地上。 

摄像模块拍摄自动割草机100及欲设定的工作区域的图像，并在拍摄的图像上划定封闭的虚拟边界。若在拍摄的图像上显示自动割草机100位于虚拟边界外，则控制器110判断自动割草机100位于工作区域外。 

自动割草机100还包括用于检测障碍物的障碍检测模块，当障碍检测模块检测到障碍物时，控制器110控制自动割草机100改变行走方向以避开障碍物。 

请再次参考图2，本实施方式中，障碍检测模块为碰撞感应器15，如霍尔感应器，壳体包括外壳体12及内壳体14，外壳体12覆盖住内壳体14，碰撞感应器15设置于内壳体14与外壳体12之间，当自动割草机100与障碍物发生碰撞时，碰撞感应器15能够侦测到内壳体与外壳体之间发生的相对移动。其他实施方式中，障碍检测模块也可为超声波发生器及超声波接收器，超声波发生器发出的超声波信号经障碍物反射回来后被超声波接收器接收，根据超声波信号的发射与接收的时间差即可算出自动割草机100与障碍物之间的距离。 

自动割草机100还包括用于检测雨水的雨水检测模块，当雨水检测模块检测到雨水时，控制器110控制自动割草机返回停靠站。雨水检测模块为导通侦测电路，具有正负两个极片，正负两个极片设置于自动割草机100外壳12的顶部的凹槽16中。当凹槽16中有积水或其他导电液体时，正负两个极片导通，雨水检测模块即可检测雨水。 

当自动割草机100需返回停靠站200进行充电、避雨或停靠时，控制器控制自动割草机沿工作区域的边界返回停靠站。 

当边界装置为导线时，控制器110控制自动割草机跨导线并按顺时针或逆时针方向返回停靠站。 

请再次参考图5，当边界装置为若干无线发射器A1、A2、A3、A4时，特 别是红外发射器，若干无线发射器A1、A2、A3、A4设置于工作区域的若干边角处且发射方向一致为顺时针或逆时针，自动割草机100的侧面设有无线接收器B1、B2，自动割草机100的前端设有无线接收器B3，控制器110控制自动割草机100使得前端的无线接收器B3始终接收到无线信号，从而使得自动割草机100返回停靠站200。如自动割草机100抵达边界且无线接收器B1接收到无线信号时，控制器110控制自动割草机100旋转直到前端的无线接收器B3接收到无线信号；维持自动割草机100的行进方向；当自动割草机100到达边角处且无线接收器B1再次接收到无线信号时，控制器110控制自动割草机100旋转直到前端的无线接收器B3再次接收到无线信号，如此使得自动割草机100沿边界顺时针或逆时针返回停靠站200。其他实施方式中，自动割草机100的侧面可仅设一个无线接收器，若无线发射器的发射方向一致为顺时针时，无线接收器设置于自动割草机100的左侧；若无线发射器的发射方向一致为逆时针时，无线接收器设置于自动割草机100的右侧。 

请参考图6及图7，其他实施方式中，在停靠站200处设有至少一个超声波发生器，在自动割草机100上设有至少一个超声波接收器，返回时控制器110根据超声波接收器的接收情况调整自动割草机100的行进方向，使得自动割草机100直接朝向停靠站200返回。 

具体地，在停靠站200处设有第一超声波发生器A、第二超声波发生器B及一个红外发射器C，两个超声波发生器A、B分别位于红外发射器C的两侧，第一超声波发生器A用于发出第一超声波信号、第二超声波发生器B用于发出与第一超声波信号频率或强度不同的第二超声波信号，红外发射器C用于发出直线的红外信号。 

两个超声波发生器A、B的发射角部分重叠，从而将停靠站200附近区域分为若干子区域：单信号覆盖区域、重叠区域ab及空白区域。单信号覆盖区域包括仅覆盖第一超声波信号的第一信号覆盖区域a及仅覆盖第二超声波信号的第二信号覆盖区域b。重叠区域ab覆盖有第一超声波信号及第二超声波信号。 

在自动割草机100上设有第一超声波接收器R1、第二超声波接收器R2及一个红外接收器R3。 

红外接收器R3位于自动割草机100的前端中部，超声波接收器R1及R2分别设置于自动割草机100上红外接收器R3的两侧。 

自动割草机100需返回或首次接收到超声波信号时，控制器110控制自动 割草机100先旋转一周进行初始位置判断，以确定当前所属子区域。若自动割草机100旋转一周后，第一超声波接收器R1或第二超声波接收器R2仅接收到第一超声波信号，则控制器110判断当前区域为第一信号覆盖区域a；若自动割草机100旋转一周后，第一超声波接收器R1或第二超声波接收器R2仅接收到第二超声波信号，则控制器110判断当前区域为第二信号覆盖区域b；若自动割草机100旋转一周后，第一超声波接收器R1及第二超声波接收器R2接收到第一超声波信号及第二超声波信号，则控制器110判断当前区域为第一重叠区域ab；若自动割草机100旋转一周后，第一超声波接收器R1及第二超声波接收器R2没有接收到任何信号，控制器110控制自动割草机100继续按照预定路线或随机路线行走。 

若自动割草机100的初始位置为第一信号覆盖区域a，控制器110控制自动割草机100旋转，直到仅第一超声波接收器R1接收到第一超声波信号，如图6虚线部分所示，以此时自动割草机100的朝向为行走方向，控制自动割草机100进入重叠区域ab。同理，自动割草机100的初始位置为第二信号覆盖区域b时，控制器110控制自动割草机100旋转，直到仅第二超声波接收器R2接收到第二超声波信号，并以此时自动割草机100的朝向为行走方向。 

自动割草机100由第一信号覆盖区域a进入到第一重叠区域ab时，第一超声波接收器R1接收到第一超声波信号及第二超声波信号，控制器110控制自动割草机100旋转，直到第一超声波接收器R1、第二超声波接收器R2均接收到第一超声波信号及第二超声波信号，使得自动割草机100面向停靠站200。之后控制器110持续控制自动割草机100，使得第一超声波接收器R1、第二超声波接收器R2均保持接收第一超声波信号及第二超声波信号。 

自动割草机100位于重叠区域ab的一个极限状况为：自动割草机100位于第二超声波发生器B左侧的信号边界处。此时控制器110控制自动割草机100，使得第一超声波接收器R1保持接收第一超声波信号、第二超声波接收器R2保持接收第二超声波信号。自动割草机100将沿着第二超声波发生器B左侧的信号边界前进。 

同理，自动割草机100由第二信号覆盖区域b进入到第一重叠区域ab时，第二超声波接收器R2接收到第一超声波信号及第二超声波信号，控制器110控制自动割草机100旋转，直到第一超声波接收器R1、第二超声波接收器R2均接收到第一超声波信号及第二超声波信号。此时的一个极限状况为：控制器 110控制自动割草机100沿着第一超声波发生器A右侧的信号边界前进。 

若自动割草机100的初始位置为第一重叠区域ab，控制器110仍控制自动割草机100旋转，直到第一超声波接收器R1、第二超声波接收器R2均接收到第一超声波信号及第二超声波信号。 

请参考图7，当自动割草机100即将离开第一重叠区域ab并进入空白区域时，若第一超声波接收器R1没有接收到任何信号，控制器110控制自动割草机100逆时针旋转，直到红外接收器R3接收到红外信号，使得自动割草机100正对停靠站200。此后控制器110维持自动割草机100的行走方向，从而实现自动割草机100与停靠站200精准对接。 

同理，在自动割草机100即将离开第一重叠区域ab并进入空白区域m时，若第二超声波接收器R2没有接收到任何信号，控制器110则控制自动割草机100顺时针旋转，直到红外接收器R3接收到红外信号，使得自动割草机100正对停靠站200。 

自动割草机100在发生器覆盖范围内的初始位置判断、进入区域判断及控制方式如表1所示： 

表1 

本实施例中自动割草系统采用便携的无线发射器作为边界装置，使得用户可快速更换或改变工作区域。 

本领域技术人员可以想到的是，本发明中自动割草系统的具体结构可以有很多的变化形式，但其采用技术方案的主要技术特征与本发明相同或相似，均应涵盖于本发明保护范围内。 

Claims (9)

1.一种自动割草系统，包括自动割草机及边界装置，其特征在于，所述边界装置包括若干无线发射器，所述若干无线发射器发出射线，各个无线发射器发出的射线作为边界线围成一个封闭或基本封闭的多边形，以界定所述自动割草机的工作区域，所述自动割草机设有至少一个第一无线接收器，用于接收无线发射器的无线信号以侦测所述工作区域的边界线。

2.根据权利要求1所述的自动割草系统，其特征在于：所述若干无线发射器为红外发射器，所述第一无线接收器为红外接收器。

3.根据权利要求1所述的自动割草系统，其特征在于：所述若干无线发射器分别位于所述多边形的一个边角处的边界延长线上。

4.根据权利要求3所述的自动割草系统，其特征在于：所述自动割草系统还包括基站，所述基站位于所述工作区域的边界线上，所述基站具有至少一个朝向边界线的侧面，所述基站朝向边界线的侧面上设有无线发射器。

5.根据权利要求4所述的自动割草系统，其特征在于：所述无线发射器有多个，所述多个无线发射器的发射方向整体呈顺时针或逆时针分布。

6.根据权利要求5所述的自动割草系统，其特征在于：所述基站位于所述多边形的一个边角处。

7.根据权利要求5所述的自动割草系统，其特征在于：所述第一无线接收器位于所述自动割草机的至少一个机身侧面，所述自动割草机的前端还设有第二无线接收器，所述自动割草机还包括控制器，当所述控制器控制自动割草机回归时，若第一无线接收器接收到无线信号，则控制器控制自动割草机旋转，直到第二无线接收器接收到无线信号，之后控制自动割草机在行走过程中第二无线接收器始终接收到无线信号。

8.根据权利要求7所述的自动割草系统，其特征在于：在自动割草机行走的过程中，若第一无线接收器再次接收到无线信号，则控制器控制自动割草机旋转，直到第二无线接收器再次接收到无线信号。

9.根据权利要求1所述的自动割草系统，其特征在于：所述若干无线发射器包括电池、风力发电装置或太阳能发电装置。

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