引導(dǎo)智能園林工具的方法和系統(tǒng)

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

智能園林工具至少裝有兩個(gè)傳感器件，當(dāng)它沿著草地上的引導(dǎo)線行進(jìn)時(shí)，傳感器件會(huì)探測到由帶電引導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場強(qiáng)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(gè)傳感器件探測得到的磁場強(qiáng)度差，沿著引導(dǎo)線行進(jìn)。

該發(fā)明涉及智能園林工具，尤其是關(guān)于引導(dǎo)如智能割草機(jī)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(jī)（以下簡稱割草機(jī)）等，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于草地維護(hù)等工作場合。典型的割草機(jī)是一個(gè)使用電池作為電源的自動(dòng)智能工具?？紤]到工作負(fù)載的變化和持續(xù)工作的要求，需要周期性地充電。同時(shí)，割草機(jī)工作時(shí)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(yù)設(shè)的能量水平時(shí)，需要自己找到通往充電站的路徑。

當(dāng)前，有很多技術(shù)用于引導(dǎo)割草機(jī)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(dǎo)航，使割草機(jī)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(jī)在接近充電站前的這個(gè)階段處于失聯(lián)狀態(tài)。其次，割草機(jī)還可以通過引導(dǎo)線返回充電站。引導(dǎo)線可以是邊界界定線或草地上的穿通線。割草機(jī)裝有一個(gè)或多個(gè)傳感器以探測引導(dǎo)線的磁場強(qiáng)度。由于存在割草機(jī)每次返回路徑相同的情況，這會(huì)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(gè)缺點(diǎn)，割草機(jī)被設(shè)計(jì)成沿著遠(yuǎn)處的引導(dǎo)線行進(jìn)。在每次引導(dǎo)返回充電站時(shí)，可以隨機(jī)選擇割草機(jī)與引導(dǎo)線之間的距離。由于割草機(jī)返回充電站時(shí)依據(jù)固定的磁場強(qiáng)度，如果每次選擇不同的磁場強(qiáng)度值，割草機(jī)去充電站時(shí)的路徑就會(huì)不同。這個(gè)方法可以有效解決草坪上存在可視痕跡的問題。然而，這個(gè)方法不適用于草坪上的狹窄通道。因?yàn)樵讵M窄的通道上，如果智能割草機(jī)隨機(jī)選擇的磁場強(qiáng)度很小，就很難進(jìn)行引導(dǎo)。

磁場強(qiáng)度還取決于很多動(dòng)態(tài)變化的因素。這些因素包括引導(dǎo)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(dǎo)線磁場強(qiáng)度時(shí)存在的偏差。

◆概述

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

1) 工具引導(dǎo)系統(tǒng)完成了部分目標(biāo)。引導(dǎo)系統(tǒng)至少包括一根適合傳導(dǎo)電流的引導(dǎo)線，以便在引導(dǎo)線附近可以產(chǎn)生一個(gè)電磁場。工具可以在一定距離外跟隨引導(dǎo)線行進(jìn)。另外，工具裝有第一傳感器件和第二傳感器件，兩者相對(duì)于引導(dǎo)線能對(duì)不同的距離分別定位。第一和第二傳感器件還負(fù)責(zé)探測磁場強(qiáng)度，工具的驅(qū)動(dòng)基于第一和第二傳感器件探測到的磁場強(qiáng)度的差值。使用探測到的磁場強(qiáng)度的相對(duì)差值可以確保工具在每個(gè)操作周期形成不同的路徑，從而降低了草坪上存在可視標(biāo)記的嚴(yán)重性。另外，相對(duì)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(qiáng)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(yīng)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(dǎo)線和第一傳感器件的距離不同于引導(dǎo)線和第二傳感器件的距離。通過這兩個(gè)傳感器件就會(huì)得到不同的信號(hào)強(qiáng)度。

5) 工具還可能包含第三個(gè)傳感器件。三個(gè)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(dǎo)線順時(shí)針或逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)。工具的驅(qū)動(dòng)是基于第一個(gè)傳感器件測得的磁場強(qiáng)度和距離引導(dǎo)線較近的第二或第三傳感器件測得的磁場強(qiáng)度的差值。工具的驅(qū)動(dòng)也會(huì)基于第一個(gè)傳感器件測得的磁場強(qiáng)度和距離引導(dǎo)線較遠(yuǎn)的第二或第三傳感器件測得的磁場強(qiáng)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(dǎo)線可以是草坪的邊界界定線。引導(dǎo)線能傳導(dǎo)非恒定的電流。

◆圖示說明和實(shí)例描述

圖1　安裝了兩個(gè)傳感器件的智能園林工具

圖2　安裝了三個(gè)傳感器件的智能園林工具

圖3　智能園林工具引導(dǎo)系統(tǒng)框圖

圖4　含有各種通道的草坪的布置圖

圖5　引導(dǎo)智能園林工具方法的流程圖

借助圖示，可以詳細(xì)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(shè)計(jì)不必拘泥于所列形式。列出這些體現(xiàn)形式是為了將這個(gè)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(guān)工作人員。

圖1顯示安裝了兩個(gè)傳感器件的工具100。工具是一臺(tái)割草機(jī)，包括驅(qū)動(dòng)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(jìn)行一個(gè)或多個(gè)操作。通常，草坪上安裝有用于工具引導(dǎo)線的界定線。引導(dǎo)線散落在草坪的邊界，通常被稱作邊界界定線。當(dāng)電流通過引導(dǎo)線，會(huì)在引導(dǎo)線附近產(chǎn)生一個(gè)電磁場。引導(dǎo)線應(yīng)能傳導(dǎo)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jìn)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(shè)計(jì)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(dāng)工具沿著引導(dǎo)線運(yùn)行時(shí)，器件與引導(dǎo)線之間的距離是不同的。傳感器件108和110是用來探測引導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度的。但在有的設(shè)計(jì)中，傳感器件108和110可以是用來探測引導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場垂直分量的強(qiáng)度。

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

圖2顯示的是該發(fā)明按照另一種方式實(shí)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(shè)計(jì)成前后兩個(gè)方向行進(jìn)的，那么三個(gè)傳感器件的安置可以是位于工具前后兩個(gè)部分。三個(gè)傳感器件可以使得工具跟隨引導(dǎo)線順時(shí)針或逆時(shí)針動(dòng)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(dòng)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(qiáng)度。過程處理單元負(fù)責(zé)提供給驅(qū)動(dòng)控制器一個(gè)或多個(gè)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(qiáng)度的差值。過程處理單元將選取探測到較高的磁場強(qiáng)度值（即與引導(dǎo)線靠得更近）的傳感器件對(duì)工具進(jìn)行引導(dǎo)。而在另一種設(shè)計(jì)中，過程處理單元將選取探測到的較低磁場強(qiáng)度值（即與引導(dǎo)線離得更遠(yuǎn)）的傳感器件對(duì)工具進(jìn)行引導(dǎo)。

圖3顯示了工具引導(dǎo)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(fù)責(zé)探測引導(dǎo)線402產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度，如圖4所示，勾畫了一個(gè)有410、420和430不同區(qū)域的草坪400。引導(dǎo)系統(tǒng)還包含一個(gè)儲(chǔ)存單元304。儲(chǔ)存單元是用來存儲(chǔ)由傳感器件302獲得的磁場強(qiáng)度的。此外，引導(dǎo)系統(tǒng)還包含過程處理單元306，它用來給工具的驅(qū)動(dòng)控制器308提供操作指示。過程處理單元306提供驅(qū)動(dòng)控制器308的指示是基于從存儲(chǔ)單元304或直接從傳感器件302獲取的磁場強(qiáng)度。過程處理單元提供驅(qū)動(dòng)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(qiáng)度的相對(duì)差值。其中一種實(shí)現(xiàn)方式是相對(duì)差值基于第一和第二傳感器件探測到磁場強(qiáng)度的差值。另一種實(shí)現(xiàn)方式是相對(duì)差值基于第一和第二或第三傳感器件之一探測到磁場強(qiáng)度的差值，選取探測到較高的磁場強(qiáng)度值（即與引導(dǎo)線靠得更近）的傳感器件對(duì)工具進(jìn)行引導(dǎo)。當(dāng)然，還有一種實(shí)現(xiàn)方式是相對(duì)差值基于第一和第二或第三傳感器件之一探測到磁場強(qiáng)度的差值，選取探測到較低的磁場強(qiáng)度值（即與引導(dǎo)線離得更遠(yuǎn)）的傳感器件對(duì)工具進(jìn)行引導(dǎo)。

過程處理單元306會(huì)產(chǎn)生一個(gè)用于發(fā)現(xiàn)磁場強(qiáng)度相對(duì)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(jī)產(chǎn)生的。隨機(jī)選擇參考值Δref的目的是確保在每一個(gè)操作周期工具跟隨引導(dǎo)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(shè)在10%，那么控制器會(huì)以傳感器件108、110和202探測得到的磁場強(qiáng)度的相對(duì)差值的10%來驅(qū)動(dòng)工具。如果是這樣的話，從鄰近引導(dǎo)線測得磁場強(qiáng)度的相對(duì)值也會(huì)變化，而且與磁場強(qiáng)度的絕對(duì)值無關(guān)。在有的設(shè)計(jì)中，引導(dǎo)系統(tǒng)取決于多個(gè)磁場強(qiáng)度的相對(duì)值，而對(duì)于決定磁場強(qiáng)度絕對(duì)值的一個(gè)或多個(gè)因素不敏感。這些不敏感因素包括但不限于流經(jīng)引導(dǎo)線電流、通道上不同引導(dǎo)線之間的距離、土壤中引導(dǎo)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(duì)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(dòng)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(shí)工具需要通過一個(gè)狹窄的通道430。如圖4所示，如果僅考慮磁場強(qiáng)度的絕對(duì)值，那么工具就不能越過狹窄通道到達(dá)目的地。但是如果使用了磁場強(qiáng)度的相對(duì)值，工具就可以沿著引導(dǎo)線402穿過狹窄通道430到達(dá)充電站404。正常情況下，相比遠(yuǎn)離引導(dǎo)線，在接近引導(dǎo)線時(shí)的磁場強(qiáng)度值會(huì)急劇下降。即使設(shè)置的相對(duì)值很小，工具也會(huì)設(shè)法遠(yuǎn)離引導(dǎo)線，因?yàn)轵?qū)動(dòng)控制器會(huì)基于相對(duì)差值找到行進(jìn)路線，當(dāng)接近通道的另一頭時(shí)，磁場強(qiáng)度的方向會(huì)發(fā)生改變，磁場強(qiáng)度值也會(huì)逐漸增加。因此，當(dāng)工具接近狹窄通道上的引導(dǎo)線時(shí)，由任何一個(gè)傳感器件測得的磁場強(qiáng)度之間的相對(duì)差值不僅可能為0，還可能是負(fù)值。

圖5是依據(jù)一種設(shè)計(jì)對(duì)智能園林工具進(jìn)行引導(dǎo)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(dǎo)線402行進(jìn)。在一種實(shí)例中，引導(dǎo)線402是邊界界定線。在該發(fā)明的不同實(shí)現(xiàn)方式中，引導(dǎo)線402通電產(chǎn)生電流從而在引導(dǎo)線附近產(chǎn)生磁場強(qiáng)度。在步驟504，傳感器件108和110測得引導(dǎo)線402的磁場強(qiáng)度。在一種設(shè)計(jì)中，傳感器108和110可能是垂直環(huán)形傳感器。當(dāng)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(dāng)工具沿著引導(dǎo)線行進(jìn)的時(shí)候，工具上的傳感器件108和110距離引導(dǎo)線的距離不同。在有些設(shè)計(jì)中，傳感器件108和110則是負(fù)責(zé)感知引導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場垂直分量的強(qiáng)度。

（編譯 金軼）

Method and system for guiding a robotic garden tool