阅读说明：本技术 基于固定人造紫外偏振光定位的割草机系统及割草方法 (Mower system based on fixed artificial ultraviolet polarized light positioning and mowing method ) 是由 应卫强 罗仕鉴 于 2020-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了基于固定人造紫外偏振光定位的割草机系统,包括割草机和人造光源,割草机上设有车轮驱动机构、紫外偏振光定位模块和控制器,车轮驱动机构、紫外偏振光定位模块分别与控制器电连接,紫外偏振光定位模块用于采集在割草机坐标系下人造光源的偏振光数据和割草机与地理北向的夹角信息,控制器用于接收紫外偏振光定位模块采集的信息对割草机的行走路径进行规划,并控制割草机按照规划的路径在工作区域内进行割草操作。利用紫外偏振光的稳定性,通过获取割草机在运动过程中紫外偏振光角度的变化和割草机与地理北向的夹角信息,确定割草机的实时位置,对割草机的割草路径进行规划,白天和夜间获取的位置数据稳定可靠,可应用于割草机的定位。(The invention discloses a mower system based on fixed artificial ultraviolet polarized light positioning, which comprises a mower and an artificial light source, wherein the mower is provided with a wheel driving mechanism, an ultraviolet polarized light positioning module and a controller, the wheel driving mechanism and the ultraviolet polarized light positioning module are respectively and electrically connected with the controller, the ultraviolet polarized light positioning module is used for acquiring polarized light data of the artificial light source and information of an included angle between the mower and the geographical north direction in a mower coordinate system, and the controller is used for receiving the information acquired by the ultraviolet polarized light positioning module to plan a walking path of the mower and controlling the mower to perform mowing operation in a working area according to the planned path. The method comprises the steps of determining the real-time position of the mower by utilizing the stability of ultraviolet polarized light and acquiring the change of the angle of the ultraviolet polarized light of the mower in the moving process and the information of an included angle between the mower and the geographical north direction, planning the mowing path of the mower, and obtaining stable and reliable position data in the daytime and at night, and can be applied to positioning of the mower.)

基于固定人造紫外偏振光定位的割草机系统及割草方法

技术领域

本发明涉及割草机技术领域，尤其涉及基于固定人造紫外偏振光定位的割草机系统及割 草方法。

背景技术

割草机的定位即时性，要求具有稳定和精度高的数据来源。

现有的割草机大多采用电线通电感应的方式进行定位，在割草前，沿草坪边界敷设绝缘 导线，接入电源后电流通过导线形成磁场，割草机器人遇到导线时，感应到磁场信号，割草 机器人通过程序控制转向以达到不越过边界的目的。其能确定割草范围，但不具备定位精度， 割草前需敷设导线，费时费力，且割草工作时需要一直通电。

而部分采用无线标签定位技术的割草机，其能精准地确定割草范围，无需在割草区域周 围放置电子围栏，但是当定位标签被遮挡时，会影响割草机的定位精度，对于控制系统的性 能要求也较高。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供基于固定人造紫外偏振光定位 的割草机系统，包括割草机和用于提供固定紫外偏振光的人造光源，所述割草机上设有车轮 驱动机构、紫外偏振光定位模块和控制器，所述车轮驱动机构、紫外偏振光定位模块分别与 控制器电连接，所述紫外偏振光定位模块用于采集在割草机坐标系下人造光源的偏振光数据 和割草机与地理北向的夹角信息，所述控制器用于接收紫外偏振光定位模块采集的信息对割 草机的行走路径进行规划，并控制割草机按照规划的路径在工作区域内进行割草操作。

进一步地，所述紫外偏振光定位模块包括至少两个偏振光传感器，水平传感器以及惯性 传感器，所述偏振光传感器用于采集割草机在不同位置人造光源的紫外偏振光信息并输出偏 振方位角，所述水平传感器用于调整偏振光传感器至水平状态，所述惯性传感器用于采集割 草机与地理北向的夹角信息和姿态信息，所述控制器接收并对偏振光传感器、水平传感器及 惯性传感器采集的数据进行处理以输出割草机的经纬度坐标信息；所述偏振光传感器、水平 传感器及惯性传感器分别与控制器电连接。

进一步地，还包括用于采集割草机的实时速度信息的速度传感器，所述速度传感器设置 在割草机上，所述速度传感器与控制器电连接，所述控制器接收并对速度传感器、惯性传感 器采集的数据进行分析以对割草机的速度及姿态误差进行修正。

进一步地，还包括辅助定位组件，所述辅助定位组件包括定位杆和图像采集模块，所述 图像采集模块设于定位杆或割草机上，所述图像采集模块与控制器电连接，所述图像采集模 块用于采集割草机或定位杆的实时图像信息，所述控制器接收并对图像采集模块采集的数据 进行分析以输出割草机的实时坐标信息。

进一步地，还包括无线通讯模块和上位机，所述无限通讯模块分别与控制器、上位机连 接，所述无限通讯模块用于将割草机的工作状态实时传输给上位机。

进一步地，所述人造光源为紫外线杀菌灯。

进一步地，所述紫外线杀菌灯位于工作区域的上方，所述紫外线杀菌灯设置的高度为 1m-4m。

本发明还提供一种基于固定人造紫外偏振光定位的割草方法，包括以下步骤：

通过水平传感器调整偏振光传感器至水平，人工控制割草机沿草坪的区域边界匀速行驶 一圈，紫外偏振光定位模块采集所述割草机移动过程中人造光源的紫外偏振光数据和割草机 与地理北向的夹角信息、姿态信息，控制器根据采集的以上信息，计算得到割草机测试过程 中各点的位置坐标，并通过连续折线或曲线将位置坐标依次连接生成割草工作区域的虚拟边 界；

根据设定的虚拟边界，控制割草机在割草工作区域内进行割草操作，获取割草机实时位 置的经纬度坐标信息，控制器根据获得的割草机的坐标信息及地理北向的夹角信息、姿态信 息进行数据拟合，对割草机规划行走路径，并采用射线法判断割草机当前位置是否在割草工 作区域内。

进一步地，还包括如下步骤：

获取割草机所在位置的速度信息和姿态信息，根据控制器存储的割草机的测试速度和姿 态信息，对割草机的速度及姿态误差进行修正。

进一步地，还包括如下步骤：

在草坪工作区域内或草坪工作区域外设置定位杆，控制器获取割草机与定位杆的相对距 离及角度信息并分析得到割草机所在位置的坐标信息，对割草机进行规划辅助行走路径。

与现有技术比较本发明技术方案的有益效果为：

1、本发明提供的基于固定人造紫外偏振光定位的割草机系统，利用紫外偏振光的稳定性， 通过获取割草机在运动过程中紫外偏振光角度的变化和与地理北向的夹角信息，确定割草机 的实时位置，对割草机的割草路径进行规划，白天和夜间获取的位置数据稳定可靠，不用考 虑光线因时间的变化，可应用于割草机的定位。

2、采用偏振光传感器获取人造光源的紫外偏振信息，不但具有即时定位功能，能固定数 据，且无需测量加速度定位不会积累误差，具有稳定的定位能力，能为割草机提供稳定的工 作区域控制能力，解决割草精度和控制复杂度的问题。

3、设置速度传感器和惯性传感器对割草机的速度及姿态误差进行补偿，以提高实时定位 的精度和应对不同环境适应的需要。

4、设置定位杆和图形采集模块，通过定位杆或割草机在不同距离上像素点的大小变化， 得到定位杆与割草机的相对距离和位置，结合人造紫外偏振光定位的方式，以提高割草机系 统的定位精度和效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附 图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域 普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于固定人造紫外偏振光定位的割草系统的结构原理图；

图2是本发明实施例提供的基于固定人造紫外偏振光定位的割草方法中天空中某一点的 偏振方向分布模型图；

图3是本发明实施例提供的基于固定人造紫外偏振光定位的割草方法的流程图。

其中，附图标记为：

1、割草机，2、人造光源，3、车轮驱动机构，4、控制器，5、偏振光传感器，6、水平 传感器，7、惯性传感器，8、速度传感器，9、图形采集模块，10、无线通讯模块，11、上位 机，12、光强信息采集模块，13、A/D转换模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

请参阅图1-3所示，本发明提供基于固定人造紫外偏振光定位的割草机系统，包括割草 机1和用于提供固定紫外偏振光的人造光源2，割草机1上设有车轮驱动机构3、紫外偏振光 定位模块和控制器4，车轮驱动机构3、紫外偏振光定位模块分别与控制器4电连接，紫外偏 振光定位模块用于采集在割草机1坐标系下人造光源2的偏振光数据和割草机1与地理北向 的夹角信息，控制器4用于接收紫外偏振光定位模块采集的信息对割草机1的行走路径进行 规划，并控制割草机1按照规划的路径在工作区域内进行割草操作。其中，控制器2为STM32 芯片。

利用紫外偏振光的稳定性，通过获取割草机1在运动过程中紫外偏振光角度的变化和割 草机1与地理北向的夹角信息，确定割草机1的实时位置，对割草机1的割草路径进行规划， 白天和夜间获取的位置数据稳定可靠，不用考虑光线因时间的变化，可应用于割草机1的精 准定位。

具体的，人造光源2为紫外线杀菌灯。紫外线杀菌灯不但能提供固定的人造紫外偏振光， 还能杀灭蚊虫，但是对眼睛和皮肤都有伤害，因此割草机1适合在远离人群的割草工作区域 进行操作。

为尽量减少不必要的伤害，紫外线杀菌灯位于割草工作区域的上方，紫外线杀菌灯设置 的高度为1m-4m。

优选地，紫外偏振光定位模块包括至少两个偏振光传感器5，水平传感器6以及惯性传 感器7，偏振光传感器5用于采集割草机1在不同位置人造光源3的紫外偏振光信息并输出 偏振方位角，水平传感器6用于调整偏振光传感器5至水平状态，惯性传感器7用于采集割 草机1与地理北向的夹角信息和姿态信息，控制器4接收并对偏振光传感器5、水平传感器6 及惯性传感器7采集的数据进行处理以输出割草机1的经纬度坐标信息；偏振光传感器5、 水平传感器6及惯性传感器7分别与控制器4电连接。

采用偏振光传感器5获取人造光源3的紫外偏振信息，不但具有即时定位功能，能固定 数据，且无需测量加速度定位不会积累误差，具有稳定的定位能力，能为割草机1提供稳定 的工作区域控制能力，解决割草精度和控制复杂度的问题。

具体的，偏振光传感器5、水平传感器6及惯性传感器7均设置在割草机1上，惯性传感器7为电子罗盘。偏振光传感器优选3个，控制器4同步采集多个偏振方位角数据，即使 某一方向的偏振度为0或者偏振方向矢量平行或某一采集方向受到干扰，割草机系统也能正常工作，多方向的同时测量可以提高偏振光实时定位系统的稳定性。

具体地，紫外偏振光定位模块还包括太多个光强信息采集模块12和A/D转换模块13， 光强信息采集模块12与A/D转换模块13电连接，A/D转换模块13与控制器4电连接，光强信息采集模块12用于采集不同位置太阳光强信息并输出电流信号，A/D转换模块13用于接收太阳信息采集模块12传输的电流信号并转换成电压信号，控制器2接收并对A/D转换模块13传输的电压信号值进行处理以判断太阳方向矢量的方向。

根据输出的电压的正负值可以对太阳位置所在坐标系的区间进行判别，代替人眼对太阳 方向矢量的方向进行判断，可以提高割草机系统偏振光定位的实时性。

具体的，紫外偏振光定位模块设置在割草机1上。

优选地，还包括用于采集割草机1的实时速度信息的速度传感器8，速度传感器8设置 在割草机1上，速度传感器8与控制器4电连接，控制器4接收并对速度传感器8、惯性传感器7采集的数据进行分析以对割草机1的速度及姿态误差进行修正。例如补偿割草机1在斜坡上进行航向调整时的运动速度。

设置速度传感器8和惯性传感器7对割草机1的速度及姿态误差进行补偿，以提高实时 定位的精度和应对不同环境适应的需要。

优选地，还包括辅助定位组件，辅助定位组件包括定位杆和图像采集模块9，图像采集 模块9设于定位杆或割草机1上，图像采集模块9与控制器4电连接，图像采集模块9用于 采集割草机1或定位杆的实时图像信息，控制器4接收并对图像采集模块9采集的数据进行 分析以输出割草机1的实时坐标信息。其中，定位杆位于割草工作区域内或者割草工作区域 外，图像采集模块12优选设置在割草机1上。

通过定位杆或割草机1在不同距离上像素点的大小变化，得到定位杆与割草机1的相对 距离和位置，结合人造紫外偏振光定位的方式，以提高割草机系统的定位精度和效率。

优选地，还包括无线通讯模块10和上位机11，无限通讯模块10分别与控制器4、上位 机11连接，无限通讯模块10用于将割草机1的工作状态实时传输给上位机11，上位机11对割草机1进行实时监测和远程控制。

本发明还提供基于固定人造紫外偏振光定位的割草方法，包括以下步骤：

S1：通过水平传感器6调整偏振光传感器5至水平，在割草机1上建立水平坐标系，人 工控制割草机1沿草坪的区域边界匀速行驶一圈，紫外偏振光定位模块采集割草机1移动过 程中人造光源3的紫外偏振光数据和割草机1与地理北向的夹角信息、姿态信息，控制器4 根据采集的以上信息，计算得到割草机1测试过程中各点的位置坐标，并通过连续折线或曲 线将位置坐标依次连接生成割草工作区域的虚拟边界；

其中，根据采集的太阳的偏振光数据和割草机1与地理北向的夹角信息，计算割草机1 移动过程中各点的位置坐标原理如下：

天空中某一点的偏振方向分布模型如图2所示，图中W点表示被观测点、O点表示地球 上的观测点、S点表示某一时刻太阳所在的位置、Z点表示天顶点，W点观测点的偏振方向平行于由太阳的位置、地球上的观测点和被观测点构成平面WOS的法向量。

偏振方向矢量P表示为：

P＝k(cosθ，sinθ，0)；(1)

其中，θ为偏振光传感器5测得的偏振方位角，k取值为1或-1，由A/D转换模块13输出的电压值判断得出。

由于天空中分布的偏振光存在一定的规律，即偏振光的分布在某一时刻某一地点是稳定 的，因此，理论上可以由两个不平行的偏振方向矢量P₁、P₂叉乘求出太阳的方向矢量S₀， 太阳的方向矢量S₀的方向由太阳方向矢量判断组件8进行判断。

采用偏振光传感器5采集T1、T2时刻割草机1与太阳子午线的夹角，即偏振方位角θ1、 θ2，采用电子罗盘采集割草机1与地理北向的夹角，即割草机1的航向角H；

在水平坐标系中，对应的偏振方向矢量为P₁、P₂，S₀可以表示为：

S₀＝(S_x S_y S_z)^T＝k(P₁×P₂)^T： (2)

其中，S_x、S_y、S_z分别表示太阳的方向矢量在水平坐标系的X轴、Y轴、Z轴的坐标 值；P₁、P₂表示天空中两个被观测点W1、W2的偏振方向矢量。

定义太阳的高度角为h_s，太阳的方向矢量在水平坐标系中的投影与水平坐标系中X轴之 间的夹角为太阳伪方位角A_s′，顺时针方向表示角度的正方向，太阳的方向矢量在水平坐标系 中的投影与正北之间的夹角为太阳的方位角A_s；

在水平坐标系中，由太阳的方向矢量得到如下公式：

其中，当k取1时，由公式(3)求得的太阳的高度角和伪方位角分别为h_s和A_s′；当k取-1时，由公式(3)求得的太阳的高度角和伪方位角分别为-h_s和180+A_s′。

由天文三角形中得到：

其中，δ为太阳赤纬，为地理纬度，ω为太阳时角。

太阳视角ω表示为：

ω＝η+15(UT1+E)-180； (5)

其中，η为地理经度，UT1为世界时(是指格林尼治所在地的标准时间)，E为时差。

世界时和协调世界时UTC之间的偏差在0.9s以内，0.9s转换成以小时为单位时数值很 小，对后续的计算影响很小，因此UTC替代UT1，故公式(4)表示为：

ω＝η+15(UTC+E)-180： (6)

在平面坐标系中，A_s表示为：

A_s＝A_s+H+D； (7)

其中，H为地磁北极与电子罗盘体轴之间的夹角，D为被测地点的磁偏角，根据地理经 度η和地理维度

查表得到，这三个参数的关系表示为：

由公式(4)、(6)、(7)、(8)可得：

其中，太阳赤纬δ和时差E可以通过查找星历表获取，协调世界时由上位机11提供，H 由电子罗盘采集获得，A_s′和h_s由太阳的方向矢量求出。

经纬度坐标及磁偏角结合即可实现割草机的定位目的，割草机1与真北方向的夹角为α_北， 其中，α_北＝H+D，实现定向的目的。

S2：根据设定的虚拟边界，控制割草机1在割草工作区域内进行割草操作，获取割草机 1实时位置的经纬度坐标信息，采用射线法判断割草机1当前位置是否在割草工作区域内， 控制器4根据获得的割草机1的坐标信息及航向角信息进行数据拟合，对割草机1规划行走 路线。

其中，采用射线法判断割草机1当前位置是否在割草工作区域内，通过观察射线与多变 形的交点个数，如果交点个数为奇数，则该点在多边形内，如果为偶数则在多边形外。计算 公式如下：

x＝(y0-p1.y)*(p2.x-p1.x)/(p2.y-p1.y)+x0； (10)

其中，P为割草机1所处的位置，x0为P点的横坐标，y0为P点的纵坐标，P1、P2 表示多边形中相邻的两条边。

S3：获取割草机1所在位置的速度信息和姿态信息，根据控制器4存储的割草机1的测 试速度和姿态信息，采用最小均方根误差算法对割草机1的速度及姿态误差进行修正。

割草机1在割草的过程中预设为匀速运动，但在实际运动的过程中可能会有不同的速度， 比如在斜坡上进行航向调整时的运动速度，故需要对割草机1运动过程中的速度及姿态误差 进行补偿，以适应不同的户外环境。

其中，均方根误差用于描述惯性传感器7的速度、航向角、姿态角的精度，记为RMS，在测量次数有限的情况下，均方根误差由以下公式可得：

其中，n为有效试验次数；m_i为第i次试验的采样点数；j为第i次试验的第j个采样时刻；x_ij为第i次试验的第j个采样时刻的测量值；x_0ij为第i次试验的第j个采样时的的 真值。

S4：在割草工作区域内或割草工作区域外设置定位杆，控制器2获取割草机1与定位杆 的相对距离及角度信息并分析得到割草机1所在位置的坐标信息，对割草机1辅助规划行走 路线。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造 性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本 发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案， 皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。