割草机路径规划方法及系统与流程

本发明涉及智能割草机及其逻辑控制技术领域，具体涉及的是一种割草机路径规划方法及系统。

背景技术：

由于科技的迅猛发展，尤其是计算机技术和人工智能科学的进步，机器人已经广泛的应用于工业、军事、航天、农业等各个领域。近些年，随着绿化建设事业的蓬勃发展和城市公共绿地的增加，整修草坪的需求量也在逐步增加，面对这一现状,我国的绿化建设需要投入更多的人力、物力和财力。

割草机器人作为园林服务机器人的一种，是农业机器人中应用较为广泛的一类。自上世纪80年代起，国内外许多公司都在智能割草机的研究上做了很大的投入，取得了一些丰硕的成果。智能割草机器人的工作环境一般为相对封闭的区域，要求具有足够的智能进行自主完成路径规划，在较低重复率的情况下完成对整个区域的割草，这种路径规划为全区域覆盖路径规划算法。作为路径规划的一种，全覆盖路径规划要求有一条路径可以完全覆盖整个可以达到的区域，这类全区域遍历算法对研究具有重大的意义。无论在海上搜救、矿物探测、国防排雷等方面都有重要的应用。

由于一般的智能割草机效能低且人工修剪效率不高而无法满足绿化建设的需要，为工作人员和居民带来了不良影响。随着机器人割草机的研制开发，为人们解决了很多难题。而目前对于全区域遍历算法的评价指标一般有：重复率、覆盖率、耗费时间等。基于此，就其路径规划技术上存在的难点进行了分析，我们不难得到传统路径规划的以下问题：

使用随机规划算法效率低、规划的路径不好，需要重复进行多次清扫才可达到很高的覆盖率。

基于slam技术的路径规划方法，运算时间耗费巨大、需要较大的硬件资金支持、关键需要特征点，在一些特殊的场合如高尔夫球场不适合使用。

人工势场法结构简单，但十分容易陷入局部最优，导致割草面积出现断续，最后进行重复割草，效率不高。

启发式算法需要提前定义很合适的启发规则，不适合大规模应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种割草机路径规划方法，通过将子区域内行走方式、子区域分割和子区域之间的衔接三方面结合考虑，以最优的路径遍历完整个割草区域。

本发明采取的技术方案是：一种智能割草机路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

启动智能割草机的触控面板；

进入路径规划设置界面，显示待割草区域示意图、路径角度示意图像及路径角度设置图像；

接收用户针对路径角度设置图像的触控输入，设置路径角度；

根据所设置的路径角度，调整路径角度示意图像显示；

根据所设置的路径角度及预设算法重新规划智能割草机的路径。

进一步的，所述路径角度示意图像与路径角度设置图像为同一个图像。

进一步的，所述根据所设置的路径角度及预设算法重新规划割草机的路径步骤具体为：根据所设置的路径角度及预设算法重新规划割草机路径，并于触控面板显示割草路径示意图。

进一步的，所述触控面板与智能割草机间为可拆卸式连接。

进一步的，所述待割草区域示意图由多个栅格组成，栅格大小为割草机尺寸的一半至一倍。

进一步的，所述待割草区域示意图包括区域边界信息和障碍物边界信息。

本发明还提供了一种智能割草机路径规划系统，包括：

显示模块，用于显示路径规划设置界面、待割草区域示意图、路径角度示意图像及路径角度设置图像；

输入模块，用于通过智能割草机的触控面板接收用户针对路径角度设置图像的手势输入，以设置路径角度；

控制模块，用于根据所述输入模块设置的路径角度，调整路径角度示意图像显示，并根据预设算法重新规划智能割草机路径。

进一步的，所述路径角度示意图像与路径角度设置图像为同一个图像。

进一步的，所述显示模块还用于显示割草路径示意图。

进一步的，所述触控面板与智能割草机间为可拆卸式连接。

本发明的有益效果是：

(1)运算简单、实现容易，耗费的的硬件资源小，运算速度快，得出的自动规划路径可靠性强；

(2)结合低成本的传感器可以实现在一定区域内达到很高的覆盖率，将单元内行走方式、单元分割和单元之间的衔接三方面结合考虑，以最优的路径遍历完整个割草区域；

(3)提供自定义割草方向，可以生成不同路径下自动任务的路径规划信息。

附图说明

附图1是本发明所述的一种割草机路径规划方法的较佳实施方式的流程图。

附图2是本发明所述的一种智能割草机路径规划系统的较佳实施方式的方框图。

附图3是本发明所述的一种割草机路径规划方法的较佳实施方式的流程图。

附图4是图1中割草机路径规划方法的较佳实施方式的流程图。

附图5是图1中割草机路径规划方法的较佳实施方式的流程图。

附图6是割草机数据信息平滑化处理示意图。

附图7是割草机数据最小二次拟合示意图。

附图8是车载终端的操作方法流程图。

图9是通过车载显示终端进行割草路径规划的操作界面示意图。

图10是通过车载显示终端进行路径规划后的割草路径示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明割草机路径规划方法的具体实施方式作详细说明。

请参考图1所示，为本发明所述的一种智能割草机路径规划方法的较佳实施方式的流程图。所述智能割草机路径规划方法的较佳实施方式包括以下步骤：

步骤a：启动智能割草机的触控面板；

步骤b：进入路径规划设置界面，显示待割草区域示意图、路径角度示意图像及路径角度设置图像；

步骤c：接收用户针对路径角度设置图像的触控输入，设置路径角度；

步骤d：根据所设置的路径角度，调整路径角度示意图像显示；

步骤e：根据所设置的路径角度及预设算法重新规划智能割草机的路径。

其中，所述路径角度示意图像和路径角度设置图像为同一个图像。同时，所述根据所设置的路径角度及预设算法重新规划割草机的路径步骤具体为：根据所设置的路径角度及预设算法重新规划割草机路径，并于触控面板显示割草路径示意图。所述待割草区域示意图由多个栅格组成，栅格大小为割草机尺寸的一半至一倍。所述待割草区域示意图包括区域边界信息和障碍物边界信息。

请继续参考图2所示，为本发明所述的一种智能割草机路径规划系统的较佳实施方式的方框图。所述智能割草机路径规划系统的较佳实施方式包括显示模块、输入模块及控制模块。其中，所述显示模块用于显示路径规划设置界面、待割草区域示意图、路径角度示意图像及路径角度设置图像。所述输入模块用于通过智能割草机的触控面板接收用户针对路径角度设置图像的手势输入，以设置路径角度。所述控制模块用于根据所述输入模块设置的路径角度，调整路径角度示意图像显示，并根据预设算法重新规划智能割草机路径。

本实施方式中，所述路径角度示意图像与路径角度设置图像为同一个图像。所述显示模块还用于显示割草路径示意图。所述触控面板与智能割草机间为可拆卸式连接。

请参考图3所示，为本发明所述的一种割草机路径规划方法的另一较佳实施方式的流程图。所述割草机路径规划方法的另一较佳实施方式包括如下步骤：

步骤s1：采集工作区域的边界信息和障碍物的边界信息，以获得准确的边界信息。

步骤s2：构建栅格地图。

步骤s3：按照意向方向进行角度选择以生成自定义的割草任务。

具体的，请进一步参考图4所示，所述割草机路径规划方法具体包括以下步骤：

步骤s10：加载工作区域的边界信息、障碍物的边界信息。

步骤s20：将割草区域划分为若干个子区域并编号。

步骤s30：按覆盖次序对所有子区域进行排序。

步骤s40：按照子区域的顺序，依次挑选出一个未处理的子区域。

步骤s50：对子区域内部路径进行规划，直至所述子区域处理完成。

步骤s60：根据割草机确定栅格大小，构建地图参数。

步骤s70：输出路径规划结果。

更进一步的，请再参考图5所示，所述割草机路径规划方法具体包括如下步骤：

步骤s100：加载工作区域的边界信息、障碍物的边界信息。

步骤s200：将所有数据进行滤波处理，并对数据段进行拟合处理，以得到较为理想的平滑数据。

步骤s300：获取最优方向。具体的，当获得一个闭合的曲线数据时候，需要将当前的数据坐标转换到内部处理的栅格坐标中，此时需要寻找一个可以表示整个闭合曲线的方向，使用数学矩阵库将数据放入，进行最大最小点就可以构成一个正方形或则长方形，建立角点的坐标，建立水平坐标系，即可获取一个整个曲线数据的最优代表方向。

步骤s400：旋转多边形。具体的，当数据采集经过拟合以后如上所述最终呈现的就是一个多边形，上述拟合的结果就是很多直线段构成的多边形，在对其进行旋转的时候称其为旋转多边形。

步骤s500：判断坐标值x是否小于坐标值y。若坐标值x不小于y，则返回至步骤s400。若坐标值x小于y，则执行步骤s600。

步骤s600：角度归一化处理。具体的，本较佳实施方式中，以180度为最大角度，对超过180度的数据进行取余，然后再求取百分比。

步骤s700：栅格地图配置信息初始化。

步骤s800：计算旋转矩阵坐标旋转。

步骤s900：扩维。具体的，当整个栅格地图建立以后，采集的是可行驶区域的最外层边界，但在内部处理时需要充分考虑割草机器人工作区域的合理性和安全性，有效的方法使对内部的处理矩阵进行扩维，即在最外层填充一个无效数据，便于进行颞部运算。

步骤s1000：区域连通。具体的，当前点去根据阈值寻找周围是否有跟他相似的点，如果存在，则进行相应的置位，自身继续往下一个判断为连通的点，连通的点继承这个任务，继续找与它相连接的点，不停的寻找，当最后某得时候查找到当前查找的点和起始的点重合的时候，整个查询结束。此时就可以获得一个更新后的电子地图，此时的数据就产生了看起来是连通的整块区域。

步骤s1100：根据处理后的工作区域边界更新栅格地图信息。

步骤s1200：获取处理后的障碍物边界信息。

步骤s1300：根据处理的障碍物边界信息更新栅格地图信息。

步骤s1400：输出路径规划结果。

假设智能割草机已经完成了工作区域边界和障碍物边界的信息，进行自动路径规划的方法需要包括以下几个要素：

提供人机交互界面，进行个性化设置；提供对边界信息的去燥的方法；提供对边界信息进行分类与线段的拟合方法；提供建立栅格、计算连通区域的聚合方法；提供外界自定义角度信息；提供改进的路径规划方法，建立最优路径规划。

本方法发明主要使用在一台完整的智能移动机器人进行全局规划上运行实施，自动路径规划方法需要至少五个完备的功能模块。

上位机显示模块，包含手机app、工控显示器、平板电脑等具有人机交互功能的计算显示器，可以提供丰富的人机交互功能，包含参数配置，信号获取等。

数据库存储模块，在进行算法初始化中，为算法提供安全、合适的初始化数据。

自动路径规划方法运行于运算模块上，通过控制计算的cpu进行高频次的运算，尽快的为上位机显示阶段提供准确数据。

存储模块保存原始的边界数据，在方法计算后准确保存路径规划数据与地图等关键数据。

后台管理模块，通过内部方法对所有的控制逻辑进行支撑。

假设此时的边界数据已经保存完整的数据与存储机构中，机器人所有的状态正常。步骤如下：

1.进入上位机界面，加载所有的任务信息，通过操作人员的选择，显示当前任务的内边界、外边界、参数配置等相关信息。

2.在此界面上，等待操作人员的人机交互信息。

3.从内部存储中移出此边界信息，将数据库的此信号相关信息删除。

4.加载当前存储机构的边界信息，重新调用路径规划方法进行数据的同步更新。

5.重新加载边界信息和路径规划信息，将最新信息传入上位机显示。

参见附图6，在真实情况下，由于现场环境复杂，定位数据的提供往往是一个噪声很大的数据。且在运行过程中，数据的非线性性十分严重，机器人并不是一个线性的运动轨迹。因此产生的数据是一个复杂的非线性点集。因此首先要此数据进行严格的平滑化，提取有效点集合，尽可能降低白噪声的影响。

参见附图7，经过滤波后的数据，还需要经过分类的方法将数据进行进一步处理。由于数据十分的集中，在建立电子地图的过程中需要对每个数据进行单个处理并不现实，还十分浪费硬件资源。因此，我们通过分类方法的方式，进行数据的分类分段处理。得到了图中结果，最后再建立栅格地图，如图中结果所示。

根据障碍物的尺寸和位置，将整个割草区域划分为若干个矩形的(或者类矩形的)单元子区域并编号，保证这个划分得到的单元数量最少且每个单元内部不包含障碍物。对每个单元标记属性，这样划分有利于后续步骤中的单元排序和单元内部的路径规划。

根据单元的尺寸、位置，以及与相邻单元和障碍物的相对位置，对所有单元的覆盖次序进行排列。按照单元进行顺序，依次挑选出一个未处理的单元，对单元内部路径进行规划。判断是否处理完所有单元，若是则路径规划结束，若否则规划一条路径保证这条路径长度和转向次数最少。由于所有的路径均是由直线段和转向构成，全覆盖路径规划结束。

通常将移动机器人本身的面积作为栅格大小选取的依据，针对智能割草机选取的依据，为了能够全面的反映智能割草机器人工作环境的有效信息，我们采取了栅格大小为机器人大小的一半作为地图构建参数。

采用的方法可以很好的实现覆盖率，特别是在障碍物边界处，得到了比较满意的覆盖结果，可以获得自定义的自动任务路径规划数据集。

参见附图8，规划过程和结果通过车载显示终端与用户交互，所述车载显示终端包括显示器和输入部件。车载显示终端的逻辑步骤如下：

步骤s10000，用户解锁车载显示终端。

步骤s20000，用户点击进入自动割草界面。

步骤s30000，用户进入路径规划界面。

步骤s40000，在自动割草界面点击路径规划按钮进行设置。

步骤s50000，用户在界面上选择角度。

显示规划后路径规划图形，在所示的规划示意图中，标识了路径规划的方向和起点和终点，用户确认后即可添加路径进行割草操作。

请继续参考图9所示，其为通过车载显示终端进行路径规划的操作界面示意图，其显示了待割草区域示意图、路径角度示意图像及路径角度设置图像，操作界面中间位置所示的圆圈加方向箭头组成的图像为路径角度示意图像，用于示意割草路径的角度信息，圆圈中的数值45°即为设置的割草路径角度，方向箭头的指向与前述角度数值对应；所述操作界面的右侧为路径角度设置图像，包括角度设置滑块、角度提示信息及滑动路径，用户通过触控移动滑块实现对割草路径角度的设置；同时所述操作界面中标示图中还包括了预览按钮、完成按钮及割草机的油量、胎压、设置、制动状态等信息。在其他实施方式中，亦可将路径角度示意图像与路径角度设置图像合二为一，一个图像同时具有两种功能，省略角度设置滑块、角度提示信息及滑动路径，直接通过触控旋转所述方向箭头实现割草路径角度的设置功能，上述操作界面简单易懂，具有较强的友好度。

图10是通过车载显示终端进行路径规划后的割草路径示意图。用户点触图9中的预览按钮(preview)，即可显示规划后的割草路径示意图，在所述割草路径示意图中，标识了路径规划的方向、路径起点和路径终点信息；用户可通过点触完成按钮(finish)结束路径规划的手动设置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。