一種精密自動割草機分布式信標激光定位與軌跡控制系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及自動導引小車的定位與軌跡運動控制技術，特別涉及自動精密割草機 分布式信標激光掃描定位導航、車體轉角位移姿態尋位，位置坐標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。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】
[0002] 傳統自動導引小車的導航定位系統大多采用以鋪設電磁導線或色帶為導航標志 的定位導向方法，這種制導方式固定，編程簡單，自動導引小車只能沿著預設導線或色帶的 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，實現對草坪精整和美化，因此挖地鋪設電磁導線或者在 草坪上粘貼引導標識不適合精密自動割草機的定位和導向。本發明提供了一種適于精密自 動割草機的分布式信標激光定位與軌跡控制系統，可以滿足精密自動割草機的自動導航和 運動軌跡控制的需要。

【發明內容】

[0004] 1、發明目標
[0005] (1)本發明在總線結構上，采用由現場總線和無線通信所組成的分布式總線結構， 各模塊相互獨立，在承擔獨立的工作任務的前提下，共享通信接口，這種總線結構可以減少 系統的通信數據量和開發工作量。
[0006] (2)本發明要求系統集圖形預處理、信標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，達到美化草坪和節能環保的目的
[0007] (3)本發明也適用于自動導引小車（AGV)等的自動導航和和軌跡控制。
[0008] 2、控制原理
[0009] 保證軌跡控制的準確性、穩定性和可靠性，首先進行割草機機體的轉角和坐標的 實時測量，并把測量的結果及時反饋給割草機的中央監控模塊，由中央監控模塊根據割草 機的運動狀態，執行運動閉環控制算法，進行對割草機坐標的自動糾偏，實現割草機軌跡運 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 (50)和遠程信標（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 器（36)旋轉中心坐標，在此定義為割草機機體⑴的質點位置坐標，DO、DA分別是割草機 位置D到點信標的水平距離，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：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。
[0016] (2)割草機機體水平轉角測量原理（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邊平行。
[0018] 割草機機體的轉角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動α角，
[0022] α >〇,表示割草機機體中心線順時針轉動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,激光掃描收發器（36)發射激光到遠程信標（50)上，遠程信標反饋激光到 激光收發器（36)，所述激光收發器（36)測量其到遠程信標的水平距離&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會發生角度偏轉，這個偏轉角度 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和激光收發器之間的水平距離，必須使激光 掃描器收發器（36)在垂直面內進行補償角度，保證激光掃描收發器發射水平激光射線，保 證激光射線照射到信標及其內置激光感應器陣列（53)上，保證接收水平反射的激光信 號。具體的補償方法是：當電子羅盤測量到割草機機體逆時針方向偏轉角度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，控制激光掃描收發器 (36)反方向補償角度Θ 2, Θ 2 = - Θ 1，確保激光掃描收發器（36)保持水平狀態，滿足掃描 發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，激光掃描收發器在 垂直面的擺動補償控制，便于激光有效高度范圍內掃描到遠程信標（50)。信標內置激光感 應器陣列（53)，用于及時感應到掃描激光。激光感應器陣列（53)由4個激光感應器疊加而 成，以適應激光掃描收發器的高度變化，確保距離數據&1的有效性。4個激光感應器的感應 信號通過邏輯"或"運算，運算結果為" 1"表示該信標被掃描，此時的即為當前信標反射 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角趨勢提供輔助數據支持，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，根據割草機機體的轉角，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化為Α、Β相脈沖，根據脈沖頻率 和順序進行計數和正反轉判斷，將測得的結果，發送到運動控制模塊的脈沖計數器中，經總 線接口，發送到中央監控模塊的存儲器中。
[0030] (3)技術方案
[0031] 根據發明目標和工作原理，本發明提供的一種精密自動割草機分布式信標激光定 位與軌跡控制系統包括硬件和軟件。
[0032] 優選地，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 中央監控、運動控制、激光定位導航和超聲波控制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控模塊通信。所述第三部分包括分布式遠程信標控制模塊2個， 其中：一個遠程信標控制模塊安裝在遠程信標裝置（50)內，另一個遠程信標控制模塊安裝 在遠程信標裝置（51)內。每個遠程信標控制模塊通過各自的無線射頻接口與激光定位導 航模塊建立數據通信。
[0033] 優選地，所述遠程信標控制模塊包括遠程信標、信標控制器、激光反射感應器陣 列和射頻無線通信接口等外圍電路。
[0034] 優選地，所述軟件系統包括中央監控子系統、分布式信標激光掃描定位子系統、