一种双核四轮驱动UWB定位割草机器人及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种双核四轮驱动UWB定位割草机器人及其控制方法，包括割草机器人本体、充电定位站和UWB辅助定位基站；割草机器人采用DSP+FPGA双核处理器协同工作设计，能够大幅提高运算速度与控制精度，基于最新嵌入式技术的伺服系统，采用智能割草任务程序，建立割草区域栅格地图，进行全局覆盖路径规划，标记已割区域和未割区域，能够极大提高割草效率，减少草地漏割现象。

A dual core four wheel drive UWB positioning mowing robot and its control method

【技术实现步骤摘要】
一种双核四轮驱动UWB定位割草机器人及其控制方法
本专利技术属于割草机器人领域，尤其是一种双核四轮驱动UWB定位割草机器人及其控制方法。
技术介绍
割草机器人是一种能够自主行走割草的机器人。通常用于家庭、公园、园林、小区、高尔夫球场的草地修剪维护。由于割草机器人能够自动行走、自动割草、无需人工操作，能够减轻人力，提高工作效率，并能保持割草高度与质量的稳定。我国在割草机器人领域的研究开发相对滞后，整体水平不高，目前的割草机器人一般由机身、行走机构、切割机构、控制系统所组成，在工作前需要预埋边界线，割草机器人通过使用电磁传感器检测边界线上电流信号强弱来判断与边界间距离，基于单片机的控制器控制两台步进电机的来调整控制割草机的行走路径。对于此类割草机器人，智能化程度较低，实际使用存在着以下不足：现有的割草机器人采用步进电机，会遇到丢失脉冲造成电机失步现象发生，导致对割草位置的计算出现错误，割草机器人丢失实际位置。也会使得机体发热比较严重，有的时候需要进行加装散热装置，使得机器人整体重量增加，不利于机器人爬坡割草。甚至在系统运转的机械噪声大大增加，不利于环境保护。最后一点是割草机器人系统一般不适合高速运行，容易产生振动。目前的割草机器人设计通常采用单轮驱动或双轮驱动，虽然单轮驱动的割草机器人可以很好的满足对速度和方向的解耦，但是单轮驱动的行走电机功率较大，有时候会造成大马拉小车的现象出现。由于单轮驱动的割草机器人动力与地面的动力接触点只有一个，造成人为很难精确控制其移动的方向，轻微的一点干扰就能造成较大的方向改变。双轮驱动可以削弱单轮驱动的部分缺点，但是割草机器人在爬坡或遇到地面坑洼的时候需要通过电机过载来满足功率要求，长时间的运行会伤害电机的性能，造成系统的可靠性大幅度降低。割草机器人在许多紧急状态下需要快速加速和以较高的速度运行，在这种条件下系统需求的功率较大，满足正常行驶的两轮电机功率无法满足加速要求，系统无法满足紧急状况下的功率要求。现有的设计中割草机器人使用单核控制如图1，需要同时处理路径规划、导航控制、电机控制等工作，运算量大，导致运算速度慢，控制频率低精度差。由于割草机器人在运行过程中频繁的刹车和启动，加重了单核控制器的工作量，单核控制器无法满足割草机器人快速启动和停止的要求。由于受周围环境不稳定因素干扰，单核割草机器人控制器经常会出现异常，引起割草机器人在行驶过程中失控，抗干扰能力较差。虽然基于专用伺服控制芯片可以生成多轴电机的PWM控制信号，但是需要主控制器与专用芯片通讯后输入控制参数才可以实现，造成整体运算速度降低；受专用伺服控制芯片内部伺服程序的影响，一般情况下伺服控制PID参数不能实时更改，满足不了割草机器人实时快速伺服控制系统的要求；割草机器人运动模式采用简单的直线行走遇到边界转向的方式，缺少全局的路径规划，不够智能。割草机器人在割草行走过程中盲目行走，导致路径重复，浪费能源，续航能力短。割草机器人无法记录已割区域，会出现反复割同一区域现象，割草效率低。割草机器人使用定时工作模式，无法区别已割与未割区域，在结束割草作业后，往往有部分区域没有割，产生漏割现象。边界线需要人工安装，安装繁琐，工作量比较大。边界线预埋后，如果割草区域发生变化，很难修改。边界线常年暴露在室外，容易因腐蚀、氧化、动物破坏而损坏。割草机器人只能通过感应边界线确定是否出界，而无法得到自身精确位置。割下来的草比较大，仍遗留在草坪上，需要再次人工清理，费事费工。
技术实现思路
针对现有设计中的不足，本专利技术所采用的技术方案如下：一种双核四轮驱动UWB定位割草机器人，包括割草机器人本体、充电定位站和UWB辅助定位基站；割草机器人本体包括有机身、行走电机、减速器、主动轮、割草电机、割刀、碰撞杆、UWB定位标签、充电对接器、控制器、电池；所述控制器包括DSP处理器和FPGA处理器；所述充电定位站包括有充电系统和UWB定位基站，所述充电定位站固定在草地上，能够给割草机器人提供自动充电，并设有雨棚，能在下雨时保护割草机器人电子设备。所述UWB辅助定位基站安装在草地上固定位置；两个UWB辅助定位基站与充充电定位站之间通过UWB通信，既可以形成UWB定位系统，通过三角定位法算法得出安装有UWB定位标签的割草机器人位置；可以增加UWB辅助定位基站数量来提高定位精度。进一步，所述DSP处理器的输入端分别连接UWB定位标签、倾斜传感器、碰撞传感器、雨水传感器、陀螺仪和控制面板，所述DSP处理器的输出端连接FPGA处理器的输入端，所述FPGA处理器的输出端与行走电机、割草电机之间相互连接，通过FPGA处理器输出控制命令至行走电机和割草电机，所述FPGA处理器输入端还采集行走电机、割草电机的速度位置信息。进一步，所述行走电机采用直流无刷伺服电机，且所述行走电机依次连接减速器和主动轮；所述割草电机采用直流无刷电机，且所述直流无刷电机连接割刀，所述割刀有双层。进一步，所述UWB定位标签设有两个，第一UWB定位标签设置于机身后部中间，第二UWB定位标签设置于机身前部中间；所述第一UWB定位标签位于第二UWB定位标签的正后方，第一UWB定位标签和第二UWB定位标签中线的连线始终为机身中轴线，第一UWB定位标签和第二UWB定位标签的安装高度一致。进一步，所述UWB定位基站与第一UWB辅助定位基站、第二UWB辅助定位基站通过UWB通信构成机身坐标定位系统；在机身坐标定位系统中，主控单元采用三角定位算法分别获得第一UWB定位标签的绝对坐标、第二UWB定位标签的绝对坐标以及机身的绝对坐标。进一步，所述充电对接器安装于机身前部，且所述充电对接器连接电池，为电池进行充电；所述电池分别为DSP处理器和FPGA处理器提供电能。一种双核四轮驱动UWB定位割草机器人控制方法，包括以下步骤：S1，割草机器人启动后将先进行初始化；采用启动权限保护，需输入权限密码，割草机器人才能启动工作，否则割草机器人就待在原地等待权限开启命令；S2，初始化后将进入主程序循环；检测各模块工作是否正常，检测电池电压是否过低若电压过低，将提示电量低无法工作，并进入充电模式。S3，检测UWB定位程序是否正常，如果UWB定位出现丢失，即进入停机自锁模式，若正常则转S4。S4，查询控制面板按键及其标志位；通过控制面板和割草机器人交互，设定基础参数；割草机器人将存储相关信息在主存储器中，并将影响相关的标志位。S5，查询是否需要出充电站，如果割草机器人在充电站中，并且用户需要割草机器人出充电站，割草机器人将执行出充电站程序；DSP(TMS320F28335)会自动断开连接线与交流电源的连接，割草机器人转为蓄电池供电状态。S6，查询是否执行割草任务，如果需要执行割草任务，割草机器人将进入割草任务工作模式，否者将进入下个循环。S7，特殊情况通过中断服务程序进行，如倾斜传感器、碰撞传感器、雨水传感器将会影响中断标志位；如果中断标志位使能，程序将保存现场，进入中断服务程序。S8，进入中断服务本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双核四轮驱动UWB定位割草机器人，其特征在于，包括割草机器人本体、充电定位站和UWB辅助定位基站；割草机器人本体包括有机身、行走电机、减速器、主动轮、割草电机、割刀、碰撞杆、UWB定位标签、充电对接器、控制器、电池；所述控制器包括DSP处理器和FPGA处理器；/n所述充电定位站包括有充电系统和UWB定位基站，所述充电定位站固定在草地上，能够给割草机器人提供自动充电，并设有雨棚，能在下雨时保护割草机器人电子设备；/n所述UWB辅助定位基站安装在草地上固定位置；两个UWB辅助定位基站与充充电定位站之间通过UWB通信，能够形成UWB定位系统，且通过三角定位法算法得出安装有UWB定位标签的割草机器人位置。/n

【技术特征摘要】
1.一种双核四轮驱动UWB定位割草机器人，其特征在于，包括割草机器人本体、充电定位站和UWB辅助定位基站；割草机器人本体包括有机身、行走电机、减速器、主动轮、割草电机、割刀、碰撞杆、UWB定位标签、充电对接器、控制器、电池；所述控制器包括DSP处理器和FPGA处理器；
所述充电定位站包括有充电系统和UWB定位基站，所述充电定位站固定在草地上，能够给割草机器人提供自动充电，并设有雨棚，能在下雨时保护割草机器人电子设备；
所述UWB辅助定位基站安装在草地上固定位置；两个UWB辅助定位基站与充充电定位站之间通过UWB通信，能够形成UWB定位系统，且通过三角定位法算法得出安装有UWB定位标签的割草机器人位置。


2.根据权利要求1所述的一种双核四轮驱动UWB定位割草机器人，其特征在于，所述DSP处理器的输入端分别连接UWB定位标签、倾斜传感器、碰撞传感器、雨水传感器、陀螺仪和控制面板，所述DSP处理器的输出端连接FPGA处理器的输入端，所述FPGA处理器的输出端与行走电机、割草电机之间相互连接，通过FPGA处理器输出控制命令至行走电机和割草电机，所述FPGA处理器输入端还采集行走电机、割草电机的速度位置信息。


3.根据权利要求1或2所述的一种双核四轮驱动UWB定位割草机器人，其特征在于，所述行走电机采用直流无刷伺服电机，且所述行走电机依次连接减速器和主动轮；所述割草电机采用直流无刷电机，且所述直流无刷电机连接割刀，所述割刀有双层。


4.根据权利要求3所述的一种双核四轮驱动UWB定位割草机器人，其特征在于，所述UWB定位标签设有两个，第一UWB定位标签设置于机身后部中间，第二UWB定位标签设置于机身前部中间；所述第一UWB定位标签位于第二UWB定位标签的正后方，第一UWB定位标签和第二UWB定位标签中线的连线始终为机身中轴线，第一UWB定位标签和第二UWB定位标签的安装高度一致。


5.根据权利要求4所述的一种双核四轮驱动UWB定位割草机器人，其特征在于，所述UWB定位基站与第一UWB辅助定位基站、第二UWB辅助定位基站通过UWB通信构成机身坐标定位系统；在机身坐标定位系统中，主控单元采用三角定位算法分别获得第一UWB定位标签的绝对坐标、第二UWB定位标签的绝对坐标以及机身的绝对坐标。


6.根据权利要求5所述的一种双核四轮驱动UWB定位割草机器人，其特征在于，所述充电对接器安装于机身前部，且所述充电对接器连接电池，为电池进行充电；所述电池分别为DSP处理器和FPGA处理器提供电能。


7.一种基于权利要求6所述的双核四轮驱动UWB定位割草机器人控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，割草机器人启动后将先进行初始化；采用启动权限保护，需输入权限密码，割草机器人才能启动工作，否则割草机器人就待在原地等待权限开启命令；
S2，初始化后将进入主程序循环；检测各模块工作是否正常，检测电池电压是否过低若电压过低，将提示电量低无法工作，并进入充电模式；
S3，检测UWB定位程序是否正常，如果UWB定位出...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈禹伸，李华京，
申请(专利权)人：江苏若博机器人科技有限公司，垒途智能教科技术研究院江苏有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32