本發(fā)明涉及一種智能割草機系統(tǒng)，尤其是指一種草坪割草機無電線圍欄的邊界確定方法。

背景技術：
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國外具有獨立建筑住房家庭一般都有草坪，國內有草坪的住家也逐漸增多，隨著城市環(huán)境綠化的大量發(fā)展，各種草坪遍地可見，過去多用人工割草機，需要繁重的勞動力。為此，近些年適合小型草坪的自動割草機應運而生。目前國內外生產的自動割草機主要采用在草坪邊界處用圈埋電線技術，利用自動割草機對草坪邊界電子圍欄的無線電信號的響應，割草機在圈定區(qū)域內運行割草。由于無線電信號易受電磁干擾以及為圍欄電線易受環(huán)境與人為損壞,自動割草機難以始終獲得準確的邊界信息，無法保證按邊界準確運行。在草坪邊界處用圈埋電線頁給用戶帶來很多麻煩和維護困難。

另一方面，由于戶外草坪多半沒有圍墻，激光、雷達、紅外、超聲波等測距傳感器都無法使用。因此，無電線圍欄的邊界確定方法一直是一個難題。

技術實現要素：
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本發(fā)明提供一種草坪割草機無電線圍欄的邊界確定方法，利用自動割草機本身的裝置和計算機軟件系統(tǒng)，實現在無外部提供邊界信息情況下，自動獲取草坪邊界數據，并且，只要一次性獲得準確草坪邊界形狀和位置信息，將邊界數據存儲在割草機計算控制系統(tǒng)中，就不必每次割草重新計算邊界。

本發(fā)明采用如下技術方案：一種草坪割草機無電線圍欄的邊界確定方法，包括草坪邊界的自主識別方法和草坪邊界形狀定位定量方法，草坪邊界的自主識別方法是通過主動識別草坪邊界的硬件系統(tǒng)和草坪邊界識別的軟件程序來實現的，所述主動識別草坪邊界的硬件系統(tǒng)包括彩色攝像機和圖像處理分析模塊，所述彩色攝像機安裝在草坪割草機的前部，并通過數據線與圖像處理分析模塊連接，以傳遞所攝割草機前下方的地面圖像信息；所述圖像處理分析模塊安裝在草坪割草機的內部，所述圖像處理分析模塊中的微型計算處理器設置有草坪邊界識別的軟件程序，所述草坪邊界識別的軟件程序通過對于彩色圖像邊緣檢測算法、銳化和邊緣曲線提取，得到草坪邊界單調圖。

草坪邊界形狀定位定量方法是通過草坪邊界形狀定位定量的硬件系統(tǒng)和草坪邊界形狀定位定量的軟件程序來實現的；草坪邊界形狀定位定量的硬件系統(tǒng)包括光流傳感器和計算控制系統(tǒng)，所述光流傳感器安裝在草坪割草機的前部，并通過數據線與計算控制系統(tǒng)連接,以傳遞所實時捕獲的草坪割草機前下方的光流圖像信息，所述計算控制系統(tǒng)安裝在草坪割草機的內部，計算控制系統(tǒng)包含微型計算處理器和微型陀螺角速率儀，計算控制系統(tǒng)設置有草坪邊界形狀定位定量的軟件程序，草坪邊界形狀定位定量的軟件程序中的一個子程序根據草坪邊界單調圖，通過微型計算處理器和微型陀螺角速率儀實時控制割草機行駛輪沿草坪邊界內側前進，每隔一個短時間段△t記錄對應的草坪邊界曲線點，并編序號；草坪邊界形狀定位定量的軟件程序中的另一個子程序通過對很短時間間隔相近幀光流圖像的特征區(qū)域光流的捕獲的數據，計算在割草機前進反方向上的光流變化速率，以此求出該時刻的割草機瞬時前進速度V；進一步通過記錄割草機前進的每個短時間段△t與瞬時前進速度V的乘積，得到每個短時間段△t_j割草機所前進的距離△S_j,并記錄各段j前進曲線長度和相應邊界點序號。

對割草機沿草坪邊界前進中每三個相鄰記錄的邊界點，擬合為一段“拋物線”，依次得到一個沿邊界前進的“拋物線”序列；將割草機完成草坪全部邊界運行后得到的“拋物線”序列，用一個參數樣條曲線擬合，得到一個完整的參數樣條曲線表示的草坪邊界形狀。

本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)無需在草坪周圍圈埋電線，避免圍欄電線易受環(huán)境與人為損壞；

(2)不受外部無線電信號的電磁干擾；

(3)減少用戶埋電線的麻煩和維護困難；

(4)只需一次性獲得準確草坪邊界形狀和位置信息，不必每次割草重新尋找邊界。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的智能割草機草坪邊界確定系統(tǒng)的示意圖。

圖2為本發(fā)明的彩色圖像曲線邊界提取的示意圖(左圖為原始彩色圖像，右圖為提取的曲線邊界圖)。

圖3為本發(fā)明的彩色圖像直線邊界提取的示意圖(上圖為原始彩色圖像，下圖為提取的直線邊界圖)。

圖4為本割草機的邊界透視圖像的計算原理圖。

圖5為本割草機的光流變化速率獲取計算的示意圖。

圖6為本割草機的獲取邊界點擬合成拋物線的示意圖。

圖7為本發(fā)明用參數樣條曲線擬合成一個完整邊界曲線的示意圖。

其中：

1-彩色攝像機；2-光流傳感器；3-圖像處理分析模塊；4-計算控制系統(tǒng)；5-割草機；6-特征像素點區(qū)。

具體技術方案：

1.對彩色攝像機所采集的圖像，圖像處理分析模塊采用小波分析原理對彩色圖像進行邊緣提取的方法，此方法不但比灰度圖像的邊緣提取信息更豐富，而且特別適于對綠色草坪邊界的確定，圖2為曲線邊界的提取，圖3為直線邊界的提取。

2.安裝在草坪割草機前部的彩色攝像機1與地面有一傾角θ(本方法取為30°),對于彩色攝像機所獲取的圖像上像素點之間的距離值，應通過以下兩點透視圖原理公式計算還原出地面點的實際距離值(圖4)。

[x,y,z,1]·R_z(θ)·T＝[x^*,y^*,z^*,1]

其中，[x,y,z]為實際地面點值，[x^*/z^*,y^*/z^*]為透視圖像上對應點值，

θ為攝像機傾角，d為視距

對于直線段轉角的計算，利用微型陀螺角速率儀的積分和透視圖像分析相結合來確定。

3.安裝在草坪割草機前部的光流傳感器2，安裝方向與地面垂直，因此獲取的地面光流圖像與地面平行。所述光流變化速率獲取方法，因對很短時間內兩幀光流圖像分析，這個“很短時間”取決于所獲取的圖像前部“特征區(qū)”，在該時間段內仍在圖像中出現，并且很短時間內特征區(qū)沒有明顯變化，因此可以計算出光流特征區(qū)的位移和運動速率(圖5)。在確定圖像所反映的地面實際距離比值得情況下，可以直接由不同幀特征像素點區(qū)6的位移距離獲得對應地面點位移的實際距離。再除以兩幀圖像之間的時間就可以得到該瞬時的光流移動速度，也就獲得割草機該時刻行駛速度V。對于一個短時間段△t(如每隔2秒記錄一次邊界點),乘以速度V，就得到該邊界點與前一個邊界點之間的“弧長”值。

4.對割草機沿草坪邊界前進中每三個相鄰記錄的邊界點(u₁,u₂,u₃)，通過以下方程組擬合為一段“拋物線”(圖6)：

依次得到一個沿邊界前進的“拋物線”序列；將割草機完成草坪全部邊界運行后得到的“拋物線”序列。對于各段“拋物線”，用導數求出各段的外側凸點，再用一個參數樣條曲線對各段拋物線外側凸點進行光順擬合，從而得到一個完整的參數樣條曲線表示的草坪邊界形狀(圖7)：

以累加弦長三次樣條曲線方程寫成向量形式，參數曲線為：

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應視為本發(fā)明的保護范圍。