CN105119338A - 移动机器人充电控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种移动机器人充电控制系统及方法，使用无线通信建立充电座和移动机器人之间的沟通机制，在开始寻找充电座时，结合充电座和机器人的方位信息，移动机器人能够快速地知道充电座的大体方位，并根据充电座的方位结合机器人的大体方位不断地尝试着接近充电座，在靠近充电座时，使用红外通信的方法将机器人引导到充电座上面，这样即使是充电座跟机器人在不同的房间，也能够实现对接。本发明通过充电座和移动机器人之间建立的无线的沟通机制，结合两者之间的地理方位，红外信号导向，可以使得机器人快速准确地返回充电座。

Description

移动机器人充电控制系统及方法

技术领域

本发明涉及信号处理及自动控制技术领域，具体涉及移动机器人充电控制系统及方法。

背景技术

随着生活水平的提高，越来越多人渴望得到更多的个人时间，以便享受生活。然而，快节奏的工作，繁重的家务，占用了人们大量的个人时间。随着科学技术的发展，移动机器人可以逐步代替人类承担简单重复的体力劳动。这些机器人里面有相当一部分机器必须要自带电池以实现可移动性，在电池耗尽的情况下，机器人就无法工作，那么就必须时时监测机器人的电量，当电量低至设置的阈值时或者人工启动充电命令时，机器人就必须启动寻找充电座的模式，以便及时返回充电座进行充电。

目前市面上的移动机器人寻找充电座的方法有多种：1、红外信号引导法，移动机器人上装有红外接收头，充电座从各个角度发射不同值的红外载波信号，移动机器人根据接收到的不同红外解调信号，判断充电座的位置。2、射频无线引导法，充电座按照一定的周期，由强渐弱地发送无线信号，机器人根据某个范围内的信号有无状态，从而追踪到座的位置。3、图像识别法，充电座被涂成某一种特殊的颜色或者某一个特殊的形状或者在充电座上贴上二维码，移动机器人上装有摄像头，通过摄像头拍照图像，运用相关的图像处理技术识别出来充电座位置。上述第一种方法是只是单纯的光学红外线技术方法,红外线只能在直线视距内传输，可视范围窄，容易受到外部障碍物的遮挡跟干扰，造成信号的丢失，所以不利于远距离或者隔着障碍物寻充电座，由于接收头在移动机器人上，容易受到外界环境的红外信号的干扰，而且由于充电座必须要一面挨着固定物放置，因此减少了红外发射信号的覆盖范围。上述第二种方法虽然不会受到外部障碍物的遮挡跟干扰，但是只能寻找到充电座的大概位置。上述第三种方法更加容易受到外部环境的影响，遮挡跟光线不好，都会导致识别出错，而且运算量比较大，造成移动机器人在找充电座的过程当中，电量消耗比较大。

发明内容

本发明目的是提供一种移动机器人充电控制系统及方法，使得移动机器人能够快速、准确地返回充电座。本发明的目的由以下技术方案实现：

一种移动机器人充电控制系统，包括移动机器人及充电座；其特征在于：移动机器人包括机体、电能存储单元、充电模块、第一主控模块及与第一主控模块连接的第一无线收发模块、行动模块、障碍物检测传感器、碰撞检测装置、第一地理方位传感器和至少四个红外信号发送单元；充电模块设置于机体上，与电能存储单元连接；至少四个红外信号发送单元设置于机体的四周，整体的信号发送覆盖范围为360度，每个红外信号发送单元发射的信号范围分别被限制在设定的区域内，各红外信号发送单元发射的信号数值不同且各红外信号发送单元发射的红外信号分强弱两部分；充电座包括座体、第二主控模块及与第二主控模块连接的第二无线收发模块、第二地理方位传感器、供电模块和至少两个红外信号接收单元，至少两个红外信号接收单元以一定的横向间距安装于座体前端，整体的信号接收覆盖范围为180度，并且各红外信号接收单元的接收信号的范围通过结构性遮挡限定在设定的角度范围；所述第一无线收发模块用于和所述第二无线收发模块无线通信配合，所述红外信号发送单元用于和所述红外信号接收单元红外通信配合，所述供电模块用于和所述充电模块电能传输地对接配合。

作为具体的技术方案，所述机体为圆盘盒状，所述至少四个红外信号发送单元具体为九个，其中两个小间距地布置于移动机器人机体的正前端，其余七个分别布置于移动机器人机体的正后端、正左端、正右端、左前端、左后端、右前端和右后端。

作为具体的技术方案，所述至少两个红外信号接收单元具体为四个，其中两个小间距地布置于座体前端中部，另外两个布置于所述小间距设置的两个红外信号接收单元的两侧。

作为具体的技术方案，所述第一地理方位传感器和第二地理方位传感器由陀螺仪或者地磁传感器实现。

作为具体的技术方案，所述障碍物检测传感器设置于前进方向侧的机体上，由光电对管传感器或者超声波传感器实现。

作为具体的技术方案，所述碰撞检测装置设置于前进方向侧的机体上，由物理的微动开关、光电开关，或电容接近传感器实现。

一种基于上述移动机器人充电控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

(1)移动机器人通过无线通信方式向充电座发射充电请求无线信号并等待充电座回复允许充电信号；

(2)移动机器人接收到允许充电信号的回复以后，开始检测自己的地理方位并告知充电座，充电座接收到移动机器人的方位信号后检测自身的地理方位信号并回复给移动机器人，移动机器人结合两者的地理方位信息计算出两者的相对位置；

(3)移动机器人根据两者的相对位置，调整姿态朝着垂直于充电座的方位方向；

(4)移动机器人启动各红外信号发送单元发射红外信号，并开启碰撞检测装置、障碍物检测传感器及行动模块；

(5)充电座接收到移动机器人发送的红外信号并回应移动机器人，同时充电座通过分布在充电座不同方位的红外信号接收单元收集到的红外信号，分析判断移动机器人相对充电座的方位，然后告诉移动机器人调整姿态运动到充电座的正前方；

(6)随着移动机器人不断靠近充电座，充电座接收到移动机器人红外信号发送单元发射出来的弱信号，机器人随后减速前进并不断地小幅度调整运动方向，一直到充电座的前端正对移动机器人的前端；

(7)充电座告诉机器人停止调整运动方向，一直向前运动与充电座对接成功。

作为进一步的技术方案，步骤(4)之后，如果移动机器人向前运动超过一定距离或者碰到障碍物时，都没有收到充电座接收到移动机器人发送的红外信号的回应信号，则进入以下步骤：a.机器人掉头往回运动并实时检测充电座的回应信号，如果收到充电座的回应信号，则进入步骤(5)，否则进入步骤b；b.机器人继续向前运动，如果向前运动超过一定距离或者碰到障碍物都没有收到充电座的回应信号则进入步骤c，否则进入步骤(5)；c.移动机器人返回一段距离，围绕着机器人的中心进行旋转，旋转的半径越来越大，如果碰撞障碍物就调整旋转的圆心并增大旋转的半径后旋转，同时检测到充电座的回应信号。

作为具体的技术方案，步骤(6)中确定充电座的前端正对移动机器人的前端的方法为：移动机器人机体的正前端小间距地布置两个红外信号发送单元，充电座座体前端中部小间距地布置两个红外信号接收单元；一直到充电座前端两个小间距红外信号接收单元分别接收到机器人前端的小间距设置的两个红外信号发送单元的信号，则认为移动机器人对准了充电座。

本发明提供的移动机器人充电控制系统及方法，使用无线通信建立充电座和移动机器人之间的沟通机制，在开始寻找充电座时，结合充电座和机器人的方位信息，移动机器人能够快速地知道充电座的大体方位，并根据充电座的方位结合机器人的大体方位不断地尝试着接近充电座，在靠近充电座时，使用红外通信的方法将机器人引导到充电座上面，这样即使是充电座跟机器人在不同的房间，也能够实现对接。本发明通过充电座和移动机器人之间建立的无线的沟通机制，结合两者之间的地理方位，红外信号导向，可以使得机器人快速准确地返回充电座。

附图说明

图1为本发明实施例中移动机器人的构成示意图。

图2为本发明实施例中移动机器人的红外信号发送单元发送信号的角度范围示意图。

图3为本发明实施例中充电座的构成示意图。

图4为本发明实施例中移动机器人找充电座的空间示意图。

图5为本发明实施例中移动机器人找充电座的方法流程图。

具体实施方式

结合图1及图3所示，本实施例提供的移动机器人充电控制系统包括移动机器人10及充电座20。移动机器人10可以为执行吸尘等清洁功能的受控自主移动机器人，其相应设置有功能执行模块，例如清扫及吸尘机构等(该部分并非本申请的重点，本文将不再赘述)；充电座20一般设置于房间内的墙根处，用于为移动机器人10充电。

如图1所示，移动机器人10包括机体11、电能存储单元、充电模块(图中未示)、第一主控模块12及与第一主控模块12连接的第一无线收发模块13、行动模块14、第一地理方位传感器15、碰撞检测装置17、五个障碍物检测传感器(图中分别标号为161-165)和九个红外信号发送单元(图中分别标号为181-189)。机体11为圆盘盒状，第一主控模块12、第一无线收发模块13、地理方位传感器15设置于机体11内。行动模块14具有两个行动轮(设置于机体11的底盘)及电驱动机构，电驱动机构的控制端连接第一主控模块12的行动控制信号输出端，根据行动控制信号控制行动轮的动作，进而通过行动轮驱动机体11的前进及转向。充电模块设置于机体11上特定位置，用于和充电座20的充电模块对接后为电能存储单元充电，对接的方式可以是无线对接或有线对接。电能存储单元为整个移动机器人10提供工作电源。

第一红外信号发送单元181和第二第一红外信号发送单元182两者小间距地布置于机体11的正前端侧壁上，其余七个分别布置于移动机器人机体的正后端、正左端、正右端、左前端、左后端、右前端和右后端。五个障碍物检测传感器161-165设置于机体11前进方向的半圆周的侧壁上，其中第一障碍物检测传感器161位于第一红外信号发送单元181和第二第一红外信号发送单元182之间，五个障碍物检测传感器161-165均与第一主控模块12的相应控制端及信号采集端连接。碰撞检测装置17设置于机体11前进方向的半圆周的外围，碰撞检测装置与第一主控模块12的相应控制端及信号采集端连接。

结合图1及图2所示，上述移动机器人10的九个红外信号发送单元181-189的信号覆盖范围为360度，但每个红外信号发送单元发射的信号范围都分别被限制在如图2中的1、2、3、4、5、6、7、8、9的区域内，红外信号发送单元发射的红外信号分强弱两部分。第一红外信号发送单元181和第二第一红外信号发送单元182同时用于跟充电座20对准，因此设置距离比较近、发射范围比较小。

如图3所示，充电座20包括座体21、第二主控模块22及与第二主控模块22连接的第二无线收发模块23、供电模块(图中未示)、第二地理方位传感器25和四个红外信号接收单元(图中分别标号为241-244)。第二主控模块22、第二无线收发模块23及第二地理方位传感器25设置于座体21内。四个红外信号接收单元241-244以一定的横向间距安装于座体前端，其中第一红外信号接收单元241和第二红外信号接收单元242彼此小间距地布置于座体21中部，另外两个相对较大间距地布置于第一红外信号接收单元241和第二红外信号接收单元242的两侧。四个红外信号接收单元241-244整体的信号接收覆盖范围为180度，各红外信号接收单元的接收信号的范围通过结构性遮挡限定在设定的角度范围。

上述移动机器人10和充电座20中，第一无线收发模块13用于和第二无线收发模块23无线通信配合，以建立移动机器人10和充电座20之间的无线沟通机制，无线通信可以是一般射频，WIFI,蓝牙，Zigbee等，可以不受到障碍物的影响，即使隔障碍物两者之间也可以正常通信。

第一地理方位传感器15用于感知移动机器人10的朝向，第二地理方位传感器25用于感知充电座20的朝向，第一地理方位传感器15和第二地理方位传感器25可以通过陀螺仪或者地磁传感器等来实现。在需要的时候，第一地理方位传感器15将获取的朝向信息提供给第一主控模块12，进而通过第一无线收发模块13告知充电座20；充电座20可以通过第二主控模块22经第二地理方位传感器25获取自身朝向信息，充电座20结合自身朝向及移动机器人10的朝向信息生成行动控制指令，通过无线通信指挥移动机器人10的前进行方向。五个障碍物检测传感器161-165可以是光电对管传感器或者超声波传感器，可以提前探测到障碍物并反馈探测信号给第一主控模块12，由第一主控模块12规划新的前进路线。碰撞检测装置17可以是物理的微动开关、光电开关，也可以是电容接近传感器，当碰撞到障碍物时，就会生成碰撞信号并反馈探测信号给第一主控模块12，由第一主控模块12规划新的前进路线。

九个红外信号发送单元181-189用于和四个红外信号接收单元241-244以红外通信方式配合。红外信号发送单元用于发送载波的红外信号，以便充电座能够识别移动机器人相对于充电座的运动位置跟朝向，并使用于机器人接近充电座时，机器人跟充电座的对准。红外信号接收单元用于接收移动机器人发送出来的红外信号，并根据接收到的红外信息分析移动机器人相对充电座的位置跟朝向目前的姿态，并通过无线模块通知移动机器人进行前进方向的调整。

具体地，九个红外信号发送单元181-189向外部发送38khz左右的红外载波信号，每个红外信号发送单元发射的红外信号都不一样，比如安装在前面的红外信号发送单元发射的信号是0x88的数值，后面的红外信号发送单元发射的信号是0x81，当充电座20上的某个红外信号接收单元接收到0x88的信号而接收不到0x81时，充电座20的第二主控模块22通过分析就知道移动机器人10面对它，再通过其它红外信号接收单元接收到的不同红外信号进行进一步分析就可以知道移动机器人10是位于充电座20的左前方、正前方还是右前方，同样如果充电座20上的某个红外信号接收单元接收到0x81的信号而接收不到0x88时，充电座通过分析就知道移动机器人背对它，再通过其它红外信号接收单元接收到的不同红外信号进行进一步分析就可以知道移动机器是位于充电座20的左前方、正前方还是右前方。充电座20根据收集到的机器人姿态信息，生成行动控制指令，通过第二无线收发模块23告诉移动机器人10下一步应该怎么调整姿态。比如，如果机器人是正背对着充电座，那么充电座就告诉机器人旋转180度。

结合图4及图5所示，基于上述移动机器人充电控制系统的控制方法及过程详述如下：

移动机器人10首先通过无线通信方式向充电座20发射充电请求无线信号，当充电座20连接上电源并正常工作时，充电座20会回复移动机器人10一个允许充电信号；移动机器人10接收到允许充电信号的回复以后，开始检测自己的地理方位并告知充电座20，充电座20接收到机器人的方位信号后检测自身的地理方位信号并回复给机器人，机器人结合两者的地理方位信息计算两者的相对位置。如果机器人一直没有接收到充电座回复的充电允许充电信号，机器人会一直循环发送请求，直到请求的次数大于某一个数n，机器人才认为充电座出现故障，这时移动机器人通过其设置的语音跟显示模块提醒充电座故障，这个故障有可能是充电座没有上电引起的，那么用户就可以及时修复这个故障，机器人就开始随机跑动，并一直保持发送充电请求无线信号，一直到接收到充电座20回复的充电信号或者由于运动的时间到达一定的设置时间而停止运动。

移动机器人根据两者之间的方位信息计算出两者的相对位置，并调整姿态朝着垂直于充电座的方位方向；之后移动机器人10启动各红外信号发送单元发射红外信号，开启碰撞检测装置17、障碍物检测传感器及行动模块14。如图4所示(图4只代表一种典型的情况)，可能的运动有两个，如果向运动方向1运动，充电座的红外信号接收单元就可以一直接收到机器人发送出来的红外信号，如果向运动方向2运动，充电座的红外信号接收单元就可能接收不到机器人发送的红信号，一直到机器人运动到碰撞到墙体后返回后沿着运动方向1前进才有可能被充电座监控到。机器人发射的红外信号，分强弱两部分，如果充电座接收到弱的红外信号，那么代表机器人离充电座比较近，否则如果只接收到强的红外信号，那么代表离充电座相对较远。充电座接收到机器人发送的红外信号后，通过分布在充电座不同方位的红外信号接收单元收集到的红外信号，分析判断机器人相对充电座的方位，然后通过无线模块告诉机器人调整姿态运动到充电座的正前方，随着机器人不断靠近充电座，充电座就可以接收到机器人红外信号发送单元发射出来的弱信号。机器人随后减速前进，开启充电对准模式，机器人不断地小幅度调整运动方向，一直到充电座的中间两个小间距红外信号接收单元分别接收到机器人前方的小间距的两个红外信号发送单元的信号，才认为机器人已经完全对准了充电座，这时充电座告诉机器人停止调整运动方向，一直向前运动就可以跟充电座对接成功。

如果机器人分别向图4中方向1跟方向2运动都没有遇到充电座，机器人就有可能在一个封闭的空间(封闭空间有可能是房间也有可能是由很多障碍物形成的封闭空间)或者在一个很大的空间里面运动，这时机器人进入旋转运动模式，在旋转的过程当中，不断地增大机器人的旋转半径。如果是在比较大的空间内，旋转运动会使机器人不断地接近充电座，那充电座就会接收到机器人的红外信号。如果是在一个封闭空间里，旋转运动根据碰撞到的障碍物情况不断调整运动的半径跟原点也可以摆脱这个封闭环境，从而使机器人进入跟充电座的空间。

以上实施例仅为充分公开而非限制本发明，凡是基于本发明主旨且未经创造性劳动即可获得的等效技术特征的替换，应当属于发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种移动机器人充电控制系统，包括移动机器人及充电座；其特征在于：移动机器人包括机体、电能存储单元、充电模块、第一主控模块及与第一主控模块连接的第一无线收发模块、行动模块、障碍物检测传感器、碰撞检测装置、第一地理方位传感器和至少四个红外信号发送单元；充电模块设置于机体上，与电能存储单元连接；至少四个红外信号发送单元设置于机体的四周，整体的信号发送覆盖范围为360度，每个红外信号发送单元发射的信号范围分别被限制在设定的区域内，各红外信号发送单元发射的信号数值不同且各红外信号发送单元发射的红外信号分强弱两部分；充电座包括座体、第二主控模块及与第二主控模块连接的第二无线收发模块、第二地理方位传感器、供电模块和至少两个红外信号接收单元，至少两个红外信号接收单元以一定的横向间距安装于座体前端，整体的信号接收覆盖范围为180度，并且各红外信号接收单元的接收信号的范围通过结构性遮挡限定在设定的角度范围；所述第一无线收发模块用于和所述第二无线收发模块无线通信配合，所述红外信号发送单元用于和所述红外信号接收单元红外通信配合，所述供电模块用于和所述充电模块电能传输地对接配合。

2.根据权利要求1所述的移动机器人充电控制系统，其特征在于，所述机体为圆盘盒状，所述至少四个红外信号发送单元具体为九个，其中两个小间距地布置于移动机器人机体的正前端，其余七个分别布置于移动机器人机体的正后端、正左端、正右端、左前端、左后端、右前端和右后端。

3.根据权利要求2所述的移动机器人充电控制系统，其特征在于，所述至少两个红外信号接收单元具体为四个，其中两个小间距地布置于座体前端中部，另外两个布置于所述小间距设置的两个红外信号接收单元的两侧。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的移动机器人充电控制系统，其特征在于，所述第一地理方位传感器和第二地理方位传感器由陀螺仪或者地磁传感器实现。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的移动机器人充电控制系统，其特征在于，所述障碍物检测传感器设置于前进方向侧的机体上，由光电对管传感器或者超声波传感器实现。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的移动机器人充电控制系统，其特征在于，所述碰撞检测装置设置于前进方向侧的机体上，由物理的微动开关、光电开关，或电容接近传感器实现。

7.一种基于权利要求1所述移动机器人充电控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

(1)移动机器人通过无线通信方式向充电座发射充电请求无线信号并等待充电座回复允许充电信号；

(2)移动机器人接收到允许充电信号的回复以后，开始检测自己的地理方位并告知充电座，充电座接收到移动机器人的方位信号后检测自身的地理方位信号并回复给移动机器人，移动机器人结合两者的地理方位信息计算出两者的相对位置；

(3)移动机器人根据两者的相对位置，调整姿态朝着垂直于充电座的方位方向；

(4)移动机器人启动各红外信号发送单元发射红外信号，并开启碰撞检测装置、障碍物检测传感器及行动模块；

(5)充电座接收到移动机器人发送的红外信号并回应移动机器人，同时充电座通过分布在充电座不同方位的红外信号接收单元收集到的红外信号，分析判断移动机器人相对充电座的方位，然后告诉移动机器人调整姿态运动到充电座的正前方；

(6)随着移动机器人不断靠近充电座，充电座接收到移动机器人红外信号发送单元发射出来的弱信号，机器人随后减速前进并不断地小幅度调整运动方向，一直到充电座的前端正对移动机器人的前端；

(7)充电座告诉机器人停止调整运动方向，一直向前运动与充电座对接成功。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，步骤(4)之后，如果移动机器人向前运动超过一定距离或者碰到障碍物时，都没有收到充电座接收到移动机器人发送的红外信号的回应信号，则进入以下步骤：a.机器人掉头往回运动并实时检测充电座的回应信号，如果收到充电座的回应信号，则进入步骤(5)，否则进入步骤b；b.机器人继续向前运动，如果向前运动超过一定距离或者碰到障碍物都没有收到充电座的回应信号则进入步骤c，否则进入步骤(5)；c.移动机器人返回一段距离，围绕着机器人的中心进行旋转，旋转的半径越来越大，如果碰撞障碍物就调整旋转的圆心并增大旋转的半径后旋转，同时检测到充电座的回应信号。

9.根据权利要求7或8所述的控制方法，其特征在于，步骤(6)中确定充电座的前端正对移动机器人的前端的方法为：移动机器人机体的正前端小间距地布置两个红外信号发送单元，充电座座体前端中部小间距地布置两个红外信号接收单元；一直到充电座前端两个小间距红外信号接收单元分别接收到机器人前端的小间距设置的两个红外信号发送单元的信号，则认为移动机器人对准了充电座。