CN105487543A - 移动机器人归位充电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种移动机器人归位充电系统，包括：红外发射器，布置于充电基座内部，用于产生扇形的红外信号区域；五个红外接收器，用于检测红外发射器发射的信号；超声波传感器，用于检测机器人与充电基座之间的距离；第一无线通信模块，布置于机器人内，用于向充电基座发出充电请求信号；控制模块，布置于充电基座内部，用于通过第二无线通信模块接收充电请求信号，并在接收到充电请求信号后控制红外发射器产生扇形的红外信号区域；移动机构，用于驱动机器人移动或转动；以及主控制器，用于根据超声波传感器检测到的距离以及五个红外接收器接收红外发射器信号的情况，控制移动机构动作，以驱动机器人转向或者前移。

Description

移动机器人归位充电系统
技术领域
本发明涉及可移动服务机器人技术领域，尤其涉及一种移动机器人归位充电系统。
背景技术
具有自主行为的电驱动移动机器人，在连续执行任务时，会遇到电池电量不足情况，此时需要自主返回充电基座补充电量。对于家庭服务机器人必须是后部进入充电基座，在充电过程中机器人仍然可以执行视觉安防检测任务。目前主要有几种自动归位充电方法：基于红外接收器和陀螺仪；基于红外接收器和视觉传感器；以及基于红外接收器。
基于红外接收器和陀螺仪的方法在调整机器人的姿态时需要用到陀螺仪提供的航向角度，陀螺仪传感器自身存在漂移，测量角度会产生误差，即使有磁力计进行矫正，需要复杂的卡尔曼滤波算法，在外界存在磁场干扰时，测量误差更大。
基于红外与视觉传感器的方法中，用视觉采集的图像进行处理来调整机器人的姿态，虽然图像处理理论很成熟但是需要昂贵的硬件支持，使用成本较高。基于红外接收器的方法中，用红外接收器和外设辅助装置引导机器人归位充电，需要额外成本；或用红外接收器引导机器人，可以任意角度与充电座接触，但对于室内用的机器人来说，考虑充电空间的限制，需规定对机器人与充电座的相对角度；利用红外接收器和里程计来计算充电座发射的红外范围，用里程计计算自身移动距离，再调整机器人与充电座之间的位置，此方法充电过程复杂，效率不高。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种快速稳定的移动机器人自动归位充电方法。
本发明提供的移动机器人归位充电系统，包括：一个红外发射器，布置于充电基座内部，用于产生扇形的红外信号区域；五个红外接收器，用于检测所述红外发射器发射的信号，其包括分别位于机器人两侧的两个红外接收器，以及位于所述机器人前部的三个红外接收器；所述位于机器人前部的三个红外接收器其中之一位于所述机器人前部中心，另外两个分别位于其两侧；一个超声波传感器，用于检测机器人与充电基座之间的距离；一第一无线通信模块，布置于机器人内，用于向充电基座发出充电请求信号；一控制模块，布置于充电基座内部，用于通过一第二无线通信模块接收第一无线通过模块发出的充电请求信号，并在接收到充电请求信号后控制所述红外发射器产生所述扇形的红外信号区域；移动机构，用于驱动机器人移动或转动；以及主控制器，用于根据所述超声波传感器检测到的距离以及所述五个红外接收器接收红外发射器信号的情况，控制所述移动机构动作，以驱动所述机器人转向或者前移。
本发明设计了一种快速稳定的自动归位充电系统，不需要额外的辅助传感器，如视觉传感器、陀螺仪、里程计等。本发明通过安装在机器人周围的多个红外接收器，接受充电座发射出的红外信号，即可调整机器人的姿态，完成自身姿态的调整，实现自动归位充电。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施方式提供的移动机器人归位充电系统的组成示意图。
图2是本发明实施方式提供的移动机器人归位充电系统在充电对接时的示意图。
图3是本发明实施方式提供的移动机器人归位充电系统的机器人充电极板的示意图。
图4是本发明实施方式提供的移动机器人归位充电系统的控制流程图。
图5是本发明实施方式提供的移动机器人归位充电系统的归位调整方向示意图。
图6是本发明实施方式提供的移动机器人归位充电系统以轮距为转向半径示意图。
图7是本发明实施方式提供的移动机器人归位充电系统的零转向半径示意图。
图8是本发明实施方式提供的移动机器人归位充电系统的近充电基座范围直行示意图。
图9是本发明实施方式提供的移动机器人归位充电系统的归位完成的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1，本发明实施方式所提供的移动机器人归位充电系统包括：一个红外发射器，布置于充电基座内部，用于产生扇形的红外信号区域；五个红外接收器，用于检测所述红外发射器发射的信号，其包括分别位于机器人两侧的两个红外接收器，以及位于所述机器人前部的三个红外接收器；所述位于机器人前部的三个红外接收器其中之一位于所述机器人前部中心，另外两个分别位于其两侧；一个超声波传感器，用于检测机器人与充电基座之间的距离；一第一无线通信模块，布置于机器人内，用于向充电基座发出充电请求信号；一控制模块，布置于充电基座内部，用于通过一第二无线通信模块接收第一无线通过模块发出的充电请求信号，并在接收到充电请求信号后控制所述红外发射器产生所述扇形的红外信号区域；移动机构，用于驱动机器人移动或转动；以及主控制器，用于根据所述超声波传感器检测到的距离，以及所述五个红外接收器接收红外发射器信号的情况，控制所述移动机构动作，以驱动所述机器人转向或者前移。
本发明的移动机器人归位充电系统的红外发射器布于充电基座内部，并通过一个可调整的狭缝投射出如图所示的红外信号区域。五个红外接收器包括安装在机器人两个侧面的红外接收器(L、R)，任何一侧检测到充电基座发出的红外扇形信号，机器人都会转向使车头转向充电基座。五个红外接收器还包括在机器人前部安装的三个具有一定朝向角度的红外接收器(ML、M、MR)，检测充电基座发出的红外扇形信号的边界。超声波传感器布置于红外接收器M的正下方。
请参见图2和图3，充电基座上设置有充电触点，机器人的一端底部设置充电极板，所述充电电极与充电触点对接以进行充电。充电极板呈长条状，充电极板的左右两侧分别为正负极。这样在有一定对接误差时，充电极板与充电触点仍然可以对接以实现充电功能。
所述主控制器设定多个距离阈值，并根据所述超声波传感器检测到的距离与所述距离阈值的比较结果，切换调整模式，如此可以控制移动机构控制所述机器人重复“调整-转向-前移”的移动过程，直至机器人移动至充电基座附近以完成充电归位。
首先移动机器人判断出自身电量过低，移动机器人通过第一无线通信模块发送充电请求信号，第二无线通信模块接收充电请求信号并将充电请求信号传送至控制模块，控制模块控制红外发射器产生扇形的红外信号区域，此时移动机器人开始归位充电，移动机器人归位的具体控制流程如图4所示。
请同时参见图5-图9，当红外接收器L移动出扇形的红外信号区域的边界，机器人差速驱动向右旋转车体直到红外接收器ML检测到红外信号，当红外接收器ML、M、MR均检测到信号时，主控制器控制机器人向前移动。当红外接收器R移动出扇形的红外信号区域的边界，机器人差速驱动向左旋转车体直到红外接收器R检测到红外信号，当红外接收器ML、M、MR均检测到信号时，主控制器控制机器人向前移动。
当所述超声波传感器检测到的机器人与充电基座的距离大于第二距离L2时，采用以一个轮子为转动中心的方式调整姿态，可以减少调整次数使机器人迅速靠近中间位置。当所述超声波传感器检测到的机器人与充电基座的距离大于第一距离L1小于第二距离L2时，采用零半径调整姿态的方式，可以减小机器人左右移动的动作幅度。当机器人距离充电基座大于第三距离L0小于第一距离L1时，仅当红外接收器M检测到信号时，机器人向前移动。当机器人距离充电基座小于L0时，机器人停止移动。其中，L2>L1>L0。
当红外接收器L移动出扇形的红外信号区域的边界，机器人差速驱动向右旋转车体直到红外接收器ML检测到红外信号。当红外接收器ML、M、MR均检测到信号时，机器人停止转动向前直行。当超声波距离大于L2时，检测红外接收器ML移动出扇形的红外信号区域的边界时，采用零半径调整姿态使机器人右转，当红外接收器ML、M、MR均检测到信号时，机器人停止转动向前直行。当超声波距离小于L1时，仅当红外接收器M检测到信号时，机器人向前移动。若此时不能检测到红外接收器M的信息，则进行归位失败报警。当机器人继续向前移动，直至距离充电基座小于L0时，机器人停止移动，完成充电对接。以上仅对左侧的红外接收器L的情况进行介绍，位于右侧的红外接收器R的控制过程类似，在此不进行赘述。
以上归位控制过程，包括自动回归第一阶段、自动回归第二阶段，以及自动回归第三阶段。
其中，自动回归第一阶段是指机器人转向是以轮距为半径转向。机器人红外接收器R检测到红外信号，左轮产生驱动力使机器人转向，直到红外接收器ML、M、MR同时检测到信号，机器人停止转动且2轮产生驱动力执行直线行走动作。机器人直线行走动作时，走出了红外信号区域，红外接收器ML接受不到信号，机器人左轮产生驱动力使机器人转向，直到红外接收器ML、M、MR同时检测到信号，再次执行上述过程。
自动回归第二阶段，机器人以零半径转向。机器人直线行走动作时，走出了红外信号区域，红外接收器ML接受不到信号，机器人左轮产生驱动力，右轮产生反方向的驱动力使机器人零半径转向，直到红外接收器ML、M、MR同时检测到信号，再次执行直线行走动作。
自动回归第三阶段，在充电基座近距离范围内，机器人直线行走动作。在靠近充电基座时，由于车体布置的红外接收器宽度大，使的红外接收器ML和MR无发同时接收到红外信号。所以只要用红外接收器M接收到信号，机器人执行直线行走动作。
请参见图9，当超声波传感器检测距离小于等于L0，机器人停止运动，完成充电对接，机器人开始充电。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明实现了快速稳定的机器人自归位于充电基座的方法。
本发明所需传感器成本低，无需外界其他辅助定位设备且信号可靠不宜收到外界干扰。
本发明实现了归位分阶段姿态调整方法，机器人调节次数少，有效动作高。
以上所述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来说，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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种移动机器人归位充电系统，其特征在于，包括：
一个红外发射器，布置于充电基座内部，用于产生扇形的红外信号区域；
五个红外接收器，用于检测所述红外发射器发射的信号，其包括分别位于机器人两侧的两个红外接收器，以及位于所述机器人前部的三个红外接收器；所述位于机器人前部的三个红外接收器其中之一位于所述机器人前部中心，另外两个分别位于其两侧；
一个超声波传感器，用于检测机器人与充电基座之间的距离；
一第一无线通信模块，布置于机器人内，用于向充电基座发出充电请求信号；
一控制模块，布置于充电基座内部，用于通过一第二无线通信模块接收第一无线通过模块发出的充电请求信号，并在接收到充电请求信号后控制所述红外发射器产生所述扇形的红外信号区域；
移动机构，用于驱动机器人移动或转动；以及
主控制器，用于根据所述超声波传感器检测到的距离以及所述五个红外接收器接收红外发射器信号的情况，控制所述移动机构动作，以驱动所述机器人转向或者前移。
2.根据权利要求1所述的移动机器人归位充电系统，其特征在于，所述红外发射器通过可调节间隙的狭缝投射出扇形的红外信号区域。
3.根据权利要求1所述的移动机器人归位充电系统，其特征在于，所述超声波传感器位于所述机器人前部中心的红外接收器的正下方。
4.根据权利要求1所述的移动机器人归位充电系统，其特征在于，所述充电基座上设置有充电触点，所述机器人的一端底部设置充电极板，所述充电电极与充电触点对接以进行充电。
5.根据权利要求4所述的移动机器人归位充电系统，其特征在于，所述充电极板呈长条状，充电极板的左右两侧分别为正负极。
6.根据权利要求1所述的移动机器人归位充电系统，其特征在于，所述主控制器设定多个距离阈值，并根据所述超声波传感器检测到的距离与所述距离阈值的比较结果，切换调整模式。
7.根据权利要求6所述的移动机器人归位充电系统，其特征在于，当所述超声波传感器检测到的机器人与充电基座的距离大于第二距离时，所述主控制器采用以一个轮子为转动中心的方式调整姿态。
8.根据权利要求6所述的移动机器人归位充电系统，其特征在于，当所述超声波传感器检测到的机器人与充电基座的距离大于第一距离小于第二距离时，所述主控制器采用零半径的方式调整姿态。
9.根据权利要求6所述的移动机器人归位充电系统，其特征在于，当机器人距离充电基座大于第三距离小于第一距离时，仅当位于机器人前部中心的红外接收器M检测到信号时，机器人向前移动，当机器人距离充电基座小于第三距离时，机器人停止移动。
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