CN106406316A - 家庭智能陪护机器人的自主充电系统及其充电方法 - Google Patents

家庭智能陪护机器人的自主充电系统及其充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了家庭智能陪护机器人的自主充电系统及其充电方法，包括：红外发射模块发射不同频率的红外脉冲信号并传输至红外接收模块；机器人主控制器控制机器人的运动，在机器人的运动过程中实现充电站与机器人的充电对接；对接检测模块，用于检测充电站与机器人的充电对接是否完成，在对接完成时将相应的信号传输至机器人主控制器，主控制器控制机器人移动并开始充电；充电完成检测模块，用于实现在机器人充电完成后将相应的信号传输至主控制器，主控制器控制机器人自动驶离充电站。本发明的对接成功率与效率较高，在有限的空间内，可以达到百分之百对接。由于使用了红外、超声等传感器，使用简单并且设备成本较低。

Description

家庭智能陪护机器人的自主充电系统及其充电方法
技术领域
本发明涉及机器人自主充电技术领域，具体涉及家庭智能陪护移动机器人的自主充电系统及其充电方法。
背景技术
移动服务机器人服务任务多，功能强，还要自主行走，功耗一般较大，需要频繁充电，并要求充电过程具有较高的可靠性和效率，充电装置具有较低成本。
受目前电池技术水平的制约，续航能力差是目前移动服务机器人普遍存在的问题，机器人在连续运行过程中能量消耗大，更是需要频繁充电。若采用手动充电方式，不仅增加了人的负担，而且还降低了机器人执行任务的自主性和智能水平。因此，机器人在检测到电量不足时，能自主的迅速找到充电站并且完成充电过程是非常有必要的。
目前市面上所采用的自主充电方式主要有红外引导、激光导航、超声探测、视觉定位等。视觉定位发展不成熟、难度大、成功率低；激光导航较视觉定位成熟，但其成本较高；红外引导和超声探测使用成本低，但是单独使用两者时的导航效果较差，容易进入死区，无法完成自主充电任务。
本发明融合了红外和超声两种方式的优点，自主充电效率高，设备成本低。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明公开了家庭智能陪护机器人的自主充电系统及其充电方法，本发明的目的是利用红外信号实现机器人与充点站的精确对接，并利用超声信号实现机器人动态避障，避免机器人进入充电死区。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
家庭智能陪护机器人的自主充电系统，包括：
安装在充电站上的红外发射模块及安装在机器人本体上的红外接收模块，所述红外发射模块发射不同频率的红外脉冲信号并传输至红外接收模块；
机器人主控制器根据接收到的红外脉冲信号判断机器人与充电站之间的相对位置并根据机器人所处的位置将控制命令传达至运动控制模块控制机器人运动，在机器人运动过程中实现机器人与充电站的交会对接；
对接检测模块，用于检测充电站与机器人充电对接是否完成，在对接完成时将相应的信号传输至机器人主控制器，主控制器控制机器人停止移动并开始充电；
充电完成检测模块，用于实现在机器人充电完成后将相应的信号传输至主控制器，主控制器控制机器人自动驶离充电站。
进一步的，所述红外发射模块为红外发射管，所述红外发射管外部套有锥形的红外信号限制装置，用于限制红外信号的发射角度。
进一步的，所述红外信号发射角度限制装置用于实现将充电站前区域分为A1信号区域、A2信号区域、A3信号区域和A4信号区域，A2区域与A3区域沿充电站中心轴左右对称，充电站前红外信号覆盖区域为圆心角100度的扇形，中间A1区域大致为圆心角14度的扇形。
进一步的，所述红外接收模块为红外接收头，其中，第一红外接收头与第二红外接收头距离较近并且位于机器人正后方，第三红外接收头和第四红外接收头分别位于机器人的两侧。
进一步的，所述第一红外接收头与所述第二红外接收头安装有红外信号限制装置，用于限制红外信号接收角度。红外信号限制装置结构上类似于漏斗状，但是其两侧的角度不一样，一边角度稍大，一边角度稍小，这样是为了控制红外信号分布符合充电的需求。
进一步的，所述第一红外接收头与所述第二红外接收头为高优先级，主要负责机器人与充电站的精确对接过程，所述第三红外接收头和第四红外接收头为低优先级，主要负责机器人与充电站的粗略对接过程。
进一步的，所述粗略对接过程是第三红外接收头和第四红外接收头接收红外信号后主控制器调整机器人的航向，使机器人后侧朝向充电站并确保第一红外接收头与所述第二红外接收头能够接收到红外脉冲信号；
所述精确对接过程是通过第一红外接收头与所述第二红外接收头接收的红外信号实现主控制器对机器人的姿态进行微调，使机器人逐步靠近充电站，并最终实现与充电站的对接。
进一步的，当高优先级的接收头接收到有效信号之后，将屏蔽低优先级接收头的信号。
进一步的，机器人本体后侧位置安装有一对超声模块，所述超声模块用于在机器人与充电站对接不成功且即将撞向充电站或墙壁时，超声模块发出报警信号并传输至主控制器，主控制器控制机器人主动驶离死区并且重新进行对接。
家庭智能陪护机器人的自主充电方法，包括以下步骤：
充电站一侧发射一定频率和范围的红外脉冲信号，当机器人位于红外脉冲信号范围之外时，采用螺旋式的运动方式寻找红外信号；
当机器人位于红外脉冲信号范围之内时，机器人主控制器会根据红外接收头接收到的红外脉冲信号，判断机器人相对充电站的所处位置，并根据当前位置下达控制指令，从而调整机器人的运动方向，逐步靠近充电站并完成对接；
在充电站极片与机器人本体上的充电极片对接成功后，对接检测模块会发出相应的信号，主控制器根据该信号判断对接完成并让机器人停止运动，开始充电；
当充电完毕后，充电完成检测模块发出相应的信号，主控制器根据该信号判断机器人充电结束并自动驶离充电站。
进一步的，安装在机器人本体上的超声模块主要用来避开行进过程中的障碍物，并且在机器人进入充电站两侧的死区之后发出相应的报警信号，主控制器接收该报警信号后控制机器人驶离死区。
本发明的有益效果：
本发明的对接成功率与效率较高，在有限的空间内，可以达到百分之百对接。由于使用了红外、超声等传感器，使用简单并且成本较低。
附图说明
图1本发明的整体系统架构图；
图2本发明的整体系统流程图；
图3红外信号限制装置结构示意图；
图4红外信号发射分布区域示意图；
图5红外接收头排布方式示意图；
图6红外接收头接收范围示意图；
图7超声传感器安装位置示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
本发明的家庭智能陪护机器人的自主充电系统可细分为以下几个部分：各模块之间的关系如图1所示：
主控制器，用来处理接收到的红外信号并判断机器人所处位置，根据机器人相对充电站的位置下达运行指令；
红外发射模块，由两个红外发射管组成，轮流发射频率不同的红外脉冲信号；
红外接收模块，由4个一体化红外接收头组成，接收到的红外信号经过处理后作为判断机器人与充电站相对位置的判断依据；
超声模块，在机器人精确对接的过程中检测障碍物的距离并且可以检测出机器人进入死区的情况；
运动控制模块，根据机器人所处位置，执行相应的运行策略，调整前进方向，逐步靠近充电站；运动控制模块包括控制器和电机驱动模块；控制器通过电机驱动模块控制机器人前进、后退、左转、右转等动作。
对接检测及充电完成检测模块，由专门的电源管理芯片控制整个充电过程，并且配合充电极片与单片机程序检测机器人是否完成对接以及充电过程是否结束。
具体的，对接检测和充电完成实际上是有一块专门的电源管理芯片来完成的。当机器人对接完成时，电源管理芯片会向主控制器发出对接成功的信号，主控制器这时控制机器人停止移动并开始充电。当机器人充电完成时，电源管理芯片会向主控制器发出充电结束的信号，主控制器控制机器人停止充电并且驶离充电站。
本发明的家庭智能陪护机器人的自主充电系统的流程图如图2所示，本系统实现原理如下，充电站一侧发射一定频率和范围的红外脉冲信号。当机器人位于红外脉冲信号范围之外时，采用螺旋式的运动方式寻找红外信号；当机器人位于红外脉冲信号范围之内时，机器人主控制器会根据红外接收头接收到的红外脉冲信号，分析并判断机器人相对充电站的所处位置，并根据当前位置下达控制指令，从而调整机器人的运动方向，逐步靠近充电站并完成对接。在充电站极片与机器人本体上的充电极片对接成功后，对接检测模块会发出相应的信号，主控制器根据该信号判断对接完成并让机器人停止运动。当充电完毕后，充电完成检测模块也会发出相应的信号，主控制器根据该信号判断机器人充电结束并自动驶离充电站。超声模块在本系统中主要用来避开行进过程中的障碍物，并且在机器人进入充电站两侧的死区之后发出相应的报警信号，主控制器接收该报警信号后控制机器人驶离死区。
充电站上安装有两个红外发射管，它们发射不同频率的红外脉冲信号，红外发射管外套一类似锥形的红外信号限制装置限制红外信号发射角度，其外形如图3所示。
红外信号限制装置在结构上类似于漏斗状，但是其两侧的角度不一样，一边角度稍大，一边角度稍小，这样是为了控制红外信号分布符合充电的需求。
根据其安装方式，具体如图3所示的红外信号限制装置，再加上如图4所示的红外发射管的安装位置(L和R分别表示左边的红外发射管和右边的红外发射管)，红外信号可以将充电站前区域分为如图4所示的4大区域，分别为A1信号区域、A2信号区域、A3信号区域和A4信号区域，每个区域的红外脉冲信号有所区别。红外信号覆盖区域大致为圆心角100度的扇形，中间A1区域大致为圆心角14度的扇形。
机器人本体上安装有4个红外接收头，分别编号为1,2,3,4号接收头。其中，1号接收头与2号接收头距离较近并且位于机器人正后方，3号接收头和4号接收头分别位于机器人的两侧，其具体排布方式如图5所示。红外接收头的数量可以大于4个，但是考虑到成本，4个比较合适。
其中，1号与2号接收头限制红外信号接收角度，使其接收角度较小，而3号和4号接收头不限制红外信号接收角度，其接收角度较大，红外接收头接收角度如图6所示。
4个接收头分为两个优先级，3号和4号接收头为低优先级，主要负责粗略对接过程，1号和2号接收头为高优先级，主要负责精确对接过程。当高优先级的接收头接收到有效信号之后，将屏蔽低优先级接收头的信号。粗略对接主要作用是帮助机器人找到红外信号并且大致调整机器人航向，使机器人后侧朝向充电站并确保1号和2号接收头能够接收到红外脉冲信号；精确对接主要是通过红外信号的引导对机器人姿态进行微调，使机器人逐步靠近充电站，最终实现与充电站的对接。详细对接策略如表1和表2所示。
表1粗略对接策略
表2精确对接策略
本发明中发射端采用左右角度不同的红外信号发射角度限制装置限制红外信号发射范围，这样一来既保证了A1区域覆盖范围比较狭长，又保证了A1，A2，A3总体红外信号覆盖范围比较大。狭长的A1信号区域保证了机器人精确对接过程中的导向性与准确性，而宽广的总体红外覆盖范围大大增加了机器人能够找到红外信号的概率，从而提高了对接成功的效率。
接收端采用了4个红外接收头并且按照特殊的方式排布，由于采用了这种排列方式，极大的扩大了红外信号的接收范围，由图6可知，其接收角度在270度以上，这也增加了机器人找到红外信号的概率，提高了充电效率。此外，正后方的两个红外接收头通过如图6所示的红外信号限制装置限制接收头接收的角度大小，使得机器人正对充电站时才能让两个接收头同时收到信号，这提高了对接的准确性。
机器人在某些情况下会进入充电站两侧的死区，如果这时不能检测到这种情况，机器人会撞向充电站或者墙壁。安装在机器人后侧的超声波传感器能够很好地解决这个问题，当对接不成功且即将撞向充电站或墙壁时，超声传感器能够快速发出报警信号通知主控制器，控制机器人主动驶离死区并且重新进行对接。超声传感器安装位置如图7所示。
本发明对接成功率与效率较高，在有限的空间内，可以达到百分之百对接。由于使用了红外、超声等传感器，使用简单并且成本较低。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.家庭智能陪护机器人的自主充电系统，其特征是，包括：
安装在充电站上的红外发射模块及安装在机器人本体上的红外接收模块，所述红外发射模块发射不同频率的红外脉冲信号并传输至红外接收模块；
机器人主控制器根据接收到的红外脉冲信号判断机器人与充电站之间的相对位置并根据机器人所处的位置将控制命令传达至运动控制模块控制机器人运动，在机器人运动过程中实现机器人与充电站的交会对接；
对接检测模块，用于检测充电站与机器人的充电对接是否完成，在对接完成时将相应的信号传输至机器人主控制器，主控制器控制机器人停止移动并开始充电；
充电完成检测模块，用于实现在机器人充电完成后将相应的信号传输至主控制器，主控制器控制机器人自动驶离充电站。
2.如权利要求1所述的家庭智能陪护机器人的自主充电系统，其特征是，所述红外发射模块为红外发射管，所述红外发射管外部套有锥形的红外信号限制装置，用于限制红外信号的发射角度。
3.如权利要求2所述的家庭智能陪护机器人的自主充电系统，其特征是，所述红外信号发射角度限制装置用于实现将充电站前区域分别为A1信号区域、A2信号区域、A3信号区域和A4信号区域，A2区域与A3区域沿充电站中心轴左右对称，充电站前红外信号覆盖区域为圆心角100度的扇形，中间A1区域大致为圆心角14度的扇形。
4.如权利要求1所述的家庭智能陪护机器人的自主充电系统，其特征是，所述红外接收模块为红外接收头，其中，第一红外接收头与第二红外接收头距离较近并且位于机器人正后方，第三红外接收头和第四红外接收头分别位于机器人的两侧。
5.如权利要求4所述的家庭智能陪护机器人的自主充电系统，其特征是，所述第一红外接收头与所述第二红外接收头安装有红外信号限制装置，用于限制红外信号接收角度。
6.如权利要求4所述的家庭智能陪护机器人的自主充电系统，其特征是，所述第一红外接收头与所述第二红外接收头为高优先级，主要负责机器人与充电站的精确对接过程，所述第三红外接收头和第四红外接收头为低优先级，主要负责机器人与充电站的粗略对接过程。
7.如权利要求6所述的家庭智能陪护机器人的自主充电系统，其特征是，所述粗略对接过程是第三红外接收头和第四红外接收头接收红外信号后主控制器大致调整机器人航向，使机器人后侧朝向充电站并确保第一红外接收头与所述第二红外接收头能够接收到红外脉冲信号；
所述精确对接过程是通过第一红外接收头与所述第二红外接收头接收的红外信号实现主控制器对机器人姿态进行微调，使机器人逐步靠近充电站，最终实现与充电站的对接。
8.如权利要求6所述的家庭智能陪护机器人的自主充电系统，其特征是，当高优先级的接收头接收到有效信号之后，将屏蔽低优先级接收头的信号。
9.如权利要求1-8任一所述的家庭智能陪护机器人的自主充电系统，其特征是，靠近机器人本体后侧的位置相对安装有超声模块，所述超声模块用于在机器人与充电站对接不成功且即将撞向充电站或墙壁时，超声模块发出报警信号并传输至主控制器，主控制器控制机器人主动驶离死区并且重新进行对接。
10.家庭智能陪护机器人的自主充电方法，其特征是，包括以下步骤：
充电站一侧发射一定频率和范围的红外脉冲信号，当机器人位于红外脉冲信号范围之外时，采用螺旋式的运动方式寻找红外信号；
当机器人位于红外脉冲信号范围之内时，机器人主控制器会根据红外接收头接收到的红外脉冲信号，判断机器人相对充电站的所处位置，并根据当前位置下达控制指令，从而调整机器人的运动方向，逐步靠近充电站并完成对接；
在充电站极片与机器人本体上的充电极片对接成功后，对接检测模块会发出相应的信号，主控制器根据该信号判断对接完成并让机器人停止运动，开始充电；
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