CN106671138B - 一种移动机器人及其充电系统和充电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种移动机器人及其充电系统和充电控制方法，其中，该移动机器人包括控制器、分别与控制器连接的电量监测器、移动驱动装置、信号强度监测器、无线电接收装置、无线充电模块和电能存储模块；控制器在接收到用户的运动指令时，向电量监测器发送剩余电量获取指示，电量不足时，向信号强度监测器发送当前位置无线电信号强度获取指示，并计算无线电信号强度变化率，根据得到的无线电信号强度变化率设置移动驱动装置的移动参数；当获取到的无线电信号强度变化率满足设定的变化阈值时，向无线充电模块发送运行指示。本发明采用无线充电方式，无需精确定位和插入充电口，能够避免充电设施的磨损，延长充电器及移动机器人充电接口的使用寿命。

Description

一种移动机器人及其充电系统和充电控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体而言，涉及一种移动机器人及其充电系统和充电控制方法。

背景技术

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，因此，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。

现有的移动机器人充电控制系统，多为通过不同的通讯定位的方法建立充电器和移动机器人之间的联系，使移动机器人能够了解充电器的大致位置，并结合移动机器人机载的精准定位方法，使得机器人与充电器吻合连接。如相关技术中公开了一种移动机器人充电控制系统，该系统通过通讯和视觉的方法查找充电器的大致位置，然后距离较近的时候再利用移动机器人的多个红外定位器进行精确定位，准确插入充电口。

上述系统在实现定位的过程中，需要移动机器人不断的通过红外传感器阵列修正位置，往复多次的寻位不但浪费时间，耗费电能，而且在尝试插入充电器时，容易造成金属触点的磨损，影响充电器的使用寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种移动机器人及其充电系统和充电控制方法，采用无线充电方式，无需精确定位和插入充电口，能够避免充电设施的磨损，延长充电器及移动机器人充电接口的使用寿命。

第一方面，本发明实施例提供了一种移动机器人，包括控制器、分别与所述控制器连接的电量监测器、移动驱动装置、信号强度监测器、无线电接收装置、无线充电模块和电能存储模块；

控制器用于在接收到用户的运动指令时，向电量监测器发送剩余电量获取指示，当获取到的所述剩余电量低于设定电量阈值时，向信号强度监测器发送当前位置的无线电信号强度获取指示，根据获取到的所述无线电信号强度计算无线电信号强度变化率，根据得到的无线电信号强度变化率设置移动驱动装置的移动参数，所述移动参数包括偏转方向和运动步长；还用于获取到的无线电信号强度变化率满足设定的变化阈值时，向无线充电模块发送运行指示；

电量监测器与所述电能存储模块连接，用于在接收到所述控制器的剩余电量获取指示时，监测所述电能存储模块的剩余电量，将所述剩余电量输出至所述控制器；

移动驱动装置用于在所述控制器作用下，驱动移动机器人按照所述控制器设置的偏转方向和运动步长移动；

信号强度监测器与所述无线电接收装置连接，用于在接收到所述控制器的所述无线电信号强度获取指示时，监测所述无线电接收装置接收到的无线电信号的强度，将监测到的所述无线电信号强度输出至所述控制器；

无线电接收装置，用于接收当前位置的无线电信号，所述无线电信号为无线充电器发出的；

无线充电模块，用于接收到所述控制器的所述运行指示时，接收无线充电器发出的电感信号，将所述电感信号转换为电能后存储至所述电能存储模块中。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中：无线电接收装置设置在所述移动机器人的外壳或底盘上。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中：无线电接收装置为多个，多个所述无线电接收装置按设定的角度分散安装在所述移动机器人的外壳或/和底盘上。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中：无线充电模块包括依次连接的电感接收装置、能量转换装置和电能输出模块；

电感接收装置，用于接收由无线充电器发射的电感，并将所述电感转化为电能；

能量转换装置，用于对由电感接收模块转化的电能进行整流和滤波；

电能输出模块，用于将所述能量转换装置整流和滤波后的电能存储至电能存储模块，为电能存储模块充电。

第二方面，本发明实施例还提供一种为第一方面的移动机器人充电的充电系统，包括上述的任一移动机器人，还包括无线充电器，所述无线充电器用于发送无线电信号和电感信号。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中：无线充电器包括供电模块，无线电发射装置和电能发射装置；

供电模块与供电电源连接，用于为无线电发射装置和电能发射装置提供电能；

无线电发射装置，用于发射无线电信号，无线电信号为移动机器人的无线电接收装置接收到的无线电信号；

电能发射装置，用于将供电模块提供的电能转换成电感信号发射。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中：无线充电器还包括市电变压稳压器；用于在供电电源为市电电源时，调整和稳定供电电源的电压，以提供给无线电发射装置和电能发射装置。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中：电能发射装置包括限流模块、振荡器、功率放大器和发射线圈；

限流模块，用于稳定所述供电电源输出的电流，

振荡器，用于调整供电电源的输出频率；还用于在供电电源为直流电源时，将直流电转化为交流电；

功率放大器，用于放大经所述限流模块和所述振荡器调整后的电信号，提供给发射线圈，

发射线圈，用于将电能转换为电感信号发射。

第三方面，本发明实施例还提供一种为移动机器人充电的充电控制方法，包括：

在接收到用户的运动指令时，通过电量监测器获取电能存储模块的剩余电量；

当获取到的所述剩余电量低于设定电量阈值时，通过信号强度监测器获取无线电接收装置接收到的无线电信号强度；

计算无线电信号强度变化率，根据获取到的所述无线电信号强度变化率设置所述移动驱动装置的移动参数，所述移动参数包括偏转方向和运动步长；

当获取到的所述无线电信号强度变化率满足设定的变化阈值时，启动无线充电模块运行。

结合第三方面，本发明实施例提供了第三方面的第一种可能的实施方式，其中：所述的计算无线电信号强度变化率，根据获取到的所述无线电信号强度变化率设置所述移动驱动装置的移动参数，包括：

获取当前无线电信号的强度，将所述当前无线电信号的强度与前一步获取的无线电信号的强度进行比较，得到当前信号强度变化率；

如果当前信号强度变化率为正值时，保持移动驱动装置的移动参数不变；如果当前信号强度变化率为负值时，设置移动驱动装置中的当前偏转方向在原偏转方向的基础上改变设定的角度，按照新的偏转方向前进；

将所述当前信号强度变化率与前一步的信号强度变化率进行比较，如果当前信号强度变化率增高，提高所述移动驱动装置的运动步长，反之降低所述移动驱动装置的运动步长。

本发明实施例提供的移动机器人、移动机器人的充电系统和充电控制方法，采用无线充电方式，只要移动机器人位于无线充电器附近的可充电范围内时，即可实现充电，无需精确定位和插入充电口，能够避免充电设施的磨损，延长充电器及移动机器人充电接口的使用寿命。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的一种移动机器人的结构示意图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种移动机器人充电系统的结构示意图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种移动机器人充电控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

目前，移动机器人充电控制系统，多为通过不同的通讯定位的方法建立充电器和移动机器人之间的联系，并结合移动机器人机载的精准定位方法，准确插入充电口。但移动机器人在尝试插入充电器时，容易造成金属触点的磨损，影响充电器的使用寿命。基于此，本申请提供的一种移动机器人、移动机器人充电系统和移动机器人充电控制方法，可以避免充电设施的磨损，延长充电器及移动机器人充电接口的使用寿命。

为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所提供的一种移动机器人进行详细介绍，如图1所示，该移动机器人包括控制器11、分别与所述控制器11连接的电量监测器16、移动驱动装置15、信号强度监测器12、无线电接收装置14、无线充电模块13和电能存储模块17。

控制器11用于在接收到用户的运动指令时，向电量监测器16发送剩余电量获取指示，当获取到的所述剩余电量低于设定电量阈值时，向信号强度监测器12发送当前位置的无线电信号强度获取指示，根据获取到的线电信号强度计算无线电信号强度变化率，根据得到的无线电信号强度变化率设置移动驱动装置的移动参数，所述移动参数包括偏转方向和运动步长；还用于获取到的无线电信号强度变化率满足设定的变化阈值时，向无线充电模块13发送运行指示。

电量监测器16与电能存储模块17连接，用于在接收到控制器11的剩余电量获取指示时，监测电能存储模块17的剩余电量，将剩余电量17输出至控制器11。

移动驱动装置15用于在控制器11作用下，驱动移动机器人按照控制器11设置的偏转方向和运动步长移动；

信号强度监测器12与无线电接收装置14连接，用于在接收到控制器11的无线电信号强度获取指示时，监测无线电接收装置14接收到的无线电信号强度，将监测到的无线电信号强度输出至控制器11；

无线电接收装置14，用于接收当前位置的无线电信号，所述无线电信号为无线充电器发出的；

无线充电模块13，用于接收到所述控制器11的所述运行指示时，接收无线充电器发出的电感信号，将电感信号转换为电能后存储至电能存储模块17中。

上述的无线充电模块13包括依次连接的电感接收装置、能量转换装置和电能输出模块；电感接收装置，用于接收由无线充电器发射的电感，并将所述电感转化为电能；能量转换装置，用于对由电感接收模块转化的电能进行整流和滤波；电能输出模块，用于将所述能量转换装置整流和滤波后的电能存储至电能存储模块，为电能存储模块17充电。

进一步地，无线电接收装置14设置在移动机器人的外壳或底盘上。上述无线电接收装置14可以设置多个，多个无线电接收装置可以安装在移动机器人的外壳上或者底盘上，也可同时安装在移动机器人的外壳和底盘上；可以按设定的角度分散安装，也可以均布安装；数量可以是奇数，也可以是偶数。

上述的移动机器人可自主壁障移动，具有其他服务功能。移动机器人通过总线或脉冲的形式控制运动，当一个运动指令生成时，移动机器人先检测是否电量过低，需要充电。需要充电时，通过信号强度监测器和无线电接收装置，完成搜索无线充电器的动作。

在一个具体实例中，无线电信号为2.4G的ZigBee信号，无线充电模块的受电距离为80mm。

本发明的另一实施例公开了一种移动机器人充电系统，如图2所示，该充电系统包括移动机器人1，结构与图1所示的移动机器人相同，不再赘述。该充电系统还包括无线充电器2，无线充电器2与市电电网连接，可位于室内任意位置，主要用于发送无线电信号和电感信号，为移动机器人充电。

无线充电器2包括供电模块21，无线电发射装置22和电能发射装置23。供电模块21与供电电源连接，用于为无线电发射装置22和电能发射装置23提供电能。无线电发射装置22，用于发射无线电信号，无线电信号为移动机器人1的无线电接收装置14接收到的无线电信号。电能发射装置23，用于将供电模块21提供的电能转换成电感信号发射。

其中，电能发射装置23包括限流模块、振荡器、功率放大器和发射线圈。限流模块，用于稳定所述供电电源输出的电流，振荡器，用于调整供电电源的输出频率；还用于在供电电源为直流电源时，将直流电转化为交流电；功率放大器，用于放大经所述限流模块和所述振荡器调整后的电信号，提供给发射线圈，发射线圈，用于将电能转换为电感信号发射。

考虑到无线充电器连接的电源可能是市电电源，本发明实施例的无线充电器还包括市电变压稳压器；用于在供电电源为市电电源时，调整和稳定供电电源的电压，以提供给无线电发射装置和电能发射装置。

为了更好地为移动机器人充电，本发明还提供了一种移动机器人充电控制方法，如图3所示，该方法可以通过上述移动机器人内的控制器执行，包括如下步骤：

步骤S301，在接收到用户的运动指令时，通过电量监测器获取电能存储模块的剩余电量；

步骤S302，当获取到的所述剩余电量低于设定电量阈值时，通过信号强度监测器获取无线电接收装置接收到的无线电信号强度；所述无线电信号强度为由无线充电器发出的无线电信号的强度；

步骤S303，计算无线电信号强度变化率，根据获取到的所述无线电信号强度变化率设置所述移动驱动装置的移动参数，所述移动参数包括偏转方向和运动步长；

步骤S304，当获取到的所述无线电信号强度变化率满足设定的变化阈值时，或者反复读取的无线电信号的信号强度与所述无线电信号的最大信号强度的差值小于或等于所述无线信号传输装置的信号强度变化敏感阈值时，认定移动机器人到达充电区域，启动无线充电模块运行。

其中，步骤S303，计算无线电信号强度变化率，根据获取到的所述无线电信号强度变化率设置所述移动驱动装置的移动参数，包括：

获取当前无线电信号的强度，将所述当前无线电信号的强度与前一步获取的无线电信号的强度进行比较，得到当前信号强度变化率；

如果当前信号强度变化率为正值时，保持移动驱动装置的移动参数不变；如果当前信号强度变化率为负值时，设置移动驱动装置中的当前偏转方向在原偏转方向的基础上改变设定的角度，按照新的偏转方向前进；

将所述当前信号强度变化率与前一步的信号强度变化率进行比较，如果当前信号强度变化率增高，提高所述移动驱动装置的运动步长，反之降低所述移动驱动装置的运动步长。

采用本发明实施例提供的移动机器人、移动机器人的充电系统和充电控制方法，无线充电器的电能发射装置将电能转换为电感信号，电感信号为一种非辐射磁场，通过振荡器形成，用来传递能量。移动机器人的无线充电模块的接收线圈与电能发射线圈磁耦合共振。相对于传统的技术，一方面，采用磁耦合共振传递电能，仅仅消耗很小感性负载能量。磁场强度与地球磁场强度类似，对人和周围其他设备不产生其他不良影响。另一方面，采用无线充电方式，只要移动机器人位于充电器附近的可充电范围内时，即可实现充电，并不需要绝对精确定位到充电器，节约能耗；无需精确定位和插入充电口，能够避免充电设施的磨损，延长充电器及移动机器人充电接口的使用寿命。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的移动机器人，充电系统和充电控制方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种移动机器人，其特征在于：包括控制器、分别与所述控制器连接的电量监测器、移动驱动装置、信号强度监测器、无线电接收装置、无线充电模块和电能存储模块；

所述控制器用于在接收到用户的运动指令时，向所述电量监测器发送剩余电量获取指示，当获取到的所述剩余电量低于设定电量阈值时，向所述信号强度监测器发送当前位置的无线电信号强度获取指示，根据获取到的所述无线电信号强度计算无线电信号强度变化率，根据得到的所述无线电信号强度变化率设置所述移动驱动装置的移动参数，所述移动参数包括偏转方向和运动步长；还用于当获取到的所述无线电信号强度变化率满足设定的变化阈值时，向所述无线充电模块发送运行指示；

所述电量监测器与所述电能存储模块连接，用于在接收到所述控制器的所述剩余电量获取指示时，监测所述电能存储模块的剩余电量，将所述剩余电量输出至所述控制器；

所述移动驱动装置用于在所述控制器作用下，驱动移动机器人按照所述控制器设置的偏转方向和运动步长移动；

所述信号强度监测器与所述无线电接收装置连接，用于在接收到所述控制器的所述无线电信号强度获取指示时，监测所述无线电接收装置接收到的无线电信号强度，将监测到的所述无线电信号强度输出至所述控制器；

所述无线电接收装置，用于接收当前位置的无线电信号，所述无线电信号为无线充电器发出的；

所述无线充电模块，用于接收到所述控制器的所述运行指示时，接收所述无线充电器发出的电感信号，将所述电感信号转换为电能后存储至所述电能存储模块中；

其中，计算无线电信号强度变化率，根据得到的所述无线电信号强度变化率设置所述移动驱动装置的移动参数，包括：

获取当前无线电信号的强度，将所述当前无线电信号的强度与前一步获取的无线电信号的强度进行比较，得到当前信号强度变化率；

如果当前信号强度变化率为正值时，保持移动驱动装置的移动参数不变；如果当前信号强度变化率为负值时，设置移动驱动装置中的当前偏转方向在原偏转方向的基础上改变设定的角度，按照新的偏转方向前进；

将所述当前信号强度变化率与前一步的信号强度变化率进行比较，如果当前信号强度变化率增高，提高所述移动驱动装置的运动步长，反之降低所述移动驱动装置的运动步长。

2.根据权利要求1所述的移动机器人，其特征在于：所述无线电接收装置设置在所述移动机器人的外壳或底盘上。

3.根据权利要求1所述的移动机器人，其特征在于：所述无线电接收装置为多个，多个所述无线电接收装置按设定的角度分散安装在所述移动机器人的外壳或/和底盘上。

4.根据权利要求1所述的移动机器人，其特征在于：所述无线充电模块包括依次连接的电感接收装置、能量转换装置和电能输出模块；

所述电感接收装置，用于接收由无线充电器发射的电感，并将所述电感转化为电能；

所述能量转换装置，用于对由电感接收模块转化的电能进行整流和滤波；

所述电能输出模块，用于将所述能量转换装置整流和滤波后的电能存储至电能存储模块，为电能存储模块充电。

5.一种移动机器人充电系统，其特征在于：包括1至4中任一项所述的移动机器人，还包括无线充电器，所述无线充电器用于发送无线电信号和电感信号。

6.根据权利要求5所述的充电系统，其特征在于：所述无线充电器包括供电模块，无线电发射装置和电能发射装置；

所述供电模块与供电电源连接，用于为所述无线电发射装置和电能发射装置提供电能；

所述无线电发射装置，用于发射无线电信号，所述无线电信号为移动机器人的无线电接收装置接收到的无线电信号；

所述电能发射装置，用于将供电模块提供的电能转换成电感信号发射。

7.根据权利要求6所述的充电系统，其特征在于：所述无线充电器还包括市电变压稳压器；用于在所述供电电源为市电电源时，调整和稳定供电电源的电压，以提供给所述无线电发射装置和电能发射装置。

8.根据权利要求6或7所述的充电系统，其特征在于：所述电能发射装置包括限流模块、振荡器、功率放大器和发射线圈；

所述限流模块，用于稳定所述供电电源输出的电流，

所述振荡器，用于调整供电电源的输出频率；还用于在供电电源为直流电源时，将直流电转化为交流电；

所述功率放大器，用于放大经所述限流模块和所述振荡器调整后的电信号，提供给所述发射线圈，

所述发射线圈，用于将电能转换为电感信号发射。

9.一种应用权利要求5-8中任一项所述的充电系统的充电控制方法，其特征在于，所述方法包括：

在接收到用户的运动指令时，通过电量监测器获取电能存储模块的剩余电量；

当获取到的所述剩余电量低于设定电量阈值时，通过信号强度监测器获取无线电接收装置接收到的无线电信号强度；

计算无线电信号强度变化率，根据获取到的所述无线电信号强度变化率设置移动驱动装置的移动参数，所述移动参数包括偏转方向和运动步长；

当获取到的所述无线电信号强度变化率满足设定的变化阈值时，启动无线充电模块运行。