CN106774298A - 基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统及方法，其系统包括激光引导式充电桩和机器人充电控制电路，激光引导式充电桩包括底座、激光引导控制电路板、第一齿轮、第二齿轮、舵机、电源插入挡板、激光发射器和充电接口；激光引导控制电路板上集成有激光引导控制电路，激光引导控制电路包括充电桩微控制器、充电桩无线通信模块、源电路和激光发射驱动电路；机器人充电控制电路包括机器人微控制器、机载无线通信模块、摄像头、超声波传感器、电池电量检测电路、激光接收器、电池充电电路和充电插头；其方法包括步骤：一、摄像头定位，二、激光引导定位。本发明能够快速有效地给机器人电池进行充电，工作可靠性高，实用性强。

Description

基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统及方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统及方法。

背景技术

随着移动机器人技术不断的发展，自主移动机器人由于其良好的智能性、自主性已成为了机器人研究领域的热点之一，被赋予了多种多样的任务，如今自主机器人已经被广泛的应用到了各个行业，如清扫机器人、引导机器人、运输机器人、水下无缆机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等。尽管机器人的功能在不断地扩展，应用也越来越广泛，但是所有的这一切都离不开电能的支持。随着机器人功能的不断扩展，机器人对电能的要求量也不断的增加，如何实现长时间的、有效的供电成为了机器人产业化必须面对和解决的问题，自主充电技术是解决机器人自主性的关键。

目前,移动机器人都是使用高质量的机载可充电蓄电池组来给自身供电,但是一般只能维持几个小时,一旦电能耗尽,必须采用人工干预的方式来给机器人充电。如果采用人工充电,那么机器人就处于一种非连续的任务环,这阻碍了机器人的长期自治。如果要实现真正意义上的长期自治,机器人必须能在所处的环境中实现自我支持,实现连续任务环。机器人连续任务环被简单地定义为使机器人以自主充电的方式来继续完成它所分配到的任务。一旦开始运行,机器人便进入连续任务环,即不再需要人的帮助,在此系统中,启动和停止是由机器人自动完成的。对于煤矿井下自主移动机器人来说，煤矿井下发生瓦斯、煤尘等爆炸事故后，如果存在着火点，容易发生二次爆炸等事故，人员进入具有高危险性，抢险人员在第一时间难以进入，而井上专家和决策者又急需获得井下情况，以便做出判断和决策。由机器人先行进入井下，探测井下事故破坏和环境情况，以声像和数据的形式将信息反馈到控制中心无疑是最有效而且安全的方案。由于常见的移动机器人动力能源的无缆化主要依赖高品质的机载蓄电池组,如何让机器人在无人工干预环境下安全可靠、快速高效地实现自动充电是实现机器人长期自治的一项关键技术。

为了解决机器人自主充电的问题，国内外进行了如下研究：机器人自主充电技术始于20世纪40年，在国外，Grey Walter在20世纪40年末成功研发了一台能自主充电的移动机器人名“Tortoises”，这种机器人具有在神经学研究中向着光线行走的行为。GreyWalter设计了一个充电站，他在充电站内部放置了一个光源和充电器,机器人采用跟踪光源的方法来寻找充电站。Grey Walter首先通过光束引导机器人靠近充电装置，然后将机器人本体上的充电臂插入就近的插座为机器人充电。1998年，TSukuba大学研制出一款名为Yamabico-Liv的移动机器人，此机器人在室内环境不变的情况下，通过使用导航系统，利用已知环境地图引导机器人到达充电站，然后驱动机器人配备的特别设备与充电站进行对接，实现机器人自主充电的目的。跟据已知环境地图进行自主充电存在一个缺点，一旦环境地图受到破坏，机器人将失去寻找目标，使用已知地图进行导航，限制了移动机器人的灵活性。1999年，卡内基·梅隆大学的机器人研究所开发了一种自主导游机器人Sage，Sage机器人的本体是采用改良Nomad XR4000移动机器人，利用CCD摄像机和三维路标引导机器人实现充电。加利福尼亚大学使用Nomad XR4000移动机器人，通过在充电站的上方设置色块和IR二极管来引导机器人对接以及监控充电状况。卡内基·梅隆大学和加利福尼亚大学采用了视觉系统和信标对充电目标进行定位。卡内基·梅隆大学采用三维路标引导机器人充电，三维路标具有很好的定位效果，但是在近距离对接时，CCD摄像机的精度将影响对接效果。加利福尼亚大学设计的充电装置采用漏斗状的对接窗口增加了机器人对接误差，提高了容忍度，但是漏斗状的对接窗口只能沿着一个支点左右偏转，限制了对接窗口的水平移动。因此，机器人与充电装置对接时，充电插针必须对正窗口的支点。

在国内，哈尔滨工业大学于2005年用Pioneer3DX轮式机器人在室内未知环境中进行了自主充电技术研究，使用激光传感器、PTZ彩色摄像机和里程计来引导机器人进行自主充电。2010年，重庆大学对室内清洁机器人进行了自主充电的研究，提出了以返回固定充电座充电为目标的自主返回路径规划策略。哈尔滨工业大学直接对室内墙壁上的插座进行对接，并没有进行充电装置设计。电源插座的对接容忍度过小，容易导致充电失败。

综上所述，目前机器人自主充电技术还存在很多缺点，如导航定位精度不够理想、容错及纠错能力不够强壮，充电装置的设计从结构上还不能为自动充电系统提供足够大的容忍度，缺乏普遍环境适应性，且在结构设计合理性、科学、经济等方面还不够理想，这些机器人自主充电技术问题急需我们去解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、设计合理、实现方便且成本低、使用方便、对地形的容忍度较大、能够快速有效地给机器人电池进行充电、工作可靠性高、实用性强的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统，其特征在于：包括激光引导式充电桩和搭载在机器人上的机器人充电控制电路，所述激光引导式充电桩包括底座和安装在底座上的激光引导控制电路板，以及转动连接在底座上且相啮合的第一齿轮和第二齿轮，所述底座上通过舵机支架固定连接有位于第一齿轮上方的舵机，所述第一齿轮与舵机的输出轴固定连接，所述第二齿轮上固定连接有电源插入挡板，所述电源插入挡板的下部固定连接有激光发射器，所述电源插入挡板的上部固定连接有充电接口，所述充电接口通过电源适配器与市电连接；所述激光引导控制电路板上集成有激光引导控制电路，所述激光引导控制电路包括充电桩微控制器、与充电桩微控制器相接的充电桩无线通信模块和为所述激光引导控制电路中各用电模块供电的电源电路，所述舵机与充电桩微控制器的输出端连接，所述充电桩微控制器的输出端还接有激光发射驱动电路，所述激光发射器与激光发射驱动电路连接；所述机器人充电控制电路包括机器人微控制器和与机器人微控制器相接且用于与充电桩无线通信模块无线连接并通信的机载无线通信模块；所述机器人微控制器的输入端接有摄像头、超声波传感器、用于检测机器人供电电池的电量的电池电量检测电路和用于接收激光发射器发射的激光信号的激光接收器，所述机器人微控制器的输出端接有用于驱动机器人行走电机的电机驱动器和用于为机器人供电电池充电的电池充电电路，所述电池充电电路上连接有用于连接到充电接口上的充电插头。

上述的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统，其特征在于：所述充电桩微控制器为单片机MSP430F169。

上述的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统，其特征在于：所述激光发射驱动电路包括三极管Q1，所述三极管Q1的基极通过电阻R1与所述单片机MSP430F169的P4.4引脚连接，所述激光发射器的电源正极与+3.3V电源的输出端连接，所述激光发射器的电源负极与三极管Q1的集电极相接，所述三极管Q1的发射极接地。

上述的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统，其特征在于：所述充电桩无线通信模块和机载无线通信模块均为ZigBee无线通信模块。

上述的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统，其特征在于：所述底座上固定连接有第一转动轴和第二转动轴，所述第一齿轮的几何中心位置处固定连接有第一圆柱滚子轴承，所述第一齿轮通过将第一转动轴安装到第一圆柱滚子轴承中的方式转动连接在底座上，所述第二齿轮的几何中心位置处固定连接有第二圆柱滚子轴承，所述第二齿轮通过将第二转动轴安装到第二圆柱滚子轴承中的方式转动连接在底座上。

上述的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统，其特征在于：所述底座上安装有对称位于第一齿轮两侧且用于保护第一齿轮的两块第一保护挡板和对称位于第二齿轮两侧且用于保护第二齿轮的两块第二保护挡板；所述舵机支架由两个分别位于舵机两侧的门字型支架组成，所述舵机通过六角螺栓和六角螺母与门字型支架固定连接；所述电源插入挡板通过三角形固定件固定连接在第二齿轮上。

上述的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统，其特征在于：所述机器人微控制器为DSP数字信号处理器。

本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理、实现方便、定位效率高的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、摄像头定位，其具体过程为：机器人微控制器通过电机驱动器驱动机器人行走电机带动机器人行走，机器人行走过程中，机器人微控制器采集超声波传感器检测到的距离信号，并根据距离信号判断前方是否有障碍物，当发现前方有障碍物信号时，左转或者右转至前方空旷地带继续行走；同时，机器人微控制器采集摄像头拍摄到的图像，并调用图像光源识别处理模块，对摄像头拍摄到的图像进行分析处理，判断摄像头拍摄到的图像中能否获取到激光发射器发射的光，当摄像头拍摄到的图像中不能获取到激光发射器发射的光时，继续行走，当摄像头拍摄到的图像中能够获取到激光发射器发射的光时，保持此时机器人的位置，并判断为此时的充电插头面向了充电接口，执行步骤二；

步骤二、激光引导定位，其具体过程为：

步骤201、机器人微控制器通过机载无线通信模块向远程服务端发送激光引导定位开始指令；

步骤202、当远程服务端的服务端微控制器通过服务端无线通信模块接收到机器人微控制器发送的激光引导定位开始指令后，通过激光发射驱动电路驱动激光发射器发射激光，并产生周期为50Hz，脉宽为0.5ms的方波，使舵机复位；

步骤203、机器人微控制器产生的方波脉宽由0.5ms向2.5ms、每50ms增加0.01ms的速度递增，递增至2.5ms时，再按照每50ms减小0.01ms的速度，递减至0.5ms，不断重复，每一次增加或减少完成，均等待20ms，驱动舵机转动，舵机转动时带动第一齿轮转动，第一齿轮再带动第二齿轮转动，第二齿轮再带动电源插入挡板转动，进行激光引导定位，直至激光接收器接收到激光发射器发射的激光信号；

步骤204、机器人微控制器通过机载无线通信模块向远程服务端发送接收到激光信号指令；

步骤205、当远程服务端的服务端微控制器通过服务端无线通信模块接收到机器人微控制器发送的激光引导定位完成指令后，服务端微控制器控制舵机保持当前脉宽的方波，使得舵机保持相应的转角不动，并向机器人充电控制电路发送激光引导定位完成指令；

步骤206、机器人微控制器通过机载无线通信模块接收服务端微控制器发送的激光引导定位完成指令后，通过电机驱动器驱动机器人行走电机带动机器人直线移动，直线移动过程中，机器人微控制器采集超声波传感器检测到的距离信号，并根据距离信号向靠近电源插入挡板的位置移动，直到充电插头与充电接口对接后，机器人停止运动，并开始充电。

上述的方法，其特征在于：步骤一中机器人微控制器调用图像光源识别处理模块，对摄像头拍摄到的图像进行分析处理，判断摄像头拍摄到的图像中能否获取到激光发射器发射的光的具体过程为：

步骤101、机器人微控制器调用灰度图处理模块将摄像头拍摄到的图像转化成灰度图；

步骤102、机器人微控制器调用图像二值化处理模块将步骤101处理得到的灰度图转化为二值化图像，使摄像头拍摄到的图像中的光源信息为黑色像素，其它部分为白色像素；

步骤103、定义步骤102处理得到的图像左下角第一个像素点的坐标为(1，1)，定义Fx_i为由坐标为(i，1)的点和坐标为(i，n)的点连成的线段上黑色像素点的个数，定义Fy_j为由坐标为(1，j)的点和坐标为(m，j)的点连成的线段上黑色像素点的个数；其中，m为摄像头拍摄到的一帧图像的像素长度，1≤i≤m；n为摄像头拍摄到的一帧图像的像素高度，1≤j≤n；

步骤104、光源中心点的横坐标的确定，具体过程为：

步骤1041、设F_i为从坐标(i，1)到(i，n)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数，定义F₁＝1，将由坐标为(i，1)的点和坐标为(i，n)的点连成的线段分为m个阶段，定义于阶段k取得的F_i的值为前k-1个阶段取得的F_i的值的最优值判断，建立F_i的动态转移方程：

步骤1042、机器人微控制器根据公式c_i＝F_i/m计算得到横向坐标权值因子c_i；

步骤1043、定义f_i为从坐标(i，1)到(i，n)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数经过加权处理后的权值，定义将由坐标为(i，1)的点和坐标为(i，n)的点连成的线段分为m个阶段，定义于阶段k取得的数组F_i的值为前k-1个阶段取得的数组F_i的值的最优值判断，建立f_i的动态转移方程：

步骤1044、机器人微控制器根据公式numx＝max{f₁,f₂,...,f_m}计算得到为从坐标(i，1)到(i，n)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数经过加权处理后的权值的最大值numx，并将numx对应的坐标的横坐标确定为光源中心点的横坐标，将光源中心点的横坐标记为numbx；

步骤105、光源中心点的纵坐标的确定，具体过程为：

步骤1051、设W_j为从坐标(1，j)到(m，j)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数，定义W₁＝1，将由坐标为(1，j)的点和坐标为(m，j)的点连成的线段分为n个阶段，定义于阶段k取得的W_j的值为前k-1个阶段取得的W_j的值的最优值判断，建立W_j的动态转移方程：

步骤1052、机器人微控制器根据公式l_j＝F_j/n计算得到纵向坐标权值因子l_j；

步骤1053、定义w_j为从坐标(1，j)到(m，j)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数经过加权处理后的权值，定义将由坐标为(1，j)的点和坐标为(m，j)的点连成的线段分为n个阶段，定义于阶段k取得的W_j的值为前k-1个阶段取得的W_j的值的最优值判断，建立w_j的动态转移方程：

步骤1054、机器人微控制器根据公式numy＝max{w₁,w₂,...,w_n}计算得到为从坐标(1，j)到(m，j)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数经过加权处理后的权值的最大值numy，并将numy对应的坐标的纵坐标确定为光源中心点的纵坐标，将光源中心点的纵坐标记为numby；

步骤106、机器人微控制器根据条件判断摄像头拍摄到的图像中能否获取到激光发射器发射的光，当条件成立时，判断为摄像头拍摄到的图像中能够获取到激光发射器发射的光；否则，当条件不成立时，判断为摄像头拍摄到的图像中不能够获取到激光发射器发射的光。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统的结构简单，设计合理，实现方便且成本低。

2、本发明的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统的使用方便，能够放置在比较复杂的地形中使用，对地形的容忍度较大。

3、本发明的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电方法的方法步骤简单，设计合理，实现方便，定位效率高。

4、本发明采用了摄像头定位和激光引导定位两种定位方式结合的定位方法，在机器人电量即将不足时，能够快速有效地给机器人电池进行充电，工作可靠性高。

5、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。

综上所述，本发明设计合理，实现方便且成本低，使用方便，对地形的容忍度较大，能够快速有效地给机器人电池进行充电，工作可靠性高，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统的电路原理框图。

图2为本发明激光引导式充电桩的结构示意图。

图3为本发明激光发射驱动电路的电路原理图。

图4为本发明基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电方法的方法流程框图。

附图标记说明:

1—激光引导式充电桩； 1-1—底座； 1-2—充电接口；

1-3—第一齿轮； 1-4—第二齿轮； 1-5—门字型支架；

1-6—舵机； 1-7—电源插入挡板； 1-8—激光发射器；

1-9—第一保护挡板； 1-10—第二保护挡板； 1-11—六角螺栓；

1-12—六角螺母； 1-13—三角形固定件；

1-14—激光引导控制电路板； 1-15—充电桩微控制器；

1-16—充电桩无线通信模块； 1-17—电源电路；

1-18—激光发射驱动电路； 2—机器人充电控制电路；

2-1—机器人微控制器； 2-2—机载无线通信模块；

2-3—摄像头； 2-4—超声波传感器；

2-5—充电插头； 2-6—电池电量检测电路；

2-7—激光接收器； 2-8—电机驱动器；

2-9—电池充电电路。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统，包括激光引导式充电桩1和搭载在机器人上的机器人充电控制电路2，所述激光引导式充电桩1包括底座1-1和安装在底座1-1上的激光引导控制电路板1-14，以及转动连接在底座1-1上且相啮合的第一齿轮1-3和第二齿轮1-4，所述底座1-1上通过舵机支架固定连接有位于第一齿轮1-3上方的舵机1-6，所述第一齿轮1-3与舵机1-6的输出轴固定连接，所述第二齿轮1-4上固定连接有电源插入挡板1-7，所述电源插入挡板1-7的下部固定连接有激光发射器1-8，所述电源插入挡板1-7的上部固定连接有充电接口1-2，所述充电接口1-2通过电源适配器与市电连接；所述激光引导控制电路板1-14上集成有激光引导控制电路，所述激光引导控制电路包括充电桩微控制器1-15、与充电桩微控制器1-15相接的充电桩无线通信模块1-16和为所述激光引导控制电路中各用电模块供电的电源电路1-17，所述舵机1-6与充电桩微控制器1-15的输出端连接，所述充电桩微控制器1-15的输出端还接有激光发射驱动电路1-18，所述激光发射器1-8与激光发射驱动电路1-18连接；所述机器人充电控制电路2包括机器人微控制器2-1和与机器人微控制器2-1相接且用于与充电桩无线通信模块1-16无线连接并通信的机载无线通信模块2-2；所述机器人微控制器2-1的输入端接有摄像头2-3、超声波传感器2-4、用于检测机器人供电电池的电量的电池电量检测电路2-6和用于接收激光发射器1-8发射的激光信号的激光接收器2-7，所述机器人微控制器2-1的输出端接有用于驱动机器人行走电机的电机驱动器2-8和用于为机器人供电电池充电的电池充电电路2-9，所述电池充电电路2-9上连接有用于连接到充电接口1-2上的充电插头2-5。

本实施例中，所述充电桩微控制器1-15为单片机MSP430F169。

本实施例中，如图3所示，所述激光发射驱动电路1-18包括三极管Q1，所述三极管Q1的基极通过电阻R1与所述单片机MSP430F169的P4.4引脚连接，所述激光发射器1-8的电源正极与+3.3V电源的输出端连接，所述激光发射器1-8的电源负极与三极管Q1的集电极相接，所述三极管Q1的发射极接地。

本实施例中，所述充电桩无线通信模块1-16和机载无线通信模块2-2均为ZigBee无线通信模块。具体实施时，所述ZigBee无线通信模块为型号为CC2530的ZigBee无线通信模块。

本实施例中，如图2所示，所述底座1-1上固定连接有第一转动轴和第二转动轴，所述第一齿轮1-3的几何中心位置处固定连接有第一圆柱滚子轴承，所述第一齿轮1-3通过将第一转动轴安装到第一圆柱滚子轴承中的方式转动连接在底座1-1上，所述第二齿轮1-4的几何中心位置处固定连接有第二圆柱滚子轴承，所述第二齿轮1-4通过将第二转动轴安装到第二圆柱滚子轴承中的方式转动连接在底座1-1上。

本实施例中，如图2所示，所述底座1-1上安装有对称位于第一齿轮1-3两侧且用于保护第一齿轮1-3的两块第一保护挡板1-9和对称位于第二齿轮1-4两侧且用于保护第二齿轮1-4的两块第二保护挡板1-10；所述舵机支架由两个分别位于舵机1-6两侧的门字型支架1-5组成，所述舵机1-6通过六角螺栓1-11和六角螺母1-12与门字型支架1-5固定连接；所述电源插入挡板1-7通过三角形固定件1-13固定连接在第二齿轮1-4上。具体实施时，所述第一齿轮1-3和第二齿轮1-4的齿数比为1：1。

本实施例中，所述机器人微控制器2-1为DSP数字信号处理器。

具体实施时，所述激光发射器1-8为一字线激光发射器，与充电接口1-2的旋转摆动相配合，提高了机器人上的充电插头2-5与充电接口1-2的对接成功率，有效避免了无法对接的问题。

如图4所示，本发明的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电方法，包括以下步骤：

步骤一、摄像头定位，其具体过程为：机器人微控制器2-1通过电机驱动器2-8驱动机器人行走电机带动机器人行走，机器人行走过程中，机器人微控制器2-1采集超声波传感器2-4检测到的距离信号，并根据距离信号判断前方是否有障碍物，当发现前方有障碍物信号时，左转或者右转至前方空旷地带继续行走；同时，机器人微控制器2-1采集摄像头2-3拍摄到的图像，并调用图像光源识别处理模块，对摄像头2-3拍摄到的图像进行分析处理，判断摄像头2-3拍摄到的图像中能否获取到激光发射器1-8发射的光，当摄像头2-3拍摄到的图像中不能获取到激光发射器1-8发射的光时，继续行走，当摄像头2-3拍摄到的图像中能够获取到激光发射器1-8发射的光时，保持此时机器人的位置，并判断为此时的充电插头2-10面向了充电接口1-2，执行步骤二；

步骤二、激光引导定位，其具体过程为：

步骤201、机器人微控制器2-1通过机载无线通信模块2-2向远程服务端1发送激光引导定位开始指令；具体实施时，所述激光引导定位开始指令定义为字符串“BEGIN”；

步骤202、当远程服务端1的服务端微控制器1-1通过服务端无线通信模块1-3接收到机器人微控制器2-1发送的激光引导定位开始指令后，通过激光发射驱动电路1-6驱动激光发射器1-8发射激光，并产生周期为50Hz，脉宽为0.5ms的方波，使舵机1-6复位；

步骤203、机器人微控制器2-1产生的方波脉宽由0.5ms向2.5ms、每50ms增加0.01ms的速度递增，递增至2.5ms时，再按照每50ms减小0.01ms的速度，递减至0.5ms，不断重复，每一次增加或减少完成，均等待20ms，驱动舵机1-6转动，舵机1-6转动时带动第一齿轮1-3转动，第一齿轮1-3再带动第二齿轮1-4转动，第二齿轮1-4再带动电源插入挡板1-7转动，进行激光引导定位，直至激光接收器2-7接收到激光发射器1-8发射的激光信号；

步骤204、机器人微控制器2-1通过机载无线通信模块2-2向远程服务端1发送接收到激光信号指令；具体实施时，所述接收到激光信号指令定义为字符串“GETOVER”；

步骤205、当远程服务端1的服务端微控制器1-1通过服务端无线通信模块1-3接收到机器人微控制器2-1发送的激光引导定位完成指令后，服务端微控制器1-1控制舵机1-6保持当前脉宽的方波，使得舵机1-6保持相应的转角不动，并向机器人充电控制电路2发送激光引导定位完成指令；具体实施时，所述激光引导定位完成指令定义为字符串“OK”；

步骤206、机器人微控制器2-1通过机载无线通信模块2-2接收服务端微控制器1-1发送的激光引导定位完成指令后，通过电机驱动器2-8驱动机器人行走电机带动机器人直线移动，直线移动过程中，机器人微控制器2-1采集超声波传感器2-4检测到的距离信号，并根据距离信号向靠近电源插入挡板1-7的位置移动，直到充电插头2-10与充电接口1-2对接后，机器人停止运动，并开始充电。

本实施例中，步骤一中机器人微控制器2-1调用图像光源识别处理模块，对摄像头2-3拍摄到的图像进行分析处理，判断摄像头2-3拍摄到的图像中能否获取到激光发射器1-8发射的光的具体过程为：

步骤101、机器人微控制器2-1调用灰度图处理模块将摄像头2-3拍摄到的图像转化成灰度图；

步骤102、机器人微控制器2-1调用图像二值化处理模块将步骤101处理得到的灰度图转化为二值化图像，使摄像头2-3拍摄到的图像中的光源信息为黑色像素，其它部分为白色像素；

步骤103、定义步骤102处理得到的图像左下角第一个像素点的坐标为(1，1)，定义Fx_i为由坐标为(i，1)的点和坐标为(i，n)的点连成的线段上黑色像素点的个数，定义Fy_j为由坐标为(1，j)的点和坐标为(m，j)的点连成的线段上黑色像素点的个数；其中，m为摄像头2-3拍摄到的一帧图像的像素长度，1≤i≤m；n为摄像头2-3拍摄到的一帧图像的像素高度，1≤j≤n；

步骤104、光源中心点的横坐标的确定，具体过程为：

步骤1041、设F_i为从坐标(i，1)到(i，n)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数，定义F₁＝1，将由坐标为(i，1)的点和坐标为(i，n)的点连成的线段分为m个阶段，定义于阶段k取得的F_i的值为前k-1个阶段取得的F_i的值的最优值判断，建立F_i的动态转移方程：

步骤1042、机器人微控制器2-1根据公式c_i＝F_i/m计算得到横向坐标权值因子c_i；

步骤1043、定义f_i为从坐标(i，1)到(i，n)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数经过加权处理后的权值，定义将由坐标为(i，1)的点和坐标为(i，n)的点连成的线段分为m个阶段，定义于阶段k取得的数组F_i的值为前k-1个阶段取得的数组F_i的值的最优值判断，建立f_i的动态转移方程：

步骤1044、机器人微控制器2-1根据公式numx＝max{f₁,f₂,...,f_m}计算得到为从坐标(i，1)到(i，n)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数经过加权处理后的权值的最大值numx，并将numx对应的坐标的横坐标确定为光源中心点的横坐标，将光源中心点的横坐标记为numbx；用公式将numbx表示为：numbx＝i(f_i＝numx)；

步骤105、光源中心点的纵坐标的确定，具体过程为：

步骤1051、设W_j为从坐标(1，j)到(m，j)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数，定义W₁＝1，将由坐标为(1，j)的点和坐标为(m，j)的点连成的线段分为n个阶段，定义于阶段k取得的W_j的值为前k-1个阶段取得的W_j的值的最优值判断，建立W_j的动态转移方程：

步骤1052、机器人微控制器2-1根据公式l_j＝F_j/n计算得到纵向坐标权值因子l_j；

步骤1053、定义w_j为从坐标(1，j)到(m，j)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数经过加权处理后的权值，定义将由坐标为(1，j)的点和坐标为(m，j)的点连成的线段分为n个阶段，定义于阶段k取得的W_j的值为前k-1个阶段取得的W_j的值的最优值判断，建立w_j的动态转移方程：

步骤1054、机器人微控制器2-1根据公式numy＝max{w₁,w₂,...,w_n}计算得到为从坐标(1，j)到(m，j)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数经过加权处理后的权值的最大值numy，并将numy对应的坐标的纵坐标确定为光源中心点的纵坐标，将光源中心点的纵坐标记为numby；用公式将numby表示为：numby＝j(w_j＝numy)；

步骤106、机器人微控制器2-1根据条件判断摄像头2-3拍摄到的图像中能否获取到激光发射器1-8发射的光，当条件成立时，判断为摄像头2-3拍摄到的图像中能够获取到激光发射器1-8发射的光；否则，当条件不成立时，判断为摄像头2-3拍摄到的图像中不能够获取到激光发射器1-8发射的光。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统，其特征在于：包括激光引导式充电桩(1)和搭载在机器人上的机器人充电控制电路(2)，所述激光引导式充电桩(1)包括底座(1-1)和安装在底座(1-1)上的激光引导控制电路板(1-14)，以及转动连接在底座(1-1)上且相啮合的第一齿轮(1-3)和第二齿轮(1-4)，所述底座(1-1)上通过舵机支架固定连接有位于第一齿轮(1-3)上方的舵机(1-6)，所述第一齿轮(1-3)与舵机(1-6)的输出轴固定连接，所述第二齿轮(1-4)上固定连接有电源插入挡板(1-7)，所述电源插入挡板(1-7)的下部固定连接有激光发射器(1-8)，所述电源插入挡板(1-7)的上部固定连接有充电接口(1-2)，所述充电接口(1-2)通过电源适配器与市电连接；所述激光引导控制电路板(1-14)上集成有激光引导控制电路，所述激光引导控制电路包括充电桩微控制器(1-15)、与充电桩微控制器(1-15)相接的充电桩无线通信模块(1-16)和为所述激光引导控制电路中各用电模块供电的电源电路(1-17)，所述舵机(1-6)与充电桩微控制器(1-15)的输出端连接，所述充电桩微控制器(1-15)的输出端还接有激光发射驱动电路(1-18)，所述激光发射器(1-8)与激光发射驱动电路(1-18)连接；所述机器人充电控制电路(2)包括机器人微控制器(2-1)和与机器人微控制器(2-1)相接且用于与充电桩无线通信模块(1-16)无线连接并通信的机载无线通信模块(2-2)；所述机器人微控制器(2-1)的输入端接有摄像头(2-3)、超声波传感器(2-4)、用于检测机器人供电电池的电量的电池电量检测电路(2-6)和用于接收激光发射器(1-8)发射的激光信号的激光接收器(2-7)，所述机器人微控制器(2-1)的输出端接有用于驱动机器人行走电机的电机驱动器(2-8)和用于为机器人供电电池充电的电池充电电路(2-9)，所述电池充电电路(2-9)上连接有用于连接到充电接口(1-2)上的充电插头(2-5)。

2.按照权利要求1所述的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统，其特征在于：所述充电桩微控制器(1-15)为单片机MSP430F169。

3.按照权利要求2所述的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统，其特征在于：所述激光发射驱动电路(1-18)包括三极管Q1，所述三极管Q1的基极通过电阻R1与所述单片机MSP430F169的P4.4引脚连接，所述激光发射器(1-8)的电源正极与+3.3V电源的输出端连接，所述激光发射器(1-8)的电源负极与三极管Q1的集电极相接，所述三极管Q1的发射极接地。

4.按照权利要求1所述的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统，其特征在于：所述充电桩无线通信模块(1-16)和机载无线通信模块(2-2)均为ZigBee无线通信模块。

5.按照权利要求1所述的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统，其特征在于：所述底座(1-1)上固定连接有第一转动轴和第二转动轴，所述第一齿轮(1-3)的几何中心位置处固定连接有第一圆柱滚子轴承，所述第一齿轮(1-3)通过将第一转动轴安装到第一圆柱滚子轴承中的方式转动连接在底座(1-1)上，所述第二齿轮(1-4)的几何中心位置处固定连接有第二圆柱滚子轴承，所述第二齿轮(1-4)通过将第二转动轴安装到第二圆柱滚子轴承中的方式转动连接在底座(1-1)上。

6.按照权利要求1所述的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统，其特征在于：所述底座(1-1)上安装有对称位于第一齿轮(1-3)两侧且用于保护第一齿轮(1-3)的两块第一保护挡板(1-9)和对称位于第二齿轮(1-4)两侧且用于保护第二齿轮(1-4)的两块第二保护挡板(1-10)；所述舵机支架由两个分别位于舵机(1-6)两侧的门字型支架(1-5)组成，所述舵机(1-6)通过六角螺栓(1-11)和六角螺母(1-12)与门字型支架(1-5)固定连接；所述电源插入挡板(1-7)通过三角形固定件(1-13)固定连接在第二齿轮(1-4)上。

7.按照权利要求1所述的基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电系统，其特征在于：所述机器人微控制器(2-1)为DSP数字信号处理器。

8.一种利用如权利要求1所述的系统进行基于摄像头与激光引导定位的机器人自主充电方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、摄像头定位，其具体过程为：机器人微控制器(2-1)通过电机驱动器(2-8)驱动机器人行走电机带动机器人行走，机器人行走过程中，机器人微控制器(2-1)采集超声波传感器(2-4)检测到的距离信号，并根据距离信号判断前方是否有障碍物，当发现前方有障碍物信号时，左转或者右转至前方空旷地带继续行走；同时，机器人微控制器(2-1)采集摄像头(2-3)拍摄到的图像，并调用图像光源识别处理模块，对摄像头(2-3)拍摄到的图像进行分析处理，判断摄像头(2-3)拍摄到的图像中能否获取到激光发射器(1-8)发射的光，当摄像头(2-3)拍摄到的图像中不能获取到激光发射器(1-8)发射的光时，继续行走，当摄像头(2-3)拍摄到的图像中能够获取到激光发射器(1-8)发射的光时，保持此时机器人的位置，并判断为此时的充电插头(2-10)面向了充电接口(1-2)，执行步骤二；

步骤二、激光引导定位，其具体过程为：

步骤201、机器人微控制器(2-1)通过机载无线通信模块(2-2)向远程服务端(1)发送激光引导定位开始指令；

步骤202、当远程服务端(1)的服务端微控制器(1-1)通过服务端无线通信模块(1-3)接收到机器人微控制器(2-1)发送的激光引导定位开始指令后，通过激光发射驱动电路(1-6)驱动激光发射器(1-8)发射激光，并产生周期为50Hz，脉宽为0.5ms的方波，使舵机(1-6)复位；

步骤203、机器人微控制器(2-1)产生的方波脉宽由0.5ms向2.5ms、每50ms增加0.01ms的速度递增，递增至2.5ms时，再按照每50ms减小0.01ms的速度，递减至0.5ms，不断重复，每一次增加或减少完成，均等待20ms，驱动舵机(1-6)转动，舵机(1-6)转动时带动第一齿轮(1-3)转动，第一齿轮(1-3)再带动第二齿轮(1-4)转动，第二齿轮(1-4)再带动电源插入挡板(1-7)转动，进行激光引导定位，直至激光接收器(2-7)接收到激光发射器(1-8)发射的激光信号；

步骤204、机器人微控制器(2-1)通过机载无线通信模块(2-2)向远程服务端(1)发送接收到激光信号指令；

步骤205、当远程服务端(1)的服务端微控制器(1-1)通过服务端无线通信模块(1-3)接收到机器人微控制器(2-1)发送的激光引导定位完成指令后，服务端微控制器(1-1)控制舵机(1-6)保持当前脉宽的方波，使得舵机(1-6)保持相应的转角不动，并向机器人充电控制电路(2)发送激光引导定位完成指令；

步骤206、机器人微控制器(2-1)通过机载无线通信模块(2-2)接收服务端微控制器(1-1)发送的激光引导定位完成指令后，通过电机驱动器(2-8)驱动机器人行走电机带动机器人直线移动，直线移动过程中，机器人微控制器(2-1)采集超声波传感器(2-4)检测到的距离信号，并根据距离信号向靠近电源插入挡板(1-7)的位置移动，直到充电插头(2-10)与充电接口(1-2)对接后，机器人停止运动，并开始充电。

9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤一中机器人微控制器(2-1)调用图像光源识别处理模块，对摄像头(2-3)拍摄到的图像进行分析处理，判断摄像头(2-3)拍摄到的图像中能否获取到激光发射器(1-8)发射的光的具体过程为：

步骤101、机器人微控制器(2-1)调用灰度图处理模块将摄像头(2-3)拍摄到的图像转化成灰度图；

步骤102、机器人微控制器(2-1)调用图像二值化处理模块将步骤101处理得到的灰度图转化为二值化图像，使摄像头(2-3)拍摄到的图像中的光源信息为黑色像素，其它部分为白色像素；

步骤103、定义步骤102处理得到的图像左下角第一个像素点的坐标为(1，1)，定义Fx_i为由坐标为(i，1)的点和坐标为(i，n)的点连成的线段上黑色像素点的个数，定义Fy_j为由坐标为(1，j)的点和坐标为(m，j)的点连成的线段上黑色像素点的个数；其中，m为摄像头(2-3)拍摄到的一帧图像的像素长度，1≤i≤m；n为摄像头(2-3)拍摄到的一帧图像的像素高度，1≤j≤n；

步骤104、光源中心点的横坐标的确定，具体过程为：

步骤1041、设F_i为从坐标(i，1)到(i，n)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数，定义F₁＝1，将由坐标为(i，1)的点和坐标为(i，n)的点连成的线段分为m个阶段，定义于阶段k取得的F_i的值为前k-1个阶段取得的F_i的值的最优值判断，建立F_i的动态转移方程：

$F_i=max\{F_1,F_2...F_k\}+1,\left\{\begin{array}{c}2\≤i\≤m\\ 1\≤k\≤i-1\\ {\mathrm{Fx}}_k\≤{\mathrm{Fx}}_i\end{array}\right.$

步骤1042、机器人微控制器(2-1)根据公式c_i＝F_i/m计算得到横向坐标权值因子c_i；

步骤1043、定义f_i为从坐标(i，1)到(i，n)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数经过加权处理后的权值，定义将由坐标为(i，1)的点和坐标为(i，n)的点连成的线段分为m个阶段，定义于阶段k取得的数组F_i的值为前k-1个阶段取得的数组F_i的值的最优值判断，建立f_i的动态转移方程：

$f_i=max\{f_1\×c_1,f_2\×c_2...f_k\×c_k\}+1,\left\{\begin{array}{c}2\≤i\≤m\\ 1\≤k\≤i-1\\ {\mathrm{Fx}}_k\≤{\mathrm{Fx}}_i\end{array}\right.$

步骤1044、机器人微控制器(2-1)根据公式numx＝max{f₁,f₂,...,f_m}计算得到为从坐标(i，1)到(i，n)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数经过加权处理后的权值的最大值numx，并将numx对应的坐标的横坐标确定为光源中心点的横坐标，将光源中心点的横坐标记为numbx；

步骤105、光源中心点的纵坐标的确定，具体过程为：

步骤1051、设W_j为从坐标(1，j)到(m，j)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数，定义W₁＝1，将由坐标为(1，j)的点和坐标为(m，j)的点连成的线段分为n个阶段，定义于阶段k取得的W_j的值为前k-1个阶段取得的W_j的值的最优值判断，建立W_j的动态转移方程：

$W_j=max\{W,W_2...W_k\}+1,\left\{\begin{array}{c}2\≤j\≤n\\ 1\≤k\≤j-1\\ {\mathrm{Fy}}_k\≤{\mathrm{Fy}}_j\end{array}\right.$

步骤1052、机器人微控制器(2-1)根据公式l_j＝F_j/n计算得到纵向坐标权值因子l_j；

步骤1053、定义w_j为从坐标(1，j)到(m，j)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数经过加权处理后的权值，定义将由坐标为(1，j)的点和坐标为(m，j)的点连成的线段分为n个阶段，定义于阶段k取得的W_j的值为前k-1个阶段取得的W_j的值的最优值判断，建立w_j的动态转移方程：

$w_j=max\{w_1\×l_1,w_2\×l_2...w_k\×l_k\}+1,\left\{\begin{array}{c}2\≤j\≤n\\ 1\≤k\≤j-1\\ {\mathrm{Fy}}_k\≤{\mathrm{Fy}}_j\end{array}\right.$

步骤1054、机器人微控制器(2-1)根据公式numy＝max{w₁,w₂,...,w_n}计算得到为从坐标(1，j)到(m，j)中，黑色元素的数量处于连续上升状态下最长连续上升的坐标的个数经过加权处理后的权值的最大值numy，并将numy对应的坐标的纵坐标确定为光源中心点的纵坐标，将光源中心点的纵坐标记为numby；

步骤106、机器人微控制器(2-1)根据条件判断摄像头(2-3)拍摄到的图像中能否获取到激光发射器(1-8)发射的光，当条件成立时，判断为摄像头(2-3)拍摄到的图像中能够获取到激光发射器(1-8)发射的光；否则，当条件不成立时，判断为摄像头(2-3)拍摄到的图像中不能够获取到激光发射器(1-8)发射的光。