CN107272675A - 基于红外线和超声波的自主充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于红外线和超声波的自主充电系统，系统包括超声红外发射板模块、超声红外接收板模块和机器人自主充电运动控制算法模块；通过超声红外接收板模块对红外线和超声波数据进行实时采集，并根据采集到的数据计算出机器人相对于固定点(充电桩)的实时位置信息，根据得到的机器人实时位置信息，控制器不断的控制并调整机器人的运动速度及运动方向，最终将机器人引导到充电桩进行充电。本发明逻辑简单、代码量小，无需复杂的算法程序，对处理器的性能要求不高，不需要在控制器中嵌入操作系统，能够准确的计算出机器人相对于充电桩的实时坐标信息，能够满足机器人实现自主充电任务的功能需求。
Description
技术领域
本发明涉及机器人定位导航技术领域，具体涉及一种基于红外线和超声波的自主充电系统。
背景技术
近几年来机器人行业发展迅猛，机器人的市场需求也越来越大，同时对机器人的智能化要求也越来越高。越来越多的应用场景需要机器人具有自主充电功能，要实现自主充电必须先确定机器人相对于充电座的实时位置信息，并根据实时位置信息将其导航到充电座。在众多的定位技术里面，小型的基于红外线和超声波的定位技术则由于其体积小、电路简单、价格低等优势，在小范围定位方面得到越来越广泛的应用。尤其在室内超声波定位技术就显得更为方便。
为了实现机器人自主充电，部分企业采用双目视觉定位系统。此方案需要在充电座上安装特殊的像素点，并且在机器人上同一水平位置上安装两台相机，这两台相机同时对这些特殊像素点进行图像采集，然后以这两幅图片为数据源进行相应的算法处理，最终计算出充电座相对机器人的坐标信息，从而实现自主充电功能。
双目视觉系统的缺点是成本高、硬件系统和机械结构都复杂、算法实现难度大需要较高性能的处理器和相对更为专业的算法工程师才能实现，所以此方案在较短时间内很难得到大范围的应用和推广。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于红外线和超声波的自主充电系统，机器人每隔一个周期获取一次实时位置信息，根据实时位置信息调整机器人的运动方向，直到完全对准充电桩，完成对接开始充电。
基于红外线和超声波的自主充电系统，系统包括超声红外发射板模块、超声红外接收板模块和机器人自主充电运动控制算法模块；
所述超声红外发射板模块上电后，先对超声红外发射板模块中的处理器进行初始化，具体为：超声波和红外线发射控制管脚的初始化；定时器1初始化，用于产生40KHz的超声波载波；定时器2初始化用于产生56KHz的红外线载波；20ms软件定时器1初始化；
初始化完成后，开启软件定时器1，软件定时器1到时间后开始控制“红外发射管1”和“超声发射板1”发送红外线和超声波，软件定时器1再次到时间后开始控制“红外发射管1”和“超声发射板2”发射红外线和超声波；“超声发射板1”和“超声发射板2”发送的超声波载波(脉冲)数量不一样，用于接收端区分接收到的超声数据为哪个板子发出；软件定时器1一直循环工作，超声发射板1和超声发射板2轮流向外发射超声波；
所述超声红外接收板模块上电后，先对超声红外接收板模块中的处理器进行初始化，具体包括：初始化外部中断1，用于接收红外线信号；初始化外部中断2，用于接收超声波信号；初始化硬件定时器1，用于记录超声波从发射端到接收端之间传播的时间；初始化硬件定时器2，用于记录接收端接收到的超声波载波的脉冲数量；
初始化完成后，如果外部中断1被触发，说明已经接收到红外线信号，超声发射端也已经开始发送超声波信号，硬件定时器1开始计时；当外部中断2被触发后，说明已经接收到超声波信号，停止硬件定时器1的计时，同时硬件定时器2对接收到的超声波脉冲数量进行记录；假设硬件定时器1记录的时间为T，单位为s，超声波在空气中的传播速度为V＝340m/s已知，那么测得的距离S＝V*T；根据硬件定时器2测得的超声波脉冲数量，确定此刻接收到的超声波是“超声波发射板1”还是“超声波发射板2”发射出的(也就是超声波的方位)；
A点和B点代表充电桩上的超声发射板1和超声发射板2,O点为AB的中点，为红外线发射管1的位置，也是机器人的运动目标点；C点表示机器人的位置，以O点为原点建立坐标系；
所述机器人自主充电运动控制算法模块控制机器人开始自主充电时，先对自主充电任务线程进行初始化，具体是：初始化200ms的软件定时器1，然后开启软件定时器1，当软件定时器1到达定时时间后，处理器通过串口和“超声接收板”进行通信，以获取机器人到充电桩的距离AC和BC，并计算出C点相对于O点的坐标值，然后判断C点坐标x的值，等于0时说明机器人C点和充电桩O点刚好正对应，控制机器人向后直行；大于0时说明机器人C点在充电桩O点的左侧，控制机器人向右后方运行；小于0时说明机器人C点在充电桩O点的右侧，控制机器人向左后方运行；然后继续判断软件定时器是否到时间，如果到时间重复以上控制过程，每隔200ms机器人获取一次实时位置信息，根据实时位置信息调整机器人的运动方向，直到完全对准充电桩，完成对接开始充电。
有益效果：
本发明逻辑简单、代码量小，无需复杂的算法程序，对处理器的性能要求不高，不需要在控制器中嵌入操作系统，能够准确的计算出机器人相对于充电桩的实时坐标信息，能够满足机器人实现自主充电任务的功能需求。
附图说明
图1为超声和红外发射板模块控制逻辑图；
图2为超声和红外接收板模块控制逻辑图；
图3为自主充电算法实现数学模型图；
图4为自主充电运动控制逻辑图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于红外线和超声波的自主充电系统，该系统包括超声红外发射板模块、超声红外接收板模块和机器人自主充电运动控制算法模块；
超声红外发射板模块采用STM32F030处理器，所以此部分的控制算法和逻辑是以STM32F030控制器为基础，用C语言实现的嵌入式控制程序，程序的控制逻辑如图1所示
超声红外发射板模块上电后，先对超声红外发射板模块中的处理器进行初始化，具体为：超声波和红外线发射控制管脚的初始化；定时器1初始化，用于产生40KHz的超声波载波；定时器2初始化用于产生56KHz的红外线载波；20ms软件定时器1初始化；
初始化完成后，开启软件定时器1，软件定时器1到时间后开始控制“红外发射管1”和“超声发射板1”发送红外线和超声波，软件定时器1再次到时间后开始控制“红外发射管1”和“超声发射板2”发射红外线和超声波；“超声发射板1”和“超声发射板2”发送的超声波载波(脉冲)数量不一样，用于接收端区分接收到的超声数据为哪个板子发出；软件定时器1一直循环工作，超声发射板1和超声发射板2轮流向外发射超声波；
超声红外接收板的核心控制器同样采用STM32F030处理器，具体的算法和逻辑采用C语言实现，具体的实现逻辑如图2所示：
超声红外接收板模块上电后，先对超声红外接收板模块中的处理器进行初始化，具体包括：初始化外部中断1，用于接收红外线信号；初始化外部中断2，用于接收超声波信号；初始化硬件定时器1，用于记录超声波从发射端到接收端之间传播的时间；初始化硬件定时器2，用于记录接收端接收到的超声波载波的脉冲数量；
初始化完成后，如果外部中断1被触发，说明已经接收到红外线信号，超声发射端也已经开始发送超声波信号，硬件定时器1开始计时；当外部中断2被触发后，说明已经接收到超声波信号，停止硬件定时器1的计时，同时硬件定时器2对接收到的超声波脉冲数量进行记录；假设硬件定时器1记录的时间为T，单位为s，超声波在空气中的传播速度为V＝340m/s已知，那么测得的距离S＝V*T；根据硬件定时器2测得的超声波脉冲数量，确定此刻接收到的超声波是“超声波发射板1”还是“超声波发射板2”发射出的(也就是超声波的方位)；
A点和B点代表充电桩上的超声发射板1和超声发射板2,O点为AB的中点，为红外线发射管1的位置，也是机器人的运动目标点。C点表示机器人的位置。以O点为原点建立坐标系，X轴和Y轴的正方向如图3所示。
机器人自主充电运动控制算法模块采用STM32F103VET6处理器，当机器人检测到电池电量低时，通知STM32F103VET6处理器，处理器开启自动充电任务，机器人与充电桩对接过程中，机器人可以是向前行走以完成对接，也可以向后行走以完成对接，关键看机器人的充电结构设计在前还是在后，这里我们的设计是向后。具体的控制逻辑如图4所示：
当STM32F103VET6处理器控制开始自主充电时，先对自主充电任务线程进行初始化。具体任务是：初始化200ms的软件定时器1，然后开启软件定时器1。当软件定时器1到达定时时间后，处理器通过串口和“超声接收板”进行通信，以获取机器人到充电桩的距离AC和BC，并计算出C点相对于O点的坐标值，然后判断C点坐标x的值，等于0，说明机器人C点和充电桩O点刚好正对应，控制机器人向后直行；大于0，说明机器人C点在充电桩O点的左侧，控制机器人向右后方运行；小于0，说明机器人C点在充电桩O点的右侧，控制机器人向左后方运行。然后继续判断软件定时器是否到时间，如果到时间重复以上控制过程。
整体的控制效果是：每隔200ms机器人获取一次实时位置信息，根据实时位置信息调整机器人的运动方向，直到完全对准充电桩，完成对接开始充电。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.基于红外线和超声波的自主充电系统，系统包括超声红外发射板模块、超声红外接收板模块和机器人自主充电运动控制算法模块；
所述超声红外发射板模块上电后，先对超声红外发射板模块中的处理器进行初始化，具体为：超声波和红外线发射控制管脚的初始化；第一定时器初始化用于产生40KHz的超声波载波；第二定时器初始化用于产生56KHz的红外线载波；20ms第一软件定时器初始化；
初始化完成后，开启第一软件定时器，第一软件定时器到时间后开始控制第一红外发射管和第一超声发射板发送红外线和超声波，第一软件定时器再次到时间后开始控制第一红外发射管和第二超声发射板发射红外线和超声波；第一超声发射板和第二超声发射板发送的超声波载波数量不一样，用于接收端区分接收到的超声数据为第一超声发射板或第二超声发射板发出；第一软件定时器循环工作，第一超声发射板和第二超声发射板轮流向外发射超声波；
所述超声红外接收板模块上电后，先对超声红外接收板模块中的处理器进行初始化，具体包括：初始化第一外部中断，用于接收红外线信号；初始化第二外部中断，用于接收超声波信号；初始化第一硬件定时器，用于记录超声波从发射端到接收端之间传播的时间；初始化第二硬件定时器，用于记录接收端接收到的超声波载波的脉冲数量；
A点和B点代表充电桩上的第一超声发射板和第二超声发射板,O点为AB的中点，为第一红外线发射管的位置，也是机器人的运动目标点；C点表示机器人的位置，以O点为原点建立坐标系；
所述机器人自主充电运动控制算法模块控制机器人开始自主充电时，先对自主充电任务线程进行初始化，初始化200ms的第一软件定时器，然后开启第一软件定时器，当第一软件定时器到达定时时间后，处理器通过串口和“超声接收板”进行通信，以获取机器人到充电桩的距离AC和BC，并计算出C点相对于O点的坐标值，然后判断C点坐标x的值，等于0时说明机器人C点和充电桩O点刚好正对应，控制机器人向后直行；大于0时说明机器人C点在充电桩O点的左侧，控制机器人向右后方运行；小于0时说明机器人C点在充电桩O点的右侧，控制机器人向左后方运行；然后继续判断软件定时器是否到时间，如果到时间重复以上控制过程，每隔200ms机器人获取一次实时位置信息，根据实时位置信息调整机器人的运动方向，直到完全对准充电桩，完成对接开始充电。
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