CN108431713A - 用于给移动机器人充电的对接系统和方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于在对接站对移动机器人进行充电的对接系统和方法。该系统包括用于机器人的第一模块，该第一模块包括第一通信单元和第一控制单元，以及用于对接站的第二模块，该第二模块包括第二通信单元、一个或多个对接传感器和第二控制单元。当机器人进入对接站周围的对接区域时，第一通信单元向第二通信单元发送指示机器人需要充电的状态消息；在接收到状态消息时，第二控制单元使用传感器来导出朝着对接站驱动机器人的牵引命令；并且第二通信单元向第一通信单元发送包含牵引命令的命令消息。第一控制单元处理牵引命令并使用该牵引命令来操作机器人的牵引马达。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人领域。特别地，本发明涉及用于给移动机器人充电的对接系统和方法。
背景技术
移动机器人现在对于执行简单和重复的任务(诸如家庭维护(地面清洁))或危险任务(例如在人类面临风险的环境内部的检查或监视活动)正在变得流行。
通常，移动机器人可以由人类操作员远程控制或者它们可以自动操作。后一种类型的操作意味着移动机器人能够自动进行室内导航，这意味着机器人能够创建室内环境的地图，确定其在地图内的位置并规划路径以在地图内进行点对点导航。
一般而言，自动移动机器人可以设有电动牵引马达。在这种情况下，它还设有定期再充电的板载电源单元(即，电池)。在连接到电力分配网络的对接站处执行再充电。当板载电池要被再充电时，自动移动机器人通常朝着对接站移动。在对接站附近，移动机器人开始对接操作，根据该对接操作，移动机器人确定对接站的确切位置并且为其牵引马达生成运动命令，以便接近对接站并连接到对接站。通常，对接站的位置可以由移动机器人通过经由适当的传感器检测由对接站发射的信号(该信号可以包括红外信标和光信号)或者通过识别位于对接站上的参考图像或视觉标记或者通过检测由对接站发射的音频标记或者通过对接站附近的声源来确定。
WO2014/114910公开了一种用于移动机器人的对接站，其包括可位于地板表面上的底座(base)部分和相对于底座部分可枢转的后部部分，由此允许用户以展开配置将对接站放在地板上，但是以折叠配置存储对接站。
EP2617531A1公开了一种包括智能机器人和充电底座的智能机器人系统。智能机器人包括对接电极、行走机制(mechanism)和控制单元。对接电极、行走机制和控制单元部署在智能机器人的主体中。充电底座包括部署在充电底座的主体上的充电电极。智能机器人还包括夹持机制。当对接电极和充电电极对接成功时，控制单元控制夹持机制以锁定行走机制，以使智能机器人在充电底座内维持成功对接状态，从而防止充电底座的充电电极由于行走机制的不正确移动而与对接电极分离。因此防止了智能机器人充电期间的任何干扰并且提高了充电效率。
US7546179公开了一种允许移动机器人返回到指定位置的方法和装置，该方法包括：在移动机器人从第一位置行进预定距离之后到达的第二位置处，计算移动机器人的第一方向角度；在移动机器人旋转了第一方向角度并且然后行进预定距离之后到达的第三位置处，确定移动机器人是接近还是移离指定位置；以及如果确定结果指示移动机器人接近对接站，那么控制移动机器人根据第一方向角度行进，并且如果结果指示移动机器人从对接站移离，那么在第三位置处计算移动机器人的第二方向角度并且控制移动机器人根据第二方向角度行进。
US7332890公开了一种用于机器人设备中的能量管理的方法，该方法包括提供用于与机器人设备配合的基站、确定存储在机器人设备的能量存储单元中的能量的量，以及至少部分地基于存储的能量的量来执行预定任务。还公开了用于发射避免信号以防止机器人与基站之间的无意地接触的系统，以及用于发射归位信号以允许机器人设备与基站准确对接的系统。
发明内容
申请人已经注意到用于给移动机器人充电的已知系统和方法具有一些缺点。
特别地，申请人已经注意到移动机器人在其第一次尝试时常常不正确地对接在对接站上。这可能是由于以下事实：当移动机器人对接在对接站上时，由于许多因素，其移动可能不精确。这些因素可以包括：
-对接站几何模型中的不准确性，这影响自动导航算法；
-在移动机器人与对接站之间的距离缩短时缺少参考信号和标记；
-在对接操作期间参考信号和标记的强度的波动；以及
-板载电源单元的低电池水平。
这些因素可能对对接操作产生负面影响，因为机器人可能被迫重复本地化对接站的操作以及接近并连接到对接站的操纵(manoeuvres)。不利地重复对接操作可以将移动机器人的板载电池的充电水平降低到不允许移动机器人完成程序并对接在对接站上的值。移动机器人甚至可能在对接在对接站上之前就死机，这意味着人类操作员应该到达移动机器人并将其带到对接站以进行再充电。这很清楚地是低效和耗时的。
而且，通常，为了执行对接操作，移动机器人应当接通一个或多个传感器并保持它们接通，直到程序完成为止。传感器可以包括激光扫描仪、红外传感器、摄像机、超声传感器。这意味着移动机器人在对接操作期间消耗大量的能量，并且移动机器人的板载电池可能快速放电，因此减少了完成对接操作可用的时间间隔。
鉴于以上所述，申请人已经解决了提供用于给移动机器人充电的对接系统和方法的问题，其允许最小化对接操作期间机器人的能量消耗。即使存在上面列出的一个或多个因素(对接站几何模型中的不准确性、在缩短的距离处参考信号缺少或波动、电池水平低)，最小化能量消耗也将允许移动机器人完成对接操作。
根据第一方面，本发明提供了一种用于在对接站对移动机器人进行充电的对接系统，该系统包括被配置为安装在移动机器人上的第一模块以及被配置为被安装在对接站上的第二模块，第一模块包括第一通信单元和第一控制单元，第二模块包括第二通信单元、一个或多个对接传感器和第二控制单元，其中：
-当移动机器人进入对接站周围的对接区域时，第一通信单元被配置为向第二通信单元发送指示移动机器人需要充电的状态消息；
-第二控制单元被配置为在接收到状态消息时使用一个或多个对接传感器基于由一个或多个对接传感器接收到的数据导出朝着对接站驱动移动机器人的牵引命令；以及
-第二通信单元被配置为向第一通信单元发送包含牵引命令的命令消息，
并且其中第一控制单元被配置为处理牵引命令并且使用该牵引命令来操作移动机器人的一个或多个牵引马达。
优选地，第二通信单元被配置为在接收到状态消息时向第一通信单元发送确认消息。
优选地，第二控制单元还被配置为命令在保持接通至少第一模块、一个或多个牵引马达和驱动它们的电路系统的同时关断移动机器人的数个部件。
根据本发明的实施例，第二控制单元被配置为在接收到状态消息时接通一个或多个对接传感器。
优选地，由一个或多个对接传感器接收的数据包括移动机器人与对接站之间的距离和朝向，其中命令消息包括要由移动机器人的一个或多个牵引马达致动的平移速度和/或旋转速度，平移速度是基于距离计算的并且旋转速度是基于朝向计算的。
优选地，状态消息和命令消息是根据机器人操作系统的消息。
根据本发明的实施例：
-第二控制单元还被配置为基于由一个或多个对接传感器接收的另外的数据循环地导出另外的牵引命令；
-第二通信单元还被配置为循环地向第一通信单元发送包含该另外的牵引命令的另外的命令消息；以及
-第一控制单元还被配置为循环地处理该另外的牵引命令并且使用该另外的牵引命令来操作移动机器人的一个或多个牵引马达，
直到移动机器人对接在对接站上为止。
优选地，第一模块包括具有第一电触点的第一功率处理单元，该第一电触点被配置为当移动机器人对接在对接站上时与第二模块的第二功率处理单元的第二电触点建立电连接。
优选地，第一通信单元和第二通信单元被配置为根据无线通信技术建立连接，无线通信技术是WiFi、4G LTE中的一个。可替代地或附加地，第一通信单元和第二通信单元被配置为通过云计算平台建立连接。
根据第二方面，本发明提供了一种用于在对接站对移动机器人进行充电的方法，该方法包括：
a)当移动机器人进入对接站周围的对接区域时，由移动机器人向对接站发送指示移动机器人需要充电的状态消息；
b)在对接站处，在接收到消息时，使用一个或多个对接传感器基于由一个或多个对接传感器接收到的数据导出朝着对接站驱动移动机器人的牵引命令；
c)在对接站处，向移动机器人发送包含牵引命令的命令消息；以及
d)在移动机器人处，处理牵引命令并使用该牵引命令来操作移动机器人的一个或多个牵引马达。
优选地，该方法还包括，在对接站处，在接收到状态消息时，向移动机器人发送确认消息，并且在移动机器人处，在接收到确认消息时，在保持至少第一模块、一个或多个牵引马达和驱动它们的电路系统接通的同时，关断移动机器人的数个部件。
优选地，循环地重复步骤b至d，直到移动机器人对接在对接站上为止。
更优选地，循环地重复步骤b至d，直到移动机器人的第一电触点与对接站的第二电触点建立电连接为止。
优选地，对接区域是对接站周围的、半径被包括在1m和10m之间的圆形区域。
附图说明
参考附图阅读下面通过举例而非限制给出的详细描述，本发明将变得更清楚，其中：
图1示意性地示出了参考笛卡尔坐标系中的对接站和移动机器人；
图2示出了根据本发明的用于对移动机器人进行充电的示例性对接系统的框图；以及
图3是根据本发明的用于对移动机器人进行充电的对接方法的流程图。
具体实施方式
本发明适用于包括移动机器人和对接站的机器人系统。图1中示出了示例性机器人系统1，其包括移动机器人11和对接站12。在图1中，系统1在参考笛卡尔坐标轴X、Y内表示，其原点与对接站的位置重合。移动机器人11距离对接站12的距离为D，距离D随时间变化，并且具有相对于对接站12的朝向θ，朝向θ被计算为参考坐标轴(例如Y轴)与连接对接站12和移动机器人11的直线之间的、随时间变化的角度。
如本领域中一般所知的，移动机器人可以包括用于操作牵引构件的一个或多个电动牵引马达，从而允许机器人执行平移和旋转移动。牵引构件可以包括一对或多对轮子，或一对轨道或机器人腿(在类人机器人中)。牵引构件使移动机器人能够在正向和反向方向移动并沿着弯曲的路径行进。移动机器人11还设有可再充电电源(诸如12V板载电池)，其被配置为向移动机器人部件，尤其是向牵引马达供电。另外，移动机器人11可以包括连接到可再充电电源并为移动机器人部件提供必需电力的电源板。移动机器人11可以包括在这里未描述的其它部件，因为它们与本描述不相关。
本发明适用的移动机器人11是自动的，因为它包括使其能够自动地导航其所处的环境的自动导航单元。移动机器人11的自动导航单元包括处理器(或微处理器)和一个或多个导航传感器。导航传感器将导航数据提供给导航单元的处理器，用于计算移动机器人11在所考虑的环境内的位置，并根据已知的自动导航算法确定移动机器人路线。用于自动导航的已知算法可以包括自适应Monte Carlo定位(AMCL)、快速探索随机树(RRT)、平滑接近度图(SND)、向量场直方图(VFH)。一个或多个导航传感器可以包括激光扫描仪。可以使用的示例性激光扫描仪是Hokuyo Automatic有限公司的UTM-30LX激光扫描仪。
应当注意的是，自动导航算法和导航传感器在本领域中是一般已知的。由于这些部件不形成本发明的一部分，因此这里将省略对自动导航算法和导航传感器的更详细描述。
而且，对接站12优选地附连到电力分配网络。
移动机器人11和对接站12被配置为彼此关联，使得当电源的功率水平低于给定阈值时移动机器人11可以对其电源进行再充电。特别地，本发明的对接系统和方法提供朝着对接站驱动移动机器人11直到它连接到对接站为止。为了对接方法的应用和对接系统的操作，假设移动机器人11已经自动地到达对接站附近的“对接区域”。在本发明的意义内，“对接区域”是对接站周围半径为R的圆形区域。优选地，对接区域的半径R等于从几米(例如，1米)到10米范围内的值。
图2示出了根据本发明实施例的用于对移动机器人进行充电的对接系统2的框图。系统2优选地包括与移动机器人11相关联的第一模块21和与对接站12相关联的第二模块22。特别地，第一模块21优选地定位在移动机器人11上。第二模块22优选地定位在对接站12上。
第一模块21优选地包括第一通信单元211、第一功率处理单元212和第一控制单元213。第一通信单元211优选地连接到第一控制单元213，第一控制单元213进而连接到第一功率处理单元212。第一通信单元211优选地包括无线接口，该无线接口被配置为向对接站12的第二模块22内所包括的对应单元发送无线信号/从该对应单元接收无线信号，如将在下文中更详细描述的。
第二模块22优选地包括第二通信单元221、第二功率处理单元222，第二控制单元223和一个或多个对接传感器224。第二通信单元221优选地连接到第二控制单元223，第二控制单元223进而连接到第二功率处理单元222并且连接到一个或多个对接传感器224。第二通信单元221优选地包括无线接口，该无线接口被配置为向移动机器人11的第一模块21内所包括的第一通信单元211发送无线信号/从第一通信单元211接收无线信号，如将在下文中更详细描述的。
第一通信单元211和第二通信单元221优选地被配置为通过在它们之间建立的无线双向通信链路以无线信号所携带的消息的形式交换信息和命令。通信链路可以是通过诸如或WiFi之类的无线通信技术在第一通信单元211和第二通信单元221之间建立的直接通信链路。例如，第一通信单元211和第二通信单元221可以各自连接到外部WiFi热点，以便建立连接。在使用或WiFi技术的情况下，第一通信单元211和第二通信单元221可以各自包括专用天线。可替代地或附加地，第一通信单元211和第二通信单元221可以各自包括提供4G LTE连接的4G LTE(长期演进)模块。进一步可替代地或附加地，第一通信单元211和第二通信单元221可以远程连接到云计算平台23，并且它们可以通过云平台建立连接。在这种情况下，第一通信单元211和第二通信单元221中的每一个包括相应的独立云代理，该独立云代理通过诸如WiFi或4G LTE之类的无线通信技术连接到云平台23。云平台23可以安装在远程服务器上，或者可以分布在数个服务器上。
第一功率处理单元212优选地包括电路，该电路被配置为当移动式机器人11连接到对接站12时接收用于对移动机器人11进行充电的电源电压。第一功率处理模块212还包括机械结构，其允许将移动机器人11物理地连接到对接站12。而且，第一功率处理单元212包括当移动机器人11对接在对接站12上时提供与对接站12上的对应触点的电连接的第一电触点。
第二功率处理单元222优选地包括电路，该电路被配置为当移动机器人11连接到对接站12时提供用于对移动机器人11进行充电的电源电压。电源电压从电力分配网络取得(retrieve)。第二功率处理模块222进一步包括机械结构，该机械结构被配置为与第一功率处理模块212的对应机械结构接合(engage)，以便将移动机器人11物理连接到对接站12。而且，第二功率处理单元222包括第二电触点，当移动机器人11对接在对接站12上时，第二电触点提供与移动机器人11上的对应触点的电连接。
根据本发明的实施例，第一功率处理模块212可以包括平坦表面机械结构，该平坦表面机械结构具有细长形状的几个引脚(couples of pins)形式的电触点的集合，引脚至少部分地从移动机器人11的外表面突出。而且，第二功率处理模块222可以包括具有带有金属细长带形式的电触点的凸表面的机械结构。接触带应当定位于对接站12的外部，以便当移动机器人11对接在对接站12上时允许接触移动机器人11的引脚。
上述电触点有利地允许当移动机器人11对接在对接站12上时适应移动机器人11和对接站12之间的一定范围的横向和角度不对齐。
第一控制单元213优选地被配置为处理由移动机器人11通过第一通信单元211和第二通信单元221从对接站12接收到的牵引命令，该牵引命令包括与移动机器人11应当执行以便接近对接站12的平移和/或旋转移动相关的信息。第一控制单元213还优选地被配置为基于牵引命令而生成对应的控制信号以操作移动机器人11的牵引马达，使得移动机器人11可以接近对接站12并连接到对接站12，如将在下文中更详细描述的。此外，第一控制单元213被配置为与移动机器人11的电源板通信，以接通和关断移动机器人部件。
第二控制单元223优选地被配置为在移动机器人接近对接站12时迭代地计算对接站12和移动机器人11之间的距离和朝向，如将在下文中更详细描述的。此外，第二控制单元223被配置为基于移动机器人11相对于对接站12的距离和朝向生成为了朝着对接站12驱动移动机器人11直到它对接在对接站12上为止所需的牵引命令。
移动机器人11相对于对接站12的距离和朝向的计算优选地由第二控制单元223基于由安装在对接站12上的一个或多个对接传感器224感测到的数据来执行。安装在对接站12上的一个或多个传感器224中的每个传感器优选地被配置为当接通时在周围环境内发射相应的对接信号，从而允许计算移动机器人的距离和朝向，使得对接站12可以驱动移动机器人11到达对接站12并且连接到对接站12，如将在下文中更详细描述的。这一个或多个传感器224可以包括以下当中的一个或多个：光传感器(诸如激光扫描仪)、红外接近传感器(诸如PIR(无源红外)传感器)、超声传感器、摄像机。根据本发明的优选实施例，对接站12包括作为对接传感器的激光扫描仪。可以在对接站上使用的示例性激光扫描仪是由HokuyoAutomatic有限公司制造的UTM-30LX激光扫描仪。
现在将参考图3的流程图描述根据本发明的用于对移动机器人11进行充电的对接方法。
根据本发明的方法，当移动机器人11的可再充电电源的电荷水平达到给定阈值时，移动机器人由于其自动导航系统而朝着对接站12移动。特别地，移动机器人11的导航系统确定移动机器人11的位置并且计算允许机器人接近对接站12的路线。这些操作在本领域中通常是已知的，因此它们将不会在下文中被更详细地描述。
然后，根据本发明，在对接站12和移动机器人11之间建立双向通信链路，从而允许对接站12朝着对接站12驱动移动机器人11。为了进行此操作，对接站12优选地使用一个或多个对接传感器224，从而允许获得关于移动机器人11的位置的信息。而且，本发明提供了在对接程序期间关断除第一模块21、牵引马达和操作它们所需要的电路系统之外的大多数移动机器人部件。这些操作将在下文中详细描述。
在该方法的步骤301，移动机器人11在由其自动导航系统驱动而接近对接站12的同时到达对接区域。特别地，当移动机器人11距离对接站12的距离D变得等于或小于半径R时，移动机器人11到达起始位置。移动机器人11到达起始位置的时间将在以下描述中被称为“起始时间”ts。移动机器人11在起始时间离对接站12的距离D将被称为“起始距离”并且由“Ds”表示。它可以如下计算
其中Xs和Ys分别是在起始位置处在图1所示的参考笛卡尔坐标轴系统内移动机器人11的X坐标和Y坐标。换句话说，Xs是移动机器人的起始位置沿着X(水平)轴到对接站12的距离，并且Ys是移动机器人的起始位置沿着Y(垂直)轴到对接站12的距离。
当移动机器人11到达起始位置时，第一控制单元213优选地生成指示移动机器人11需要充电的状态消息。该消息可以是根据机器人操作系统(ROS)的消息，特别是根据ROS消息传送规则的消息。然后，第一通信单元211优选地通过在它们之间建立的无线通信链路向对接站的第二通信单元221发送状态消息(步骤302)。同时，移动机器人11优选地停止其一个或多个牵引马达。
如上面预期的，根据本发明的实施例，使用例如Wi-Fi技术，在对接站12与移动机器人11之间交换的消息通过可以在第一通信单元211与第二通信单元221之间建立的直接双向无线通信链路上发送的无线信号携带。根据有利的实施例，消息在通过云平台23的间接无线双向通信链路上在第一通信单元211与第二通信单元221之间发送。
在步骤304，对接站12的第二通信单元221接收指示移动机器人11需要充电的状态消息。在接收到状态消息时，第二控制单元223优选地生成用于接通一个或多个对接传感器224的命令。在步骤305，一个或多个对接传感器224优选地接通并开始发射对应的(一个或多个)信号。而且，在步骤306，第二通信单元221优选地生成针对移动机器人11的确认消息，其指示它接收到在步骤302处由第一通信单元211发送的状态消息。要注意的是，第二通信单元221可替代地可以在对接传感器224接通之前生成确认消息。根据本发明的其它实施例，当移动机器人11进入对接站时，对接传感器224可能已经接通(在这种情况下，图3的流程图不包括步骤305)。
在步骤307，第一通信单元211优选地从对接站12的第二通信单元221接收确认消息。一旦接收到确认消息，第一控制单元213就优选地为移动机器人11的电源板生成另外的命令，以便关断移动机器人11的数个部件。根据本发明，除了第一模块21的部件(特别是第一通信单元211和第一控制单元212，牵引马达和驱动牵引马达的电路系统)之外，移动机器人11的大多数部件在这个时候关断(步骤308)。换句话说，由第一控制单元213在步骤308生成的命令提供关断对于让移动机器人11接近对接站12并对接在其上不必需的移动机器人11的部件，同时保持接通对于对接程序是必需的部件(即，第一模块21的部件、牵引马达和驱动牵引马达的电路系统)。特别地，移动机器人11关断它的包括处理器和导航传感器的自动导航单元。
交换状态消息和确认消息的程序可以根据ROS消息传送规则通过调用ROS服务来实现，如已知的，ROS服务是客户端-服务器同步机制。在这种情况下，移动机器人11通过调用ROS服务(其与发送状态消息对应)而充当客户端并等待来自服务器(即，对接站12)的回答(其与确认消息对应)。
在这个时候，对接站12开始使用(一个或多个)对接传感器224来检测移动机器人11在对接区域内的位置并且生成对应的牵引命令，以使移动机器人11接近对接站12并连接到对接站12。由对接站12和移动机器人11执行的操作如下：
-对接站12使用从其(一个或多个)对接传感器224接收的数据来计算移动机器人11的距离；
-对接站12生成并向移动机器人11发送允许移动机器人11接近对接站12的牵引命令；以及
-移动机器人11接收牵引命令并相应地移动。
迭代上述的操作序列，直到移动机器人11对接在对接站上为止。现在将参考图2的方框和图3的流程图更详细地描述上面总结的程序。应当注意的是，迭代涉及图3的流程图的步骤309-313，如从以下几行将更清晰的。
在步骤309处，基于由(一个或多个)对接传感器224接收的数据，第二控制单元223优选地计算对接站12与移动机器人11之间的距离。与时间t≥ts对应(即，在开始时间处或在开始时间之后)，距离D(t)被计算为对接站12与移动机器人11的位置之间的距离，如下：
其中X(t)和Y(t)分别是在时间t处在图1中表示的参考笛卡尔坐标轴系统内的移动机器人11的X坐标和Y坐标。特别地，在移动机器人11已经到达对接区域之后由(一个或多个)对接传感器224接收的第一数据与基本上等于等式[1]的起始距离Ds的距离D(ts)对应。
而且，在步骤309，基于由(一个或多个)对接传感器224接收的数据，第二控制单元223优选地计算对接站12与移动机器人11之间的朝向θ。与移动机器人11已经到达起始位置之后的时间t对应，根据本发明的实施例，朝向θ(t)被计算为在时间t处Y轴与连接对接站12的位置和移动机器人11的位置的直线之间的角度。
在步骤310，优选地执行检查，以确定移动机器人11是否已经对接在对接站12上。通过确定移动机器人11上的第一功率处理模块212的第一电触点和对接站12上的第二功率处理模块222的第二电触点之间的电连接是否已经建立来执行检查。当建立了电连接时，第二功率处理模块222优选地与第二控制单元223通信，以指示移动机器人11已经对接在对接站12上。
如果步骤310的检查是肯定的，那么程序结束。
如果在步骤310检查结果是否定的，指示移动机器人11还没有对接在对接站上，那么第二控制单元223在步骤311优选地计算移动机器人的平移速度V(t)，如下：
V(t)＝KV×D(t) [3]
其中D(t)是在步骤306计算的距离并且KV是速度调整系数。速度系数KV可以具有被包括在0与1之间的值，例如1。特别地，速度调整系数KV的值可以根据距离D(t)而变化。更特别地，速度调整系数KV可以例如与距离D(t)成正比，使得其随着距离D(t)的减小而减小并且在移动机器人11接近对接站12时提供使移动机器人11减速。
而且，如果在步骤310检查结果是否定的，指示移动机器人11还没有对接在对接站上，那么第二控制单元223在步骤308优选地计算移动机器人的旋转速度W(t)如下：
W(t)＝KW×θ(t) [4]
其中θ(t)是在步骤306计算的朝向，并且KW是角度系数。角度系数KW可以具有被包括在0与1之间的值，例如它可以等于1。特别地，角度系数KW的值可以根据距离D(t)而变化。例如，它可以与距离D(t)成正比，使得其随着距离D(t)的减小而减小并且提供在其接近对接站12时驱动移动机器人11更慢地旋转。
然后，在步骤311，由第二控制单元223优选地使用计算出的平移速度V(t)和旋转速度W(t)的值来生成用于移动机器人11的一个或多个牵引命令。牵引命令是适于驱动移动机器人11以根据计算出的平移速度和/或旋转速度的值移动的命令。可以生成包含计算出的平移速度V(t)的第一牵引命令，并且可以生成包含计算出的旋转速度W(t)的第二牵引命令。牵引命令优选地被引入命令消息中，该命令消息随后由第二通信单元221通过建立的通信链路发送到移动机器人11上的第一通信单元211。例如，命令消息可以是根据机器人操作系统(ROS)消息传送规则的消息。对接站12可以将命令消息发布到主题，例如/cmd_vel主题，该主题通常由移动机器人用于获取牵引命令。用于牵引命令的命令消息可以是geometry_msgs分组的Twist消息。
在步骤312，命令消息由移动机器人11上的第一通信单元221接收。然后，第一控制单元221优选地处理命令消息、提取牵引命令并且使用它们来生成控制信号，以根据牵引命令操作移动机器人11的牵引马达(步骤313)。以这种方式，牵引命令由牵引马达致动，使得移动机器人11执行线性平移和/或旋转移动，从而允许其接近对接站12。
当移动机器人11朝着对接站12移动时，对接站12优选地迭代地重复步骤309、310和311。以这种方式，对接站12监视移动机器人11在对接区域内的位置并且朝着对接站12驱动移动机器人11。优选地重复步骤309-311，直到移动机器人11对接在对接站12上为止。特别地，如上所述，优选地重复步骤309-311，直到在移动机器人11上的第一功率处理模块212的第一电触点和对接站12上的第二功率处理模块222的第二电触点之间建立电连接为止。
本发明提供了一种“智能”系统，其包括要安装在移动机器人11和对接站12上的模块，这些模块允许在移动机器人11和对接站12之间建立双向连接。因此，移动机器人11可以向对接站12传达它已经到达对接区域并且对接站12可以在对接区域内驱动移动机器人11。为了进行该操作，对接站12发射允许确定移动机器人11的即时位置的对接信号。有利地，对接信号可以仅在移动机器人11到达对接区域时才由对接站12发射，从而节省能量。而且，有利的是，移动机器人11和对接站12之间的双向连接可以通过云计算平台来建立，云计算平台可以允许提供巨大的计算资源。
而且，本发明有利地允许节省移动机器人11上的能量。这在移动机器人的板载电池的水平严重地低并且必须接近对接站以进行再充电的情况下尤其有利。实际上，如上所述，由于本发明，移动机器人11可以在对接区域内接近对接站12时关断其所有部件(除第一模块21、其牵引马达和驱动它们的电路系统之外)并且这允许节省大量的能量。为了举例，假设移动机器人12携带激光扫描仪作为导航传感器。激光扫描仪由移动机器人11的12V板载电池供电，并且可以消耗等于1A的电流。因此，激光扫描仪消耗的功率为12V×1A＝12W。自动导航单元的处理器可以消耗等于30W的功率。因此，当其自动导航单元处于活动状态时，移动机器人11可以消耗至少等于42W的总功率。根据本发明，当移动机器人11进入对接区域并关断自动导航单元时，可以节省这里在上面计算的功率。考虑到移动机器人11在进入对接区域后对接在对接站12上所需的时间约60秒的时间间隔，节省42W的电功率意味着节省42W×60s＝2520J的能量，即，每分钟2.5kJ。换句话说，这意味着从板载电池节省42W/12V＝3.5A的电源电流。
Claims (15)
1.一种用于在对接站(12)处对移动机器人(11)进行充电的对接系统(2)，该系统包括被配置为安装在移动机器人(11)上的第一模块(21)，以及被配置为安装在对接站(12)上的第二模块(22)，所述第一模块(21)包括第一通信单元(211)和第一控制单元(213)，所述第二模块(22)包括第二通信单元(221)、一个或多个对接传感器(224)和第二控制单元(223)，其中：
-当所述移动机器人(11)进入所述对接站(12)周围的对接区域时，所述第一通信单元(211)被配置为向所述第二通信单元(221)发送指示所述移动机器人(11)需要充电的状态消息；
-所述第二控制单元(223)被配置为在接收到所述状态消息时使用所述一个或多个对接传感器(224)基于由所述一个或多个对接传感器(224)接收到的数据来导出朝着所述对接站(12)驱动所述移动机器人(11)的牵引命令；以及
-所述第二通信单元(221)被配置为向所述第一通信单元(211)发送包含所述牵引命令的命令消息，
并且其中所述第一控制单元(213)被配置为处理所述牵引命令并且使用所述牵引命令来操作所述移动机器人(11)的一个或多个牵引马达。
2.如权利要求1所述的对接系统(2)，其中所述第二通信单元(221)被配置为在接收到所述状态消息时向第一通信单元(211)发送确认消息。
3.如权利要求2所述的对接系统(2)，其中所述第二控制单元(223)还被配置为命令在保持接通至少所述第一模块(21)、所述一个或多个牵引马达和驱动它们的电路系统的同时关断移动机器人(11)的数个部件。
4.如前述权利要求中任一项所述的对接系统(2)，其中第二控制单元(223)被配置为在接收到所述状态消息时接通所述一个或多个对接传感器。
5.如前述权利要求中任一项所述的对接系统(2)，其中由所述一个或多个对接传感器(224)接收的所述数据包括所述移动机器人(11)与所述对接站(12)之间的距离和朝向，并且其中所述命令消息包括要由移动机器人(11)的所述一个或多个牵引马达致动的平移速度和/或旋转速度，所述平移速度基于所述距离来计算，并且所述旋转速度基于所述朝向来计算。
6.如前述权利要求中任一项所述的对接系统(2)，其中所述状态消息和所述命令消息是根据机器人操作系统的消息。
7.如前述权利要求中任一项所述的对接系统(2)，其中：
-所述第二控制单元(223)还被配置为基于由所述一个或多个对接传感器(224)接收的另外的数据来循环地导出另外的牵引命令；
-所述第二通信单元(221)还被配置为向所述第一通信单元(211)循环地发送包含所述另外的牵引命令的另外的命令消息；以及
-所述第一控制单元(213)还被配置为循环地处理所述另外的牵引命令并且使用所述另外的牵引命令来操作移动机器人(11)的所述一个或多个牵引马达，
直到所述移动机器人(11)对接在所述对接站(12)上为止。
8.如权利要求7所述的对接系统(2)，其中所述第一模块(21)包括具有第一电触点的第一功率处理单元(212)，所述第一电触点被配置为当移动机器人(11)对接在对接站(12)上时建立与所述第二模块(22)的第二功率处理单元(222)的第二电触点的电连接。
9.如前述权利要求中任一项所述的系统(2)，其中所述第一通信单元(211)和所述第二通信单元(221)被配置为根据无线通信技术建立连接，所述无线通信技术是WiFi、4G LTE中的一个。
10.如前述权利要求中任一项所述的系统(2)，其中所述第一通信单元(211)和所述第二通信单元(221)被配置为通过云计算平台(23)建立连接。
11.一种用于在对接站(12)处对移动机器人(11)进行充电的方法，该方法包括：
a)当所述移动机器人(11)进入所述对接站(12)周围的对接区域时，由所述移动机器人(11)向所述对接站(12)发送指示移动机器人(11)需要充电的状态消息；
b)在所述对接站(12)处，在接收到所述消息时，使用一个或多个对接传感器(224)基于由所述一个或多个对接传感器(224)接收到的数据来导出朝着所述对接站(12)驱动所述移动机器人(11)的牵引命令；
c)在所述对接站(12)处，向所述移动机器人(11)发送包含所述牵引命令的命令消息；以及
d)在所述移动机器人(11)处，处理所述牵引命令并使用所述牵引命令来操作移动机器人(11)的一个或多个牵引马达。
12.如权利要求11所述的方法，其中该方法还包括：在所述对接站(12)处，在接收到所述状态消息时，向移动机器人(11)发送确认消息，并且在所述移动机器人(11)处，在接收到所述确认消息时，在保持接通至少所述第一模块(21)、所述一个或多个牵引马达和驱动它们的电路系统的同时，关断所述移动机器人(11)的数个部件。
13.如权利要求11或12所述的方法，其中循环地重复步骤b至d，直到移动机器人(11)对接在对接站(12)上为止。
14.如权利要求13所述的方法，其中循环地重复步骤b至d，直到所述移动机器人(11)的第一电触点与所述对接站(12)的第二电触点建立电连接为止。
15.如权利要求11至14中任一项所述的方法，其中所述对接区域是对接站(12)周围的、半径(R)被包括在1m和10m之间的圆形区域。
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