CN108521149A - 基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电桩系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电桩系统，包括：充电桩部分：包括充电桩控制模块、电源适配器、充电电极模块、第一无线通信模块(6)、状态显示模块、摄像头(4)和散热风扇(3)；以及充电头部分：包括充电头控制模块(2‑1)、充电头模块(2‑2)、第二无线通信模块(2‑3)、通信接口(2‑4)和固定模块(2‑5)。还提供相应的充电方法，包括：(1)确定机器人是否电量较低需要充电且是否在充电桩视场内；(2)摄像头；寻找视觉标记对机器人进行引导；(3)紧压锁死并开始充电。结构简单实现方便且成本低、使用便捷、对环境和机器人的机械性能的兼容性强、工作可靠性高、实用性强、智能化程度高，并且和机器人耦合程度低。
Description
技术领域
本发明涉及机器人自主定位和导航技术在充电桩技术领域的应用，特别是一种与机器人耦合度较低的基于摄像头技术的智能充电技术领域。
背景技术
移动机器人越来越多的应用到现实生活中，譬如扫地、导游、导购、咨询机器人等，人们对机器人长期值守、增加活动范围、延长自治时间等功能要求也越来越高。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，这阻碍了机器人的长期自治。
由于常见的移动机器人动力能源的无缆化及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、快速高效地实现自主充电是实现机器人长期自治的一项关键技术。
现有的机器人接触式自主充电技术方案主要分为半自主和自主两种：
(1)半自主方案：主要是机械引导，是在机器人和充电桩对准误差比较大的情况下增加的辅助方法，辅助方法包括导轨、地磁、喇叭式充电接口和可调节供电头等，总的来说结构比较复杂，安装过程繁琐，同时对准充电的过程缺乏柔性，对机器人的机械性能有较大影响；成本相对来说也比较大，对环境要求严格，智能化程度很低。
(2)自主方案：现在主要的技术所用传感器有激光、红外、声纳、摄像头、双目相机等等，也有多种传感器的融合，总的来说都是机器人在充电引导过程中占主要地位，而且充电设备只是特定机器人的配套设备；同时在充电过程中的管理不够智能，不能自行判断机器人充电的状态，在充电过程中和机器人的交互太少；机器人远程回归充电桩的时间长且盲目，效率低，甚至存在电池能力耗尽前，机器人无法寻找到充电桩导致电池过度放电，造成损坏电池或者停机等问题。
现有的自主式充电引导设备的特点决定了它们的局限性，表现在：
(1)充电桩的普适性低：主要指能适应不同系统、平台、机械性能以及形状大小等待充电机器人的能力较低。
(2)充电桩的引导充电成功率和效率低。
(3)结构复杂和安装过程繁琐：需要类似于导轨、喇叭充电口和地磁等辅助对准设施，并且对充电桩的结构做复杂的调整来弥补对准的误差；诸如红外、激光等自主引导充电设备安装过程复杂。
(4)成本高：需要额外的设备和机械结构，因而成本较高。
(5)智能化程度较低。
(6)现有的充电桩识别方法中还存在硬件特性敏感、缺乏普遍环境适应性、引导精度不够理想、容错及纠错能力不够强壮，且在结构设计合理性、科学、经济等方面还有缺陷。
因此这些机器人自主充电技术所存在的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、实现方便且成本低、使用便捷、对环境和机器人的机械性能的兼容性强、工作可靠性高、实用性强、智能化程度高以及和机器人耦合程度低的一种基于摄像头的智能充电系统及方法。
本发明的一个目的在于提供一种基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电桩系统，包括：
充电桩部分：包括充电桩控制模块、电源适配器(9)、充电电极模块、第一无线通信模块(6)、状态显示模块、摄像头(4)和散热风扇(3)；以及
充电头部分：包括充电头控制模块(2‐1)、充电头模块(2‐2)、第二无线通信模块(2‐3)、通信接口(2‐4)和固定模块(2‐5)；所述电源适配器(9)与所述充电桩控制模块电气连接，为其提供经过转换的电压；所述充电桩控制模块与所述第一无线通信模块(6)，所述充电电极模块，所述摄像头(4)，所述散热风扇(3)以及所述状态显示模块分别连接并提供相应的控制信号；所述充电头控制模块(2‐1)与所述充电接头模块(2‐2)，所述通信接口(2‐4)以及所述第二无线通信模块(2‐3)分别连接并提供相应的控制信号。
优选的，所述充电桩控制模块包括：第一微控制器、电流和电压检测电路、充电电路、过流过压保护电路、充电状态控制电路、无线通信电路和视觉信息处理电路；所述第一微控制器安装在中控电路板中；所述电流和电压检测电路分别串联和并联在所述充电电路中，分别检测充电时的电流和电压；所述充电电路为同步BUCK降压电路，通过主控板的PWM控制信号，输出指定的电流和电压，提供给所述充电电极模块；所述过流过压保护电路由可控硅和比较器组成，与所述电流和电压检测电路连接；所述充电状态控制电路，接收第一微控制器控制，可以根据第一微控制器命令实现电磁锁死和解锁、过流时切断充电电流；所述无线通信电路，连接所述第一微控制器和所述无线通信电路；所述视觉信息处理电路连接摄像头和所述第一微控制器。
优选的，所述第一微控制器为STM32微控制器。
优选的，所述电源适配器为交流转直流适配器，直接与市电接通，转换成充电桩中控模块可以利用的直流电。
优选的，所述充电电极模块包括两个金属导电条(1)、一块电磁铁条(2)、超声测距设备、两个电磁限位开关、高分子材料绝缘板(8)两块、限位塑料柱(14)四个、带弹簧可活动通电铜柱(11)四根以及限位螺栓(7)六根，所述高分子材料绝缘板(8)分为内板和外板，所述两铜条(1)松散嵌套在高分子材料绝缘板(8)外板上，正常状态凸出高分子材料绝缘板(8)外板，后方各并排连接一个电磁限位开关触发器、两根限位塑料柱(14)、两根带弹簧可活动通电铜柱(11)，外板根据金属导电条(1)、电磁铁条(2)、带弹簧限位螺栓(12)和带弹簧可活动通电铜柱(11)开孔，其上固定电磁铁条(2)，两个金属导电条(1)分别位于电磁铁条(2)上下，金属导电条(1)不固定到高分子材料绝缘板(8)上，内板上安装电磁限位开关传感器，根据带弹簧限位螺栓(12)、电磁距离感应设备(13)和带弹簧可活动通电铜柱(11)尺寸开孔，内板上安装电磁距离感应设备(13)，通过带弹簧可活动通电铜柱(11)和带弹簧限位螺栓(12)，限位弹簧(15)不能通过所开的孔，两高分子材料绝缘板亚克力板(8)之间距离固定；所述电磁距离感应设备(13)、带弹簧可活动通电铜柱(11)和电磁铁条(2)分别连接到充电桩控制模块的中控电路板(10)，两根带弹簧可活动通电铜柱(11)穿过内板，并套上弹簧保持铜条电极的凸出状态，所述高分子材料绝缘板(8)和金属导电条(1)整体通过限位螺栓(7)安装在支架上，在机器人靠近充电时按压向后收缩，所述高分子材料绝缘板(8)、金属导电条(1)和电磁铁条(2)所组成的整体可整体沿着支架向外移动并复原，所述电磁距离感应设备(13)和带弹簧可活动通电铜柱(11)连接到充电桩控制模块的中控电路板(10)上的充电状态控制电路。
优选的，所述状态显示模块为LCD显示模组，在充电时显示状态信息，包括充电电流、充电电压、温度、预计充电时间和/或当前电量。
优选的，所述状态显示模块为LCD12864模块。
优选的，所述摄像头(4)为数字摄像头，连接到所述充电桩控制模块的视觉信息处理电路，数据上传至所述第一微控制器进行处理。
优选的，所述摄像头(4)为OV系列并口摄像头。
优选的，所述散热风扇连接到充电状态控制电路，通过三极管电路控制所述散热风扇(3)的开启以及转速。
优选的，所述充电头控制模块(2‐1)包括检测电路、通信接口电路和第二微控制器，所述检测电路并联到机器人的充电接头上，通过电路将信号发送给所述第二微控制器；所述通信接口电路通过电路连接通信接口(2‐4)和所述第二微控器，所述通信接口(2‐4)连接机器人中控平台。
优选的，所述第二微控制器为STM8微处理器。
优选的，所述第二无线通信模块(2‐3)连接所述充电头控制模块(2‐1)，与充电桩部分进行通信。
优选的，所述充电头模块(2‐2)包括充电头金属导电条例如充电头铜条(2‐6)、电磁铁吸触块(2‐7)、照明电路和视觉标识(2‐8)，所述视觉标识(2‐8)包括有色照明设备，所述充电头金属导电条(2‐6)和电磁铁吸触块(2‐7)固定在不导电材料基座上，凸出所述不导电材料基座表面的长度一致，所述充电头金属导电条(2‐6)连接到机器人电池的充电电路上；所述视觉标识(2‐8)固定安装在所述不导电材料基座的竖直中心线上，安装高度与摄像头(4)基本持平。
优选的，所述固定模块(2‐5)包括可调节大小束带和固定螺丝孔，可调节的固定在机器人上。
为解决上述技术问题，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的由充电桩起主导作用的机器人自主充电方法，即一种基于摄像头的与机器人低耦合度的智能充电桩充电方法，该方法包括以下步骤：
(1)确定机器人是否电量较低需要充电且是否在充电桩视场内；
(2)当机器人进入充电桩视场后，通过充电桩与机器人之间的无线通信设备完成渐进引导方式从而引导充电开始，通过摄像头寻找视觉标记对机器人进行引导，机器人按照充电桩所发命令进行运动；
(3)紧压锁死并开始充电。
优选的，所述步骤(1)包括：
(1a)当机器人电量低于一定阈值或者接收到充电命令，机器人通过充电头控制模块(2‐1)内的电路及第二无线通信模块(2‐3)唤醒指定充电桩，充电桩开始搜索视场内有色照明设备；
(1b)机器人通过自主导航或者人为导航进入充电桩视场，当充电桩发现机器人进入视场后，通过无线通信设备切换机器人控制模式，此后机器人行为由充电桩控制；若没有进入视场，或者进入视场后又离开视场则返回消息给机器人以便让机器人重新进入视场。
优选的，所述步骤(2)包括：
(2a)根据附着在机器人后方的充电接头上的特殊视觉标记引导机器人进入充电桩视场的中心，让机器人后部安装充电接头的部位差不多正对充电桩；
(2b)引导机器人后退靠近充电桩，在这一过程中保持视觉标记一直在视场的正中心，即视场的二维正中，当所述视觉标记偏离二维正中时引导机器人及时回到目标位置附近；
(2c)机器人向后运动到一定距离后进行精确对中，使得机器人的后部的充电头与充电桩的电极精确对准。
优选的，所述步骤(3)包括：
(3a)在机器人充电头与充电桩的电极精确对准后，控制机器人低速向后运动，在充电桩自带电磁铁的吸引下电极与充电头紧密对接，对接时压迫电极，电极后方有距离限位开关传感器，当传感器感应距离低于一定值时，发送消息给控制电路板，控制电路板控制给电极供电；
(3b)供电同时判断电流和电压；
(3c)当电流和电压都在正常范围内时确定充电成功，停止机器人动作，其中有锁死功能(例如通过电机锁死)的机器人控制锁死，没有锁死功能的机器人则停止运动。
优选的，所述步骤(3a)还包括：当机器人机械性能良好的情况下，采用电磁铁使得电极和充电头保持紧压，当机器人机械性能不良的情况下，采用电磁铁让电极和充电头保持紧压的同时在整个活动的电极块内装有弹簧模块，使得机器人向前滑行时向前凸出作为补偿。
优选的，所述步骤(3b)供电同时判断电流和电压包括以下几种当电极与充电头对接后电流电压情况的判断及机器人动作的情况：
(3b‐1)没有电流，没有电压，判断对接不正常，机器人电磁解锁后驶离并重新对准；
(3b‐2)电流有且很小，电压值接近电池最大电压，判断电池有电且用户误操作，此时继续给机器人充电并给予用户提示；
(3b‐3)有适中电流，有适中电压，判断状态正常，机器人继续充电；
(3b‐4)在充电模式中，若充电状态控制电路感应到过流过压时，则解锁电磁铁，停止充电过程，并且语音播报问题或者文字显示问题，充电桩进入待机状态，此时充电桩接收充电接头模块的信号，但是不执行充电操作；若要继续充电则必须重启充电桩。
优选的，所述步骤(3c)包括如下：
(3c‐1)在充电模式中，若充电状态控制电路电流和电压满足充电完成的判断指标，则确定为完成充电，解锁电磁铁，机器人自主行动，充电桩进入休眠状态；否则继续充电；
(3c‐2)在充电模式中，若通过无线通讯设备接收到人为结束充电的命令，则解锁电磁铁，机器人自主行动，充电桩进入休眠状态；否则继续充电；
优选的，所述方法还包括步骤：
(4)在充电模式中，检测电流和电压是否在正常范围的同时检测充电桩内部的温度，若充电状态控制电路中传感器感应到充电桩内部温度过高，则解锁电磁铁，机器人自主行动，充电桩进入待机状态，此时充电桩接收充电接头模块的信号，但是不执行充电操作；否则继续充电，若要继续充电则必须重启充电桩。
优选的，所述方法还可以支持人为自主充电，包括如下步骤：当机器人关机状态被推到充电桩位置并且压迫金属导电条(1)时，同样触发电磁距离感应设备(13)，通过充电控制电路传递到第一微控制器，第一微控制器接通电磁铁条(2)的电源，固定在充电电极模块和充电接头模块上的磁铁条和铁条吸在一起，中控电路板(10)控制给电极供电，开始充电。
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，给机器人自主充电提供一个智能化、简单化以及兼顾实用、经济和成功率的解决方案，使充电桩不依赖特定待充电机器人而独立存在，从而能适应更多机型及不同机械性能，进一步简化结构和节约成本，提供人性化、智能化的用户体验，进而从根本上延长机器人的自治时间，进一步解放人力，促进机器人的推广和应用主要技术优势在于：
(1)充电电极模块能够通过电磁贴条和充电头模块紧密压合，使充电过程更稳定，也能更好的适应不同机器人的机械性能；
(2)引导功能集成在充电桩上，与机器人平台通过串口或者无线通信模块通信，两者的耦合程度较低，从而适应不同的机器人平台；
(3)摄像头渐进引导充电提高自主引导的成功率并提高了对环境的适应性。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
附图1为根据本发明实施例的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电系统功能模块框图。
附图2为根据本发明实施例的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电系统充电桩正视图。
附图3为根据本发明实施例的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电系统充电桩俯视图。
附图4为根据本发明实施例的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电系统充电头结构图。
附图5为根据本发明实施例的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电方法的引导充电的流程框图。
附图6为根据本发明实施例的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电方法的充电状态管理的流程框图。
附图标记的说明：
1-金属导电条；2-电磁铁条；3-散热风扇；4-摄像头；5-支架；6-第一无线通信模块；7-限位螺栓；8-高分子材料绝缘板；9-电源适配器；10-中控电路板；11-带弹簧可活动铜柱；12-带弹簧限位螺栓；13-电磁距离感应设备；14-限位塑料柱；15-限位弹簧；2-1充电头控制模块；2-2充电头模块；2-3第二无线通信模块；2-4通信模块；2-5固定模块；2-6充电头金属导电条；2-7电磁铁吸触块；2-8视觉标识
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
参见附图1，本发明的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电桩系统，包括集充电引导、控制于一体的和机器人低耦合的充电桩和搭载在机器人上的充电头两部分组成。充电桩部分包括充电桩控制模块、电源适配器(9)、充电电极模块、第一无线通信模块(6)、状态显示模块、摄像头(4)和散热风扇(3)。充电头部分：包括充电头控制模块(2‐1)、充电头模块(2‐2)、第二无线通信模块(2‐3)和固定模块(2‐5)，所述电源适配器(9)与所述充电桩控制模块电气连接，为其提供经过转换的电压；所述充电桩控制模块与所述第一无线通信模块(6)，所述充电电极模块，所述摄像头(4)，所述散热风扇(3)以及所述状态显示模块分别连接并提供相应的控制信号；所述充电头控制模块(2‐1)与所述充电接头模块(2‐2)，所述通信接口(2‐4)以及所述第二无线通信模块(2‐3)分别连接并提供相应的控制信号。
参见附图2‐4，充电桩和充电头的具体结构视图。其中，充电桩包括外壳、支架(5)以及固定在外壳上的电源适配器(9)、中控电路板(10)、散热风扇(3)、第一无线通信设备(6)、状态显示设备和安装在支架(5)上的充电电极模块。电源适配器线接入220V市电，转换成36VDC，然后接入中控电路板(10)中的充电电路。中控电路板(10)搭载有第一微控制器、电流和电压检测电路、充电电路、充电控制电路、过流过压保护电路、无线通信电路和视觉信息处理电路。第一微控制器包括但不限于是STM32微处理器，是整个充电系统的核心处理器，各个电路都连接到第一微控制器；电流和电压检测电路分别串联和并联到充电控制电路中，检测结果通过电路返回到微控制器；充电控制电路集中连接到控制器，接受控制器命令分别控制电磁感应设备信号接收、充电电路供电通断、充电电极和充电接头的锁死和解锁、充电电流过大的断电保护和散热风扇(3)供电。电压降压电路连接适配器输出，通过降压模块把电压分别降到29VDC和15VDC，输出供24V和12V电池的充电。过流过压保护电路根据在充电模式中检测到的机器人的充电状态，若充电状态控制电路感应到过流过压时，则启动过流过压保护电路，解锁电磁铁，停止充电过程，使充电桩进入待机状态，防止充电过程中的过流、过压以及过热，过流过压保护电路由可控硅和比较器组成，与所述电流和电压检测电路连接。无线通信电路接收微控器命令，连接中控电路板(10)上连接12V电源和信号接口，无线连接充电头无线通信设备(2‐3)。视觉信息处理电路把摄像头(4)信号输入第二微控器，同时连接5V供电。第一无线通信模块(6)所使用的设备包括但不限于APC220无线模块，5V供电。状态显示模块为LCD显示模组，在充电时显示充电电流、充电电压、温度、预计充电时间、当前电量等状态信息。状态显示模块包括但不限于本实施例使用的LCD12864模块。摄像头(4)为数字摄像头，连接到所述充电桩控制模块的视觉信息处理电路，数据上传至所述第一微控器进行处理。摄像头(4)包括但不限于本实施例使用的OV系列并口摄像头。散热风扇(3)包括但不限于5V‐50*50MM方形风扇。连接到充电状态控制电路，通过三极管电路控制所述散热风扇(3)的开启以及转速。
充电电极模块包括两块高分子材料绝缘板(8)例如亚克力板、两个金属导电条(1)例如铜条作为电极、四根限位塑料柱(14)、超声测距模块，电磁距离感应设备(13)、电磁限位开关、电磁铁条(2)、带弹簧限位螺栓(12)和带弹簧可活动通电铜柱(11)，限位弹簧(15)以及限位螺栓(7)六根。高分子材料绝缘板(8)分为内板和外板，外板根据金属导电条(1)、电磁铁条(2)、带弹簧限位螺栓(12)和带弹簧可活动通电铜柱(11)开孔，其上固定电磁铁条(2)，两个金属导电条(1)分别位于电磁铁条(2)上下，金属导电条(1)不固定到高分子材料绝缘板(8)上，内板上根据带弹簧限位螺栓(12)、电磁距离感应设备(13)和带弹簧可活动通电铜柱(11)尺寸开孔，其上安装电磁距离感应设备，通过带弹簧可活动通电铜柱(11)和带弹簧限位螺栓(12)，限位弹簧(15)不能通过所开的孔，两高分子材料绝缘板(8)之间距离固定。电磁距离感应设备(13)、带弹簧可活动通电铜柱(11)和电磁铁条(2)分别连接到中控电路板。金属导电条(1)在自然状态由于带弹簧可活动通电铜柱(11)上弹簧影响穿过高分子材料绝缘板(8)外板向外突出，在机器人靠近充电时按压向后收缩。高分子材料绝缘板(8)、金属导电条(1)和电磁铁条(2)所组成的整体可整体沿着支架向外移动并复原。所述电磁距离感应设备(13)和带弹簧可活动通电铜柱(11)连接到充电桩控制模块的中控电路板(10)上的充电状态控制电路。该实施例中，采用铜条作为金属导电条(1)，而采用亚克力材料作为高分子材料绝缘板的材料。
充电头部分包括：包括充电头控制模块(2‐1)、充电头模块(2‐2)、无线通信模块(2‐3)和固定模块(2‐5)。
其中，充电头控制模块(2‐1)包括检测电路、通信接口(2‐4)和第二微控制器，检测电路并联到机器人的充电接头上，通过电路将信号发送给所述第二微控制器；通信接口(2‐4)通过电路连接有线通信接口和第二微控器，有线通信接口连接机器人中控平台。第二微控制器包括但不限于本实施例使用的STM8微处理器。无线通信模块(2‐3)连接充电头控制模块(2‐1)，与充电桩部分进行通信。
所述充电头模块(2‐2)包括充电头金属导电条(2‐6)、电磁铁吸触块(2‐7)、照明电路和视觉标识(2‐8)，所述视觉标识(2‐8)包括有色照明设备，所述充电头金属导电条(2‐6)和电磁铁吸触块(2‐7)固定在不导电材料基座上，凸出所述不导电材料基座表面的长度一致，所述充电头金属导电条(2‐6)连接到机器人电池的充电电路上；所述视觉标识(2‐8)固定安装在所述不导电材料基座的竖直中心线上，安装高度与摄像头(4)基本持平。
固定模块(2‐5)包括可调节大小束带和固定螺丝孔，可调节的固定在机器人上。
参见图5，本发明的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电方法的引导充电方法包括以下步骤要点：
1、安装在机器人上的充电头检测机器人实时电量，当电压在低于一定阈值时，充电头的微控制器判断机器人需要充电，通过有线接口发送充电需求给机器人，机器人停止任务，做好充电准备并反馈给充电头微控制器，微控制器通过无线通信设备与充电桩通信确认充电过程开始，充电桩进入唤醒状态，摄像头开始寻找机器人后方的特殊视觉标识，整个充电过程正式开始。
2、通过之前预设的充电桩位置，机器人通过自主导航或者人为导航进入充电桩视场，充电头大致对准充电桩，当充电桩发现机器人进入视场后，给机器人发送信号，机器人停止导航，否则继续导航和尾部对准直到充电桩检测到机器人为止，此后机器人行为由充电桩发送速度指令控制；若进入视场后又离开视场则返回消息给机器人以便机器人重新导航回充电桩摄像头视场。
3、当机器人进入充电桩视场后，引导充电开始，这一过程称为渐进引导，通过与机器人之间的通信完成，摄像头采集视场内数据，主要是和视觉标识水平的条带视频，通过视觉标识在条带视频中的位置反推机器人相对于充电桩的位置，通过无线通信设备发送速度指令可以控制机器人运动，通过实时处理视频信号可是实现机器人运动的闭环控制，引导充电主要分为三步：一是粗略对中，根据附着在机器人后方的充电接头上的特殊视觉标记在视频条带中的位置引导机器人进入充电桩视场的中心，若视觉标识在视场左边，则通过命令指令引导机器人相对于充电桩向右行进一定距离，反之向左；二是Z形引导，通过实时处理视频信号闭环引导机器人后退靠近充电桩，在这一过程中保持视觉标记一直在视场的正中心(二维正中)，当机器人偏离时及时引导回目标位置附近，也就是Z字形靠近充电桩；三是精确对中，通过视频信号还可以提取出大致的距离信息，根据这个距离信息，当机器人在距离充电桩10CM时，让机器人的后部的充电头与充电桩的电极精确对准。
4、在机器人充电头与充电桩的电极精确对准后，通讯控制机器人低速向后运动，微控器接通电磁铁条的电源，固定在充电电极模块和充电接头模块上的磁铁条和铁条吸在一起，从而电极与充电头紧密对接，对接时压迫铜条电极，铜条电极后方有电磁距离传感器，当传感器感应和触发器的距离低于一定值(1CM)时，发送消息给充电桩上的微控制器，电路板控制给电极供电，同时判断电流和电压，当电流和电压都在一定范围内时确定充电成功，停止机器人动作(有锁死功能的机器人控制锁死；没有锁死功能的机器人则停止运动)。
当电极与充电头对接后电流电压情况的判断及机器人动作，如下表1：
5、当机器人机械性能不好(运行时间过长和有锁死功能的机器人也可能存在)时，有可能存在压紧电极之后向前滑行，这样就可能导致和电机接触不紧密，无法正常充电，本发明针对这个问题的解决办法如下：一是用电磁铁让电极和充电头保持紧压；二是整个活动的电极块内装有弹簧模块，在机器人向前滑行时可以向前凸出作为补偿。
6、在电流和电压检测通过之后就进入充电模式。
7、另外，本充电桩也支持人为自主充电，当机器人关机状态被推到充电桩位置并且压迫铜条电极时，同样触发电磁距离感应设备，通过充电控制电路传递到微控器，微控器接通电磁铁条的电源，固定在充电电极模块和充电接头模块上的磁铁条和铁条吸在一起，电路板控制给电极供电，开始充电。
如图6所示，本发明的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电方法的充电模式管理的方法包括以下步骤：
1、在充电模式中，若充电控制电路感应到电流大于5A时，发送信息到充电桩上的微控制器，微控制器通过充电控制电路断开电磁铁条的电，结束充电过程，结束对机器人的控制，并且语音播报，充电桩进入待机状态，此时充电桩接收充电接头模块的信号，但是不执行充电操作；若要继续充电则必须重启充电桩；
2、在充电模式中，若充电控制电路电流和电压满足充电完成的判断指标，发送信息到充电桩上的微控制器，微控制器通过充电控制电路断开电磁铁条的电，解锁电磁铁，结束充电过程，结束对机器人的控制，并且语音播报，充电桩进入待机状态，此时充电桩接收充电接头模块的信号，但是不执行充电操作；若要继续充电则必须重启充电桩；
3、在充电模式中，若通过无线通讯设备接收到人为结束充电的命令，则解锁电磁铁，结束充电过程，结束对机器人的控制，并且语音播报，充电桩进入待机状态，此时充电桩接收充电接头模块的信号，但是不执行充电操作；若要继续充电则必须重启充电桩；
4、在充电模式中，若充电状态控制电路中传感器感应到充电桩内部温度过高，则解锁电磁铁，结束充电过程，结束对机器人的控制，并且语音播报，充电桩进入待机状态，此时充电桩接收充电接头模块的信号，但是不执行充电操作；若要继续充电则必须重启充电桩。
采用本实施例的基于摄像头的与机器人低耦合度的智能充电桩系统及充电方法相比于现有技术具有如下有益的技术效果：
(1)充电桩的普适性较好：本系统和方法对于不同系统和平台，充电桩控制机器人在充电过程中的行为，充电过程中的逻辑判断和运算在充电桩自带的微控制器上进行，并提供不同接口，通过无线设备满足与不同平台的交互需要；由于采取接触式充电模式，接触件之间的紧密程度很重要，我们提供一种对各种机械性都能兼容的固定方式让机器人和充电桩紧密接触；针对不同形状大小的机器人，有合适的附着在机器人上的专用充电头，满足大部分大小和形状各异的机器人的需求，适应不同系统、平台、机械性能以及形状大小等待充电机器人的能力高；
(2)充电桩的引导充电成功率和效率高：本方法和系统的成功率高主要体现在一次成功率高和充电不成功的纠错能力高，即一方面引导机器人到充电桩附近的成功率高，另一方面对机器人靠近充电桩后并没有充上电等异常情况的容错，二次提高机器人充电成功的概率；效率方面主要是指在引导过程中的效率通过视觉方法可以提高机器人靠拢充电桩的速度和对准的准确度，效率大大提高；
(3)充电桩结构和安装过程简单：相对于半自主充电桩来说，不需要类似于导轨、喇叭充电口和地磁等辅助对准设施，也不要对充电桩的结构做复杂的调整来弥补对准的误差；相对于其他诸如红外、激光等自主引导充电设备，安装过程简单；
(4)成本低：普通网络摄像头实现自主引导对准，而不需要额外辅助的设备和机械结构，因而成本低廉。
(5)智能化程度高：本系统和方法通过一系列的传感器可以实现多种智能化操作，包括自主检测电流判断充电与否；对待充电机器人的初始位置没有严格要求，只需在充电桩的视场内即可，对待充电机器人位置要求降低；引导效率和充电成功率高，并有充电反馈和充电不成功时的二次引导；可以检测机器人的充电状态，防止充电过程中的过流、过压以及过热等异常；具有容错以及纠错功能，通过检测对准状态和充电状态，对机器人的位置和方向进行调整；进行先恒流后恒压的智能充电方式，动态调节充电电流，在保证电池安全和寿命的前提下，大大提高充电效率。
虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。
Claims (19)
1.一种基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电桩系统，其特征在于包括：
充电桩部分：包括充电桩控制模块、电源适配器(9)、充电电极模块、第一无线通信模块(6)、状态显示模块、摄像头(4)和散热风扇(3)；以及
充电头部分：包括充电头控制模块(2‐1)、充电头模块(2‐2)、第二无线通信模块(2‐3)、通信接口(2‐4)和固定模块(2‐5)；
所述电源适配器(9)与所述充电桩控制模块电气连接，为其提供经过转换的电压；所述充电桩控制模块与所述第一无线通信模块(6)，所述充电电极模块，所述摄像头(4)，所述散热风扇(3)以及所述状态显示模块分别连接并提供相应的控制信号；
所述充电头控制模块(2‐1)与所述充电接头模块(2‐2)，所述通信接口(2‐4)以及所述第二无线通信模块(2‐3)分别连接并提供相应的控制信号。
2.根据权利要求1所述的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电桩系统，其特征在于所述充电桩控制模块包括：第一微控制器、电流和电压检测电路、充电电路、过流过压保护电路、充电状态控制电路、无线通信电路和视觉信息处理电路；所述第一微控制器安装在中控电路板中；所述电流和电压检测电路分别串联和并联在所述充电电路中，分别检测充电时的电流和电压；所述充电电路为同步BUCK降压电路，通过主控板的PWM控制信号，输出指定的电流和电压，提供给所述充电电极模块；所述过流过压保护电路由可控硅和比较器组成，与所述电流和电压检测电路连接；所述充电状态控制电路，接收第一微控制器控制，可以根据第一微控制器命令实现电磁锁死和解锁、过流时切断充电电流；所述无线通信电路，连接所述第一微控制器和所述无线通信电路；所述视觉信息处理电路连接摄像头和所述第一微控制器。
3.根据权利要求2所述的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电桩系统，其特征在于所述第一微控制器为STM32微控制器。
4.根据权利要求1所述的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电桩系统，其特征在于所述电源适配器为交流转直流适配器，直接与市电接通，转换成充电桩中控模块可以利用的直流电。
5.根据权利要求1所述的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电桩系统，其特征在于所述充电电极模块包括两个金属导电条(1)、一块电磁铁条(2)、超声测距设备、两个电磁限位开关、高分子材料绝缘板(8)两块、限位塑料柱(14)四个、带弹簧可活动通电铜柱(11)四根以及限位螺栓(7)六根，所述高分子材料绝缘板(8)分为内板和外板，所述两金属导电条(1)松散嵌套在高分子材料绝缘板(8)外板上，正常状态凸出高分子材料绝缘板(8)外板，后方各并排连接一个电磁限位开关触发器、两根限位塑料柱(14)、两根带弹簧可活动通电铜柱(11)，外板根据金属导电条(1)、电磁铁条(2)、带弹簧限位螺栓(12)和带弹簧可活动通电铜柱(11)开孔，其上固定电磁铁条(2)，两个金属导电条(1)分别位于电磁铁条(2)上下，金属导电条(1)不固定到高分子材料绝缘板(8)上，内板上安装电磁限位开关传感器，根据带弹簧限位螺栓(12)、电磁距离感应设备(13)和带弹簧可活动通电铜柱(11)尺寸开孔，内板上安装电磁距离感应设备(13)，通过带弹簧可活动通电铜柱(11)和带弹簧限位螺栓(12)，限位弹簧(15)不能通过所开的孔，两高分子材料绝缘板(8)之间距离固定；所述电磁距离感应设备(13)、带弹簧可活动通电铜柱(11)和电磁铁条(2)分别连接到充电桩控制模块的中控电路板(10)，两根带弹簧可活动通电铜柱(11)穿过所述内板，并套上弹簧保持铜条电极的凸出状态，所述高分子材料绝缘板(8)和金属导电条(1)整体通过限位螺栓(7)安装在支架上，在机器人靠近充电时按压向后收缩，所述高分子材料绝缘板(8)、金属导电条(1)和电磁铁条(2)所组成的整体可整体沿着支架向外移动并复原，所述电磁距离感应设备(13)和带弹簧可活动通电铜柱(11)连接到充电桩控制模块的中控电路板(10)上的充电状态控制电路。
6.根据权利要求1所述的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电桩系统，其特征在于所述状态显示模块为LCD显示模组，在充电时显示状态信息，包括：充电电流、充电电压、温度、预计充电时间和/或当前电量。
7.根据权利要求2所述的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电桩系统，其特征在于所述摄像头(4)为数字摄像头，连接到所述充电桩控制模块的视觉信息处理电路，数据上传至所述第一微控制器进行处理。
8.根据权利要求1所述的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电桩系统，其特征在于所述散热风扇(3)连接到充电状态控制电路，通过三极管电路控制所述散热风扇(3)的开启以及转速。
9.根据权利要求1所述的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电桩系统，其特征在于所述充电头控制模块(2‐1)包括检测电路、通信接口电路和第二微控制器，所述检测电路并联到机器人的充电接头上，通过电路将信号发送给所述第二微控制器；所述通信接口电路通过电路连接通信接口(2‐4)和所述第二微控器，所述第二无线通信模块(2‐3)连接所述充电头控制模块(2‐1)，与充电桩部分进行通信，所述通信接口(2‐4)连接机器人中控平台。
10.根据权利要求1所述的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电桩系统，其特征在于所述充电头模块(2‐2)包括充电头金属导电条(2‐6)、电磁铁吸触块(2‐7)、照明电路和视觉标识(2‐8)，所述视觉标识(2‐8)包括有色照明设备，所述充电头金属导电条(2‐6)和电磁铁吸触块(2‐7)固定在不导电材料基座上，凸出所述不导电材料基座表面的长度一致，所述充电头金属导电条(2‐6)连接到机器人电池的充电电路上；所述视觉标识(2‐8)固定安装在所述不导电材料基座的竖直中心线上，安装高度与摄像头(4)基本持平。
11.一种基于摄像头的与机器人低耦合度的智能充电桩充电方法，该方法是用如权利要求1‐10任一所述的基于摄像头的与机器人低耦合的智能充电桩系统，其特征在于包括以下步骤：
(1)确定机器人是否电量较低需要充电且是否在充电桩视场内；
(2)当机器人进入充电桩视场后，通过充电桩与机器人之间的无线通信设备完成渐进引导方式从而引导充电开始，通过摄像头寻找视觉标记对机器人进行引导，机器人按照充电桩所发命令进行运动；
(3)紧压锁死并开始充电。
12.根据权利要求11所述的基于摄像头的与机器人低耦合度的智能充电桩充电方法，其特征在于所述步骤(1)包括：
(1a)当机器人电量低于一定阈值或者接收到充电命令，机器人通过充电头控制模块(2‐1)内的电路及第二无线通信模块(2‐3)唤醒指定充电桩，充电桩开始搜索视场内有色照明设备；
(1b)机器人通过自主导航或者人为导航进入充电桩视场，当充电桩发现机器人进入视场后，通过无线通信设备切换机器人控制模式，此后机器人行为由充电桩控制；若没有进入视场，或者进入视场后又离开视场则返回消息给机器人以便让机器人重新进入视场。
13.根据权利要求11所述的基于摄像头的与机器人低耦合度的智能充电桩充电方法，其特征在于所述步骤(2)包括：
(2a)根据附着在机器人后方的充电接头上的特殊视觉标记引导机器人进入充电桩视场的中心，让机器人后部安装充电接头的部位差不多正对充电桩；
(2b)引导机器人后退靠近充电桩，在这一过程中保持视觉标记一直在视场的正中心，即视场的二维正中，当所述视觉标记偏离二维正中时引导机器人及时回到目标位置附近；
(2c)机器人向后运动到一定距离后进行精确对中，使得机器人的后部的充电头与充电桩的电极精确对准。
14.根据权利要求11所述的基于摄像头的与机器人低耦合度的智能充电桩充电方法，其特征在于所述步骤(3)包括：
(3a)在机器人充电头与充电桩的电极精确对准后，控制机器人低速向后运动，在充电桩自带电磁铁的吸引下电极与充电头紧密对接，对接时压迫金属导电条，电极后方有距离限位开关传感器，当传感器感应距离低于一定值时，发送消息给控制电路板，控制电路板控制给电极供电；
(3b)供电同时判断电流和电压；
(3c)当电流和电压都在正常范围内时确定充电成功，停止机器人动作，其中有锁死功能的机器人控制锁死，没有锁死功能的机器人则停止运动。
15.根据权利要求14所述的基于摄像头的与机器人低耦合度的智能充电桩充电方法，其特征在于所述步骤(3a)还包括：当机器人机械性能良好的情况下，采用电磁铁使得电极和充电头保持紧压，当机器人机械性能不良的情况下，采用电磁铁让电极和充电头保持紧压的同时在整个活动的电极块内装有弹簧模块，使得机器人向前滑行时向前凸出作为补偿。
16.根据权利要求14所述的基于摄像头的与机器人低耦合度的智能充电桩充电方法，其特征在于所述步骤(3b)供电同时判断电流和电压包括以下几种当电极与充电头对接后电流电压情况的判断及机器人动作的情况：
(3b‐1)没有电流，没有电压，判断对接不正常，机器人电磁解锁后驶离并重新对准；
(3b‐2)电流有且很小，电压值接近电池最大电压，判断电池有电且用户误操作，此时继续给机器人充电并给予用户提示；
(3b‐3)有适中电流，有适中电压，判断状态正常，机器人继续充电；
(3b‐4)在充电模式中，若充电状态控制电路感应到过流过压时，则解锁电磁铁，停止充电过程，并且语音播报问题或者文字显示问题，充电桩进入待机状态，此时充电桩接收充电接头模块的信号，但是不执行充电操作；若要继续充电则必须重启充电桩。
17.根据权利要求14所述的基于摄像头的与机器人低耦合度的智能充电桩充电方法，其特征在于所述步骤(3c)包括如下：
(3c‐1)在充电模式中，若充电状态控制电路电流和电压满足充电完成的判断指标，则确定为完成充电，解锁电磁铁，机器人自主行动，充电桩进入休眠状态；否则继续充电；
(3c‐2)在充电模式中，若通过无线通讯设备接收到人为结束充电的命令，则解锁电磁铁，机器人自主行动，充电桩进入休眠状态；否则继续充电。
18.根据权利要求11‐17任一所述的基于摄像头的与机器人低耦合度的智能充电桩充电方法，其特征在于所述方法还包括步骤：
(4)在充电模式中，检测电流和电压是否在正常范围的同时检测充电桩内部的温度，若充电状态控制电路中传感器感应到充电桩内部温度过高，则解锁电磁铁，机器人自主行动，充电桩进入待机状态，此时充电桩接收充电接头模块的信号，但是不执行充电操作；否则继续充电，若要继续充电则必须重启充电桩。
19.根据权利要求11‐18任一所述的基于摄像头的与机器人低耦合度的智能充电桩充电方法，其特征在于所述方法还包括：支持人为自主充电，当机器人关机状态被推到充电桩位置并且压迫金属导电条(1)时，同样触发电磁距离感应设备(13)，通过充电控制电路传递到第一微控器，第一微控器接通电磁铁条(2)的电源，固定在充电电极模块和充电接头模块上的磁铁条和铁条吸在一起，中控电路板(10)控制给电极供电，开始充电。
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