CN109449678A - 一种移动机器人的充电装置以及自动对桩充电方法 - Google Patents

一种移动机器人的充电装置以及自动对桩充电方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种移动机器人的充电装置以及自动对桩充电方法，充电装置包括充电桩、连杆、连接部件和滑轮；连杆一端与机器人的尾部连接，另一端与连接部件同轴螺栓连接；连接部件的另一端与充电插头螺栓连接；移动巡检机器人向后倒车对桩的时候，由滑轮消除一部分对桩角度的偏差；同时各部件通过围绕连接轴的转动可以抵消移动机器人的对桩角度的偏差；自动对桩充电方法：通过控制小车角度的左右调整实现初始化操作，然后通过小车前进子程序和后退子程序，来实现小车中轴线与充电桩中轴线对齐，从而实现精准的对桩充电；本发明对桩角度要求变低、对桩成功率高、调节过程花费时间少；能够有效的保护充电桩和机器人充电部件；同时适配多种机器人。

Description

一种移动机器人的充电装置以及自动对桩充电方法
技术领域
本发明涉及移动机器人充电领域，具体涉及一种移动机器人的充电装置以及自动对桩充电方法。
背景技术
目前，市面上存在的应用于变电站的巡检机器人，以机器人移动平台为主体，其上搭载各类传感器，其功耗高，均采用接触式充电，自动充电方式有以下两种：1、采用磁导航对准模式，利用磁条导航的方式引导巡检机器人对准充电触片，完成机器人与充电桩对接。这种方法磁条消磁后更换的工作量大，难度高。2、采用激光定位导航模式。利用激光传感器完成小车的定位，控制小车到达充电桩正前方，使小车直线倒退一定距离，完成机器人与充电桩对接。这种方法对机器人定位方法的误差要求较高。机器人的充电部件大多较为简单，在机器人充电时可能对充电桩造成一定的损坏，导致一定时间即需更换充电桩，提高了成本。
现有技术方案：在发明专利《一种巡检机器人定位方法及自动充电方法》中提及了一种自动充电方法，该方案中具体方案描述如下：
1.当机器人需要补充电力时，通过定位导航技术自动驶向充电房，通过发送指令打开房门，机器人进入充电房中；
2.进入充电房中利用定位方法进行局部定位，持续根据定位调整机器人位置和朝向，直至机器人定位在充电桩正前方处。
3.确定机器人位于正确位置后，伸出充电臂，插入到充电桩中。
4.充电完成后机器人自动退出充电桩，继续进行工作。
现有技术方案的缺点：
1.对机器人位置和朝向调整的具体方案不明确，导致成功率不高，同时充电桩保护不足；
2.该方案中的充电部件均为全接触式金属片，即不分正负极；机器人兼容性差。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种移动机器人的充电装置以及自动对桩充电方法。
移动机器人的充电装置：
一种移动机器人的充电装置，包括充电桩和充电插头，充电插头还包括连杆和连接部件；连杆一端与机器人的尾部连接，另一端与连接部件同轴螺栓连接；连接部件的另一端与充电插头连接。需要充电的时候，机器人小车后退，充电插头的充电电极对准充电桩的充电触片完成机器人和充电桩的对接，开始充电。
进一步的，充电插头还包括两个滑轮，滑轮通过铰接件固定在充电插头正面靠近充电电极的两角，滑轮边缘相对于充电插头突出1cm。相应的，充电桩槽口部分的宽度为充电插头的最大宽度+2cm，从而起到限位的作用。
进一步的，连接部件的一端通过同轴螺栓连接在充电插头的圆孔中，另一端和连杆同轴螺栓连接，可围绕共同轴心旋转。充电插头通过连杆的一端螺栓固定连接在移动机器人尾部。移动机器人自动对桩充电方法：
其仿照了汽车倒车入库时的操作，并将其用算法进行了实现。本发明主要思想就是通过控制小车角度和前进后退，实现小车中轴线与充电桩中轴线对齐，从而实现精准的对桩充电。
具体包括以下步骤：
步骤1：初始化充电桩的中轴线，向左为y轴正方向，向前为x轴正方向，定义机器人小车车头与x轴正方向重合时，此时小车角度为0，小车向左转角度为正值，向右转角度为负值；设定机器人小车调整矩阵区域，PID相关参数；所述机器人小车调整矩阵区域由x轴最大值、x轴最小值、角度最左值、角度最右值和x轴中值构成；
步骤2：从定位模块获取实时定位信息；
步骤3：创建机器人小车对桩的线程；
步骤4：对小车进行初始化子程序操作：判断小车的位置，并控制小车进行相应的操作，使小车的角度满足PID的设定值；
步骤5：进入后退调节子程序，将返回标志位rst置为RST_OK，判断小车的位置，并控制小车进行相应的后退操作，小车退到x轴或者调整矩阵边界停止；将返回标志位置为RST_BUSY，返回rst；
步骤6：判断程序返回标志位rst是否等于RST_BUSY，如果是的话则进入步骤11角度正轴调节子程序，如果否的话，则再判断小车位置的y轴坐标是否大于充电桩中心线坐标，如果是的话则进入步骤8角度右调子程序，如果否的话则进入步骤7角度左调子程序；
步骤7：角度左调子程序具体为：判断小车角度是否小于角度最左值，是的话则调整小车向左转动一定角度直至条件不满足，如果否的话则结束子程序；
步骤8：角度右调子程序具体为：判断小车角度是否大于角度最右值，是的话则调整小车向右转动一定角度直至条件不满足，如果否的话则结束子程序；
步骤9：完成角度左调子程序或角度右调子程序后，判断小车位置的x轴坐标是否大于调整矩阵x轴中值，是的话则转至步骤5，否的话则进入步骤10前进调节子程序；
步骤10：进入前进调节子程序，首先将返回标志位rst置为RST_OK，判断小车的位置，并控制小车进行相应的前进操作，小车前进到x轴停止；将返回标志位置为RST_BUSY，返回rst；
步骤11：角度正轴调节子程序具体为：首先判断小车角度是否大于0，是的话则调整小车向右旋转一定角度直至条件不满足，否的话则再判断小车角度是否小于0，是的话则调整小车向左旋转一定角度直至条件不满足。再判断小车位置的x轴坐标是否小于调整矩阵x轴最大值，是的话控制小车前进一段距离直至条件不满足，否的话则跳出子程序；
步骤12：通过上述步骤，小车的中轴线与充电桩的中轴线已经重合，且小车的角度约为0，此时通过PID调节控制小车倒退，当小车位置x轴坐标等于充电桩x轴坐标时，向小车底层发送充电命令，打开继电器开始充电；
步骤13：判断小车是否成功开始充电，如果不成功则将小车直线开出一段距离，然后再进入步骤4，开始新一轮的调节。
进一步的，机器人小车调整矩阵区域由x轴最大值、x轴最小值、角度最左值和角度最右值决定区域边界；x轴中值为矩阵中心位置；所述x轴最小值大于40cm；x轴最大值根据车体大小进行设置。
方案中初始化子程序具体流程为：首先对小车位置的y轴坐标进行判断，如果小车位置的y轴坐标大于充电桩的中轴线坐标，则对小车角度进行再次判断，如果小车角度大于设定的角度最左值，则调整小车向右转动一定角度直至小车角度小于等于角度最左值；若小车角度小于等于角度最右值，则控制小车向左转动一定角度；若小车位置的y轴坐标小于充电桩中心线坐标，同样对小车角度进行判断，如果小车角度小于角度最右值，则调整小车向左转动一定角度，反之则调整小车向右转动一定角度。
方案中后退调节子程序具体为：首先将返回标志位rst置为RST_OK，然后对小车位置的y轴坐标进行判断，如果小车位置的y轴坐标大于充电桩的中轴线坐标，则判断小车位置x轴坐标是否大于调整矩阵的x轴最小值以及小车位置的y轴坐标值是否大于充电桩中心线坐标，如果是的话则控制小车直线倒退一段距离直至条件判断不成立时停车，并将返回标志位置为RST_BUSY；如果否的话则再判断小车位置的y轴坐标值是否小于充电桩中心线坐标，当小车位置的y轴坐标小于等于充电桩中心线坐标时，判断小车位置x轴坐标是否大于调整矩阵的x轴最小值以及小车位置的y轴坐标值是否小于充电桩中心线坐标，如果是的话则控制小车直线倒退一段距离直至条件判断不成立时停车，并将返回标志位置为RST_BUSY，返回rst。
方案中前进调节子程序具体为：首先将返回标志位rst置为RST_OK，然后对对小车位置的y轴坐标进行判断，如果小车位置的y轴坐标大于充电桩的中轴线坐标，判断小车位置x轴坐标是否小于调整矩阵的x轴最大值以及小车位置的y轴坐标值是否大于充电桩中心线坐标，如果是的话则控制小车直线前进一段距离直至条件判断不成立时停止，并将返回标志位置为RST_BUSY；如果否的话则再判断小车位置的y轴坐标值是否小于充电桩中心线坐标，当小车位置的y轴坐标小于等于充电桩中心线坐标时，判断小车位置x轴坐标是否小于调整矩阵的x轴最大值以及小车位置的y轴坐标值是否小于充电桩中心线坐标，如果是的话则控制小车直线前进一段距离直至条件判断不成立时停止，并将返回标志位置为RST_BUSY，返回rst。
本发明技术方案带来的有益效果为：
1、移动机器人的对桩角度要求变低，可有效降低软件工程量。
2、可以提高巡检机器人的对桩成功率，能够有效减少充电装置的磨损。
3、一种移动机器人自动对桩充电的方法，通过在变电站利用巡检机器人对本方法进行了多次测试，在充电桩位置标定正确的情况下，移动机器人充电成功率接近100％，且小车对桩调节过程花费时间约为1,2分钟。
4、由于对桩精准，倒退时无需强行将机器人充电部件与充电桩对接，能够有效的保护充电桩和机器人充电部件。
5、能够适应多种充电部件，也可以将此方法用于其他自动机器人的自动对桩充电问题上。
附图说明
图1为充电装置的充电桩的结构图；
图2为充电装置的充电插头的正面视图；
图3为充电装置的充电插头的背面视图；
图4为充电装置的连杆和连接部件的连接示意图；
图5为移动机器人自动对桩充电整体流程图；
图6为初始化子程序流程图；
图7为后退调节子程序流程图；
图8为角度左调子程序流程图；
图9为角度右调子程序流程图；
图10为前进调节子程序流程图；
图11为角度正轴调节子程序流程图；
图12为充电桩位置及x,y轴方向以及调整矩阵示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明进一步详细说明。
一种移动机器人的充电装置，包括充电桩(如图1所示)和充电插头(图2、3分别展示的是正面和背面)，充电插头1还包括连杆3和连接部件2；所述连杆3一端与机器人的尾部连接，另一端与连接部件2同轴螺栓连接；所述连接部2件的另一端与充电插头1连接。需要充电的时候，机器人小车后退，充电插头1的充电电极11对准充电桩5的充电触片51完成机器人和充电桩5的对接，开始充电。
进一步的，充电插头1还包括两个滑轮4，滑轮4通过铰接件41固定在充电插头1正面靠近充电电极11的两角，滑轮4边缘相对于充电插头1突出1cm。相应的，充电桩槽口部分的宽度为充电插头1的最大宽度+2cm，从而起到限位的作用。
进一步的，连接部件2的一端通过同轴螺栓连接在充电插头1的圆孔12中，另一端和连杆3同轴螺栓连接，可围绕共同轴心旋转(如图4所示)。充电插头1通过连杆3的一端31螺栓固定连接在移动机器人尾部。
具体使用方法：移动巡检机器人向后倒车对桩的时候，充电插头由于滑轮的存在，当移动机器人的对桩角度存在一定偏差的时候，充电插头的滑轮与充电插槽的槽口摩擦，连接部件与充电插头通过围绕连接轴的转动抵消移动机器人的对桩过程的角度偏差，随着移动机器人的后退，充电插口通过充电桩的槽口部分进入槽口，此时移动机器人依然后退，则连接部件，连杆和充电插头通过围绕连接轴的转动可以抵消移动机器人的对桩角度偏差，最终完成对接开始充电。
一种移动机器人自动对桩充电方法：
图5为移动机器人自动对桩充电整体流程图；图12为充电桩位置及x,y轴方向以及调整矩阵示意图。其具体操作步骤如下：
1、初始化充电桩的中轴线，向左为y轴正方向，向前为x轴正方向，定义机器人小车车头与x轴正方向重合时，此时小车角度为0，小车向左转角度为正值，向右转角度为负值；设定机器人小车调整矩阵区域，PID相关参数；所述机器人小车调整矩阵区域由x轴最大值、x轴最小值、角度最左值、角度最右值和x轴中值构成；其中调整矩阵区域的值需要根据充电桩在地图中的位置进行标定，x最小值一般位于充电桩x轴坐标的前方40cm，x最大值可根据车体大小进行设置。
2、从定位模块获取实时定位信息。
3、创建机器人小车对桩的线程。
4、对小车进行初始化子程序操作，判断小车的位置，并控制小车进行相应的操作。初始化子程序流程如图6所示：首先对小车位置的y轴坐标进行判断，如果小车位置的y轴坐标大于充电桩的中轴线坐标，则对小车角度进行再次判断，如果小车角度大于设定的角度最左值，则调整小车向右转动一定角度直至小车角度小于等于角度最左值；若小车角度小于等于角度最右值，则控制小车向左转动一定角度；若小车位置的y轴坐标小于充电桩中心线坐标，同样对小车角度进行判断，如果小车角度小于角度最右值，则调整小车向左转动一定角度，反之则调整小车向右转动一定角度。
5、进入后退调节子程序，其流程如图7所示，首先将返回标志位rst置为RST_OK，然后对小车位置的y轴坐标进行判断，如果小车位置的y轴坐标大于充电桩的中轴线坐标，则判断小车位置x轴坐标是否大于调整矩阵的x轴最小值以及小车位置的y轴坐标值是否大于充电桩中心线坐标，如果是的话则控制小车直线倒退一段距离直至条件判断不成立时停车，并将返回标志位置为RST_BUSY；如果否的话则再判断小车位置的y轴坐标值是否小于充电桩中心线坐标，当小车位置的y轴坐标小于等于充电桩中心线坐标时，判断小车位置x轴坐标是否大于调整矩阵的x轴最小值以及小车位置的y轴坐标值是否小于充电桩中心线坐标，如果是的话则控制小车直线倒退一段距离直至条件判断不成立时停车，并将返回标志位置为RST_BUSY，返回rst。
6、判断程序返回标志位rst是否等于RST_BUSY，如果是的话则进入步骤(11)角度正轴调节子程序，如果否的话，则再判断小车位置的y轴坐标是否大于充电桩中心线坐标，如果是的话则进入步骤(8)角度右调子程序，如果否的话则进入步骤(7)角度左调子程序。
7、角度左调子程序如图8所示：判断小车角度是否小于角度最左值，是的话则调整小车向左转动一定角度直至条件不满足，如果否的话则结束子程序。
8、角度右调子程序如图9所示：判断小车角度是否大于角度最右值，是的话则调整小车向右转动一定角度直至条件不满足，如果否的话则结束子程序。
9、完成角度左调子程序或角度右调子程序后，判断小车位置的x轴坐标是否大于调整矩阵x轴中值，是的话则转至步骤(5)，否的话则进入步骤(10)前进调节子程序。
10、前进调节子程序如图10所示：首先将返回标志位rst置为RST_OK，然后对对小车位置的y轴坐标进行判断，如果小车位置的y轴坐标大于充电桩的中轴线坐标，判断小车位置x轴坐标是否小于调整矩阵的x轴最大值以及小车位置的y轴坐标值是否大于充电桩中心线坐标，如果是的话则控制小车直线前进一段距离直至条件判断不成立时停止，并将返回标志位置为RST_BUSY；如果否的话则再判断小车位置的y轴坐标值是否小于充电桩中心线坐标，当小车位置的y轴坐标小于等于充电桩中心线坐标时，判断小车位置x轴坐标是否小于调整矩阵的x轴最大值以及小车位置的y轴坐标值是否小于充电桩中心线坐标，如果是的话则控制小车直线前进一段距离直至条件判断不成立时停止，并将返回标志位置为RST_BUSY，返回rst。
11、角度正轴调节子程序如图11所示：首先判断小车角度是否大于0，是的话则调整小车向右旋转一定角度直至条件不满足，否的话则再判断小车角度是否小于0，是的话则调整小车向左旋转一定角度直至条件不满足。再判断小车位置的x轴坐标是否小于调整矩阵x轴最大值，是的话控制小车前进一段距离直至条件不满足，否的话则跳出子程序。
12、通过上述步骤，小车的中轴线与充电桩的中轴线已经重合，且小车的角度约为0，此时通过PID调节控制小车倒退，当小车位置x轴坐标等于充电桩x轴坐标时，向小车底层发送充电命令，打开继电器开始充电。
13、判断小车是否成功开始充电，如果不成功则将小车直线开出一段距离，然后再进入步骤(4)，开始新一轮的调节。

Claims (9)

1.一种移动机器人的充电装置，包括充电桩(5)和充电插头(1)，其特征在于，充电插头(1)还包括连杆(3)和连接部件(2)；所述连杆(3)一端与机器人的尾部连接，另一端与连接部件(2)同轴螺栓连接；所述连接部件(2)的另一端与充电插头(1)连接；机器人小车后退，充电插头(1)的充电电极(11)对准充电桩(5)的充电触片(51)完成机器人和充电桩(5)的对接，开始充电。
2.根据权利要求1所述的一种移动机器人的充电装置，其特征在于，所述充电插头(1)还包括两个滑轮(4)，滑轮(4)通过铰接件(41)固定在充电插头(1)正面靠近充电电极(11)的两角，滑轮(4)边缘相对于充电插头(1)突出1cm；所述充电桩(5)槽口部分的宽度为充电插头(1)的最大宽度+2cm，从而起到限位的作用。
3.根据权利要求1所述的一种移动机器人的充电装置，其特征在于，所述连接部件(2)的一端通过同轴螺栓连接在充电插头(1)的圆孔(12)中，另一端和连杆(3)同轴螺栓连接，可围绕共同轴心旋转。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种移动机器人的充电装置，其特征在于，所述充电插头(1)通过连杆(3)的一端(31)螺栓固定连接在移动机器人尾部。
5.一种移动机器人自动对桩充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：初始化充电桩的中轴线，向左为y轴正方向，向前为x轴正方向，定义机器人小车车头与x轴正方向重合时，此时小车角度为0，小车向左转角度为正值，向右转角度为负值；设定机器人小车调整矩阵区域，PID相关参数；所述机器人小车调整矩阵区域由x轴最大值、x轴最小值、角度最左值、角度最右值和x轴中值构成；
步骤2：从定位模块获取实时定位信息；
步骤3：创建机器人小车对桩的线程；
步骤4：对小车进行初始化子程序操作：判断小车的位置，并控制小车进行相应的操作，使小车的角度满足PID的设定值；
步骤5：进入后退调节子程序，将返回标志位rst置为RST_OK，判断小车的位置，并控制小车进行相应的后退操作，小车退到x轴或者调整矩阵边界停止；将返回标志位置为RST_BUSY，返回rst；
步骤6：判断程序返回标志位rst是否等于RST_BUSY，如果是的话则进入步骤11:角度正轴调节子程序，如果否的话，则再判断小车位置的y轴坐标是否大于充电桩中心线坐标，如果是的话则进入步骤8角度右调子程序，如果否的话则进入步骤7角度左调子程序；
步骤7：角度左调子程序具体为：判断小车角度是否小于角度最左值，是的话则调整小车向左转动一定角度直至条件不满足，如果否的话则结束子程序；
步骤8：角度右调子程序具体为：判断小车角度是否大于角度最右值，是的话则调整小车向右转动一定角度直至条件不满足，如果否的话则结束子程序；
步骤9：完成角度左调子程序或角度右调子程序后，判断小车位置的x轴坐标是否大于调整矩阵x轴中值，是的话则转至步骤5，否的话则进入步骤10前进调节子程序；
步骤10：进入前进调节子程序，首先将返回标志位rst置为RST_OK，判断小车的位置，并控制小车进行相应的前进操作，小车前进到x轴停止；将返回标志位置为RST_BUSY，返回rst；
步骤11：角度正轴调节子程序具体为：首先判断小车角度是否大于0，是的话则调整小车向右旋转一定角度直至条件不满足，否的话则再判断小车角度是否小于0，是的话则调整小车向左旋转一定角度直至条件不满足。再判断小车位置的x轴坐标是否小于调整矩阵x轴最大值，是的话控制小车前进一段距离直至条件不满足，否的话则跳出子程序；
步骤12：通过上述步骤，小车的中轴线与充电桩的中轴线已经重合，且小车的角度约为0，此时通过PID调节控制小车倒退，当小车位置x轴坐标等于充电桩x轴坐标时，向小车底层发送充电命令，打开继电器开始充电；
步骤13：判断小车是否成功开始充电，如果不成功则将小车直线开出一段距离，然后再进入步骤4，开始新一轮的调节。
6.根据权利要求5所述的一种移动机器人自动对桩充电方法，其特征在于，所述机器人小车调整矩阵区域由x轴最大值、x轴最小值、角度最左值和角度最右值决定区域边界；x轴中值为矩阵中心位置；所述x轴最小值大于40cm；x轴最大值根据车体大小进行设置。
7.根据权利要求5所述的一种移动机器人自动对桩充电方法，其特征在于，所述初始化子程序具体流程为：首先对小车位置的y轴坐标进行判断，如果小车位置的y轴坐标大于充电桩的中轴线坐标，则对小车角度进行再次判断，如果小车角度大于设定的角度最左值，则调整小车向右转动一定角度直至小车角度小于等于角度最左值；若小车角度小于等于角度最右值，则控制小车向左转动一定角度；
若小车位置的y轴坐标小于充电桩中心线坐标，同样对小车角度进行判断，如果小车角度小于角度最右值，则调整小车向左转动一定角度，反之则调整小车向右转动一定角度。
8.根据权利要求5所述的一种移动机器人自动对桩充电方法，其特征在于，所述后退调节子程序具体为：首先将返回标志位rst置为RST_OK，然后对小车位置的y轴坐标进行判断，如果小车位置的y轴坐标大于充电桩的中轴线坐标，则判断小车位置x轴坐标是否大于调整矩阵的x轴最小值以及小车位置的y轴坐标值是否大于充电桩中心线坐标，如果是的话则控制小车直线倒退一段距离直至条件判断不成立时停车，并将返回标志位置为RST_BUSY；
如果否的话则再判断小车位置的y轴坐标值是否小于充电桩中心线坐标，当小车位置的y轴坐标小于等于充电桩中心线坐标时，判断小车位置x轴坐标是否大于调整矩阵的x轴最小值以及小车位置的y轴坐标值是否小于充电桩中心线坐标，如果是的话则控制小车直线倒退一段距离直至条件判断不成立时停车，并将返回标志位置为RST_BUSY，返回rst。
9.根据权利要求5所述的一种移动机器人自动对桩充电方法，其特征在于，所述前进调节子程序具体为：首先将返回标志位rst置为RST_OK，然后对对小车位置的y轴坐标进行判断，如果小车位置的y轴坐标大于充电桩的中轴线坐标，判断小车位置x轴坐标是否小于调整矩阵的x轴最大值以及小车位置的y轴坐标值是否大于充电桩中心线坐标，如果是的话则控制小车直线前进一段距离直至条件判断不成立时停止，并将返回标志位置为RST_BUSY；
如果否的话则再判断小车位置的y轴坐标值是否小于充电桩中心线坐标，当小车位置的y轴坐标小于等于充电桩中心线坐标时，判断小车位置x轴坐标是否小于调整矩阵的x轴最大值以及小车位置的y轴坐标值是否小于充电桩中心线坐标，如果是的话则控制小车直线前进一段距离直至条件判断不成立时停止，并将返回标志位置为RST_BUSY，返回rst。
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