CN110061552A - 一种室外移动机器人无线充电系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种室外移动机器人无线充电系统及方法方法，系统包括安装在机器人上的激光雷达和超声波传感器以及用于给机器人充电的无线充电装置，所述无线充电装置包括安装在室外的发射线圈以及安装在机器人底盘上的接收线圈，所述发射线圈连接电源并设计有充电电路，所述发射线圈的四周安装有用以进行机器人定位的反光板，所述接收线圈设计有用以检测充电电流的充电管理电路，所述机器人内还安装有用以检测机器人剩余电量的电源模块。机器人在运动过程中较为平稳，没有明显的定位偏差。机器人到达指定位置的精度较高，都能够以最大的充电功率进行充电，有较好的充电效率。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人领域，特别是涉及一种室外移动机器人无线充电系统及方法。
背景技术
21世纪以来，随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，机器人也开始广泛应用于各个领域和生活中各种场景当中。而室外移动机器人以其能在恶劣环境下工作的特点，在安防、防爆、巡检等领域大展身手。围绕机器人相关的技术也逐步取得突破。
现阶段机器人一般以电池来维持动力，室外运行的机器人应该是以无人照看的全自主模式工作，因此机器人需要具备自动充电功能。触点式充电方法因电连接件暴露在外，容易受到环境腐蚀等从而影响效果，另外可能还会带来触电等严重后果，本系统在室外机器人中使用无线充电，有效解决相应的问题。无线充电最重要的问题是解决充电过程中的对准问题，如果没有对准，轻则降低充电效率，延长充电时间，重则会损坏充电电路，带来严重后果。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种室外移动机器人无线充电系统及方法，机器人在运动过程中较为平稳，没有明显的定位偏差。机器人到达指定位置的精度较高，都能够以最大的充电功率进行充电，有较好的充电效率。
本发明的技术方案：
一种室外移动机器人无线充电方法，包括以下具体步骤：
S1.机器人通过电源模块检测电池剩余电量；
S2.当检测到电池剩余电量低于低阈值时，机器人快速向子目标点运动；
S3.当机器人到达子目标点后，机器人切换到微调速模式，以激光反光板定位为主运动到充点电；
S4.当机器人到达充电点后，机器人借助于自带的激光雷达进行定位；机器人定位完成，得到机器人的x、y坐标值，然后根据机器人的x、y坐标值以及的激光雷达信息计算出机器人的完整位姿；
S5.根据机器人的完整位姿，判断机器人与充电点是否匹配；
S6.机器人与充电点完成匹配后，开启无线充电并检测充电电流，如果电流小于额定充电电流的90％，则认为未准确到达充电点，在微调速模式下退回子目标点，
S7.重复S3-S6，直到检测的充电电流大于额定充电电流的90％，机器人正常充电，电源模块检测电池剩余电量，当剩余电量高于高阈值时结束充电。
所述步骤S2中，机器人向子目标点运动的前进速度设置为0.6m/s，角速度设置为0.4rad/s。
所述步骤S3中，机器人向充点电运动的速度设置为0.2m/s，角速度设置为0.2rad/s。
所述步骤S4中，机器人借助于自带的激光雷达进行定位采用的方法是三点定位法，三个反光板的坐标值分别为(x1,y1),(x2,y2)以及(x3,y3)，机器人通过激光雷达扫描得到与三个反光板的距离，由三个反光板的位置坐标值以及机器人与三个反光板的距离即可求得机器人的x、y坐标值。
所述步骤S4中，机器人的完整位姿还包括机器人的方位角。
一种室外移动机器人无线充电系统，包括安装在机器人上的激光雷达和超声波传感器以及用于给机器人充电的无线充电装置，所述无线充电装置包括安装在室外的发射线圈以及安装在机器人底盘上的接收线圈，所述发射线圈连接电源并设计有充电电路，所述发射线圈的四周安装有用以进行机器人定位的反光板，所述接收线圈设计有用以检测充电电流的充电管理电路，所述机器人内还安装有用以检测机器人剩余电量的电源模块。
所述反光板设置有3个，3个反光板的连线构成钝角不等腰三角形，反光板的长度为20cm，正中心的高度与机器人上的激光雷达位置高度一致。
所述超声波传感器布置了6个，6个超声波传感器等间距的分布在机器人的四周。
所述充电装置的发射线圈面积大于接收线圈面积。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：机器人在运动过程中较为平稳，没有明显的定位偏差。机器人到达指定位置的精度较高，都能够以最大的充电功率进行充电，有较好的充电效率。
附图说明
图1为本发明的实现方法流程图；
图2为本发明的系统原理图；
图3为本发明三点定位示意图；
图4为本发明方位角示意图；
图5为本发明激光雷达避障示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
一种室外移动机器人无线充电方法，包括以下具体步骤：
S1.机器人通过电源模块检测电池剩余电量；
S2.当检测到电池剩余电量低于低阈值时，机器人快速向子目标点运动；
S3.当机器人到达子目标点后，机器人切换到微调速模式，以激光反光板定位为主运动到充点电；
S4.当机器人到达充电点后，机器人借助于自带的激光雷达进行定位；机器人定位完成，得到机器人的x、y坐标值，然后根据机器人的x、y坐标值以及的激光雷达信息计算出机器人的完整位姿；
S5.根据机器人的完整位姿，判断机器人与充电点是否匹配；
S6.机器人与充电点完成匹配后，开启无线充电并检测充电电流，如果电流小于额定充电电流的90％，则认为未准确到达充电点，在微调速模式下退回子目标点，
S7.重复S3-S6，直到检测的充电电流大于额定充电电流的90％，机器人正常充电，电源模块检测电池剩余电量，当剩余电量高于高阈值时结束充电。
所述步骤S2中，机器人向子目标点运动的前进速度设置为0.6m/s，角速度设置为0.4rad/s。
所述步骤S3中，机器人向充点电运动的速度设置为0.2m/s，角速度设置为0.2rad/s。
所述步骤S4中，机器人借助于自带的激光雷达进行定位采用的方法是三点定位法，三个反光板的坐标值分别为(x1,y1),(x2,y2)以及(x3,y3)，机器人通过激光雷达扫描得到与三个反光板的距离，由三个反光板的位置坐标值以及机器人与三个反光板的距离即可求得机器人的x、y坐标值。
所述步骤S4中，机器人的完整位姿还包括机器人的方位角。
如图2，一种室外移动机器人无线充电系统，包括安装在机器人1上的激光雷达2和超声波传感器3以及用于给机器人充电的无线充电装置，所述无线充电装置包括安装在室外的发射线圈6以及安装在机器人底盘上的接收线圈4，所述发射线圈6连接电源并设计有充电电路7，所述发射线圈6的四周安装有用以进行机器人定位的反光板8，所述接收线圈4设计有用以检测充电电流的充电管理电路5，所述机器人内还安装有用以检测机器人剩余电量的电源模块。
所述反光板8设置有3个，3个反光板8的连线构成钝角不等腰三角形，反光板8的长度为20cm，正中心的高度与机器人上的激光雷达位置高度一致。
所述超声波传感器3布置了6个，6个超声波传感器等间距的分布在机器人1的四周。
所述充电装置的发射线圈6面积大于接收线圈4面积。
发射线圈和接收线圈的控制信息通过蓝牙传输，一般地，当接收线圈到达指定充电点后，会通过蓝牙给发射线圈控制电路下发开始充电的命令，之后发射线圈开启无线充电并将充电电流和温度等信息发回接收线圈。
三点定位的原理如图3所示，已(x1,y1),(x2,y2)以及(x3,y3)的坐标值以及点(x0,y0)距离三点的距离，即可确定(x0,y0)的坐标值。
如图4，接下来求解机器人的方位信息，其中，beta2为激光雷达扫描范围的一半，为固定值，beta1是激光扫描到某点的角度，由激光信息返回，根据下图所描述的几何关系。
alpha＝atan2(p2.y-p.y,p2.x-p.x)
orientation＝alpha+beta2-beta1
orientation即为出机器人方位角，同理，以点p1和p3为基础，可以求出另两个方位角orientation1和orientation3，再使用一次均值滤波以减小测量误差，得到最终的机器人方位角为：
orientation_＝(orientation1+orientation+orientation3)/3
至此，机器人的位置和方位已经得到，完整位姿为(x，y，orientation_)对于超声波避障，在机器人身上布置了6个超声波传感器，根据速度控制决策选取相应的三个超声波传感器，例如速度指令为向前运动，则选取前方的三个超声波，向后运动，则选取后方的三个超声波传感器，相应的超声波传感器返回值应该大于安全阈值
如图5，对于激光雷达，假设设定的安全范围为距离机器人外壳expand米，雷达安装在距离机器人中心前方d米，由下图可以给出机器人的安全范围示意图
其中：
r＝robotRadius+expand(robotRadius为机器人半径)；
theta为扫描点距离起始角度的大小，由雷达信息返回；
alpha＝pi–scan_range/2；
由以上信息根据余弦定理可以求出range的大小，激光雷达探测障碍物返回的每一个距离信息应该大于相应的range。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种室外移动机器人无线充电方法，其特征在于，包括以下具体步骤：
S1.机器人通过电源模块检测电池剩余电量；
S2.当检测到电池剩余电量低于低阈值时，机器人快速向子目标点运动；
S3.当机器人到达子目标点后，机器人切换到微调速模式，以激光反光板定位为主运动到充点电；
S4.当机器人到达充电点后，机器人借助于自带的激光雷达进行定位；机器人定位完成，得到机器人的x、y坐标值，然后根据机器人的x、y坐标值以及的激光雷达信息计算出机器人的完整位姿；
S5.根据机器人的完整位姿，判断机器人与充电点是否匹配；
S6.机器人与充电点完成匹配后，开启无线充电并检测充电电流，如果电流小于额定充电电流的90％，则认为未准确到达充电点，在微调速模式下退回子目标点，
S7.重复S3-S6，直到检测的充电电流大于额定充电电流的90％，机器人正常充电，电源模块检测电池剩余电量，当剩余电量高于高阈值时结束充电。
2.根据权利要求1所述的一种室外移动机器人无线充电方法，其特征在于，所述步骤S2中，机器人向子目标点运动的前进速度设置为0.6m/s，角速度设置为0.4rad/s。
3.根据权利要求1所述的一种室外移动机器人无线充电方法，其特征在于，所述步骤S3中，机器人向充点电运动的速度设置为0.2m/s，角速度设置为0.2rad/s。
4.根据权利要求1所述的一种室外移动机器人无线充电方法，其特征在于，所述步骤S4中，机器人借助于自带的激光雷达进行定位采用的方法是三点定位法，三个反光板的坐标值分别为(x1,y1),(x2,y2)以及(x3,y3)，机器人通过激光雷达扫描得到与三个反光板的距离，由三个反光板的位置坐标值以及机器人与三个反光板的距离求得机器人的x、y坐标值。
5.根据权利要求1所述的一种室外移动机器人无线充电方法，其特征在于，所述步骤S4中，机器人的完整位姿还包括机器人的方位角。
6.一种室外移动机器人无线充电系统，其特征在于：包括安装在机器人上的激光雷达和超声波传感器以及用于给机器人充电的无线充电装置，所述无线充电装置包括安装在室外的发射线圈以及安装在机器人底盘上的接收线圈，所述发射线圈连接电源并设置有充电电路，所述发射线圈的四周安装有用以进行机器人定位的反光板，所述接收线圈设计有用以检测充电电流的充电管理电路，所述机器人内还安装有用以检测机器人剩余电量的电源模块。
7.根据权利要求6所述的一种室外移动机器人无线充电系统，其特征在于：所述反光板设置有3个，3个反光板的连线构成钝角不等腰三角形，反光板的长度为20cm，正中心的高度与机器人上的激光雷达位置高度一致。
8.根据权利要求6所述的一种室外移动机器人无线充电系统，其特征在于：所述超声波传感器布置了6个，6个超声波传感器等间距的分布在机器人的四周。
9.根据权利要求6所述的一种室外移动机器人无线充电系统，其特征在于：所述充电装置的发射线圈面积大于接收线圈面积。
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