CN110162047A - 机器人自动充电引导方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供机器人自动充电引导方法及其系统，方法包括：机器人做螺旋运动的同时发射激光；机器人检测到充电座上的反光板散射回来的激光信号后，依据所述激光信号计算获取充电座相对机器人的方位；依据所述方位驱动机器人到达对应位置。本发明通过导航、激光初步识别、红外精准引导的结合，不仅显著提高了机器人自动充电引导的效率，同时降低了引导难度；而且，相较于雷达匹配和图像匹配引导方式，降低了实现成本和对设备配置的要求；特别适用于大范围区域内的引导，具有突出且显著地效果。

Description

机器人自动充电引导方法及其系统
技术领域
本发明涉及自动充电技术领域，具体涉及机器人自动充电引导方法及其系统。
背景技术
服务机器人的应用越来越广，机器人的智能化程度越来越高，自动充电已成为智能机器人必备的一项功能。快速高效地寻找充电座是决定机器人使用体验的重要部分，因而是机器人研究领域的一个重要方向。
现有技术的自动充电方案普遍通过充电座的红外信号或者激光雷达匹配、充电座图像匹配等方法对机器人进行引导，将机器人导引到位之后随即进行充电。这种红外引导充电方式存在引导距离要求近、误差大、耗费时间久、效率低，以及激光雷达匹配和图像匹配实现复杂、成本高，同时对设备的配置要求高等问题。
因而，有必要提供一种能够解决现有机器人自动充电方法所存在问题的方法和系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供机器人自动充电引导方法及其系统，低成本地实现引导效率的提高。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
机器人自动充电引导方法，包括：
机器人做螺旋运动的同时发射激光；
机器人检测到充电座上的反光板散射回来的激光信号后，依据所述激光信号计算获取充电座相对机器人的方位；
依据所述方位驱动机器人到达对应位置。
本发明提供的另一个技术方案为：
机器人自动充电引导系统，包括：机器人和充电桩；
所述机器人包括充电控制模块，以及分别与所述充电控制模块连接的激光发射模块和检测模块；
所述充电控制模块，用于控制机器人做螺旋运动，并在做螺旋运动的同时出发激光发射模块，还用于依据检测模块发送过来的激光信号计算获取充电座相对机器人的方位，还用于依据所述方位驱动机器人到达对应位置；
所述激光发射模块，用于发射激光；
所述检测模块，用于检测到充电座上的反光板散射回来的激光信号后，将其发送至控制模块。
本发明的有益效果在于：在现有的通过充电座主动发射红外信号来引导机器人到达充电座之前，增加机器人主动发射激光、依据充电座上反光板返回的激光信息获取充电座相对机器人的方位，以及依据方位到达对应位置的步骤。以利用反光板反射激光信号以及反射后增强信号的特性，实现在相对大的区域范围内对充电座初步地识别，并引导机器人到其附近，之后再利用红外导引方式精准引导到达充电座，从而显著提高引导效率，同时还具有实现成本较低的优点。
附图说明
图1为本发明一实施例一种机器人自动充电引导方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例的引导示意图；
图3为本发明实施例一的机器人自动充电引导方法的流程示意图；
图4为本发明实施例一至实施例五中机器人的机构组成示意图；
图5为本发明实施例一至实施例五中充电座的机构组成示意图；
图6为本发明实施例五的流程示意图。
标号说明：
1、机器人；
11、充电控制模块；12、红外接收模块；13、激光发射模块；
14、激光检测模块；15、导航定位模块；
2、充电座；
22、红外发射模块；23、机器人识别装置；24、第一激光反光板；
25、第二激光反光板。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
本发明最关键的构思在于：利用反光板反射激光信号以及反射后增强信号的特性，在相对大的区域范围内对充电座初步地识别，并引导机器人到其附近，之后再利用红外导引方式到达充电座。
请参照图1，本发明提供机器人自动充电引导方法，包括：
机器人做螺旋运动的同时发射激光；
机器人检测到充电座上的反光板散射回来的激光信号后，依据所述激光信号计算获取充电座相对机器人的方位；
依据所述方位驱动机器人到达对应位置。
从上述描述可知，本发明的有益效果在于：本发明特别适用于机器人拥有较大活动区域范围内的场景，相较于现有全程采用红外导引方式而言，本发明能够规避红外光源发射角度小、信号弱，以及红外摄像头能够捕获光源的范围窄、距离近等缺陷导致的引导效率不高的问题，从而显著提高引导效率；而相较于现有全程采用激光雷达匹配和图像匹配方式，能够规避实现复杂、成本高、设备配置要求高的问题，从而显著降低实现成本和实现难度。本发明首先基于激光反射原理初步识别出充电座的方位，并到达其附近，再通过红外引导精准导引至充电座，最终获取高效引导，且实现成本较低的效果。
进一步地，还包括：
微调机器人的位置，直至机器人接收到充电座发出的红外信号。
由上述描述可知，完成对充电座的初步识别后，通过微调，启动红外引导方式进行精准导引，缩短初步识别过度到精准引导的间隙。
进一步地，还包括：
环绕设置在充电座上的各个红外发射器分时发送具备各自特征的红外信号；
机器人依据接收到的红外信号确定当下其与充电座插头的相对位置和角度偏差，并依据所述相对位置和角度偏差低速前进。
由上述描述可知，在初步识别到充电座，并导引至其附近后，再通过启用周向发散红外信号的方式使机器人快速地接收到红外信号，并据此以低速前进方式准确地与充电座的充电电极快速对接并充电。实现了初步识别与红外精准引导的结合，从而显著提高引导效率。
进一步地，所述机器人做螺旋运动的同时发射激光，之前，还包括：
机器人依据自身定位信息和预设的充电座定位信息，生成由所述自身定位信息至所述充电座定位信息预设距离的导航路径；
机器人依据所述导航路径移动至相应位置。
由上述描述可知，在初步识别充电座之前，将通过导航方式引导机器人到达识别区域范围内，从而保证初步识别的可行性和提高识别准确度。
进一步地，所述对应位置为与所述方位相差预设距离的位置。
由上述描述可知，利用激光反光板方式初步识别到充电座以后，只需导引机器人到达与充电座存在一定距离的范围内即可，实现了快速缩短机器人与充电座的距离的目的，并能为后续大大缩短精准引导所用时间奠定基础。
本发明提供的另一个技术方案为：
机器人自动充电引导系统，包括：机器人和充电桩；
所述充电座包括环绕设置在充电座上的两个以上的反光板；
所述机器人包括充电控制模块，以及分别与所述充电控制模块连接的激光发射模块和检测模块；
所述充电控制模块，用于控制机器人做螺旋运动，并在做螺旋运动的同时出发激光发射模块，还用于依据检测模块发送过来的激光信号计算获取充电座相对机器人的方位，还用于依据所述方位驱动机器人到达对应位置；
所述激光发射模块，用于发射激光；
所述检测模块，用于检测到充电座上的反光板散射回来的激光信号后，将其发送至控制模块。
进一步地，所述充电控制模块，还用于微调机器人的位置，直至机器人接收到充电座发出的红外信号；
进一步地，所述充电座包括环绕设置在充电座上的各个红外发射器；
所述各个红外发射器，用于分时发送具备各自特征的红外信号；
所述机器人的充电控制模块，还用于依据接收到的红外信号确定当下其与充电座插头的相对位置和角度偏差，并依据所述相对位置和角度偏差驱动机器人低速前进。
进一步地，机器人还包括与充电控制模块连接的导航定位模块；
所述导航定位模块，用于机器人依据自身定位信息和预设的充电座定位信息，生成由所述自身定位信息至所述充电座定位信息预设距离的导航路径；
所述充电控制模块，还用于依据所述导航路径驱动机器人移动至相应位置。
进一步地，所述充电控制模块具体依据所述方位驱动机器人到达与所述方位相差预设距离的位置。
实施例一
请参照图2至图5，本实施例提供一种机器人自动充电引导方法，能够引导难度，显著提高引导效率。
本实施例的方法基于机器人自动充电引导系统实现，请参阅图4和图5，所述系统包括机器人1和充电座2；机器人1上设置有激光发射模块13、激光检测模块14、红外接收模块12以及充电控制模块11，所述激光发射模块13、激光检测模块14和红外接收模块12分别与充电控制模块连接11；所述充电座2上设置由至少两个的红外发射器构成的红外发射模块22、至少两个的激光反光板(图5中的第一激光反光板24和第二激光反光板25)以及充电输出控制模块21，两个以上的红外发射器环绕充电座周向设置，即确保全周向地散发出的红外信号；两个以上的激光反光板环绕充电座周向设置，确保全周向反射接收到激光。
请参阅图2和图3，本实施例的方法包括：
S1：机器人做螺旋运动的同时发射激光；
具体而言，当机器人进入自动充电模式时，该模式可以通过遥控启动，也可以在检测到低电量时自动启动；机器人原地360度旋转，并同步启动激光发射模块和激光检测模块；在旋转过程中，机器人发出的激光沿周向扫射，以确保全方位覆盖。
可选地，机器人通过充电控制模块中的寻迹单元执行螺旋运动。寻迹单元用于控制机器人做螺旋运动，该螺旋运动包括原地360°的螺旋运动和从半径为0开始逐渐扩大半径的螺旋运动。
S2：当机器人检测到自身发出的激光投射到充电座的反光板后散射回来的激光信号，依据所述激光信号计算获取充电座相对机器人的方位；
具体而言，激光是全方向扫射的，充电座上的反光板在接收到激光后，将反射接收到的激光，且经过反射，具有增强激光信号强度的功能。
通过发出激光信号，而后依据接收到的散射回来的激光信号计算获取散射点方位的技术，属于现有技术，在此不做具体说明。在本实施例中，是通过充电座上的反光板实现的散射，因此，可以理解为依据散射点定位充电座。
需要同时说明的是，若机器人能够检测到散射回来的激光信号，也就意味着可以检测到充电座的方位；则证明充电座在机器人激光的辐射范围内。优选地，若机器人在当前位置启动激光扫描，且在预设时段后仍无法检测到返回的激光信号，则判定充电座不在机器人的激光辐射范围内，即二者距离较远；然后，通过寻迹单元控制机器人做螺旋圆圈运动，且半径从0开始逐渐变大，直至检测到返回的激光信号。
S3：依据所述方位驱动机器人到达对应位置。
具体而言，将依据S2计算得到的充电座的方位，控制机器人前进至与该方位具有一定距离的位置。即尽可能接近图2所示的精准引导区域范围。优选通过该步骤控制机器人行进到至充电座正前方特定距离的位置，以便后续更快速地引导机器人与充电座对接。上述距离的具体值支持自定义，优选为0.5-2米，最优为1.5米，以满足机器人的微调和引导效率。
通过上述步骤，实现了在较大范围内，机器人快速而准确地定位到充电座的方位，并前进至与充电器间隔一定距离的位置。即初步识别充电座并快速缩短二者距离。
S4：微调机器人的位置，直至机器人接收到充电座发出的红外信号。
虽然机器人与充电座之间的距离已经相对较近，但是也有可能出现由于角度问题而导致机器人无法接受到充电座发出的红外信号的情况。而通过该步骤，便可实现在极短时间内，通过微调，确保机器人与充电座基于红外信号对接，进而为后续基于红外信号的精准引导阶段提供保障。
通过上述步骤，实现引导机器人进入到如图2所示的精准引导区域范围内，进入精准引导阶段。精准引导阶段将具体通过以下步骤，实现机器人与充电座在较短距离内快速而精准地对接。
S5：充电座上的各个红外发射器分时发送具备各自特征的红外信号；
具体而言，充电座以周向发散的方式向外辐射红外信号，通过全方位辐射，确保机器人能快速而准确地接收到红外信号。同时，各个红外发射器分时发出红外信号，且各自发出的红外信号具有不同的特征，且为不同的红外编码信号。
S6：机器人依据接收到的红外信号确定当下其与充电座插头的相对位置和角度偏差，并依据所述相对位置和角度偏差低速前进。
具体而言，机器人将实时性地接收充电座发出的红外信号，并能依据接收到的不同的红外信号，判断机器人当前相对充电座中心的位置和角度是否存在偏差，并依据判断结果不断的微调机器人以低速靠近充电座。所述微调的过程，即通过行动消除位置和角度偏差的过程，当位置和角度不存在偏差时，机器人的充电触片即与充电座触片对接成功。
本实施例的自动充电引导方法，先后包括基于激光反射的初步识别充电座并靠近充电器的阶段，以及基于红外的精准引导阶段。提供一种激光与红外相结合的引导方式，能够大大提高引导效率，同时降低实现难度和成本。特别适用于机器人拥有大范围活动区域范围的场景，相较于现有单一采用红外引导充电的方式，能够克服由于距离远而导致误差大、耗时且效率低的问题；相较于现有单一采用激光雷达匹配和图像匹配的引导方式，能够解决其实现复杂、成本高以及对设备配置要求高的问题。
实施例二
本实施例在实施例一的基础上，做进一步的扩展，提高机器人基于激光反光板方式识别到充电座的效率。相同之处不再复述，区别在于，在实施例一的步骤S1之前，还包括导航定位充电座过程。
具体而言，所述导航定位充电座过程包括：
S01：机器人依据自身定位信息和预设的充电座定位信息，生成由所述自身定位信息至所述充电座定位信息预设距离的导航路径。
其中，机器人自身定位信息由其上的导航定位模块获取，而所述充电座定位信息为预先设置，可通过客户端进行设置，如在地图中指定充电座位置。
S02：机器人依据所述导航路径移动至相应位置。
在启动自动充电引导后，将首先通过机器人的导航定位模块生成移动至起始引导区域内的导航路径，然后再控制机器人依据所述导航路径前进至目的地。所述目的地位于所述起始引导区域范围内(如图2所示)，所述起始引导区域范围支持依据需求灵活配置，优选为以充电座为中心，半径为5-20m的圆形或椭圆形区域范围内。
在本实施例中，通过先以导航方式将机器人引导至起始引导区域范围内，再进入激光引导阶段，能够确保机器人快速而准确地在激光引导阶段识别到充电座，从而进一步地提高机器人自动充电引导的效率。
实施例三
本实施例对应实施例二，提供一种机器人自动充电引导系统，请查阅图4和图5，包括：机器人1和充电座2；
所述充电座2包括环绕设置在充电座上的两个以上的激光反光板(图中的第一激光反光版24和第二激光反光板25)，以及环绕设置在充电座上的两个以上的红外发射器(构成图中的红外发射模块22)；还包括充电输出控制模块21和机器人识别模块23；
所述各个反光板，用于接收到机器人发出的激光后，对该激光信号增强信号后反射和散射出去；
所述各个红外发射器，用于分时发送具备各自特征的红外信号；具体的，将获取充电输出控制模块的控制信号，输出固定频率和编码的红外信号；
所述机器人识别模块23，用于识别对接到充电座电极的机器人的特征，并回传给充电输出控制模块21。
所述机器人包括充电控制模块11，以及分别与所述充电控制模块11连接的激光发射模块13、激光检测模块14、红外接收模块12以及导航定位模块15；
所述导航定位模块15，用于机器人依据自身定位信息和预设的充电座定位信息，生成由所述自身定位信息至所述充电座定位信息预设距离的导航路径；
所述充电控制模块11，用于依据所述导航路径驱动机器人移动至相应位置；还用于控制机器人做螺旋运动，并在做螺旋运动的同时出发激光发射模块，还用于依据检测模块发送过来的激光信号计算获取充电座相对机器人的方位，还用于依据所述方位驱动机器人到达对应位置，优选地，所述对应位置为与所述方位相差预设距离的位置；还用于微调机器人的位置，直至机器人接收到充电座发出的红外信号；还用于依据接收到的红外信号确定当下其与充电座插头的相对位置和角度偏差，并依据所述相对位置和角度偏差驱动机器人低速前进；
所述激光发射模块13，用于依据充电控制模块11的触发发射激光；
所述激光检测模块14，用于检测到充电座上的反光板散射回来的激光信号后，将其回传至充电控制模块11。
实施例四
本实施例在实施例三的基础上，做进一步限定，具体限定内容包括：
所述充电座上反光板的数量为两个，分别为第一激光反光板和第二激光反光板；第一激光反光板和第二激光反光板均为长条形，分别以环绕充电座的方式设置在其左右两侧。优选地，第一激光反光板和第二激光反光板的总长与充电座的周向长度相近，以能够全方位环绕充电座的侧面，在充电座上构建全方位反射激光的区域。优选地，第一激光反光板和第二激光反光板相对于充电座中心线相对称，如此，可以减少机器人在导引过程中的数据处理。
所述充电座上的所有红外发射器构成红外发射模块，具体的，红外发射器的数量为三个，其中一个安装在充电座的中心线上，该红外发射器包括小角度10°的红外发射管；其他两个红外发射器均为30-60度的红外发射管，分别安装在充电座的两侧。
机器人上的红外接收模块的数量为三个，用于近距离发现充电座发射出的红外信号，并传回给充电控制模块。优选地，所述红外接收模块为红外接收管。
机器人的充电控制模块包括充电座位置判断单元、寻迹单元、移动单元。其中，所述寻迹单元用于控制机器人做螺旋运动；充电座位置判断单元用于输出充电座相对机器人的位置和角度；移动单元用于导引过程中将机器人导引到充电座正前方、从正前方导引到充电座进行对接。在一具体实例中，所述充电控制模块预设激光强度阈值σ，通过检测反射和散射回的激光强度，并与σ比较，判定激光照射物是反射光还是普通物体。
另外，机器人上的红外接收模块和充电座上的红外发射器的位置可以根据具体设计要求进行设置，但是需要保证两者在同一个高度。充电座上的反光板和外发射器不在同一高度上。机器人上的激光发射模块、激光检测模块以及充电座上的反光板的位置可以依据具体设计要求进行设置，但是需要保证三者在同一高度上。机器人上的激光发射模块、激光检测模块以及红外接收模块的位置同样可以依据具体设计要求进行设置；优选地，三者均位于机器人正前方的中心线位置，且不在同一高度，如此，可以减少机器人在导引过程中的数据处理。充电座上反光板的宽度可以根据充电座具体设计要求进行设置，但是需要保证机器人在要求的距离内能够检测到经反光板散射的激光。
在一具体实例中，机器人在导引过程中，移动速度控制在10cm/s，激光采样速率控制在3000次/秒，反光板宽度为10cm，两个反光板间距20cm。
所述红外接收管和红外发射管均为940nm波段LED红外管。三个红外发射管在同一水平面上，间距2cm；中心位置发射管朝正前方发射，两侧发射管正前方往两侧偏移10度；三个红外接收管在同一水平面上，间距5cm；朝向正前方。
机器人上的充电控制模块按顺序间隔20ms轮流控制三个红外发射管往外发送38KHZ的编码特征为0x1,0x2,0x3的信号。
实施例五
请参阅图6，本实施例对应实施例四，提供一具体运用场景：
步骤1，在机器人电池电量低或人工充电命令发出后，机器人进入自动充电引导模式；通过机器人的导航定位模块生成移动至充电座10米范围内的路线图，机器人根据路线图移动至目标位置，进入起始引导区域；
步骤2，机器人的寻迹单元控制机器人做原地360度旋转，同步启动激光发射模块和激光检测模块，以迅速地寻找到充电座的大概方位；如果检测到充电座反光板位置信号，进入步骤3；如果未检测到充电座反光板信号，判断机器人距离充电座较远，寻迹单元控制机器人做螺旋圆圈运动，半径从0逐渐变大，如果检测到充电座反光板，进入步骤3，否则机器人重新变更起始引导点，继续步骤2；
步骤3，机器人的充电座位置判断单元计算充电座方位，移动单元输出将机器人移动至充电座正前方1.5米的位置，满足机器人的微调和导引效率，到达指定位置后，微调直至红外接收模块接收到充电座的红外发射器发出的红外信号，进入精准引导阶段；
步骤4，充电座的三个红外发射器分时发送不同特征的红外编码信号；机器人的红外接收模块接收红外编码信号，移动单元根据红外接收模块接收到的红外编码信号，判断机器人相对充电座中心的位置和角度是否有偏差，并实时微调机器人以低速靠近充电座，最终实现机器人充电触片与充电座触片的对接；
步骤5，充电座识别到触片的收缩，启动识别单元，判断是否为机器人；
步骤6，充电座控制输出供电；
步骤7，机器人检测输入供电如果正常，开始充电。
本实施例利用反光板对激光信号反射的增强的特性，实现在相对大的区域范围内对充电座初步的识别，进而引导到充电座附近，再利用红外光导引到充电座，实现高效引导。
综上所述，本发明提供的机器人自动充电引导方法及其系统，通过导航、激光初步识别、红外精准引导的结合，不仅显著提高了机器人自动充电引导的效率，同时降低了引导难度；而且，相较于雷达匹配和图像匹配引导方式，降低了实现成本和对设备配置的要求；特别适用于大范围区域内的引导，具有突出且显著地效果。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.机器人自动充电引导方法，其特征在于，包括：
机器人做螺旋运动的同时发射激光；
机器人检测到充电座上的反光板散射回来的激光信号后，依据所述激光信号计算获取充电座相对机器人的方位；
依据所述方位驱动机器人到达对应位置。
2.如权利要求1所述的机器人自动充电引导方法，其特征在于，还包括：
微调机器人的位置，直至机器人接收到充电座发出的红外信号。
3.如权利要求2所述的机器人自动充电引导方法，其特征在于，还包括：
环绕设置在充电座上的各个红外发射器分时发送具备各自特征的红外信号；
机器人依据接收到的红外信号确定当下其与充电座插头的相对位置和角度偏差，并依据所述相对位置和角度偏差低速前进。
4.如权利要求1所述的机器人自动充电引导方法，其特征在于，所述机器人做螺旋运动的同时发射激光，之前，还包括：
机器人依据自身定位信息和预设的充电座定位信息，生成由所述自身定位信息至所述充电座定位信息预设距离的导航路径；
机器人依据所述导航路径移动至相应位置。
5.如权利要求1所述的机器人自动充电引导方法，其特征在于，所述对应位置为与所述方位相差预设距离的位置。
6.机器人自动充电引导系统，其特征在于，包括：机器人和充电桩；
所述充电座包括环绕设置在充电座上的两个以上的反光板；
所述机器人包括充电控制模块，以及分别与所述充电控制模块连接的激光发射模块和激光检测模块；
所述充电控制模块，用于控制机器人做螺旋运动，并在做螺旋运动的同时出发激光发射模块，还用于依据检测模块发送过来的激光信号计算获取充电座相对机器人的方位，还用于依据所述方位驱动机器人到达对应位置；
所述激光发射模块，用于发射激光；
所述激光检测模块，用于检测到充电座上的反光板散射回来的激光信号后，将其发送至控制模块。
7.如权利要求6所述的机器人自动充电引导系统，其特征在于，所述充电控制模块，还用于微调机器人的位置，直至机器人接收到充电座发出的红外信号。
8.如权利要求7所述的机器人自动充电引导系统，其特征在于，所述充电座包括环绕设置在充电座上的两个以上的红外发射器；
所述各个红外发射器，用于分时发送具备各自特征的红外信号；
所述机器人的充电控制模块，还用于依据接收到的红外信号确定当下其与充电座插头的相对位置和角度偏差，并依据所述相对位置和角度偏差驱动机器人低速前进。
9.如权利要求6所述的机器人自动充电引导系统，其特征在于，机器人还包括与充电控制模块连接的导航定位模块；
所述导航定位模块，用于机器人依据自身定位信息和预设的充电座定位信息，生成由所述自身定位信息至所述充电座定位信息预设距离的导航路径；
所述充电控制模块，还用于依据所述导航路径驱动机器人移动至相应位置。
10.如权利要求6所述的机器人自动充电引导系统，其特征在于，所述充电控制模块具体依据所述方位驱动机器人到达与所述方位相差预设距离的位置。
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