CN111596260B - 机器人自主定位充电桩的方法、系统和计算机存储介质 - Google Patents

机器人自主定位充电桩的方法、系统和计算机存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种机器人自主定位充电桩的方法、系统和计算机存储介质，充电桩上的左右两侧分别安装360度的红外发射源，机器人安装两个红外接收器，红外接收器的表面包裹有偏振片和不透光材料，且两个偏振片的偏振角度正交，计算得到机器人充电时与充电桩之间的运动目标值，然后当机器人需要自主充电时，实时计算坐标偏差和角度偏差，由机器人根据坐标偏差和方向偏差自动移动，直到偏差消失。本发明基于IMU准确角度测量和偏振光三角定位方法，确定移动机器人与充电桩相对位置，通过采用两个角度正交的红外接收器，防止环境中热源和其他光源干扰，保证红外信号的稳定性和抗干扰性，进而实现机器人精准自动充。

Description

机器人自主定位充电桩的方法、系统和计算机存储介质
技术领域
本发明属于智能控制技术，具体涉及一种机器人自主定位充电桩的方法、系统和计算机存储介质。
背景技术
现代智能移动机器人普遍具备自动充电功能，当机器人完成任务或者剩余电量低于预设电量阈值时，就会自动移动至配套的充电桩进行充电。当机器人由于定位偏差导致无法充电时，会造成机器人电池过度放电而无法工作，所以对充电桩位置精准定位对于智能移动机器人非常重要。
现有充电桩定位方法主要有1.红外定位方法，误差较大，2.激光雷达测距定位方法，硬件成本较高，算法复杂，3.摄像头+二维码定位方法，误差较大，二维码需要维护。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种机器人自主定位充电桩的方法、系统和计算机存储介质。
技术方案：本发明的一种机器人自主定位充电桩的方法，包括以下步骤：
1）充电桩上的左右两侧分别安装360度的红外发射源，红外发射源的表面均包裹有偏振片，偏振片的偏振角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，机器人设有匀速旋转的电机，电机上安装有第一红外接收器和第二红外接收器，两个红外接收器在同一竖直方向上一上一下贴紧设置，且红外接收器不被遮挡，电机的角速度为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，第一红外接收器和第二红外接收器的表面从里向外依次包裹有偏振片和不透光材料，不透光材料上预设有对应宽度的竖直缝隙，机器人内部设有惯性测量单元IMU；第一红外接收器上的偏振片的偏振角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，第二红外接收器的偏振片的偏振角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE007
；
其中，不透光材料以及相互正交偏振片的设置，能够避免环境中其他光源和热源对信号的干扰；
2）、以充电桩上的两个红外发射源中点为坐标原点O(0,0)，建立笛卡尔坐标系XOY；两个红外发射源坐标分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，d为A、B与原点o的距离，手动控制机器人移动至充电桩位置，此时通过第一红外接收器和第二红外接收器的信号对比，当第一红外接收器接收到强信号，而第二红外接收器接收到极弱信号时，说明该位置接收到红外偏振光信号，然后记录第一红外接收器坐标C分别与两个红外发射源的坐标A以及B所构成的夹角分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，IMU测量角度
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，计算出此时第一红外接收器的坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，机器人的坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE021
则根据第一红外接收器在机器人上的安装位置和角度
Figure DEST_PATH_IMAGE022
确定，并以
Figure 278801DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure DEST_PATH_IMAGE023
作为机器人需要自动充电时运动的目标值；关系式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
Figure DEST_PATH_IMAGE027
Figure DEST_PATH_IMAGE029
Figure DEST_PATH_IMAGE031
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为第一红外接收器与机器人中心在机器人坐标系X’DY’下Y’方向差值，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为第一红外接收器与机器人中心在X’DY’坐标下X’方向差值；
上述过程中，由于两个红外接收器位置无限贴近相对重合。整个过程属于标定过程，先手动控制机器人到充电桩的位置，并且对接好；后续当机器人再需要自行充电时，就可以按照这个位置移动。
3）、当机器人完成任务或电量低于阈值时，则进入自动充电模式，在一定时间内随机移动，寻找充电桩的红外偏振信号；随机移动的过程能够保证机器人能够同时接收到两个红外发射源的信号，一旦满足上述条件（当第一红外接收器接收到强信号，而第二红外接收器接收到极弱信号时）就不在随机移动，而是有方向地移动。
4）、计算机器人实时坐标，计算机器人坐标偏差和角度偏差；
通过第一红外接收器接收红外偏振光的角度
Figure DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure DEST_PATH_IMAGE039
以及IMU预测出的机器人角度
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，计算出机器人的实时坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE043
和第一红外接收器实时坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE045
；
Figure DEST_PATH_IMAGE047
Figure DEST_PATH_IMAGE049
Figure DEST_PATH_IMAGE051
Figure DEST_PATH_IMAGE053
计算坐标偏差
Figure DEST_PATH_IMAGE055
和方向偏差
Figure DEST_PATH_IMAGE057
；
Figure DEST_PATH_IMAGE059
Figure DEST_PATH_IMAGE061
Figure DEST_PATH_IMAGE063
5）、机器人根据坐标偏差和方向偏差自动移动，重复步骤（4）和步骤（5），直到偏差消失。
由于现在大多数红外接收器产品都是45°接收，直接使用将严重影响a1和a2角度测量，所以需要对接收角度进行控制。为将接收角度控制在0.1°以内，提高测量精度，不透光材料上竖直缝隙宽度为w，不透光材料的材料厚度为b，材料厚度b与缝隙宽度w的关系满足
Figure DEST_PATH_IMAGE065
。
本发明还公开一种机器人自主定位充电桩的系统，包括充电桩和机器人，充电桩上的左右两侧分别安装360度的红外发射源，红外发射源的表面均包裹有偏振片，偏振片的偏振角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE066
，机器人设有匀速旋转的电机，电机上安装有第一红外接收器和第二红外接收器，两个红外接收器一上一下靠近设置，两个红外接收器的高度与红外发射源的高度相同，且红外接收器不被遮挡；所述第一红外接收器和第二红外接收器的表面从里向外依次包裹有偏振片和不透光材料，第一红外接收器上的偏振片的偏振角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE066A
，第二红外接收器上的偏振片的偏振角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE067
，不透光材料上预设有宽度为w的竖直缝隙；电机的角速度为
Figure DEST_PATH_IMAGE068
；机器人内部设有惯性测量单元IMU和运动控制器，运动控制器根据机器人的实时坐标偏差和方向偏差来控制机器人自动移动；其中，不透光材料的材料厚度为b，材料厚度b与缝隙宽度w的关系满足
Figure 306538DEST_PATH_IMAGE065
。
有益效果：本发明基于IMU准确角度测量和偏振光三角定位方法，确定移动机器人与充电桩相对位置，通过采用两个角度正交的红外接收器，防止环境中热源和其他光源干扰，保证红外信号的稳定性和抗干扰性，进而实现机器人精准自动充电。相比于传统红外方式定位充电桩，精度更高；相比于使用激光雷达与摄像机加二维码定位方法，成本更低，且计算量小。
附图说明
图1为本发明的整体工作流程示意图；
图2为实施例机器人与充电桩之间的坐标示意图；
图3为实施例中机器人偏差量自动移动原理示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，实施例的一种机器人自主定位充电桩的方法，包括以下步骤：
1）充电桩上的左右两侧分别安装360度的红外发射源，红外发射源的表面均包裹有偏振片，偏振片的偏振角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE066AA
，机器人设有匀速旋转的电机，电机上安装有第一红外接收器和第二红外接收器，两个红外接收器在同一竖直方向上一上一下贴紧设置，且红外接收器不被遮挡，电机的角速度为
Figure 984513DEST_PATH_IMAGE068
，第一红外接收器和第二红外接收器的表面从里向外依次包裹有偏振片和不透光材料，不透光材料上预设有对应宽度的竖直缝隙，机器人内部设有惯性测量单元IMU；第一红外接收器上的偏振片的偏振角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE066AAA
，第二红外接收器的偏振片的偏振角度为
Figure 573757DEST_PATH_IMAGE067
；
其中，不透光材料以及相互正交偏振片的设置，能够避免环境中其他光源和热源对信号的干扰；
为将接收角度控制在0.1°以内，提高测量精度，不透光材料上竖直缝隙宽度为w，不透光材料的材料厚度为b，材料厚度b与缝隙宽度w的关系满足
Figure 822336DEST_PATH_IMAGE065
。
2）、如图2所示，以充电桩上的两个红外发射源中点为坐标原点O(0,0)，建立笛卡尔坐标系XOY；两个红外发射源坐标分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE069
和
Figure DEST_PATH_IMAGE070
，d为A、B与原点o的距离，手动控制机器人移动至充电桩位置，通过第一红外接收器和第二红外接收器的信号对比，当第一红外接收器接收到强信号，而第二红外接收器接收到极弱信号时，说明该位置接收到红外偏振光信号，然后记录第一红外接收器坐标C分别与两个红外发射源的坐标A以及B所构成的夹角分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE071
和
Figure DEST_PATH_IMAGE072
，IMU测量角度
Figure DEST_PATH_IMAGE073
，计算出此时第一红外接收器的坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE074
，机器人的坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE075
则根据第一红外接收器在机器人上的安装位置和角度
Figure 607758DEST_PATH_IMAGE073
确定，并以
Figure 609081DEST_PATH_IMAGE073
和
Figure 962702DEST_PATH_IMAGE075
作为机器人需要自动充电时运动的目标值；关系式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE076
Figure DEST_PATH_IMAGE077
Figure DEST_PATH_IMAGE078
Figure DEST_PATH_IMAGE079
式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE080
为第一红外接收器与机器人中心在机器人坐标系X’DY’下Y’方向差值，
Figure DEST_PATH_IMAGE081
为第一红外接收器与机器人中心在X’DY’坐标下X’方向差值；
3）、当机器人完成任务或电量低于阈值时，则进入自动充电模式，在一定时间内随机移动，寻找充电桩的红外偏振信号；
4）、计算机器人实时坐标，计算机器人坐标偏差和角度偏差；
通过第一红外接收器接收红外偏振光的角度
Figure DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure DEST_PATH_IMAGE083
以及IMU预测出的机器人角度
Figure 823210DEST_PATH_IMAGE041
，计算出机器人的实时坐标
Figure DEST_PATH_IMAGE084
和第一红外接收器实时坐标
Figure 490952DEST_PATH_IMAGE045
；
Figure DEST_PATH_IMAGE085
Figure DEST_PATH_IMAGE086
Figure 81202DEST_PATH_IMAGE051
Figure 543408DEST_PATH_IMAGE053
计算坐标偏差
Figure 563316DEST_PATH_IMAGE055
和方向偏差
Figure 503590DEST_PATH_IMAGE057
；
Figure 292555DEST_PATH_IMAGE059
Figure 925661DEST_PATH_IMAGE061
Figure 619817DEST_PATH_IMAGE063
；
5）、如图3所示，机器人根据坐标偏差和方向偏差自动移动，重复步骤（4）和步骤（5），直到偏差消失。图3中，u是机器人的运动控制量。
实施例的一种机器人自主定位充电桩的系统，包括充电桩和机器人，充电桩上的左右两侧分别安装360度的红外发射源，红外发射源的表面均包裹有偏振片，偏振片的偏振角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE066AAAA
，机器人设有匀速旋转的电机，电机上安装有第一红外接收器和第二红外接收器，两个红外接收器一上一下靠近设置，两个红外接收器的高度与红外发射源的高度相同，且红外接收器不被遮挡；所述第一红外接收器和第二红外接收器的表面从里向外依次包裹有偏振片和不透光材料，第一红外接收器上的偏振片的偏振角度为
Figure DEST_PATH_IMAGE066AAAAA
，第二红外接收器上的偏振片的偏振角度为
Figure 363782DEST_PATH_IMAGE067
，不透光材料上预设有宽度为w（例如1mm）的竖直缝隙；所述电机的角速度为
Figure 210515DEST_PATH_IMAGE068
；所述机器人内部设有惯性测量单元IMU和运动控制器，运动控制器根据机器人的实时坐标偏差和方向偏差来控制机器人自动移动；其中，不透光材料的厚度为b，材料厚度b与缝隙宽度w的关系满足
Figure 811261DEST_PATH_IMAGE065
。
由于两个红外接收器上的偏振片的偏振角度正交，能够高效的防止其他光源或障碍物对信号的干扰；预先计算得到机器人正常充电时与充电桩之间的运动目标值，然后当机器人实际需要自主充电时，实时计算坐标偏差和角度偏差，由机器人根据坐标偏差和方向偏差自动移动，直到偏差消失，进而实现机器人精准自动充电。
实施例的一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有一种移动机器人自主定位充电桩的程序，执行该移动机器人自主定位充电桩的程序时实现上述移动机器人自主定位充电桩的方法。

Claims (2)

1.一种机器人自主定位充电桩的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）、充电桩上的左右两侧分别安装360度的红外发射源，红外发射源的表面均包裹有偏振片，偏振片的偏振角度为
Figure 499493DEST_PATH_IMAGE001
，机器人设有匀速旋转的电机，电机上安装有第一红外接收器和第二红外接收器，两个红外接收器在同一竖直方向上一上一下贴紧设置，且红外接收器不被遮挡，电机的角速度为
Figure 536719DEST_PATH_IMAGE002
，第一红外接收器和第二红外接收器的表面从里向外依次包裹有偏振片和不透光材料，不透光材料上预设有对应宽度的竖直缝隙，机器人内部设有惯性测量单元IMU；第一红外接收器上的偏振片的偏振角度为
Figure 752937DEST_PATH_IMAGE001
，第二红外接收器的偏振片的偏振角度为
Figure 776388DEST_PATH_IMAGE003
；
所述不透光材料上竖直缝隙宽度为w，不透光材料的材料厚度为b，材料厚度b与缝隙宽度w的关系满足
Figure 394451DEST_PATH_IMAGE004
；
2）、以充电桩上的两个红外发射源中点为坐标原点O(0,0)，建立笛卡尔坐标系XOY；两个红外发射源坐标分别为
Figure 602578DEST_PATH_IMAGE005
和
Figure 306092DEST_PATH_IMAGE006
，d为A、B与原点o的距离，手动控制机器人移动至充电桩位置，此时通过第一红外接收器和第二红外接收器的信号对比，当第一红外接收器接收到强信号，而第二红外接收器接收到极弱信号时，说明该位置接收到红外偏振光信号，然后记录第一红外接收器坐标C分别与两个红外发射源的坐标A以及B所构成的夹角分别为
Figure 116922DEST_PATH_IMAGE007
和
Figure 855071DEST_PATH_IMAGE008
，IMU测量角度
Figure 234100DEST_PATH_IMAGE009
，计算出此时第一红外接收器的坐标
Figure 565855DEST_PATH_IMAGE010
，机器人的坐标
Figure 790163DEST_PATH_IMAGE011
则根据第一红外接收器在机器人上的安装位置和角度
Figure 117239DEST_PATH_IMAGE012
确定，并以
Figure 667169DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 345275DEST_PATH_IMAGE014
作为机器人需要自动充电时运动的目标值；关系式如下：
Figure 763487DEST_PATH_IMAGE015
Figure 210649DEST_PATH_IMAGE016
Figure 665901DEST_PATH_IMAGE017
Figure 831303DEST_PATH_IMAGE018
式中，
Figure 538359DEST_PATH_IMAGE019
为第一红外接收器与机器人中心在机器人坐标系X’DY’下Y’方向差值，
Figure 371186DEST_PATH_IMAGE020
为第一红外接收器与机器人中心在X’DY’坐标下X’方向差值；
3）、当机器人完成任务或电量低于阈值时，则进入自动充电模式，在一定时间内随机移动，寻找充电桩的红外偏振信号；
4）、计算机器人实时坐标，计算机器人坐标偏差和角度偏差；
通过第一红外接收器接收红外偏振光的角度
Figure 997339DEST_PATH_IMAGE021
、
Figure 774671DEST_PATH_IMAGE022
以及IMU预测出的机器人角度
Figure 410052DEST_PATH_IMAGE023
，计算出机器人的实时坐标
Figure 566227DEST_PATH_IMAGE024
和第一红外接收器实时坐标
Figure 628861DEST_PATH_IMAGE025
；
Figure 378642DEST_PATH_IMAGE026
Figure 817714DEST_PATH_IMAGE027
Figure 93974DEST_PATH_IMAGE028
Figure 327510DEST_PATH_IMAGE029
计算坐标偏差
Figure 813855DEST_PATH_IMAGE030
和方向偏差
Figure 791038DEST_PATH_IMAGE031
；
Figure 921805DEST_PATH_IMAGE032
Figure 326241DEST_PATH_IMAGE033
Figure 50615DEST_PATH_IMAGE034
；
5）、机器人根据坐标偏差和方向偏差自动移动，重复步骤（4）和步骤（5），直到偏差消失。
2.一种计算机存储介质，其特征在于：所述计算机存储介质存储有一种移动机器人自主定位充电桩的程序，执行该移动机器人自主定位充电桩的程序时实现如权利要求1所述的机器人自主定位充电桩的方法。
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