CN111679671A - 一种机器人与充电桩自动对接的方法及其系统 - Google Patents

一种机器人与充电桩自动对接的方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机器人与充电桩自动对接的方法及其系统，其中方法包括以下步骤：获取充电桩上标志物的尺寸；根据标志物的尺寸确定标志物各个角点在世界坐标系下的坐标；根据相机成像确定标志物各个角点在像素坐标系下的坐标；计算世界坐标系到相机坐标系的变换矩阵；计算机器人相对充电桩的位姿；根据机器人相对充电桩的位姿规划机器人向充电桩移动的路径；该方法通过机器人本身自带的相机获取充电桩上的标志物信息，并根据相机成像原理获取机器人相对充电桩的位姿，最后利用机器人相对充电桩的位姿规划路径，不用对现有设备进行大规模的改装就能够实现机器人与充电桩的自动对接，大大的节约了时间成本和人力成本。

Description

一种机器人与充电桩自动对接的方法及其系统
技术领域
本发明涉及机器人充电领域，特别涉及一种能够实现机器人与充电桩之间自动对接的方法以及系统。
背景技术
现有的移动式的机器人一般都采用蓄电池供电，蓄电池有两种充电方式，一种是人工将机器人移动至充电桩处充电，另外一种是机器人与充电桩自动对接充电，人工移动机器人需要耗费人力物力，而且效率低下，所以现在大多数情况下都采用机器人与充电桩的自动对接，自动对接可以通过多种方式实现，例如红外线定位、距离传感器、GPS等等多种方式。
例如CN110829513A，公开日为2020年02月21日的中国发明申请公开了一种自移动设备、充电对接系统和充电对接方法。其中，充电对接系统包括充电站和自移动设备，充电站上设置有引导磁条，引导磁条用于产生磁场信号；自移动设备包括壳体、地磁检测模块、控制模块以及移动模块。其中，地磁检测模块包括至少一个地磁检测传感器，用于检测磁场信号；控制模块用于根据地磁场信号进行运算处理，并发出控制信号；移动模块用于根据控制信号带动自移动设备进行移动，以使自移动设备与充电站对接，并进行充电。该技术方案是通过磁场的方式进行定位，这种自动对接的方式都需要在现在的机器人以及充电桩的基础上增加额外装置，通过红外线定位需要增加红外线发生器以及红外线接收器，通过距离传感器需要增加专门的传感器，通过磁场定位需要增加磁力设备等等，这些需要增加大量的成本，而且需要对现有的设施进行大量的改造，耗时耗力，而且精度也不是很高。
发明内容
为了解决现有的机器人与充电桩自动对接需要对现有产品进行大量的改装，耗费成本的问题，本发明提供一种能够直接利用现有产品结构就能够实现机器人与充电桩自动对接的方法以及系统。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种机器人与充电桩自动对接的方法，包括以下步骤：步骤1：机器人通过相机获取充电桩上标志物的尺寸；步骤2：根据标志物的尺寸确定标志物各个角点在世界坐标系下的坐标；步骤3：根据相机成像确定标志物各个角点在像素坐标系下的坐标；步骤4：依据公式Pc＝Mint·Mext·Pw得出世界坐标系到相机坐标系的变换矩阵，式中Pc为标志物成像后各个角点在像素坐标系下的坐标，Mint为相机成像的内参矩阵，Mext为世界坐标系到相机坐标系的变换矩阵，Pw标志物各个角点在世界坐标系下的坐标；步骤5：对世界坐标系到相机坐标系的变换矩阵求逆矩阵得出机器人相对充电桩的位姿；步骤6：根据机器人相对充电桩的位姿，规划机器人向充电桩移动的路径，机器人沿着规划的路径移动到充电桩所在位置并完成对接。
在上述方法中，可选的，所述标志物为正方形的二维码。
在上述技术方案中，所述二维码中包含充电桩的编号信息、充电桩的尺寸信息以及该二维码的实际尺寸信息。
上述方法中，所述步骤5：根据机器人相对充电桩的位姿，规划机器人向充电桩移动的路径进一步包括：步骤501：将机器人当前位姿到充电桩之间的运动路线分为两段，分界点处于充电桩中轴线上；步骤502：以机器人当前位姿为起始位姿，以分界点正对充电桩的位姿为终止位姿，机器人沿该路径移动；步骤503：机器人到达分界点后，沿充电桩中轴线方向朝充电桩前进，最终以正对姿态与充电桩完成对接。
优选的，机器人到分界点的距离与分界点到充电桩的距离比为1:2-2:1。
该方法通过在充电桩上粘贴二维码，用机器人本身自带的相机获取二维码信息，并根据相机成像原理获取机器人相对充电桩的位姿，最后利用机器人相对充电桩的位姿规划路径，不用对现有设备进行大规模的改装就能够实现机器人与充电桩的自动对接，大大的节约了时间成本和人力成本。
另外，本发明还提供一种机器人与充电桩自动对接的系统，包括：充电桩，所述充电桩正面贴有标志物；以及安装有图像采集模块的机器人；以及图像处理模块，所述图像处理模块接收所述图像采集单元采集的图像并进行处理；以及控制模块，所述控制模块接收经过所述图像处理模块处理后的数据，根据该数据计算机器人相对充电桩的当前位姿，并根据机器人相对充电桩的当前位姿规划机器人向充电桩移动的路径。
在上述系统中，可选的，所述图像采集模块为摄像头。
在上述系统中，可选的，所述标志物为正方形的二维码。
在上述系统中，进一步的，所述二维码中包含充电桩的编号信息、充电桩的尺寸信息以及该二维码的实际尺寸信息。
附图说明
图1是本发明中机器人与充电桩自动对接的方法的流程图；
图2是本发明中机器人相对充电桩的位姿的计算原理图；
图3是本发明中机器人移动路径的规划方法的流程图；
图4是本发明中机器人移动的路径图；
图5是本发明中机器人与充电桩自动对接的系统图。
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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1和图2所示，本发明提供一种机器人与充电桩自动对接的方法，包括以下步骤：
S10：机器人通过相机获取充电桩上标志物的尺寸；在一些实施例中，标志物采用正方形的二维码，二维码粘贴在充电桩表面，二维码中包含了充电桩的编号信息，充电桩的尺寸信息以及该二维码的实际尺寸信息等等，相机为机器人本身自带的相机；
S20：确定标志物各个角点在世界坐标系下的坐标；具体的机器人的相机获取到二维码的信息后，根据二维码的尺寸确定二维码各个角点在世界坐标系下的坐标，记为Pw；
S30：根据相机成像确定二维码各个角点在像素坐标系下的坐标，记为Pc；
S40：计算世界坐标系到相机坐标系的变换矩阵，由于二维码本身四个角点在世界坐标系下的坐标Pw已知，二维码成像后四个角点在像素坐标系下的坐标Pc也已知，另外，由于相机成像的内参矩阵已知，为Mint，假设世界坐标系到相机坐标系的变换矩阵为Mext，依据相机成像原理可得出公式Pc＝Mint·Mext·Pw，从而得出世界坐标系到相机坐标系的变换矩阵Mext；
S50：计算机器人相对充电桩的位姿；具体的对世界坐标系到相机坐标系的变换矩阵Mext求逆矩阵得出机器人相对充电桩的位姿；
S60：规划机器人向充电桩移动的路径并完成对接；具体的根据机器人相对充电桩的位姿，规划机器人向充电桩移动的路径，机器人沿着规划的路径移动到充电桩所在位置并完成对接。
下面具体阐述路径规划以及机器人沿规划路径移动到充电桩的方法，如图3和图4所示；
S601：根据机器人当前相对充电桩的位姿信息，将机器人当前位姿到充电桩之间的运动路线分为两段，分界点处于充电桩中轴线上；在一些实施例中，机器人到分界点的距离与分界点到充电桩的距离比为1:2-2:1；
S602：以机器人当前位姿为起始位姿，以分界点正对充电桩的位姿为终止位姿，机器人沿该路径移动；机器人移动到分界点之后再做进一步的调整，要使得机器人的充电接口正对充电桩的充电接口；
S603：机器人到达分界点后，沿充电桩中轴线方向朝充电桩前进，最终以正对姿态与充电桩完成对接，在此过程中，作为可选的实施方式，可以通过控制模块以机器人偏离充电桩中轴线的距离为误差，利用PID控制算法，控制机器人沿中轴线前进，这样能够大大提高对接的精度。
该方法通过在充电桩上粘贴二维码，用机器人本身自带的相机获取二维码信息，并根据相机成像原理获取机器人相对充电桩的位姿，最后利用机器人相对充电桩的位姿规划路径，不用对现有设备进行大规模的改装就能够实现机器人与充电桩的自动对接，大大的节约了时间成本和人力成本。
在一些实施例中，本发明还提供一种机器人与充电桩自动对接的系统，如图5所示，该系统包括：
充电桩100，所述充电桩正面贴有标志物；在本实施例中，该标志物采用正方形的二维码，二维码粘贴在充电桩表面，二维码中包含了充电桩的编号信息，充电桩的尺寸信息以及该二维码的实际尺寸信息等等；
还包括机器人200，机器人200安装有图像采集模块300；图像采集模块一般采用相机；
图像处理模块400，所述图像处理模块400接收所述图像采集单元采集的图像并进行处理，图像处理模块一般情况机器人本身自带有该模块，当然，如果机器人没有带有该模块也可以作为另外的模块设置于本系统中；
还控制模块500，为了节约成本，控制模块500采用机器人本身自带的控制模块，所述控制模块500接收经过所述图像处理模块400处理后的数据，根据该数据计算机器人相对充电桩的当前位姿，并根据机器人相对充电桩的当前位姿规划机器人向充电桩移动的路径，具体的方法参照上述机器人与充电桩自动对接的方法，在此不再赘述。
同样的，该系统只需要在充电桩上粘贴有二维码就能够实现对现有机器人与充电桩对接的改造，实现机器人与充电桩的自动对接，节约成本。
以上所述仅为本发明的实施方式，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效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种机器人与充电桩自动对接的方法，其特征在于：
机器人通过相机获取充电桩上标志物的尺寸；
根据标志物的尺寸确定标志物各个角点在世界坐标系下的坐标；
根据相机成像确定标志物各个角点在像素坐标系下的坐标；
依据公式Pc＝Mint·Mext·Pw得出世界坐标系到相机坐标系的变换矩阵，式中Pc为标志物成像后各个角点在像素坐标系下的坐标，Mint为相机成像的内参矩阵，Mext为世界坐标系到相机坐标系的变换矩阵，Pw为标志物各个角点在世界坐标系下的坐标；
对世界坐标系到相机坐标系的变换矩阵求逆矩阵得出机器人相对充电桩的位姿；
根据机器人相对充电桩的位姿，规划机器人向充电桩移动的路径，机器人沿着规划的路径移动到充电桩所在位置并完成对接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述标志物为正方形的二维码。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述二维码中包含充电桩的编号信息、充电桩的尺寸信息以及该二维码的实际尺寸信息。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据机器人相对充电桩的位姿，规划机器人向充电桩移动的路径进一步包括：
将机器人当前位姿到充电桩之间的运动路线分为两段，分界点处于充电桩中轴线上；
以机器人当前位姿为起始位姿，以分界点正对充电桩的位姿为终止位姿，机器人沿该路径移动；
机器人到达分界点后，沿充电桩中轴线方向朝充电桩前进，最终以正对姿态与充电桩完成对接。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：机器人到分界点的距离与分界点到充电桩的距离比为1:2-2:1。
6.一种机器人与充电桩自动对接的系统，其特征在于，包括：
充电桩，所述充电桩正面贴有标志物；以及
安装有图像采集模块的机器人；以及
图像处理模块，所述图像处理模块接收所述图像采集单元采集的图像并进行处理；以及
控制模块，所述控制模块接收经过所述图像处理模块处理后的数据，根据该数据计算机器人相对充电桩的当前位姿，并根据机器人相对充电桩的当前位姿规划机器人向充电桩移动的路径。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述图像采集模块为摄像头。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述标志物为正方形的二维码。
9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述二维码中包含充电桩的编号信息、充电桩的尺寸信息以及该二维码的实际尺寸信息。
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