CN112821489A - 一种机器人自主充电装置及其自主充电的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机器人自主充电装置及其自主充电的方法，所述装置包括：机器人和无线充电装置。所述方法包括(1)机器人通过电源状态反馈模块检测电池剩余电量；当检测到所述电池剩余电量低于返航充电阈值时，机器人中断当前任务，记录中断点，返回充电原点；(2)激光雷达通过搜索特征反光面，根据特征反光面的特征数据锁定无线充电装置；(3)机器人到达充电原点后，切换到位姿调整模式，通过位姿调整使机器人无线充电受电端与充电桩输电端正对贴合，然后开启充电。此方法通过充电桩特征数据分析处理为机器人快速精准地提供充电桩相对位置信息、为实现自主充电提供定位保障。
Description
技术领域
本发明属于移动机器人领域，特别涉及一种机器人自主充电装置及其自主充电的方法。
背景技术
随着技术的不断进步，移动机器人在简单的重复性工作场景中使用越来越常见，包括扫地机器人、巡检机器人、物流机器人等。移动机器人的一个重要特征是以自身携带的锂电池供电，由于未实时连接充电电源，机器人需要在电量不足时连接电源进行充电。因此，精确自主的充电功能成为移动机器人必不可少的技术。
激光导航定位技术是当前移动机器人导航定位的一种重要定位方式。激光导航定位技术摆脱了轨道限制，在节省成本的同时，机器人能够灵活地调整行走线路。但基于激光的构图和导航定位技术的定位精确度无法保证充电装置输电设备和受电设备准确对接，无法确保充电成功，因此，在自主充电过程中往往需要更加精确的定位方式。
基于激光导航定位的移动机器人定位精度无法保证充电装置输电设备和受电设备准确对接，无法确保充电成功。当前基于激光定位的移动机器人自主充电技术主要有轨道导入、红外阵列引导和激光扫描环境特征等。轨道导入需要铺设轨道，红外阵列需要红外发射和接收设备，激光扫描充电屋环境需要充电屋参数等环境特征数据为基础。
上述技术要么需要额外部件、技术，要么需要周围环境特征数据为实现基础，且对配备的环境质量要求高，甚至需要根据实际施工质量测量外部环境参数。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种机器人自主充电装置及其自主充电的方法，此方法通过充电桩特征数据分析处理为机器人快速精准地提供充电桩相对位置信息、为实现自主充电提供定位保障。
一种机器人自主充电装置，
所述机器人自主充电装置包括：机器人和无线充电装置；
所述机器人上安装有激光雷达、储能电池系统、运动控制系统、无线通信设备和无线充电受电端；
所述无线充电装置包括充电桩和充电控制设备；
所述充电桩包括输电端、特征反光面和电源转换模块；
所述充电控制设备包括控制模块和通信模块。
进一步地，
所述激光雷达为单线雷达，水平安装，从起始角到终止角，以角分辨率递增扫描周边环境，扫描的每帧数据为扫描范围内的一个平面的距离值和反光信号强度。
进一步地，
所述储能电池系统包括储能电池和电源状态反馈模块，电源状态反馈模块反馈信息包括电池当前剩余电量和充放电状态数据。
进一步地，
所述无线充电受电端安装在机器人正前方，与充电桩输电端中心同高。
进一步地，
所述特征反光面的横向中间段采用高反光的激光反光贴；所述特征反光面的横向两端采用涂黑磨砂处理。
进一步地，
所述特征反光面的安装高度中线与机器人激光雷达扫描平面同高。
本发明还提供一种机器人自主充电的方法，所述方法包括：
(1)机器人通过电源状态反馈模块检测电池剩余电量；当检测到所述电池剩余电量低于返航充电阈值时，机器人中断当前任务，记录中断点，返回充电原点；
(2)所述激光雷达通过搜索特征反光面，根据特征反光面的特征数据锁定无线充电装置；
(3)机器人到达充电原点后，切换到位姿调整模式，通过位姿调整使机器人的无线充电受电端与充电桩输电端正对贴合，然后开启充电。
进一步地，
所述位姿调整模式包括：
S1.所述机器人用激光扫描特征反光面数据，计算Δθ，Δx，Δy；
其中，Δθ为当前位姿与充电原点位姿的方位角误差；
Δx为当前位姿与充电原点位姿的x方向误差；
Δy为当前位姿与充电原点位姿的y方向误差；
S2.调整位姿，调整Δθ，Δx，Δy；
S3.重复步骤S1和S2，缩小Δθ，Δx，Δy的范围；
S4.向充电桩移动固定距离D；
S5.机器人发送充电请求；
S6.机器人接收反馈信息，如果满足充电条件，则等待充电完成，如不满足充电条件则后退固定距离D，重复S3-S6；
S7.电量超过停止充电阈值，机器人请求停止充电，然后退固定距离D，到达充电原点；
S8.机器人返回任务中断点，继续执行未完成任务。
进一步地，
所述S2中通过所述运动控制系统控制机器人本体位姿，进而调整缩小Δθ，Δx，Δy的范围。
进一步地，
所述S3中将所述机器人位姿差异Δθ调整为-0.3°～0.3°；
将所述机器人位姿差异Δx调整为-0.5cm～0.5cm；
将所述机器人位姿差异Δy调整为-0.5cm～0.5cm。
进一步地，
所述S5和S6中机器人通过无线通信设备向充电控制设备发送充电请求，充电控制设备检验是否满足充电条件，并将结果反馈给机器人，机器人接收所述充电控制设备反馈信息。
进一步地，
所述S7中机器人通过通过所述无线通信设备发送停止充电请求，充电控制设备检验是否满足停止充电条件，并将结果反馈给机器人，机器人接收所述充电控制设备反馈信息。
本发明具有如下优点：
(1)基于激光导航定位的移动机器人定位无需额外部件、技术或者周边环境数据，仅机器人本体(需要运用其导航所用的激光设备)和带激光反射特征结构的充电座即可快速准确定位充电装置位置并控制机器人完成自主充电；
(2)通过安装充电桩结构，分析处理充电桩特征数据，为机器人快速精准地提供充电桩相对位置信息、为实现自主充电提供定位保障；
(3)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。
(4)机器人借助于自带的激光雷达搜索特征反光面，根据充电桩反光面特征数据锁定无线充电装置。由于充电桩表面贴有高反光的激光反光贴，激光反光贴的反射率远高于常见物体的反射率，因此，可以处理激光反射数据，以反射率高于预设反射率的激光反射点作为目标激光反射点，根据目标激光反射点的位置确定无线充电装置的位置，控制机器人移动至无线充电装置的位置进行充电，通过激光进行定位可以提高无线充电装置定位的准确性，提高探测距离，减小强光的干扰，识别准确率高，解决了现有的自动回充技术的稳定性差，容易被干扰的问题。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例的机器人装置；
图2示出了根据本发明实施例的无线充电装置；
图3示出了根据本发明实施例的机器人位姿坐标系；
图4示出了根据本发明实施例的激光扫描特征反光面几何表示图。
图中：11-激光雷达、12-储能电池系统、13-运动控制系统、14-无线通信设备、15-无线充电受电端、21-充电桩、22-充电控制设备、211-输电端、212-特征反光面、213-电源转换模块、221-控制模块和222-通信模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地说明，显然，所描述的实施例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。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1示出了根据本发明实施例的机器人装置，图2示出了根据本发明实施例的无线充电装置，结合图1和图2，一种机器人自主充电装置，
机器人自主充电装置包括：机器人和无线充电装置；
机器人上安装有激光雷达11、储能电池系统12、运动控制系统13、无线通信设备14和无线充电受电端15；
无线充电装置包括充电桩21和充电控制设备22。
进一步地，
充电桩21包括输电端211、特征反光面212和电源转换模块213；
充电控制设备22包括控制模块221和通信模块222。
进一步地，
激光雷达11为单线雷达，水平安装，从起始角到终止角，以角分辨率递增扫描周边环境，扫描的每帧数据为扫描范围内的一个平面的距离值和反光信号强度；
具体地，
每帧数据内包含每个扫描点位的序号、接收到的激光返回信号强度信息、距离信息；可根据序号确定每条激光线束的角度，该角度是以激光中心轴为原点、以初始扫描位置为起始的极坐标系中的角度，根据距离信息确定该角度下障碍物的距离。
进一步地，
储能电池系统12包括储能电池和电源状态反馈模块，电源状态反馈模块反馈信息包括电池当前剩余电量和充放电状态数据。
进一步地，
无线充电受电端15安装在机器人前方，与充电桩输电端211中心同高。
进一步地，
特征反光面212的横向中间段采用高反光的激光反光贴；特征反光面212的横向两端采用涂黑磨砂处理。
激光反光贴的反射率远高于常见物体的反射率，因此，可以处理激光反射数据，以反射率高于预设反射率的激光反射点作为目标激光反射点，根据目标激光反射点的位置确定无线充电装置的位置，控制机器人移动至无线充电装置的位置进行充电。
进一步地，
特征反光面212的安装高度中线与机器人激光雷达11扫描平面同高。
因为特征反光面212用于为机器人激光器返回充电桩21位置特征数据，以便机器人确定自身与充电桩21相对位姿。
具体地，
结合图3所示的机器人位姿坐标系，
机器人坐标系采用右手坐标系，机器人位姿包括位置和姿态，位置用x，y坐标表示，姿态用围绕z轴旋转的方位角表示。
在无线充电装置输电端211方向距离D处设置充电原点。
机器人正常充电位姿设置为(x0,y0,θ0)，则其在充电原点进行位姿调整的目标位姿为(x0-D,y0,θ0)。
进一步地，
本发明还提供一种机器人自主充电的方法，方法包括：
(1)机器人通过电源状态反馈模块检测电池剩余电量；当检测到电池剩余电量低于返航充电阈值时，机器人中断当前任务，记录中断点，返回充电原点；
(2)激光雷达11通过搜索特征反光面212，根据特征反光面212的特征数据锁定无线充电装置；
(3)机器人到达充电原点后，切换到位姿调整模式，通过位姿调整使机器人的无线充电受电端15与充电桩21的输电端211正对贴合，然后开启充电。
进一步地，
位姿调整模式包括：
S1.机器人用激光扫描特征反光面212数据，计算Δθ，Δx，Δy；
具体地，
S1中以特征反光面212数据计算Δθ，Δx，Δy；
其中，Δθ为当前位姿与充电原点位姿的方位角误差；
Δx为当前位姿与充电原点位姿的x方向误差；
Δy为当前位姿与充电原点位姿的y方向误差。
机器人借助于自带的激光雷达11搜索特征反光面212，根据充电桩21的特征反光面212数据锁定无线充电装置的位置；进一步根据扫描数据计算机器人与其在无线充电装置进行位姿调整的目标位姿的偏差Δθ,Δx,Δy。
具体计算方法为：
1)锁定无线充电装置位置
如图4所示，B为激光雷达11中心，DE为特征反光面212。激光雷达11扫描到充电桩21高反光贴覆盖的部分AC时返回光束的RSSI值(接收的信号强度指示)较高，扫描到采用涂黑磨砂处理的两端CD、AE时返回光束的RSSI值较低。
根据数据段内RSSI落差阈值E1，提取特征反光面212数据，获取特征反光面212初始距离BA(c)、终止距离BC(a)，并根据BA、BC序号I1、I2和激光雷达11的角分辨率f计算两条线段的夹角∠ABC(∠β)，∠β＝(I2-I1)×f。
然后利用余弦定理计算激光反光贴AC(b)长度：
计算所得长度b与实际激光反光贴长度X1对比，在阈值范围内X1±E2，E2是计算所得AC长度X1的误差阈值，则锁定无线充电装置位置成功。
2)计算位姿偏差Δθ,Δx,Δy
计算Δθ：
根据激光雷达11到已知线段两端距离计算与线段所在直线的垂线的线束序号，确定自身姿态角偏差Δθ。BF为机器人正前方激光线束，序号I3,已知线束BA序号I1。
根据已知的边BC(a)，AB(c)，AC(b)计算∠BAC(∠α),
进一步计算∠ABO，∠ABO＝90°-∠α，∠ABO取值范围为±90°；
再进一步根据激光的角分辨率f，计算垂直于线段AC所在直线的线束BO的序号
由此序号计算该垂直线BO与激光雷达11正前方线束BF的角度差Δθ＝(I3-i)×f。
计算Δx：
根据激光雷达11与特征反光面212的垂直距离计算Δx。激光雷达距特征反光面212距离为BO(h)，h＝c×sinα或者h＝a×sinγ，则Δx＝h-D，D为充电装置输电端211方向与无线充电装置的距离，此处D应足够大，确保机器人不会因为定位误差行驶到特征反光面212的另一侧。
计算Δy：
激光雷达11与特征反光面212的AC中垂线的距离即Δy。
其中，∠ABO＝(I1-i)×f，∠CBO＝(I2-i)×f，i为计算所得垂直于线段AC所在直线的线束BO的序号，即∠ABO，∠CBO取值范围为-90°～90°。
进一步地，
S2.调整位姿，调整Δθ，Δx，Δy；
具体地，
S2中通过运动控制系统13控制机器人本体位姿，进而调整缩小Δθ，Δx，Δy的范围。
S3.重复步骤S1和S2，缩小Δθ，Δx，Δy的范围；
具体地，
S3中将机器人位姿差异Δθ调整为-0.3°～0.3°；
将机器人位姿差异Δx调整为-0.5cm～0.5cm；
将机器人位姿差异Δy调整为-0.5cm～0.5cm。
进一步地，
S4.向充电桩21移动固定距离D；
S5.机器人发送充电请求；
S6.机器人接收反馈信息，如果满足充电条件，则等待充电完成，如不满足充电条件则后退固定距离D，重复S3-S6
具体地，
S5和S6中机器人通过无线通信设备14向充电控制设备22发送充电请求，充电控制设备22检验是否满足充电条件，并将结果反馈给机器人，机器人接收充电控制设备22反馈信息。
进一步地，
S7.电量超过停止充电阈值，机器人请求停止充电，然后后退固定距离D，到达充电原点；
具体地，
S7中机器人通过通过无线通信设备14发送停止充电请求，充电控制设备22检验是否满足停止充电条件，并将结果反馈给机器人，机器人接收充电控制设备22反馈信息。
进一步地，
S8.机器人返回任务中断点，继续执行未完成任务。
本发明利用机器人上搭载的激光扫描传感器，对充电环境进行扫描，然后通过提取特征反光面212数据获取机器人本体与充电桩21之间的相对位姿信息，实现对自身的定位，机器人再根据充电桩21的位置信息做出相应的运动，从而实现自主充电。本发明灵活安排充电桩21位置，将机器人无线充电装置位置设置在充电桩21前即可实现自主充电。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (12)
1.一种机器人自主充电装置，其特征在于，
所述机器人自主充电装置包括：机器人和无线充电装置；
所述机器人上安装有激光雷达(11)、储能电池系统(12)、运动控制系统(13)、无线通信设备(14)和无线充电受电端(15)；
所述无线充电装置包括充电桩(21)和充电控制设备(22)；
所述充电桩(21)包括输电端(211)、特征反光面(212)和电源转换模块(213)；
所述充电控制设备(22)包括控制模块(221)和通信模块(222)。
2.根据权利要求1所述的机器人自主充电装置，其特征在于，
所述激光雷达(11)为单线雷达，水平安装，从起始角到终止角，以角分辨率递增扫描周边环境，扫描的每帧数据为扫描范围内的一个平面的距离值和反光信号强度。
3.根据权利要求1所述的机器人自主充电装置，其特征在于，
所述储能电池系统(12)包括储能电池和电源状态反馈模块，电源状态反馈模块反馈信息包括电池当前剩余电量和充放电状态数据。
4.根据权利要求1所述的机器人自主充电装置，其特征在于，
所述无线充电受电端(15)安装在机器人正前方，与充电桩输电端(211)中心同高。
5.根据权利要求1所述的机器人自主充电装置，其特征在于，
所述特征反光面(212)的横向中间段采用高反光的激光反光贴；所述特征反光面(212)的横向两端采用涂黑磨砂处理。
6.根据权利要求5所述的机器人自主充电装置，其特征在于，
所述特征反光面(212)的安装高度中线与机器人激光雷达(11)扫描平面同高。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的机器人自主充装置进行自主充电的方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)机器人通过电源状态反馈模块检测电池剩余电量；当检测到所述电池剩余电量低于返航充电阈值时，机器人中断当前任务，记录中断点，返回充电原点；
(2)所述激光雷达(11)通过搜索特征反光面(212)，根据特征反光面(212)的特征数据锁定无线充电装置；
(3)机器人到达充电原点后，切换到位姿调整模式，通过位姿调整使机器人的无线充电受电端与充电桩(21)的输电端(211)正对贴合，然后开启充电。
8.根据权利要求7所述的机器人自主充电激光寻位方法，其特征在于，
所述位姿调整模式包括：
S1.所述机器人用激光扫描特征反光面(212)数据，计算Δθ，Δx，Δy；
其中，Δθ为当前位姿与充电原点位姿的方位角误差；
Δx为当前位姿与充电原点位姿的x方向误差；
Δy为当前位姿与充电原点位姿的y方向误差；
S2.调整位姿，调整Δθ，Δx，Δy；
S3.重复步骤S1和S2，缩小Δθ，Δx，Δy的范围；
S4.向充电桩移动固定距离D；
S5.机器人发送充电请求；
S6.机器人接收反馈信息，如果满足充电条件，则等待充电完成，如不满足充电条件则后退固定距离D，重复S3-S6；
S7.电量超过停止充电阈值，机器人请求停止充电，然后退固定距离D，到达充电原点；
S8.机器人返回任务中断点，继续执行未完成任务。
9.根据权利要求8所述的机器人自主充电激光寻位方法，其特征在于，
所述S2中通过所述运动控制系统(13)控制机器人本体位姿，进而调整缩小Δθ，Δx，Δy的范围。
10.根据权利要求9所述的机器人自主充电激光寻位方法，其特征在于，
所述S3中将所述机器人位姿差异Δθ调整为-0.3°～0.3°；
将所述机器人位姿差异Δx调整为-0.5cm～0.5cm；
将所述机器人位姿差异Δy调整为-0.5cm～0.5cm。
11.根据权利要求10所述的机器人自主充电激光寻位方法，其特征在于，
所述S5和S6中机器人通过无线通信设备(14)向充电控制设备(22)发送充电请求，充电控制设备(22)检验是否满足充电条件，并将结果反馈给机器人，机器人接收所述充电控制设备(22)反馈信息。
12.根据权利要求11所述的机器人自主充电激光寻位方法，其特征在于，
所述S7中机器人通过通过所述无线通信设备(14)发送停止充电请求，充电控制设备(22)检验是否满足停止充电条件，并将结果反馈给机器人，机器人接收所述充电控制设备(22)反馈信息。
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