CN112947441A - 一种机器人和充电座自动对接充电的控制方法 - Google Patents

一种机器人和充电座自动对接充电的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了机器人和充电座自动对接的控制方法，机器人和充电座自动对接包括以下步骤：初步搜索充电座位置；根据机器人距离充电座的远近，判断机器人是否需要运行到充电参考点位置，运行到充电参考点位置后，再精确搜索充电座位置；计算机器人转到背对充电座的角度并控制机器人转动到背对充电座。本发明机器人通过初步搜索充电座位置和精确搜索充电座位置，确定充电座的位置范围，计算机器人转到背对充电座的角度并控制机器人转动到背对充电座，确定充电座的具体位置，就可以实现机器人和充电座的精确自动对接和充电，从而提高了充电座的搜寻效率。

Description

一种机器人和充电座自动对接充电的控制方法
技术领域
本发明涉及机器人无线充电技术领域，更具体地，涉及一种机器人和充电座自动对接充电的控制方法。
背景技术
近年来，随着计算机智能控制技术和传感器技术的不断发展，服务机器人被越来越广泛地应用在人们的生活中，如扫地机器人、商场导购机器人、餐饮服务机器人等。由于市场上服务机器人基本都是由电池提供动力，当机器人电量耗尽时，需要人们把机器人移动到充电场所进行充电。人工干预充电方式不仅浪费人力时间，也导致机器人工作时间受限，降低了机器人的自主性和智能化。
现有技术的机器人通常使用检测红外信号实现机器人自动对接充电座进行充电，该充电方法需要在充电座上安装至少2个红外发射管，与之对应的，机器人上需要安装红外接收传感器。该充电方法需要在机器人上设置需要额外的结构设计并安装较多传感器，而且对接精度不高。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中所存在的技术问题，从而提供一种机器人和充电座自动对接充电的控制方法；该方法不需要在充电座上额外安装其它传感器，只要充电座在激光雷达扫描高度区域上设计为特定的形状，就可以实现机器人和充电座的精确自动对接和充电。本发明的机器人自动充电技术可以减少人工投入，很大程度上提高机器人的智能化程度和体验感。
为实现上述目的，本发明提供了一种机器人和充电座自动对接充电的控制方法，所述机器人具有可360°旋转的底盘，所述底盘上固定安装有激光雷达，所述激光雷达发射激光束对周围环境中的障碍物进行探测，以获得与障碍物相关的激光雷达数据；所述充电座的前面板上开设有向内凹进的左凹槽和右凹槽，所述左凹槽和右凹槽对称设置在所述充电座的两侧，所述左凹槽和右凹槽的高度均与所述激光雷达的扫描高度平齐设置，所述左凹槽、右凹槽以及位于所述左凹槽和右凹槽之间的中间面板共同形成充电座特征；所述控制方法包括以下步骤：
S1、初步搜索充电座的特征：判断机器人是否搜索到充电座的特征，如果机器人搜索到充电座的特征，则执行步骤S2；如果机器人未搜索到充电座的特征，则控制机器人底盘旋转一定角度后再次搜索充电座的特征；
S2、计算充电座的初步位置：判断充电座位置的远近，如果机器人充电座距离机器人的位置近，则执行步骤S3；如果机器人充电座距离机器人的位置远，则控制机器人运行到充电座前方的充电参考点C，判断机器人到达参考点C后，则执行步骤S3；
S3、计算机器人转到背对充电座的角度并控制机器人转动到背对充电座，执行以下循环：
3.1、根据步骤S2中的充电座精确位置搜索方法，获取充电座的左特征点L和右特征点R；所述左凹槽与中间面板的交线为左特征线，所述左特征点L为激光雷达发射的激光束与左特征线的交点，所述右凹槽与中间面板的交线为右特征线，所述右特征点R为激光雷达发射的激光束与右特征线的交点；
3.2、计算当前机器人相对充电座的偏差角度ΔA，设定机器人后退速度为V1，角度调整基数为B，角度调整最大速度值为Vmax，机器人实时角度调整值V＝ΔA/B×Vmax，得到机器人控制参数(V1，V)，并根据机器人控制参数控制机器人运行；
3.3、计算机器人当前离充电座的距离
Figure BDA0002937446750000021
如果距离D小于设定值，则机器人到达设定的充电位置，如果距离D大于设定值，则重复循环步骤3.1；其中，l3为线段PL的长度，l4为线段PR的长度，l5为线段LR的长度。
进一步的，所述步骤S1中初步搜索充电座特征的算法具体如下：
1.1、读取一帧激光雷达数据，将所有扫描到的激光雷达数据点保存到激光雷达数据点Data数组中，激光雷达数据点的数据包括扫描距离和扫描角度；
1.2、先使用自适应变阈值分割方法确认分割阈值，定义分割阈值线性函数Div＝f(D)，以确定不同激光雷达数据点的分割阈值；再计算相邻两个激光雷达数据点La和Lb的距离差值为Δd，如果Δd>Div，则该两个激光雷达数据点La和Lb为不同区域；最后把一帧激光雷达数据分割成N个区块，分割的区块表示为Ri，每一个区块包含Gi个点，i＝1，2，......，N；
1.3、遍历分割区块Ri，如果某一区块中的激光雷达数据点小于3个，则认为该区块为噪声点，舍弃这个区块；接着检测区块内的激光雷达数据点是否符合充电座数据点特征，遍历区块内的所有激光雷达数据点，计算相邻两个激光雷达数据点La和Lb是否符合充电座的开槽深度叠加误差阈值，计算出匹配的激光雷达数据点的数量M，该区块的激光雷达数据点的数量为Na，匹配率P＝M/Na；
1.4、对所有分割区块Ri按照匹配率由高到底进行排序，设匹配率最高的区块为充电座所在的位置，根据余弦定理和区块的首尾激光雷达数据点，计算出区块的直线长度
Figure BDA0002937446750000031
其中，l1为区块左激光雷达数据点扫描距离，l2为区块右激光雷达数据点扫描距离，θ为左右激光雷达数据点之间的角度差；检验区块的长度是否符合充电座区块设定值叠加误差值，循环进行区块的直线长度计算，直到找到同时满足区块校验长度和匹配率最高的充电座区块；
1.5、计算充电座所在区块的中心点坐标Pa，根据Pa坐标最终得到充电座与机器人的相对距离Dc和方位角Da。
进一步的，所述步骤S2中精确搜索充电座位置的算法如下：
2.1、读取一帧激光雷达数据，将所有扫描到的激光雷达数据点保存到激光雷达数据点Data数组中，激光雷达数据点的数据包括扫描距离和扫描角度；
2.2、设置一个近距扫描参数值，遍历激光雷达数据点Data数组中激光雷达数据点，过滤掉无效数据和超出扫描范围的激光雷达数据点；
2.3、遍历过滤后的激光雷达数据点Data数组，计算两点之间的差值Δd，当Δd超过直线特征阈值时，根据充电座特征，从激光雷达数据点Data数组中找出与充电座激光数据模型相符的连续激光雷达数据点，先定位出充电座特征的上升沿和下降沿数据点，最终得到充电座中间面板的左特征点和右特征点；一个完整的所述充电座特征从左到右依次包括左面板、左内凹沿、左凹槽内壁板、左返回沿、中间面板、右内凹沿、右凹槽内壁板、右返回沿以及右面板；
2.4、根据充电座中间面板的左特征点和右特征点数据，判断机器人处于充电座垂直中线的左侧还是右侧，当线段PL的长度大于线段PR的长度时，机器人位于充电座中线的右侧，反之在左侧；已知∠LPR的角度和线段PL、线段PR的长度，根据余弦定理和三角函数，计算出∠POV的角度，并判断机器人是否处于直接对接充电区，当∠POV小于20°时，机器人可以直接开始后退对接充电座；当∠POV大于等于20°时，先要控制机器人运行到充电参考点C；
2.5、如果机器人不在直接对接充电区，机器人所在点的坐标为P(x，y)，机器人的运行方向为向量PC，计算向量PC在激光雷达坐标系中的角度和模长度|PC|，将向量PC在激光雷达坐标系上的角度转换为里程坐标系上的角度β，机器人先转动角度β，再前进|PC|距离，到达充电参考点C。
进一步的，所述充电座开设左凹槽和右凹槽的区域使用反光率>80％的非镜面材料，开槽区域外部覆盖的透明保护膜为红外高透材料。
进一步的，所述充电座的前面板上设有充电电极，所述充电电极安装有限位光栅传感器。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明的一种机器人和充电座自动对接的控制方法，在充电座上设置开槽区域，开槽区域的高度与机器人的底盘激光雷达的扫描高度位置对齐，机器人底盘上的激光雷达通过识别充电座上的开槽位置和深度信息来实现充电座搜索和自动对接，机器人通过初步搜索充电座位置和精确搜索充电座位置，确定充电座的位置范围，计算机器人转到背对充电座的角度并控制机器人转动到背对充电座，确定充电座的具体位置，就可以实现机器人和充电座的精确自动对接和充电，从而提高了充电座的搜寻效率。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明一种机器人和充电座自动对接的控制方法中充电座和机器人配合的几何示意图；图中的充电座为俯视角度的示意图。
图2是本发明中机器人与充电座自动对接充电的控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
请参见图1，本发明实施例提供的一种机器人和充电座自动对接的控制方法，机器人具有可360°旋转的底盘，底盘上固定安装有激光雷达，激光雷达发射激光束对周围环境中的障碍物进行探测，以获得与障碍物相关的激光雷达数据。充电座1的前面板上开设有向内凹进的左凹槽1.1和右凹槽1.2，左凹槽和右凹槽对称设置在充电座的两侧，左凹槽和右凹槽的高度均与激光雷达的扫描高度平齐设置，左凹槽、右凹槽以及位于左凹槽和右凹槽之间的中间面板1.3共同形成充电座特征。该结构设置中，左凹槽和右凹槽的开槽高度不能太小，避免地面不平或充电座放置不平时激光雷达超出扫描区域。激光雷达通过识别充电座上的开槽位置和深度信息来实现充电座搜索和自动对接，充电座开槽区域应使用反光率>80％的非镜面材料，开槽区域外部覆盖的透明保护膜为785nm红外波段的红外高透材料。
本发明实施例中机器人和充电座自动对接，机器人和充电座自动对接的控制方法包括以下步骤：
S1、初步搜索充电座的特征：判断机器人是否搜索到充电座的特征，如果机器人搜索到充电座的特征，则执行步骤S2；如果机器人未搜索到充电座的特征，则控制机器人底盘旋转一定角度后再次搜索充电座的特征；初步搜索充电座特征的算法具体如下：
1.1、读取一帧激光雷达数据，将所有扫描到的激光雷达数据点保存到激光雷达数据点Data数组中，激光雷达数据点的数据包括扫描距离和扫描角度。
1.2、对于每一帧激光雷达数据，根据分割阈值把激光雷达数据点分割成不同区块；如果连续两个激光雷达数据点的距离小于一个阈值，则这两个激光雷达数据点属于同一个分割区块；如果连续两个激光雷达数据点的距离大于一个阈值，数据帧就从该两个激光雷达数据点之间分割开。由于激光雷达数据点的分布并不是均匀的，先使用自适应变阈值分割方法确认分割阈值，定义分割阈值线性函数Div＝f(D)，以确定不同激光雷达数据点的分割阈值；再计算相邻两个激光雷达数据点La和Lb的距离差值为Δd，如果Δd>Div，则该两个激光雷达数据点La和Lb为不同区域；最后把一帧激光雷达数据分割成N个区块，分割的区块表示为Ri，每一个区块包含Gi个点，i＝1，2，......，N。
1.3、遍历分割区块Ri，如果某一区块中的激光雷达数据点小于3个，则认为该区块为噪声点，舍弃这个区块；接着检测区块内的激光雷达数据点是否符合充电座数据点特征，遍历区块内的所有激光雷达数据点，计算相邻两个激光雷达数据点La和Lb是否符合充电座的开槽深度叠加误差阈值，计算出匹配的激光雷达数据点的数量M，该区块的激光雷达数据点的数量为Na，匹配率P＝M/Na；
1.4、对所有分割区块Ri按照匹配率由高到底进行排序，设匹配率最高的区块为充电座所在的位置，根据余弦定理和区块的首尾激光雷达数据点，计算出区块的直线长度
Figure BDA0002937446750000061
其中，l1为区块左激光雷达数据点扫描距离，l2为区块右激光雷达数据点扫描距离，θ为左右激光雷达数据点之间的角度差；检验区块的长度是否符合充电座区块设定值叠加误差值，循环进行区块的直线长度计算，直到找到同时满足区块校验长度和匹配率最高的充电座区块；
1.5、计算充电座所在区块的中心点坐标Pa，根据Pa坐标最终得到充电座与机器人的相对距离Dc和方位角Da。
S2、计算充电座的初步位置：判断充电座位置的远近，如果机器人充电座距离机器人的位置近，则执行步骤S3；如果机器人充电座距离机器人的位置远，则控制机器人运行到充电座前方的充电参考点，判断机器人到达参考点后，则执行步骤S3。精确搜索充电座位置的算法如下：
2.1、读取一帧激光雷达数据，将所有扫描到的激光雷达数据点保存到激光雷达数据点Data数组中，激光雷达数据点的数据包括扫描距离和扫描角度。
2.2、设置一个近距扫描参数值，遍历激光雷达数据点Data数组中激光雷达数据点，过滤掉无效数据和超出扫描范围的激光雷达数据点。
2.3、遍历过滤后的激光雷达数据点Data数组，计算两点之间的差值Δd，当Δd超过直线特征阈值时，根据充电座特征，从激光雷达数据点Data数组中找出与充电座激光数据模型相符的连续激光雷达数据点，先定位出充电座特征的上升沿和下降沿数据点，最终得到充电座中间面板的左特征点和右特征点。一个完整的充电座特征从左到右依次包括左面板1.4、左内凹沿1.5、左凹槽内壁板、左返回沿1.6、中间面板1.3、右内凹沿1.7、右凹槽内壁板、右返回沿1.8以及右面板1.9；
2.4、根据充电座的左特征点L和右特征点R数据，判断机器人处于充电座垂直中线的左侧还是右侧，当线段PL的长度大于线段PR的长度时，机器人位于充电座中线的右侧，反之在左侧；已知∠LPR的角度和线段PL、线段PR的长度，根据余弦定理和三角函数，计算出∠POV的角度，并判断机器人是否处于直接对接充电区，当∠POV小于20°时，机器人可以直接开始后退对接充电座，当∠POV大于等于20°时，先要控制机器人运行到充电参考点C；
2.5、如果机器人不在直接对接充电区，机器人所在点的坐标为P(x，y)，机器人的运行方向为向量PC，计算向量PC在激光雷达坐标系中的角度和模长度|PC|，将向量PC在激光雷达坐标系上的角度转换为里程坐标系上的角度β，机器人先转动角度β，再前进|PC|距离，到达充电参考点C。
S3、计算机器人转到背对充电座的角度并控制机器人转动到背对充电座，执行以下循环：
3.1、根据步骤S2中的充电座精确位置搜索方法，获取充电座的左特征点和右特征点；
3.2、计算当前机器人相对充电座的偏差角度ΔA，设定机器人后退速度为V1，角度调整基数为B，角度调整最大速度值为Vmax，机器人实时角度调整值V＝ΔA/B×Vmax，得到机器人控制参数(V1，V)，并根据机器人控制参数控制机器人运行；
3.3、计算机器人当前离充电座的距离
Figure BDA0002937446750000071
如果距离D小于设定值，则机器人到达设定的充电位置，如果距离D大于设定值，则重复循环步骤3.1；其中，l3为线段PL的长度，l4为线段PR的长度，l5为线段LR的长度。
本发明较佳的实施例中，充电座上安装有用于检测机器人是否停靠在充电座上的超声波传感器。充电座的前面板上安装有2个充电电极，每个充电电极上安装有4个用于检测充电电极是否被压下的限位光栅传感器。充电座默认处于断电状态，只有当机器人停靠在充电座上，且2个充电电极被压下，充电座才接通电源，对机器人进行充电。
本发明中，如果控制机器人底盘累计旋转超过360°仍未搜索到充电座的特征，则结束搜索工作。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种机器人和充电座自动对接充电的控制方法，其特征在于，所述机器人具有可360°旋转的底盘，所述底盘上固定安装有激光雷达，所述激光雷达发射激光束对周围环境中的障碍物进行探测，以获得与障碍物相关的激光雷达数据；所述充电座(1)的前面板上开设有向内凹进的左凹槽(1.1)和右凹槽(1.2)，所述左凹槽和右凹槽对称设置在所述充电座的两侧，所述左凹槽和右凹槽的高度均与所述激光雷达的扫描高度平齐设置，所述左凹槽、右凹槽以及位于所述左凹槽和右凹槽之间的中间面板(1.3)共同形成充电座特征；所述控制方法包括以下步骤：
S1、初步搜索充电座的特征：判断机器人是否搜索到充电座的特征，如果机器人搜索到充电座的特征，则执行步骤S2；如果机器人未搜索到充电座的特征，则控制机器人底盘旋转一定角度后再次搜索充电座的特征；
S2、计算充电座的初步位置：判断充电座位置的远近，如果机器人充电座距离机器人的位置近，则执行步骤S3；如果机器人充电座距离机器人的位置远，则控制机器人运行到充电座前方的充电参考点C，判断机器人到达参考点C后，则执行步骤S3；
S3、计算机器人转到背对充电座的角度并控制机器人转动到背对充电座，执行以下循环：
3.1、根据步骤S2中的充电座精确位置搜索方法，获取充电座的左特征点L和右特征点R；所述左凹槽(1.1)与中间面板(1.3)的交线为左特征线，所述左特征点L为激光雷达发射的激光束与左特征线的交点，所述右凹槽(1.2)与中间面板(1.3)的交线为右特征线，所述右特征点R为激光雷达发射的激光束与右特征线的交点；
3.2、计算当前机器人相对充电座的偏差角度ΔA，设定机器人后退速度为V1，角度调整基数为B，角度调整最大速度值为Vmax，机器人实时角度调整值V＝ΔA/B×Vmax，得到机器人控制参数(V1，V)，并根据机器人控制参数控制机器人运行；
3.3、计算机器人当前离充电座的距离
Figure FDA0002937446740000011
如果距离D小于设定值，则机器人到达设定的充电位置，如果距离D大于设定值，则重复循环步骤3.1；其中，l3为线段PL的长度，l4为线段PR的长度，l5为线段LR的长度。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S1中初步搜索充电座特征的算法具体如下：
1.1、读取一帧激光雷达数据，将所有扫描到的激光雷达数据点保存到激光雷达数据点Data数组中，激光雷达数据点的数据包括扫描距离和扫描角度；
1.2、先使用自适应变阈值分割方法确认分割阈值，定义分割阈值线性函数Div＝f(D)，以确定不同激光雷达数据点的分割阈值；再计算相邻两个激光雷达数据点La和Lb的距离差值为Δd，如果Δd>Div，则该两个激光雷达数据点La和Lb为不同区域；最后把一帧激光雷达数据分割成N个区块，分割的区块表示为Ri，每一个区块包含Gi个点，i＝1，2，......，N；
1.3、遍历分割区块Ri，如果某一区块中的激光雷达数据点小于3个，则认为该区块为噪声点，舍弃这个区块；接着检测区块内的激光雷达数据点是否符合充电座数据点特征，遍历区块内的所有激光雷达数据点，计算相邻两个激光雷达数据点La和Lb是否符合充电座的开槽深度叠加误差阈值，计算出匹配的激光雷达数据点的数量M，该区块的激光雷达数据点的数量为Na，匹配率P＝M/Na；
1.4、对所有分割区块Ri按照匹配率由高到底进行排序，设匹配率最高的区块为充电座所在的位置，根据余弦定理和区块的首尾激光雷达数据点，计算出区块的直线长度
Figure FDA0002937446740000021
其中，l1为区块左激光雷达数据点扫描距离，l2为区块右激光雷达数据点扫描距离，θ为左右激光雷达数据点之间的角度差；检验区块的长度是否符合充电座区块设定值叠加误差值，循环进行区块的直线长度计算，直到找到同时满足区块校验长度和匹配率最高的充电座区块；
1.5、计算充电座所在区块的中心点坐标Pa，根据Pa坐标最终得到充电座与机器人的相对距离Dc和方位角Da。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤S2中精确搜索充电座位置的算法如下：
2.1、读取一帧激光雷达数据，将所有扫描到的激光雷达数据点保存到激光雷达数据点Data数组中，激光雷达数据点的数据包括扫描距离和扫描角度；
2.2、设置一个近距扫描参数值，遍历激光雷达数据点Data数组中激光雷达数据点，过滤掉无效数据和超出扫描范围的激光雷达数据点；
2.3、遍历过滤后的激光雷达数据点Data数组，计算两点之间的差值Δd，当Δd超过直线特征阈值时，根据充电座特征，从激光雷达数据点Data数组中找出与充电座激光数据模型相符的连续激光雷达数据点，先定位出充电座特征的上升沿和下降沿数据点，最终得到充电座中间面板的左特征点和右特征点；一个完整的所述充电座特征从左到右依次包括左面板(1.4)、左内凹沿(1.5)、左凹槽内壁板、左返回沿(1.6)、中间面板(1.3)、右内凹沿(1.7)、右凹槽内壁板、右返回沿(1.8)以及右面板(1.9)；
2.4、根据充电座的左特征点和右特征点数据，判断机器人处于充电座垂直中线的左侧还是右侧，当线段PL的长度大于线段PR的长度时，机器人位于充电座中线的右侧，反之在左侧；已知∠LPR的角度和线段PL、线段PR的长度，根据余弦定理和三角函数，计算出∠POV的角度，并判断机器人是否处于直接对接充电区，当∠POV小于20°时，机器人可以直接开始后退对接充电座；当∠POV大于等于20°时，先要控制机器人运行到充电参考点C；
2.5、如果机器人不在直接对接充电区，机器人所在点的坐标为P(x，y)，机器人的运行方向为向量PC，计算向量PC在激光雷达坐标系中的角度和模长度|PC|，将向量PC在激光雷达坐标系上的角度转换为里程坐标系上的角度β，机器人先转动角度β，再前进|PC|距离，到达充电参考点C。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述充电座开设左凹槽(1.1)和右凹槽(1.2)的区域使用反光率>80％的非镜面材料，开槽区域外部覆盖的透明保护膜为红外高透材料。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述充电座的前面板上设有充电电极，所述充电电极安装有限位光栅传感器。
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