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基于上下位机协同规划的移动 机器人自主回充方法与系统

阅读：696发布：2020-05-08

专利汇可以提供基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充方法与系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充方法，包括如下步骤：步骤一，移动机器人开启回充模式，移动机器人发出开启信号，充电桩接收开启信号后，发出红外信号；步骤二，判断回充过程；步骤三，进入回充过程；步骤四，近程回充过程完成后，移动机器人发出关闭信号，所述充电桩接收关闭信号后，停止发出红外信号；基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充系统，包括移动机器人、充电桩，移动机器人包括上位机、下位机、红外接收模块、移动机器人充电电极、移动机器人蓝牙模块，充电桩包括控制模块、红外发射模块、充电桩充电电极、充电桩蓝牙模块。，下面是基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充方法与系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，移动机器人（1）开启回充模式，所述移动机器人（1）发出开启信号，充电桩（2）接收所述开启信号后，发出红外信号；
步骤二，判断回充过程，所述移动机器人（1）根据能否接收到所述红外信号，将回充过程分为远程回充过程和近程回充过程；未接收到所述红外信号进入远程回充过程，接收到所述红外信号进入近程回充过程；
步骤三，进入回充过程，当进入远程回充过程时，所述移动机器人（1）根据其对所述充电桩位置的已知情况进行分类，当所述移动机器人（1）对所述充电桩位置未知时，所述移动机器人（1）进行沿墙行走，在寻找充电桩位置的同时，进行实时地图创建，直至所述移动机器人（1）接收到所述充电桩（2）的红外信号，进入所述近程回充过程；当所述移动机器人（1）对所述充电桩位置已知时，所述移动机器人（1）读取自身当下位置，根据已知的所述充电桩（2）的红外信号发射范围，确定近程回充位置，所述移动机器人（1）将所述位置进行坐标变化，换算为栅格地图坐标系内的坐标点，进行点对点导航，所述移动机器人（1）到达所述近程回充位置，接收到所述红外信号后，进入所述近程回充过程；当进入近程回充过程时，所述移动机器人（1）根据接收到的红外信号，不断调整自身的角度，向所述充电桩（2）方向靠近，直至完成电气连接；
步骤四，所述近程回充过程完成后，所述移动机器人（1）发出关闭信号，所述充电桩（2）接收所述关闭信号后，停止发出红外信号。
2.根据权利要求1所述的基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充方法，其特征在于，所述步骤三，所述红外信号发射范围，是通过所述充电桩（2）发出的红外信号的角度及有效发射距离，计算所述充电桩（2）生成的有效发射扇形范围。
3.根据权利要求1所述的基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充方法，其特征在于，所述步骤三，所述点对点导航，是所述移动机器人（1）根据栅格地图，使用A*算法进行点对点路径规划，在所述点对点导航过程中，针对静态障碍物（10）、动态障碍物（9），使用dwa算法进行局部路径规划。
4.根据权利要求1所述的基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充方法，其特征在于，所述步骤三，到达所述近程回充位置，所述移动机器人（1）仍未接收到所述红外信号，则所述移动机器人（1）进行螺旋式覆盖运动，直至接收到所述红外信号，进入所述近程回充过程。
5.根据权利要求4所述的基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充方法，其特征在于，所述螺旋式覆盖运动，在半径不超过2米的范围内，以所述移动机器人（1）选择的近程回充位置为圆心，调整所述移动机器人（1）偏航角，进行逆时针回旋覆盖，所述移动机器人（1）的左轮角速度为w1，右轮角速度为w2=w1+w1*D，所述D为两轮间距；当所述螺旋式覆盖至半径超过2米仍未接收到所述红外信号，则由所述移动机器人（1）向控制终端反馈报错信息。
6.根据权利要求1所述的基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充方法，其特征在于，当进入所述近程回充过程时，所述移动机器人（1）判断其左右两侧接收到的所述红外信号的情况，确定自身相对于所述充电桩（2）的位置，进而确定旋转方向，在旋转后再次判断所述红外信号的接收情况，当左右两侧都能接收到所述红外信号时，向所述充电桩（2）直线运动，直至所述移动机器人（1）与所述充电桩（2）完成电气连接。
7.根据权利要求6所述的基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充方法，其特征在于，所述红外信号包括地址值、控制值，左右两侧所述红外信号地址值一致，控制值不同，所述移动机器人（1）根据左右两侧所述红外信号的控制值，确定机器人相对充电桩位置，对机器人进行位姿调整；
当所述移动机器人（1）左侧接收到所述充电桩（2）右侧红外信号的控制值，所述移动机器人（1）右侧接收到所述充电桩（2）左侧红外信号的控制值时，所述移动机器人（1）向前直行；
当所述移动机器人（1）左侧未接收到所述红外信号或接收到所述充电桩（2）右侧所述红外信号的控制值，右侧接收到所述充电桩（2）右侧所述红外信号的控制值时，所述移动机器人（1）向右旋转，直至两侧都接收到所述充电桩（2）两侧红外信号控制值，然后向前直行；
当所述移动机器人（1）左侧接收到所述充电桩（2）左侧所述红外信号控制值，右侧未接收到所述红外信号或接收到所述充电桩（2）左侧所述红外信号控制值时，所述移动机器人（1）向左旋转，直至两侧都接收到所述充电桩（2）两侧红外信号控制值，然后向前直行。
8.基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充系统，包括移动机器人（1）、充电桩（2），其特征在于，所述移动机器人（1）包括上位机（7）、下位机（8）、红外接收模块、移动机器人充电电极、移动机器人蓝牙模块（3），所述充电桩（2）包括控制模块、红外发射模块、充电桩充电电极、充电桩蓝牙模块（4）；所述红外接收模块、充电电极位于所述移动机器人（1）前端，所述红外发射模块、充电电极位于所述充电桩（2）的前端，所述移动机器人蓝牙模块（3）用于发送开启和关闭信号给所述充电桩蓝牙模块（4），所述充电桩蓝牙模块（4）根据所述开启和关闭信号，开启和关闭所述红外发射模块。
9.根据权利要求8所述的基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充系统，其特征在于，所述红外接收模块有两个，分别位于所述移动机器人（1）的前端左右两侧；所述红外发射模块有两个，分别位于充电桩（2）前端左右两侧。
10.根据权利要求9所述的基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充系统，其特征在于，左侧红外接收模块与所述移动机器人（1）呈45度角安放，右侧红外接收模块与所述移动机器人（1）呈-45度角安放。

说明书全文

基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充方法与系统

技术领域

[0001] 本发明涉及移动机器人路径规划及回充控制领域，尤其是涉及了基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充方法。

背景技术

[0002] 移动机器人在工业和服务业中有着重大的应用，并且正在逐步改变着工业和服务业，其目的是减轻人类的劳动强度，为人类创造更加便捷和轻松的工作条件。而机器人自主回充是移动机器人研究领域中的重要内容，保证着移动机器人的正常运转，其准确性和即时性是衡量各种回充控制方法的重要指标。

[0003] 现有的移动机器人回充方法，包括基于下位机的红外引导，使用的红外接收传感器在4个以上，分布在机器四周，误差容易增大，难以保证回充的准确性；基于上位机的图像识别，需要通过相机进行拍照，容易受到光源的干扰，标识图像容易受到屏蔽，难以保证回充的实时性。

发明内容

[0004] 为解决现有技术的不足，使移动机器人回充过程具有更好的准确性、即时性、抗干扰性，本发明采用如下的技术方案：基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充方法，包括如下步骤：
步骤一，移动机器人开启回充模式，所述移动机器人发出开启信号，充电桩接收所述开启信号后，发出红外信号；
步骤二，判断回充过程，所述移动机器人根据能否接收到所述红外信号，将回充过程分为远程回充过程和近程回充过程；未接收到所述红外信号进入远程回充过程，接收到所述红外信号进入近程回充过程；
步骤三，进入回充过程，当进入远程回充过程时，所述移动机器人根据其对所述充电桩位置的已知情况进行分类，当所述移动机器人对所述充电桩位置未知时，所述移动机器人进行沿墙行走，在寻找充电桩位置的同时，进行实时地图创建，直至所述移动机器人接收到所述充电桩的红外信号，进入所述近程回充过程；当所述移动机器人对所述充电桩位置已知时，所述移动机器人读取自身当下位置，根据已知的所述充电桩的红外信号发射范围，确定近程回充位置，所述移动机器人将所述位置进行坐标变化，换算为栅格地图坐标系内的坐标点，进行点对点导航，保证信号接收的完整性与稳定性，所述移动机器人到达所述近程回充位置，接收到所述红外信号后，进入所述近程回充过程；当进入近程回充过程时，所述移动机器人根据接收到的红外信号，不断调整自身的角度，向所述充电桩方向靠近，直至完成电气连接；
步骤四，所述近程回充过程完成后，所述移动机器人发出关闭信号，所述充电桩接收所述关闭信号后，停止发出红外信号。

[0005] 所述步骤三，所述红外信号发射范围，是通过所述充电桩发出的红外信号的角度β及有效发射距离L，计算其生成的有效发射扇形范围。

[0006] 所述步骤三，所述点对点导航，是所述移动机器人根据栅格地图，使用A*算法进行点对点路径规划，在所述点对点导航过程中，针对静态障碍物、动态障碍物，使用dwa算法进行局部路径规划。

[0007] 所述步骤三，到达所述近程回充位置，但所述移动机器人仍未接收到所述红外信号，则所述移动机器人进行螺旋式覆盖运动，直至接收到所述红外信号，进入所述近程回充过程。

[0008] 所述螺旋式覆盖运动，在半径不超过2米的范围内，以所述移动机器人选择的近程回充位置为圆心，调整所述移动机器人偏航角，进行逆时针回旋覆盖，所述移动机器人的左轮角速度为w1，右轮角速度为w2=w1+w1*D，所述D为两轮间距；当所述螺旋式覆盖至半径超过2米仍未接收到所述红外信号，则由所述移动机器人向控制终端反馈报错信息。

[0009] 当进入所述近程回充过程时，所述移动机器人判断其左右两侧接收到的所述红外信号的情况，确定自身相对于所述充电桩的位置，进而确定旋转方向，在旋转后再次判断所述红外信号的接收情况，当左右两侧都能接收到所述红外信号时，向充电桩直线运动，直至所述移动机器人与所述充电桩完成电气连接。

[0010] 所述红外信号包括地址值、控制值，左右两侧所述红外信号地址值一致，控制值不同，所述移动机器人根据左右两侧所述红外信号的控制值，确定机器人相对充电桩位置，对机器人进行位姿调整；当所述移动机器人左侧接收到所述充电桩右侧红外信号的控制值，所述移动机器人右侧接收到所述充电桩左侧红外信号的控制值时，所述移动机器人向前直行；
当所述移动机器人左侧未接收到所述红外信号或接收到所述充电桩右侧所述红外信号的控制值，右侧接收到所述充电桩右侧所述红外信号的控制值时，所述移动机器人向右旋转，直至两侧都接收到所述充电桩两侧红外信号控制值，然后向前直行；
当所述移动机器人左侧接收到所述充电桩左侧所述红外信号控制值，右侧未接收到所述红外信号或接收到所述充电桩左侧所述红外信号控制值时，所述移动机器人向左旋转，直至两侧都接收到所述充电桩两侧红外信号控制值，然后向前直行。

[0011] 基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充系统，包括移动机器人、充电桩，所述移动机器人包括上位机、下位机、红外接收模块、移动机器人充电电极、移动机器人蓝牙模块；所述充电桩包括控制模块、红外发射模块、充电桩充电电极、充电桩蓝牙模块；所述红外接收模块、充电电极位于所述移动机器人前端，所述红外发射模块、充电电极位于所述充电桩的前端。所述移动机器人蓝牙模块用于发送开启和关闭信号给所述充电桩蓝牙模块，所述充电桩蓝牙模块根据所述开启和关闭信号，开启和关闭所述红外发射模块。

[0012] 所述红外接收模块有两个，分别位于所述移动机器人的前端左右两侧；所述红外发射模块有两个，分别位于充电桩前端左右两侧。

[0013] 左侧红外接收模块与所述移动机器人呈45度角安放，右侧红外接收模块与所述移动机器人呈-45度角安放，该角度限制所述红外接收模块的接收范围，使得所述移动机器人位置易于判别。

[0014] 本发明的优势和有益效果在于：本发明基于上下位机进行协同规划，在远程回充过程中，面对复杂环境，机器人能快速高效地规划出局部路径，减少机器人在回充过程中的电量损耗，有助提高机器人的可靠性；
在近程回充过程中，通过红外引导，易于控制，准确性和即时性好；当在近程回充位置仍接收不到红外信号时，由上位机控制，在回充点附近进行螺旋式覆盖，能快速找到充电桩。
附图说明

[0015] 图1是本发明的移动机器人示意图。

[0016] 图2是本发明的充电桩俯视图。

[0017] 图3是本发明中移动机器人远程回充的沿墙行走示意图。

[0018] 图4是本发明中远程回充的点对点导航示意图。

[0019] 图5是本发明中螺旋式覆盖示意图。

[0020] 图6是本发明中近程回充示意图。

[0021] 图7是本发明的流程图。

[0022] 图中，1、移动机器人，2、充电桩，3、移动机器人蓝牙模块，4、充电桩蓝牙模块，5、红外发射传感器，6、红外接收传感器，7、上位机，8、下位机，9、动态障碍物，10、静态障碍物，11、移动机器人充电电极片，12、充电桩充电电极片，13、驱动模块及里程计，14、激光雷达，
15、控制器。

具体实施方式

[0023] 以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

[0024] 如图7所示，基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充方法，包括如下步骤：步骤一，移动机器人1开启回充模式，所述移动机器人1的上位机7通过蓝牙模块发出开启信号，充电桩蓝牙模块4接收并解析所述开启信号后，根据解析结果，开启红外发射传感器5，发出红外信号；所述红外信号使用NEC协议；
步骤二，判断回充过程，所述移动机器人1根据能否接收到所述红外信号，将回充过程分为远程回充过程和近程回充过程；未接收到所述红外信号进入远程回充过程，接收到所述红外信号进入近程回充过程；
步骤三，进入回充过程，如图3所示，当进入远程回充过程时，所述移动机器人1根据其对所述充电桩位置的已知情况进行分类，当所述移动机器人1对所述充电桩位置未知时，所述移动机器人1进行沿墙行走，在寻找充电桩位置的同时，进行实时地图创建，直至所述移动机器人1接收到所述充电桩2的红外信号，进入所述近程回充过程；如图4所示，当所述移动机器人1对所述充电桩位置已知时，所述移动机器人1读取自身当下位置，根据已知的所述充电桩2的红外信号发射范围，确定近程回充位置，所述移动机器人1的上位机7将所述位置进行坐标变化，换算为已建的栅格地图坐标系内的坐标点，进行点对点导航，保证信号接收的完整性与稳定性，所述移动机器人1到达所述近程回充位置，接收到所述红外信号后，进入所述近程回充过程；
所述红外信号发射范围，是通过所述充电桩2的红外发射传感器5发出的红外信号的角度β及有效发射距离L，计算其生成的有效发射扇形范围。

[0025] 所述点对点导航，是所述移动机器人1根据已建的栅格地图，使用A*算法进行点对点路径规划，在所述点对点导航过程中，针对静动态障碍物10、动态障碍物9，使用dwa算法进行局部路径规划。

[0026] 如图5所示，到达所述近程回充位置，但所述移动机器人1仍未接收到所述红外信号，则所述移动机器人1的上位机7进行规划，进行螺旋式覆盖运动，直至接收到所述红外信号，进入所述近程回充过程。

[0027] 所述螺旋式覆盖运动，在半径不超过2米的范围内，以所述移动机器人1的上位机7选择的近程回充位置为圆心，调整所述移动机器人1偏航角，进行逆时针回旋覆盖，所述移动机器人1的左轮角速度为w1，右轮角速度为w2=w1+w1*D，所述D为两轮间距；当所述螺旋式覆盖至半径超过2米仍未接收到所述红外信号，则由所述移动机器人1的上位机7向控制终端反馈报错信息。

[0028] 如图6所示，当进入所述近程回充过程时，所述移动机器人1的下位机8判断其左右两侧红外接收传感器6接收到的所述红外信号的情况，确定自身相对于所述充电桩2的位置，进而确定旋转方向，在旋转后再次判断所述红外信号的接收情况，当左右两侧都能接收到所述红外信号时，向充电桩2直线运动，直至所述移动机器人1与所述充电桩2上充电正负电极片接触，完成电气连接，所述移动机器人1停止运动，等待充电完成。

[0029] 红外发射传感器5所发射的所述红外信号包括地址值、控制值，左右两侧所述红外信号地址值一致，控制值不同，所述移动机器人1的下位机8根据左右两侧红外接收传感器6接收到的所述红外信号的控制值，确定机器人相对充电桩2的位置，对机器人进行实时位姿调整；当所述移动机器人1左侧红外接收传感器6接收到所述充电桩2右侧红外信号的控制值，所述移动机器人1右侧红外接收传感器6接收到所述充电桩2左侧红外信号的控制值时，此时说明机器人处于充电桩2正前方，则所述移动机器人1向前直行；
当所述移动机器人1左侧红外接收传感器6未接收到所述红外信号或接收到所述充电桩2右侧所述红外信号的控制值，右侧红外接收传感器6接收到所述充电桩2右侧所述红外信号的控制值时，此时说明机器人处在充电桩2右侧，所述移动机器人1向右旋转，直至两侧都接收到所述充电桩2两侧红外信号控制值，然后向前直行；
当所述移动机器人1左侧红外接收传感器6接收到所述充电桩2左侧所述红外信号控制值，右侧红外接收传感器6未接收到所述红外信号或接收到所述充电桩2左侧所述红外信号控制值时，此时说明所述移动机器人1处在充电桩2左侧，所述移动机器人1向左旋转，直至两侧都接收到所述充电桩2两侧红外信号控制值，然后向前直行。

[0030] 步骤四，所述近程回充过程完成后，所述移动机器人1的上位机7通过蓝牙模块发出关闭信号，充电桩蓝牙模块4接收并解析所述关闭信号后，关闭所述红外发射传感器5，停止发出红外信号。

[0031] 如图1、2所示，基于上下位机协同规划的移动机器人自主回充系统，包括移动机器人1、充电桩2，所述移动机器人1包括上位机7、下位机8、激光雷达14、驱动模块及里程计13、两个红外接收传感器6、移动机器人充电电极片11、移动机器人蓝牙模块3；所述充电桩2包括控制器15、两个红外发射传感器5、充电桩充电电极片12、充电桩蓝牙模块4、充电桩机座；所述红外接收传感器6、移动机器人充电电极片11位于所述移动机器人1前端，所述驱动模块及里程计13位于所述移动机器人1的中央两侧；所述激光雷达14位于所述移动机器人1中央；所述上位机7、所述下位机8、所述移动机器人蓝牙模块3位于所述移动机器人1后方，所述红外发射传感器5、充电桩充电电极片12位于所述充电桩2的前端，所述充电桩2内安放所述控制器15和所述充电桩蓝牙模块4，所述移动机器人蓝牙模块3用于发送开启和关闭信号给所述充电桩蓝牙模块4，所述充电桩蓝牙模块4根据所述开启和关闭信号，开启和关闭两个红外发射传感器5。

[0032] 所述两个红外接收传感器6分别位于所述移动机器人1的前端左右两侧，间距为b；所述两个红外发射传感器5分别位于充电桩2前端左右两侧，间距为a，发射角度为β，发射距离为L。

[0033] 左侧红外接收传感器6与所述移动机器人1呈45度角安放，右侧红外接收传感器6与所述移动机器人1呈-45度角安放，该角度限制所述红外接收传感器6的接收范围，使得所述移动机器人1位置易于判别。

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