移动机器人自主充电装置及其自主充电方法
移动机器人自主充电装置及其自主充电方法
【专利摘要】一种移动机器人自主充电装置及其自主充电方法，涉及机器人【技术领域】，所解决的是降低成本，及提高通用性、可靠性的技术问题。该装置包括充电基座，及固定在移动机器人上的伴侣基座，充电基座上置有左右各一个红外发射器，该两个红外发射器发射相异的红外对接信号，从而在充电基座前方形成三个信号区域；伴侣基座上置有左右两组红外接收器，机器人通过该两组红外接收器判断所处信号区域，并结合所接收到的两个红外发射器发射的红外对接信号之间的信号强度差来找出充电基座的具体位置，实现与充电基座的自动对接。本发明提供的装置及方法，特别适用于室内环境中的移动机器人使用，并采用插件式模块设计，可适用于不同的电池类型和机器人物理尺寸。
【专利说明】移动机器人自主充电装置及其自主充电方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及机器人技术，特别是涉及一种移动机器人自主充电装置及其自主充电方法的技术。
【背景技术】
[0002]很多服务型移动机器人的任务是在家庭和办公室环境中执行清扫、垃圾收集、包裹递送、做饭、配送饮料、监控等事务。这些移动机器人能够将人类从繁重的劳动中解脱出来，这些移动机器人通常都配置有自主充电装置，机器人通过自主充电装置能定期地自动为体内电池充电，从而能完全自动化的运作而不需要人工介入。
[0003]移动机器人的自主充电装置主要由充电站，及安装在机器人上的接收器构成，其中的充电站固定在落地物(墙面、地面)上，充电站持续的发射对接信号，机器人通过接收器来接收充电站发射的对接信号，进而找到充电站的具体位置，实现与充电站的自动对接，现有移动机器人的自主充电装置所采用的充电站自主对接方法具有众多缺陷。
[0004]比如，iRobot公司生产的Roomba真空除尘机器人在充电站及机器人分别装有360度红外发射/接收器，机器人通过360度的红外接收器来接收充电站的红外对接信号，进而找到充电站的具体位置，实现与充电站的自动对接，这种采用360度红外发射/接收器实现自主对接的方法必须将360度红外发射/接收器分置于充电站及机器人的顶端位置，对机器人及充电站的结构设计有限制，只能用于特定的机器人，其通用性较差。
[0005]又如，Wowffee公司的Rovio远端临场机器人在充电站上装有红外发射器,充电站利用红外发射器将红外光斑投射到天花板上，机器人装备的接收器利用三角法来测量位置和朝向，进而找到充电站的具体位置，实现与充电站的自动对接。但是在家庭和办公室环境中经常有椅子，桌子或者其它家具遮挡住机器人看向天花板的视线，这种情况下机器人无法找到充电站位置，其使用可靠性较差。
[0006]又如，ActiveMedia公司的Pioneer机器人采用激光扫描仪识别充电站的形状来找到充电站的具体位置，实现与充电站的自动对接，这种自主对接方法中的对接信号识别需要繁重的计算，激光扫描的运行功率也较高，其软硬件成本较高。
[0007]又如，Silverman等人采用视觉方法来辅助Pioneer2_DX机器人实现与充电站的自动对接。该方法需要在充电站上方的墙上张贴彩色纸张，并在机器人上安装一个PTZ摄像机用来寻找充电站。与之类似，Willow Garage公司开发了一个远端临场机器人，名为Texas机器人，该机器人采用彩色摄像机来寻找充电站，在充电站上放置有一系列的彩色圆环。这种采用视觉方法实现与充电站的自动对接需要稳定的光照条件以实现色彩模态的可靠识别，其使用可靠性较差。
【发明内容】
[0008]针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种实现成本低，且安装高度可任意调节，受环境因素影响小，从而具有较好通用性及使用可靠性的移动机器人自主充电装置及其自主充电方法。
[0009]为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种移动机器人自主充电装置，涉及内置有电池的移动机器人，该装置包括固定在落地物上的充电基座，及固定在移动机器人上的伴侣基座，其特征在于:
所述充电基座具有一红外发射腔，所述红外发射腔在朝前方向及左右方向上均对红外线开放，且红外发射腔的上下两侧腔壁均能隔断红外线，红外发射腔内固定有一竖置的发射端红外隔离板，该发射端红外隔离板将红外发射腔分隔成左右各一个发射子腔，该两个发射子腔内各置有一个红外发射器；
所述充电基座上置有红外信号发射电路，所述红外信号发射电路具有两个能输出相异信号的红外信号输出端口，该两个红外信号输出端口分别连接两个红外发射器；
所述伴侣基座具有一红外接收腔，所述红外接收腔在左、前、右三个方向上对红外线开放，且在上、下、后三个方向上能隔断红外线，红外接收腔内固定有一竖置的接收端红外隔离板，该接收端红外隔离板将红外接收腔分隔成左右各一个接收子腔，该两个接收子腔内各置有至少一个红外接收器；
所述伴侣基座上置有红外信号接收电路，所述红外信号接收电路具有多个红外信号接收端口，红外信号接收电路的各个红外信号输出端口分别连接各个红外接收器；
所述充电基座及伴侣基座上分置有能以水平向插拔方式分合的充电插头、充电插座。
[0010]进一步的，所述伴侣基座的前端置有三个按键能触碰到充电基座的微动开关，该三个微动开关从左至右弧形间隔布设。
[0011]进一步的，所述充电插头固定在充电基座上，充电插座则安装在伴侣基座上，充电插头的上下两端面上各固定有一个导电触片；
所述充电插座具有两个间隔布设且上下正对的滑动块，及用于驱使两个滑动块对向移动的弹簧，两个滑动块的对向端各固定有一个导电触片。
[0012]进一步的,两个滑动块迎合充电插头一侧的迎合面均为斜面,该两个迎合面的布设成前宽后窄的喇叭形。
[0013]进一步的，所述红外信号发射电路包括发射控制模块、电源连接件；
所述充电插头经一电流传感器、一充电控制继电器接到电源连接件，所述电源连接件接到外部电源；
所述发射控制模块具有传感信号输入端口、充电信号输出端口，及两个红外信号输出端口，发射控制模块的传感信号输入端口接到电流传感器的传感信号输出端，发射控制模块的充电信号输出端口接到充电控制继电器的控制线圈，发射控制模块的两个红外信号输出端口分别接到两个红外发射器。
[0014]进一步的，所述红外信号接收电路包括接收控制模块、电池连接件；
所述充电插座经一受电控制继电器接到电池连接件，所述电池连接件接到移动机器人的内置电池；
所述接收控制模块具有受电信号输出端口，及多个红外信号接收端口，三个对接信号输入端口，接收控制模块的受电信号输出端口接到受电控制继电器的控制线圈，接收控制模块的各个红外信号接收端口分别接到各个红外接收器，接收控制模块的三个对接信号输入端口分别接到三个微动开关。[0015]本发明所提供的移动机器人自主充电装置的自主充电方法，其特征在于，使充电基座上的两个红外发射器持续的发射红外信号，并使两个红外发射器发射的红外信号相
巳
升；
移动机器人需要充电时，执行以下步骤:
1)通过伴侣基座上的各个红外接收器，采用原地转动方式检测红外对接信号，所述红外对接信号是指充电基座上的两个红外发射器所发射的红外信号；
移动机器人检测到红外对接信号后，检测是否能同时收到两个红外发射器的红外信号，如果能同时收到两个红外发射器的红外信号，则转至步骤3，反之则转至步骤2 ；
2)移动机器人采用原地往复转动方式找出能检测到红外对接信号的两个临界角度，进而找出能检测到红外对接信号的扇形区域，该扇形区域的中心线所指方向即为红外对接信号的中心，然后使移动机器人先转动至伴侣基座的前侧面正对红外对接信号的中心，再朝向未收到红外对接信号的红外发射器方向转动一个对中调整角度，然后移动机器人再朝向伴侣基座的正前方向直线移动，直至能同时收到两个红外对接信号后转至步骤3 ；
其中，所述对中调整角度为预先设定的小于60度的阈值；
3)移动机器人检测所收到两个红外对接信号的信号强度是否一致，如果所收到两个红外对接信号强度一致，则转至步骤5，反之则转至步骤4 ；
4)移动机器人朝向所收到的红外对接信号强度大的一侧转动，直至所收到两个红外对接信号强度一致后转至步骤5 ；
5)移动机器人朝向自身前方移动，直至伴侣基座上的其中一个微动开关闭合后转至步骤6 ;
6)如果位于左侧的微动开关闭合，则移动机器人朝向右侧转动，直至位于中间的微动开关闭合后转至步骤7;
如果位于右侧的微动开关闭合，则移动机器人朝向左侧转动，直至位于中间的微动开关闭合后转至步骤7;
如果位于中间的微动开关闭合，则转至步骤7 ;
7)通过充电插头及充电插座向移动机器人的内置电池充电。
[0016]进一步的，移动机器人所收到两个红外对接信号强度一致后朝向自身前方移动过程中，移动机器人的移动速度与红外对接信号强度成反比。
[0017]进一步的，充电基座上的两个红外发射器所发射的红外信号是由低频控制信号叠加在高频载波上的红外调制信号。
[0018]进一步的，所述对中调整角度的值为20度。
[0019]本发明提供的移动机器人自主充电装置及其自主充电方法，利用充电基座上的两个红外发射器共同沿水平向发射红外对接信号，从而在充电基座前方形成三个信号区域，机器人通过伴侣基座上的红外接收器接收红外对接信号，并根据所属信号区域及所接收到的两个红外对接信号之间的强度差找到充电基座的具体位置，实现与充电基座的自动对接，该装置实现成本低，且对红外发射器及红外接收器的安装高度没有限制，不需要强制安装在机器人顶部，对机器人的结构设计没有限制，安装高度可根据不同规格的机器人任意调节，可用于各种规格的机器人，具有较好通用性，工作环境中的阻挡物及光照对其影响也较小，具有使用可靠性高的特点。进一步的，充电基座及伴侣基座通过连接件来连接机器人的内置电池及配套充电器，可供未配置有自主充电装置的移动机器人使用，进一步的拓展了其通用性。进一步的采用易于设置且在室内环境中工作稳定性高的红外调制信号作为对接信号，不仅可以屏蔽掉来自阳光、日光灯、加热系统设备的红外干扰，而且红外调制信号可以传输字节型数据信息，调制和解调过程也不需要繁重的计算，红外调制信号的传输功率也较低，与激光扫描仪、声纳等相比较，实现成本较低，使用安全性也高，能在家庭和办公室环境下可靠的工作，即使有孩童或者宠物的家庭环境也适合使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明实施例的移动机器人自主充电装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的移动机器人自主充电装置中的充电插座的结构示意图；
图3是本发明实施例的移动机器人自主充电装置中的红外信号发射电路的电路图；
图4是本发明实施例的移动机器人自主充电装置中的红外信号接收电路的电路图；
图5a是本发明实施例的移动机器人自主充电装置的红外信号覆盖区域示意图；
图5b是本发明实施例的移动机器人自主充电装置的寻位示意图；
图6是本发明实施例的移动机器人自主充电装置的定位原理图；
图7是本发明实施例的移动机器人自主充电装置中的红外发射器所发射的红外调制信号的示意图；
图8是本发明实施例的移动机器人自主充电装置测试时的移动机器人移动轨迹图。【具体实施方式】
[0021]以下结合【专利附图】
【附图说明】对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
[0022]如图1-图2所示，本发明实施例所提供的一种移动机器人自主充电装置，涉及内置有电池的移动机器人，该装置包括固定在落地物上的充电基座10，及固定在移动机器人上的伴侣基座20，其特征在于:
所述充电基座10具有一红外发射腔11，所述红外发射腔11在左、前、右三个方向上对红外线开放，且在上、下、后三个方向上能隔断红外线，红外发射腔11内固定有一竖置的发射端红外隔离板12，该发射端红外隔离板12将红外发射腔分隔成左右各一个发射子腔，该两个发射子腔内各置有一个红外发射器13 ；
所述充电基座10上置有红外信号发射电路，所述红外信号发射电路具有两个能输出相异信号的红外信号输出端口，该两个红外信号输出端口分别连接两个红外发射器11 ;
所述伴侣基座20具有一红外接收腔21，所述红外接收腔21在朝前方向及左右方向上均对红外线开放，且红外接收腔21的上下两侧腔壁均能隔断红外线，红外接收腔21内固定有一竖置的接收端红外隔离板22，该接收端红外隔离板22将红外接收腔分隔成左右各一个接收子腔，该两个接收子腔内各置有至少一个红外接收器23 ；
所述伴侣基座20上置有红外信号接收电路，所述红外信号接收电路具有多个红外信号接收端口，红外信号接收电路的各个红外信号输出端口分别连接各个红外接收器23 ；所述伴侣基座20的前端置有三个按键能触碰到充电基座的微动开关25，该三个微动开关25从左至右弧形间隔布设； 所述充电基座10及伴侣基座20上分置有能以水平向插拔方式分合的充电插头14、充电插座，其中的充电插头14固定在充电基座上10，充电插座则安装在伴侣基座20上，充电插头14的上下两端面上各固定有一个导电触片；
所述充电插座包括分别固定在伴侣基座上的上下各一个套筒241，及分别活动安装在上下套筒241内的上下各一个滑动块242，两个滑动块242间隔布设且上下正对，两个滑动块242的对向端分别伸至套筒241外部，且两个滑动块241的对向端各固定有一个导电触片243，每个套筒241内均置有用于驱使该套筒内的滑动块242朝向另一滑动块方向移动的弹簧244，每个套筒均与该套筒内的滑动块具有相互配合的用于限制滑动块整体脱出套筒的限位结构，两个滑动块迎合充电插头一侧的迎合面均为斜面，该两个迎合面的布设成前宽后窄的喇叭形，以便于充电插头插入。
[0023]如图3所示，本发明实施例中，所述红外信号发射电路包括发射控制模块U11、电源连接件J11、插头连接件J12 ；
所述充电插头的两个导电触片分别接到插头连接件J12的两个端脚，插头连接件J12经一电流传感器U12、一充电控制继电器JDl I接到电源连接件Jl I，电源连接件Jl I接到外部电源(移动机器人配套充电器);
所述发射控制模块Ull具有传感信号输入端口 A03、充电信号输出端口 P06，及两个红外信号输出端口 P09、P10，发射控制模块Ull的传感信号输入端口 A03接到电流传感器U12的传感信号输出端Vout，发射控制模块Ull的充电信号输出端口 P06接到充电控制继电器JDll的控制线圈，发射控制模块Ull的两个红外信号输出端口 P09、P10通过两个电气连接件J13、J14分别接到两个红外发射器Q11、Q12 (Q11、Q12在图1中标记为13)；
所述发射控制模块Ull采用的是Arduino微处理模块，电流传感器采用的是型号为ACS712的线性电流传感器，该电流传感器用于检测充电状态。
[0024]如图4所示，本发明实施例中，所述红外信号接收电路包括接收控制模块U21、电池连接件J21、插座连接件J22 ；
所述充电插座的两个导电触片分别接到插座连接件J22的两个端脚，插座连接件J22经一受电控制继电器JD21接到电池连接件J21，电池连接件J21接到移动机器人的内置电池；
所述接收控制模块U21具有受电信号输出端口 P06，及多个红外信号接收端口 AD3、AD5，三个对接信号输入端口 P08、P09、P10，接收控制模块U21的受电信号输出端口 P06接到受电控制继电器JD21的控制线圈，接收控制模块U21的各个红外信号接收端口 AD3、AD5通过两个电气连接件J23、J24分别接到各个红外接收器Q21、Q22、Q23、Q24 (Q21、Q22、Q23、Q24在图1中标记为23)，接收控制模块U21的三个对接信号输入端口 P08、P09、P10通过一个电气连接件J25分别接到三个微动开关；
所述接收控制模块U21采用的是Arduino微处理模块。
[0025]如图5a所示，本发明实施例的移动机器人自主充电装置中，充电基座上的两个红外发射器13发射红外信号时，在发射端红外隔离板12的挡隔下，红外信号的覆盖区域从左至右分为A1、A2、A3三个区域，左侧的Al区域只有左红外发射器13的信号，右侧的A3区域只有右红外发射器13的信号，而中间的A2区域则同时存在两个红外发射器13的信号。
[0026]本发明实施例所提供的移动机器人自主充电装置的自主充电方法，其特征在于，使充电基座上的两个红外发射器持续的发射红外信号，并使两个红外发射器发射的红外信号相异；
移动机器人需要充电时，执行以下步骤:
1)通过伴侣基座上的各个红外接收器，采用原地转动方式检测红外对接信号，所述红外对接信号是指充电基座上的两个红外发射器所发射的红外信号；
移动机器人检测到红外对接信号后，检测是否能同时收到两个红外发射器的红外信号，如果能同时收到两个红外发射器的红外信号，则转至步骤3，反之则转至步骤2 ；
2)此时伴侣基座的前侧面朝向充电基座，且伴侣基座位于充电基座左侧只能接收到左红外发射器信号的Al区域，或位于充电基座右侧只能接收到右红外发射器信号的A3区域，因为左右红外发射器发射的信号相异，所以机器人可以根据所接受到的红外信号内容来判断当前位于Al还是A3区域；
移动机器人采用原地往复转动方式找出能检测到红外对接信号的两个临界角度，进而找出能检测到红外对接信号的扇形区域，该扇形区域的中心线所指方向即为红外对接信号的中心，然后使移动机器人先转动至伴侣基座的前侧面正对红外对接信号的中心，再朝向未收到红外对接信号的红外发射器方向转动一个对中调整角度，该对中调整角度为预先设定的小于60度的阈值，其优选值为20度，然后移动机器人再朝向伴侣基座的正前方向直线移动，直至能同时收到两个红外对接信号后转至步骤3 ;
t匕如，移动机器人收到的红外对接信号来自左红外发射器，则向右红外发射器方向转动一个对中调整角度，移动机器人收到的红外对接信号来自右红外发射器，则向左红外发射器方向转动一个对中调整角度；
如图5b所示，假定移动机器人当前位置R位于充电基座左侧只能接收到左红外发射器信号的Al区域内，伴侣基座的前侧面正对指向红外对接信号中心的方向RC，移动机器人朝向右红外发射器方向转动一个对中调整角度Θ后，伴侣基座的前侧面正对方向RB，该方向RB指向中间能同时收到两个红外发射器的红外信号的A2区域，然后移动机器人沿方向RB直线移动，直至进入能同时收到两个红外对接信号的红外覆盖区域A2 ;如果移动机器人处于充电基座右侧只能接收到右红外发射器信号的A3区域内，则移动机器人转动的对中调整角度相同但方向相反；
3)此时伴侣基座的前侧面朝向充电基座，且伴侣基座位于能同时收到两个红外发射器信号的A2区域；
移动机器人检测所收到两个红外对接信号的信号强度是否一致，如果所收到两个红外对接信号强度一致，则转至步骤5，反之则转至步骤4 ；
4)此时伴侣基座位于充电基座的正前方，并处于图6a或图6c所示的伴侣基座的前侧面侧对充电基座的状态；
移动机器人朝向所收到的红外对接信号强度大的一侧转动，直至所收到两个红外对接信号强度一致后转至步骤5 ；
5)此时伴侣基座位于充电基座的正前方，并处于图6b所示的伴侣基座的前侧面正对充电基座的状态；
移动机器人朝向自身前方移动，直至伴侣基座上的其中一个微动开关闭合后转至步骤6，移动机器人的移动速度与红外对接信号强度成反比，以降低移动机器人对充电基座的冲击;
6)如果位于左侧的微动开关闭合,则表明充电插座与充电插头未完全对接，移动机器人朝向右侧转动，直至位于中间的微动开关闭合后转至步骤7 ；
如果位于右侧的微动开关闭合，则表明充电插座与充电插头未完全对接，移动机器人朝向左侧转动，直至位于中间的微动开关闭合后转至步骤7 ；
如果位于中间的微动开关闭合，则表明充电插座与充电插头完全对接，则转至步骤7 ；
7)通过充电插头及充电插座向移动机器人的内置电池充电。
[0027]出于安全原因，只有当充电插座与充电插头完全对接后，充电插头上的导电触片才会有充电电流通过，为实现该安全功能，一个+5v的低压直流电信号作用在充电插座充电触片上，充电插座与充电插头完全对接后，充电插头上的发射控制模块检测到该+5v电信号，发射控制模块随即控制充电控制继电器的开关刀闭合，使得充电插头与外部电源(移动机器人配套充电器)导通。
[0028]本发明实施例中，充电基座上的两个红外发射器所发射的红外信号是由低频控制信号叠加在高频载波(例如38kHz)上的红外调制信号，伴侣基座上的各个红外接收器调谐到与高频载波一致的频率，以忽略掉环境噪音，避免阳光、灯泡、加热器等环境因素的红外干扰。
[0029]红外发射器所发射的红外调制信号属于相位距离调制，该红外调制信号的信号格式为:起始位+地址位+命令位+截止位；其中，起始位采用连续的4ms高电平+Ims低电平表述，截止位采用连续的2ms高电平表述，地址位采用4位二进制数表述，命令位采用6位二进制数表述，二进制I采用连续的Ims高电平+2ms低电平表述，二进制O采用连续的Ims高电平+3ms低电平表述；使充电基座上的两个红外发射器发射的红外调制信号中包含不同的字符串，即可使移动机器人分辨出接收到的是哪个红外发射器所发射的信号。
[0030]如图7为红外发射器所发射的包含有二进制字符串1001100100的红外调制信号实例示意图，该图中的I7Ol区域为起始位，F02区域为地址位，F03区域为命令位，F04区域为截止位，BI区域表示二进制I, B2区域表示二进制O。
[0031]本发明实施例中，充电插座及充电插头均采用导电触片实现面接触，并利用弹簧增加接合可靠性，以保证充电插座与充电插头接合牢靠。
[0032]本发明实施例可根据不同规格的移动机器人调整充电基座及伴侣基座的安装高度，可适用于多种规格的移动机器人。
[0033]本发明实施例在现有的多种移动机器人(比如现有的差分移动机器人Pioneer3-DX、现有的全向移动机器人Rio)上进行了自主充电测试，均取得了较好效果；
其中，现有的差分移动机器人Pioneer 3-DX的内置电池为传统的铅酸电池，生产商所提供的配套充电器的输出规格为14伏，4安培直流电，测试过程中该移动机器人置于不同的开始位置时，都会首先移动到充电基座正前方能同时收到两个红外发射器信号的A2区域，然后朝充电基座直线移动直至充电插座与充电插头完全对接；
图8是本发明实施例的移动机器人自主充电装置安装在现有的差分移动机器人Pioneer 3-DX上测试时的移动机器人移动轨迹图，该图中X轴及Y轴为位置坐标的横数轴及纵数轴，TO为充电基座所在位置，T1、T2、T3、T4、T5、T6为各次测试中的机器人所在的初始位置，如图8所示，不论移动机器人从何位置出发，都会首先移动到充电基座正前方能同时收到两个红外发射器信号的A2区域，然后朝充电基座直线移动直至充电插座与充电插头完全对接。
[0034]现有的全向移动机器人Rio具有4个驱动轮，每个轮子具备侧向的直接移动能力，该移动机器人配备14.4伏，0.38千瓦时的锂离子电池，本发明实施例的移动机器人自主充电装置安装在该移动机器人上测试时，该移动机器人的移动轨迹与差分移动机器人Pioneer 3-DX的移动轨迹类似。
[0035]测试结果表明无论是差分运动机器人还是全向移动机器人，无论配备的是传统的铅酸蓄电池还是锂离子电池，本发明实施例的移动机器人自主充电装置均可以正常的工作。
【权利要求】
1.一种移动机器人自主充电装置，涉及内置有电池的移动机器人，该装置包括固定在落地物上的充电基座，及固定在移动机器人上的伴侣基座，其特征在于: 所述充电基座具有一红外发射腔，所述红外发射腔在左、前、右三个方向上对红外线开放，且在上、下、后三个方向上能隔断红外线，红外发射腔内固定有一竖置的发射端红外隔离板，该发射端红外隔离板将红外发射腔分隔成左右各一个发射子腔，该两个发射子腔内各置有一个红外发射器； 所述充电基座上置有红外信号发射电路，所述红外信号发射电路具有两个能输出相异信号的红外信号输出端口，该两个红外信号输出端口分别连接两个红外发射器； 所述伴侣基座具有一红外接收腔，所述红外接收腔在朝前方向及左右方向上均对红外线开放，且红外接收腔的上下两侧腔壁均能隔断红外线，红外接收腔内固定有一竖置的接收端红外隔离板，该接收端红外隔离板将红外接收腔分隔成左右各一个接收子腔，该两个接收子腔内各置有至少一个红外接收器； 所述伴侣基座上置有红外信号接收电路，所述红外信号接收电路具有多个红外信号接收端口，红外信号接收电路的各个红外信号输出端口分别连接各个红外接收器； 所述充电基座及伴侣基座上分置有能以水平向插拔方式分合的充电插头、充电插座。
2.根据权利要求1所述的移动机器人自主充电装置，其特征在于:所述伴侣基座的前端置有三个按键能触碰到充电基座的微动开关，该三个微动开关从左至右弧形间隔布设。
3.根据权利要求1或2所述的移动机器人自主充电装置，其特征在于:所述充电插头固定在充电基座上， 充电插座则安装在伴侣基座上，充电插头的上下两端面上各固定有一个导电触片； 所述充电插座具有两个间隔布设且上下正对的滑动块，及用于驱使两个滑动块对向移动的弹簧，两个滑动块的对向端各固定有一个导电触片。
4.根据权利要求3所述的移动机器人自主充电装置，其特征在于:两个滑动块迎合充电插头一侧的迎合面均为斜面，该两个迎合面的布设成前宽后窄的喇叭形。
5.根据权利要求1或2所述的移动机器人自主充电装置，其特征在于:所述红外信号发射电路包括发射控制模块、电源连接件； 所述充电插头经一电流传感器、一充电控制继电器接到电源连接件，所述电源连接件接到外部电源； 所述发射控制模块具有传感信号输入端口、充电信号输出端口，及两个红外信号输出端口，发射控制模块的传感信号输入端口接到电流传感器的传感信号输出端，发射控制模块的充电信号输出端口接到充电控制继电器的控制线圈，发射控制模块的两个红外信号输出端口分别接到两个红外发射器。
6.根据权利要求1或2所述的移动机器人自主充电装置，其特征在于:所述红外信号接收电路包括接收控制模块、电池连接件； 所述充电插座经一受电控制继电器接到电池连接件，所述电池连接件接到移动机器人的内置电池； 所述接收控制模块具有受电信号输出端口，及多个红外信号接收端口，三个对接信号输入端口，接收控制模块的受电信号输出端口接到受电控制继电器的控制线圈，接收控制模块的各个红外信号接收端口分别接到各个红外接收器，接收控制模块的三个对接信号输入端口分别接到三个微动开关。
7.根据权利要求2所述的移动机器人自主充电装置的自主充电方法，其特征在于，使充电基座上的两个红外发射器持续的发射红外信号，并使两个红外发射器发射的红外信号相异； 移动机器人需要充电时，执行以下步骤: 1)通过伴侣基座上的各个红外接收器，采用原地转动方式检测红外对接信号，所述红外对接信号是指充电基座上的两个红外发射器所发射的红外信号； 移动机器人检测到红外对接信号后，检测是否能同时收到两个红外发射器的红外信号，如果能同时收到两个红外发射器的红外信号，则转至步骤3，反之则转至步骤2 ; 2)移动机器人采用原地往复转动方式找出能检测到红外对接信号的两个临界角度，进而找出能检测到红外对接信号的扇形区域，该扇形区域的中心线所指方向即为红外对接信号的中心，然后使移动机器人先转动至伴侣基座的前侧面正对红外对接信号的中心，再朝向未收到红外对接信号的红外发射器方向转动一个对中调整角度，然后移动机器人再朝向伴侣基座的正前方向直线移动，直至能同时收到两个红外对接信号后转至步骤3 ； 其中，所述对中调整角度为预先设定的小于60度的阈值； 3)移动机器人检测所收到两个红外对接信号的信号强度是否一致，如果所收到两个红外对接信号强度一致，则转至步骤5，反之则转至步骤4 ； 4)移动机器人朝向所收到的红外对接信号强度大的一侧转动，直至所收到两个红外对接信号强度一致后转至步骤5 ； 5)移动机器人朝向自身前方移动，直至伴侣基座上的其中一个微动开关闭合后转至步骤6; 6 )如果位于左侧的微动开关闭合，则移动机器人朝向右侧转动，直至位于中间的微动开关闭合后转至步骤7; 如果位于右侧的微动开关闭合，则移动机器人朝向左侧转动，直至位于中间的微动开关闭合后转至步骤7; 如果位于中间的微动开关闭合，则转至步骤7 ; 7)通过充电插头及充电插座向移动机器人的内置电池充电。
8.根据权利要求7所述的移动机器人自主充电装置的自主充电方法，其特征在于:移动机器人所收到两个红外对接信号强度一致后朝向自身前方移动过程中，移动机器人的移动速度与红外对接信号强度成反比。
9.根据权利要求7或8所述的移动机器人自主充电装置的自主充电方法，其特征在于:充电基座上的两个红外发射器所发射的红外信号是由低频控制信号叠加在高频载波上的红外调制信号。
10.根据权利要求7或8所述的移动机器人自主充电装置的自主充电方法，其特征在于:所述对中调整角度的值为20度。
【文档编号】G05D1/02GK103997082SQ201410158874
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】伍小军, 刘冰冰 申请人:伍小军, 刘冰冰
【专利摘要】一种移动机器人自主充电装置及其自主充电方法，涉及机器人【技术领域】，所解决的是降低成本，及提高通用性、可靠性的技术问题。该装置包括充电基座，及固定在移动机器人上的伴侣基座，充电基座上置有左右各一个红外发射器，该两个红外发射器发射相异的红外对接信号，从而在充电基座前方形成三个信号区域；伴侣基座上置有左右两组红外接收器，机器人通过该两组红外接收器判断所处信号区域，并结合所接收到的两个红外发射器发射的红外对接信号之间的信号强度差来找出充电基座的具体位置，实现与充电基座的自动对接。本发明提供的装置及方法，特别适用于室内环境中的移动机器人使用，并采用插件式模块设计，可适用于不同的电池类型和机器人物理尺寸。
【专利说明】移动机器人自主充电装置及其自主充电方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及机器人技术，特别是涉及一种移动机器人自主充电装置及其自主充电方法的技术。
【背景技术】
[0002]很多服务型移动机器人的任务是在家庭和办公室环境中执行清扫、垃圾收集、包裹递送、做饭、配送饮料、监控等事务。这些移动机器人能够将人类从繁重的劳动中解脱出来，这些移动机器人通常都配置有自主充电装置，机器人通过自主充电装置能定期地自动为体内电池充电，从而能完全自动化的运作而不需要人工介入。
[0003]移动机器人的自主充电装置主要由充电站，及安装在机器人上的接收器构成，其中的充电站固定在落地物(墙面、地面)上，充电站持续的发射对接信号，机器人通过接收器来接收充电站发射的对接信号，进而找到充电站的具体位置，实现与充电站的自动对接，现有移动机器人的自主充电装置所采用的充电站自主对接方法具有众多缺陷。
[0004]比如，iRobot公司生产的Roomba真空除尘机器人在充电站及机器人分别装有360度红外发射/接收器，机器人通过360度的红外接收器来接收充电站的红外对接信号，进而找到充电站的具体位置，实现与充电站的自动对接，这种采用360度红外发射/接收器实现自主对接的方法必须将360度红外发射/接收器分置于充电站及机器人的顶端位置，对机器人及充电站的结构设计有限制，只能用于特定的机器人，其通用性较差。
[0005]又如，Wowffee公司的Rovio远端临场机器人在充电站上装有红外发射器,充电站利用红外发射器将红外光斑投射到天花板上，机器人装备的接收器利用三角法来测量位置和朝向，进而找到充电站的具体位置，实现与充电站的自动对接。但是在家庭和办公室环境中经常有椅子，桌子或者其它家具遮挡住机器人看向天花板的视线，这种情况下机器人无法找到充电站位置，其使用可靠性较差。
[0006]又如，ActiveMedia公司的Pioneer机器人采用激光扫描仪识别充电站的形状来找到充电站的具体位置，实现与充电站的自动对接，这种自主对接方法中的对接信号识别需要繁重的计算，激光扫描的运行功率也较高，其软硬件成本较高。
[0007]又如，Silverman等人采用视觉方法来辅助Pioneer2_DX机器人实现与充电站的自动对接。该方法需要在充电站上方的墙上张贴彩色纸张，并在机器人上安装一个PTZ摄像机用来寻找充电站。与之类似，Willow Garage公司开发了一个远端临场机器人，名为Texas机器人，该机器人采用彩色摄像机来寻找充电站，在充电站上放置有一系列的彩色圆环。这种采用视觉方法实现与充电站的自动对接需要稳定的光照条件以实现色彩模态的可靠识别，其使用可靠性较差。
【发明内容】
[0008]针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种实现成本低，且安装高度可任意调节，受环境因素影响小，从而具有较好通用性及使用可靠性的移动机器人自主充电装置及其自主充电方法。
[0009]为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种移动机器人自主充电装置，涉及内置有电池的移动机器人，该装置包括固定在落地物上的充电基座，及固定在移动机器人上的伴侣基座，其特征在于:
所述充电基座具有一红外发射腔，所述红外发射腔在朝前方向及左右方向上均对红外线开放，且红外发射腔的上下两侧腔壁均能隔断红外线，红外发射腔内固定有一竖置的发射端红外隔离板，该发射端红外隔离板将红外发射腔分隔成左右各一个发射子腔，该两个发射子腔内各置有一个红外发射器；
所述充电基座上置有红外信号发射电路，所述红外信号发射电路具有两个能输出相异信号的红外信号输出端口，该两个红外信号输出端口分别连接两个红外发射器；
所述伴侣基座具有一红外接收腔，所述红外接收腔在左、前、右三个方向上对红外线开放，且在上、下、后三个方向上能隔断红外线，红外接收腔内固定有一竖置的接收端红外隔离板，该接收端红外隔离板将红外接收腔分隔成左右各一个接收子腔，该两个接收子腔内各置有至少一个红外接收器；
所述伴侣基座上置有红外信号接收电路，所述红外信号接收电路具有多个红外信号接收端口，红外信号接收电路的各个红外信号输出端口分别连接各个红外接收器；
所述充电基座及伴侣基座上分置有能以水平向插拔方式分合的充电插头、充电插座。
[0010]进一步的，所述伴侣基座的前端置有三个按键能触碰到充电基座的微动开关，该三个微动开关从左至右弧形间隔布设。
[0011]进一步的，所述充电插头固定在充电基座上，充电插座则安装在伴侣基座上，充电插头的上下两端面上各固定有一个导电触片；
所述充电插座具有两个间隔布设且上下正对的滑动块，及用于驱使两个滑动块对向移动的弹簧，两个滑动块的对向端各固定有一个导电触片。
[0012]进一步的,两个滑动块迎合充电插头一侧的迎合面均为斜面,该两个迎合面的布设成前宽后窄的喇叭形。
[0013]进一步的，所述红外信号发射电路包括发射控制模块、电源连接件；
所述充电插头经一电流传感器、一充电控制继电器接到电源连接件，所述电源连接件接到外部电源；
所述发射控制模块具有传感信号输入端口、充电信号输出端口，及两个红外信号输出端口，发射控制模块的传感信号输入端口接到电流传感器的传感信号输出端，发射控制模块的充电信号输出端口接到充电控制继电器的控制线圈，发射控制模块的两个红外信号输出端口分别接到两个红外发射器。
[0014]进一步的，所述红外信号接收电路包括接收控制模块、电池连接件；
所述充电插座经一受电控制继电器接到电池连接件，所述电池连接件接到移动机器人的内置电池；
所述接收控制模块具有受电信号输出端口，及多个红外信号接收端口，三个对接信号输入端口，接收控制模块的受电信号输出端口接到受电控制继电器的控制线圈，接收控制模块的各个红外信号接收端口分别接到各个红外接收器，接收控制模块的三个对接信号输入端口分别接到三个微动开关。[0015]本发明所提供的移动机器人自主充电装置的自主充电方法，其特征在于，使充电基座上的两个红外发射器持续的发射红外信号，并使两个红外发射器发射的红外信号相
巳
升；
移动机器人需要充电时，执行以下步骤:
1)通过伴侣基座上的各个红外接收器，采用原地转动方式检测红外对接信号，所述红外对接信号是指充电基座上的两个红外发射器所发射的红外信号；
移动机器人检测到红外对接信号后，检测是否能同时收到两个红外发射器的红外信号，如果能同时收到两个红外发射器的红外信号，则转至步骤3，反之则转至步骤2 ；
2)移动机器人采用原地往复转动方式找出能检测到红外对接信号的两个临界角度，进而找出能检测到红外对接信号的扇形区域，该扇形区域的中心线所指方向即为红外对接信号的中心，然后使移动机器人先转动至伴侣基座的前侧面正对红外对接信号的中心，再朝向未收到红外对接信号的红外发射器方向转动一个对中调整角度，然后移动机器人再朝向伴侣基座的正前方向直线移动，直至能同时收到两个红外对接信号后转至步骤3 ；
其中，所述对中调整角度为预先设定的小于60度的阈值；
3)移动机器人检测所收到两个红外对接信号的信号强度是否一致，如果所收到两个红外对接信号强度一致，则转至步骤5，反之则转至步骤4 ；
4)移动机器人朝向所收到的红外对接信号强度大的一侧转动，直至所收到两个红外对接信号强度一致后转至步骤5 ；
5)移动机器人朝向自身前方移动，直至伴侣基座上的其中一个微动开关闭合后转至步骤6 ;
6)如果位于左侧的微动开关闭合，则移动机器人朝向右侧转动，直至位于中间的微动开关闭合后转至步骤7;
如果位于右侧的微动开关闭合，则移动机器人朝向左侧转动，直至位于中间的微动开关闭合后转至步骤7;
如果位于中间的微动开关闭合，则转至步骤7 ;
7)通过充电插头及充电插座向移动机器人的内置电池充电。
[0016]进一步的，移动机器人所收到两个红外对接信号强度一致后朝向自身前方移动过程中，移动机器人的移动速度与红外对接信号强度成反比。
[0017]进一步的，充电基座上的两个红外发射器所发射的红外信号是由低频控制信号叠加在高频载波上的红外调制信号。
[0018]进一步的，所述对中调整角度的值为20度。
[0019]本发明提供的移动机器人自主充电装置及其自主充电方法，利用充电基座上的两个红外发射器共同沿水平向发射红外对接信号，从而在充电基座前方形成三个信号区域，机器人通过伴侣基座上的红外接收器接收红外对接信号，并根据所属信号区域及所接收到的两个红外对接信号之间的强度差找到充电基座的具体位置，实现与充电基座的自动对接，该装置实现成本低，且对红外发射器及红外接收器的安装高度没有限制，不需要强制安装在机器人顶部，对机器人的结构设计没有限制，安装高度可根据不同规格的机器人任意调节，可用于各种规格的机器人，具有较好通用性，工作环境中的阻挡物及光照对其影响也较小，具有使用可靠性高的特点。进一步的，充电基座及伴侣基座通过连接件来连接机器人的内置电池及配套充电器，可供未配置有自主充电装置的移动机器人使用，进一步的拓展了其通用性。进一步的采用易于设置且在室内环境中工作稳定性高的红外调制信号作为对接信号，不仅可以屏蔽掉来自阳光、日光灯、加热系统设备的红外干扰，而且红外调制信号可以传输字节型数据信息，调制和解调过程也不需要繁重的计算，红外调制信号的传输功率也较低，与激光扫描仪、声纳等相比较，实现成本较低，使用安全性也高，能在家庭和办公室环境下可靠的工作，即使有孩童或者宠物的家庭环境也适合使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明实施例的移动机器人自主充电装置的结构示意图；
图2是本发明实施例的移动机器人自主充电装置中的充电插座的结构示意图；
图3是本发明实施例的移动机器人自主充电装置中的红外信号发射电路的电路图；
图4是本发明实施例的移动机器人自主充电装置中的红外信号接收电路的电路图；
图5a是本发明实施例的移动机器人自主充电装置的红外信号覆盖区域示意图；
图5b是本发明实施例的移动机器人自主充电装置的寻位示意图；
图6是本发明实施例的移动机器人自主充电装置的定位原理图；
图7是本发明实施例的移动机器人自主充电装置中的红外发射器所发射的红外调制信号的示意图；
图8是本发明实施例的移动机器人自主充电装置测试时的移动机器人移动轨迹图。【具体实施方式】
[0021]以下结合【专利附图】
【附图说明】对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
[0022]如图1-图2所示，本发明实施例所提供的一种移动机器人自主充电装置，涉及内置有电池的移动机器人，该装置包括固定在落地物上的充电基座10，及固定在移动机器人上的伴侣基座20，其特征在于:
所述充电基座10具有一红外发射腔11，所述红外发射腔11在左、前、右三个方向上对红外线开放，且在上、下、后三个方向上能隔断红外线，红外发射腔11内固定有一竖置的发射端红外隔离板12，该发射端红外隔离板12将红外发射腔分隔成左右各一个发射子腔，该两个发射子腔内各置有一个红外发射器13 ；
所述充电基座10上置有红外信号发射电路，所述红外信号发射电路具有两个能输出相异信号的红外信号输出端口，该两个红外信号输出端口分别连接两个红外发射器11 ;
所述伴侣基座20具有一红外接收腔21，所述红外接收腔21在朝前方向及左右方向上均对红外线开放，且红外接收腔21的上下两侧腔壁均能隔断红外线，红外接收腔21内固定有一竖置的接收端红外隔离板22，该接收端红外隔离板22将红外接收腔分隔成左右各一个接收子腔，该两个接收子腔内各置有至少一个红外接收器23 ；
所述伴侣基座20上置有红外信号接收电路，所述红外信号接收电路具有多个红外信号接收端口，红外信号接收电路的各个红外信号输出端口分别连接各个红外接收器23 ；所述伴侣基座20的前端置有三个按键能触碰到充电基座的微动开关25，该三个微动开关25从左至右弧形间隔布设； 所述充电基座10及伴侣基座20上分置有能以水平向插拔方式分合的充电插头14、充电插座，其中的充电插头14固定在充电基座上10，充电插座则安装在伴侣基座20上，充电插头14的上下两端面上各固定有一个导电触片；
所述充电插座包括分别固定在伴侣基座上的上下各一个套筒241，及分别活动安装在上下套筒241内的上下各一个滑动块242，两个滑动块242间隔布设且上下正对，两个滑动块242的对向端分别伸至套筒241外部，且两个滑动块241的对向端各固定有一个导电触片243，每个套筒241内均置有用于驱使该套筒内的滑动块242朝向另一滑动块方向移动的弹簧244，每个套筒均与该套筒内的滑动块具有相互配合的用于限制滑动块整体脱出套筒的限位结构，两个滑动块迎合充电插头一侧的迎合面均为斜面，该两个迎合面的布设成前宽后窄的喇叭形，以便于充电插头插入。
[0023]如图3所示，本发明实施例中，所述红外信号发射电路包括发射控制模块U11、电源连接件J11、插头连接件J12 ；
所述充电插头的两个导电触片分别接到插头连接件J12的两个端脚，插头连接件J12经一电流传感器U12、一充电控制继电器JDl I接到电源连接件Jl I，电源连接件Jl I接到外部电源(移动机器人配套充电器);
所述发射控制模块Ull具有传感信号输入端口 A03、充电信号输出端口 P06，及两个红外信号输出端口 P09、P10，发射控制模块Ull的传感信号输入端口 A03接到电流传感器U12的传感信号输出端Vout，发射控制模块Ull的充电信号输出端口 P06接到充电控制继电器JDll的控制线圈，发射控制模块Ull的两个红外信号输出端口 P09、P10通过两个电气连接件J13、J14分别接到两个红外发射器Q11、Q12 (Q11、Q12在图1中标记为13)；
所述发射控制模块Ull采用的是Arduino微处理模块，电流传感器采用的是型号为ACS712的线性电流传感器，该电流传感器用于检测充电状态。
[0024]如图4所示，本发明实施例中，所述红外信号接收电路包括接收控制模块U21、电池连接件J21、插座连接件J22 ；
所述充电插座的两个导电触片分别接到插座连接件J22的两个端脚，插座连接件J22经一受电控制继电器JD21接到电池连接件J21，电池连接件J21接到移动机器人的内置电池；
所述接收控制模块U21具有受电信号输出端口 P06，及多个红外信号接收端口 AD3、AD5，三个对接信号输入端口 P08、P09、P10，接收控制模块U21的受电信号输出端口 P06接到受电控制继电器JD21的控制线圈，接收控制模块U21的各个红外信号接收端口 AD3、AD5通过两个电气连接件J23、J24分别接到各个红外接收器Q21、Q22、Q23、Q24 (Q21、Q22、Q23、Q24在图1中标记为23)，接收控制模块U21的三个对接信号输入端口 P08、P09、P10通过一个电气连接件J25分别接到三个微动开关；
所述接收控制模块U21采用的是Arduino微处理模块。
[0025]如图5a所示，本发明实施例的移动机器人自主充电装置中，充电基座上的两个红外发射器13发射红外信号时，在发射端红外隔离板12的挡隔下，红外信号的覆盖区域从左至右分为A1、A2、A3三个区域，左侧的Al区域只有左红外发射器13的信号，右侧的A3区域只有右红外发射器13的信号，而中间的A2区域则同时存在两个红外发射器13的信号。
[0026]本发明实施例所提供的移动机器人自主充电装置的自主充电方法，其特征在于，使充电基座上的两个红外发射器持续的发射红外信号，并使两个红外发射器发射的红外信号相异；
移动机器人需要充电时，执行以下步骤:
1)通过伴侣基座上的各个红外接收器，采用原地转动方式检测红外对接信号，所述红外对接信号是指充电基座上的两个红外发射器所发射的红外信号；
移动机器人检测到红外对接信号后，检测是否能同时收到两个红外发射器的红外信号，如果能同时收到两个红外发射器的红外信号，则转至步骤3，反之则转至步骤2 ；
2)此时伴侣基座的前侧面朝向充电基座，且伴侣基座位于充电基座左侧只能接收到左红外发射器信号的Al区域，或位于充电基座右侧只能接收到右红外发射器信号的A3区域，因为左右红外发射器发射的信号相异，所以机器人可以根据所接受到的红外信号内容来判断当前位于Al还是A3区域；
移动机器人采用原地往复转动方式找出能检测到红外对接信号的两个临界角度，进而找出能检测到红外对接信号的扇形区域，该扇形区域的中心线所指方向即为红外对接信号的中心，然后使移动机器人先转动至伴侣基座的前侧面正对红外对接信号的中心，再朝向未收到红外对接信号的红外发射器方向转动一个对中调整角度，该对中调整角度为预先设定的小于60度的阈值，其优选值为20度，然后移动机器人再朝向伴侣基座的正前方向直线移动，直至能同时收到两个红外对接信号后转至步骤3 ;
t匕如，移动机器人收到的红外对接信号来自左红外发射器，则向右红外发射器方向转动一个对中调整角度，移动机器人收到的红外对接信号来自右红外发射器，则向左红外发射器方向转动一个对中调整角度；
如图5b所示，假定移动机器人当前位置R位于充电基座左侧只能接收到左红外发射器信号的Al区域内，伴侣基座的前侧面正对指向红外对接信号中心的方向RC，移动机器人朝向右红外发射器方向转动一个对中调整角度Θ后，伴侣基座的前侧面正对方向RB，该方向RB指向中间能同时收到两个红外发射器的红外信号的A2区域，然后移动机器人沿方向RB直线移动，直至进入能同时收到两个红外对接信号的红外覆盖区域A2 ;如果移动机器人处于充电基座右侧只能接收到右红外发射器信号的A3区域内，则移动机器人转动的对中调整角度相同但方向相反；
3)此时伴侣基座的前侧面朝向充电基座，且伴侣基座位于能同时收到两个红外发射器信号的A2区域；
移动机器人检测所收到两个红外对接信号的信号强度是否一致，如果所收到两个红外对接信号强度一致，则转至步骤5，反之则转至步骤4 ；
4)此时伴侣基座位于充电基座的正前方，并处于图6a或图6c所示的伴侣基座的前侧面侧对充电基座的状态；
移动机器人朝向所收到的红外对接信号强度大的一侧转动，直至所收到两个红外对接信号强度一致后转至步骤5 ；
5)此时伴侣基座位于充电基座的正前方，并处于图6b所示的伴侣基座的前侧面正对充电基座的状态；
移动机器人朝向自身前方移动，直至伴侣基座上的其中一个微动开关闭合后转至步骤6，移动机器人的移动速度与红外对接信号强度成反比，以降低移动机器人对充电基座的冲击;
6)如果位于左侧的微动开关闭合,则表明充电插座与充电插头未完全对接，移动机器人朝向右侧转动，直至位于中间的微动开关闭合后转至步骤7 ；
如果位于右侧的微动开关闭合，则表明充电插座与充电插头未完全对接，移动机器人朝向左侧转动，直至位于中间的微动开关闭合后转至步骤7 ；
如果位于中间的微动开关闭合，则表明充电插座与充电插头完全对接，则转至步骤7 ；
7)通过充电插头及充电插座向移动机器人的内置电池充电。
[0027]出于安全原因，只有当充电插座与充电插头完全对接后，充电插头上的导电触片才会有充电电流通过，为实现该安全功能，一个+5v的低压直流电信号作用在充电插座充电触片上，充电插座与充电插头完全对接后，充电插头上的发射控制模块检测到该+5v电信号，发射控制模块随即控制充电控制继电器的开关刀闭合，使得充电插头与外部电源(移动机器人配套充电器)导通。
[0028]本发明实施例中，充电基座上的两个红外发射器所发射的红外信号是由低频控制信号叠加在高频载波(例如38kHz)上的红外调制信号，伴侣基座上的各个红外接收器调谐到与高频载波一致的频率，以忽略掉环境噪音，避免阳光、灯泡、加热器等环境因素的红外干扰。
[0029]红外发射器所发射的红外调制信号属于相位距离调制，该红外调制信号的信号格式为:起始位+地址位+命令位+截止位；其中，起始位采用连续的4ms高电平+Ims低电平表述，截止位采用连续的2ms高电平表述，地址位采用4位二进制数表述，命令位采用6位二进制数表述，二进制I采用连续的Ims高电平+2ms低电平表述，二进制O采用连续的Ims高电平+3ms低电平表述；使充电基座上的两个红外发射器发射的红外调制信号中包含不同的字符串，即可使移动机器人分辨出接收到的是哪个红外发射器所发射的信号。
[0030]如图7为红外发射器所发射的包含有二进制字符串1001100100的红外调制信号实例示意图，该图中的I7Ol区域为起始位，F02区域为地址位，F03区域为命令位，F04区域为截止位，BI区域表示二进制I, B2区域表示二进制O。
[0031]本发明实施例中，充电插座及充电插头均采用导电触片实现面接触，并利用弹簧增加接合可靠性，以保证充电插座与充电插头接合牢靠。
[0032]本发明实施例可根据不同规格的移动机器人调整充电基座及伴侣基座的安装高度，可适用于多种规格的移动机器人。
[0033]本发明实施例在现有的多种移动机器人(比如现有的差分移动机器人Pioneer3-DX、现有的全向移动机器人Rio)上进行了自主充电测试，均取得了较好效果；
其中，现有的差分移动机器人Pioneer 3-DX的内置电池为传统的铅酸电池，生产商所提供的配套充电器的输出规格为14伏，4安培直流电，测试过程中该移动机器人置于不同的开始位置时，都会首先移动到充电基座正前方能同时收到两个红外发射器信号的A2区域，然后朝充电基座直线移动直至充电插座与充电插头完全对接；
图8是本发明实施例的移动机器人自主充电装置安装在现有的差分移动机器人Pioneer 3-DX上测试时的移动机器人移动轨迹图，该图中X轴及Y轴为位置坐标的横数轴及纵数轴，TO为充电基座所在位置，T1、T2、T3、T4、T5、T6为各次测试中的机器人所在的初始位置，如图8所示，不论移动机器人从何位置出发，都会首先移动到充电基座正前方能同时收到两个红外发射器信号的A2区域，然后朝充电基座直线移动直至充电插座与充电插头完全对接。
[0034]现有的全向移动机器人Rio具有4个驱动轮，每个轮子具备侧向的直接移动能力，该移动机器人配备14.4伏，0.38千瓦时的锂离子电池，本发明实施例的移动机器人自主充电装置安装在该移动机器人上测试时，该移动机器人的移动轨迹与差分移动机器人Pioneer 3-DX的移动轨迹类似。
[0035]测试结果表明无论是差分运动机器人还是全向移动机器人，无论配备的是传统的铅酸蓄电池还是锂离子电池，本发明实施例的移动机器人自主充电装置均可以正常的工作。
【权利要求】
1.一种移动机器人自主充电装置，涉及内置有电池的移动机器人，该装置包括固定在落地物上的充电基座，及固定在移动机器人上的伴侣基座，其特征在于: 所述充电基座具有一红外发射腔，所述红外发射腔在左、前、右三个方向上对红外线开放，且在上、下、后三个方向上能隔断红外线，红外发射腔内固定有一竖置的发射端红外隔离板，该发射端红外隔离板将红外发射腔分隔成左右各一个发射子腔，该两个发射子腔内各置有一个红外发射器； 所述充电基座上置有红外信号发射电路，所述红外信号发射电路具有两个能输出相异信号的红外信号输出端口，该两个红外信号输出端口分别连接两个红外发射器； 所述伴侣基座具有一红外接收腔，所述红外接收腔在朝前方向及左右方向上均对红外线开放，且红外接收腔的上下两侧腔壁均能隔断红外线，红外接收腔内固定有一竖置的接收端红外隔离板，该接收端红外隔离板将红外接收腔分隔成左右各一个接收子腔，该两个接收子腔内各置有至少一个红外接收器； 所述伴侣基座上置有红外信号接收电路，所述红外信号接收电路具有多个红外信号接收端口，红外信号接收电路的各个红外信号输出端口分别连接各个红外接收器； 所述充电基座及伴侣基座上分置有能以水平向插拔方式分合的充电插头、充电插座。
2.根据权利要求1所述的移动机器人自主充电装置，其特征在于:所述伴侣基座的前端置有三个按键能触碰到充电基座的微动开关，该三个微动开关从左至右弧形间隔布设。
3.根据权利要求1或2所述的移动机器人自主充电装置，其特征在于:所述充电插头固定在充电基座上， 充电插座则安装在伴侣基座上，充电插头的上下两端面上各固定有一个导电触片； 所述充电插座具有两个间隔布设且上下正对的滑动块，及用于驱使两个滑动块对向移动的弹簧，两个滑动块的对向端各固定有一个导电触片。
4.根据权利要求3所述的移动机器人自主充电装置，其特征在于:两个滑动块迎合充电插头一侧的迎合面均为斜面，该两个迎合面的布设成前宽后窄的喇叭形。
5.根据权利要求1或2所述的移动机器人自主充电装置，其特征在于:所述红外信号发射电路包括发射控制模块、电源连接件； 所述充电插头经一电流传感器、一充电控制继电器接到电源连接件，所述电源连接件接到外部电源； 所述发射控制模块具有传感信号输入端口、充电信号输出端口，及两个红外信号输出端口，发射控制模块的传感信号输入端口接到电流传感器的传感信号输出端，发射控制模块的充电信号输出端口接到充电控制继电器的控制线圈，发射控制模块的两个红外信号输出端口分别接到两个红外发射器。
6.根据权利要求1或2所述的移动机器人自主充电装置，其特征在于:所述红外信号接收电路包括接收控制模块、电池连接件； 所述充电插座经一受电控制继电器接到电池连接件，所述电池连接件接到移动机器人的内置电池； 所述接收控制模块具有受电信号输出端口，及多个红外信号接收端口，三个对接信号输入端口，接收控制模块的受电信号输出端口接到受电控制继电器的控制线圈，接收控制模块的各个红外信号接收端口分别接到各个红外接收器，接收控制模块的三个对接信号输入端口分别接到三个微动开关。
7.根据权利要求2所述的移动机器人自主充电装置的自主充电方法，其特征在于，使充电基座上的两个红外发射器持续的发射红外信号，并使两个红外发射器发射的红外信号相异； 移动机器人需要充电时，执行以下步骤: 1)通过伴侣基座上的各个红外接收器，采用原地转动方式检测红外对接信号，所述红外对接信号是指充电基座上的两个红外发射器所发射的红外信号； 移动机器人检测到红外对接信号后，检测是否能同时收到两个红外发射器的红外信号，如果能同时收到两个红外发射器的红外信号，则转至步骤3，反之则转至步骤2 ; 2)移动机器人采用原地往复转动方式找出能检测到红外对接信号的两个临界角度，进而找出能检测到红外对接信号的扇形区域，该扇形区域的中心线所指方向即为红外对接信号的中心，然后使移动机器人先转动至伴侣基座的前侧面正对红外对接信号的中心，再朝向未收到红外对接信号的红外发射器方向转动一个对中调整角度，然后移动机器人再朝向伴侣基座的正前方向直线移动，直至能同时收到两个红外对接信号后转至步骤3 ； 其中，所述对中调整角度为预先设定的小于60度的阈值； 3)移动机器人检测所收到两个红外对接信号的信号强度是否一致，如果所收到两个红外对接信号强度一致，则转至步骤5，反之则转至步骤4 ； 4)移动机器人朝向所收到的红外对接信号强度大的一侧转动，直至所收到两个红外对接信号强度一致后转至步骤5 ； 5)移动机器人朝向自身前方移动，直至伴侣基座上的其中一个微动开关闭合后转至步骤6; 6 )如果位于左侧的微动开关闭合，则移动机器人朝向右侧转动，直至位于中间的微动开关闭合后转至步骤7; 如果位于右侧的微动开关闭合，则移动机器人朝向左侧转动，直至位于中间的微动开关闭合后转至步骤7; 如果位于中间的微动开关闭合，则转至步骤7 ; 7)通过充电插头及充电插座向移动机器人的内置电池充电。
8.根据权利要求7所述的移动机器人自主充电装置的自主充电方法，其特征在于:移动机器人所收到两个红外对接信号强度一致后朝向自身前方移动过程中，移动机器人的移动速度与红外对接信号强度成反比。
9.根据权利要求7或8所述的移动机器人自主充电装置的自主充电方法，其特征在于:充电基座上的两个红外发射器所发射的红外信号是由低频控制信号叠加在高频载波上的红外调制信号。
10.根据权利要求7或8所述的移动机器人自主充电装置的自主充电方法，其特征在于:所述对中调整角度的值为20度。
【文档编号】G05D1/02GK103997082SQ201410158874
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】伍小军, 刘冰冰 申请人:伍小军, 刘冰冰
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