移动巡检极地机器人自主充电系统及其方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于极地机器人领域。
【背景技术】
[0002]目前针对移动极地机器人自主充电技术采用多种传感器融合的方案。比如，家庭扫地极地机器人实现自主充电功能的技术方案需要激光传感器、红外传感器、超声波传感器等;室外移动极地机器人自主充电方案除了需要上述传感器外还需要加装GPS，有的需要在地面上铺设引导线。
[0003]上述方案针对结构化的应用场景，需要对应用环境做比较大的改造。部分进口传感器价格昂贵，而且在恶劣环境中，效果很差。激光传感器测量距离有限，要求工作环境中一定距离内有结构化的物体能够反射传感器发射的激光，在空旷地带没有反射物时无法工作。室外高精度激光传感器价格十分昂贵，其体积和重量也比较大，其应用是需要将传感器固定应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供移动巡检极地机器人自主充电系统及其方法，能够应用在南极科考站的电力系统巡检。与常见的电站巡检系统相比，本发明工作环境温度极低，最低可至IJ-40摄氏度;本发明应用多边形匹配算法对摄像机所捕捉到的所有物体的图像进行形状对比处理，找出符合所述目标物体形状的图像，可以很好的应用在巡检路线空旷的环境下，不用设定固定的物体反射激光、超声波、红外等传感器发出的信号。
[0005]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]移动巡检极地机器人自主充电系统，其特征在于:包括极地机器人、设置进出口的充电仓仓体和相应设于进出口外侧的坡道，极地机器人设有充电头、机器人主控芯片、接触传感器、磁钉传感器、电机、摄像机和摄像机云台，接触传感器、磁钉传感器、电机、摄像机和摄像机云台均与机器人主控芯片电连接;所述摄像机设于摄像机云台上;充电仓仓体内设有电池和用于与充电头相接触并对极地极地机器人充电的充电座，电池与充电座电连接；坡道的进入端的横向侧边设有第一目标物体，进出口处设有第二目标物体，充电座的侧边设有第三目标物体。
[0007]所述充电座包括固设在充电仓仓体内的座板、一端与座板固定连接的横杆、与座板间隔设置的簧片安装板和簧片安装板上设置的充电簧片，所述横杆另一端穿过簧片安装板且固设有挡板，座板与簧片安装板之间设有套设在横杆外圈的弹簧。
[0008]基于所述的移动巡检极地机器人自主充电系统的移动巡检极地机器人自主充电方法，包括以下步骤:
[0009]步骤I:极地机器人搜索目标步骤如下:
[0010]步骤Al:对目标物体进行描述，即将目标物体的形状特征录入极地机器人的主控芯片中；
[0011]步骤B1:机器人主控芯片控制摄像机云台匀速缓慢转动摄像机，使摄像机捕捉到极地机器人周边所有物体的图像；
[0012]步骤Cl:机器人主控芯片通过多边形匹配算法对摄像机所捕捉到的所有物体的图像进行形状对比处理，找出符合所述目标物体形状的图像；
[0013]步骤Dl:如未找出符合所述目标物体形状的图像则执行步骤BI;如已经找出符合所述目标物体形状的图像则执行步骤El;
[0014]步骤El:机器人主控芯片控制摄像机云台使摄像机正对目标物体；
[0015]步骤Fl:机器人主控芯片控制摄像机调整摄像焦距，使目标物体的成像大小适中，机器人主控芯片根据摄像机的焦距信息计算出极地机器人距离目标物体的大致距离；
[0016]步骤Gl:机器人主控芯片停止摄像机云台的运动，使摄像机正对目标物体;极地机器人完成搜索目标物体的步骤；
[0017]步骤2:极地机器人自动转向，使极地机器人的前方正对目标物体，具体步骤如下:
[0018]步骤A2:机器人主控芯片根据摄像机云台偏转角度计算出极地机器人需要转动的方向、转角和转动速度；
[0019]步骤B2:机器人主控芯片控制极地机器人上的电机使极地机器人转向；
[0020]步骤C2:机器人主控芯片根据摄像机捕捉的图像来判断是否因转向过头而使摄像机丢失目标物体;是，则执行步骤A2;否则执行步骤D2;
[0021 ]步骤D2:执行步骤I极地机器人再次搜索目标物体；
[0022]步骤E2:判断极地机器人前方是否已经正对目标物体;是，则执行步骤F2;否，则执行步骤A2;
[0023]步骤F2:极地机器人完成自动转向，使极地机器人的前方正对目标物体的步骤；
[0024]步骤3:极地机器人向目标物体前进运动，具体步骤如下:
[0025]步骤A3:机器人主控芯片控制电机使极地机器人向前或者向后运动，调整极地机器人位置；
[0026]步骤B3:机器人主控芯片根据摄像机捕捉到的图像来判断是否丢失目标物体;是，则执行步骤C3;否，则执行步骤A3;
[0027]步骤C3:执行步骤I极地机器人再次搜索目标；
[0028]步骤D3:执行步骤2使极地机器人的前方正对目标物体；
[0029]步骤E3:机器人主控芯片判断摄像机焦距的放大倍数是否已经设置为最小；是，则执行步骤F3;否，则执行步骤A3;
[0030]步骤F3:极地机器人到达目标物体，完成极地机器人向目标物体前进运动的步骤；
[0031]步骤4:极地机器人判断需要进行充电动作，并开始执行充电步骤；
[0032]步骤5:极地机器人控制摄像机云台搜索充电仓仓体门口的第一目标物体:首先执行步骤I极地机器人搜索第一目标物体;其次执行步骤2极地机器人转向使极地机器人前方正对第一目标物体;再次执行步骤3极地机器人向第一目标物体前进；
[0033]步骤6:极地机器人到达第一目标物体，并更换目标物体为第二目标物体:首先执行步骤I极地机器人搜索第二目标物体;其次执行步骤2极地机器人转向使极地机器人前方正对第二目标物体;再次执行步骤3极地机器人向第二目标物体前进；
[0034]步骤7:极地机器人到达第二目标物体，并更换目标物体为第三目标物体:首先执行步骤I极地机器人搜索第三目标物体;其次执行步骤2极地机器人转向使极地机器人前方正对第三目标物体;再次执行步骤3极地机器人向第三目标物体前进；
[0035]步骤8:极地机器人尚未达第三目标物体时，机器人主控芯片控制磁钉传感器检测磁钉的信号，如检测到磁钉的信号则执行步骤9;如未检测到磁钉的信号则继续执行步骤8;
[0036]步骤9:机器人主控芯片控制电机降低极地机器人的前进速度；
[0037]步骤10:极地机器人尚未达第三目标物体时，机器人主控芯片控制接触传感器检测触点接触信号，如检测到触点接触信号则执行步骤11;如未检测到触点接触信号则继续执行步骤10;
[0038]步骤11:极地机器人停止运动；
[0039]步骤12:机器人主控芯片将供电切换为外部电源供电；
[0040]步骤13:机器人主控芯片使能充电电路，开始对电池充电。
[0041]本发明所述的移动巡检极地机器人自主充电系统及其方法，能够应用在南极科考站的电力系统巡检。与常见的电站巡检系统相比，本发明工作环境温度极低，最低可到-40摄氏度;为防止充电仓被雨雪淹没，设计高于地面，且有一个斜坡，斜坡表面具有防滑材料和花纹。充电仓内壁有一个充电座。充电座突出部分上有四块充电簧片，充电簧片与充电仓内壁有弹簧连接，具有缓冲作用。极地机器人外壁装有四个金属触点，分别对应充电座上充电簧片。在充电仓上若干位置装有图像识别的标志物，且每个标志物都不相同。极地机器人可以通过识别不同标志物，确定本体与充电仓的相对位置。
[0042]本发明采用基于图像识别的自主充电方案。系统安装调试过程中，在应用现场安装若干目标物体。目标物体根据现场环境以及图像识别算法具有容易识别且不会混淆的特征。极地机器人通过程序设定，依次通过摄像头图像识别寻找目标物体，由远及近地接近充电仓的入口。在充电仓入口处，通过计算目标物体与极地机器人本体之间的夹角，调节极地机器人位姿，使极地机器人对准充电仓入口。极地机器人进入充电仓时，调节极地机器人位姿，保持正对充电仓。极地机器人检测到与充电接口对接成功时，立刻停止。
【附图说明】
[0043]图1是本发明的结构图；
[0044]图2是本发明的充电状态结构图；
[0045]图3是本发明的充电座内部结构图；
[0046]图4是控制模块的结构示意图；
[0047]图5是控制模块与履带行走模块连接状态的结构示意图；
[0048]图6是本发明的极地机器人搜索目标流程图；
[0049]图7是本发明的极地机器人正对目标物体流程图；
[0050]图8是本发明的极地机器人向目标物体前进流程图；
[0051 ]图9是本发明的极地机器人充电流程图；
[0052]图中:极地机器人1、充电仓仓体2、坡道3、充电头4、接触传感器5、磁钉传感器6、摄像机云台7、充电座8、第一目标物体9、第二目标物体1和第三目标物体11、磁钉12、座板13、横杆14、簧片安装板15、充电簧片16、挡板17、弹簧18、进出口 19、天线20、充电电池21、摄像机22、加热片模块23、继电器24、温控器25、履带行走模块26、连接柱27、内壁28、外壳29、聚氣酷保温层30