CN103645733A - 自寻充电机器人及其自寻充电系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自寻充电机器人及其自寻充电系统和方法，该机器人至少包括：红外接收模块，接收充电站的红外目标跟踪信号与红外目标对接信号，以通过目标搜索、目标跟踪和目标对接三个阶段，实现与充电站的自主对接；视频采集模块，获取人脸检测和情感识别所需信息及环境感知和异常检测所需信息；里程测量装置，测量机器人行走的里程信息；运动装置，接收主控系统的命令以驱动机器人行走，在行走过程中完成超声波测距并回馈给主控系统以进行后续控制，在机器人服务过程中及时检测电池电量并回馈给主控系统以判断是否需充电；主控系统将获得的信息融合以对机器人进行控制，通过本发明，可快速实现机器人与充电站可靠对接，提高对接成功率。

Description

自寻充电机器人及其自寻充电系统和方法

技术领域

本发明涉及机器人充电领域，特别是涉及一种自寻充电机器人及其自寻充电系统和方法。

背景技术

家庭服务智能机器人是一个典型的机电一体化系统，它融合了机械、电子、传感器、计算机软件硬件、模式识别、人工智能、工业设计等众多先进技术，是智能机器人目前研究的一个重要热点。但家庭机器人所携带的可充电电池持续时间较短，无法保证服务机器人的不间断工作，给实际应用带来很大的不便。目前在世界范围研发的家庭服务机器人的应用越来越广泛，为了解决困扰家庭服务机器人发展的电能问题，必须发展智能充电技术。

对于机器人的自动充电，国内外的不同厂家提供了很多的解决方案，如美国的ROOMBA产品、伊莱克斯的三叶虫、韩国的irobot、国内的一些厂家和院校也提供了不同的解决方案。归结他们的方案，分为以下几种：韩国厂家利用图像识别来完成自动充电的方案，ROOMBA利用充电座发射两束引导光以及自身的360度接收装置来完成机器人的充电引导，伊莱克斯的三叶虫和国内的一些厂家利用贴墙回归外加充电站发射信号（电磁或者红外线）引导完成机器人的自主充电。这些机器人充电机构定位不精确、受震动影响大、结构复杂、安全系数小，贴墙回归对于复杂的室内环境回归时间长，而且需要机器人具有分辨墙壁和孤岛障碍物的能力；图像识别的自充电方法需要高精度的视频获取和识别系统，识别时间长，运行成本高；ROOMBA只适合清扫机器人等简单产品的自主充电过程。

申请号为200610048955.X的中国专利申请公开了一种机器人自动充电方法及其自动充电装置，其通过寻找充电站上红外导引信号，计算充电站相对于机器人的距离和角度，利用机器人的移动控制机构将机器人移动到充电站的合适位置，完成机器人的对接电极与充电站的充电电极对接，完成机器人的自充电。

然而，该专利申请存在如下缺点：该专利申请中的机器人采用随机行走寻找红外信号效率低甚至可能无法收到红外信号，在复杂地形比如房间较多家具较多可能会在电池能量耗尽前无法寻找到充电站而导致电池过度放电损坏电池或停机，同时，由于该专利申请需要使用三个红外发射器，一是区分接收到的红外信号来自哪个红外发射器技术复杂，且若有障碍物阻挡可能会很难寻找到部分红外信号，二则容易造成充电机构定位不准确。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之主要目的在于提供一种自寻充电机器人及其自寻充电系统和方法，可实现机器人与充电站的快速自主对接，改进了现有机器人充电机构定位不精确的缺点，具有稳定性好、效率高的优点。

为达上述及其它目的，本发明提出一种自寻充电机器人，至少包括：

红外接收模块，包括两个红外接收器，接收充电站的红外目标跟踪信号与红外目标对接信号，于接收到信号后，将解码内容和强度信息传送给主控系统进行进一步分析处理，以通过目标搜索、目标跟踪和目标对接三个阶段，实现与充电站的自主对接；

视频采集模块，获取人脸检测和情感识别所需信息及环境感知和异常检测所需信息，并将其送至该主控系统；

里程测量装置，测量机器人行走里程并将里程信息上传给该主控系统进行处理；

运动装置，接收该主控系统的命令以驱动机器人行走，在行走过程中完成超声波测距并回馈给该主控系统以进行后续控制，在机器人服务过程中及时检测电池电量并回馈给该主控系统以判断是否需要进行充电；

主控系统，控制机器人其他各部分协调工作，将该视频采集模块、该运动装置的超声波测距信息、电量检测采集到的信息及里程信息进行融合，以对机器人进行控制。

进一步地，该机器人还包括头部动作装置，该头部动作装置用于接收该主控系统的命令进行头部俯仰和左右旋转。该视频采集模块包括第一视频采集装置及第二视频采集装置，该第一视频采集装置包括一普通单目摄像头及其采集电路，用于获取人脸检测和情感识别所需信息，该第二视频采集装置包含一广角单目摄像头及其采集电路，用于获取环境感知和异常检测所需信息，第一视频采集装置及第二视频采集装置安装于该机器人头部，其位置改变受控于该头部动作装置。

进一步地，该运动装置包括底盘驱动器、电机驱动模块、两个直流电机、两个驱动轮及传动机构、万向轮及传动机构、电池组、超声波传感器、电量检测及充电模块，该底盘驱动器于接收到该主控系统的控制命令后，驱动该电机驱动模块控制两个电机进行相应动作，两个驱动轮及传动结构在两个电机的作用下驱动机器人行走，并通过万向轮及传动机构使得机器人实现零半径转向，该超声波传感器用于检测外部障碍物到机器人的距离，该电量检测及充电模块及时检测该电池组电量并回馈给该主控系统以判断是否需要进行充电。

为达到上述目的，本发明还提供一种机器人自寻充电系统，包括机器人及充电站，该机器人至少包括运动装置、两个红外接收传感器、超声波感应器、充电电池及充电端子，该机器人通过该超声波感应器对环境中的障碍物进行感知定位，通过其具有的两个红外接收传感器接收该充电站的红外目标跟踪信号与红外目标对接信号，通过目标搜索、目标跟踪和目标对接三个阶段，实现与充电站的自主对接；该充电站通过目标跟踪红外发射器和目标对接红外发射器发射红外目标跟踪信号和红外目标对接信号与该机器人实现自主对接，于对接成功后，该充电站对该机器人的充电电池进行充电，在充电完成后或收到强制命令后断开连接释放该机器人。

进一步地，该充电站包括：

充电站主控系统，包括微控制器及其外围电路，控制红外发射器的频率和功率，控制各模块协调工作；

充电站电源模块，在该充电站主控系统的控制下将工频交流电转换成供给机器人电池充电所使用的直流电，并产生充电站各模块所需直流电；

充电站充电控制器模块，包括充电电路、充电控制电路以及充电端子，于机器人与充电站对接成功后，该充电控制电路控制充电电路对该机器人的充电电池进行快速充电，在电池电量达到设定值后转入涓流充电模式，当充电完毕后，在该充电站主控系统控制下，使充电控制器模块及时停止充电，该机器人脱离充电站；

红外发射模块，包括目标跟踪红外发射器和目标对接红外发射器，该目标跟踪红外发射器用于机器人在较远的区域寻找充电站，该目标对接红外发射器用于机器人近距离内搜索充电站。

为达到上述目的，本发明还提供一种机器人自寻充电方法，包括如下步骤：

步骤一，实时记录机器人位置及方向，并检测该机器人的电源电压，于该电源电压小于一额定电压时，该机器人进入自寻充电模式；

步骤二，利用里程测量装置的粗糙位置信息检查该机器人的位置；

步骤三，若该机器人旋转一周后仍然接收不到充电站的目标跟踪红外发射器发射的红外目标跟踪信号，则机器人利用自身携带的传感器感知环境，同时定位并创建地图，进行该充电站的目标搜索，确定该充电站的位置进行路径规划，并朝向该充电站运动；

步骤四，当机器人上安装的两个红外接收器中任意一个接收到该充电站的目标跟踪红外发射器发射的红外目标跟踪信号时，机器人转入基于红外方向信号的目标跟踪阶段，进行路径规划，进一步向充电站靠近；

步骤五，当该机器人接收到该充电站的目标对接红外发射器发射的红外目标对接信号时，则该机器人与该充电站进行近程对接；

步骤六，若对接成功，则充电站主控系统控制充电站充电控制器模块工作，对该机器人的充电电池进行充电，否则返回步骤四继续目标跟踪；

步骤七，当检测到电源电压大于或等于一设定值时，则在该充电站主控系统控制下，使该充电站充电控制器模块及时停止充电，该机器人脱离该充电站。

进一步地，于步骤三及步骤四中，路径规划为避障路径规划，其包括如下步骤： 

步骤6.1根据初始的机器人控制量进行状态估计，并基于概率扫描匹配同时进行定位与地图创建，给出任意时刻该机器人的位姿；

步骤6.2利用超声波传感器进行环境障碍物检测，对获得的环境障碍物检测结果采用向量映射法在栅格化的环境信息基础上有效地创建障碍物的占据栅格地图，在考虑机器人的实际大小和传感器的不确定性基础上，通过栅格障碍物加权进行障碍物膨胀，建立障碍点集，并对相邻障碍物进行融合，形成障碍物边界集；

步骤6.3根据该机器人和周围环境中的障碍点集、障碍边界集之间的关系以及活动窗口分区，建立最近距离向量极坐标直方图，决定该机器人运动的自由行走区和障碍区。

进一步地，于步骤6.3后还包括如下步骤：

判断是否存在候选区；

若不存在候选区，则路径规划结束，获得避障路径规划结果，若存在候选区，则进一步判断是否有新的控制量；

若有新的控制量，则确定新控制量，并转入步骤6.1，否则，直接转入步骤6.1。

进一步地，于步骤6.3后还包括如下步骤：

确定瞬时目标点作为该机器人路径规划的子目标，根据瞬时目标的位置在自由行走区和障碍区中选择运动方向，完成从当前位置到瞬时目标位置之间的障碍物检测和避障路径规划，最后完成从初始点到最后目标点的导航。

进一步地，于步骤五中，该近程对接又包括如下步骤：

步骤8.1，该机器人前进一段距离L；

步骤8.2，此时是否收到红外目标跟踪信号，若未收到，则后退一段距离L，并旋转一定角度，再次进入步骤8.1，否则进入步骤8.3；

步骤8.3，判断是否收到红外目标对接信号，若否，则进入步骤8.4,否则计入步骤8.7；

步骤8.4，前进一段距离L；

步骤8.5，判断是否丢失红外目标跟踪信号，若红外目标跟踪信号丢失，则则后退一段距离L，并旋转一定角度，进入步骤8.2，否则进入步骤8.6；

步骤8.6，判断是否收到红外目标对接信号，若是，则进入步骤8.7,否则进入步骤8.4；

步骤8.7，前进一段距离L；

步骤8.8，判断红外目标对接信号是否丢失，若丢失，则后退一段距离L，并旋转一定角度，进入步骤8.7，否则进入步骤8.9；

步骤8.9,判断是否对接成功，若对接成功，则结束，否则，返回步骤8.7。

与现有技术相比，本发明一种自寻充电机器人及其自寻充电系统和方法通过在远程对接区域内由里程计的粗糙定位信息对机器人进行定位，负责在充电任务被激发后，把机器人引导到视觉摄像头起作用的范围，实现由远程对接区域到近程对接区域的转变，在近程对接区域内，首先使用视觉系统对充电站进行目标识别与目标跟踪，改变机器人的位姿，使机器人位于充电站的正前方，最后在超声波和红外传感器的引导下快速实现机器人和充电站的对接，从而改进机器人充电机构定位不精确、受震动影响大、结构复杂、安全系数小的缺点。

附图说明

图1为本发明一种机器人自寻充电系统之较佳实施例的系统架构图；

图2为本发明较佳实施例之充电站11的结构框图；

图3为本发明较佳实施例之机器人20的结构框图；

图4为本发明一种机器人自寻充电方法的步骤流程图；

图5为本发明一种机器人自寻充电方法之较佳实施例的步骤流程图；

图6为本发明较佳实施例中避障路径规划的步骤流程图；

图7为本发明较佳实施例之避障路径规划的细节流程图；

图8为本发明较佳实施例之步骤405中近程对接的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种机器人自寻充电系统之较佳实施例的系统架构图。如图1所示，本发明一种可机器人自寻充电系统，包括：机器人20及充电站11。

在本发明较佳实施例中，机器人20之运动系统由两轮驱动单元和一个万向轮组成，这种经典结构可以使得机器人能够实现零半径转向，前进后退左右转动等各种运动功能，机器人20通过设置于眼球的摄像头，将实时采集的图像传输到机器人内部的主控系统（上位机）进行处理，机器人20通过超声波测距传感器能够对环境中的障碍物进行感知定位，根据指定的路线定期在室内进行巡逻与监控，并绕开路线上出现的障碍物，当发现老人或者儿童的召唤时，及时到达指定位置，为老人/儿童提供相应的服务，同时，机器人20具有两个红外接收传感器、充电电池以及充电电极（充电端子）21，相应地，充电站11具有充电端子12，当机器人20上的充电电极（充电端子）与充电站11上的充电端子12接触时就可以进行充电，充电站11主要负责与机器人20之间的无线通讯，当机器人20的电量不足时，机器人自行回到充电站，在对接成功后，充电站11对机器人20进行充电，在充电完成后或收到强制命令后断开连接释放机器人20。

图2为本发明较佳实施例之充电站11的结构框图。在本发明较佳实施例中，充电站11包括充电站主控系统110、充电站电源模块120、充电站充电控制器模块130、红外发射模块140以及专用遥控器150。

其中， 充电站主控系统110包含微控制器(MCU/ARM)及其外围电路（如键盘、指示灯、显示屏），它是充电站的控制核心，通过它控制红外发射器的频率和功率，控制各模块协调工作；充电站电源模块120在充电站主控系统110的控制下将工频交流电（220V/110V）转换成供给机器人电池充电所使用的直流电（如20V），并且通过稳压芯片或DC-DC产生充电站各模块所需直流电(如5V、3.3V)；充电站充电控制器模块130：其包含充电电路、充电控制电路以及充电端子，在机器人成功对接充电开始时，充电站主控系统控制充电站充电控制器模块工作，充电控制电路控制充电电路对机器人20的充电电池进行快速充电，在电池电量达到设定值后转入涓流充电模式，当充电完毕后，在充电站主控系统控制下，使充电控制器模块130及时停止充电，机器人脱离充电站；红外发射模块140，包括目标跟踪红外发射器1401和目标对接红外发射器1402，目标跟踪红外发射器发射功率大，覆盖面积广，有效距离长，其用于机器人在较远的区域寻找充电站，目标对接红外发射器发射功率小，覆盖角度窄，有效距离短，其用于机器人近距离内搜索充电站，调整机器人的姿态精确对接充电端子；专用遥控器150，提供一在充电站控制机器人的设备，用户可以在充电站输入命令对机器人进行遥控，控制任意位置的机器人进行前进、后退、左转、右转以及充电召回等操作。

图3为本发明较佳实施例之机器人20的结构框图。在本发明较佳实施例中，机器人20包括红外接收模块200、主控系统210、运动装置220、头部动作装置230、人机交互系统240、视频采集模块250、无线收发模块260、语音采集模块270、里程测量装置280及遥控接收器290，主控系统210控制机器人其他各部分协调工作，包括硬件和软件两部分，硬件由DSP、MCU等组成，软件上可划分为路径规划模块、障碍物检测、人脸检测、情感检测、环境检测、异常检测、里程信息以及信息融合模块，人脸检测和情感识别连接视频采集模块1，分别用于采集人脸信息和识别人的喜怒哀乐等表情，环境感知和异常检测连接视频采集模块2，主要用于感知外部环境和检测外部环境异常信息，里程信息连接里程信息测量装置280，以取得里程信息，障碍物检测连接超声波传感器，用于检测外部障碍物到机器人的距离，信息融合将外部视频采集模块、语音采集模块、超声波传感器、电量检测及充电模块采集到的信息及里程信息进行融合，以判断机器人该进行充电还是继续服务，是否需要规避障碍物，是否需要响应召唤命令；运动装置220包括底盘驱动器、电机驱动模块、直流电机M1/M2、驱动轮1/2及传动机构、万向轮、电池组、超声波传感器、电量检测及充电模块，运动装置主要用于接收主控系统210命令以驱动机器人行走，在行走过程中完成超声波测距并回馈给主控系统210以进行后续控制，在服务过程中及时检测电池电量并回馈给主控系统210以判断是否需要进行充电，具体地说，主控系统210通过串口向底盘控制器发送控制命令，控制电机进行相应动作，并对障碍信号进行处理，在服务过程中电量检测及充电模块及时检测电池电量并回馈给主控系统210以判断是否需要进行充电；头部动作装置230包括头部控制器、舵机1/2及传动结构，用于接收主控系统210的命令进行头部俯仰和左右旋转，由头部带动安装于头部的视频采集装置1/2的单目摄像头1/2的运动以获取图像信息，在本发明较佳实施例中，舵机1负责控制机器人脖子的俯仰转动，舵机2控制头部的左右转动，从而可以控制眼球（视频采集装置1和视频采集装置2）的转动；人机交互系统240连接主控系统210，其包括显示屏、键盘、发音系统等常用输入输出设备，以利于显示机器人状态和人工输入信息命令；视频采集模块250包含视频采集装置1和视频采集装置2，视频采集装置1包含一普通单目摄像头及其采集电路，用于获取人脸检测和情感识别所需信息，视频采集装置2包含一广角单目摄像头及其采集电路，用于获取环境感知和异常检测所需信息，视频采集模块安装于机器人头部，其位置改变受控于头部运动装置230；无线收发模块260在主控系统210控制下通过通信网络向用户（主人）发送信息和接收命令；语音采集模块270采集外界语音信息至主控系统210以判断是否语音信息或命令；里程测量装置280用于测量行走里程并将里程信息上传给主控系统210进行处理；遥控接收器290用于接收充电站11的专用遥控器命令并上传给主控系统210以决定是否响应；红外接收模块200连接至主控系统210，其包含两个红外接收器：目标跟踪红外接收器、目标对接红外接收器，目标跟踪红外接收器用于接收目标跟踪红外发射器发射的红外目标跟踪信号，目标对接红外接收器用于接收目标对接红外发射器发射的红外目标对接信号，红外接收模块接收到红外信号后，将解码内容和强度信息传送给主控系统210进行进一步分析处理。

在本发明较佳实施例中，机器人20为家居服务机器人。家庭服务机器人在室内环境下提供相应服务功能时，一旦其电量检测及充电模块检测到自身电压低于某一阈值时，就会进入自寻充电模式。当机器人进入自寻充电模式后，利用里程测量装置测量获得的粗糙位置信息先检查自己的位置，如果距离自动充电站11的位置较远（大于某个预设的阈值），通过旋转一周后两个红外接收传感器仍然都接收不到充电站11的红外信号，说明机器人20处在充电站11的红外发射区域之外，此时需要启动充电站11的目标搜索和远程对接策略，即启动服务机器人环境探索和避障路径规划策略，环境探索的目标是搜索充电站11的位置，路径规划策略的目标点是规划出一条到达充电站的最优无碰路径。当机器人20搜索到充电站11的位置，并通过避障路径规划进入红外对接信号区域后，接收到目标跟踪的红外对接信号，服务机器人20自动启用近程对接策略，进入基于红外信号的目标跟踪阶段。

图4为本发明一种机器人自寻充电方法的步骤流程图，图5为本发明一种机器人自寻充电方法之较佳实施例的步骤流程图。如图4及图5所示，本发明一种机器人自寻充电方法，包括如下步骤：

步骤401，实时记录机器人位置及方向，并检测机器人的电源电压，于电源电压小于额定电压（阈值1，如21V）时机器人进入自寻充电模式。在本发明较佳实施例中，可使用单片机中的A/D模块监控电源电压，电压小于额定电压时机器人进入自寻充电模式；

步骤402，利用里程测量装置（如里程计）的粗糙位置信息检查机器人的位置；

步骤403，若机器人旋转一周后仍然接收不到充电站的目标跟踪红外发射器发射的红外目标跟踪信号，则进行基于环境地图的目标搜索，即，机器人利用自身携带的各传感器，感知环境，同时定位并创建地图（SLAM），进行充电站的目标搜索，确定充电站的位置进行路径规划，并朝向充电站运动；

步骤404,当机器人上安装的两个红外接收器中任意一个接收到充电站的目标跟踪红外发射器发射的红外目标跟踪信号时，机器人转入基于红外方向信号的目标跟踪阶段，进行路径规划，进一步向充电站靠近；

步骤405，当机器人接收到充电站的目标对接红外发射器发射的红外目标对接信号时，则机器人与充电站进行对接，以将机器人的充电端子与充电站的充电端子可靠连接；

步骤406，若对接成功，则充电站主控系统控制充电站充电控制器模块工作，对机器人的充电电池进行充电，否则返回步骤404继续目标跟踪；

步骤407，当检测到电源电压大于或等于一设定值时（阈值2，如25V），则在充电站主控系统控制下，使充电控制器模块及时停止充电，机器人脱离充电站回到起始位置，继续完成家居服务功能。

较佳的，于步骤403及404中，路径规划为避障路径规划。图6为本发明较佳实施例中避障路径规划的步骤流程图，图7则为本发明较佳实施例之避障路径规划的细节流程图。如图6及图7所示，避障路径规划进一步包括如下步骤：

步骤601，根据初始的机器人控制量进行状态估计，并基于概率扫描匹配同时进行定位与地图创建，给出任意时刻机器人的位姿；

步骤602，利用超声波传感器进行环境障碍物检测，对获得的环境障碍物检测结果采用向量映射法在栅格化的环境信息基础上有效地创建障碍物的占据栅格地图，在考虑机器人的实际大小和传感器的不确定性基础上，通过栅格障碍物加权进行障碍物膨胀，建立障碍点集，并对相邻障碍物进行融合，形成障碍物边界集；

步骤603，根据机器人和周围环境中的障碍点集、障碍边界集之间的关系以及活动窗口分区，建立最近距离向量极坐标直方图，决定机器人运动的自由行走区和障碍区；

较佳的，于步骤603后，还包括如下步骤：

判断是否存在候选区；

若不存在候选区，则路径规划结束，获得避障路径规划结果，若存在候选区，则进一步判断是否有新的控制量；

若有新的控制量，则确定新控制量，并转入步骤601，否则，直接转入步骤601。

更佳的，于步骤603后，还包括如下步骤：

步骤604，确定瞬时目标点作为机器人路径规划的子目标，根据瞬时目标的位置在自由行走区和障碍区中选择运动方向，完成从当前位置到瞬时目标位置之间的障碍物检测和避障路径规划，最后完成从初始点到最后目标点的导航。

图8为本发明较佳实施例之步骤405中近程对接的步骤流程图。如图8所示，步骤405中的近程对接又包括如下步骤：

步骤8.1，机器人前进一段距离L；

步骤8.2，此时是否收到红外目标跟踪信号？若未收到，则后退一段距离L，并旋转一定角度（例如45度），再次进入步骤8.1，否则进入步骤8.3；

步骤8.3，判断是否收到红外目标对接信号？若否，则进入步骤8.4,否则计入步骤8.7；

步骤8.4，前进一段距离L；

步骤8.5,判断是否丢失红外目标跟踪信号？若红外目标跟踪信号丢失，则则后退一段距离L，并旋转一定角度（例如45度），进入步骤8.2，否则进入步骤8.6;

步骤8.6，判断是否收到红外目标对接信号？若是，则进入步骤8.7,否则进入步骤8.4；

步骤8.7，前进一段距离L；

步骤8.8,判断红外目标对接信号是否丢失？若丢失，则后退一段距离L，并旋转一定角度（例如45度），进入步骤8.7，否则进入步骤8.9；

步骤8.9,判断是否对接成功，若对接成功，则结束，否则，返回步骤8.7。

综上所述，本发明一种自寻充电机器人及其自寻充电系统和方法通过在远程对接区域内由里程计的粗糙定位信息对机器人进行定位，负责在充电任务被激发后，把机器人引导到视觉摄像头起作用的范围，实现由远程对接区域到近程对接区域的转变，在近程对接区域内，首先使用视觉系统对充电站进行目标识别与目标跟踪，改变机器人的位姿，使机器人位于充电站的正前方，最后在超声波和红外传感器的引导下快速实现机器人和充电站的对接，从而改进机器人充电机构定位不精确、受震动影响大、结构复杂、安全系数小的缺点，并且具有稳定性好、效率高的优点。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (10)

1.一种自寻充电机器人，至少包括：

红外接收模块，包括两个红外接收器，接收充电站的红外目标跟踪信号与红外目标对接信号，于接收到信号后，将解码内容和强度信息传送给主控系统进行进一步分析处理，以通过目标搜索、目标跟踪和目标对接三个阶段，实现与充电站的自主对接；

视频采集模块，获取人脸检测和情感识别所需信息及环境感知和异常检测所需信息，并将其送至该主控系统；

里程测量装置，测量该机器人行走里程并将里程信息上传给该主控系统进行处理；

运动装置，接收该主控系统的命令以驱动该机器人行走，在行走过程中完成超声波测距并回馈给该主控系统以进行后续控制，在该机器人服务过程中及时检测电池电量并回馈给该主控系统以判断是否需要进行充电；

主控系统，控制该机器人其他各部分协调工作，将该视频采集模块、该运动装置的超声波测距信息、电量检测采集到的信息及里程信息进行融合，以对该机器人进行控制。

2.如权利要求1所述的一种自寻充电机器人，其特征在于：该机器人还包括头部动作装置，该头部动作装置用于接收该主控系统的命令进行头部俯仰和左右旋转；该视频采集模块包括第一视频采集装置及第二视频采集装置，该第一视频采集装置包括一普通单目摄像头及其采集电路，用于获取人脸检测和情感识别所需信息，该第二视频采集装置包含一广角单目摄像头及其采集电路，用于获取环境感知和异常检测所需信息，第一视频采集装置及第二视频采集装置安装于该机器人头部，其位置改变受控于该头部动作装置。

3.如权利要求2所述的一种自寻充电机器人，其特征在于：该运动装置包括底盘驱动器、电机驱动模块、两个直流电机、两个驱动轮及传动机构、万向轮及传动机构、电池组、超声波传感器、电量检测及充电模块，该底盘驱动器于接收到该主控系统的控制命令后，驱动该电机驱动模块控制两个电机进行相应动作，两个驱动轮及传动结构在两个电机的作用下驱动机器人行走，并通过万向轮及传动机构使得机器人实现零半径转向，该超声波传感器用于检测外部障碍物到该机器人的距离，该电量检测及充电模块及时检测该电池组电量并回馈给该主控系统以判断是否需要进行充电。

4.一种机器人自寻充电系统，包括机器人及充电站，其特征在于：该机器人至少包括运动装置、两个红外接收传感器、超声波感应器、充电电池及充电端子，该机器人通过该超声波感应器对环境中的障碍物进行感知定位，通过其具有的两个红外接收传感器接收该充电站的红外目标跟踪信号与红外目标对接信号，通过目标搜索、目标跟踪和目标对接三个阶段，实现与充电站的自主对接；该充电站通过目标跟踪红外发射器和目标对接红外发射器发射红外目标跟踪信号和红外目标对接信号与该机器人实现自主对接，于对接成功后，该充电站对该机器人的充电电池进行充电，在充电完成后或收到强制命令后断开连接释放该机器人。

5.如权利要求4所述的一种机器人自寻充电系统，其特征在于，该充电站包括：

充电站主控系统，包括微控制器及其外围电路，控制红外发射器的频率和功率，控制各模块协调工作；

充电站电源模块，在该充电站主控系统的控制下将工频交流电转换成供给机器人电池充电所使用的直流电，并产生充电站各模块所需直流电；

充电站充电控制器模块，包括充电电路、充电控制电路以及充电端子，于机器人与充电站对接成功后，该充电控制电路控制充电电路对该机器人的充电电池进行快速充电，在电池电量达到设定值后转入涓流充电模式，当充电完毕后，在该充电站主控系统控制下，使充电控制器模块及时停止充电，该机器人脱离充电站；

红外发射模块，包括目标跟踪红外发射器和目标对接红外发射器，该目标跟踪红外发射器用于机器人在较远的区域寻找充电站，该目标对接红外发射器用于机器人近距离内搜索充电站。

6.一种机器人自寻充电方法，包括如下步骤：

步骤一，实时记录机器人位置及方向，并检测该机器人的电源电压，于该电源电压小于一额定电压时，该机器人进入自寻充电模式；

步骤二，利用里程测量装置的粗糙位置信息检查该机器人的位置；

步骤三，若该机器人旋转一周后仍然接收不到充电站的目标跟踪红外发射器发射的红外目标跟踪信号，则该机器人利用自身携带的传感器感知环境，同时定位并创建地图，进行该充电站的目标搜索，确定该充电站的位置进行路径规划，并朝向该充电站运动；

步骤四，当该机器人上安装的两个红外接收器中任意一个接收到该充电站的目标跟踪红外发射器发射的红外目标跟踪信号时，该机器人转入基于红外方向信号的目标跟踪阶段，进行路径规划，进一步向充电站靠近；

步骤五，当该机器人接收到该充电站的目标对接红外发射器发射的红外目标对接信号时，则该机器人与该充电站进行近程对接；

步骤六，若对接成功，则充电站主控系统控制充电站充电控制器模块工作，对该机器人的充电电池进行充电，否则返回步骤四继续目标跟踪；

步骤七，当检测到电源电压大于或等于一设定值时，则在该充电站主控系统控制下，使该充电站充电控制器模块及时停止充电，该机器人脱离该充电站。

7.如权利要求6所述的一种机器人自寻充电方法，其特征在于，于步骤三及步骤四中，路径规划为避障路径规划，其包括如下步骤： 

步骤6.1根据初始的机器人控制量进行状态估计，并基于概率扫描匹配同时进行定位与地图创建，给出任意时刻该机器人的位姿；

步骤6.2利用超声波传感器进行环境障碍物检测，对获得的环境障碍物检测结果采用向量映射法在栅格化的环境信息基础上有效地创建障碍物的占据栅格地图，在考虑机器人的实际大小和传感器的不确定性基础上，通过栅格障碍物加权进行障碍物膨胀，建立障碍点集，并对相邻障碍物进行融合，形成障碍物边界集；

步骤6.3根据该机器人和周围环境中的障碍点集、障碍边界集之间的关系以及活动窗口分区，建立最近距离向量极坐标直方图，决定该机器人运动的自由行走区和障碍区。

8.如权利要求7所述的一种机器人自寻充电方法，其特征在于,于步骤6.3后还包括如下步骤：

判断是否存在候选区；

若不存在候选区，则路径规划结束，获得避障路径规划结果，若存在候选区，则进一步判断是否有新的控制量；

若有新的控制量，则确定新控制量，并转入步骤6.1，否则，直接转入步骤6.1。

9.如权利要求8所述的一种机器人自寻充电方法，其特征在于,于步骤6.3后还包括如下步骤：

确定瞬时目标点作为该机器人路径规划的子目标，根据瞬时目标的位置在自由行走区和障碍区中选择运动方向，完成从当前位置到瞬时目标位置之间的障碍物检测和避障路径规划，最后完成从初始点到最后目标点的导航。

10.如权利要求9所述的一种机器人自寻充电方法，其特征在于，于步骤五中，该近程对接又包括如下步骤：

步骤8.1，该机器人前进一段距离L；

步骤8.2，此时是否收到红外目标跟踪信号，若未收到，则该机器人后退一段距离L，并旋转一定角度，再次进入步骤8.1，否则进入步骤8.3；

步骤8.3，判断是否收到红外目标对接信号，若否，则进入步骤8.4,否则计入步骤8.7；

步骤8.4，该机器人前进一段距离L；

步骤8.5，判断是否丢失红外目标跟踪信号，若红外目标跟踪信号丢失，则则该机器人后退一段距离L，并旋转一定角度，进入步骤8.2，否则进入步骤8.6；

步骤8.6，判断是否收到红外目标对接信号，若是，则进入步骤8.7,否则进入步骤8.4；

步骤8.7，该机器人前进一段距离L；

步骤8.8，判断红外目标对接信号是否丢失，若丢失，则该机器人后退一段距离L，并旋转一定角度，进入步骤8.7，否则进入步骤8.9；

步骤8.9,判断是否对接成功，若对接成功，则结束，否则，返回步骤8.7。

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