一种基于超声波强度实现机器人自主充电的方法及系统与流程

本发明属于机器人辅助技术领域，具体是一种基于超声波强度实现机器人自主充电的方法及系统。

背景技术：

目前实现机器人自主充电的方式主要有两种，一种是采用充电座引导机器人寻迹的方式，充电座上安装信号发射器，机器人上安装信号接收器，常用的方法有红外测距定位，但是这种形式会有很多弊端，因红外发射与接收是点对点的，必须保证红外发射头与接收头在同一水平面，在复杂的高低不平的使用环境中很难定位红外线定位，另外尘埃碎屑很容易对机身上的红外线接收产生干扰，并且红外线在传输过程中容易受到室内荧光灯干扰；另一种是机器人利用激光建模或摄像头识别的方式，定位出充电器的方位，结合机器人的运动控制系统，使机器人自动移动到充电座旁，实现自主充电，但此种方案实现起来难度较大，且成本昂贵。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是提供一种基于超声波强度实现机器人自主充电的方法及系统，该方法及系统的实现成本低，能够适用于复杂的环境中。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种实现自机器人主充电的方法，包括以下步骤：

机器人检测自身电量，当检测到自身电量低时，所述机器人通过无线通讯启动充电座发出超声波脉冲信号；

所述机器人通过安装在其上的第一超声波接收模块和第二超声波接收模块接收充电座的超声波发射模块发出的超声波脉冲信号；

所述机器人根据其第一超声波接收模块和第二超声波接收模块接收到超声波脉冲信号的信号强度和强度差，计算出其本身相对于充电座的距离和偏向。

所述机器人的运控控制系统根据所述距离和偏向，控制机器人向充电座靠近；

当所述机器人到达充电座正前方或所述距离和偏向小于设定的阈值，机器人与充电座对接，进行充电。

进一步的，所述机器人计算出其本身相对于充电座的距离和偏向的过程为：

将接收到的两路模拟超声波信号通过A/D转换为数字信号，然后将两路数字信号分别进行快速傅立叶变换(FFT)，数据加窗得到有限长序列x(n)直接求傅里叶变换，得频谱X(e^jw)，取频谱幅度的平方，并除以N，以此作为对x(n)真实功率谱S_X(e^jw)的估计，求出左右两路信号的功率谱强度P_L和P_R和强度差PΔ，从而计算出位于充电座的超声波发射模块距离两个位于机器人的超声波接模块的偏向和范围，从而计算出机器人相对于充电座的大致方位，计算公式如下：

$X\left(e^{jw}\right)=\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}{x}_n{e}^{-jnw}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{x}_n{e}^{-jnw}$

$S_x\left(e^{jw}\right)=\frac{1}{N}|X\left(e^{jw}\right){|}^2$

进一步的，机器人在接收充电座上的超声波发射模块发出的超声波脉冲信号过程中，原地旋转180°，如果仍然接收不到充电座上的超声波发射模块发出的超声波脉冲信号，则机器人按照顺时针方向进入延墙运动。

用于上述基于超声波强度实现机器人自主充电的方法的系统，包括机器人主控系统、机器人电源管理系统、机器人运动控制系统、机器人定位及超声波距离偏向计算控制板、第一超声波接收模块、第二超声波接收模块，以及安装在充电座上的模数转换模块(AC转DC模块)、超声波发射模块及无线通讯模块。

进一步的，所述基于超声波强度实现机器人自主充电的方法的系统，还包括充电管理单元、电池电压电流采样单元、蓄电池单元。

进一步的，所述基于超声波强度实现机器人自主充电的方法的系统，还包括伺服电机控制单元和机器人底盘电机速度与偏向采样单元。

本发明的基于超声波强度实现机器人自主充电的方法及系统，通过在充电座上安装超声波发射模块和无线通讯模块，机器人本体上安装两个超声波接收模块和无线通讯模块，机器人根据接收到的超声波信号强度和强度差，计算出机器人相对于充电座的距离和偏向，并结合运控控制系统和姿态调整策略完成机器人的自主寻迹，实现自主充电，成本较低，适用于复杂的使用环境，提高机器人的智能化程度。

附图说明

图1为本发明的实现自机器人主充电的系统结构示意图；

图2为本发明的机器人系统模块示意图；

图3为本发明的充电座系统模块示意图

图4为本发明的实现自机器人主充电的方法一个实施例的流程图；

图5为本发明的充电座系统控制流程图；

图6为超声波发射强度分布示意图；

图7超声波接收频谱幅值示意图；

图8为超声波发射模块电气原理示意图

图9为超声波接收模块电气原理示意图；

图10为超声波发射/接收控制单元电气原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种基于超声波强度实现机器人自主充电的方法及系统进行详细说明。

如图1至3所示，一种实现自机器人主充电的方法的系统，包括机器人主控系统、机器人电源管理系统、机器人运动控制系统、机器人定位及超声波距离偏向计算控制板、第一超声波接收模块1、第二超声波接收模块2，以及安装在充电座上的安装在充电座上的模数转换模块(AC转DC模块)、超声波发射模块4及无线通讯模块。还有充电管理单元、电池电压电流采样单元、蓄电池单元、伺服电机控制单元和机器人底盘电机速度与偏向采样单元。

如图4和5所示，一种实现自机器人主充电的方法，包括以下步骤：

机器人检测自身电量，当检测到自身电量低时，所述机器人通过无线通讯启动充电座发出超声波脉冲信号；

所述机器人通过安装在其上的第一超声波接收模块和第二超声波接收模块接收充电座的超声波发射模块发出的超声波脉冲信号；

所述机器人根据其第一超声波接收模块和第二超声波接收模块接收到超声波脉冲信号的信号强度和强度差，计算出其本身相对于充电座的距离和偏向。

所述机器人的运控控制系统根据所述距离和偏向，控制机器人向充电座靠近；

当所述机器人到达充电座正前方或所述距离和偏向小于设定的阈值，机器人与充电座对接，进行充电。

具体来说，当机器人电源管理系统人检测到电量低后，上报给机器人主控系统，机器人主控系统进入自主充电模式，并发指令给机器人运动控制系统，准备进入自动充电寻迹状态。机器人运动控制系统启动超声波接收控制单元，并通过无线通讯方式启动充电座发射超声波信号。

当充电座上接收到机器人发出的无线请求信号后，图10显示了超声波发射/接收控制单元电气原理，包括中央控制单元和无线收发模块，打开超声波发射模块3和AC/DC充电电源。图8显示了超声波发射模块电气原理，超声波发射模块3发出扇形声波，开始引导机器人靠近充电座。

图9显示了超声波接收模块电气原理。当机器人接收到超声波信号后，根据第一超声波接收模块1和第二超声波接收模块2接收到的超声波的强度和强度差，计算出机器人相对于充电座的距离和偏向。如图6所示，超声波信号有强弱，将接收到的两路模拟超声波信号通过A/D转换为数字信号，然后将两路数字信号分别进行快速傅立叶变换(FFT)，数据加窗得到有限长序列x(n)直接求傅里叶变换，得频谱X(e^jw)，取频谱幅度的平方，并除以N，以此作为对x(n)真实功率谱S_X(e^jw)的估计，求出左右两路信号的功率谱强度P_L和P_R和强度差P_Δ，从而计算出位于充电座的超声波发射模块距离两个位于机器人的超声波接模块的偏向和范围，从而计算出机器人相对于充电座的大致方位，计算公式如下：

$X\left(e^{jw}\right)=\underset{n=-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\Σ}}{x}_n{e}^{-jnw}=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{x}_n{e}^{-jnw}$

$S_x\left(e^{jw}\right)=\frac{1}{N}|X\left(e^{jw}\right){|}^2$

当机器人到达充电座正前方时，或距离小于一定阈值时，机器人原地旋转180度，并向后运行，直到与充电座对接，当机器人电源管理系统检测到有充电电压接入时，认为机器人与充电座已可靠对接，此时充电座关闭超声波信号，机器人也关闭超声波接收信号，当充电完成时，充电座关闭充电电源输出，完成整个自主充电过程。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。