本公开涉及充电系统领域，尤其涉及一种机器人自主充电系统。
背景技术：
室外安保机器人是半自主、自主或者在人类完全控制下协助人类完成安全防护工作的机器人，作为机器人行业的一个细分领域，立足于实际生产生活需要，用来解决安全隐患、巡逻监控及灾情预警等，从而减少安全事故的发生，减少生命财产损失。
室外安保机器人可以代替巡检人员完成安全防护、危险探查等安保工作，自主性是其长期工作的关键，其中自主充电技术是解决自主性的关键问题。因此，对室外安保机器人自主充电的研究具有重要意义。
技术实现要素：
本公开提供一种可实现室外安保机器人自主充电的系统，以解决室外自主移动机器人长时间工作状态下自主充电的问题，通过以下方案实现：
机器人自主充电系统，包括导航、主控计算机、视觉传感器、充电隔间、充电桩和路标；
所述导航用于监测路况，确定所述充电桩的位置和规划路径；所述主控计算机用于控制所述导航和所述视觉传感器，以及控制待充电机器人移动；所述视觉传感器用于探测所述路标，并确定其坐标；所述充电隔间用于遮护所述充电桩和所述路标；所述充电桩用于为待充电机器人提供电能；所述路标用于待充电机器人定位；
所述导航、所述主控计算机和所述视觉传感器均安装在机器人车体上,所述充电桩与所述路标均位于所述充电隔间内。
进一步地，所述路标上具有颜色特征和点特征，所述点特征嵌入在所述颜色特征中。
其中，所述颜色特征为具有黑白两色的矩形色块，所述点特征为二维码。
进一步地，所述视觉传感器是单目相机传感器。
进一步地，所述导航是差分gps、激光雷达和里程计的组合导航。
进一步地，机器人自主充电系统进行充电的方法，使用所述自主充电系统进行充电，所述方法包括如下步骤：
s1所述主控计算机启动所述导航，控制待充电机器人运动至所述充电隔间门口区域；
s2所述导航调整航向，所述主控计算机控制机器人移动进入所述充电隔间；
s3所述主控计算机启动所述视觉传感器，探测所述路标的方位；
s4根据所述路标在所述视觉传感器的坐标系中的坐标确定待充电机器人相对所述路标的位姿；
s5所述主控计算机根据所述位姿控制待充电机器人移动，使机器人与所述充电桩完成对接。
其中，所述充电隔间可以具有卷闸门或其他可开关的类似机构，所述主控计算机遥控卷闸门开启后，再通过激光雷达避障策略控制机器人进入所述充电隔间内。
进一步地，步骤s4所述确定待充电机器人相对所述路标的位姿，包括初定位和精定位两个阶段，所述初定位是指利用所述颜色特征确定机器人的移动方向，所述精定位是指根据所述点特征在所述视觉传感器的坐标系中的坐标确定待充电机器人相对所述路标的位姿。
其中，所述视觉传感器即所述单目相机传感器根据所述颜色特征探测到所述路标后，在所述导航的作用下，所述主控计算机控制机器人向所述路标方向移动，当所述单目相机传感器探测到所述颜色特征之中的所述点特征时，通过特征提取算法计算所述点特征在所述单目相机的坐标系中的坐标，并进一步通过相机投影模型和优化算法得到机器人相对所述路标的位姿。
进一步地，步骤s5中，所述充电桩能够承受2cm的缓冲距离。
其中，所述充电桩能够承受2cm的缓冲距离，是指当机器人与所述充电桩对接充电时，所述充电桩的充电端子的机械结构可承受来自机器人的最大撞击幅度为2cm。
进一步地，待充电机器人端的充电回路串联继电器。
进一步地，所述充电方法还包括步骤s6：所述继电器闭合，机器人开始充电，充电完毕，所述继电器断开。
本公开的有益效果：
机器人自主充电系统能使室外安保机器人在无人工干预的环境下安全可靠、快速高效地实现自动充电，使机器人在进行巡检、设备故障诊断工作中能够处于长期自治工作。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是本公开具体实施方式的机器人自主充电系统的自主充电示意图；
图2是本公开具体实施方式的机器人自主充电系统的视场角计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
机器人自主充电系统，包括导航、主控计算机、视觉传感器、充电隔间、充电桩和路标；
导航用于监测路况，确定充电桩的位置和规划路径；
主控计算机用于控制导航和视觉传感器，以及控制待充电机器人移动；
视觉传感器用于探测路标，并确定其坐标；
充电隔间用于遮护充电桩和路标；
充电桩用于为待充电机器人提供电能；
路标用于待充电机器人定位；
导航、主控计算机和视觉传感器均安装在机器人车体上,充电桩与路标均位于充电隔间内。
路标上具有颜色特征和点特征，点特征嵌入在颜色特征中。
视觉传感器是单目相机传感器。
导航是差分gps、激光雷达和里程计的组合导航。
机器人自主充电系统进行充电的方法，使用机器人自主充电系统进行充电，包括如下步骤：
s1主控计算机启动导航，控制待充电机器人运动至充电隔间门口区域；
s2导航调整航向，主控计算机控制机器人移动进入充电隔间；
s3主控计算机启动视觉传感器，探测路标的方位；
s4根据路标在视觉传感器的坐标系中的坐标确定待充电机器人相对路标的位姿；
s5主控计算机根据位姿控制待充电机器人移动，使机器人与充电桩完成对接。
步骤s4中确定待充电机器人相对路标的位姿，包括初定位和精定位两个阶段，初定位是指利用颜色特征确定机器人的移动方向，精定位是指根据点特征在视觉传感器的坐标系中的坐标确定待充电机器人相对路标的位姿。
步骤s5中，充电桩能够承受2cm的缓冲距离。
待充电机器人端的充电回路串联继电器。
充电方法还包括步骤s6：继电器闭合，机器人开始充电，充电完毕，继电器断开。
更为详细的，
关于视觉传感器，即单目相机传感器，根据相关技术经验并综合考虑数据量和图像特征提取效果，相机分辨率选择640×480，考虑到相机的边缘有较严重的畸变，因此选择45°左右标准视场角的单目相机以保证较小的畸变和较低的价格，相机帧率为30fps，相机和主控计算机的通信接口为usb3.0或百兆网口，焦距f为4mm，相机和主控计算机接口参数如下：
(1)相机通信接口：usb3.0或百兆网口；
(2)相机分辨率：640×480
(3)相机视场角：不小于45°；
(4)相机帧率：30fps
(5)相机焦距：4mm
(6)光圈系数：1
(7)主控电脑通信接口：串口、usb3.0、百兆网口、其他usb接口×2、显示器接口。
根据上述要求选择如下型号的镜头和相机:
(1)相机型号：bfly-u3-03s2c-cs
(2)镜头型号：fa0401c
(3)相机分辨率：648×488
(4)相机视场角：61.1°×47.5°
(5)相机帧率：最大84fps
(6)相机快门：全局快门
(7)相机通信接口：usb3.0或百兆网口
(8)相机焦距：4mm
根据接口要求和相关算法的实时性和复杂程度对比，主控电脑选择nvidiajetsontk1。
待充电机器人由差分gps、激光雷达和里程计组合导航，根据导航规划的路径，主控计算机控制机器人运动至充电隔间门口区域，调整航向，使机器人对准充电隔间门口，位置偏差在0.5m以内，主控计算机遥控充电隔间的卷闸门开启，主控计算机控制卷闸门开启的检测距离在3m以内，机器人通过激光雷达避障策略移动进入充电隔间，充电隔间的尺寸：长3m、宽2m、高2m，卷闸门宽度：1.5m。
如图1所示，视觉传感器安装在待充电机器人车体上方，充电桩固定安装在充电隔间内，路标固定安装在充电桩的上方。卷闸门开启后，路标进入相机视野。
考虑到在机器人进入充电隔间后的移动过程中路标上的点特征在相机视野中变化较大，因此将机器人定位分为初定位和精定位两个阶段。初定位阶段，路标在相机的成像平面上的投影高度不能超过相机成像平面高度的2/3，以保证计算精度及防止图像边缘畸变。初定位阶段是指利用路标上的颜色特征进行机器人航向的定位，指导机器人向充电桩方向移动。如图2所示，黑色矩形框为路标在相机成像平面上的投影高度l，点a为相机中心，∠bac为相机的视场角，|l|＝2/3|bc|，|ad|＝0.5m，∠bad＝22.5°，所以|bc|＝0.4m，l＝0.27m。拟定颜色特征在距离机器人5m位置时，其面积占整体相机成像平面面积的1/4，所以颜色特征的高度暂定1m，颜色特征的中央嵌入二维码点特征，用于机器人与充电桩精确对接定位。
精定位阶段的定位精度主要受提取点特征时的误差影响，误差主要是由图像分辨率、运动时造成的图像模糊和图像采集噪声引起的。根据充电隔间的宽度，机器人距离充电桩2m时，开始精确定位，此时点特征占相机视野面积的1/6，路标在相机成像平面所占像素为p，则p＝1/6×648×488＝52704，每一个像素所占实际面积s＝0.013平方厘米，所占实际长度0.13cm，所以由图像分辨率引起的误差不超过0.064cm，可以忽略；通过二值化可以较好的解决一定程度的图像模糊；图像采集时由于各种原因产生的近似白噪声的噪声可以通过特征提取算法和优化算法改善。
由上所述，整个定位阶段可描述为：卷闸门开启后，视觉传感器探测到路标上的颜色特征，机器人调整航向，向充电桩方向移动，进入充电隔间后，在移动过程中视觉传感器逐渐探测到二维码即点特征，主控计算机通过特征提取算法计算点特征在单目相机图像坐标系下的坐标，获得点特征的距离及在相机上的投影深度，通过相机投影模型和优化算法进一步得到机器人相对路标的位姿。
主控计算机根据上述相对位姿控制机器人继续移动，直到机器人端充电端子接触到充电桩的电极簧片，使机器人与充电桩完成精准对接，机器人端的继电器闭合充电回路，开始充电，充电完成后，继电器断开，主控计算机控制机器人离开充电桩。
主控计算机采集数据的周期为0.1s，运动指令下达周期为0.2s，从机器人进入充电隔间到距离充电桩30cm时，运动速度为0.3m/s，定位精度优于20cm；在距离充电桩30cm时，速度调整为1cm/s，定位精度优于5cm；充电桩的充电端子机械结构能承受2cm来自机器人端的撞击缓冲；充电桩端的电极簧片面积为5×3cm；机器人端的继电器可承受电流大于20a。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。