一种巡逻机器人使用的充电装置及自动充电方法与流程

本发明属于充电技术领域，具体涉及一种巡逻机器人使用的充电装置及自动充电方法。

背景技术：

随着现代机器人技术和网络技术的发展，机器人的应用范围越来越大。尤其在服务领域，机器人的应用已受到了广泛的关注和重视。现在，诸如家政服务机器人、医疗机器人、救援机器人等均已有应用实例。在安防技术方面，安防机器人也应运而生，但现有的安防机器人都是设定好巡逻途径和地点，操作复杂，且无法进行优化路径，无法更好地满足陌生安防环境的需求。现有技术方案中：在机器人的充电位置附近贴上标识或采用无线信标的办法使得机器知晓充电装置的大致位置，机器人利用自身的红外传感器保持和周围障碍物的距离同时向目标方向探索，以机器人接触到充电信号为标志结束寻找充电装置的过程。或者直接采用无主动信号的充电桩，仅仅以自身的凸起形状作为识别标准后粗暴的对准。现有技术的缺点：1)机器人的充电位置上附近需要有标识，因此不方便随时移动充电位置；2)机器人没有办法准确定位到充电装置，使得动作不灵活且容易出错。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的技术缺陷，本发明提出了一种巡逻机器人使用的充电装置及自动充电方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种巡逻机器人使用的充电装置，包括：

充电模块，用于为巡逻机器人提供稳定的电源；

标识模块，位于充电装置的表面，所述的标识模块根据图案不同被分为k个片段，k为大于等于1的整数，根据其在激光雷达下的可见性被分为两个区域：雷达可见区域和雷达不可见区域；

红外发射装置，其由l个红外发射灯组成，l为大于等于1的整数，可以发射经过调制后红外信号；

指示灯，用于在充电装置的极片上存在负载并且充电装置正确识别到巡逻机器人对应的充电管理芯片后通过点亮来表征工作状态进入充电中；

机器人本体上设置有红外传感器，通过感应所述的红外信号确定充电装置的方向；

所述激光雷达设置在机器人本体上，在巡逻机器人向充电装置移动的过程中使用激光雷达确认充电装置的位置。

优选的，所述的红外发射装置，其所处的高度与所述红外传感器的位置相对应。

优选的，机器人本体上设置有导航系统，所述导航系统配合激光雷达可以实现同步建图和定位，可以在环境中构建出环境的地图。

优选的，所述k个片段为5个片段；雷达可见区域为第一段，第三段，第五段，雷达不可见的区域为第二段和第四段。

一种自动充电方法，包括如下步骤：

s1、机器人在运行中检测自身电量，并判断该电量是否低于设定阈值；

s2、若电量低于设定阈值，则控制机器人移动至充电装置所处的预设环境范围内；机器人本体上配备有导航系统，配合激光雷达可以做到同步建图和定位，可以在环境中构建出环境的地图；

s3、确定充电装置的方向；

s4、机器人在向充电装置移动的过程中使用激光雷达确认充电装置的位置；

s5、控制机器人移动到充电装置的位置处进行充电。

进一步地，所述的精确位置的判断方法包括如下步骤：

s11、电量达到预设阈值，且导航系统中的地图中存在充电装置的预设位置；

s12、将机器人移动至预设位置；

s13、在红外信号引导的过程中不断的搜寻周围的环境，寻找符合预设的码段；

s14、当找到疑似码段时，开始进行长度筛选，即对每一片段可见与不可见信息的长度进行筛选观察其是否符合预设长度；

s15、当上一片段筛选通过后开始对连续的片段的长度比例进行筛选，即选取n个片段与剩下的k-n个片段长度进行比较，长度比例是否符合预期；n为小于k的正整数；k为预设码段的长度；

s16、筛选合格的片段进行线性拟合，生成出码段的直线空间位置于所建地图之中；

s17、选取码段直线的中点生成垂线，在垂线段上选取合适的点作为导航的终点；

s18、移动机器人至充电装置上，完成充电。

优选的，机器人本体上设置有红外传感器，所述红外传感器通过感应充电装置的红外发射装置发射的红外信号来精确确定充电装置方向。

优选的，机器人导航系统中设有充电位置的优先级列表，当机器人的电量达到阈值时，按照该列表的顺序依次去往可能有充电装置的位置。

优选的，所述k为5，预设码段为1001101，其中可见段表示为1，不可见段表示为0。

本发明还包括一种非易失性存储介质，其包括一条或多条计算机指令，所述一条或多条计算机指令在执行时实现上述的充电方法。

与现有技术相比，本发明至少具有下述的有益效果或优点：

1)机器人充电装置自身带有特定的标识，不需要额外的附加标识；无需对现有机器人进行改装，红外传感器与激光雷达传感器均是机器人身上常用的传感器，因此落地实施比较容易；

2)机器人可以通过自身的传感器准确的定位到充电装置，有效提高了自动充电的动作效率，使其动作流畅，速度增快不容易出现问题；

3)机器人可以方便的自主搜寻环境中的相同充电装置，并不需要预先设定，使得其使用更加方便；相比于当前的应用方案部署更加简单，无需预先设定充电装置的位置，只要将充电装置安放在机器人行走路线的两边即可自动使其自动前往充电；

4)给出了一套完整有效的自动充电技术方案，提高了机器人的智能化程度，减少了人力投入。

5)允许机器人自行记录充电桩位置并且用多传感器的信息保证了自行记录的准确性。

6)为多机器人的行动规划打下了技术基础，方便多机器人自主协调在同一场所内的充电与自动调度。

附图说明

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明；

图1为本发明的红外发射装置俯视图；

图2为本发明的充电装置的自动充电流程图；

图3为本发明的精准位置的判断流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明涉及到的巡逻机器人使用的充电装置描述如下：

1)其本身具有为巡逻机器人稳定供电的功能。

2)充电装置具有一个标识，该标识使用了激光雷达下不可见与可见的两种材质，将所述可见材质与不可见材质按照预设的规则，涂在充电装置上，以用于标识充电装置。

3)其本身带有符合图1样式的红外发射装置。该装置的特征如图2所示，以及该装置可以发射经过调制后的红外编码，便于解析。

4)其本身带有led或其他可发光的指示灯，可以用来指示充电的状态。

5)标识位于充电装置的表面，应该根据巡逻机器人激光雷达的安装位置相应的调整其位置使得激光雷达的扫描平面与图案位置平齐。

6)对图1的红外发射装置描述如下。

其由四个红外发射灯组成，可以发射经过调制后的940nm波长的红外信号。其角度如图描述所示(左侧右侧信号分别与平面呈45°夹角，中间两个信号与平面垂直)。四个灯发射的调制信号并不相同，可以在接收端分辨出不同的信号来源。

7)对图1所描述的红外发射装置，进一步的描述是：

外部被不会阻碍红外信号且不会使其过度散射的不透明材质组成，其所处的高度与相应的巡逻机器人传感器位置相对应。

8)对充电装置的指示灯，其作用是在充电装置的极片上存在负载并且充电装置正确识别到巡逻机器人对应的充电管理芯片后通过点亮来表征工作状态进入充电中。

本发明还涉及该充电装置的自动充电方法，具体流程如图2所示，包括如下步骤：

s1、设备运行中检测到电量低于设定阈值；

s2、控制机器人移动至充电装置所处的预设环境范围内；该机器人本体上配备有导航系统，配合激光雷达可以做到同步建图和定位，在环境中可以构建出环境的地图；

s3、通过红外传感器精确确定充电装置方向；

s4、在向充电装置移动的过程中使用激光雷达确认充电装置的位置；

s5、控制机器人移动到充电装置的位置处进行充电。

本发明还涉及关键技术即部分设备参数说明：

1)红外发射装置的一般视距为5-8米，即如果没有遮挡的情况下机器人可以在5米外接收到红外引导信号来确认方向。

2)红外发射探测视角小，偏向性较低，因此可以作为一个引导的稳定信号源。根据实验，机器人在同一时间内最多收到三个灯的信号。在收到信号的同时建议可以自身旋转来统计一段时间内接收的各发射灯的信号总量，从而估计出自己与充电装置的相对位置。

3)标识因尺寸不同而有不同的可视距离。在上文中设定的尺寸的可视距离约为2m即当充电装置距离激光雷达两米之内时，机器人可以精准的确定充电装置的位置。

4)标识因其在激光雷达的可见性上的显著差异，可以在激光雷达的反馈信息中呈现明显的信息，在此将可见段的信息设定为1，不可见段的信息设定为0，则该标识的信息应该为1001101。

因此对其精准位置的判断方法如图3所示，步骤如下：

s11、电量达到预设阈值，且导航系统中的地图中存在预设的充电装置的位置；

s12、将机器人移动至预设的位置；

s13、在红外引导的过程中不断的搜寻周围的环境，寻找符合1001101的码段；

s14、当找到疑似码段时，开始进行长度筛选，即对每一段可见与不可见信息的长度进行筛选观察其是否符合预设长度；此时的筛选应该相应的放宽阈值，因为不同视角下的标识会因为角度带来截断误差。

s15、当上一段筛选通过后开始对连续的片段的长度比例进行筛选，即选取n段片段与剩下的5-n段长度进行比较，长度比例是否符合预期；

s16、筛选成功的片段进行线性拟合，生成出码段的直线空间位置于所建地图之中；

s17、选取码段直线的中点生成垂线，在垂线段上选取合适的点作为导航的终点。此步骤完成后机器人应该已经处于充电装置正前方；具体地，可以根据机器人大小来选择合适的点作为导航的终点。

s18、移动机器人至充电装置上，完成充电。

5)机器人导航系统中存储的充电装置位置并不唯一，应该是一个存在优先级的列表。最优先的应该是从充电装置启动时存储的位置以及用户手动设定的位置，其次是在使用过程中同时检测到红外信号以及图-1所示的标识的疑似充电装置。当机器人的电量达到阈值时，按照列表的顺序依次去往可能有充电装置的区域。当该区域无法检测到红外信号和图-1所示的视觉标识时，即前往下一个充电装置的可能位置。直至充电成功或者列表已经被清空。

6)用户在机器人的巡逻区域部署新的充电装置时，无需在机器人系统中做任何额外的设置，只需将充电装置放置在机器人可达的区域中并且保证机器人巡逻时至少曾经经过一次该装置即可(该装置需已经通电可正常工作)。导航系统会在经过疑似充电装置区域时对疑似的标识物和红外信号发现点进行记录，在原有充电装置断电失效或者被移动的情况下可以移动至可疑充电装置处进行充电。同时，在多机器人多充电装置的情况下，无需提前测量充电装置的位置，只需简单的调度通讯方法即可方便的发现多充电装置的位置方便其自动充电。

7)红外信号发射装置的信号范围比较远，因此当搜索列表清空且机器人仍有动力的时候，用户可以选择让机器人自行搜索充电装置，红外信号发射装置使得机器人的搜索效率可以大大提升。

本发明还提供了一种非易失性存储介质，其包括一条或多条计算机指令，所述一条或多条计算机指令在执行时实现上述的自动充电方法。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，同样属于本发明的保护范围之内。