一种机器人的自动充电方法及装置与流程

本发明属于机器人
技术领域：
，尤其涉及一种机器人的自动充电方法及装置。
背景技术：
：自动机器人(以下简称机器人)，为能够在无人操作的条件下自行在一定区域范围内运动并执行任务的智能设备，其内部配置有为其工作提供能量的电池，当电池电量低下时，机器人会自行返回外部充电装置处，与外部充电装置对接，完成充电。现有技术中，机器人只携带一个接收装置，用于接收充电装置发射的高频信号，由信号的强弱来确定外部充电装置的位置，然而，在范围较大或周围环境复杂的情况下，例如，机器人与外部充电装置分处不同的房间的情况下，由于高频信号只适用于较小的范围，因此可能导致接收装置无法准确地接收到高频信号；在范围较小的情况下，高频信号也容易受反射波、干扰波等外部因素的影响，导致机器人无法准确地找到外部充电装置，影响机器人的充电操作执行效率。技术实现要素：本发明实施例的目的在于提供一种机器人的自动充电方法及装置，旨在解决现有技术中机器人无法准确定位其外部充电装置，充电操作执行效率低的问题。本发明实施例是这样实现的，一种机器人的自动充电方法，所述机器人的本体安装有垂直向上拍摄的摄像头，所述方法包括：当所述机器人位于与其外部充电装置对接的第一位置时，通过所述摄像头 采集第一天花板图像；对所述第一天花板图像进行特征点提取，计算特征点的第一世界坐标，并根据所述第一世界坐标计算出所述第一位置的第二世界坐标；当所述机器人在第二位置上触发充电任务时，通过所述摄像头采集第二天花板图像；对所述第二天花板图像进行特征点提取，获取特征点的第三世界坐标，并根据所述第三世界坐标计算所述第二位置的第四世界坐标；所述机器人计算从所述第四世界坐标移动至所述第二世界坐标的路径，并根据所述路径移动至所述第一位置进行充电。本发明实施例的另一目的在于提供一种机器人的自动充电装置，所述机器人的本体安装有垂直向上拍摄的摄像头，所述装置包括：第一采集单元，用于当所述机器人位于与其外部充电装置对接的第一位置时，通过所述摄像头采集第一天花板图像；第一计算单元，用于对所述第一天花板图像进行特征点提取，计算特征点的第一世界坐标，并根据所述第一世界坐标计算出所述第一位置的第二世界坐标；第二采集单元，用于当所述机器人在第二位置上触发充电任务时，通过所述摄像头采集第二天花板图像；第二计算单元，用于对所述第二天花板图像进行特征点提取，获取特征点的第三世界坐标，并根据所述第三世界坐标计算所述第二位置的第四世界坐标；充电单元，用于所述机器人计算从所述第四世界坐标移动至所述第二世界坐标的路径，并根据所述路径移动至所述第一位置进行充电。本发明实施例通过在机器人本体中配置用于拍摄天花板图像的摄像头，通过拍摄的天花板图像来定位外部充电装置的位置和机器人的实时位置，从而使得机器人能够准确地移动至充电位置，完成充电，提高了机器人的充电操作执行效率。附图说明图1是本发明实施例提供的机器人本体的内部模块架构图；图2是本发明实施例提供的外部充电装置的内部模块架构图；图3是本发明实施例提供的机器人的自动充电方法的实现流程图；图4是本发明实施例提供的特征点的图像坐标示例图；图5是本发明另一实施例提供的机器人的自动充电方法的实现流程图；图6是本发明实施例提供的机器人无线充电示意图；图7是本发明实施例提供的机器人的自动充电装置的结构框图。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。在本实施例中，机器人系统包括有机器人本体和外部充电装置，机器人本体的内部模块架构可以如图1所示，其中，机器人本体包括主处理芯片11、无线通信模块12、存储模块13、电机驱动14、电机15、电源管理模块16、可充电电池17以及向上摄像头18，该机器人本体以主处理芯片11为处理中心，控制无线通信模块12、存储模块13、电机驱动14、电机15及电源管理模块16工作，其中，该可充电电池17为机器人本体提供工作电源，此外，相比于现有的机器人主体内部模块架构，在本实施例中，增加了由主处理芯片11进行控制的向上摄像头(以下简称摄像头)18，摄像头18安装于机器人本体之上，且其拍摄角度为垂直向上，用于捕获机器人所在位置的天花板图像；外部充电装置的内部模块架构可以如图2所示，该外部充电装置包括主处理芯片21、电源管理模块22以及无线通信模块23，该主处理芯片21控制电源管理模块22和无线通信模块23工作，无线通信模块23与机器人本体的无线通信模块12进行通 信，通过数据通信，使得机器人本体能够被导航至外部充电装置进行充电，在充电时，电源管理模块22接入民用交流电，以实现对可充电电池17的供电。图3示出了本发明实施例提供的机器人的自动充电方法的实现流程，详述如下：在S301中，当所述机器人位于与其外部充电装置对接的第一位置时，通过所述摄像头采集第一天花板图像。在本实施例中，所述机器人与其外部充电装置对接，是指机器人位于可通过外部充电装置完成充电动作的位置，包括机器人与外部充电装置通过物理接口进行精确对接以完成充电的情况，或者机器人接近外部充电装置通过无线方式完成充电的情况。对机器人与其外部充电装置对接时，利用安装于机器人本体中的摄像头，采集此时机器人本体正上方的天花板图像。需要说明的是，在机器人离开外部充电装置之后，若外部充电装置位置发生了改变，则需要让机器人再次与外部充电装置对接，在对接状态下重新拍摄天花板图像，以实现对充电装置的重定位，否则，机器人工作之后需要再次充电时，会无法准确定位到外部充电装置。在S302中，对所述第一天花板图像进行特征点提取，计算特征点的第一世界坐标，并根据所述第一世界坐标计算出所述第一位置的第二世界坐标。其中，对图像进行特征点提取，可以采用基于Fast角点的ORB方法，对所检测得到的角点分区域进行滤波，以保证提取到的特征点数量适中，在空间上均匀分布。在本实施例中，S302之前，可以由机器人在运动过程中使用摄像头不断捕获天花板图像，分别从每幅图像中提取特征点，通过机器人运动所产生的不同位移和不同视角来对特征点进行拍摄，从而计算得到特征点的世界坐标，建立天花板地图。该地图的构建过程可以采用EKF-SLAM方法得到。在利用EKF-SLAM方法构建地图的过程中，由于大多情况下，机器人中所配置的是单目摄像头，只能获得特征点的位置信息，无法获得深度信息，因此， 可使用逆深度参数化模型对特征点的深度进行初始化，其中，(xiyizi)T表示第一次检测到该特征点时机器人的世界坐标，θi、分别表示在世界坐标系下特征点与摄像头光学中心之间的方位角和仰角，ρi表示特征点与摄像头光学中心之间距离的倒数。在SLAM过程中，会不断通过机器人运动所产生的不同位移和不同视角来对特征点进行拍摄，因此可以通过EKF不断修正特征点的该模型参数，最终得到较准确的深度值di＝1/ρi。具体的地图构建过程在此不再赘述。在从第一天花板图像中完成特征点提取之后，将提取出的特征点与构建出的地图匹配，获取到特征点的世界坐标而如图4所示，将特征点在图像中的坐标记为其中，分别为图像坐标系下特征点到图像中心的距离和角度，则根据特征点的世界坐标，机器人所在第一位置的世界坐标为RxRy=GrcosGθ+LxiGrcosGθ+Lyi,]]>其中，Gr、Gθ分别是世界坐标系下特征点到摄像头光学中心的实际距离和角度，f为摄像头焦距。在这里，由于Gθ未知，因此需要取多个特征点，分别计算其Gr，记为然后以为圆心，为半径作圆，圆的交点即为机器人的世界坐标。由于上述计算过程存在误差，特征点所作的圆无法精确交与一点，因此，在此可采用求最小二乘解的方式求得交点。在S303中，当所述机器人在第二位置上触发充电任务时，通过所述摄像头采集第二天花板图像。在本实施例中，在通过摄像头采集第二天花板图像之前，充电任务可以通过以下任一条件触发：1、当所述机器人的电池电量下降至预设阈值时触发所述充电任务。在机器人执行任务的过程中，其系统会对电池电量进行实时监控，一旦电 池电量下降至某个低电量阈值时，例如，剩余电量仅为10％时，则触发充电任务，机器人暂停当前任务的执行，将充电进程的优先级提高，优先执行充电任务，以避免因为电量不足而停止工作。2、当所述机器人的目标任务执行完毕后触发所述充电任务。对于机器人来说，其目标任务可以包括当前正在执行的任务，在机器人执行完目标任务之后，即使电量还有富余，由于当前没有任务需要执行，因此，机器人也可以触发充电任务，时刻保证电量的充足性。一旦机器人触发了充电任务，则在机器人的当前位置(即所述第二位置)通过摄像头采集该位置上方的天花板图像。在S304中，对所述第二天花板图像进行特征点提取，获取特征点的第三世界坐标，并根据所述第三世界坐标计算所述第二位置的第四世界坐标。在采集到第二天花板图像之后，依照S302所述的方法，获取第二天花板图像提取出的特征点的第三世界坐标，并根据第三世界坐标计算第二位置的第四世界坐标，以定位到机器人的当前位置。在S305中，所述机器人计算从所述第四世界坐标移动至所述第二世界坐标的路径，并根据所述路径移动至所述第一位置进行充电。通过以上步骤，机器人获取到了其当前所在位置的第四世界坐标，根据该第四世界坐标以及此前获取到的充电时所在位置的第二世界坐标，机器人后台可以计算出由当前位置移动至充电位置的路径，从而移动至充电所在的第一位置，进行充电操作。在充电完成之后，机器人还可以根据S305中计算出的路径，由第一位置移动回第二位置，继续工作或者等待任务的分配，以保证机器人任务执行的连贯性。本发明实施例通过在机器人本体中配置用于拍摄天花板图像的摄像头，通过拍摄的天花板图像来定位外部充电装置的位置和机器人的实时位置，从而使得机器人能够准确地移动至充电位置，完成充电，提高了机器人的充电操作执 行效率。作为本发明的一个实施例，如图5所示，在机器人在第二位置上触发充电任务之前，所述方法还包括：S501，所述机器人在运动过程中通过所述摄像头采集不同位置对应的第三天花板图像。S502，分别对每幅所述第三天花板图像进行特征点提取及特征点的世界坐标计算。S503，存储每幅所述第三天花板图像中特征点的世界坐标。其中，S501和S502实际上是通过EKF-SLAM方法进行天花板地图构建的过程，在地图构建完成之后，对每帧天花板图像中的特征点世界坐标进行存储。S504，所述对所述第二天花板图像进行特征点提取，获取特征点的第三世界坐标包括。S505，查找与所述第二天花板图像匹配的所述第三天花板图像。S506，根据所述存储的内容，获取与所述第二天花板图像匹配的所述第三天花板图像的特征点的世界坐标。基于S503中的存储内容，当机器人触发充电任务时，将拍摄的机器人当前位置的天花板图像与S501中拍摄的天花板图像进行图像匹配，匹配到一致的图像之后，直接提取出该图像中特征点的世界坐标，用于进行机器人定位。在本实施例中，在拍摄得到第二天花板图像之后，无需对特征点的世界坐标进行计算，而是通过图像匹配直接确定特征点的世界坐标，以此提高了机器人的后台处理效率。进一步地，作为本发明的一个实施例，在机器人系统中，在外部充电装置上安装初级线圈，在机器人上安装次级线圈，在S305中，当机器人根据计算出的路径移动至第一位置上时，机器人通过电磁感应来接收由外部充电装置传递过来的能量，完成机器人的充电，其充电原理如图6所示。由于在现有技术中，机器人与充电装置之间通常使用金属端子相连，这就 要求机器人与充电装置之间需要精确对接，一旦机器人位置有所偏移，就无法充电成功，而在本实施例中，通过电磁感应来实现机器人的无线充电，从而使得机器人无需与充电装置精确对接，即可完成充电，使得整个充电过程更加简便，对机器人的移动位置精确度要求降低，提高了机器人自动充电操作的执行效率。对应于上文实施例所述的机器人的自动充电方法，图7示出了本发明实施例提供的机器人的自动充电装置的结构框图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分。参照图7，该机器人的自动充电装置包括：第一采集单元71，当所述机器人位于与其外部充电装置对接的第一位置时，通过所述摄像头采集第一天花板图像；第一计算单元72，对所述第一天花板图像进行特征点提取，计算特征点的第一世界坐标，并根据所述第一世界坐标计算出所述第一位置的第二世界坐标；第二采集单元73，当所述机器人在第二位置上触发充电任务时，通过所述摄像头采集第二天花板图像；第二计算单元74，对所述第二天花板图像进行特征点提取，获取特征点的第三世界坐标，并根据所述第三世界坐标计算所述第二位置的第四世界坐标；充电单元75，所述机器人计算从所述第四世界坐标移动至所述第二世界坐标的路径，并根据所述路径移动至所述第一位置进行充电。可选地，所述装置还包括：第三采集单元，所述机器人在运动过程中通过所述摄像头采集不同位置对应的第三天花板图像；第三计算单元，分别对每幅所述第三天花板图像进行特征点提取及特征点的世界坐标计算；存储单元，存储每幅所述第三天花板图像中特征点的世界坐标；所述第二计算单元73包括：查找子单元，查找与所述第二天花板图像匹配的所述第三天花板图像；获取子单元，根据所述存储的内容，获取与所述第二天花板图像匹配的所述第三天花板图像的特征点的世界坐标。可选地，所述外部充电装置上安装有初级线圈，所述机器人上安装有次级线圈，所述充电单元包括：移动子单元，所述机器人根据所述路径移动至所述第一位置；充电子单元，所述机器人在所述第一位置上通过电磁感应接收由所述外部充电装置传递来的能量，以进行充电。可选地，所述机器人的自动充电装置还包括：移动单元，在充电完成之后，所述机器人根据所述路径由所述第一位置移动回所述第二位置继续工作。可选地，所述机器人的自动充电装置还包括：触发单元，当所述机器人的电池电量下降至预设阈值时触发所述充电任务；或者当所述机器人的目标任务执行完毕后触发所述充电任务。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3