一种机器人自动充电系统

1.本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种机器人自动充电系统。


背景技术：

2.机器人是自动控制机器的俗称，包括一切模拟人类或其他生物行为或思想的机械。随着科学技术的发展，机器人广泛活动于人类生活的各个领域，被广泛地应用于人类生活的各个领域和工业中。其能够自动执行任务，可以协助甚至取代人类进行工作，使得生活生产变得智能化、高效化和多样化。
3.机器人在应用于一些供变电厂、服务大厅或其他场所时，需要自动化运行，减少人为干预。因此，常常需要机器人自动与充电桩对接，以实现充电桩对机器人进行充电的目的。
4.对于市面上的机器人来说，由于自身过大的重量和其携带的多个伺服电机导致其有一个极其高额的电量消耗，因此，对机器人的充电研究是一个非常重要的部分，对一个机器人来说，由于他们本身不规则的形状和移动过程中动作的不确定性，机器人想要完美的自动对接充电桩完成自动充电是极其困难的，现有的研究的自动充电机器人对接原理虽然简单，但对接精度低，成功率不高，例如黎阳生利用视觉相机去识别充电桩附近的固定色块进而确定充电桩的大致位置，实现自动充电，但是该系统对应用场景要求比较苛刻，并不足以很好的满足需求。


技术实现要素：

5.为了解决上述机器人与充电桩进行对接以完成充电目的时，对接精度较差，不能较好地实现自动化充电的问题，本发明提出了一种机器人自动充电系统，由激光测距传感器组模块、红外对管模块和ai视觉相机模块的相互配合，经过三次充电插头的角度调整完成对充电插头和充电桩的精准对接，完成自动充电，无需人工操作，提高工作效率，安全可靠，能有效的解决上述的技术问题。
6.本发明通过以下的技术方案实现：
7.一种机器人自动充电系统，包括设置在自动充电机器人上的自动充电模块，以及与自动充电模块对接的充电站模块，所述的充电站模块安装在充电桩内；所述的充电桩上设置有二维码，所述的充电站模块包括充电站控制单元模块，以及与充电站控制单元模块连接的红外对管模块、激光测距传感器组模块和无线通信模块一；所述的自动充电模块包括机器人控制单元模块，以及通过串口通信模块与机器人控制单元模块信号连接的伺服电机模块、ai视觉相机模块、电压传感器模块和无线通信模块二，所述的电压传感器模块与电池连接，实时监测电池的电量；所述的ai视觉相机模块用于拍摄并读取二维码，所述的充电站控制单元模块和机器人控制单元模块之间通过无线通信模块进行信息交互；所述的机器人控制单元模块和充电站控制单元模块采用树莓派服务器，用于对传感器信号的接收、处理，二维码的识别、定位、解码、伺服电机模块的驱动、自动充电流程的控制、ai视觉相机模
块发送信息的接收、处理；自动充电机器人通过使用激光测距传感器组和红外对管组的两次调整后，再结合ai视觉相机模块与二维码的相互配合进行第三次角度调整，进行自动充电机器人上的充电插头与充电桩上充电接口的对接，利用ai视觉相机模块检测二维码的方式进行充电接口的对准，让充电插头对接二维码中心的，并且在移动过程中使用动态比例参数的pd控制方法，提高对接成功概率。
8.进一步的，所述充电桩上的激光测距传感器组用来检测是否有机器人出现，当机器人进入到激光测距传感器测量的距离阈值范围内，与激光测距传感器连接的计时器记录物体在监测范围内的时间，当机器人停留的时间大于设定的阈值时，激光测距传感器将机器人出现的信号传送给充电站控制单元模块；其具体步骤为：
9.激光测距传感器模块组由两个激光测距传感器组成，当距离激光测距传感器d＝40cm的范围内，有物体出现，此时开启计时器，统计物体停留的时间t，当所停留的时间大于3s时，此时则判定有机器人出现；当判定有机器人出现，则开始对机器人的姿态进行检测，通过激光测距传感器检测出机器人的头尾两端距离充电桩的距离s1和s2,求出机器人相对于充电桩的倾角θ；计算公式为：
10.；
11.上式中，s1为激光测距传感器e测出的与机器人之间的距离，s2为激光测距传感器f测出的与机器人之间的距离，d为两个激光测距传感器间的距离；
12.激光测距传感器模块将监测得到的距离s1、s2和计算得到的倾角θ上传至充电站控制单元模块，充电站控制单元模块根据距离s1、s2和倾角θ的值下达信号命令，通过无线通信模块将命令传输至机器人控制单元模块，机器人控制单元模块再通过串口通信模块将命令传送至伺服电机模块，伺服电机模块带动对应的部件调整充电插头进行移动相对应角度，对充电插头的第一次角度调整完成。
13.进一步的，所述的机器人上安装有红外对管模块，用于和充电桩上的红外对管模块进行对接，对接过程为充电插头对接充电接口的过程，此过程是对充电插头的第二次角度调整；具体的操作方式为：
14.完成对充电插头的第一次角度调整后，假设此刻充电插头位于充电桩的左侧，则此时右侧的红外对管亮起；机器人控制单元模块发出控制指令，通过串口通信模块发送至伺服电机模块，伺服电机模块运行带动相应的部件移动，带动充电插头向右移动，直至两侧的红外对管都被点亮；
15.若此刻充电插头位于充电桩的右侧，则此时左侧的红外对管亮起；机器人控制单元模块发出控制指令，通过串口通信模块发送至伺服电机模块，伺服电机模块运行带动相应的部件移动，带动充电插头向左移动，直至两侧的红外对管都被点亮；
16.当两侧的红外对管都被点亮后，机器人处于停止状态，对充电插头的第二次角度调整完成。
17.进一步的，所述的充电接口设置在二维码的中心位置，所述的ai视觉相机模块用于扫描二维码，对二维码进行定位；以此定位充电接口的位置，完成对充电插头的第三次角度调整，具体的操作方式为：
18.(1)准备棋盘格图片，使用张氏校正法，对每一张图片提取角点信息，利用获取的角点对相机进行标定，获取相机的内参矩阵，外参矩阵和畸变系数，利用获取的相机的内参
矩阵和畸变系数对ai视觉相机拍得的图片进行去畸变；
19.(2)将经过去畸变的图像使用双边滤波，进行降噪处理，得到经过降噪处理后的图像，将上述得到的图像利用scharr算法进行边缘提取，得到边缘提取的结果，将边缘提取的结果进行二值化，将提取到的边缘位置的像素点设置为1，其他位置设置为0，将提取的边缘图，根据二维码三个区域的特征，对轮廓进行面积与比例过滤，当三个区域的特征从左到右，从上到下黑白比例为1：1：3：1：1时，则判断ai视觉相机模块检测到的是二维码，将得到的二维码使用zbar进行解码，确定该二维码为所要寻找的包含充电桩信息的二维码；
20.假设检测的二维码是对应的，则定位二维码中心处具体位置的空间坐标，将当前位置与二维码中心处做差，将得到的值进行加权，再通过pid算法得到输出信号，驱动伺服电机带动充电插头移动到二维码中心位置处，机器人控制单元模块向机械臂发送移动到二维码所在的具体位置的基础上，充电插头则正对充电接口，机器人控制单元模块发送对接指令，机器人控制机械臂向前方移动直至对接完成。
21.进一步的，所述的pid算法公式为：
[0022][0023]
上式中，u为伺服电机的转动速度，k
p
、ki、kd均为比例系数，δx为当前值与目标值之间的差值，也就是当前机械臂的位置与充电桩位置间的差值；
[0024]
p是目标值与当前值之间的差值，对于k
p
来说，p的值越大，电机移动的速度越快，同时会带来电机稳定性变差的结果；i是通过将偏差值进行累加得到的，ki值越大，则积分时所乘的积分系数就越大，积分效果越明显,其作用就是减小静态情况下的误差，让受控物理量尽可能接近目标值；d反应的是偏差的变化速率，可以通过其使系统更快的接近稳态，kd的值越大进入稳态的速度就越快，kd的值越小进入稳态的速度就越慢；
[0025]
根据机器人对接过程的实际情况，在对接过程中极少保持在稳定的状态，静态误差极其小且难以统计，因此将i设置为0，为减小误差，使用了一种动态的比例参数k
p
，初始时，充电插头距离充电接头的位置较远，则偏差较大，使用较大的比例参数k
p
,使充电插头快速接近充电桩位置，尽快达到稳定状态，当充电插头已经逼近充电桩，则偏差较小，使用较小的比例参数k
p
,减缓移动速度，减少震荡，k
p
的计算公式为：
[0026][0027]
其中，δx是检测到的二维码中心的位置和当前中心位置之间的差值，δx
max
是检测到的二维码中心的位置和当前中心位置之间的最大差值；利用动态比例参数的pd控制，可以快速准确地完成对接；其具体过程如下：
[0028]
在机器人控制单元上运行有充电目标识别和定位函数，此函数输入为ai视觉相机传回的三通道图像矩阵；当程序运行到充电目标识别和对接函数时，机器人控制单元对ai视觉相机捕捉到的图像进行采集，作为输入进行图像识别和定位处理过程，得到二维码中心的当前位置，将二维码中心当前位置与ai相机中心所在的位置作差，将得到的差值作为对接信息产生依据，机器人控制单元通过pid算法利用差值信息得到驱动输出信号，驱动步进电机带动充电插头向目标方向移动进行对接；在充电插头移动到指定位置后，步进电机停止运动，并且伸缩电机伸出，将充电插头送到充电桩内，实现对接。
[0029]
进一步的，所述的充电接口与充电插头对接后，电压传感器模块能够获取被充电电池的电流，由机器人控制单元模块接收电压传感器模块所探测到的电压，与当前的电池电压比较，判定充电接口与充电插头是否连接成功；判定充电接口与充电插头是否连接成功的具体操作方式为：
[0030]
(1)充电电流从p5的第一个引脚流入电流传感芯片中，再将充电电流输入到电池的正电极上，电池的负极连接到充电电流负极上，形成了一个完整的充电回路；
[0031]
(2)电流输入到晶片，晶片内部的工作电路会将经过的电流转换为相应的电压，之后由7号脚向mcu输出，此过程为对充电电流进行采集和检测。
[0032]
有益效果
[0033]
本发明提出的一种机器人自动充电系统，与现有技术相比较，其具有以下有益效果：
[0034]
(1)本技术方案由激光测距传感器组模块、红外对管模块和ai视觉相机模块的相互配合，经过三次充电插头的角度调整，进行自动充电机器人上的充电插头与充电桩上充电接口的对接。在激光测距传感器组模块和红外对管模块的检测与控制器之间的信息交互对接下进行2次的机械臂调整后，使得充电插头与充电接口大致对应；再利用ai视觉相机模块检测二维码的方式进行充电接口的对准，让充电插头对接二维码中心的，并且在移动过程中使用动态比例参数的pd控制方法，提高对接成功概率，完成自动充电；无需人工操作，提高工作效率，安全可靠。相比与同类对接方法，精度大幅提高。
附图说明
[0035]
图1是本发明的整体架构示意框图。
[0036]
图2是本发明中ai视觉相机模块读取图像的流程示意图。
[0037]
图3是本发明中电压传感器模块的电路原理图。
具体实施方式
[0038]
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0039]
如图1所示，一种机器人自动充电系统，包括设置在自动充电机器人上的自动充电模块，以及与自动充电模块对接的充电站模块，所述的充电站模块安装在充电桩内。
[0040]
所述的充电桩上设置有二维码，所述的充电站模块包括充电站控制单元模块，以及与充电站控制单元模块连接的红外对管模块、激光测距传感器组模块和无线通信模块一。
[0041]
所述的自动充电模块包括机器人控制单元模块，以及通过串口通信模块与机器人控制单元模块信号连接的伺服电机模块、ai视觉相机模块、电压传感器模块和无线通信模块二，所述的电压传感器模块与电池连接，实时监测电池的电量。
[0042]
所述的ai视觉相机模块用于拍摄并读取二维码，所述的充电站控制单元模块和机器人控制单元模块之间通过无线通信模块进行信息交互。
[0043]
所述的机器人控制单元模块和充电站控制单元模块采用树莓派服务器，用于对传感器信号的接收、处理，二维码的识别、定位、解码、伺服电机模块的驱动、自动充电流程的
控制、ai视觉相机模块发送信息的接收、处理。
[0044]
自动充电机器人通过使用激光测距传感器组和红外对管组的两次调整后，再结合ai视觉相机模块与二维码的相互配合进行第三次角度调整，进行自动充电机器人上的充电插头与充电桩上充电接口的对接，利用ai视觉相机模块检测二维码的方式进行充电接口的对准，让充电插头对接二维码中心的，并且在移动过程中使用动态比例参数的pd控制方法，提高对接成功概率。
[0045]
所述充电桩上的激光测距传感器组用来检测是否有机器人出现，当机器人进入到激光测距传感器测量的距离阈值范围内，与激光测距传感器连接的计时器记录物体在监测范围内的时间，当机器人停留的时间大于设定的阈值时，激光测距传感器将机器人出现的信号传送给充电站控制单元模块；其具体步骤为：
[0046]
激光测距传感器模块组由两个激光测距传感器组成，当距离激光测距传感器d＝40cm的范围内，有物体出现，此时开启计时器，统计物体停留的时间t，当所停留的时间大于3s时，此时则判定有机器人出现；当判定有机器人出现，则开始对机器人的姿态进行检测，通过激光测距传感器检测出机器人的头尾两端距离充电桩的距离s1和s2,求出机器人相对于充电桩的倾角θ；计算公式为：
[0047]
；
[0048]
上式中，s1为激光测距传感器e测出的与机器人之间的距离，s2为激光测距传感器f测出的与机器人之间的距离，d为两个激光测距传感器间的距离；
[0049]
激光测距传感器模块将监测得到的距离s1、s2和计算得到的倾角θ上传至充电站控制单元模块，充电站控制单元模块根据距离s1、s2和倾角θ的值下达信号命令，通过无线通信模块将命令传输至机器人控制单元模块，机器人控制单元模块再通过串口通信模块将命令传送至伺服电机模块，伺服电机模块带动对应的部件调整充电插头进行移动相对应角度，对充电插头的第一次角度调整完成。
[0050]
所述的机器人上安装有红外对管模块，用于和充电桩上的红外对管模块进行对接，对接过程为充电插头对接充电接口的过程，此过程是对充电插头的第二次角度调整；具体的操作方式为：
[0051]
完成对充电插头的第一次角度调整后，假设此刻充电插头位于充电桩的左侧，则此时右侧的红外对管亮起；机器人控制单元模块发出控制指令，通过串口通信模块发送至伺服电机模块，伺服电机模块运行带动相应的部件移动，带动充电插头向右移动，直至两侧的红外对管都被点亮；
[0052]
若此刻充电插头位于充电桩的右侧，则此时左侧的红外对管亮起；机器人控制单元模块发出控制指令，通过串口通信模块发送至伺服电机模块，伺服电机模块运行带动相应的部件移动，带动充电插头向左移动，直至两侧的红外对管都被点亮；
[0053]
当两侧的红外对管都被点亮后，机器人处于停止状态，对充电插头的第二次角度调整完成。
[0054]
如图2所示，所述的充电接口设置在二维码的中心位置，所述的ai视觉相机模块用于扫描二维码，对二维码进行定位；以此定位充电接口的位置，完成对充电插头的第三次角度调整，具体的操作方式为：
[0055]
(1)准备棋盘格图片，使用张氏校正法，对每一张图片提取角点信息，利用获取的角点对相机进行标定，获取相机的内参矩阵，外参矩阵和畸变系数，利用获取的相机的内参矩阵和畸变系数对ai视觉相机拍得的图片进行去畸变；
[0056]
(2)将经过去畸变的图像使用双边滤波，进行降噪处理，得到经过降噪处理后的图像，将上述得到的图像利用scharr算法进行边缘提取，得到边缘提取的结果，将边缘提取的结果进行二值化，将提取到的边缘位置的像素点设置为1，其他位置设置为0，将提取的边缘图，根据二维码三个区域的特征，对轮廓进行面积与比例过滤，当三个区域的特征从左到右，从上到下黑白比例为1：1：3：1：1时，则判断ai视觉相机模块检测到的是二维码，将得到的二维码使用zbar进行解码，确定该二维码为所要寻找的包含充电桩信息的二维码；
[0057]
假设检测的二维码是对应的，则定位二维码中心处具体位置的空间坐标，将当前位置与二维码中心处做差，将得到的值进行加权，再通过pid算法得到输出信号，驱动伺服电机带动充电插头移动到二维码中心位置处，机器人控制单元模块向机械臂发送移动到二维码所在的具体位置的基础上，充电插头则正对充电接口，机器人控制单元模块发送对接指令，机器人控制机械臂向前方移动直至对接完成。
[0058]
所述的pid算法公式为：
[0059][0060]
上式中，u为伺服电机的转动速度，k
p
、ki、kd均为比例系数，δx为当前值与目标值之间的差值，也就是当前机械臂的位置与充电桩位置间的差值；
[0061]
p是目标值与当前值之间的差值，对于k
p
来说，p的值越大，电机移动的速度越快，同时会带来电机稳定性变差的结果；i是通过将偏差值进行累加得到的，ki值越大，则积分时所乘的积分系数就越大，积分效果越明显,其作用就是减小静态情况下的误差，让受控物理量尽可能接近目标值；d反应的是偏差的变化速率，可以通过其使系统更快的接近稳态，kd的值越大进入稳态的速度就越快，kd的值越小进入稳态的速度就越慢；
[0062]
根据机器人对接过程的实际情况，在对接过程中极少保持在稳定的状态，静态误差极其小且难以统计，因此将i设置为0，为减小误差，使用了一种动态的比例参数k
p
，初始时，充电插头距离充电接头的位置较远，则偏差较大，使用较大的比例参数k
p
,使充电插头快速接近充电桩位置，尽快达到稳定状态，当充电插头已经逼近充电桩，则偏差较小，使用较小的比例参数k
p
,减缓移动速度，减少震荡，k
p
的计算公式为：
[0063][0064]
其中，δx是检测到的二维码中心的位置和当前中心位置之间的差值，δx
max
是检测到的二维码中心的位置和当前中心位置之间的最大差值；利用动态比例参数的pd控制，可以快速准确地完成对接；其具体过程如下：
[0065]
在机器人控制单元上运行有充电目标识别和定位函数，此函数输入为ai视觉相机传回的三通道图像矩阵；当程序运行到充电目标识别和对接函数时，机器人控制单元对ai视觉相机捕捉到的图像进行采集，作为输入进行图像识别和定位处理过程，得到二维码中心的当前位置，将二维码中心当前位置与ai相机中心所在的位置作差，将得到的差值作为对接信息产生依据，机器人控制单元通过pid算法利用差值信息得到驱动输出信号，驱动步
进电机带动充电插头向目标方向移动进行对接；在充电插头移动到指定位置后，步进电机停止运动，并且伸缩电机伸出，将充电插头送到充电桩内，实现对接。
[0066]
所述的充电接口与充电插头对接后，电压传感器模块能够获取被充电电池的电流，由机器人控制单元模块接收电压传感器模块所探测到的电压，与当前的电池电压比较，判定充电接口与充电插头是否连接成功；图3为电压传感器模块电路图，如图3所示，判定充电接口与充电插头是否连接成功的具体操作方式为：
[0067]
(1)充电电流从p5的第一个引脚流入电流传感芯片中，再将充电电流输入到电池的正电极上，电池的负极连接到充电电流负极上，形成了一个完整的充电回路；
[0068]
(2)电流输入到晶片，晶片内部的工作电路会将经过的电流转换为相应的电压，之后由7号脚向mcu输出，此过程为对充电电流进行采集和检测。