一种机器人自动充电的充电座搜寻方法

摘要

本发明公开了一种机器人自动充电的充电座搜寻方法，包括以下步骤：初步搜索充电座特征；计算充电座的初步位置，判断机器人距离充电座位置的远近，如果机器人充电座距离机器人的位置近，则直接精确搜索充电座位置；如果机器人充电座距离机器人的位置远，则控制机器人运行到充电座前方的充电参考点，判断机器人到达参考点后，再精确搜索充电座位置。本发明机器人通过激光雷达探测充电座来初步搜索充电座的特征和精确搜索充电座位置，先确定充电座的位置范围，进而确定充电座相对于机器人的位置关系，计算出机器人在充电座的前方的具体方位，以使得机器人移动至充电座前面板的正前方再实现对接充电，从而提高机器人的定位精度和充电座的搜寻效率。

说明书

技术领域

本发明涉及机器人无线充电技术领域，更具体地，涉及一种机器人自动充电的充电座搜寻方法。

背景技术

近年来，随着计算机智能控制技术和传感器技术的不断发展，服务机器人被越来越广泛地应用在人们的生活中，如扫地机器人、商场导购机器人、餐饮服务机器人等。由于市场上服务机器人基本都是由电池提供动力，当机器人电量耗尽时，需要人们把机器人移动到充电场所进行充电。人工干预充电方式不仅浪费人力时间，也导致机器人工作时间受限，降低了机器人的自主性和智能化。

现有技术的机器人通常使用检测红外信号实现机器人自动对接充电座进行充电，该充电方法需要在充电座上安装至少2个红外发射管，与之对应的，机器人上需要安装红外接收传感器。该充电放方法需要在机器人上设置需要额外的结构设计并安装较多传感器，因此，对接精度不高。当机器人没有检测到充电座的具体位置时，可能会漫无目的搜寻，十分耗时。

发明内容

本发明目的在于提供一种机器人自动充电的充电座搜寻方法，以克服现有技术中机器人与充电座对接精度不高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种机器人自动充电的充电座搜寻方法，所述机器人具有可360°旋转的底盘，所述底盘上固定安装有激光雷达，所述激光雷达发射激光束对周围环境中的障碍物进行探测，以获得与障碍物相关的激光雷达数据；所述充电座的前面板上开设有向内凹进的左凹槽和右凹槽，所述左凹槽和右凹槽对称设置在所述充电座的两侧，所述左凹槽和右凹槽的高度均与所述激光雷达的扫描高度平齐设置，所述左凹槽、右凹槽以及位于所述左凹槽和右凹槽之间的中间面板共同形成充电座特征；所述充电座搜寻方法包括以下步骤：

S1、初步搜索充电座特征，判断机器人是否搜索到充电座特征，如果机器人搜索到充电座特征，则执行步骤S2；如果机器人未搜索到充电座特征，则控制机器人的底盘旋转一定角度后再次搜索充电座特征；

S2、计算充电座的初步位置，判断机器人距离充电座位置的远近，如果机器人充电座距离机器人的位置近，则直接精确搜索充电座位置；如果机器人充电座距离机器人的位置远，则控制机器人运行到充电座前方的充电参考点C，判断机器人到达参考点C后，再精确搜索充电座位置。

进一步的，所述步骤S1中初步搜索充电座特征的算法具体如下：

1.1、读取一帧激光雷达数据，将所有扫描到的激光雷达数据点保存到激光点Data数组中，激光雷达数据点的数据包括扫描距离和扫描角度；

1.2、先使用自适应变阈值分割方法确认分割阈值，定义分割阈值线性函数Div＝f(D)，以确定不同激光雷达数据点的分割阈值；再计算相邻两个激光雷达数据点L

1.3、遍历分割区块R

1.4、对所有分割区块R

1.5、计算充电座所在区块的中心点坐标P

进一步的，所述步骤S2中精确搜索充电座位置的算法如下：

2.1、读取一帧激光雷达数据，将所有扫描到的激光雷达数据点保存到激光点Data数组中，激光雷达数据点的数据包括扫描距离和扫描角度；

2.2、设置一个近距扫描参数值，遍历激光点Data数组中激光雷达数据点，过滤掉无效数据和超出扫描范围的激光雷达数据点；

2.3、遍历过滤后的激光点Data数组，计算两点之间的差值Δd，当Δd超过直线特征阈值时，根据充电座特征，从激光点Data数组中找出与充电座激光数据模型相符的连续激光雷达数据点，先定位出充电座特征的上升沿和下降沿数据点，最终得到充电座中间面板的左特征点和右特征点；一个完整的所述充电座特征从左到右依次包括左面板、左下降沿、左凹槽、左上升沿、中间面板、右下降沿、右凹槽、右上升沿以及右面板；

2.4、根据充电座的左特征点和右特征点数据，判断机器人处于充电座垂直中线的左侧还是右侧，当线段PL的长度大于线段PR的长度时，机器人位于充电座中线的右侧，反之在左侧；已知∠LPR的角度和线段PL、线段PR的长度，根据余弦定理和三角函数，计算出∠POV的角度，并判断机器人是否处于直接对接充电区，当∠POV小于20°时，机器人可以直接开始后退对接充电座，当∠POV的角度大于等于20°时，先要控制机器人运行到充电参考点C；

2.5、如果机器人不在直接对接充电区，机器人所在点的坐标为P(x，y)，机器人的运行方向为向量PC，计算向量PC在激光雷达坐标系中的角度和模长度|PC|，将向量PC在激光雷达坐标系上的角度转换为里程坐标系上的角度β，机器人先转动角度β，再前进|PC|距离，到达充电参考点C。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明的一种机器人自动充电的充电座搜寻方法，机器人通过激光雷达发射激光束来初步搜索充电座的特征和精确搜索充电座位置，先确定充电座的位置范围，进而确定充电座相对于机器人的位置关系，具体计算出机器人在充电座的前方的具体方位，以使得机器人移动至充电座前面板的正前方再实现对接充电，从而提高机器人的定位精度和充电座的搜寻效率。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明一种机器人自动充电的充电座搜寻方法中充电座和机器人配合的几何示意图；

图2是本发明中机器人的充电座搜寻方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

请参见图1和图2，本发明实施例提供的一种机器人自动充电的充电座搜寻方法，机器人具有可360°旋转的底盘，底盘上固定安装有激光雷达，激光雷达的旋转激光头进行360度旋转，激光雷达发射激光束对周围环境中的障碍物进行探测，以获得与障碍物相关的激光雷达数据。充电座1的前面板上开设有向内凹进的左凹槽1.1和右凹槽1.2，左凹槽和右凹槽对称设置在充电座的两侧，左凹槽和右凹槽的高度均与激光雷达的扫描高度平齐设置，左凹槽、右凹槽以及位于左凹槽和右凹槽之间的中间面板1.3共同形成充电座特征。机器人的充电座搜寻方法包括以下步骤：

S1、初步搜索充电座特征，判断机器人是否搜索到充电座特征，如果机器人搜索到充电座特征，则执行步骤S2；如果机器人未搜索到充电座特征，则控制机器人的底盘旋转20°后再次搜索充电座特征；该步骤中搜索充电座特征的算法具体如下：

1.1、读取一帧激光雷达数据，将所有扫描到的激光雷达数据点保存到激光雷达数据点Data数组中，激光雷达数据点的数据包括扫描距离和扫描角度。

1.2、对于每一帧激光雷达数据，根据分割阈值把激光雷达数据点分割成不同区块；如果连续两个激光雷达数据点的距离小于一个阈值，则这两个激光雷达数据点属于同一个分割区块；如果连续两个激光雷达数据点的距离大于一个阈值，数据帧就从该两个激光雷达数据点之间分割开；由于激光雷达数据点的分布并不是均匀的，先使用自适应变阈值分割方法确认分割阈值，定义分割阈值线性函数Div＝f(D)，以确定不同激光雷达数据点的分割阈值；再计算相邻两个激光雷达数据点L

1.3、遍历分割区块R

1.4、对所有分割区块R

1.5、计算充电座所在区块的中心点坐标P

S2、计算充电座的初步位置，判断机器人距离充电座1位置的远近，如果机器人充电座距离机器人的位置近，则直接精确搜索充电座位置；如果机器人充电座距离机器人的位置远，则控制机器人运行到充电座前方的充电参考点，判断机器人到达参考点后，再精确搜索充电座位置。该步骤中精确搜索充电座位置的算法如下：

2.1、读取一帧激光雷达数据，将所有扫描到的激光雷达数据点保存到激光点Data数组中，激光雷达数据点的数据包括扫描距离和扫描角度。

2.2、设置一个近距扫描参数值，遍历激光点Data数组中激光雷达数据点，过滤掉无效数据和超出扫描范围的激光雷达数据点。

2.3、遍历过滤后的激光点Data数组，计算两点之间的差值Δd，当Δd超过直线特征阈值时，根据充电座特征，从激光点Data数组中找出与充电座激光数据模型相符的连续激光雷达数据点，先定位出充电座特征的上升沿和下降沿数据点，最终得到充电座中间面板的左特征点和右特征点；一个完整的充电座特征从左到右依次包括左面板1.4、左内凹沿1.5、左凹槽内壁板、左返回沿1.6、中间面板1.3、右内凹沿1.7、右凹槽内壁板、右返回沿1.8以及右面板1.9。

2.4、根据充电座的左特征点和右特征点数据，判断机器人处于充电座垂直中线的左侧还是右侧，当线段PL的长度大于线段PR的长度时，机器人位于充电座中线的右侧，反之在左侧；已知线段PL和PR之间的夹角α

2.5、如果机器人不在直接对接充电区，机器人所在点的坐标为P(x，y)，机器人的运行方向为向量PC，计算向量PC在激光雷达坐标系中的角度和模长度|PC|，将向量PC在激光雷达坐标系上的角度转换为里程坐标系上的角度β，机器人先转动角度β，再前进|PC|距离，到达充电参考点C。

由此，通过本发明方法精准确定了充电座相对于机器人的位置关系；然后在再在基础上使机器人与充电座自动对接，最后实现机器人的自动充电。

本发明中，如果控制机器人底盘累计旋转超过360°仍未搜索到充电座的特征，则结束搜索工作。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。