1、第七章移動機(jī)器人自動充電系統(tǒng)研究移動機(jī)器人自動充電技術(shù)概述室內(nèi)自治移動機(jī)器人被越來越廣泛地應(yīng)用于各種場合，如娛樂、搬運(yùn)、清潔、保安等。在這些不同場合的應(yīng)用都需要機(jī)器人能適應(yīng)所處的環(huán)境，無論是開放式環(huán)境還是封閉式環(huán)境，無論是室內(nèi)環(huán)境還是室外環(huán)境。由于機(jī)載電源容量的限制， 機(jī)器人的工作時(shí)間受到限制，這使得機(jī)器人不能實(shí)現(xiàn)長期自治的功能， 如果這個(gè) 問題被解決，那么移動機(jī)器人將會被用于更加廣泛的領(lǐng)域。目前，移動機(jī)器人都是使用高質(zhì)量的機(jī)載可充電蓄電池組來給自身供電，但是一般只能維持幾個(gè)小時(shí)，一旦電能耗盡，必須采用人工干預(yù)的方式來給機(jī)器人 充電。即當(dāng)移動機(jī)器人電力不足時(shí)，發(fā)出提示信號，由操作人員手動完成機(jī)

2、器人 與充電器之間的電器連接，然后實(shí)施充電，完成后也是人工脫離連接電路。 其特 點(diǎn)是安全可靠，簡單易行，但需要專人看管，浪費(fèi)人力，而且這也使得機(jī)器人的 自動化、智能化不完整。如果采用人工充電，那么機(jī)器人就處于一種非連續(xù)的任 務(wù)環(huán)37（如圖7-1所示），這阻礙了機(jī)器人的長期自治。圖7-1機(jī)器人非連續(xù)任務(wù)環(huán)完全自主A人工干預(yù)如果要實(shí)現(xiàn)真正意義上的長期自治，機(jī)器人必須能在所處的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自我 支持，實(shí)現(xiàn)連續(xù)任務(wù)環(huán)37（如圖7-2所示）。機(jī)器人連續(xù)任務(wù)環(huán)被簡單地定義為使 機(jī)器人以自主充電的方式來繼續(xù)完成它所分配到的任務(wù)。一旦開始運(yùn)行，機(jī)器人便進(jìn)入連續(xù)任務(wù)環(huán)，即不再需要人的幫助，在此系統(tǒng)中，啟動和停止是

3、由機(jī)器人 自動完成的。總之，隨著移動機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，人們對移動機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)長期值 守、延長自治時(shí)間以及增加活動范圍等功能的要求越來越高，故而其補(bǔ)充動力能源成為了一個(gè)亟待解決的問題380由于常見的移動機(jī)器人動力能源的無纜化主要依賴高品質(zhì)的機(jī)載蓄電池組，如何讓機(jī)器人在無人工干預(yù)環(huán)境下安全可靠、快速高效地自動實(shí)現(xiàn)充電是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人長期自治的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。圖7-2機(jī)器人連續(xù)任務(wù)環(huán)當(dāng)移動機(jī)器人需要補(bǔ)充電力時(shí)，會自動駛向指定充電區(qū)，車載充電連接器與 地面充電系統(tǒng)自動實(shí)現(xiàn)電連接并實(shí)施充電。充電完成后機(jī)器人自動脫離充電系 統(tǒng)，駛向工作區(qū)或待命區(qū)投入正常運(yùn)行，其特點(diǎn)是整個(gè)充電過程全部實(shí)現(xiàn)自動化、 智能化，

4、無需專人看管。移動機(jī)器人和充電座連接方式常見的有如下三種340上置式自動充電模式。連接觸點(diǎn)位于移動機(jī)器人本體上方，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)充電座時(shí)，與地面連接觸點(diǎn)自動完成對接，當(dāng)充電完畢后與充電座自動脫離。 Grey Waited發(fā)的機(jī)器人Elsie和Elmer就是采用將機(jī)器人本體上的充電臂插入就 近的插座的充電方式來充電39。圖7-3上置式自動充電模式(2)側(cè)置式自動充電模式。連接觸點(diǎn)位于移動機(jī)器人側(cè)面，當(dāng)機(jī)器人到達(dá)充 電座時(shí)，與地面連接觸點(diǎn)側(cè)向?qū)?yīng)，由機(jī)器人主動完成對接。充電完成后，機(jī)器 人駛離投入運(yùn)行。澳大利亞的Alex Zelinsky開發(fā)的機(jī)器人和美國的加利福尼亞 大學(xué)開發(fā)的機(jī)器人是采用這種方法

5、。 下置式自動充電模式。連接觸點(diǎn)位于機(jī)器人本體下部，當(dāng)機(jī)器人停在充電 臺位時(shí)，車載與地面連接觸點(diǎn)自動上下對接吻合。充電完成后，機(jī)器人駛離，連 接觸點(diǎn)自動脫離。圖7-4側(cè)置式自動充電模式機(jī)器人充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀接觸式充電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀1948年,Grey Walter用兩個(gè)機(jī)器人日sie和日mer進(jìn)行了研究39,他設(shè)置一個(gè)充 電站，在充電站里放置一個(gè)光源和充電器， 機(jī)器人采用跟蹤光源的方法來尋找充 電站，進(jìn)人充電站后進(jìn)行對接充電。筑波大學(xué)研制的自主充電移動機(jī)器人 Yamabico-Liv40,利用已知環(huán)境地圖引導(dǎo)機(jī)器人到達(dá)充電站，機(jī)器人配備特別的 設(shè)備和充電站進(jìn)行對接?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人研究所開

6、發(fā)了一種自主導(dǎo)游 機(jī)器人Sage41,本體采用改良的Nomad XR4000移動機(jī)器人，它利用CCD和三 維路標(biāo)（路標(biāo)位于插座上方）來引導(dǎo)充電。加利福尼亞大學(xué)也進(jìn)行了機(jī)器人自主 充電研究42,本體使用Nomad XR400呢動機(jī)器人，通過在充電站的上方設(shè)置色 塊和IR二極管來引導(dǎo)機(jī)器人對接以及監(jiān)控充電狀況。意大利的布雷西亞大學(xué)設(shè)計(jì)的充電系統(tǒng)是采用在對接軸線上設(shè)置兩個(gè)高度不同的點(diǎn)光源，通過視覺傳感器來判別兩個(gè)光源連線是否和軸線一致來判斷機(jī)器人十分處在正確的對接位置430ActivMedia公司的自主充電系統(tǒng)使用環(huán)境地圖來引導(dǎo)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主充電44。哈爾濱工業(yè)大學(xué)用Pioneer 3 DX輪式機(jī)器

7、人在未知環(huán)境中進(jìn)行了自主充電研究35, 使用激光傳感器、PTZ彩色攝像頭和里程計(jì)來引導(dǎo)機(jī)器人到達(dá)充電站并進(jìn)行對 接。機(jī)器人和充電座進(jìn)行對接時(shí)，不僅要讓機(jī)器人到達(dá)充電座，還需要機(jī)器人以 一定的角度和方向進(jìn)入充電座，一般方法是要求機(jī)器人沿特定的軸線進(jìn)入和充電 座進(jìn)行對接。這種方法對機(jī)器人移動的精確性和導(dǎo)航的準(zhǔn)確性要求很高，改進(jìn)的方法是設(shè)計(jì)一種充電座，允許機(jī)器人從范圍很大的不同角度進(jìn)入，這樣也使得對接方式變得簡單。澳大利亞的昆士蘭大學(xué)設(shè)計(jì)的自動充電裝置38,在機(jī)器人上安裝兩根柔性圓弧狀金屬條，在充電座上設(shè)計(jì)兩塊對應(yīng)的用來作為接觸點(diǎn)的金屬 板，金屬板和充電座之間也使用海綿連接， 這樣增加了對接柔性，系

8、統(tǒng)對對接誤 差的容忍度也得到提高，對接系統(tǒng)可以允許 治5以及i20cm的對接誤差。圖7-5澳大利亞昆士蘭大學(xué)設(shè)計(jì)的充電對接裝置這種改進(jìn)方法的原理是使用一個(gè)電氣緩沖器，就如同碰碰車獲取電源一樣 （在機(jī)器人上方和下方設(shè)置金屬板，機(jī)器人使用電刷連接和金屬板進(jìn)行連接）。也可以設(shè)計(jì)一個(gè)移動的充電站（其本身就是一個(gè)大型的移動機(jī)器人， 它可以給其 他機(jī)器人供電），這種充電站會搜索低電量的機(jī)器人并利用自帶的充電器給其進(jìn) 行充電。移動機(jī)器人自動充電技術(shù)的新發(fā)展：非接觸式感應(yīng)充電45452接觸充電時(shí)充電設(shè)備與蓄電池組之間為電連接， 采用傳統(tǒng)的接觸器，這種方 式存在較大的缺陷：首先，導(dǎo)體裸露在外面，電連接時(shí)容易產(chǎn)生

9、火花，這對于易 燃易爆場合危險(xiǎn)性大；而且會因多次的插拔對接操作，引起機(jī)械磨損，導(dǎo)致接觸 松動，不能有效傳輸電能；如果連接部件出現(xiàn)污物，將會導(dǎo)致接觸不良或者電連 接失敗；若在潮濕的或存在充斥導(dǎo)電介質(zhì)的環(huán)境， 也極容易引起電路短路；再者, 連接觸點(diǎn)的對接需要較高的精確性，這也增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和控制的難度。為了彌補(bǔ)傳導(dǎo)充電方式的不足，出現(xiàn)了一種新的充電技術(shù)一一非接觸感應(yīng)充 電技術(shù)。感應(yīng)充電是一種利用電磁感應(yīng)原理通過非接觸的耦合方式進(jìn)行能量傳遞 的充電方式。感應(yīng)充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7-6所示。圖7-6感應(yīng)充電系統(tǒng)功能框圖充電源和機(jī)器人接受裝置之間由分離的高頻變壓器組合成耦合器，通過感應(yīng)耦 合，無接觸式地

10、傳輸能量。輸入電網(wǎng)交流電經(jīng)過整流后，通過高頻逆變環(huán)節(jié)，經(jīng) 電纜傳輸通過感應(yīng)耦合器后，傳送到機(jī)器人的輸入端，再經(jīng)過整流濾波環(huán)節(jié)，給 機(jī)器人所帶蓄電池充電。感應(yīng)耦合器的磁耦合裝置原副邊之間分開更大距離，充電源安裝在某一固定地點(diǎn)，一旦機(jī)器人?？吭谶@一固定區(qū)域位置上，就可以無接觸式地接受充電源的能量，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)充電，無須人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了全自動充電。 采用該系統(tǒng)為機(jī)器人充電可以保證能量和信號的安全、可靠的傳輸。非接觸式感 應(yīng)充電在移動機(jī)器人方面的應(yīng)用：1991年，Albert Esser和Hans Chfistoph Skudelny將能量的感應(yīng)傳輸應(yīng)用于 驅(qū)動機(jī)器人，提高了機(jī)器人的運(yùn)動靈活性。1996年

11、，Atsuo Kawamura等人研制出應(yīng)用于機(jī)器人操作手的諧振式變換器進(jìn)行無線能量和信號的傳輸。2000年，Junji Hirai等人正式提出將能量的感應(yīng)傳輸應(yīng)用于蓄電池驅(qū)動的移動機(jī)器人系統(tǒng) 的電池充電。2004年日本富士通公司開發(fā)的服務(wù)機(jī)器人 FSR通過背面的充電部， 以無接點(diǎn)充電方式充電，通過電磁感應(yīng)供應(yīng)300W的電流?？朔舜蠊β孰娏鞴?電時(shí)，容易因接觸點(diǎn)污染等出現(xiàn)問題。電源使用300Wh、24V的鍥氫充電電池，充電需要2小時(shí)左右。隨著感應(yīng)充電技術(shù)研究工作日益深入， 其電能傳輸功率級別、傳輸距離、傳 輸效率等指標(biāo)都在不斷提高。目前國內(nèi)也有單位開始在相關(guān)領(lǐng)域開展研究工作。 隨著研究的深入

12、和技術(shù)的成熟，非接觸式感應(yīng)充電在移動機(jī)器人方面的應(yīng)用將會 越來越廣泛。圖7-7富士通機(jī)器人FSR采用感應(yīng)充電技術(shù)隨著近年來服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的迅猛發(fā)展，保安機(jī)器人、智能吸塵器、智能 AGV、商場導(dǎo)購機(jī)器人、場館導(dǎo)游機(jī)器人、醫(yī)院護(hù)士機(jī)器人、家庭娛樂機(jī)器人 等室內(nèi)移動機(jī)器人正逐漸走入我們的生活， 人們對室內(nèi)移動機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)長期自 治的要求也越來越高。移動機(jī)器人自動充電是實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人長期自治的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，隨著機(jī)器人傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)水平也越來越高； 非接觸式感應(yīng)充電 技術(shù)也在不斷發(fā)展，其傳輸功率級別、傳輸距離、傳輸效率等指標(biāo)都在不斷提高， 同時(shí)成本也在不斷下降，這也使得移動機(jī)器人自

13、主充電系統(tǒng)將會變得更加安全、 可靠、快速、經(jīng)濟(jì)。自動充電系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)自動充電技術(shù)分析由上兩節(jié)的內(nèi)容可以歸納出以下結(jié)論， 機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自主充電，需要滿足以 下幾個(gè)條件：1）機(jī)器人能檢測到什么時(shí)候需要充電。 一種方法是監(jiān)測電源的電壓或者限 制機(jī)器人的運(yùn)行時(shí)間。另一種方法是精確測量使用的電能。通過對電源的監(jiān)測， 機(jī)器人能夠預(yù)測何時(shí)需要充電。2）機(jī)器人必須被放置在充電座足夠近的地方。不同的導(dǎo)航方法例如視覺識 別、循墻、循跡、光跟蹤源，每種方法都有他們的局限性。如果沒有環(huán)境地圖， 機(jī)器人離充電座太遠(yuǎn)將無法找到充電座。3）機(jī)器人要能對充電座進(jìn)行定位。目前的系統(tǒng)一般采用激光測距儀或視覺 傳感器來探測充電座。

14、它們一般是基于外觀（如光流分析）或圖象變形或特征提 取或激光條形碼來識別。4）機(jī)器人從當(dāng)前位置移動到充電座需要導(dǎo)航行為。在可能面臨障礙物的情況下，機(jī)器人如何從當(dāng)前位置運(yùn)動到充電座， 機(jī)器人 系統(tǒng)必須具有導(dǎo)航、避障、路徑規(guī)劃能力。5）機(jī)器人和充電座之間必須能實(shí)現(xiàn)自動電器連接與脫離。 一般情況下，在 機(jī)器人上設(shè)計(jì)一個(gè)公頭連接器，在充電座上設(shè)計(jì)一個(gè)母頭連接器。 而且連接方式 要便于電流通過。連接系統(tǒng)的關(guān)鍵是，基于引導(dǎo)系統(tǒng)的精確性和可靠性， 對對接 誤差需要具有一定的容忍度，當(dāng)對接出現(xiàn)偏差時(shí)也能夠?qū)映晒?。目前已有的?接系統(tǒng)一般可以允許i5以及芷cm的對接誤差。6）充電器必須安放在機(jī)器人或者充電座上

15、。通常把充電器設(shè)計(jì)成充電座的 一部分，因?yàn)檫@樣可以減輕機(jī)器人的重量以及減小機(jī)器人的體積，同時(shí)也避免連接位置處于高電壓狀態(tài)。如果將充電器設(shè)置在機(jī)器人上，那么就必須使用標(biāo)準(zhǔn)的 家用插頭連接，以便能更好適應(yīng)環(huán)境。7）機(jī)器人需要確定與充電座的物理連接是否成功。許多系統(tǒng)采用紅外線接 發(fā)裝置來傳遞機(jī)器人與充電座的物理連接是否成功的信息，也可以采用監(jiān)測機(jī)器 人側(cè)連接端的電壓來確定電氣連接是否成功。 由于電氣連接是建立在物理連接的 基礎(chǔ)上的，所以此檢測系統(tǒng)是必須的，否則對接系統(tǒng)將會誤判，使得充電失敗。一個(gè)真正健壯的自主充電系統(tǒng)必須具有容錯以及糾錯功能。如果對接時(shí) 未對準(zhǔn)或者未能檢測到充電座時(shí)，系統(tǒng)需要對應(yīng)的策

16、略。在實(shí)際情況中，這種狀 況時(shí)有發(fā)生。自動充電中最重要的方面是對充電座的定位，因?yàn)槿缦聝蓚€(gè)原因：充電座探測系統(tǒng)的特性（如范圍、精確性、可靠性）以及它的輸出形式（是否獲取絕對 或相對方向、距離、位置、自身特性）決定了導(dǎo)航行為。充電座探測系統(tǒng)對于 圖象噪點(diǎn)、光照環(huán)境、硬件特性都比較敏感，其中出現(xiàn)的誤差將被累積或者放大。移動機(jī)器人自動充電的過程一般主要分為兩個(gè)階段， 第一個(gè)階段是尋找并靠 近充電座，第二階段是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和充電座的精確對接。 我們把第一階段稱作遠(yuǎn) 程對接，把第二階段稱之為近程對接。遠(yuǎn)程對接時(shí)把機(jī)器人看作成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，并 不考慮機(jī)器人本身的姿態(tài)，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入對接區(qū)域時(shí)，需要根據(jù)傳感器信息進(jìn)

17、行 位姿調(diào)整，以滿足相對充電座位置和角度的要求。由于一般的傳感器僅對遠(yuǎn)程或近程有效，所以大多數(shù)的自主充電系統(tǒng)一般配 有兩套不同的傳感器及對接程序。遠(yuǎn)程對接時(shí)，如果在固定已知環(huán)境下，機(jī)器人能夠利用內(nèi)建環(huán)境地圖進(jìn)行位 姿的校正很容易找到充電座；但在未知環(huán)境下，由于需要在遠(yuǎn)距離方位發(fā)現(xiàn)充電 座所在方位，所以需要在充電座所在的合適位置設(shè)置機(jī)器人易于識別的特殊標(biāo) 識。遠(yuǎn)程對接一般使用激光或者聲納探測、 視覺識別等方式來尋找充電座，也可 以通過設(shè)置紅外線信號燈、可見光源、可循線等標(biāo)識來給機(jī)器人提供充電座的位 置信息。近程對接時(shí)，在充電座上方設(shè)置便于傳感器（如激光探測儀、反射帶、視覺 處理或超聲波等）識別的

18、特殊形狀標(biāo)記，機(jī)器人依據(jù)傳感器得到的信號（如圖象 變化、圖象特征、激光編碼等）來進(jìn)行調(diào)整相對充電座的位置和角度， 然后實(shí)施 對接。對接成功后，機(jī)器人開始充電并監(jiān)控電池電壓狀態(tài)，如果電壓達(dá)到指定電壓則表明電池已經(jīng)充滿，機(jī)器人和充電座脫離，并繼續(xù)執(zhí)行原來任務(wù)7.3.2充電裝置的設(shè)計(jì)本文的設(shè)計(jì)目標(biāo)是采用超聲波傳感器、 紅外線傳感器來完成未知環(huán)境下的自 主充電任務(wù)。機(jī)器人使用一個(gè)12V可充電鉛酸電池供電。充電座主體材料為有機(jī)玻璃，機(jī)器人進(jìn)行對接時(shí)要求誤差必須在由5cm,節(jié)0 的范圍之內(nèi)。機(jī)器人如果利用定位系統(tǒng)則可以很容易尋找到充電座，如果 不依靠定位系統(tǒng)，則可以利用紅外光源來進(jìn)行充電對接導(dǎo)航。機(jī)器人采

19、用帶有金 屬條的接觸板與充電站進(jìn)行對接，如果對接成功則開始充電，如果失敗則后退一 定距離，并進(jìn)行下一次對接。由于傳統(tǒng)的自動充電對接方法對機(jī)器人移動的精確性和導(dǎo)航的準(zhǔn)確性要求 很高，為了解決這一問題，本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的充電座，允許機(jī)器人從范圍很 大的不同角度進(jìn)入，這樣也使得對接方式變得簡單。該方法是在充電座上安裝兩 根圓弧狀金屬條，金屬條和充電底座間采用彈簧進(jìn)行柔性連接， 在機(jī)器人上設(shè)計(jì) 兩塊對應(yīng)的用來作為接觸點(diǎn)的金屬板， 金屬板和機(jī)器人之間使用海綿連接， 這樣 更為增加了對接柔性，系統(tǒng)對對接誤差的容忍度也得到很大提高，對接系統(tǒng)可以 允許冷0以及土5cm的對接誤差。圖7-8機(jī)器人對接充電圖由于

20、移動式服務(wù)機(jī)器人的使用環(huán)境一般是室內(nèi)， 為了節(jié)省空間以及考慮充電 的安全性，通常將充電座置放于靠墻位置。而為了允許機(jī)器人從最大范圍的角度 和充電座進(jìn)行對接，特將充電座上的對接接觸部分設(shè)計(jì)成半圓弧狀，如圖 7-9所 示。（如果允許將充電座置放于空曠地方，可以將電座上的對接接觸部分設(shè)計(jì)成整圓弧狀，讓機(jī)器人能從任意角度進(jìn)行對接。）圖7-9充電電氣接觸部分結(jié)構(gòu)圖為了減輕機(jī)器人的重量以及減小機(jī)器人的體積，同時(shí)也避免連接位置處于高電壓狀態(tài)。將充電器安放在充電座上，把充電器設(shè)計(jì)成充電座的一部分，充電器輸入為220V交流電，輸出為12.3V直流電。充電座機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖7-10所示。圖7-10充電座結(jié)構(gòu)圖由于使用

21、紅外光源作為信標(biāo)來引導(dǎo)機(jī)器人以正確的角度來進(jìn)行對接，所以需要機(jī)器人需要能夠探測到充電座紅外光源的方向， 而因?yàn)槠胀ǖ陌l(fā)光紅外管發(fā)射 紅外線具有散射性，所以我們采用在發(fā)光紅外管上套上一段黑色熱縮管來提高發(fā) 光紅外管的方向性，如圖7-11所示(熱縮管I . 冊. I紅外發(fā)射管5門im圖7-11紅外導(dǎo)航信標(biāo)以及信標(biāo)方向檢測傳感器設(shè)計(jì)如圖7-11所示，使用兩個(gè)用隔光板隔開的紅外接收管來檢測紅外光源的方向，傳感器檢測原理如圖7-12所示。當(dāng)紅外光源偏左時(shí)，傳感器 A比傳感器B接收的光線多；當(dāng)紅外光源居中時(shí)，傳感器 A和傳感器B接收的光線相同；當(dāng)A、B兩紅外光源偏右時(shí)，傳感器 A比傳感器B接收的光線少。因

22、此可以根據(jù)個(gè)傳感器的檢測信號便可以判斷紅外光源的方向紅外光源紅外光源圖7-12紅外光源方向檢測原理圖紅外光源,傳感器B145 Hz? 6-10-WLT2 1/2J .M5563C6 0.001riULSia nalLED充電座紅外線信標(biāo)發(fā)射電路如圖 7-13,由兩個(gè)LM556來產(chǎn)生56KHz的紅外 信號。LM556是555定時(shí)器電路系列中的一個(gè)雙定時(shí)器IC ,支持兩個(gè)有效觸發(fā)， 并由電阻R1和電容C1的時(shí)間常數(shù)b決定。紅外接收頭選用頻率為 56.8KHZ型 號，工作電壓5V,探測距離8米。充電座紅外線信標(biāo)檢測電路如圖7-14。56 KHzart /45 Hz圖7-13充電座紅外信標(biāo)發(fā)射電路圖A

23、+5V1B2RJ5T CI3 47G + 3.3pfOut B圖7-14充電座紅外信標(biāo)探測電路圖圖7-15機(jī)器人充電對接示意圖對接算法為了更好地進(jìn)行對接，將周圍區(qū)域分為對接區(qū)域和非對接區(qū)域。 與充電站在 同一條直線上的一定寬度的區(qū)域稱為對接區(qū)域， 機(jī)器人在此區(qū)域內(nèi)進(jìn)行位姿調(diào)整 以便達(dá)到第二部分的對接誤差要求，在非對接區(qū)域只需將機(jī)器人看作是一個(gè)質(zhì)點(diǎn) 機(jī)器人即可，不必考慮角度和尺寸等要求，因此將對接任務(wù)分為遠(yuǎn)程對接和近程 對接。圖7-16移動機(jī)器人充電對接程序流程圖遠(yuǎn)程對接：機(jī)器人在非對接區(qū)域向?qū)訁^(qū)域的運(yùn)動稱為遠(yuǎn)程對接。 因?yàn)檩喪綑C(jī)器人為非 完整約束，無法橫向移動，為了方便在對接區(qū)域機(jī)器人進(jìn)行位

24、姿調(diào)整， 機(jī)器人將 對接區(qū)域內(nèi)的某一點(diǎn)而不是將充電站設(shè)為遠(yuǎn)程對接目標(biāo)， 機(jī)器人在遠(yuǎn)程對接時(shí)向 對接目標(biāo)點(diǎn)運(yùn)動，機(jī)器人到達(dá)對接目標(biāo)后立即轉(zhuǎn)換為近程對接。當(dāng)機(jī)器人的充電任務(wù)被觸發(fā)后，機(jī)器人可能在環(huán)境的任何地方，此時(shí)機(jī)器人 的首要任務(wù)就是尋找充電站。機(jī)器人首先根據(jù)室內(nèi)系統(tǒng)來確定對接目標(biāo)。 在充電 站上設(shè)置導(dǎo)航紅外線信號燈，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入對接區(qū)域時(shí)，由紅外線信號燈來引導(dǎo) 機(jī)器人調(diào)整正確的航向，確保機(jī)器人以正確的姿態(tài)進(jìn)行對接。 如果到達(dá)定位系統(tǒng) 顯示的目標(biāo)區(qū)域仍找不到充電座信號， 則進(jìn)行漫游搜索，直到發(fā)現(xiàn)目標(biāo)信號并向 目標(biāo)運(yùn)動。如果在0.5min內(nèi)無法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)就認(rèn)為對接失敗。近程對接：由于進(jìn)行遠(yuǎn)程對接時(shí)將

25、機(jī)器人看作是一個(gè)質(zhì)點(diǎn)， 并沒有考慮自身姿態(tài)，所以 當(dāng)機(jī)器人進(jìn)人對接區(qū)域時(shí)需要根據(jù)傳感器信息進(jìn)行位姿調(diào)整， 以滿足充電位置和 角度要求。需根據(jù)各自位姿進(jìn)行調(diào)整，位姿調(diào)整時(shí)最大速度為 100 mm/s。當(dāng)機(jī)器人調(diào)整位姿到適合對接時(shí)，機(jī)器人的微控制器發(fā)出指令，進(jìn)行對接。如果機(jī)器人接觸點(diǎn)電壓達(dá)到12.3V,表明對接成功，則機(jī)器人開始進(jìn)行充電并監(jiān) 控電源電壓狀態(tài)，如果電壓達(dá)到指定電壓說明電源已充滿， 機(jī)器人將將和自動和 充電座分離，并繼續(xù)執(zhí)行原來任務(wù)。如果對接失敗，機(jī)器人稍微后退后進(jìn)行適當(dāng) 調(diào)整，然后再次進(jìn)行對接，直到對接成功。對接算法流程示意圖如圖7-16所示。目標(biāo)對接仿真試驗(yàn)在本算法中除了目標(biāo)搜索與定位技術(shù)之外，