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

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

3、由機器人 自動完成的。總之，隨著移動機器人的應用越來越廣泛，人們對移動機器人能實現長期值 守、延長自治時間以及增加活動范圍等功能的要求越來越高，故而其補充動力能源成為了一個亟待解決的問題380由于常見的移動機器人動力能源的無纜化主要依賴高品質的機載蓄電池組，如何讓機器人在無人工干預環境下安全可靠、快速高效地自動實現充電是實現機器人長期自治的一項關鍵技術。圖7-2機器人連續任務環當移動機器人需要補充電力時，會自動駛向指定充電區，車載充電連接器與 地面充電系統自動實現電連接并實施充電。充電完成后機器人自動脫離充電系 統，駛向工作區或待命區投入正常運行，其特點是整個充電過程全部實現自動化、 智能化，

4、無需專人看管。移動機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。連接觸點位于移動機器人本體上方，當機器人到達充電座時，與地面連接觸點自動完成對接，當充電完畢后與充電座自動脫離。 Grey Waited發的機器人Elsie和Elmer就是采用將機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)側置式自動充電模式。連接觸點位于移動機器人側面，當機器人到達充 電座時，與地面連接觸點側向對應，由機器人主動完成對接。充電完成后，機器 人駛離投入運行。澳大利亞的Alex Zelinsky開發的機器人和美國的加利福尼亞 大學開發的機器人是采用這種方法

5、。 下置式自動充電模式。連接觸點位于機器人本體下部，當機器人停在充電 臺位時，車載與地面連接觸點自動上下對接吻合。充電完成后，機器人駛離，連 接觸點自動脫離。圖7-4側置式自動充電模式機器人充電技術發展現狀接觸式充電技術發展現狀1948年,Grey Walter用兩個機器人日sie和日mer進行了研究39,他設置一個充 電站，在充電站里放置一個光源和充電器， 機器人采用跟蹤光源的方法來尋找充 電站，進人充電站后進行對接充電。筑波大學研制的自主充電移動機器人 Yamabico-Liv40,利用已知環境地圖引導機器人到達充電站，機器人配備特別的 設備和充電站進行對接。卡內基梅隆大學的機器人研究所開

6、發了一種自主導游 機器人Sage41,本體采用改良的Nomad XR4000移動機器人，它利用CCD和三 維路標（路標位于插座上方）來引導充電。加利福尼亞大學也進行了機器人自主 充電研究42,本體使用Nomad XR400呢動機器人，通過在充電站的上方設置色 塊和IR二極管來引導機器人對接以及監控充電狀況。意大利的布雷西亞大學設計的充電系統是采用在對接軸線上設置兩個高度不同的點光源，通過視覺傳感器來判別兩個光源連線是否和軸線一致來判斷機器人十分處在正確的對接位置430ActivMedia公司的自主充電系統使用環境地圖來引導機器人實現自主充電44。哈爾濱工業大學用Pioneer 3 DX輪式機器

7、人在未知環境中進行了自主充電研究35, 使用激光傳感器、PTZ彩色攝像頭和里程計來引導機器人到達充電站并進行對 接。機器人和充電座進行對接時，不僅要讓機器人到達充電座，還需要機器人以 一定的角度和方向進入充電座，一般方法是要求機器人沿特定的軸線進入和充電 座進行對接。這種方法對機器人移動的精確性和導航的準確性要求很高，改進的方法是設計一種充電座，允許機器人從范圍很大的不同角度進入，這樣也使得對接方式變得簡單。澳大利亞的昆士蘭大學設計的自動充電裝置38,在機器人上安裝兩根柔性圓弧狀金屬條，在充電座上設計兩塊對應的用來作為接觸點的金屬 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、統對對接誤 差的容忍度也得到提高，對接系統可以允許 治5以及i20cm的對接誤差。圖7-5澳大利亞昆士蘭大學設計的充電對接裝置這種改進方法的原理是使用一個電氣緩沖器，就如同碰碰車獲取電源一樣 （在機器人上方和下方設置金屬板，機器人使用電刷連接和金屬板進行連接）。也可以設計一個移動的充電站（其本身就是一個大型的移動機器人， 它可以給其 他機器人供電），這種充電站會搜索低電量的機器人并利用自帶的充電器給其進 行充電。移動機器人自動充電技術的新發展：非接觸式感應充電45452接觸充電時充電設備與蓄電池組之間為電連接， 采用傳統的接觸器，這種方 式存在較大的缺陷：首先，導體裸露在外面，電連接時容易產生

9、火花，這對于易 燃易爆場合危險性大；而且會因多次的插拔對接操作，引起機械磨損，導致接觸 松動，不能有效傳輸電能；如果連接部件出現污物，將會導致接觸不良或者電連 接失敗；若在潮濕的或存在充斥導電介質的環境， 也極容易引起電路短路；再者, 連接觸點的對接需要較高的精確性，這也增加了設計的復雜性和控制的難度。為了彌補傳導充電方式的不足，出現了一種新的充電技術一一非接觸感應充 電技術。感應充電是一種利用電磁感應原理通過非接觸的耦合方式進行能量傳遞 的充電方式。感應充電系統結構如圖7-6所示。圖7-6感應充電系統功能框圖充電源和機器人接受裝置之間由分離的高頻變壓器組合成耦合器，通過感應耦 合，無接觸式地

10、傳輸能量。輸入電網交流電經過整流后，通過高頻逆變環節，經 電纜傳輸通過感應耦合器后，傳送到機器人的輸入端，再經過整流濾波環節，給 機器人所帶蓄電池充電。感應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，一旦機器人停靠在這一固定區域位置上，就可以無接觸式地接受充電源的能量，實現感應充電，無須人工干預，實現了全自動充電。 采用該系統為機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 應充電在移動機器人方面的應用：1991年，Albert Esser和Hans Chfistoph Skudelny將能量的感應傳輸應用于 驅動機器人，提高了機器人的運動靈活性。1996年

11、，Atsuo Kawamura等人研制出應用于機器人操作手的諧振式變換器進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傳輸應用于蓄電池驅動的移動機器人系統 的電池充電。2004年日本富士通公司開發的服務機器人 FSR通過背面的充電部， 以無接點充電方式充電，通過電磁感應供應300W的電流。克服了大功率電流供 電時，容易因接觸點污染等出現問題。電源使用300Wh、24V的鍥氫充電電池，充電需要2小時左右。隨著感應充電技術研究工作日益深入， 其電能傳輸功率級別、傳輸距離、傳 輸效率等指標都在不斷提高。目前國內也有單位開始在相關領域開展研究工作。 隨著研究的深入

12、和技術的成熟，非接觸式感應充電在移動機器人方面的應用將會 越來越廣泛。圖7-7富士通機器人FSR采用感應充電技術隨著近年來服務機器人行業的迅猛發展，保安機器人、智能吸塵器、智能 AGV、商場導購機器人、場館導游機器人、醫院護士機器人、家庭娛樂機器人 等室內移動機器人正逐漸走入我們的生活， 人們對室內移動機器人能實現長期自 治的要求也越來越高。移動機器人自動充電是實現移動機器人長期自治的一項關鍵技術，隨著機器人傳感器技術的發展，移動機器人導航技術水平也越來越高； 非接觸式感應充電 技術也在不斷發展，其傳輸功率級別、傳輸距離、傳輸效率等指標都在不斷提高， 同時成本也在不斷下降，這也使得移動機器人自

13、主充電系統將會變得更加安全、 可靠、快速、經濟。自動充電系統具體設計自動充電技術分析由上兩節的內容可以歸納出以下結論， 機器人要實現自主充電，需要滿足以 下幾個條件：1）機器人能檢測到什么時候需要充電。 一種方法是監測電源的電壓或者限 制機器人的運行時間。另一種方法是精確測量使用的電能。通過對電源的監測， 機器人能夠預測何時需要充電。2）機器人必須被放置在充電座足夠近的地方。不同的導航方法例如視覺識 別、循墻、循跡、光跟蹤源，每種方法都有他們的局限性。如果沒有環境地圖， 機器人離充電座太遠將無法找到充電座。3）機器人要能對充電座進行定位。目前的系統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）機器人從當前位置移動到充電座需要導航行為。在可能面臨障礙物的情況下，機器人如何從當前位置運動到充電座， 機器人 系統必須具有導航、避障、路徑規劃能力。5）機器人和充電座之間必須能實現自動電器連接與脫離。 一般情況下，在 機器人上設計一個公頭連接器，在充電座上設計一個母頭連接器。 而且連接方式 要便于電流通過。連接系統的關鍵是，基于引導系統的精確性和可靠性， 對對接 誤差需要具有一定的容忍度，當對接出現偏差時也能夠對接成功。目前已有的對 接系統一般可以允許i5以及芷cm的對接誤差。6）充電器必須安放在機器人或者充電座上

15、。通常把充電器設計成充電座的 一部分，因為這樣可以減輕機器人的重量以及減小機器人的體積，同時也避免連接位置處于高電壓狀態。如果將充電器設置在機器人上，那么就必須使用標準的 家用插頭連接，以便能更好適應環境。7）機器人需要確定與充電座的物理連接是否成功。許多系統采用紅外線接 發裝置來傳遞機器人與充電座的物理連接是否成功的信息，也可以采用監測機器 人側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 基礎上的，所以此檢測系統是必須的，否則對接系統將會誤判，使得充電失敗。一個真正健壯的自主充電系統必須具有容錯以及糾錯功能。如果對接時 未對準或者未能檢測到充電座時，系統需要對應的策

16、略。在實際情況中，這種狀 況時有發生。自動充電中最重要的方面是對充電座的定位，因為如下兩個原因：充電座探測系統的特性（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）決定了導航行為。充電座探測系統對于 圖象噪點、光照環境、硬件特性都比較敏感，其中出現的誤差將被累積或者放大。移動機器人自動充電的過程一般主要分為兩個階段， 第一個階段是尋找并靠 近充電座，第二階段是實現機器人和充電座的精確對接。 我們把第一階段稱作遠 程對接，把第二階段稱之為近程對接。遠程對接時把機器人看作成一個質點，并 不考慮機器人本身的姿態，當機器人進入對接區域時，需要根據傳感器信息進

17、行 位姿調整，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程或近程有效，所以大多數的自主充電系統一般配 有兩套不同的傳感器及對接程序。遠程對接時，如果在固定已知環境下，機器人能夠利用內建環境地圖進行位 姿的校正很容易找到充電座；但在未知環境下，由于需要在遠距離方位發現充電 座所在方位，所以需要在充電座所在的合適位置設置機器人易于識別的特殊標 識。遠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 以通過設置紅外線信號燈、可見光源、可循線等標識來給機器人提供充電座的位 置信息。近程對接時，在充電座上方設置便于傳感器（如激光探測儀、反射帶、視覺 處理或超聲波等）識別的

18、特殊形狀標記，機器人依據傳感器得到的信號（如圖象 變化、圖象特征、激光編碼等）來進行調整相對充電座的位置和角度， 然后實施 對接。對接成功后，機器人開始充電并監控電池電壓狀態，如果電壓達到指定電壓則表明電池已經充滿，機器人和充電座脫離，并繼續執行原來任務7.3.2充電裝置的設計本文的設計目標是采用超聲波傳感器、 紅外線傳感器來完成未知環境下的自 主充電任務。機器人使用一個12V可充電鉛酸電池供電。充電座主體材料為有機玻璃，機器人進行對接時要求誤差必須在由5cm,節0 的范圍之內。機器人如果利用定位系統則可以很容易尋找到充電座，如果 不依靠定位系統，則可以利用紅外光源來進行充電對接導航。機器人采

19、用帶有金 屬條的接觸板與充電站進行對接，如果對接成功則開始充電，如果失敗則后退一 定距離，并進行下一次對接。由于傳統的自動充電對接方法對機器人移動的精確性和導航的準確性要求 很高，為了解決這一問題，本文設計了一種改進的充電座，允許機器人從范圍很 大的不同角度進入，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行柔性連接， 在機器人上設計 兩塊對應的用來作為接觸點的金屬板， 金屬板和機器人之間使用海綿連接， 這樣 更為增加了對接柔性，系統對對接誤差的容忍度也得到很大提高，對接系統可以 允許冷0以及土5cm的對接誤差。圖7-8機器人對接充電圖由于

20、移動式服務機器人的使用環境一般是室內， 為了節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。而為了允許機器人從最大范圍的角度 和充電座進行對接，特將充電座上的對接接觸部分設計成半圓弧狀，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計成整圓弧狀，讓機器人能從任意角度進行對接。）圖7-9充電電氣接觸部分結構圖為了減輕機器人的重量以及減小機器人的體積，同時也避免連接位置處于高電壓狀態。將充電器安放在充電座上，把充電器設計成充電座的一部分，充電器輸入為220V交流電，輸出為12.3V直流電。充電座機械結構如圖7-10所示。圖7-10充電座結構圖由于使用

21、紅外光源作為信標來引導機器人以正確的角度來進行對接，所以需要機器人需要能夠探測到充電座紅外光源的方向， 而因為普通的發光紅外管發射 紅外線具有散射性，所以我們采用在發光紅外管上套上一段黑色熱縮管來提高發 光紅外管的方向性，如圖7-11所示(熱縮管I . 冊. I紅外發射管5門im圖7-11紅外導航信標以及信標方向檢測傳感器設計如圖7-11所示，使用兩個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。當紅外光源偏左時，傳感器 A比傳感器B接收的光線多；當紅外光源居中時，傳感器 A和傳感器B接收的光線相同；當A、B兩紅外光源偏右時，傳感器 A比傳感器B接收的光線少。因

22、此可以根據個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充電座紅外線信標發射電路如圖 7-13,由兩個LM556來產生56KHz的紅外 信號。LM556是555定時器電路系列中的一個雙定時器IC ,支持兩個有效觸發， 并由電阻R1和電容C1的時間常數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。充電座紅外線信標檢測電路如圖7-14。56 KHzart /45 Hz圖7-13充電座紅外信標發射電路圖A

23、+5V1B2RJ5T CI3 47G + 3.3pfOut B圖7-14充電座紅外信標探測電路圖圖7-15機器人充電對接示意圖對接算法為了更好地進行對接，將周圍區域分為對接區域和非對接區域。 與充電站在 同一條直線上的一定寬度的區域稱為對接區域， 機器人在此區域內進行位姿調整 以便達到第二部分的對接誤差要求，在非對接區域只需將機器人看作是一個質點 機器人即可，不必考慮角度和尺寸等要求，因此將對接任務分為遠程對接和近程 對接。圖7-16移動機器人充電對接程序流程圖遠程對接：機器人在非對接區域向對接區域的運動稱為遠程對接。 因為輪式機器人為非 完整約束，無法橫向移動，為了方便在對接區域機器人進行位

24、姿調整， 機器人將 對接區域內的某一點而不是將充電站設為遠程對接目標， 機器人在遠程對接時向 對接目標點運動，機器人到達對接目標后立即轉換為近程對接。當機器人的充電任務被觸發后，機器人可能在環境的任何地方，此時機器人 的首要任務就是尋找充電站。機器人首先根據室內系統來確定對接目標。 在充電 站上設置導航紅外線信號燈，當機器人進入對接區域時，由紅外線信號燈來引導 機器人調整正確的航向，確保機器人以正確的姿態進行對接。 如果到達定位系統 顯示的目標區域仍找不到充電座信號， 則進行漫游搜索，直到發現目標信號并向 目標運動。如果在0.5min內無法發現目標就認為對接失敗。近程對接：由于進行遠程對接時將

25、機器人看作是一個質點， 并沒有考慮自身姿態，所以 當機器人進人對接區域時需要根據傳感器信息進行位姿調整， 以滿足充電位置和 角度要求。需根據各自位姿進行調整，位姿調整時最大速度為 100 mm/s。當機器人調整位姿到適合對接時，機器人的微控制器發出指令，進行對接。如果機器人接觸點電壓達到12.3V,表明對接成功，則機器人開始進行充電并監 控電源電壓狀態，如果電壓達到指定電壓說明電源已充滿， 機器人將將和自動和 充電座分離，并繼續執行原來任務。如果對接失敗，機器人稍微后退后進行適當 調整，然后再次進行對接，直到對接成功。對接算法流程示意圖如圖7-16所示。目標對接仿真試驗在本算法中除了目標搜索與定位技術之外，