安防機(jī)器人自動(dòng)充電研究

張 晶，贠 超

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

0 引言

目前，移動(dòng)機(jī)器人都是使用高質(zhì)量的機(jī)載可充電蓄電池組來(lái)給自身供電，當(dāng)電能耗盡的時(shí)候只能通過(guò)人工充電，這樣機(jī)器人就處于一種非連續(xù)的任務(wù)環(huán)［1］。因此，要使機(jī)器人處在一個(gè)連續(xù)的任務(wù)環(huán)中，必須解決機(jī)器人自動(dòng)充電的問(wèn)題。目前機(jī)器人自動(dòng)充電裝置主要分為接觸式自動(dòng)充電系統(tǒng)和非接觸感應(yīng)式自動(dòng)充電系統(tǒng)2種。接觸式自動(dòng)充電采用傳統(tǒng)的接觸器實(shí)現(xiàn)充電器與電池之間的電連接，非接觸式感應(yīng)充電利用電磁感應(yīng)原理采用非接觸的耦合方式進(jìn)行感應(yīng)充電［2］。

在20世紀(jì)40年代末，Walter G開(kāi)發(fā)了第一個(gè)自主充電的移動(dòng)機(jī)器人Tortoises［3］，這種機(jī)器人具有在神經(jīng)學(xué)研究中朝著光線走的行為。Walter G還發(fā)明了一個(gè)可以充電的小櫥，櫥中有能夠發(fā)射光束的裝置和充電器，并把它當(dāng)作充電站。通過(guò)光線束的引導(dǎo)，機(jī)器人來(lái)到櫥前通過(guò)接觸從而進(jìn)行自主充電。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的機(jī)器人研究所開(kāi)發(fā)了一種自主導(dǎo)游機(jī)器人 sage［4］，本體采用改良的 Nomad XR4000移動(dòng)機(jī)器人，它利用CCD和三維路標(biāo)（路標(biāo)位于插座上方）來(lái)引導(dǎo)充電。哈爾濱工業(yè)大學(xué)用Pioneer 3 DX輪式機(jī)器人在未知環(huán)境中進(jìn)行了自動(dòng)充電研究，使用激光傳感器、PTZ彩色攝像頭和里程計(jì)來(lái)引導(dǎo)機(jī)器人到達(dá)充電站并進(jìn)行對(duì)接［5］。本文采用紅外對(duì)射技術(shù)在自主研發(fā)的安防機(jī)器人上進(jìn)行自動(dòng)充電的研究。

1 紅外對(duì)接

紅外對(duì)射系統(tǒng)一般由紅外發(fā)射裝置和紅外接收裝置兩大部分組成。利用950 nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體，進(jìn)行信號(hào)的傳輸［6］。為了使信號(hào)能更好地被傳輸，將二進(jìn)制信號(hào)調(diào)制為脈沖信號(hào)，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射。發(fā)射裝置將二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)調(diào)制成某一頻率的脈沖序列，并驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管以光脈沖的形式發(fā)送。按調(diào)制方式分類:目前常采用的編碼方式有頻率調(diào)制（FM）、脈寬調(diào)制（PWM）和脈位調(diào)制（PPM）3種。FM調(diào)制是通過(guò)調(diào)制改變載波信號(hào)的周期實(shí)現(xiàn)“0”，“1”，PWM調(diào)制是在周期不變的情況下通過(guò)改變脈沖的寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)“0”，“1”。接收裝置將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大、限幅和濾波等處理后送給解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，還原為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。

1.1 調(diào) 制

紅外遙控發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)采用調(diào)制的方式，即把數(shù)據(jù)和一定頻率的載波進(jìn)行“與”操作，這樣可以提高發(fā)射效率和降低電源功耗。

調(diào)制載波頻率一般為30～60kHz，大多數(shù)使用的是38kHz，占空比1/3的方波，如圖1所示，這是由發(fā)射端所使用的455 kHz晶振所決定的。在發(fā)射裝置一端要對(duì)晶振進(jìn)行整數(shù)分頻，分頻系數(shù)一般取12。所以，455 kHz/12≈37.9 kHz≈38 kHz。

圖1 載波波形Fig 1 Carrier waveform

1.2 接 收

紅外接收電路通常被廠家集成在一個(gè)元件中，成為一體化紅外接收頭。內(nèi)部電路包括紅外監(jiān)測(cè)二極管、放大器、限幅器、帶通濾波器、積分電路、比較器等。紅外監(jiān)測(cè)二極管監(jiān)測(cè)到紅外信號(hào)，然后把信號(hào)送到放大器和限幅器，限幅器把脈沖幅度控制在一定的水平，而不論紅外發(fā)射器和接收器的距離遠(yuǎn)近。交流信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器，帶通濾波器可以通過(guò)30～60 kHz的負(fù)載波，通過(guò)解調(diào)電路和積分電路進(jìn)入比較器，比較器輸出高低電平，還原出發(fā)射端的信號(hào)波形。輸出的高低電平和發(fā)射端是反相的，這樣的目的是為了提高接收的靈敏度。

1.3 對(duì) 接

在本文研究的安防機(jī)器人自動(dòng)充電系統(tǒng)中，采用開(kāi)關(guān)量調(diào)制紅外對(duì)射裝置。當(dāng)紅外接收裝置沒(méi)有接收到紅外光信號(hào)時(shí)，信號(hào)線輸出高電平;當(dāng)接收到紅外光信號(hào)時(shí)，信號(hào)線輸出低電平。信號(hào)線的高低電平變化通過(guò)IO接口傳輸給機(jī)器人控制器，從而調(diào)整機(jī)器人的位置使其與充電座精確對(duì)接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 充電座

充電座上的正負(fù)充電電極上下分布，長(zhǎng)110 mm，寬10 mm。機(jī)器人在與充電座對(duì)接時(shí)允許誤差在±70 mm內(nèi)。充電座使用220 V交流電源工作，通過(guò)轉(zhuǎn)換變?yōu)榧t外發(fā)射管需要的5 V直流電。

充電座上安裝2種不同的紅外發(fā)射管，分別發(fā)射出不同的紅外光信號(hào)。一種為發(fā)射距離較遠(yuǎn)的紅外發(fā)射管，發(fā)射紅外光的覆蓋區(qū)域近似為扇形，其中心角約為60°，半徑約為4m。另一種發(fā)射距離較近的紅外光發(fā)射管，發(fā)射紅外光的覆蓋區(qū)域近似為細(xì)柱形，有效距離約為2 m。2種不同紅外光信號(hào)覆蓋的區(qū)域如圖2所示。

2.2 機(jī)器人本體

圖2 紅外信號(hào)覆蓋區(qū)域Fig 2 Infrared signal coverage area

在安防機(jī)器人后部安裝2種不同的紅外光接收管，一種遠(yuǎn)距離紅外光接收管，主要負(fù)責(zé)接收充電座上遠(yuǎn)距離紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光信號(hào)，在遠(yuǎn)程對(duì)接過(guò)程中實(shí)現(xiàn)粗定位;另一種近距離紅外光接收管主要負(fù)責(zé)接收充電座上近距離紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光信號(hào)，在近程對(duì)接過(guò)程中實(shí)現(xiàn)精確定位。其中，遠(yuǎn)距離紅外光接收管1只，近距離紅外光接收管2只。2只近距離紅外光接收管分別有各自的接收區(qū)域和兩者共同的接收區(qū)域，如圖3所示，左右接收管的位置是相對(duì)機(jī)器人的位置。A區(qū)為左接收管接收紅外光的區(qū)域，B區(qū)為右接收管接收紅外光的區(qū)域，C區(qū)為2只接收管共同的接收區(qū)域。

圖3 接收管接收信號(hào)區(qū)域Fig 3 Receiving signal area of receiving tube

根據(jù)左右2只紅外接收管接收紅外光信號(hào)的情況，可以判斷出機(jī)器人當(dāng)前位置與充電座的位置關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與充電座的精確對(duì)接。

3 對(duì)接算法

當(dāng)機(jī)器人工作在自動(dòng)充電模式時(shí)，按照導(dǎo)航算法規(guī)定路徑行走，搜索紅外光信號(hào)。當(dāng)機(jī)器人本體上的遠(yuǎn)距離紅外光接收管接收到充電座發(fā)出的遠(yuǎn)距離紅外光信號(hào)時(shí)，接收管信號(hào)線的電平變化通過(guò)控制卡的IO接口傳輸給工控機(jī)，這時(shí)機(jī)器人朝著有紅外光的方向運(yùn)動(dòng)，逐漸進(jìn)入充電座近距離紅外光覆蓋區(qū)域。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入近距離紅外光區(qū)域時(shí)，近距離紅外光接收管開(kāi)始搜索近距離紅外光信號(hào)。這時(shí)機(jī)器人本體上安裝的2只近距離紅外光接收管接收紅外光有以下4種情況:

1）當(dāng)左右接收管均沒(méi)有接收到紅外光信號(hào)時(shí)，機(jī)器人轉(zhuǎn)圈搜索信號(hào)。

2）當(dāng)左接收管接收到信號(hào)右接收管沒(méi)有接收到信號(hào)時(shí)，說(shuō)明充電座位于機(jī)器人左側(cè)，機(jī)器人左轉(zhuǎn)。

3）當(dāng)右接收管接收到信號(hào)左接收管沒(méi)有接收到信號(hào)時(shí)，說(shuō)明充電座位于機(jī)器人右側(cè)，機(jī)器人右轉(zhuǎn)。

4）當(dāng)左右接收管均接收到紅外光信號(hào)時(shí)，說(shuō)明找到準(zhǔn)確的位置，此時(shí)機(jī)器人后退，朝充電座方向運(yùn)動(dòng)。

機(jī)器人通過(guò)不斷地調(diào)整位置，最終達(dá)到左右接收管均接收到紅外光信號(hào)，進(jìn)而朝著充電座運(yùn)動(dòng)直到碰撞到充電電極后停止，開(kāi)始充電。在近距離區(qū)域搜索目標(biāo)的流程圖如圖4所示。

圖4 近程搜索目標(biāo)流程圖Fig 4 Flow chart of short-range search for the target

4 實(shí)驗(yàn)

在不同的距離范圍進(jìn)行安防機(jī)器人自動(dòng)充電對(duì)接實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人與充電座距離為50～200 cm，共實(shí)驗(yàn)50次，其中45次成功地找到充電座的位置，5次失敗。找到充電座所用時(shí)間與機(jī)器人和充電座之間距離的關(guān)系如圖5。

圖5 對(duì)接時(shí)間與距離關(guān)系Fig 5 The relationship between docking time and distance

在機(jī)器人與充電座距離100 cm，角度從－30°～30°之間實(shí)驗(yàn)30次，其中22次成功地找到充電座位置，8次尋找失敗。找到充電座所用時(shí)間與機(jī)器人和充電座之間角度的關(guān)系如圖6所示。

圖6 對(duì)接時(shí)間與角度關(guān)系Fig 6 The relationship between docking time and angle

5 結(jié)論

移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)充電是機(jī)器人長(zhǎng)期連續(xù)自主運(yùn)動(dòng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，本文采用紅外對(duì)接技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動(dòng)充電對(duì)接，在多次實(shí)驗(yàn)中證明有很好的成功率。在不同的距離條件下實(shí)驗(yàn)50次，有45次成功對(duì)接;在不同的角度條件下實(shí)驗(yàn)30次，有22次成功對(duì)接。

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