安防机器人自动充电研究

张 晶，贠 超

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191）

0 引言

目前，移动机器人都是使用高质量的机载可充电蓄电池组来给自身供电，当电能耗尽的时候只能通过人工充电，这样机器人就处于一种非连续的任务环［1］。因此，要使机器人处在一个连续的任务环中，必须解决机器人自动充电的问题。目前机器人自动充电装置主要分为接触式自动充电系统和非接触感应式自动充电系统2种。接触式自动充电采用传统的接触器实现充电器与电池之间的电连接，非接触式感应充电利用电磁感应原理采用非接触的耦合方式进行感应充电［2］。

在20世纪40年代末，Walter G开发了第一个自主充电的移动机器人Tortoises［3］，这种机器人具有在神经学研究中朝着光线走的行为。Walter G还发明了一个可以充电的小橱，橱中有能够发射光束的装置和充电器，并把它当作充电站。通过光线束的引导，机器人来到橱前通过接触从而进行自主充电。卡内基梅隆大学的机器人研究所开发了一种自主导游机器人 sage［4］，本体采用改良的 Nomad XR4000移动机器人，它利用CCD和三维路标（路标位于插座上方）来引导充电。哈尔滨工业大学用Pioneer 3 DX轮式机器人在未知环境中进行了自动充电研究，使用激光传感器、PTZ彩色摄像头和里程计来引导机器人到达充电站并进行对接［5］。本文采用红外对射技术在自主研发的安防机器人上进行自动充电的研究。

1 红外对接

红外对射系统一般由红外发射装置和红外接收装置两大部分组成。利用950 nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，进行信号的传输［6］。为了使信号能更好地被传输，将二进制信号调制为脉冲信号，通过红外发射管发射。发射装置将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送。按调制方式分类:目前常采用的编码方式有频率调制（FM）、脉宽调制（PWM）和脉位调制（PPM）3种。FM调制是通过调制改变载波信号的周期实现“0”，“1”，PWM调制是在周期不变的情况下通过改变脉冲的宽度来实现“0”，“1”。接收装置将接收到的光脉冲转换成电信号，再经过放大、限幅和滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号。

1.1 调 制

红外遥控发射数据时采用调制的方式，即把数据和一定频率的载波进行“与”操作，这样可以提高发射效率和降低电源功耗。

调制载波频率一般为30～60kHz，大多数使用的是38kHz，占空比1/3的方波，如图1所示，这是由发射端所使用的455 kHz晶振所决定的。在发射装置一端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取12。所以，455 kHz/12≈37.9 kHz≈38 kHz。

图1 载波波形Fig 1 Carrier waveform

1.2 接 收

红外接收电路通常被厂家集成在一个元件中，成为一体化红外接收头。内部电路包括红外监测二极管、放大器、限幅器、带通滤波器、积分电路、比较器等。红外监测二极管监测到红外信号，然后把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流信号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过30～60 kHz的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出高低电平，还原出发射端的信号波形。输出的高低电平和发射端是反相的，这样的目的是为了提高接收的灵敏度。

1.3 对 接

在本文研究的安防机器人自动充电系统中，采用开关量调制红外对射装置。当红外接收装置没有接收到红外光信号时，信号线输出高电平;当接收到红外光信号时，信号线输出低电平。信号线的高低电平变化通过IO接口传输给机器人控制器，从而调整机器人的位置使其与充电座精确对接实现自动充电。

2 系统设计

2.1 充电座

充电座上的正负充电电极上下分布，长110 mm，宽10 mm。机器人在与充电座对接时允许误差在±70 mm内。充电座使用220 V交流电源工作，通过转换变为红外发射管需要的5 V直流电。

充电座上安装2种不同的红外发射管，分别发射出不同的红外光信号。一种为发射距离较远的红外发射管，发射红外光的覆盖区域近似为扇形，其中心角约为60°，半径约为4m。另一种发射距离较近的红外光发射管，发射红外光的覆盖区域近似为细柱形，有效距离约为2 m。2种不同红外光信号覆盖的区域如图2所示。

2.2 机器人本体

图2 红外信号覆盖区域Fig 2 Infrared signal coverage area

在安防机器人后部安装2种不同的红外光接收管，一种远距离红外光接收管，主要负责接收充电座上远距离红外发射管发出的红外光信号，在远程对接过程中实现粗定位;另一种近距离红外光接收管主要负责接收充电座上近距离红外发射管发出的红外光信号，在近程对接过程中实现精确定位。其中，远距离红外光接收管1只，近距离红外光接收管2只。2只近距离红外光接收管分别有各自的接收区域和两者共同的接收区域，如图3所示，左右接收管的位置是相对机器人的位置。A区为左接收管接收红外光的区域，B区为右接收管接收红外光的区域，C区为2只接收管共同的接收区域。

图3 接收管接收信号区域Fig 3 Receiving signal area of receiving tube

根据左右2只红外接收管接收红外光信号的情况，可以判断出机器人当前位置与充电座的位置关系，从而实现机器人与充电座的精确对接。

3 对接算法

当机器人工作在自动充电模式时，按照导航算法规定路径行走，搜索红外光信号。当机器人本体上的远距离红外光接收管接收到充电座发出的远距离红外光信号时，接收管信号线的电平变化通过控制卡的IO接口传输给工控机，这时机器人朝着有红外光的方向运动，逐渐进入充电座近距离红外光覆盖区域。当机器人进入近距离红外光区域时，近距离红外光接收管开始搜索近距离红外光信号。这时机器人本体上安装的2只近距离红外光接收管接收红外光有以下4种情况:

1）当左右接收管均没有接收到红外光信号时，机器人转圈搜索信号。

2）当左接收管接收到信号右接收管没有接收到信号时，说明充电座位于机器人左侧，机器人左转。

3）当右接收管接收到信号左接收管没有接收到信号时，说明充电座位于机器人右侧，机器人右转。

4）当左右接收管均接收到红外光信号时，说明找到准确的位置，此时机器人后退，朝充电座方向运动。

机器人通过不断地调整位置，最终达到左右接收管均接收到红外光信号，进而朝着充电座运动直到碰撞到充电电极后停止，开始充电。在近距离区域搜索目标的流程图如图4所示。

图4 近程搜索目标流程图Fig 4 Flow chart of short-range search for the target

4 实验

在不同的距离范围进行安防机器人自动充电对接实验，机器人与充电座距离为50～200 cm，共实验50次，其中45次成功地找到充电座的位置，5次失败。找到充电座所用时间与机器人和充电座之间距离的关系如图5。

图5 对接时间与距离关系Fig 5 The relationship between docking time and distance

在机器人与充电座距离100 cm，角度从－30°～30°之间实验30次，其中22次成功地找到充电座位置，8次寻找失败。找到充电座所用时间与机器人和充电座之间角度的关系如图6所示。

图6 对接时间与角度关系Fig 6 The relationship between docking time and angle

5 结论

移动机器人自动充电是机器人长期连续自主运动的一项关键技术，本文采用红外对接技术成功地实现了机器人自动充电对接，在多次实验中证明有很好的成功率。在不同的距离条件下实验50次，有45次成功对接;在不同的角度条件下实验30次，有22次成功对接。

［1］Goidberg K，Mascha M，Gentrt S，et al.Desktop tele-operation via the World Wide Web［C］//Proc of IEEE Int’l Conference on Robotics and Automation，1995.

［2］刘志宇，都 东.感应充电技术的发展与应用［J］.电力电子技术，2004（6）:92－94.

［3］郑志聪.自动充电机器人［D］.福州:福建农林大学，2007:1－2.

［4］Nourbakhsh I.An affective mobile robot with a full-time job［J］.Artificial Intelligence，1999，114（1 －2）:95 －124.

［5］刘志雄，李浙昆.室内移动机器人自动充电技术［J］.机械与电子，2007（3）:51－54.

［6］周永喜，裘祖荣.红外串行通信［J］.电子测量技术，2005（2）:84－85.