移动机器人自动充电系统研究

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1、第七章移动机器人自动充电系统研究7.1移动机器人自动充电技术概述室内自治移动机器人被越来越广泛地应用于各种场合，如娱乐、搬运、清洁、保安等。在这些不同场合的应用都需要机器人能适应所处的环境，无论是开放式环境还是封闭式环境，无论是室内环境还是室外环境。由于机载电源容量的限制，机器人的工作时间受到限制，这使得机器人不能实现长期自治的功能，如果这个问题被解决，那么移动机器人将会被用于更加广泛的领域。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，但是一般只能维持几个小时，一旦电能耗尽，必须采用人工干预的方式

2、来给机器人充电。即当移动机器人电力不足时，发出提示信号，由操作人员手动完成机器人与充电器之间的电器连接，然后实施充电，完成后也是人工脱离连接电路。其特点是安全可靠，简单易行，但需要专人看管，浪费人力，而且这也使得机器人的自动化、智能化不完整。如果采用人工充电，那么机器人就处于一种非连续的任务环[37]（如图7-1所示），这阻碍了机器人的长期自治。图7-1机器人非连续任务环如果要实现真正意义上的长期自治，机器人必须能在所处的环境中实现自我支持，实现连续任务环[37]（如图7-2所示）。机器人连续任务环被简单地定义为使机

3、器人以自主充电的方式来继续完成它所分配到的任务。一旦开始运行，机器人便进入连续任务环，即不再需要人的帮助，在此系统中，启动和停止是由机器人自动完成的。总之，随着移动机器人的应用越来越广泛，人们对移动机器人能实现长期值守、延长自治时间以及增加活动范围等功能的要求越来越高，故而其补充动力能源成为了一个亟待解决的问题[38]。由于常见的移动机器人动力能源的无缆化主要依赖高品质的机载蓄电池组，如何让机器人在无人工干预环境下安全可靠、快速高效地自动实现充电是实现机器人长期自治的一项关键技术。图7-2机器人连续任务环当移动机器人

4、需要补充电力时，会自动驶向指定充电区，车载充电连接器与地面充电系统自动实现电连接并实施充电。充电完成后机器人自动脱离充电系统，驶向工作区或待命区投入正常运行,其特点是整个充电过程全部实现自动化、智能化，无需专人看管。移动机器人和充电座连接方式常见的有如下三种[34]。(1)上置式自动充电模式。连接触点位于移动机器人本体上方，当机器人到达充电座时，与地面连接触点自动完成对接，当充电完毕后与充电座自动脱离。GreyWalte开发的机器人Elsie和Elmer就是采用将机器人本体上的充电臂插入就近的插座的充电方式来充电[3

5、9]。图7-3上置式自动充电模式(2)侧置式自动充电模式。连接触点位于移动机器人侧面，当机器人到达充电座时，与地面连接触点侧向对应，由机器人主动完成对接。充电完成后，机器人驶离投入运行。澳大利亚的AlexZelinsky开发的机器人和美国的加利福尼亚大学开发的机器人是采用这种方法。(3)下置式自动充电模式。连接触点位于机器人本体下部，当机器人停在充电台位时,车载与地面连接触点自动上下对接吻合。充电完成后，机器人驶离，连接触点自动脱离。图7-4侧置式自动充电模式7.2机器人充电技术发展现状7.2.1接触式充电技术发展现

6、状1948年,GreyWalter用两个机器人Elsie和Elmer进行了研究[39]，他设置一个充电站，在充电站里放置一个光源和充电器，机器人采用跟踪光源的方法来寻找充电站，进人充电站后进行对接充电。筑波大学研制的自主充电移动机器人Yamabico-Liv[40]，利用已知环境地图引导机器人到达充电站，机器人配备特别的设备和充电站进行对接。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[41]，本体采用改良的NomadXR4000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。加利

7、福尼亚大学也进行了机器人自主充电研究[42]，本体使用NomadXR4000移动机器人，通过在充电站的上方设置色块和IR二极管来引导机器人对接以及监控充电状况。意大利的布雷西亚大学设计的充电系统是采用在对接轴线上设置两个高度不同的点光源，通过视觉传感器来判别两个光源连线是否和轴线一致来判断机器人十分处在正确的对接位置[43]。ActivMedia公司的自主充电系统使用环境地图来引导机器人实现自主充电[44]。哈尔滨工业大学用Pioneer3DX轮式机器人在未知环境中进行了自主充电研究[35]，使用激光传感器、PTZ彩

8、色摄像头和里程计来引导机器人到达充电站并进行对接。机器人和充电座进行对接时，不仅要让机器人到达充电座，还需要机器人以一定的角度和方向进入充电座，一般方法是要求机器人沿特定的轴线进入和充电座进行对接。这种方法对机器人移动的精确性和导航的准确性要求很高，改进的方法是设计一种充电座，允许机器人从范围很大的不同角度进入，这样也使得对接方式变得简单。澳大