清掃機器人自主充電系統(tǒng)的設(shè)計

李 進（無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214028）

清掃機器人自主充電系統(tǒng)的設(shè)計

李 進
（無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 無錫 214028）

在設(shè)計了充電站的硬件電路（包括電源電路、可由軟件及硬件調(diào)節(jié)充電電流的電池恒流充電電路及定位編碼信號發(fā)射電路）的基礎(chǔ)上，提出了一種機器人采用隨機行走模式在未知環(huán)境下自動找尋充電站的全新自主充電算法，使機器人具備自主找尋充電站充電的能力。

清掃機器人；恒流源；自主充電算法；智能

0 引言

自主清潔機器人作為服務(wù)機器人的一種，能夠使人們從繁重的清潔工作中解脫出來，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前清潔機器人已經(jīng)進入實際家庭使用，如伊萊克斯公司的“三葉蟲”、Kent公司設(shè)計出清掃機器人Robo-Kent、國產(chǎn)清掃機器人 KV8。當(dāng)機器人電量不足時，能夠自動地返回充電站進行充電是現(xiàn)有機器人的一個實用功能，根據(jù)家居智能清潔機器人的自動充電功能需求，與蘇州某公司合作開發(fā)設(shè)計了一款低成本、能自主充電的適用型家居智能機器人，目前已投入生產(chǎn)，效果良好。

1 充電站硬件設(shè)計

充電站主要負責(zé)與機器人的紅外通信，發(fā)射召回信號，引導(dǎo)機器人自動返回充電站進行充電。機器人在電量充足時對充電站發(fā)出的信號不做響應(yīng)，當(dāng)檢測到自身電量不足時，機器人通過充電站發(fā)射的紅外召回信號及相應(yīng)算法自動返回充電站充電。

1.1 充電站結(jié)構(gòu)

機器人在電池電量不足時能夠在消耗最少電量情況下以較短路徑自主返回充電站，是其能夠長期高效率自主工作的重要環(huán)節(jié)。為了保證機器人自主返回充電，充電站的結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)計必須滿足要求，充電站外形如圖1所示。

圖1 充電站硬件組成圖

充電站包括外殼、兩片充電觸點、電源指示燈、上對接紅外發(fā)射器和下對接紅外發(fā)射器［1］。在清潔機器人底部有正負兩個金屬充電電極，在充電站上有兩片金屬觸點，當(dāng)充電電極與金屬片接觸上即可進行充電。清掃機器人前端中間位置裝有兩個紅外接收管，它們之間的夾角為45°，清掃機器人前端頂部也裝有一個紅外接收管，并在其上方安裝了光學(xué)全反射元件，即廣角接收，使得清掃機器人能夠在360°的有效范圍內(nèi)都能接收到來自充電站的信號。

1.2 充電站工作原理

充電站的上、下兩組發(fā)射器均發(fā)出紅外調(diào)制編碼信號，供機器人尋找充電站時定位使用。自主返回充電的基本要求就是精確對準，以便機器人的充電電極和充電站上的充電觸點可靠連接進行充電。由于紅外發(fā)射管的信號區(qū)域接近于一個扇形，難以實現(xiàn)機器人和充電站的精確對接，因此本設(shè)計在紅外發(fā)射管前方添加黑色塑料擋光片，擋光片之間留一個窄縫，這樣發(fā)射信號區(qū)域幾乎成一條直線，其有效距離約為4m，寬度為0.1～0.3m。這樣，清掃機器人尋找充電站的活動區(qū)域便分為兩個部分，有信號區(qū)和無信號區(qū)。有信號區(qū)是一個狹長的區(qū)域，長度約為4m，寬度為0.1～0.3m。這個區(qū)域外為無信號區(qū)。信號覆蓋示意圖如圖2所示。

圖2 信號覆蓋示意圖

1.3 充電站硬件電路設(shè)計

1.3.1 電池恒流充電電路設(shè)計

由于機器人所使用的電池為14.4 V直流鎳氫電池，采用恒流方式進行充電，為此需要設(shè)計充電所需的恒流源電路，為電池充電時提供穩(wěn)定的充電電流［2-4］。

恒流源電路如圖3所示。電路采用兩級運放，第一級運放組成一個電壓跟隨器，提高整個電源的輸入阻抗，C1、C2組成 π型濾波，驅(qū)除干擾信號。第二級電路組成電流負反饋，提高恒流輸出電流的穩(wěn)定性。

圖3 恒流源電路

第一級運放的輸出電壓：U01=UIN。

由此可見，電源的輸出電流與 UIN成正比，且與 R3、R4、R53個電阻成正比，當(dāng) UIN和電阻的比例系數(shù)保持恒定時，即可保證該電源的輸出電流是恒定的。用戶既可通過調(diào)節(jié)選擇電池的充電電流，也可以采用軟件PWM信號對UIN進行無級調(diào)節(jié)，從而選擇所需的充電電流。

1.3.2 電源電路設(shè)計

電源電路將220 V交流電經(jīng)過變壓、橋式整流、電容濾波以及穩(wěn)壓4步，最后得到系統(tǒng)所需的直流電源，電路如圖4所示。

圖4 電源電路

由于上述恒流源電路中的運算放大器U1和U2采用+12 V電源供電，電池所需的直流電壓為24 V，同時考慮到TIP122以及R5的壓降，因此負載所需的電壓設(shè)計為36 V（此電壓可根據(jù)具體要求進行調(diào)節(jié)）。所以電源電路采用7824進行分壓以及擴壓得到系統(tǒng)所需的12 V和36 V電壓。圖4中R1取1 kΩ，R2取0.5 kΩ，VOUT1=24×（1+0.5）=36 V，VOUT2=24×0.5=12 V，濾波電容C越大越好，此處取 4700μF，C1和C2取典型值，分別為0.33μF和0.1μF。

系統(tǒng)控制部分采用直流5 V電源供電，采用三端穩(wěn)壓芯片78L05，如圖5所示。其中C6、C7、C8為濾波電容［5］。

圖5 系統(tǒng)控制部分電源電路

1.3.3 充電站定位編碼信號發(fā)射電路設(shè)計

充電站采用發(fā)射紅外信號的方式引導(dǎo)機器人自動返回充電站，充電站的上、下兩組發(fā)射器均發(fā)出紅外信號，為防止充電站發(fā)出的紅外信號受到陽光、電燈等其他因素的干擾，充電站發(fā)射的紅外信號采用調(diào)制波進行編碼，機器人在收到紅外信號并解調(diào)后，如編碼與充電站發(fā)射一致，則執(zhí)行自動充電程序，否則不做處理。

圖 6中 D1、D2為紅外發(fā)射二極管，R1、R2、R3、R4為限流電阻，用以保證紅外發(fā)射管工作在允許工作電流內(nèi)，載波信號由單片機產(chǎn)生，經(jīng)電阻R6與三極管Q1相連，編碼信號由單片機產(chǎn)生，一路經(jīng)電阻R7與三極管Q2相連，另一路經(jīng)電阻R8與三極管Q3相連，采用24 V作為發(fā)射電壓。

圖6 充電信號發(fā)射電路

2 自主充電算法

清掃機器人自動返回充電時采用隨機行走模式，只要充電站正前方的信號區(qū)內(nèi)沒有物體遮擋，清掃機器人總會經(jīng)過有信號區(qū)。

充電算法主要分為以下4步：

（1）找尋充電站算法

清掃機器人采用隨機行走的方式找尋充電站，途中若遇到障礙物則執(zhí)行避障算法。清掃機器人隨機行走時，只要上部廣角接收管收到充電站發(fā)出的信號，則認為已找到充電站，進入對接算法程序。

（2）對接算法［6］

在找到充電站后，根據(jù)不同情況執(zhí)行對接算法。

上部廣角接收管收到信號，機器繼續(xù)前行0.1m，右轉(zhuǎn)，若右轉(zhuǎn)過程中前方中間兩個接收管均收到充電站信號，則認為已與充電站對準，機器直行，并進入精確對接算法；若右轉(zhuǎn)400°后，前方兩個接收管不滿足同時收到信號的條件，則認為機器處于信號邊界區(qū)域，進入調(diào)整方向算法；若前方兩個接收管均未收到充電站信號，則認為是誤信號，則后退一段距離，繼續(xù)直行，執(zhí)行找尋充電站算法。

（3）調(diào)整方向算法

調(diào)整方向算法：前方兩個接收管不滿足同時收到信號的條件，則認為機器處于信號邊界區(qū)域，此時讓機器右轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)過程中，若上部廣角接收管收到信號，則機器繼續(xù)前行0.1m，再右轉(zhuǎn)，若右轉(zhuǎn)過程中前方中間兩個接收管均收到充電站信號，則認為已與充電站對準，機器直行，并進入精確對接算法；若右旋轉(zhuǎn)400°后，前方兩個接收管還不滿足同時收到信號的條件，則認為機器處于信號左邊界，此時讓機器后退 0.1m，左轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)過程中，若上部廣角接收管收到信號，則讓機器直行0.1m，再左轉(zhuǎn)，若左轉(zhuǎn)過程中前方中間兩個接收管均收到充電站信號，則認為已與充電站對準，機器直行，進入精確對接算法；若左轉(zhuǎn)400°后，前方兩個接收管仍不滿足同時收到信號的條件，則機器直行，退出調(diào)整方向算法，進入找尋充電站算法。

（4）精確對接算法

當(dāng)清掃機器人中間兩個接收管均收到信號時，則認為已與充電站對準，機器保持直行。但實際運行過程中，由于地面情況不同或是電機轉(zhuǎn)速的微小偏差，有可能會使機器在直行過程中發(fā)生偏離，為此采用精確對接算法進行修正。

①若對接過程中中間兩個接收管的狀態(tài)為左接收管接收到信號，右接收管無信號，則認為機器向右偏離中心區(qū)域，此時機器人左轉(zhuǎn)，若中間兩個接收管均收到信號，則直行，若仍然是左接收管接收到信號，右接收管無信號，則機器后退 0.1m，左轉(zhuǎn)，直至中間兩個接收管均收到信號后，直行。

②若對接過程中中間兩個接收管的狀態(tài)為右接收管接收到信號，左接收管無信號，則認為機器向左偏離中心區(qū)域，此時機器人右轉(zhuǎn)，若中間兩個接收管均收到信號，則直行，若仍然是右接收管接收到信號，左接收管無信號，則機器后退0.1m，左轉(zhuǎn)，直至中間兩個接收管均收到信號后，直行。

③若對接過程中中間兩個接收管的狀態(tài)為左、右均無信號，則機器在原地停留2s，若停留時間內(nèi)收到充電站信號，則執(zhí)行相應(yīng)算法，若2s后仍無信號，則繼續(xù)直行，執(zhí)行找尋充電站算法。

（5）異常情況處理算法

清掃機器人在與充電站對接時，突遇障礙物，此時清掃機器人終止對接算法，執(zhí)行避障算法繞過障礙物后，繼續(xù)尋找充電站。

綜述自主充電算法步驟：首先機器人根據(jù)上部廣角接收管是否收到信號尋找充電站進入信號區(qū)域，然后做出相應(yīng)調(diào)整使機器人對準充電站直行，最后直行過程中根據(jù)中間位置夾角為45°的左和右兩個接收器的信號修正和微調(diào)機器人的路線，實現(xiàn)精確對準，直到碰到充電站，算法結(jié)束。自主充電算法流程圖如圖7所示。

3 結(jié)論

經(jīng)實踐證明，該機器人完全滿足自動返回充電功能要求；具有良好的人機交互功能，滿足了產(chǎn)品設(shè)計要求，只是在找尋充電器的效率方面有待提高。

Cleaning robot autonomous charging system design

Li Jin
（Wuxi Professional College of Science and Technology，Wuxi 214028，China）

A system of cleaning robot′s independent charge containing hardware system and software system is designed.The hardware circuit of charging station includes a power supply circuit，the battery constant current charging circuit of charging current which can be regulated by the hardware and software，and position coding signal transmitting circuit.A new independent charging algorithm that the robot can search automatically charging station using the random walk model in unknown environment is presented，so that the robot have the ability to find independently the charging station.

cleaning robot；constant current source；independent charging algorithm；intelligent

TP242

A

1674-7720（2015）22-0009-03

李進.清掃機器人自主充電系統(tǒng)的設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2015，34（22）：9-11，17.