摘  要： 在設(shè)計(jì)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(jī)器人采用隨機(jī)行走模式在未知環(huán)境下自動(dòng)找尋充電站的全新自主充電算法，使機(jī)器人具備自主找尋充電站充電的能力。

　　關(guān)鍵詞： 清掃機(jī)器人；恒流源；自主充電算法；智能

0 引言

　　自主清潔機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)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(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際家庭使用，如伊萊克斯公司的“三葉蟲”、Kent公司設(shè)計(jì)出清掃機(jī)器人RoboKent、國產(chǎn)清掃機(jī)器人KV8。當(dāng)機(jī)器人電量不足時(shí)，能夠自動(dòng)地返回充電站進(jìn)行充電是現(xiàn)有機(jī)器人的一個(gè)實(shí)用功能，根據(jù)家居智能清潔機(jī)器人的自動(dòng)充電功能需求，與蘇州某公司合作開發(fā)設(shè)計(jì)了一款低成本、能自主充電的適用型家居智能機(jī)器人，目前已投入生產(chǎn)，效果良好。

1 充電站硬件設(shè)計(jì)

　　充電站主要負(fù)責(zé)與機(jī)器人的紅外通信，發(fā)射召回信號，引導(dǎo)機(jī)器人自動(dòng)返回充電站進(jìn)行充電。機(jī)器人在電量充足時(shí)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(shí)，機(jī)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(dòng)返回充電站充電。

　　1.1 充電站結(jié)構(gòu)

　　機(jī)器人在電池電量不足時(shí)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(jī)器人自主返回充電，充電站的結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)計(jì)必須滿足要求，充電站外形如圖1所示。

　　充電站包括外殼、兩片充電觸點(diǎn)、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(jī)器人底部有正負(fù)兩個(gè)金屬充電電極，在充電站上有兩片金屬觸點(diǎn)，當(dāng)充電電極與金屬片接觸上即可進(jìn)行充電。清掃機(jī)器人前端中間位置裝有兩個(gè)紅外接收管，它們之間的夾角為45°，清掃機(jī)器人前端頂部也裝有一個(gè)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(jī)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(jī)器人尋找充電站時(shí)定位使用。自主返回充電的基本要求就是精確對準(zhǔn)，以便機(jī)器人的充電電極和充電站上的充電觸點(diǎn)可靠連接進(jìn)行充電。由于紅外發(fā)射管的信號區(qū)域接近于一個(gè)扇形，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和充電站的精確對接，因此本設(shè)計(jì)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(gè)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4 m，寬度為0.1~0.3 m。這樣，清掃機(jī)器人尋找充電站的活動(dòng)區(qū)域便分為兩個(gè)部分，有信號區(qū)和無信號區(qū)。有信號區(qū)是一個(gè)狹長的區(qū)域，長度約為4 m，寬度為0.1~0.3 m。這個(gè)區(qū)域外為無信號區(qū)。信號覆蓋示意圖如圖2所示。

　　1.3 充電站硬件電路設(shè)計(jì)

　　1.3.1 電池恒流充電電路設(shè)計(jì)

　　由于機(jī)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(jìn)行充電，為此需要設(shè)計(jì)充電所需的恒流源電路，為電池充電時(shí)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(yùn)放，第一級運(yùn)放組成一個(gè)電壓跟隨器，提高整個(gè)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(fù)反饋，提高恒流輸出電流的穩(wěn)定性。

　　第一級運(yùn)放的輸出電壓：U01=UIN。

　　第二級運(yùn)放引入電流負(fù)反饋，所以同相端和反相端輸入電流為0，因此同相端U+由R3、R4兩個(gè)電阻對U01分壓得到：

　　運(yùn)算放大器U2同相端電壓U+等于反相端電壓U-，因此，R5的電流I5=，由于U2反相端輸入電流為0，因此TIP122發(fā)射極電流Ie=I5，又由于Ic≈Ie，因此恒流源電路的輸出電流為：

　　由此可見，電源的輸出電流與UIN成正比，且與R3、R4、R5 3個(gè)電阻成正比，當(dāng)UIN和電阻的比例系數(shù)保持恒定時(shí)，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(jìn)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(jì)

　　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。

　　由于上述恒流源電路中的運(yùn)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(shí)考慮到TIP122以及R5的壓降，因此負(fù)載所需的電壓設(shè)計(jì)為36 V（此電壓可根據(jù)具體要求進(jìn)行調(diào)節(jié)）。所以電源電路采用7824進(jìn)行分壓以及擴(kuò)壓得到系統(tǒng)所需的12 V和36 V電壓。圖4中R1取1 k，R2取0.5 k，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4 700 μF，C1和C2取典型值，分別為0.33 μF和0.1 μF。

　　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]。

　　1.3.3 充電站定位編碼信號發(fā)射電路設(shè)計(jì)

　　充電站采用發(fā)射紅外信號的方式引導(dǎo)機(jī)器人自動(dòng)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(jìn)行編碼，機(jī)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(dòng)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(jī)產(chǎn)生，經(jīng)電阻R6與三極管Q1相連，編碼信號由單片機(jī)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。

2 自主充電算法

　　清掃機(jī)器人自動(dòng)返回充電時(shí)采用隨機(jī)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(jī)器人總會經(jīng)過有信號區(qū)。

　　充電算法主要分為以下4步：

　?。?）找尋充電站算法

　　清掃機(jī)器人采用隨機(jī)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(jī)器人隨機(jī)行走時(shí)，只要上部廣角接收管收到充電站發(fā)出的信號，則認(rèn)為已找到充電站，進(jìn)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(jī)器繼續(xù)前行0.1 m，右轉(zhuǎn)，若右轉(zhuǎn)過程中前方中間兩個(gè)接收管均收到充電站信號，則認(rèn)為已與充電站對準(zhǔn)，機(jī)器直行，并進(jìn)入精確對接算法；若右轉(zhuǎn)400°后，前方兩個(gè)接收管不滿足同時(shí)收到信號的條件，則認(rèn)為機(jī)器處于信號邊界區(qū)域，進(jìn)入調(diào)整方向算法；若前方兩個(gè)接收管均未收到充電站信號，則認(rèn)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。

　?。?）調(diào)整方向算法

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

　?。?）精確對接算法

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

　?、偃魧舆^程中中間兩個(gè)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(rèn)為機(jī)器向右偏離中心區(qū)域，此時(shí)機(jī)器人左轉(zhuǎn)，若中間兩個(gè)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(jī)器后退0.1 m，左轉(zhuǎn)，直至中間兩個(gè)接收管均收到信號后，直行。

　?、谌魧舆^程中中間兩個(gè)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(rèn)為機(jī)器向左偏離中心區(qū)域，此時(shí)機(jī)器人右轉(zhuǎn)，若中間兩個(gè)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(jī)器后退0.1 m，左轉(zhuǎn)，直至中間兩個(gè)接收管均收到信號后，直行。

　?、廴魧舆^程中中間兩個(gè)接收管的狀態(tài)為左、右均無信號，則機(jī)器在原地停留2 s，若停留時(shí)間內(nèi)收到充電站信號，則執(zhí)行相應(yīng)算法，若2 s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(jī)器人在與充電站對接時(shí)，突遇障礙物，此時(shí)清掃機(jī)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(jī)器人根據(jù)上部廣角接收管是否收到信號尋找充電站進(jìn)入信號區(qū)域，然后做出相應(yīng)調(diào)整使機(jī)器人對準(zhǔn)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(gè)接收器的信號修正和微調(diào)機(jī)器人的路線，實(shí)現(xiàn)精確對準(zhǔn)，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(shí)踐證明，該機(jī)器人完全滿足自動(dòng)返回充電功能要求；具有良好的人機(jī)交互功能，滿足了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，只是在找尋充電器的效率方面有待提高。

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