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山东大学学报 (工学版) ›› 2019, Vol. 49 ›› Issue (1): 55-65.doi: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2018.301

• 控制科学与工程 • 上一篇    下一篇

家庭陪护机器人自主充电系统研究与设计

周风余(),万方*(),焦建成,边钧健   

  1. 山东大学控制科学与工程学学院, 山东 济南 250061
  • 收稿日期:2018-08-15 出版日期:2019-02-20 发布日期:2019-03-01
  • 通讯作者: 万方 E-mail:zhoufengyu@sdu.edu.cn;wfcola@gmail.com
  • 作者简介:周风余(1969—),男,山东临沂人,博士生导师,主要研究方向智能机器人,智能控制理论和方法. E-mail:zhoufengyu@sdu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目(2017YFB1302400);国家自然科学基金项目(617732400);山东省重大科技创新工程项目(2017CXGC0926);山东省重点研发计划(公益类专项)项目(2017GGX30133)

Design for autonomous charging system of family companion robot

Fengyu ZHOU(),Fang WAN*(),Jiancheng JIAO,Junjian BIAN   

  1. School of Control Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China
  • Received:2018-08-15 Online:2019-02-20 Published:2019-03-01
  • Contact: Fang WAN E-mail:zhoufengyu@sdu.edu.cn;wfcola@gmail.com
  • Supported by:
    国家重点研发计划项目(2017YFB1302400);国家自然科学基金项目(617732400);山东省重大科技创新工程项目(2017CXGC0926);山东省重点研发计划(公益类专项)项目(2017GGX30133)

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28

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709

摘要：

针对家庭陪护机器人电池容量有限,工作环不连续的问题,设计一种基于机器人操作系统(robot operating system, ROS)的家庭陪护机器人自主充电分级对接系统。采用卡尔曼滤波算法将编码器数据和惯性测量单元(inertial measurement unit, IMU)数据进行融合,同时结合激光雷达数据并基于Rao-Blackwellized粒子滤波即时定位与构图(simultaneous localization and mapping, SLAM)算法构建环境二维栅格地图;采用A*算法和动态窗口(dynamic window approach, DWA)算法进行全局路径规划和局部路径规划,使机器人行驶至充电站附近或所在房间;采用基于双重优先级的红外导航对接算法引导机器人驶向充电站,完成与充电站的精确对接。试验结果表明,该系统有效地解决了传统方法中充电距离有限的问题,并且具有较高的对接效率、成功率、准确度和环境普适性,完全满足家庭陪护机器人的充电需求,具有较好的应用价值。

关键词: 自主充电, 远程对接, 近程对接, SLAM, 路径规划

Abstract:

To address the limited battery capacity and discontinuous work ring of the family companion robot, a based autonomous charging and docking system was designed for the family companion robot using ROS. The Calman filtering algorithm is used to fuse the encoder data and IMU data. Meanwhile, the environment 2D grid map was constructed by the laser ranger data combined with the Rao-Blackwellized particle filter SLAM algorithm. The global path planning and the local path planning were carried out with the A* approach and the DWA algorithm to control robot reach the neighborhood of the charging station.The dual priority based infrared navigation and docking algorithm was used to guide the robot to the charging station to accurately docking with the charging station. The experimental results showed that the proposed system effectively solved the problem of limited charging distance compared with the traditional method, and had high docking efficiency, success rate, accuracy and generalization ability. Therefore, the system fully satisfied the charge demand of the family companion robot, which could be widely used to address real-world problems.

Key words: autonomous charging, remote docking, short range docking, SLAM, path planning

中图分类号: 

  • TP273

图1

自主充电系统整体架构"

图2

自主充电系统硬件架构"

图3

A*算法流程图"

图4

DWA算法搜索速度矢量空间"

图5

动态窗口中可采纳速度"

图6

充电站红外信号发射范围示意图"

图7

机器人红外接收头接收范围"

图8

红外导航对接示意图"

表1

红外导航粗略对接算法"

第三红外接收头(IR3) 第四红外接收头(IR4) 执行策略
A1区域信号 A1区域信号 原地左转/原地右转
A1区域信号 A2A3A4区域信号 原地右转
A2A3A4区域信号 A1区域信号 原地左转
A2区域信号 A2区域信号 原地右转
A3区域信号 A3区域信号 原地左转
A2区域信号 A3区域信号 直行后退
A3区域信号 A2区域信号 直行前进
A2区域信号 A4区域信号 右后转
A4区域信号 A3区域信号 左后转
A4区域信号 A2区域信号 左后转(大角度)
A3区域信号 A4区域信号 右后转(大角度)
A4区域信号 A4区域信号 螺旋式搜索/漫游搜索

表2

红外导航精确对接算法"

第一红外接收头(IR1) 第二红外接收头(IR2) 执行策略
A1区域信号 A1区域信号 直行后退
A1区域信号 A2A3A4区域信号 右后转
A2A3A4区域信号 A1区域信号 左后转
A2区域信号 A2区域信号 右后转(角度稍大)
A3区域信号 A3区域信号 左后转(角度稍大)
A2区域信号 A3区域信号 直行后退
A3区域信号 A2区域信号 直行后退
A2区域信号 A4区域信号 右后转
A4区域信号 A3区域信号 左后转
A4区域信号 A2区域信号 直行后退
A3区域信号 A4区域信号 直行后退
A4区域信号 A4区域信号 无效,转入粗略对接

图9

无信号区域策略"

图10

自主充电对接盲区"

图11

检测盲区的超声波传感器分布示意图"

图12

自主充电对接盲区策略"

图13

输入量和输出量的隶属度函数"

表3

模糊控制规则表"

序号 输入 输出
LBD BD RBD ppose vi vo ω
1 NEAR FAR FAR LEFT SLOW NORMAL TRL
2 NEAR FAR FAR LEFT NORMAL NORMAL TRL
3 NEAR FAR FAR LEFT FAST SLOW TR
4 NEAR FAR FAR BACK SLOW NORMAL TRL
5 NEAR FAR FAR BACK NORMAL NORMAL TRL
6 NEAR FAR FAR BACK FAST SLOW TR
7 NEAR FAR FAR RIGHT SLOW NORMAL TR
8 NEAR FAR FAR RIGHT NORMAL NORMAL TR
9 NEAR FAR FAR RIGHT FAST SLOW TR

图14

实验室二维地图和真实环境"

图15

楼道走廊二维地图和真实环境"

图16

室内大厅二维地图和真实环境"

图17

自主充电远程对接"

图18

远程对接准确度统计"

图19

区域栅格划分"

表4

机器人在不同位置对接用时统计"

位姿 时间/s
偏差距离 初始姿态/(°) 1 m 2 m 3 m 4 m 5 m 6 m 7 m
0 5 10 15 20 25 30 35
90 17 9 14 19 23 29 33
同轴 180 39 17 18 23 29 30 42
270 16 10 14 18 24 29 33
0 5 9 13 19 24 29 34
90 16 11 15 19 25 31 40
偏右0.5 m 180 12 16 20 24 29 30 40
270 17 12 14 20 24 31 43
0 25 10 14 18 24 29 34
90 28 13 16 20 25 31 35
偏右1.0 m 180 33 18 23 26 32 35 40
270 27 12 16 21 26 31 33
0 5 9 14 18 23 28 35
90 17 12 17 21 24 32 41
偏左0.5 m 180 10 15 19 24 29 34 40
270 17 12 16 18 25 30 40
0 25 10 14 18 23 28 33
90° 27 12 17 21 25 30 34
偏左1.0 m 180 33 18 23 26 33 35 40
270 28 13 15 20 25 32 40

图20

充电对接准确度统计"

1 王建元, 郭威, 刘洋, 等. 基于图像识别的移动机器人自动完成充电[J]. 电测与仪表, 2017, 54 (10): 103- 107.
doi: 10.3969/j.issn.1001-1390.2017.10.018
WANG Jianyuan , GUO Wei , LIU Yang , et al. Automatic charging of mobile robot based on image recognition[J]. Electrical Measurement and Instrumentation, 2017, 54 (10): 103- 107.
doi: 10.3969/j.issn.1001-1390.2017.10.018
2 周海波. 基于红外线的智能小车自动导航充电系统的设计[J]. 数字技术与应用, 2014, 2 (2): 168.
ZHOU Haibo . Design of intelligent car′s automatic navigation charging system based on infrared ray[J]. Digital Technology and Application, 2014, 3 (2): 168.
3 崔志恒, 韩红玲. 红外导航自主充电室内移动机器人设计[J]. 实验室研究与探索, 2012, 31 (10): 33- 36.
doi: 10.3969/j.issn.1006-7167.2012.10.010
CUI Zhiheng , HAN Hongling . Design of an auto-recharging mobile robot navigated by infrared ray[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2012, 31 (10): 33- 36.
doi: 10.3969/j.issn.1006-7167.2012.10.010
4 NOURBAKHSH I , BOBENAGE J , GRANGE S , et al. An affective mobile robot with a full-time job[J]. Artificial Intelligence, 1999, 114 (1/2): 95- 124.
5 SILVERMAN M C, NIES D, JUNG B, et al. Staying alive: a docking station for autonomous robot recharging[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation. Washington, D.C, USA: IEEE, 2002: 1050-1055.
6 SENANAYAKE H M B , AKINSANMI O , MAZU M B . An experimental autonomous path tracking mobile robot[J]. Advanced Materials Research, 2009, 62-64, 181- 186.
doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.62-64
7 HUANG Y , ZHAO H , GAO L I , et al. Self recharging algorithm for indoor mobile robot[J]. Journal of Jishou University, 2016, 32 (2): 132- 145.
8 朱世强, 刘瑜, 庞作伟, 等. 自主吸尘机器人的研究现状[J]. 机器人, 2004, 26 (6): 569- 574.
doi: 10.3321/j.issn:1002-0446.2004.06.019
ZHU Shiqiang , LIU Yu , PANG Zuowei , et al. Overview of autonomous cleaning robots[J]. Robot, 2004, 26 (6): 569- 574.
doi: 10.3321/j.issn:1002-0446.2004.06.019
9 吴海彬, 朱世强, 马翔. 自主吸尘机器人在非结构环境下的避障与路径规划研究[J]. 机器人, 2000, 22 (7): 627- 630.
WU Haibin , ZHU Shiqiang , MA Xiang . Research on obstacle avoidance and path planning of autonomous vacuum cleaning robot in unstructured environment[J]. Robot, 2000, 22 (7): 627- 630.
10 郝宗波, 洪炳镕. 室内环境下移动机器人自主充电研究[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2005, 37 (7): 885- 887.
doi: 10.3321/j.issn:0367-6234.2005.07.007
HAO Zongbo , HONG Bingrong . Research on auto-recharging for mobile robot in indoor environment[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2005, 37 (7): 885- 887.
doi: 10.3321/j.issn:0367-6234.2005.07.007
11 黎阳生.变电站巡检机器人自主充电装置及对接控制研究[D].重庆:重庆大学, 2013.
LI Yangsheng. Study on auto-recharging device and docking control for substation inspection robot[D]. Chongqing: Chongqing University, 2013.
12 KONOLIGE K, GRISETTI G, KMMERLE R, et al. Efficient sparse pose adjustment for 2nd mapping[C]//International Conference on Intelligent Robots and Systems. Taiwan, China: IEEE, 2010: 22-29.
13 KOHLBRECHER S, STRYK O V, MEYER J, et al. A flexible and scalable SLAM system with full 3D motion estimation[C]//IEEE International Symposium on Safety, Security, and Rescue Robotics. Kyoto, Japan: IEEE, 2011: 155-160.
14 HESS W, KOHLER D, RAPP H, et al. Real-time loop closure in 2D LIDAR SLAM[C]//International Conference on Robotics & Automation. Stockholm, Sweden: IEEE, 2016: 1271-1278.
15 DAVISON A J , REID I D , MOLTON N D , et al. MonoSLAM: real-time single camera SLAM[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis & Machine Intelligence, 2007, (6): 1052- 1067.
16 OLSON E B . Real-time correlative scan matching[J]. Ann Arbor, 2009, 10 (1): 98- 109.
17 未永飞, 杜正春, 姚振强. 中值滤波在激光雷达点云数据预处理中的应用[J]. 激光技术, 2009, 33 (2): 213- 216.
WEI Yongfei , DU Zhengchun , YAO Zhenqiang . Application of median filter in point cloud data pre-processing lidar[J]. Laser Technology, 2009, 33 (2): 213- 216.
18 GRISETTI G , STACHNISS C , BURGARD W . Improved techniques for grid mapping with rao-blackwellized particle filters[J]. IEEE Transactions on Robotics, 2007, 23 (1): 34- 46.
doi: 10.1109/TRO.2006.889486
19 王殿君. 基于改进A*算法的室内移动机器人路径规划[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2012, 52 (8): 1085- 1089.
WANG Dianjun . Indoor mobile-robot path planning based on an improved A* algorithm[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2012, 52 (8): 1085- 1089.
20 朱大奇, 颜明重. 移动机器人路径规划技术综述[J]. 控制与决策, 2010, 25 (7): 961- 967.
ZHU Daqi , YAN Mingzhong . Survey on technology of mobile robot path planning[J]. Control and Decision, 2010, 25 (7): 961- 967.
21 曲道奎, 杜振军, 徐殿国, 等. 移动机器人路径规划方法研究[J]. 机器人, 2008, 30 (2): 97- 101.
doi: 10.3321/j.issn:1002-0446.2008.02.001
QU Daokui , DU Zhenjun , XU Dianguo , et al. Research on path planning for a mobile robot[J]. Robot, 2008, 30 (2): 97- 101.
doi: 10.3321/j.issn:1002-0446.2008.02.001
[1] 赵天怀,王目树,潘为刚,康超,秦石铭,徐飞. 挖掘机智能辅助施工系统设计[J]. 山东大学学报 (工学版), 2023, 53(4): 163-172.
[2] 张飞凯,黄永忠,李连茂,秦剑,刘晨. 基于Dijkstra算法的货运索道路径规划方法[J]. 山东大学学报 (工学版), 2022, 52(6): 176-182.
[3] 王雨,刘延俊,贾华,薛钢. 基于强化RRT算法的机械臂路径规划[J]. 山东大学学报 (工学版), 2022, 52(6): 123-130.
[4] 吴建清,宋修广. 同步定位与建图技术发展综述[J]. 山东大学学报 (工学版), 2021, 51(5): 16-31.
[5] 肖浩,廖祝华,刘毅志,刘思林,刘建勋. 实际环境中基于深度Q学习的无人车路径规划[J]. 山东大学学报 (工学版), 2021, 51(1): 100-107.
[6] 李彩虹,方春,王志强,夏斌,王凤英. 基于超混沌同步控制的移动机器人全覆盖路径规划[J]. 山东大学学报 (工学版), 2019, 49(6): 63-72.
[7] 张强. 核环境多关节蛇形机械臂的运动控制系统设计[J]. 山东大学学报 (工学版), 2018, 48(6): 122-131.
[8] 张丽,赵春霞*. 一种基于迭代EKF的FastSLAM算法[J]. 山东大学学报(工学版), 2012, 42(4): 41-47.
[9] 严宣辉, 肖国宝*. 基于定长实数路径编码机制的移动机器人路径规划[J]. 山东大学学报(工学版), 2012, 42(1): 59-65.
[10] 刘彬,张仁津. 一种采用两段粒子群优化的路径规划方法[J]. 山东大学学报(工学版), 2012, 42(1): 12-18.
[11] 陈明志1,许春耀2,陈健2,余轮2. 基于语义信息的虚拟环境路径规划[J]. 山东大学学报(工学版), 2011, 41(4): 106-112.
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[1] 薛翊国，李术才，赵岩，苏茂鑫，李为腾，丁志海. 青岛胶州湾海底隧道F44含水断层注浆前后TSP探测分析[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(2): 108 -112 .
[2] 张恭孝,杨荣华 . 水杨醛缩甲基氨基硫脲Schiff碱配合物的合成与表征[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(3): 108 -111 .
[3] 罗运虎,邢丽冬,王勤,刘海春,翁晓光 . 需求侧2种可中断负荷备用市场报价策略的协调[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(3): 77 -80 .
[4] 孙炜伟,王玉振. 考虑饱和的发电机单机无穷大系统有限增益镇定[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(1): 69 -76 .
[5] 孙玉利,李法德,左敦稳,戚美 . 直立分室式流体连续通电加热系统的升温特性[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(6): 19 -23 .
[6] 薛成骞,董建文,孟宪锋,常虹,曹宁,陈华英,李木森 . C／C+HA骨植入材料对杂交波尔山羊生理生化机能的影响[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(3): 73 -76 .
[7] 郑桂兰,关瑞芳,隋　肃,李建权,李国忠 . 反应型反光型道路标线涂料识别效果研究[J]. 山东大学学报(工学版), 2007, 37(1): 86 -89 .
[8] 孙宗耀,刘允刚 . 一类2维不确定非线性系统自适应输出反馈镇定[J]. 山东大学学报(工学版), 2007, 37(5): 34 -39 .
[9] 宋明大,王威强,李梦丽,徐书根 . 多层包扎尿素合成塔无损评价方法[J]. 山东大学学报(工学版), 2007, 37(4): 50 -54 .
[10] 张霄 李术才 张庆松 刘钦 张宁 刘斌. TSP信号采集质量影响因素的现场试验研究[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(4): 25 -29 .
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