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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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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"

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