摘  要： 在設計了充電站的硬件電路（包括電源電路、可由軟件及硬件調節充電電流的電池恒流充電電路及定位編碼信號發射電路）的基礎上，提出了一種機器人采用隨機行走模式在未知環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。

　　關鍵詞： 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，具有廣泛的應用前景。目前清潔機器人已經進入實際家庭使用，如伊萊克斯公司的“三葉蟲”、Kent公司設計出清掃機器人RoboKent、國產清掃機器人KV8。當機器人電量不足時，能夠自動地返回充電站進行充電是現有機器人的一個實用功能，根據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設計了一款低成本、能自主充電的適用型家居智能機器人，目前已投入生產，效果良好。

1 充電站硬件設計

　　充電站主要負責與機器人的紅外通信，發射召回信號，引導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出的信號不做響應，當檢測到自身電量不足時，機器人通過充電站發射的紅外召回信號及相應算法自動返回充電站充電。

　　1.1 充電站結構

　　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節。為了保證機器人自主返回充電，充電站的結構和電氣設計必須滿足要求，充電站外形如圖1所示。

　　充電站包括外殼、兩片充電觸點、電源指示燈、上對接紅外發射器和下對接紅外發射器[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、下兩組發射器均發出紅外調制編碼信號，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。由于紅外發射管的信號區域接近于一個扇形，難以實現機器人和充電站的精確對接，因此本設計在紅外發射管前方添加黑色塑料擋光片，擋光片之間留一個窄縫，這樣發射信號區域幾乎成一條直線，其有效距離約為4 m，寬度為0.1~0.3 m。這樣，清掃機器人尋找充電站的活動區域便分為兩個部分，有信號區和無信號區。有信號區是一個狹長的區域，長度約為4 m，寬度為0.1~0.3 m。這個區域外為無信號區。信號覆蓋示意圖如圖2所示。

　　1.3 充電站硬件電路設計

　　1.3.1 電池恒流充電電路設計

　　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，為此需要設計充電所需的恒流源電路，為電池充電時提供穩定的充電電流[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定性。

　　第一級運放的輸出電壓：U01=UIN。

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

　　運算放大器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個電阻成正比，當UIN和電阻的比例系數保持恒定時，即可保證該電源的輸出電流是恒定的。用戶既可通過調節選擇電池的充電電流，也可以采用軟件PWM信號對UIN進行無級調節，從而選擇所需的充電電流。

　　1.3.2 電源電路設計

　　電源電路將220 V交流電經過變壓、橋式整流、電容濾波以及穩壓4步，最后得到系統所需的直流電源，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計為36 V（此電壓可根據具體要求進行調節）。所以電源電路采用7824進行分壓以及擴壓得到系統所需的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。

　　系統控制部分采用直流5 V電源供電，采用三端穩壓芯片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射電路設計

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

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

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內沒有物體遮擋，清掃機器人總會經過有信號區。

　　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，根據不同情況執行對接算法。

　　上部廣角接收管收到信號，機器繼續前行0.1 m，右轉，若右轉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域，進入調整方向算法；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，繼續直行，執行找尋充電站算法。

　　（3）調整方向算法

　　調整方向算法：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域，此時讓機器右轉，右轉過程中，若上部廣角接收管收到信號，則機器繼續前行0.1 m，再右轉，若右轉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0.1 m，左轉，左轉過程中，若上部廣角接收管收到信號，則讓機器直行0.1 m，再左轉，若左轉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，退出調整方向算法，進入找尋充電站算法。

　　（4）精確對接算法

　　當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速的微小偏差，有可能會使機器在直行過程中發生偏離，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域，此時機器人左轉，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0.1 m，左轉，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域，此時機器人右轉，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0.1 m，左轉，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為左、右均無信號，則機器在原地停留2 s，若停留時間內收到充電站信號，則執行相應算法，若2 s后仍無信號，則繼續直行，執行找尋充電站算法。

　　（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，執行避障算法繞過障礙物后，繼續尋找充電站。

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

3 結論

　　經實踐證明，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，滿足了產品設計要求，只是在找尋充電器的效率方面有待提高。

參考文獻

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　　[2] 林丹.一種室內清潔機器人返回路徑規劃算法[J].重慶科技學院學報，2010，2（1）：110-113.

　　[3] 沈玉，韓廷，武驥，等.一種電動汽車動力電池電流檢測系統的設計[J].電子技術應用，2014，40（7）：69-71.

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