CN107069856A - 巡检机器人智能续航无线充电***及其充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机器人无线充电技术，具体涉及巡检机器人智能续航无线充电***及其充电方法，包括巡检线路，巡检机器人，以及巡检线路上设置至少一个充电站；充电站上设置有充电发射单元，巡检机器人上设置有机器人接收单元；发射端通信线圈与接收端通信线圈无线通信连接，功率发射线圈与功率接收线圈之间进行能量传递；功率发射线圈包括多个平面式渐开线圈平行重叠排列的矩阵；功率接收线圈采用平面式结构。该无线充电***不仅解决了传统机器人充电时无法智能续航的问题，还具有使用便捷、运行可靠、维护成本低的特点，安全高效的供巡检机器人进行快速、高效率智能续航。
Description
技术领域
本发明属于机器人无线充电技术领域，尤其涉及巡检机器人智能续航无线充电***及其充电方法。
背景技术
无线传能技术不需要用电缆将设备与供电***连接，便可以直接对其进行快速充电。加之非接触快速充电能够布置在多种场所，又可以为各种类型的设备提供充电服务，使随时随地充电变为可能。
现有的无线传能技术至少包括以下五种方式：电磁感应式、电磁共振式、微波式、超声波式及激光式。
其中，电磁共振式无线电能传输技术的原理是与音叉的共振原理相同。排列在一个磁场中的有相同振动频率的线圈，由于其振动频率特性相同也可以实现能量从一个线圈向另一个线圈的电能传输。特点是传输距离较远、可实现一对多传能，但传输效率偏低，适用于中等功率的中等距离传输。
采用无线充电的方式对机器人进行充电，对当今迅速发展的机器人产业具有重要意义。现有机器人充电***常常存在的一些问题，如机器人充电时应首先退出巡检线路，充电结束后应重新回到初始位置，以及充电过程复杂、效率低下等。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用便捷、运行稳定可靠、维护成本低、安全高效的供机器人进行快速、高效率、智能续航的无线充电***。巡检机器人在充电时无需离开巡检线路，充电后自动续航。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：巡检机器人智能续航无线充电***，包括巡检线路，巡检机器人，以及巡检线路上设置至少一个充电站；充电站上设置有充电发射单元，巡检机器人上设置有机器人接收单元；充电站发射单元包括光电互补供电模块，功率控制电路，功率震荡模块，霍尔器件检测电路，发射端LCL补偿电路，发射端通信线圈和功率发射线圈；机器人接收单元包括功率接收线圈，接收端LCL补偿电路，信息监测与调制单元，整流稳压模块，接收端通信线圈和机器人储能模块；光电互补供电模块连接功率震荡模块，功率震荡模块分别连接功率控制电路和功率发射线圈，发射端LCL补偿电路与功率发射线圈连接，功率发射线圈连接霍尔器件检测电路，霍尔器件检测电路分别连接功率控制电路和发射端通信线圈；功率接收线圈分别连接接收端LCL补偿电路和整流稳压模块，机器人储能模块分别连接整流稳压模块和信息监测与调制单元，信息监测与调制单元连接接收端通信线圈；发射端通信线圈与接收端通信线圈无线通信连接，功率发射线圈与功率接收线圈之间进行能量传递；功率发射线圈包括多个平面式渐开线圈平行重叠排列的矩阵；功率接收线圈采用平面式结构。
在上述的巡检机器人智能续航无线充电***中，功率发射线圈置于充电站内顶部，功率发射线圈包括三个平面式渐开线圈平行排列成线圈矩阵，且每两个平面式渐开线圈在磁场较弱处重叠；每个平面式渐开线圈沿直线螺旋形展开；线圈矩阵采用多股漆包线绕制，且平铺在铁氧体平板上，同时采用密封胶进行防水浇筑密封。
在上述的巡检机器人智能续航无线充电***中，功率接收线圈置于巡检机器人头顶，其大小与功率发射线圈的外轮廓相等，采用分布式铁氧体磁芯。
在上述的巡检机器人智能续航无线充电***中，光电互补供电模块包括能量管理控制器分别连接的太阳能装置、市电装置；太阳能装置的太阳能电池板设置在充电站外顶部。
在上述的巡检机器人智能续航无线充电***中，在巡检线路上设置充电站的数量依巡检机器人的能耗确定，且每隔相等距离设置一个充电站。
在上述的巡检机器人智能续航无线充电***中，机器人储能模块包括电路控制开关分别连接的超级电容组合电路和锂电池组。
巡检机器人智能续航无线充电***的充电方法，包括以下步骤：
步骤1、巡检机器人到达充电站内部，任一侧霍尔器件检测电路发出的电信号强度超过设定值X，则控制充电站开启；当巡检机器人行进至功率接收线圈与功率发射线圈对齐时，两侧霍尔器件检测电路发出的电信号强度相等，通过发射端通信线圈与接收端通信线圈的交互，控制巡检机器人停止巡检，开始充电；
步骤2、完成充电后，通过接收端通信线圈向发射端通信线圈发出信号，控制充电站关闭，巡检机器人继续巡检。
本发明的有益效果是：可实现巡检机器人在充电时无需离开巡检线路，充电后自动续航。使用便捷、运行稳定可靠、充电效率高，维护成本低、安全高效。
附图说明
图1是本发明一个实施例的整体功能示意图；
图2是本发明一个实施例的工作流程示意图；
图3是本发明一个实施例光电互补供电模块结构示意图；
图4是本发明一个实施例功率发射线圈结构示意图；
其中：1-充电站发射单元，11-光电互补供电模块，12-功率控制电路，13-功率震荡模块，14-霍尔器件检测电路，15-发射端LCL补偿电路，16-发射端通信线圈，17-功率发射线圈；2-机器人接收单元，21-功率接收线圈，23-信息监测与调制单元，24-整流稳压模块，25-接收端通信线圈，26-机器人储能模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的可应用性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“相连”“连接"应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于相关领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本实施例采用如下技术方案，巡检机器人智能续航无线充电***，包括巡检线路，巡检机器人，以及巡检线路上设置至少一个充电站；充电站上设置有充电发射单元，巡检机器人上设置有机器人接收单元；充电站发射单元包括光电互补供电模块，功率控制电路，功率震荡模块，霍尔器件检测电路，发射端LCL补偿电路，发射端通信线圈和功率发射线圈；机器人接收单元包括功率接收线圈，接收端LCL补偿电路，信息监测与调制单元，整流稳压模块，接收端通信线圈和机器人储能模块；光电互补供电模块连接功率震荡模块，功率震荡模块分别连接功率控制电路和功率发射线圈，发射端LCL补偿电路与功率发射线圈连接，功率发射线圈连接霍尔器件检测电路，霍尔器件检测电路分别连接功率控制电路和发射端通信线圈；功率接收线圈分别连接接收端LCL补偿电路和整流稳压模块，机器人储能模块分别连接整流稳压模块和信息监测与调制单元，信息监测与调制单元连接接收端通信线圈；发射端通信线圈与接收端通信线圈无线通信连接，功率发射线圈与功率接收线圈之间进行能量传递；功率发射线圈包括多个平面式渐开线圈平行重叠排列的矩阵；功率接收线圈采用平面式结构。
进一步，功率发射线圈置于充电站内顶部，功率发射线圈包括三个平面式渐开线圈平行排列成线圈矩阵，且每两个平面式渐开线圈在磁场较弱处重叠；每个平面式渐开线圈沿直线螺旋形展开；线圈矩阵采用多股漆包线绕制，且平铺在铁氧体平板上，同时采用密封胶进行防水浇筑密封。
进一步，功率接收线圈置于巡检机器人头顶，其大小与功率发射线圈的外轮廓相等，采用分布式铁氧体磁芯。
进一步，光电互补供电模块包括能量管理控制器分别连接的太阳能装置、市电装置；太阳能装置的太阳能电池板设置在充电站外顶部。
进一步，在巡检线路上设置充电站的数量依巡检机器人的能耗确定，且每隔相等距离设置一个充电站。
更进一步，机器人储能模块包括电路控制开关分别连接的超级电容组合电路和锂电池组。
巡检机器人智能续航无线充电***的充电方法，包括以下步骤：
步骤1、巡检机器人到达充电站内部，任一侧霍尔器件检测电路发出的电信号强度超过设定值X，则控制充电站开启；当巡检机器人行进至功率接收线圈与功率发射线圈对齐时，两侧霍尔器件检测电路发出的电信号强度相等，通过发射端通信线圈与接收端通信线圈的交互，控制巡检机器人停止巡检，开始充电；
步骤2、完成充电后，通过接收端通信线圈向发射端通信线圈发出信号，控制充电站关闭，巡检机器人继续巡检。
具体实施时，如图1所示，充电站发射单元1包括光电互补供电模块11，功率控制电路12，功率震荡模块13，霍尔器件检测电路14，发射端LCL补偿电路15，发射端通信线圈16，功率发射线圈17。机器人接收单元2包括：功率接收线圈21，接收端LCL补偿电路22，信息监测与调制单元23，整流稳压模块24，接收端通信线圈25，机器人储能模块26。
光电互补供电模块11采用太阳能和市电装置组合供电的方式为功率震荡模块13提供充电电压；功率控制电路12控制功率震荡模块13的通断；功率震荡模块13将从光电互补供电模块11输入的功率震荡为高频震荡电路；霍尔器件检测电路14位于巡检线路上且位于功率发射线圈两端，并与功率控制电路12和发射端通信线圈16相连，通过判断功率发射线圈两端霍尔器件检测电路发出的电信号强度，控制充电站的开启时间以及机器人的停机时间；发射端LCL补偿电路15与功率发射线圈17相连，以提高品质因数，减少频率漂移；发射端通信线圈16与接收端通信线圈25配合实现信息交互；功率发射线圈17发射功率震荡模块13震荡出的高频震荡电路，功率发射线圈17包括三个平面式渐开线圈平行排列成线圈矩阵，且每两个平面式渐开线圈在磁场较弱处重叠；每个平面式渐开线圈沿直线螺旋形展开；线圈矩阵采用多股漆包线绕制，且平铺在铁氧体平板上，同时采用密封胶进行防水浇筑密封。功率接收线圈21接收功率发射线圈17所发射的能量，功率接收线圈21设计为平面式，且大小与组合型发射线圈的外轮廓相等，采用分布式铁氧体磁芯；接收端LCL补偿电路22与功率接收线圈21相连，以提高品质因数，减少频率漂移；信息监测与调制单元23检测机器人储能电池26实时电压和电流信息，并将信息通过接收端通信线圈25发射出去；整流稳压模块24将接收的能量整流稳压成恒定的直流电，向机器人储能模块26供电；接收端通信线圈25实现与发射端通信线圈16的信息交换；机器人储能模块26采用超级电容组合电路供能，以提高充电速度和使用寿命，同时使用锂电池组作为备用电池，两者之间连有控制开关。
如图2所示，本实施例巡检机器人智能续航无线充电***的充电方法如下，当机器人巡检至充电站内部，功率发射线圈17两侧任一霍尔器件检测电路14检测到的磁感应强度超过某一值，即某一霍尔器件检测电路14发出的电信号强度超过某一设定值X，此时控制充电站开启；当功率接收线圈21与功率发射线圈17对齐时，两侧霍尔器件检测电路14发出的电信号强度相等，此时通过发射端通信线圈16与接收端通信线圈25的交互，控制巡检机器人停止巡检，开始充电。
充电完成后，巡检机器人通过接收端通信线圈25向发射端通信线圈16发出信号，控制充电站关闭，同时巡检机器人继续巡检。
而且，充电站设置于巡检线路上，且每隔相同距离设置一个，充电站的设置数量根据机器人能耗确定。
而且，光电互补供电模块11采用太阳能和市电装置组合供电的方式为功率震荡模块13提供充电电压，如图3所示，其中太阳能电池板位于充电站外顶部，且始终为充电站供电。当太阳能供电量不足时，市电装置为充电站供电；当机器人无需充电或太阳能供电量有富余时，通过模块内部的能量管理控制器将电能反馈至市电装置。
而且，功率发射线圈17位于充电站内顶部，如图4所示，采用平面式渐开线圈作为一个发射单元，且沿直线螺旋形展开；由三个平面式渐开线圈平行排列构成线圈矩阵，且每两个线圈在磁场较弱处重叠，以提高磁场均匀度，从而进一步提高充电效率和充电功率；即发射线圈矩阵包含3个独立线圈。线圈矩阵由多股漆包线绕制而成，以加强线路间绝缘；线圈矩阵平铺在铁氧体平板上，同时采用密封胶进行防水浇筑密封，以加强充电过程的稳定性，同时达到适应恶劣天气的目的。功率接收线圈2设计为平面式，置于机器人头顶，且大小与线圈矩阵的外轮廓相等，采用分布式铁氧体磁芯，以达到充分利用磁场的目的。
而且，霍尔器件检测电路14位于发射线圈两端，并与功率控制电路12和发射端通信线圈16相连。
而且，机器人储能模块26采用超级电容组合电路供能，以提高充电速度和使用寿命，同时减少由于使用锂电池而造成的环境污染；采用锂电池组作为备用电池，在紧急情况下为机器人供电，且两者之间连有电路控制开关，实现自动切换。
而且，功率发射线圈17与功率接收线圈21分别连接有发射端LCL补偿电路，接收端LCL补偿电路；以提高品质因数，减少频率漂移。
综上所述，本实施例采用太阳能和市电装置组合供电的方式对机器人供电，实现机器人的智能续航和供能装置的方便高效；在巡检线路上每隔相等距离设置一个小型充电站，并在充电站内顶部设置有功率发射线圈，功率发射线圈包括三个平面式渐开线圈平行排列成线圈矩阵，且每两个平面式渐开线圈在磁场较弱处重叠；每个平面式渐开线圈沿直线螺旋形展开；线圈矩阵采用多股漆包线绕制，且平铺在铁氧体平板上，同时采用密封胶进行防水浇筑密封。功率发射线圈两端设置有霍尔器件检测电路，通过判断两霍尔器件检测电路发出的电信号强度，控制充电站的开启时间以及机器人的停机时间；功率接收线圈设计为平面式，且大小与功率发射线圈的外轮廓相等，采用分布式铁氧体磁芯，并置于机器人头顶；机器人储能模块采用超级电容组合电路供能，以提高充电速度和使用寿命，同时使用锂电池组作为备用电池，两者之间连有控制开关；补偿结构采用新型LCL拓扑结构，功率发射线圈和功率接收线圈分别连接有发射端LCL补偿电路、接收端LCL补偿电路，以提高品质因数，减少频率漂移。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (7)
1.巡检机器人智能续航无线充电***，包括巡检线路，巡检机器人，以及巡检线路上设置至少一个充电站；充电站上设置有充电发射单元，巡检机器人上设置有机器人接收单元；充电站发射单元包括光电互补供电模块，功率控制电路，功率震荡模块，霍尔器件检测电路，发射端LCL补偿电路，发射端通信线圈和功率发射线圈；机器人接收单元包括功率接收线圈，接收端LCL补偿电路，信息监测与调制单元，整流稳压模块，接收端通信线圈和机器人储能模块；光电互补供电模块连接功率震荡模块，功率震荡模块分别连接功率控制电路和功率发射线圈，发射端LCL补偿电路与功率发射线圈连接，功率发射线圈连接霍尔器件检测电路，霍尔器件检测电路分别连接功率控制电路和发射端通信线圈；功率接收线圈分别连接接收端LCL补偿电路和整流稳压模块，机器人储能模块分别连接整流稳压模块和信息监测与调制单元，信息监测与调制单元连接接收端通信线圈；发射端通信线圈与接收端通信线圈无线通信连接，功率发射线圈与功率接收线圈之间进行能量传递；其特征在于，功率发射线圈包括多个平面式渐开线圈平行重叠排列的矩阵；功率接收线圈采用平面式结构。
2.如权利要求1所述的巡检机器人智能续航无线充电***，其特征在于，功率发射线圈置于充电站内顶部，功率发射线圈包括三个平面式渐开线圈平行排列成线圈矩阵，且每两个平面式渐开线圈在磁场较弱处重叠；每个平面式渐开线圈沿直线螺旋形展开；线圈矩阵采用多股漆包线绕制，且平铺在铁氧体平板上，同时采用密封胶进行防水浇筑密封。
3.如权利要求2所述的巡检机器人智能续航无线充电***，其特征在于，功率接收线圈置于巡检机器人头顶，其大小与功率发射线圈的外轮廓相等，采用分布式铁氧体磁芯。
4.如权利要求1所述的巡检机器人智能续航无线充电***，其特征在于，光电互补供电模块包括能量管理控制器分别连接的太阳能装置、市电装置；太阳能装置的太阳能电池板设置在充电站外顶部。
5.如权利要求1所述的巡检机器人智能续航无线充电***，其特征在于，在巡检线路上设置充电站的数量依巡检机器人的能耗确定，且每隔相等距离设置一个充电站。
6.如权利要求1所述的巡检机器人智能续航无线充电***，其特征在于，机器人储能模块包括电路控制开关分别连接的超级电容组合电路和锂电池组。
7.利用权利要求1所述的巡检机器人智能续航无线充电***的充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、巡检机器人到达充电站内部，任一侧霍尔器件检测电路发出的电信号强度超过设定值X，则控制充电站开启；当巡检机器人行进至功率接收线圈与功率发射线圈对齐时，两侧霍尔器件检测电路发出的电信号强度相等，通过发射端通信线圈与接收端通信线圈的交互，控制巡检机器人停止巡检，开始充电；
步骤2、完成充电后，通过接收端通信线圈向发射端通信线圈发出信号，控制充电站关闭，巡检机器人继续巡检。
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