CN105186641A - 管道机器人无线充电系统 - Google Patents

Abstract

一种管道机器人无线充电系统，该系统包括无线充电器装置和管道机器人无线充电接收装置；安装于管道外部的无线充电器装置中，变频充电模块分别与初级线圈和电源模块连接，充电通讯定位及控制模块分别与变频充电模块和电源模块连接；安装于管道机器人内部的管道机器人无线充电接收装置中，整流降压模块连接机载电池模块，接收通讯定位及控制模块分别与整流降压模块和机载电池模块相连。本发明所要解决的技术问题是提供一种管道机器人无线充电系统，可以解决管道机器人电能持续供应问题，能够实现无线充电，确保管道机器人有充足的电量持续进行管道作业，大大提高管道机器人持续作业时间和范围，保证其密闭性、安全性和高效实用性。

Description

管道机器人无线充电系统

技术领域

本发明涉及涉及机器人无线充电领域，尤其是一种管道机器人无线充电系统。

背景技术

管道机器人用于大型管道工程的检测、清理、维护等，管道机器人理想的动力供应是机载蓄电池，但由于管道的密封性和尺寸特征所限，导致管道机器人机载蓄电池容量有限，导致管道机器人存在持续作业时间短、应用范围有限、工作效率低下等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种管道机器人无线充电系统，可以解决解决管道机器人电能持续供应问题，能够实现无线充电，确保管道机器人有充足的电量持续进行管道作业，大大提高管道机器人持续作业时间和范围，保证其密闭性、安全性和高效实用性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种管道机器人无线充电系统，

该系统包括用于电能的转换和传输的无线充电器装置和通过无线充电器装置对管道机器人进行无线充电的管道机器人无线充电接收装置；

安装于管道外部的无线充电器装置中，变频充电模块分别与初级线圈和电源模块连接，充电通讯定位及控制模块分别与变频充电模块和电源模块连接；

安装于管道机器人内部的管道机器人无线充电接收装置中，次级线圈与整流降压模块相连，整流降压模块连接机载电池模块，接收通讯定位及控制模块分别与整流降压模块和机载电池模块相连；

无线充电器装置中的充电通讯定位及控制模块与管道机器人无线充电接收装置中的接收通讯定位及控制模块之间实现通过无线移动通讯，准确定位无线充电器装置的位置。

当电源模块为交流电源时，无线充电器装置的变频充电模块由整流电路a、稳压滤波电路b及逆变电路c组成；

电压输入端一端与整流电路a中整流桥臂D2与整流桥臂D3相连，电压输入端另一端与整流桥臂D1与整流桥臂D4相连；整流桥臂D1与整流桥臂D3与稳压滤波电路b中的电容C1、电容C2和电阻R2、电阻R3相连；稳压滤波电路b中的电阻R1、二极管D分别与逆变电路c中的逆变桥臂T1与逆变桥臂T4相连；逆变电路c中的逆变桥臂T2与逆变桥臂T3与电压输出端相连；

逆变电路c的四个IGBT器件的门极G1、门极G2、门极G3、门极G4分别与充电通讯定位及控制模块中第一PWM驱动芯片连接。

当电源模块为直流电源时，变频充电模块由逆变电路c组成；

电压输入端正极与逆变电路c中的逆变桥臂T1与逆变桥臂T2相连，电压输入端负极与逆变电路c中的逆变桥臂T3与逆变桥臂T4相连，四个绝缘门极双极性晶体管IGBT的门极G1、门极G2、门极G3、门极G4分别与充电通讯定位及控制模块中第一PWM驱动芯片连接。

充电通讯定位及控制模块中，第一PWM驱动芯片与第一CPU模块、第一通讯模块相连。

管道机器人无线充电接收装置的整流降压模块的整流降压模块由整流电路d、稳压电路e、降压电路f、滤波电路g、稳压电路h组成；

整流电路d由整流桥QZ组成，稳压电路e由压二级管VS1组成，稳压电路h由稳压二级管VS2组成，降压电路f由全控型开关管T5、续流二极管D5和电感L组成，滤波电路g由电容C3、电容C4和电阻R4组成；

所述整流桥QZ输入端与次级线圈相连；稳压二级管VS1阴极N与整流桥QZ的正极输出端相连，稳压二级管VS1阳极P与整流桥QZ的负极输出端相连；续流二极管D5阳极与机载电池7负极输出端相连，全控型开关管T5的门极G5端由接收通讯定位及控制模块的第二PWM驱动芯片驱动，全控型开关管T5的C端与整流桥QZ的正极输出端相连，全控型开关管T5的E端与电感L、续流二极管D5阴极相连，电感L与电阻R4相连，电阻R4两端与电容C3、电容C4相连，稳压二级管VS2阴极N与电阻R4相连，稳压二级管VS2阳极P与整流桥QZ的负极输出端相连。

机载电池模块由机载锂电池与电池监测芯片组成，由电池监测芯片完成对电池当前状态的监测，包括当前电池的充、放电状态、电压、电流、温度和剩余电量等参数的监测，同时还能自动采集这些数据，并将其放在储存器中，电池监测芯片的数据输出端与接收通讯定位及控制模块中的第二CPU模块的数据输入端连接。

电池监测芯片的各引脚分别连接有电阻R5、电阻R6、电阻7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、场效应管F1及场效应管F2。

接收通讯定位及控制模块中，第二PWM驱动芯片分别与第二CPU模块、第二通讯模块相连。

本发明提供的管道机器人无线充电系统，由电源模块提供电能，充电通讯定位及控制模中的第一CPU模块通过第一PWM驱动芯片驱动变频充电模块动作，变频充电模块将电源电压经过频率变换后，经初级线圈发射高频电磁信号，该高频电磁信号穿过管道壁或管道壁预留窗口到达管道机器人内的次级线圈，完成电能的无线传输；再由次级线圈接收电磁信号并转换为交流电压,整流降压模块将高频交流电压整流滤波成直流电压，对管道机器人机载电池模块充电，管道机器人在完成充电后继续进行管道作业，可以解决解决管道机器人电能持续供应问题，能够实现无线充电，确保管道机器人有充足的电量持续进行管道作业，大大提高管道机器人持续作业时间和范围，保证其密闭性、安全性和高效实用性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明无线充电器装置的电路原理图；

图3为本发明管道机器人无线充电接收装置的电路原理图；

图4为本发明管道机器人无线充电接收装置中机载电池模块与接收通讯定位及控制模块示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种管道机器人无线充电系统，

该系统包括用于电能的转换和传输的无线充电器装置和通过无线充电器装置对管道机器人进行无线充电的管道机器人无线充电接收装置；

安装于管道外部的无线充电器装置中，变频充电模块3分别与初级线圈4和电源模块2连接，充电通讯定位及控制模块1分别与变频充电模块3和电源模块2连接；

安装于管道机器人内部的管道机器人无线充电接收装置中，次级线圈5与整流降压模块6相连，整流降压模块6连接机载电池模块7，接收通讯定位及控制模块8分别与整流降压模块6和机载电池模块7相连；

无线充电器装置中的充电通讯定位及控制模块1与管道机器人无线充电接收装置中的接收通讯定位及控制模块8之间实现通过无线移动通讯，准确定位无线充电器装置的位置。

如图2所示，当电源模块2为交流电源时，无线充电器装置的变频充电模块3由整流电路a、稳压滤波电路b及逆变电路c组成；

电压输入端一端与整流电路a中整流桥臂D2与整流桥臂D3相连，电压输入端另一端与整流桥臂D1与整流桥臂D4相连；整流桥臂D1与整流桥臂D3与稳压滤波电路b中的电容C1、电容C2和电阻R2、电阻R3相连；稳压滤波电路b中的电阻R1、二极管D分别与逆变电路c中的逆变桥臂T1与逆变桥臂T4相连；逆变电路c中的逆变桥臂T2与逆变桥臂T3与电压输出端相连；

逆变电路c的四个IGBT器件的门极G1、门极G2、门极G3、门极G4分别与充电通讯定位及控制模块1中第一PWM驱动芯片9型号为HCPL-316J，生产厂家为AVAGO公司连接。

当电源模块2为直流电源时，变频充电模块由逆变电路c组成；

电压输入端正极与逆变电路c中的逆变桥臂T1与逆变桥臂T2相连，电压输入端负极与逆变电路c中的逆变桥臂T3与逆变桥臂T4相连，四个绝缘门极双极性晶体管IGBT的门极G1、门极G2、门极G3、门极G4分别与充电通讯定位及控制模块1中第一PWM驱动芯片9连接。

本发明无线充电器装置的工作原理为：电源模块2提供电能，充电通讯定位及控制模块1中的第一CPU模块10通过第一PWM驱动芯片9驱动变频充电模块3动作，变频充电模块3将电源电压经过频率变换后，经初级线圈4发射高频电磁信号，该高频电磁信号穿过管道壁或管道壁预留窗口到达无线充电的管道机器人无线充电接收装置的次级线圈5部分，完成电能的无线传输。

无线充电的管道机器人无线充电接收装置的工作原理为：无线充电的管道机器人无线充电接收装置安装于管道机器人内部，由次级线圈5、整流降压模块6、机载电池模块7、接收通讯定位及控制模块8这四个模块组成。次级线圈5与整流降压模块6相连，整流降压模块6连接机载电池模块7，接收通讯定位及控制模块8分别与整流降压模块6、机载电池模块7相连。接收通讯定位及控制模块8由北斗卫星导航系统构成，实现机器人与无线充电装置的实时定位与通讯；机载电池模块7由电池监测芯片13和锂电池组组成，实时监测电池电量。

如图3所示，管道机器人无线充电接收装置的整流降压模块6的整流降压模块6由整流电路d、稳压电路e、降压电路f、滤波电路g、稳压电路h组成；

整流电路d由整流桥QZ组成，稳压电路e由压二级管VS1组成，稳压电路h由稳压二级管VS2组成，降压电路f由全控型开关管T5、续流二极管D5和电感L组成，滤波电路g由电容C3、电容C4和电阻R4组成；

所述整流桥QZ输入端与次级线圈5相连；稳压二级管VS1阴极N与整流桥QZ的正极输出端相连，稳压二级管VS1阳极P与整流桥QZ的负极输出端相连；续流二极管D5阳极与机载电池7负极输出端相连，全控型开关管T5的门极G5端由接收通讯定位及控制模块8的第二PWM驱动芯片12驱动，全控型开关管T5的C端与整流桥QZ的正极输出端相连，全控型开关管T5的E端与电感L、续流二极管D5阴极相连，电感L与电阻R4相连，电阻R4两端与电容C3、电容C4相连，稳压二级管VS2阴极N与电阻R4相连，稳压二级管VS2阳极P与整流桥QZ的负极输出端相连。

次级线圈5接收的高频交流电经整流、稳压、降压、滤波、稳压输出稳定的直流低电压。

无线充电的管道机器人无线充电接收装置工作过程为：无线充电器部分将电能转换为高频无线电磁信号发射，由次级线圈5接收电磁信号并转换为交流电压,整流降压模块6将高频交流电压整流滤波成直流电压，对管道机器人机载电池模块7充电，管道机器人在完成充电后继续进行管道作业。

如图4所示，机载锂电池与电池监测芯片DS2762构成机载电池模块7。电池监测芯片DS2762主要完成对电池当前状态的监测，包括当前电池的充、放电状态、电压、电流、温度和剩余电量等参数的监测，同时还能自动采集这些数据，并将其放在储存器中。

第二PWM驱动芯片HCPL-316J、第二CPU模块15与第二通讯模块16构成接收通讯定位及控制模块8，第二CPU模块15在电池监测芯片DS2762完成采样后，读取寄存器的内容。DQ为电池监测芯片DS2762输出端子，接收通讯定位及控制模块8的第二CPU模块15通过I/O接口连接至电池监测芯片DS2762的DQ端子，读取电池监测芯片DS2762的电量。接收通讯定位及控制模块8检测充电电池的电量，当检测到电池的电量低于设定值时，管道机器人自动搜寻安装于管道外部的无线充电器装置进行充电，在充电完成后继续进行管道作业。

无线充电器装置和管道机器人无线充电接收装置通过线圈间的电磁感应现象传输电能，构成管道机器人无线充电系统。

无线充电器装置的电源模块2提高系统供电电能，根据具体条件可以是交流或直流电源；充电通讯定位及控制模块1中的第一CPU模块10通过第一PWM驱动芯片9向变频充电模块3发出PWM控制信号，变频充电模块3将电源电压经过变换后输出高频交流电压，并经初级线圈4产生高频电磁场，发射电磁信号，由管道机器人无线充电接收装置的次级线圈5接收，再经整流降压模块6转换成稳定的直流电压输出，对机载电池模块7充电，在充电完成后，管道机器人脱离充电器继续进行管道作业。接收通讯定位及控制模块8与无线充电器装置的充电通讯定位及控制模块1之间实现无线移动通讯，根据自身及前方无线充电器的位置信息，检测计算机载电池组的电量，在机载电池组电量低于设定值时，管道机器人自动搜寻前方无线充电装置，到达其安装位置后自动进行对接和充电。在充电过程，管道机器人无线充电接收装置中的接收通讯定位及控制模块8对机载电池状态及充电电流进行持续监控，确保其处于正常状态，待完成充电后，发送停止充电指令，无线充电器装置和管道机器人无线充电接收装置停止充电操作，管道机器人进入正常作业状态。

上述实施例所用各模块的型号及生产厂家如下表所示：

上述为本专利实施例，本发明保护范围并不局限于此，凡运用到本专利权利要求、说明书及附图内容等效变化，均包含于本专利的权利及保护范围。

Claims (8)

1.一种管道机器人无线充电系统，其特征在于：

该系统包括用于电能的转换和传输的无线充电器装置和通过无线充电器装置对管道机器人进行无线充电的管道机器人无线充电接收装置；

安装于管道外部的无线充电器装置中，变频充电模块（3）分别与初级线圈（4）和电源模块（2）连接，充电通讯定位及控制模块（1）分别与变频充电模块（3）和电源模块（2）连接；

安装于管道机器人内部的管道机器人无线充电接收装置中，次级线圈（5）与整流降压模块（6）相连，整流降压模块（6）连接机载电池模块（7），接收通讯定位及控制模块（8）分别与整流降压模块（6）和机载电池模块（7）相连；

无线充电器装置中的充电通讯定位及控制模块（1）与管道机器人无线充电接收装置中的接收通讯定位及控制模块（8）之间实现通过无线移动通讯，准确定位无线充电器装置的位置。

2.根据权利要求1所述的管道机器人无线充电系统，其特征在于：

当电源模块（2）为交流电源时，无线充电器装置的变频充电模块（3）由整流电路a、稳压滤波电路b及逆变电路c组成；

电压输入端一端与整流电路a中整流桥臂D2与整流桥臂D3相连，电压输入端另一端与整流桥臂D1与整流桥臂D4相连；整流桥臂D1与整流桥臂D3与稳压滤波电路b中的电容C1、电容C2和电阻R2、电阻R3相连；稳压滤波电路b中的电阻R1、二极管D分别与逆变电路c中的逆变桥臂T1与逆变桥臂T4相连；逆变电路c中的逆变桥臂T2与逆变桥臂T3与电压输出端相连；

逆变电路c的四个IGBT器件的门极G1、门极G2、门极G3、门极G4分别与充电通讯定位及控制模块（1）中第一PWM驱动芯片（9）连接。

3.根据权利要求1所述的管道机器人无线充电系统，其特征在于：当电源模块（2）为直流电源时，变频充电模块由逆变电路c组成；

电压输入端正极与逆变电路c中的逆变桥臂T1与逆变桥臂T2相连，电压输入端负极与逆变电路c中的逆变桥臂T3与逆变桥臂T4相连，四个绝缘门极双极性晶体管IGBT的门极G1、门极G2、门极G3、门极G4分别与充电通讯定位及控制模块（1）中第一PWM驱动芯片（9）连接。

4.根据权利要求1所述的管道机器人无线充电系统，其特征在于：充电通讯定位及控制模块（1）中，第一PWM驱动芯片（9）与第一CPU模块（10）、第一通讯模块（11）相连。

5.根据权利要求1所述的管道机器人无线充电系统，其特征在于：管道机器人无线充电接收装置的整流降压模块（6）的整流降压模块（6）由整流电路d、稳压电路e、降压电路f、滤波电路g、稳压电路h组成；

整流电路d由整流桥QZ组成，稳压电路e由压二级管VS1组成，稳压电路h由稳压二级管VS2组成，降压电路f由全控型开关管T5、续流二极管D5和电感L组成，滤波电路g由电容C3、电容C4和电阻R4组成；

所述整流桥QZ输入端与次级线圈（5）相连；稳压二级管VS1阴极N与整流桥QZ的正极输出端相连，稳压二级管VS1阳极P与整流桥QZ的负极输出端相连；续流二极管D5阳极与机载电池7负极输出端相连，全控型开关管T5的门极G5端由接收通讯定位及控制模块（8）的第二PWM驱动芯片（12）驱动，全控型开关管T5的C端与整流桥QZ的正极输出端相连，全控型开关管T5的E端与电感L、续流二极管D5阴极相连，电感L与电阻R4相连，电阻R4两端与电容C3、电容C4相连，稳压二级管VS2阴极N与电阻R4相连，稳压二级管VS2阳极P与整流桥QZ的负极输出端相连。

6.根据权利要求1所述的管道机器人无线充电系统，其特征在于：机载电池模块（7）由机载锂电池（14）与电池监测芯片（13）组成，由电池监测芯片（13）完成对电池当前状态的监测，包括当前电池的充、放电状态、电压、电流、温度和剩余电量等参数的监测，同时还能自动采集这些数据，并将其放在储存器中，电池监测芯片（13）的数据输出端与接收通讯定位及控制模块（8）中的第二CPU模块（15）的数据输入端连接。

7.根据权利要求6所述的管道机器人无线充电系统，其特征在于：电池监测芯片（13）的各引脚分别连接有电阻R5、电阻R6、电阻7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、场效应管F1及场效应管F2。

8.根据权利要求1所述的管道机器人无线充电系统，其特征在于：接收通讯定位及控制模块（8）中，第二PWM驱动芯片（12）分别与第二CPU模块（15）、第二通讯模块（16）相连。