CN106611985A - 基于无尾服务机器人的无线充电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种基于无尾服务机器人的无线充电系统，包括能量发射端和能量接收端；所述能量发射端包括直流电源、高频激励装置和平板磁心，直流电源、高频激励装置和平板磁心依次电性连接；所述能量接收端包括接收装置、定位装置、服务机器人和控制器，接收装置、定位装置、服务机器人和控制器依次电性连接，本发明的特点是可实现能量传递不具有敏感的方向性，传输距离较远，可穿越非磁性物质传输能量，同时具有体积小，充电能力强，效率高；就安全性而言，磁场耦合谐振更为安全可靠，既避免了充电时对周围其他电器造成影响，又不会对人体造成危害。

Description

基于无尾服务机器人的无线充电系统

技术领域

本发明涉及无线充电技术领域，尤其涉及一种基于无尾服务机器人的无线充电系统。

背景技术

在无线能量传输领域，从能量传输机制方面来说，主要分为以下三类：

第一类是电磁辐射式无线能量传输技术，又称远场无线传输技术。该技术像射频传递信号一样直接利用电磁波进行能量传输，目前常用的有微波能量传输技术和激光能量传输技术。该类技术能够在数千米范围内传输好几个kw的功率，但是传输效率和传输方向性存在矛盾关系：若采用多方向传输模式，则传输效率很低；若采用单一方向传输模式，则传输路径中不能有障碍物。另外，微波和激光在空气中的辐射损耗很大，对人体和其他生物会产生不利影响。

第二类是非辐射电磁感应式无线能量传输技术，属于近场无线传输技术，其理论依据是电磁感应定律。该技术基于传统的变压器原理，将变压器的两侧进行分离，一次侧能量通过气隙或其他的介质感应耦合到二次侧。这种技术可以在磁场传递通路中加入高导磁材料来实现大功率、高效率能量传输，但是能量传输距离有限，一般为1mm-20cm，且变压器的两侧位置相对固定。

第三类是非辐射电磁共振式无线能量传输技术，亦属于近场无线传输技术，根据传输媒介的不同，可以分为磁共振无线能量传输技术和电场共振无线能量传输技术。该类技术利用具有相同谐振频率的谐振体，在相隔一定距离处，以磁场或电场为媒介相互耦合，产生共振，实现能量的传递，其特点是不具有明显的方向性，可以穿透非磁性物质，传输功率适中，传输距离远，效率高，且磁共振式无线能量传输技术以磁场为媒介，对人体和周围环境的影响较小，安全可靠。是现阶段无线供电领域首选的能量传输技术。

现有技术中尚未报道关于针对服务机器人的无线充电系统。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种具有传输距离远、供电效率高等优点的服务机器人内部无线充电系统。

本发明的技术方案为：

一种基于无尾服务机器人的无线充电系统，包括能量发射端和能量接收端；

所述能量发射端包括直流电源、高频激励装置和平板磁心，直流电源、高频激励装置和平板磁心依次电性连接；

所述能量接收端包括接收装置、定位装置、服务机器人和控制器，接收装置、定位装置、服务机器人和控制器依次电性连接；

所述高频激励装置、平板磁心、接收装置构成无线能量传输电路，所述无线能量传输电路包括高频激励装置设有的正弦激励源和电源内阻、平板磁心设有的磁心线圈电感、第一电感等效串联电阻和第一谐振电容、接收装置设有的接收线圈电感、第二电感等效串联电阻、等效负载电阻和第二谐振电容；

所述无线能量传输电路的连接方式为：所述正弦激励源第一端连接电源内阻第一端，电源内阻第二端连接第一电感等效串联电阻第一端，第一电感等效串联电阻第二端连接磁心线圈电感第一端，磁心线圈电感第二端连接第一谐振电容第一端，第一谐振电容第二端连接正弦激励源第二端；所述接收线圈电感第一端连接第二等效串联电阻第一端，第二等效串联电阻第二端连接等效负载电阻第一端，等效负载电阻第二端连接第二谐振电容第一端，第二谐振电容第二端连接接收线圈电感第二端。

所述直流电源、高频激励装置和平板磁心采用一体封装，节省空间且防止连接线过长损耗电能。

所述接收装置与定位装置配合设置，其作用是保证接收位置的最优化，所述接收装置和定位装置内嵌在服务机器人底部，机器人的结构更加紧凑。

所述接收装置和定位装置之间还设有锂电池用于提供电量给定位装置，且在定位装置外部设有电量监测灯用于显示电量大小。

所述直流电源采用蓄电池、锂电池、交流直流变换器中的一种。

本发明的工作原理：

采用变压器工作原理，即：能量发射端以直流作为功率输入，高频信号经功率放大后形成高频激励源，使与之直接相连接的源线圈产生谐振，并在源线圈周围形成交变磁场。发射线圈感应源线圈的交变磁场，进而与之形成共振，形成更强大的交变磁场。这样，能量通过原线圈传送到发射线圈，再由发射线圈传递出去。能量接收端包含两个线圈，分别为接收线圈和负载线圈，其中负载线圈直接与用电负载相连接。接收线圈接收到发射线圈传递的能量，再传送给负载线圈。负载线圈后接能量变换电路，使高频功率转换成直流功率，可直接供后面的用电负载使用或者存储。

由以往无线传输技术的研究现状可知，耦合系数、品质因数、负载大小直接影响无线产品的功率传输效率、传输距离远近等问题。本发明能量发射端采用平板磁心结构，提高了系统整体耦合系数，降低了系统工作频率，提高了能量的传输距离，同时具有磁屏蔽作用，减少了无线装置对周围其他产品的影响。能量接收端采用无磁心线圈结构，不仅减少了系统体积和重量，同时提高了系统的可靠性和实用性。针对无线能量传输过程中由于发射装置和接收装置不对称，空间错位导致充电效率低的问题，本发明采用能量发射装置大，接收装置小，且在两装置上分别装有无线定位装置。该无线定位装置在能量接收端由电池供电，在发射端由电源供电，整个的定位过程如下：发射端固定在某一位置，移动服务机器人，当发射端的定位信号灯点亮时，此机器人接收端和发射端中心大致重合，充电效率达到最大值。

本发明的有益效果为：本发明的特点是可实现能量传递不具有敏感的方向性，传输距离较远，可穿越非磁性物质传输能量，同时具有体积小，充电能力强，效率高；就安全性而言，磁场耦合谐振更为安全可靠，既避免了充电时对周围其他电器造成影响，又不会对人体造成危害。

附图说明

图1为本发明所提供的基于无尾服务机器人的无线充电系统的结构示意图。

图2为本发明无线能量传输电路图。

图3为本发明所提供的基于无尾服务机器人的无线充电系统的工作流程图。

图中，1、直流电源；2、高频激励装置；3、平板磁心；4、接收装置；5、定位装置；6、服务机器人；7、控制器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1、2所示，一种基于无尾服务机器人的无线充电系统，包括能量发射端和能量接收端；

所述能量发射端包括直流电源1、高频激励装置2和平板磁心3，直流电源1、高频激励装置2和平板磁心3依次电性连接；

所述能量接收端包括接收装置4、定位装置5、服务机器人6和控制器7，接收装置4、定位装置5、服务机器人6和控制器7依次电性连接；

所述高频激励装置2、平板磁心3、接收装置4构成无线能量传输电路，所述无线能量传输电路包括高频激励装置2设有的正弦激励源U_S和电源内阻R_S、平板磁心3设有的磁心线圈电感L₁、第一电感等效串联电阻R₁和第一谐振电容C₁、接收装置4设有的接收线圈电感L₂、第二电感等效串联电阻R₂、等效负载电阻R_L和第二谐振电容C₂；

所述无线能量传输电路的连接方式为：所述正弦激励源U_S第一端连接电源内阻R_S第一端，电源内阻R_S第二端连接第一电感等效串联电阻R₁第一端，第一电感等效串联电阻R₁第二端连接磁心线圈电感L₁第一端，磁心线圈电感L₁第二端连接第一谐振电容C₁第一端，第一谐振电容第C₁二端连接正弦激励源U_S第二端；所述接收线圈电感L₂第一端连接第二等效串联电阻R₂第一端，第二等效串联电阻R₂第二端连接等效负载电阻R_L第一端，等效负载电阻R_L第二端连接第二谐振电容C₂第一端，第二谐振电容C₂第二端连接接收线圈电感L₂第二端。

所述直流电源1、高频激励装置2和平板磁心3采用一体封装，节省空间且防止连接线过长损耗电能。

所述接收装置4与定位装置5配合设置，其作用是保证接收位置的最优化，所述接收装置4和定位装置5内嵌在服务机器人6底部，机器人的结构更加紧凑。

所述接收装置4和定位装置5之间还设有锂电池，用于存储电量。

所述直流电源1采用蓄电池、锂电池、交流直流变换器中的一种。

如图2所示，当发射端和接收端均产生谐振时，接收端功率和能量传输效率分别式1、式2：

其中，

对式(1)求导则可知临界耦合系数则：

由推导结果可知，U₃、R₃、R₁、R₂、L₁、L₂、C₁、C₂、R_L参数值不变时，耦合系数和品质因数决定能量传输的性能。其中效率函数是耦合系数k的单调函数，k越大，能量传输效率越高，但耦合系数k越低对应的传输距离越远。由此可知提高发射端和接收端的品质因数Q1、Q2可以减小最大功率传输点对应的耦合系数，这样可以在较远的距离下仍获得较大的功率，本发明发射端采用平板磁心结构，在一定程度上扩大了传输距离。

为保证充电效率达到最大值，本系统能量发射端和能量接收端中心处设计无线定位系统，在保证能量发射端固定情况下，根据上述公式推导得到的最大距离作为服务机器人充电时的可移动范围，当接收端上的定位信号与发射端定位信号大致吻合时即定位信号灯点亮时，能量发射端的直流电源处于接通状态，此时根据变压器原理产生交变磁场，发生谐振，向接收端提供电能。其工作流程图如图3所示。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种基于无尾服务机器人的无线充电系统，包括能量发射端和能量接收端，其特征在于：

所述能量发射端包括直流电源、高频激励装置和平板磁心，直流电源、高频激励装置和平板磁心依次电性连接；

所述能量接收端包括接收装置、定位装置、服务机器人和控制器，接收装置、定位装置、服务机器人和控制器依次电性连接；

所述高频激励装置、平板磁心、接收装置构成无线能量传输电路，所述无线能量传输电路包括高频激励装置设有的正弦激励源和电源内阻、平板磁心设有的磁心线圈电感、第一电感等效串联电阻和第一谐振电容、接收装置设有的接收线圈电感、第二电感等效串联电阻、等效负载电阻和第二谐振电容；

所述无线能量传输电路的连接方式为：所述正弦激励源第一端连接电源内阻第一端，电源内阻第二端连接第一电感等效串联电阻第一端，第一电感等效串联电阻第二端连接磁心线圈电感第一端，磁心线圈电感第二端连接第一谐振电容第一端，第一谐振电容第二端连接正弦激励源第二端；所述接收线圈电感第一端连接第二等效串联电阻第一端，第二等效串联电阻第二端连接等效负载电阻第一端，等效负载电阻第二端连接第二谐振电容第一端，第二谐振电容第二端连接接收线圈电感第二端。

2.根据权利要求1所述的基于无尾服务机器人的无线充电系统，其特征在于：所述直流电源、高频激励装置和平板磁心采用一体封装。

3.根据权利要求1所述的基于无尾服务机器人的无线充电系统，其特征在于：所述接收装置与定位装置配合设置，所述接收装置和定位装置内嵌在服务机器人底部。

4.根据权利要求1所述的基于无尾服务机器人的无线充电系统，其特征在于：所述接收装置和定位装置之间还设有锂电池，且在所述定位装置外部设有电量监测灯。

5.根据权利要求1所述的基于无尾服务机器人的无线充电系统，其特征在于：所述直流电源采用蓄电池、锂电池、交流直流变换器中的一种。