CN106787233A - 带有无线充电设备的电缆隧道巡检机器人及充电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有无线充电设备的电缆隧道巡检机器人及充电方法，所述的无线充电设备包括发射单元、接收单元和ZigBee通信模块，接收单元安装于电缆隧道巡检机器人上，发射单元中发射线圈为4个设于同一平面的相互串联的等大圆形线圈，各圆形线圈的圆心围成正方形，且各圆形线圈彼此部分交叠；接收单元中的充电电池用来给电缆隧道巡检机器人提供电能；发射单元中的第一控制器和接收单元中的第二控制器通过ZigBee通信模块进行无线连接。本发明充电方法中采用RFID电子标签来实现电缆隧道巡检机器人的精准定位，从而实现双缆索导轨式电缆隧道巡检机器人的快速无线充电。

Description

带有无线充电设备的电缆隧道巡检机器人及充电方法

技术领域

本发明主要涉及射频身份识别技术RFID和无线电能传输技术，具体涉及一种带有无线充电设备的电缆隧道巡检机器人及充电方法。

背景技术

无线供电技术（无线传能）装置不需要用电缆将设备与供电系统连接， 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。

无线传能技术目前主要采用电磁共振耦合技术，电磁共振耦合技术主要由电源、电力输出、电力接收、整流器等主要器件实现。与电磁感应充电方式不同之处在于，磁共振方式加装了一个高频驱动电源，采用兼备线圈和电容器的LC共振电路，而并非由简单线圈构成送电和接收两个单元。共振频率的数值，会随送电与接收单元之间距离的变化而改变。当传送距离发生改变时，传输效率也会像电磁感应一样迅速降低。为此，可通过控制电路调整共振频率，使送电单元和接收单元的电路发生共振。

RFID是一种射频识别技术，接受器通过无线电信号，识别对象和读写数据，其广泛应用于工业制造、商品管理、公共交通管理、安全身份识别等领域。其环境适应能力较强，对工作环境要求低，全天候自动识别，快速响应，可穿透非金属物体，抗干扰、抗冲突能力较强。

在室内外定位系统技术中，中国的北斗双星全球定位技术、欧盟的伽利略全球定位技术、美国的GPS全球定位技术等已得到广泛应用。但在地下电缆隧道中，它们容易受到外界因素的干扰和吸收，导致定位误差很大，甚至不能对目标物体跟踪定位。自上世纪九十年代以来，RFID定位技术得到快速发展，应用RFID定位技术可大大提高管理和运作效率、较低成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用便捷、运行可靠、维护成本低、安全高效的带有无线充电设备的电缆隧道巡检机器人及充电方法。

本发明采用的技术方案是：

一、带有无线充电设备的电缆隧道巡检机器人，所述的无线充电设备包括发射单元、接收单元和ZigBee通信模块，接收单元安装于电缆隧道巡检机器人上，其中：

发射单元进一步包括整流器、高频逆变器、第一补偿电路、发射线圈、第一电流采集模块、第一控制器、PWM驱动器和功率控制模块，整流器、高频逆变器、第一补偿电路、发射线圈依次相连；第一电流采集模块用来采集发射线圈电流，功率控制模块用来控制整流器的输出功率；第一电流采集模块和功率控制模块均连接第一控制器，第一控制器通过PWM驱动器控制高频逆变器；所述的发射线圈为4个设于同一平面的相互串联的等大圆形线圈，各圆形线圈的圆心围成正方形，且各圆形线圈彼此部分交叠；

接收单元进一步包括接收线圈、第二补偿电路、高频整流器、充电电池、第二电流采集模块、电压采集模块、电量管理单元和第二控制器；接收线圈、第二补偿电路、高频整流器、充电电池依次相连，第二电流采集模块和电压采集模块分别用来采集充电电流和充电电压，第二电流采集模块和电压采集模块连接电量管理单元，电量管理单元连接第二控制器；充电电池用来给电缆隧道巡检机器人提供电能；

第一控制器和第二控制器通过ZigBee通信模块进行无线连接。

二、带有无线充电设备的电缆隧道巡检机器人的充电方法，适用于双缆索导轨式电缆隧道巡检机器人，包括：

电缆隧道巡检机器人上安装RFID阅读器，电缆隧道巡检机器人设置工作速度模式和定位速度模式，巡检时采用工作速度模式，定位时采用定位速度模式，定位速度模式下的速度低于工作速度模式下的速度；

根据发射单元所在位置在双缆索导轨设置充电点和预充电区，充点电处设置第二RFID电子标签，预充电区两端分别设置第一RFID电子标签和第三RFID电子标签，第一RFID电子标签和第三RFID电子标签分设于第二RFID电子标签两侧，且与第二RFID电子标签距离相等；

需要充电时，开启RFID阅读器，当RFID阅读器读取到第一RFID电子标签或第三RFID电子标签时，电缆隧道巡检机器人切换到定位速度模式；当RFID阅读器读取到第二RFID电子标签时，电缆隧道巡检机器人停止并开始充电；

充电完成后，电缆隧道巡检机器人在定位速度模式通过预充电区，直至读取到第一RFID电子标签或第三RFID电子标签，电缆隧道巡检机器人切换为工作速度模式，并关闭RFID阅读器。

进一步的，预充电区长度为60cm~80cm。

发射单元中，整流器用来将交流电整流为直流电；功率控制模块为整流器的驱动电路，用来控制整流器的输出功率。高频逆变器在PWM驱动器的驱动下，将直流电转换为高频交流电。高频交流电在第一补偿电路和发生线圈间发生谐振，从而发射线圈周围产生高频交变磁场。

接收单元中，高频交变磁场在接收线圈和第二补偿电路间发生谐振，产生同频的高频交流电，所产生的高频交流电用来给充电电池充电。第二电流采集模块及电压采集模块采集充电电池的电量信息，并送入电量管理单元，电量管理单元向第二控制器送入电量信息。第二控制器利用ZigBee通信模块把电量信息传输到发射单元的第一控制器，第一控制器根据接收的电量信息进一步控制功率控制模块，控制输出的直流电的电流电压大小。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

（1）可实现以双缆索作为运动导轨的双缆索导轨式电缆隧道巡检机器人的快速无线充电。

（2）采用交叠四发射线圈结构，通过降低发射线圈边缘的磁场来增强交叠区域磁感应强度，从而减小磁场泄露，提高系统能量传输效率。

附图说明

图1为本发明无线充电设备的具体结构示意图；

图2为本发明所采用发射线圈的具体示意图；

图3为本发明充电方法示意图。

具体实施方式

下面将结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

参见图1，本发明无线充电设备的具体工作过程为：电网输入工频交流电，整流器在功率控制模块控制下把工频交流电整流为直流电。功率控制模块即整流器中晶闸管的驱动电路，通过改变晶闸管的开始导通角改变整流器的输出电压，进而控制整流器的输出功率。高频逆变器在PWM驱动器下对g极进行控制，保证输出电流电压波形尽可能接近高频正弦波。高频逆变器输出的高频交流电在第一补偿电路和发射线圈间发生谐振，从而发射线圈周围产生高频交变磁场。第一电流采集模块检测发射线圈中电流并输入第一控制器中的PI控制器，PI控制器输出控制信号控制PWM驱动器的频率，从而完成频率跟踪。

高频交变磁场在接收线圈和第二补偿电路间发生谐振，产生同频的高频交流电，这样电能就从发射单元输送到了接收单元。接收线圈产生的高频交流电经高频整流器整流后输出直流电，供给充电电池进行充电，充电电池用来给电缆隧道巡检机器人提供电能。第二电流采集模块及电压采集模块分别采集充电电流和充电电压，即电量信息，并将采集的电量信息送入电量管理单元，电量管理单元向第二控制器送入电量信息。第二控制器利用ZigBee通信模块把电量信息经由气隙传输到发射单元的第一控制器，第一控制器根据接收的电量信息进一步控制功率控制模块，控制输出的直流电的电流电压大小。

参见图2，本发明采用交叠四发射线圈替代传统的单线圈发射线圈。交叠四发射线圈包括4个设于同一平面的等大圆形线圈，各圆形线圈的圆心围成正方形，各圆形线圈彼此部分交叠，4个圆形线圈相互串联。交叠四发射线圈通过降低发射线圈的边缘磁场来增强交叠区域磁感应强度，从而减小磁场泄露，提高系统能量传输效率。本发明通过交叠四发射线圈降低发射线圈边缘的磁场，来增强交叠区域磁感应强度，从而减小磁场泄露，提高系统能量传输效率。

参见图3，本具体实施方式中采用3个RFID电子标签来实现电缆隧道巡检机器人的精准定位。根据发射单元所在位置在双缆索导轨上设置充电点和预充电区，充点电处设置RFID电子标签2，预充电区两端分设设置RFID电子标签1和RFID电子标签3。具体的，RFID电子标签1、RFID电子标签2、RFID电子标签3均设于双缆索导轨侧面。电缆隧道巡检机器人上安装RFID阅读器，用来读取RFID电子标签。电缆隧道巡检机器人设置两种速度模式：进行正常巡检时，为工作速度模式；定位时切换到定位速度模式，定位速度模式下，电缆隧道巡检机器人速度降低。

需要充电时，开启RFID阅读器。当RFID阅读器读取到RFID电子标签1或RFID电子标签3，表示电缆隧道巡检机器人进入预充电区，切换到定位速度模式。当RFID阅读器读取到RFID电子标签2时，电缆隧道巡检机器人停下，锁定轮子进行无线充电。充电完成后仍采用定位速度模式，以低速通过预充电区。当RFID阅读器读取到RFID电子标签1或RFID电子标签3，表示已驶出预充电区，切换为工作速度模式。电缆隧道巡检机器人不需要充电时，关闭RFID阅读器，这样电缆隧道巡检机器人通过预充电区时则不会发生充电动作。

本发明中，预充电区为定位区域，电缆隧道巡检机器人在预充电区速度降低，便于准确定位到充电点。本实施例中，预充电区长度优选为60cm~80cm，RFID电子标签1和RFID电子标签3分设于RFID电子标签2两侧，且与RFID电子标签2距离相等。

Claims (3)

1.带有无线充电设备的电缆隧道巡检机器人，其特征是：

所述的无线充电设备包括发射单元、接收单元和ZigBee通信模块，接收单元安装于电缆隧道巡检机器人上，其中：

发射单元进一步包括整流器、高频逆变器、第一补偿电路、发射线圈、第一电流采集模块、第一控制器、PWM驱动器和功率控制模块，整流器、高频逆变器、第一补偿电路、发射线圈依次相连；第一电流采集模块用来采集发射线圈电流，功率控制模块用来控制整流器的输出功率；第一电流采集模块和功率控制模块均连接第一控制器，第一控制器通过PWM驱动器控制高频逆变器；所述的发射线圈为4个设于同一平面的相互串联的等大圆形线圈，各圆形线圈的圆心围成正方形，且各圆形线圈彼此部分交叠；

接收单元进一步包括接收线圈、第二补偿电路、高频整流器、充电电池、第二电流采集模块、电压采集模块、电量管理单元和第二控制器；接收线圈、第二补偿电路、高频整流器、充电电池依次相连，第二电流采集模块和电压采集模块分别用来采集充电电流和充电电压，第二电流采集模块和电压采集模块连接电量管理单元，电量管理单元连接第二控制器；充电电池用来给电缆隧道巡检机器人提供电能；

第一控制器和第二控制器通过ZigBee通信模块进行无线连接。

2.权利要求1所述的电缆隧道巡检机器人的充电方法，适用于双缆索导轨式电缆隧道巡检机器人，其特征是，包括：

电缆隧道巡检机器人上安装RFID阅读器，电缆隧道巡检机器人设置工作速度模式和定位速度模式，巡检时采用工作速度模式，定位时采用定位速度模式，定位速度模式下的速度低于工作速度模式下的速度；

根据发射单元所在位置在双缆索导轨设置充电点和预充电区，充点电处设置第二RFID电子标签，预充电区两端分别设置第一RFID电子标签和第三RFID电子标签，第一RFID电子标签和第三RFID电子标签分设于第二RFID电子标签两侧，且与第二RFID电子标签距离相等；

需要充电时，开启RFID阅读器，当RFID阅读器读取到第一RFID电子标签或第三RFID电子标签时，电缆隧道巡检机器人切换到定位速度模式；当RFID阅读器读取到第二RFID电子标签时，电缆隧道巡检机器人停止并开始充电；

充电完成后，电缆隧道巡检机器人在定位速度模式通过预充电区，直至读取到第一RFID电子标签或第三RFID电子标签，电缆隧道巡检机器人切换为工作速度模式，并关闭RFID阅读器。

3.如权利要求2所述的电缆隧道巡检机器人的充电方法，其特征是：

所述的预充电区长度为60cm~80cm。