CN108417370A - 用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统及充电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统及充电方法，充电系统包括设置于燃气管道外的原边充电单元和设置于燃气管道内的副边充电单元，原边充电单元包括原边磁芯和缠绕在原边磁芯上的原边线圈，副边充电单元包括副边磁芯和缠绕在副边磁芯上的副边线圈，原边磁芯和副边磁芯形成闭合磁力线；原边线圈与电源连接，副边线圈与机器人的电池连接。充电系统具有结构简单、成本低廉、使用方便、抗干扰能力强、充电效率高的优点，解决了无缆自动力检测机器人充电需要克服管壁屏蔽的问题，提高了无缆自动力检测机器人进行长距离管道内检测的能力。充电方法具有实现容易、操控便捷、安全可靠、充电效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种充电装置，具体涉及一种用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统及充电方法。
背景技术
随着国家能源结构的调整和人民生活水平的提高，天然气已成为居民生产和生活的重要能源，并促进了城市燃气管网建设规模不断扩大。随着服役年限的增加，城市燃气管道因各种缺陷引发安全事故的概率也越来越大。目前，本领域对城市燃气管道状态的监控仅限于管道外侧，对于管道内侧的监控尚无行之有效的手段。基于人们对燃气安全期望的日益提升，迫切需要研究开发针对城市燃气管道进行内检测的技术或设备，以探测管道腐蚀、穿孔、开裂等缺陷，及时排除安全隐患，保证燃气管网安全稳定运行。
传统油气长输管线通常采用“管道猪”进行管道内检测。而城市地下燃气管网存在着管线结构复杂、管径不一、特征多样、运行压力低等特点，这就决定了采用压差驱动的“管道猪”无法满足城市地下燃气管道的内检测需求。针对城市地下燃气管网，进行管道内检测最为适用的方法是采用自适应地下管线结构的无缆自动力检测机器人，并通过在燃气管道上设置机器人放收装置，使机器人对放收装置之间的管道进行抵近式内检测。然而，设置机器人放收装置需要挖开地面并对燃气管道进行带气开孔作业，受作业风险、检测成本等多种因素的制约，机器人放收装置不宜设置过多，这就需要自动力检测机器人可实现长距离检测。但现有的无缆自动力检测机器人受电池重量和容量的限制，无法满足长距离检测的要求。
发明内容
本发明的目的是提供用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统及充电方法，充电系统具有结构简单、成本低廉、使用方便、抗干扰能力强、充电效率高的优点，解决了无缆自动力检测机器人充电需要克服管壁屏蔽的问题。充电方法具有实现容易、操控便捷、安全可靠、充电效率高的优点。
为解决现有技术中无缆自动力检测机器人因电池电量受限无法实现管道长距离内检测的问题，本发明提供的用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统，包括设置于燃气管道外的原边充电单元和设置于燃气管道内的副边充电单元，所述原边充电单元包括原边磁芯和缠绕在原边磁芯上的原边线圈，所述副边充电单元包括副边磁芯和缠绕在副边磁芯上的副边线圈，所述原边磁芯和副边磁芯形成闭合磁力线；其中，原边线圈与电源连接，副边线圈与机器人的电池连接。
进一步的，本发明用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统，其中，所述原边磁芯和副边磁芯均采用U型结构，且使原边磁芯的两端和副边磁芯的两端在燃气管道壁的两侧一一对应分布。
进一步的，本发明用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统，其中，还包括两个设置于燃气管道壁外侧的磁饱和装置，且使两个磁饱和装置沿燃气管道的轴向间隔分布，磁饱和装置包括上端连为一体的内磁环和外磁环；所述原边磁芯的两端对应置于两个磁饱和装置的内磁环中。
进一步的，本发明用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统，其中，还包括副边磁芯姿态控制装置，所述副边磁芯姿态控制装置包括电机、摆杆、旋转电位器和重力锤，电机安装于机器人上，摆杆的下端与电机的输出轴固定连接，摆杆的上端与副边磁芯固定连接，旋转电位器安装于摆杆的下端，重力锤安装于旋转电位器的转轴上，电机输出轴的轴线和旋转电位器转轴的轴线均与燃气管道的轴线重合。
进一步的，本发明用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统，其中，所述原边线圈与电源之间设有整流电路和波形变换电路；所述副边线圈与机器人的电池之间设有稳压电路。
进一步的，本发明用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统，其中，还包括设置于燃气管道检测闸井中的定位装置，所述定位装置用于对机器人进行定位。
本发明提供的利用上述充电系统对燃气管道自动力检测机器人充电的方法，包括以下步骤：
一、检测作业过程中，当机器人需要充电时，让机器人行进到距离最近的充电位置；
二、通过副边磁芯姿态控制装置使副边磁芯呈充电状态；
三、在充电位置设置原边充电单元和磁饱和装置并调整其位置，使原边磁芯的两端和副边磁芯的两端在燃气管道壁的两侧一一对应；
四、启动充电系统对当机器人充电；充电完成后停止充电系统，机器人继续检测作业。
进一步的，本发明对燃气管道自动力检测机器人充电的方法，其中，在上述步骤一中，机器人是否需要充电按以下方式确定：当机器人的剩余电量可以行进到最近的充电位置，但不足以行进到下一充电位置时确定为机器人需要充电；所述充电位置为燃气管道的各个检测闸井，检测闸井中设有对机器人进行定位的定位装置。
进一步的，本发明对燃气管道自动力检测机器人充电的方法，其中，在上述步骤二中，所述通过副边磁芯姿态控制装置使副边磁芯呈充电状态，按以下方式实现：检测旋转电位器的输出电阻，让电机根据旋转电位器的输出电阻调整摆杆的角度，并使副边磁芯的两端呈垂直向上状态。
进一步的，本发明对燃气管道自动力检测机器人充电的方法，其中，在上述步骤三中，所述使原边磁芯的两端和副边磁芯的两端在燃气管道壁的两侧一一对应，按以下方式实现：沿燃气管道轴向调整原边磁芯的位置，并检测原边线圈的自感量，当原边线圈的自感量达到最大时，表示原边磁芯的两端和副边磁芯的两端实现一一对应。
本发明用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统及充电方法与现有技术相比，具有以下优点：本发明通过设置于燃气管道外的原边充电单元和设置于燃气管道内的副边充电单元，让原边充电单元设置原边磁芯和缠绕在原边磁芯上的原边线圈，让副边充电单元设置副边磁芯和缠绕在副边磁芯上的副边线圈，并使原边磁芯和副边磁芯形成闭合磁力线；其中，原边线圈与电源连接，副边线圈与机器人的电池连接。由此就构成了一种结构简单、成本低廉、使用方便、抗干扰能力强、充电效率高的用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统。在实际应用中，本发明通过让原边磁芯和副边磁芯形成闭合磁力线，就会使充电系统原边充电单元的能量高效耦合到副边充电单元，从而实现对自动力检测机器人充电的目的。解决了无缆自动力检测机器人充电需要克服管壁屏蔽的问题，提高了无缆自动力检测机器人进行长距离管道内检测的能力。作为优化方案，本发明让原边磁芯和副边磁芯均采用U型结构，使原边磁芯的两端和副边磁芯的两端在燃气管道壁的两侧一一对应分布；并在燃气管道壁外侧设置了两个磁饱和装置，原边磁芯的两端对应置于两个磁饱和装置的内磁环中。U型结构的原边磁芯和副边磁芯具有结构简单、易于加工的特点，且可减小磁力损失，提高充电效率。通过设置磁饱和装置可使对应的燃气管道壁形成一个环形的磁饱和区域，并使磁饱和区域中心的燃气管道壁保持较高的磁导率，不但可避免原边磁芯的磁力线通过燃气管道壁短路，而且能保证原边磁芯的磁力线穿过磁饱和区域中心的高磁导率区域对应的燃气管道壁与副边磁芯闭合，提高了原边充电单元和副边充电单元之间的能量传递效率，实用性更强。本发明提供的利用上述充电系统对燃气管道自动力检测机器人充电的方法具有实现容易、操控便捷、安全可靠、充电效率高的优点。
下面结合附图所示具体实施方式对本发明用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统及充电方法作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统的示意图；
图2为图1中A位置的局部放大示意图；
图3为图2中的B-B向视图；
图4为本发明中磁饱和装置的示意图；
图5为本发明中副边磁芯姿态控制装置的示意图；
图6为图5的左视图；
图7为本发明用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统的电路图。
具体实施方式
首先需要说明的，本发明中所述的上、下、前、后、左、右等方位词只是根据附图进行的描述，以便于理解，并非对本发明的技术方案以及请求保护范围进行的限制。
如图1至7所示本发明用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统的具体实施方式，包括设置于燃气管道外的原边充电单元1和设置于燃气管道内的副边充电单元2。原边充电单元1包括原边磁芯11和缠绕在原边磁芯11上的原边线圈12。副边充电单元2包括副边磁芯 21和缠绕在副边磁芯21上的副边线圈22。充电时，让原边磁芯11和副边磁芯21形成闭合磁力线，并使原边线圈12与电源连接，使副边线圈22与机器人的电池连接。通过以上结构设置就构成了一种结构简单、成本低廉、使用方便、抗干扰能力强、充电效率高的用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统。在实际应用中，本发明通过让原边磁芯11和副边磁芯21形成闭合磁力线，就会使充电系统原边充电单元1的能量高效耦合到副边充电单元2，从而实现对自动力检测机器人充电的目的。解决了无缆自动力检测机器人充电需要克服管壁屏蔽的问题，提高了无缆自动力检测机器人进行管道长距离内检测的能力。
作为优化方案，本具体实施方式通过让原边磁芯11和副边磁芯21均采用U型结构，并使原边磁芯11的两端和副边磁芯21的两端在燃气管道壁5的两侧一一对应分布，简化了结构、降低了加工难度，且可减小磁力损失，提高充电效率。需要说明的是，原边磁芯11和副边磁芯21不限于采用U型结构，还可以采用其他等同或类似的结构形式，只要使原边磁芯11和副边磁芯21可形成闭合磁力线均可实现本发明的技术目的。同时，本具体实施方式还设置了两个磁饱和装置3。磁饱和装置3具体包括上端连为一体的内磁环31和外磁环32。充电时，让两个磁饱和装置3设置在燃气管道壁外侧并沿燃气管道的轴向间隔分布；并让原边磁芯11的两端对应置于两个磁饱和装置3的内磁环31中。本发明通过设置磁饱和装置3可使对应的燃气管道壁形成一个环形的磁饱和区域，并使磁饱和区域中心的燃气管道壁保持较高的磁导率，不但可避免原边磁芯11的磁力线通过燃气管道壁短路，而且能保证原边磁芯11的磁力线穿过磁饱和区域中心的高磁导率区域对应的燃气管道壁与副边磁芯21闭合，进一步提高了原边充电单元1和副边充电单元2之间的能量传递效率，实用性更强。
作为进一步优化方案，本具体实施方式还设置了副边磁芯姿态控制装置4。副边磁芯姿态控制装置4具体包括电机41、摆杆42、旋转电位器43和重力锤44。其中，电机41安装于机器人上，摆杆42的下端与电机41的输出轴固定连接，摆杆42的上端与副边磁芯21固定连接，旋转电位器43安装于摆杆42的下端，重力锤44安装于旋转电位器43的转轴上，并使电机41输出轴的轴线和旋转电位器43转轴的轴线均与燃气管道的轴线重合。因自动力检测机器人为中心对称结构，其在燃气管道内运动时的姿态具有随机性，无法保证副边磁芯 21的状态始终不变。在充电时，为保证副边磁芯21与原边磁芯11对准，本发明通过设置副边磁芯姿态控制装置4可调整副边磁芯21呈垂直向上状态。具体过程如下：当副边磁芯21 处于垂直向上时，旋转电位器43会输出电阻值R1。当副边磁芯21出现偏移时，因重力锤 44始终向下，此时旋转电位器43会输出电阻值R2。通过检测电阻值R2并与电阻值R1比较，让电机41根据检测和比较结果即可将副边磁芯21调整到垂直向上状态，有效解决了副边磁芯21与原边磁芯11在燃气管道周向对准的问题，且具有结构简单、控制容易、调整方便的特点。副边磁芯21与原边磁芯11在燃气管道轴向对准的问题本发明通过以下方式实现：沿燃气管道轴向调整原边磁芯11的位置，并检测原边线圈12的自感量，当原边线圈12的自感量达到最大时，表示原边磁芯11的两端和副边磁芯21的两端在燃气管道壁的两侧实现一一对应，从而实现原边磁芯11与副边磁芯21在燃气管道轴向上的对准目的。
需要说明的是，在实际应用中，本发明用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统采用单端正激逆变电路对自动力检测机器人的电池进行充电，其工作原理如图7所示。其中，原边线圈12与电源之间设有整流电路和波形变换电路；副边线圈22与机器人的电池之间设有稳压电路。交流电经过整流后变为直流电，通过两个功率三极管T1和T2的同步可控高频开关转变为333Hz的脉冲方波，再经由变压器将原边能量传递到副边。并联在T1和T2上的 RCD网络可降低尖峰电压及开关损耗，变压器初级的R-C网络可反向去磁，减小原副边磁芯剩磁的影响。副边的脉冲信号通过D1、D2、L和C构成的稳压电路输出稳定的直流充电电压。对于城市燃气管网，因燃气管道处于地下并每隔一段距离就会设置检测闸井。本发明在实际应用中通常采用在燃气管道检测闸井中设置定位装置(定位装置可采用Mark盒，一种长输油气管线采用的定位装置)，需要充电时，让机器人探测到定位装置后停止并进行充电。这一方式通过利用城市燃气管网的现有条件和资源即可实现为机器人充电的目的，而不需要破坏燃气管道，具有较高的安全性和实用性。
基于同一发明构思，本发明还提高了一种利用上述充电系统对燃气管道自动力检测机器人充电的方法，具体包括以下步骤：
一、检测作业过程中，当机器人需要充电时，让机器人行进到距离最近的充电位置；
二、通过副边磁芯姿态控制装置4使副边磁芯22呈充电状态；
三、在充电位置设置原边充电单元1和磁饱和装置3并调整其位置，使原边磁芯11的两端和副边磁芯21的两端在燃气管道壁的两侧一一对应；
四、启动充电系统对当机器人充电；充电完成后停止充电系统，机器人继续检测作业。
在上述步骤一中，机器人是否需要充电按以下方式确定：当机器人的剩余电量可以行进到最近的充电位置，但不足以行进到下一充电位置时确定为机器人需要充电；所述充电位置为燃气管道的各个检测闸井，检测闸井中设有对机器人进行定位的定位装置。
在上述步骤二中，所述通过副边磁芯姿态控制装置4使副边磁芯22呈充电状态，按以下方式实现：检测旋转电位器43的输出电阻，让电机41根据旋转电位器43的输出电阻调整摆杆42的角度，使副边磁芯21的两端呈垂直向上状态。
在上述步骤三中，所述原边磁芯11的两端和副边磁芯21的两端一一对应，按以下方式实现：沿燃气管道轴向调整原边磁芯11的位置并检测其自感量，当原边磁芯11的自感量达到最大时，表示原边磁芯11的两端和副边磁芯21的两端实现一一对应。
本发明提供的利用上述充电系统对燃气管道自动力检测机器人充电的方法具有实现容易、操控便捷、安全可靠、充电效率高的优点。
经实际应用表明，本发明用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统可产生以下有益效果：(1)通过原边充电单元和副边充电单元实现了机器人的非接触在线充电。充电过程中机器人处于燃气管道内，电源处于管道外(通常设置在燃气管道闸井内)，能量穿过燃气管道壁进行耦合传递，充电过程中无需破坏管道，充电结束后机器人可立即投入管道检测，提高了无缆自动力检测机器人进行长距离检测的能力。(2)通过磁饱和装置提高了充电效率。磁饱和装置可使对应的燃气管道壁形成环形的磁饱和区域，并使磁饱和区域中心的燃气管道壁保持较高的磁导率，可避免原边磁芯的磁力线通过燃气管道壁短路，且能保证原边磁芯的磁力线穿过磁饱和区域中心的高磁导率区域与副边磁芯闭合，降低了漏磁损失，提高了原边充电单元和副边充电单元的能量传递效率和充电效率。(3)原副边磁芯对准精度高且易于控制。通过重力锤和旋转电位器可实现原副边磁芯在燃气管道周向上的对准，通过检测原边线圈的自感量可实现原副边磁芯在燃气管道轴向上的对准，且具有方法简单、易于控制的特点。
以上实施例仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明请求保护范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域工程技术人员依据本发明的技术方案做出的各种形式的变形，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统，其特征在于，包括设置于燃气管道外的原边充电单元(1)和设置于燃气管道内的副边充电单元(2)，所述原边充电单元(1)包括原边磁芯(11)和缠绕在原边磁芯(11)上的原边线圈(12)，所述副边充电单元(2)包括副边磁芯(21)和缠绕在副边磁芯(21)上的副边线圈(22)，所述原边磁芯(11)和副边磁芯(21)形成闭合磁力线；其中，原边线圈(12)与电源连接，副边线圈(22)与机器人的电池连接。
2.按照权利要求1所述的用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统，其特征在于，所述原边磁芯(11)和副边磁芯(21)均采用U型结构，且使原边磁芯(11)的两端和副边磁芯(21)的两端在燃气管道壁的两侧一一对应分布。
3.按照权利要求2所述的用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统，其特征在于，还包括两个设置于燃气管道壁外侧的磁饱和装置(3)，且使两个磁饱和装置(3)沿燃气管道的轴向间隔分布，磁饱和装置(3)包括上端连为一体的内磁环(31)和外磁环(32)；所述原边磁芯(11)的两端对应置于两个磁饱和装置(3)的内磁环(31)中。
4.按照权利要求3所述的用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统，其特征在于，还包括副边磁芯姿态控制装置(4)，所述副边磁芯姿态控制装置(4)包括电机(41)、摆杆(42)、旋转电位器(43)和重力锤(44)，电机(41)安装于机器人上，摆杆(42)的下端与电机(41)的输出轴固定连接，摆杆(42)的上端与副边磁芯(21)固定连接，旋转电位器(43)安装于摆杆(42)的下端，重力锤(44)安装于旋转电位器(43)的转轴上，其中，电机(41)输出轴的轴线和旋转电位器(43)转轴的轴线均与燃气管道的轴线重合。
5.按照权利要求4所述的用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统，其特征在于，所述原边线圈(12)与电源之间设有整流电路和波形变换电路；所述副边线圈(22)与机器人的电池之间设有稳压电路。
6.按照权利要求5所述的用于燃气管道自动力检测机器人的充电系统，其特征在于，还包括设置于燃气管道检测闸井中的定位装置，所述定位装置用于对机器人进行定位。
7.一种利用权利要求5所述充电系统对燃气管道自动力检测机器人充电的方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、检测作业过程中，当机器人需要充电时，让机器人行进到距离最近的充电位置；
二、通过副边磁芯姿态控制装置(4)使副边磁芯(22)呈充电状态；
三、在充电位置设置原边充电单元(1)和磁饱和装置(3)并调整其位置，使原边磁芯(11)的两端和副边磁芯(21)的两端在燃气管道壁的两侧一一对应；
四、启动充电系统对当机器人充电；充电完成后停止充电系统，机器人继续检测作业。
8.按照权利要求7所述的对燃气管道自动力检测机器人充电的方法，其特征在于，在步骤一中，机器人是否需要充电按以下方式确定：当机器人的剩余电量可以行进到最近的充电位置，但不足以行进到下一充电位置时确定为机器人需要充电；所述充电位置为燃气管道的各个检测闸井，检测闸井中设有对机器人进行定位的定位装置。
9.按照权利要求7所述的对燃气管道自动力检测机器人充电的方法，其特征在于，在步骤二中，所述通过副边磁芯姿态控制装置(4)使副边磁芯(22)呈充电状态，按以下方式实现：检测旋转电位器(43)的输出电阻，让电机(41)根据旋转电位器(43)的输出电阻调整摆杆(42)的角度，并使副边磁芯(21)的两端呈垂直向上状态。
10.按照权利要求7所述的对燃气管道自动力检测机器人充电的方法，其特征在于，在步骤三中，所述使原边磁芯(11)的两端和副边磁芯(21)的两端在燃气管道壁的两侧一一对应，按以下方式实现：沿燃气管道轴向调整原边磁芯(11)的位置，并检测原边线圈(12)的自感量，当原边线圈(12)的自感量达到最大时，表示原边磁芯(11)的两端和副边磁芯(21)的两端实现一一对应。
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