CN108777508A - 基于锂电池无线充电技术的移动机器人自主充电系统 - Google Patents
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Abstract
基于锂电池无线充电技术的移动机器人自主充电系统，涉及移动机器人平台领域。为了解决目前移动机器人采用机械充电方式受电量限制，无法长时间自主运行的问题。充电桩为无线充电接收电路供电，电量检测电路采集锂电池当前电量并发送至工控机，切换电路切换恒流电路或恒压电路为锂电池充电，红外信号接收电路采集充电桩发射的红外引导信号，工控机搜索指定路径，并驱动移动机器人按照指定路径移动，当红外信号接收电路采集到红外引导信号时，驱动移动机器人调整姿态向充电桩移动直至与充电桩建立物理电气连接，通过激光雷达判断指定路径中是否存在障碍物，当电量达到预设最高电量时，切断恒流电路或恒压电路与锂电池之间的连接，完成自主充电。
Description
技术领域
本发明属于移动机器人平台领域，具体涉及锂电池无线充电系统领域与移动机器人自主对接系统领域。
背景技术
随着机器人技术的进步及其应用领域的不断扩展，移动机器人作为智能机器人的一个分支正在逐步进入我们的生活，并给机器人自主化与智能化的相关理论带来了新的动力。目前，移动机器人技术正在日益成为机器人领域的研究热点。在诸如餐厅服务、仓储管理、快递投送以及工厂物料输送等领域有着十分巨大的运用前景。
移动机器人多数采用电池供电，长时间使用后，需要对机器人进行充电。但是，充电过程中，采用机械对接的方式，容易产生电火花；并且电池电量有限，需要人工频繁进行充电，因此受电量限制，无法长时间自主运行。
发明内容
本发明是为了解决目前移动机器人采用机械充电方式，安全性低，并且受电量限制，无法长时间自主运行的问题，现提供基于锂电池无线充电技术的移动机器人自主充电系统。
基于锂电池无线充电技术的移动机器人自主充电系统，包括充电桩1、红外信号接收电路2、工控机3、无线充电接收电路4、恒流电路5、恒压电路6、切换电路7和电量检测电路8，红外信号接收电路2、工控机3、无线充电接收电路4、恒流电路5、恒压电路6、切换电路7和电量检测电路8均位于移动机器人内部；
充电桩1用于将220V市电转换为低压直流电，并将低压直流电能通过无线传输方式发送至无线充电接收电路4中，无线充电接收电路4的电能输出端分别连接恒流电路5和恒压电路6的电能输入端，恒流电路5的电流输出端和恒压电路6的电压输出端均通过切换电路7为移动机器人内部的锂电池9充电，电量检测电路8用于采集锂电池9当前电量并将采集到的电量值发送至工控机3，切换电路7用于切换恒流电路5或恒压电路6为锂电池9充电，
充电桩1还用于发射红外引导信号，红外信号接收电路2采集充电桩1发射的红外引导信号，并将该信号发送至工控机3，
工控机3内嵌有如下软件实现的单元：
远程路径搜索单元：搜索指定路径，并驱动移动机器人按照指定路径移动，所述指定路径为用户设定的移动机器人向充电桩位置移动的路径，
近程对接单元：当红外信号接收电路2采集到红外引导信号时，根据红外引导信号判断移动机器人与充电桩1的相对位置关系，并驱动移动机器人调整姿态向充电桩移动直至与充电桩建立物理电气连接，
避障单元：在移动机器人移动过程中，通过激光雷达判断指定路径中是否存在障碍物，当存在障碍物时，利用激光雷达进行避障，
电量检测单元：根据电量检测电路8采集的电量值判断锂电池9当前的电量状态，当电量低于预设最低电量时，启动远程路径搜索单元，当电量达到预设最高电量时，切断恒流电路5或恒压电路6与锂电池9之间的连接，完成自主充电。
上述充电桩1包括：变压器11、整流桥12、降压电路13、红外引导信号发射电路14和无线充电发射电路15；
变压器11用于将220V市电转换为低压交流电，变压器11的电压输出端连接整流桥12的电压输入端，整流桥12的电压输出端分别连接降压电路13的电压输入端和无线充电发射电路15的电压输入端，降压电路13的电压输出端连接红外引导信号发射电路14的电压输入端，
红外引导信号发射电路14用于发射红外引导信号，无线充电发射电路15用于将低压直流电能通过无线传输方式发送至无线充电接收电路4中。
上述切换电路7包括：继电器和比较器，
继电器的一个常开触点串联在恒流电路5与锂电池9的通路上，继电器的另一个常开触点串联在恒压电路6与锂电池9的通路上，
比较器采集锂电池9的当前电量K，并与电量阈值x进行比较，其中x＝95％Q，Q表示锂电池总电量，
当K＜x时，驱动继电器串联在恒流电路5与锂电池9通路上的常开触点闭合，
当K≥x时，驱动继电器串联在恒压电路6与锂电池9通路上的常开触点闭合，
当K＝Q时，驱动继电器的常开触点全部断开。
上述红外信号接收电路2采用两个夹角呈90°的红外接收头26，
所述近程对接单元具体包括以下子单元：
实时采集红外引导信号的单元，
当一个红外接收头26采集到了红外引导信号时，驱动移动机器人向接收到信号的红外接收头26侧旋转，直至两个红外接收头26均采集到红外引导信号时停止旋转的单元，
当两个红外接收头26均采集到了红外引导信号时，驱动移动机器人沿当前方向前进，直至移动机器人与充电桩建立电气连接的单元。
本专利提出了一种基于轮式移动机器人的自主充电系统，可大大提高机器人的自主运行时间，提高了机器人的自主化与智能化水平。具体有益效果如下：
通过无线充电的方式来对机器人内部锂电池进行充电，省去了机械对接装置，增加了对接的可靠性，避免了原本在充电对接装置接触时所产生的电火花，增加了安全性；
机器人根据锂电池剩余电量选择合适的充电方式，当电量不足时选择恒流的方式快速充电，当电量接近充满时选择恒压方式充电，保护锂电池，增加使用寿命。
附图说明
图1为基于锂电池无线充电技术的移动机器人自主充电系统的原理框图；
图2为充电桩内部的原理框图；
图3为基于锂电池无线充电技术的移动机器人自主充电系统的远程搜索示意图，其中，21红外引导信号、22指定路径、23不可跨越障碍物(例如墙壁)、24可跨越障碍物、25臂杖路径；
图4为基于锂电池无线充电技术的移动机器人自主充电系统的近程对接示意图，其中，26红外接收头；
图5为基于锂电池无线充电技术的移动机器人自主充电系统的工控机内部自主充电流程图。
具体实施方式
如图1、2所示，本实施方式所述的基于锂电池无线充电技术的移动机器人自主充电系统，包括充电桩1、红外信号接收电路2、工控机3、无线充电接收电路4、恒流电路5、恒压电路6、切换电路7和电量检测电路8，所述充电桩1包括变压器11、整流桥12、降压电路13、红外引导信号发射电路14和无线充电发射电路15，切换电路7包括继电器和比较器；红外信号接收电路2、工控机3、无线充电接收电路4、恒流电路5、恒压电路6、切换电路7和电量检测电路8均位于移动机器人内部；
变压器11用于将220V市电转换为24V低压交流电，整流桥12将交流电变为34V直流电分别输出给降压电路13和无线充电发射电路15，降压电路13将34V直流电降为5V直流电为红外引导信号发射电路14供电，红外引导信号发射电路14内部采用红外发射二极管发出呈扇形发射的红外引导信号，采用52单片机控制红外发射二极管产生专用的通讯信号，无线充电发射电路15将34V直流电通过无线传输的方式为无线充电接收电路4提供能量。综上所述，充电桩1用于将220V市电转换为低压直流电，并将低压直流电能通过无线传输方式发送至无线充电接收电路4中。
在移动机器人内部，红外信号接收电路2采集充电桩1发射的红外引导信号，转换成5V高低电平信号发送给IMX—283工控板(工控机3)。无线充电接收电路4的电能输出端分别连接恒流电路5和恒压电路6的电能输入端，继电器的一个常开触点串联在恒流电路5与锂电池9的通路上，继电器的另一个常开触点串联在恒压电路6与锂电池9的通路上，比较器采集锂电池9的当前电量K，并与电量阈值x进行比较，其中x＝95％Q，Q表示锂电池总电量，当K＜x时，驱动继电器串联在恒流电路5与锂电池9通路上的常开触点闭合，当K≥x时，驱动继电器串联在恒压电路6与锂电池9通路上的常开触点闭合。电量检测电路8用于采集锂电池9当前电量并将采集到的电量值发送至工控机3。
如图3、4和5所示，工控机3内部工作流程如下：
工控机3内部设定有用户输入的环境静态地图，机器人在搜索充电桩过程中首先需要根据环境静态地图规划全局的搜索路径，在沿着全局路径搜索过程中，如根据激光雷达的反馈信息遇到了原来静态地图中没有的动态障碍物，则启用局部导航避障算法，规划一条新的路径避开障碍物后重新回到全局搜索路径进行搜索。在移动机器人使用过程中，通常都将充电桩放在靠墙的位置，在机器人搜索充电桩过程中，可让机器人沿着靠墙的路径进行搜索来寻找充电桩。用户可在环境静态地图中指定一段搜索路径，当机器人要搜索充电桩时移动到指定区域，沿着这段人为指定的路径移动。在移动过程中，一但机器人的红外信号接收电路2接收到充电桩发出的红外引导信号则完成远程搜索，进入近程对接模式。
红外信号接收电路2采用两个夹角呈90°的红外接收头26，当机器人内部的任意一个红外接收头26接收到充电桩发出的红外信号时，开始进入近程对接模式。如图4所示，在远程搜索过程中机器人左侧的红外接收头26接收到充电桩发出的红外信号，则机器人开始在原地逆时针旋转，直到左右两个红外接收头26都能接收到红外信号，机器人继续往前走，当右边的红外传感器无法接收到信号时，再逆时针调整姿态……继续重复上述过程，机器人在不断前进的过程中始终保证两个红外接收头26都能接收到红外信号，经过几次调整后机器人沿着越来越窄的红外信号通道不断接近充电桩，同时机器人也越来越接近与充电桩的对接姿态，在扇形红外信号通道的约束下，最终完成与充电桩的对接。
机器人通过充电检测电路来检测机器人与充电桩是否成功建立电气连接，建立电气连接之后则认为机器人充电成功，机器人停止运动，进入充电状态。
本实施方式中，为了避免太阳光、灯光等光源中的红外光对红外引导信号发射电路14发出的信号产生干扰，采用红外发射二极管发射特定波长的红外光，并且红外引导信号发射电路14发送的信号通常不是连续的红外光，而是以一定频率发送的脉冲形式的红外脉冲信号，将其称为载波。在红外通讯过程中为了通过红外信号传递复杂的信息需要对载波进行调制，使其能以二进制编码的方式传递信息。采用STC公司的52单片机，通过定时中断的方式在P1.0管脚产生频率为38KHZ的脉冲，通过控制三极管的开断来使红外发射二极管发出频率为38KHZ的红外脉冲作为载波，红外发射二极管采用台湾慧创就公司的IE-0505HP小角度红外发射管。单片机和红外发射二极管都由5V电源进行供电，由于电路功率比较小，因此可以采用线性降压电路来提供5V电源。如果用降压芯片直接将32.5V的电源电压降至5V，则降压芯片两端压降过大，发热会很严重，难以正常工作。因此先采用LM7815降压芯片将整流桥输出的32.5V电压降至15V，再通过LM7805降压芯片将15V电压降至5V，从而得到5V电源。
一般的红外接收电路是采用红外接收二极管作为红外接收头，需要自己搭建放大、限幅和滤波电路，需要经过大量测试才能设计出较为稳定的电路。为减小设计难度，本实施方式采用一体化的红外接收头作为红外接收传感器，具体型号为HX1838C电平式红外接收头，可接收波长为940nm，频率为38KHZ的红外脉冲信号。它将红外接收二极管与放大电路集成在一起，体积小且成本低，灵敏度高且抗干扰性好，非常适合集成在机器人系统中。
整个移动机器人无线充电系统中的红外引导信号发射电路和无线充电发射电路位于充电桩内部，充电桩采用220V交流电源，通过220V转24V变压器将其转成24V交流电。24V交流电再经过KBL608整流桥后，变为直流电源，但电压波动较大。经过4700uF的电解电容和0.1uF的瓷片电容滤波后的电压比较稳定，约为整流前交流电压值的倍，即34V。此电路输入电压较大，难以通过在面包板上搭建简易电路进行实验，为了验证电路的准确性，先通过Multisim来对此电路进行仿真，再设计电路。为了保证在充电桩使用过程中的安全性，按照安全设计规范，在电路中加入保险丝、安规电容、共模电感、X电容和Y电容等安规器件。
本实施方式采用深圳芯科泰公司的XKT-801和XKT-1511无线充电专用芯片来搭建无线充电专用高频振荡电路，最高频率可达2MHz，在初级线圈中产生高频交变电流，初级能量发射线圈采用铜丝绕制而成。
整个接收电路的控制芯片采用深圳芯科泰公司的T3168无线充电接收电路专用控制芯片，其内部集成有专用MOS管及MOS管控制电路作为电子开关，大大减少了整个电路所需的外部电路。采用电位器作为电压反馈电阻，可通过调节电位器来改变输出电压的大小。
本实施方式采用德州仪器公司的TPS5430开关电源控制芯片作为恒流与恒压开关电源的控制芯片，其内部集成有MOS管(电子开关)、电压比较器及PWM模块等重要电路。因此，仅需很少的外围电子元件就可搭建成开关电源电路。其开关频率最高可达500KHZ，能量转换效率最高可达96％，发热量低。由于整个电路的工作频率较高，为保证续流电路的正常工作，必须使用快速型的B340A肖特基二极管来作为电感的续流二极管。
本实施方式采用德州仪器公司生产的LM339芯片作为电压比较器，采用电位器来搭建电压采样电路，可通过调节电位器来选择合适的阈值，恒流恒压切换的阈值电压和停止充电的阈值电压分别为24V和25.2V。通过搭建带滞回特性的电压比较器电路来防止切换信号的快速来回跳变。在具体的恒流与恒压电路切换过程中，通过使用继电器来完成具体的电路切换，切换信号由电压比较器发出。
在机器人与充电桩自主对接过程中，机器人必须能够自主判断是否与充电桩建立了电气连接，即充电电路是否在对锂电池进行充电。可通过电阻对充电电压进行分压后，连接到控制器的IO口，由控制器通过高低电平来进行判断。为防止机器人自身的锂电池电压的干扰，可利用二极管的单向导通特性将充电判断电路与锂电池隔离。
Claims (4)
1.基于锂电池无线充电技术的移动机器人自主充电系统，其特征在于，包括充电桩(1)、红外信号接收电路(2)、工控机(3)、无线充电接收电路(4)、恒流电路(5)、恒压电路(6)、切换电路(7)和电量检测电路(8)，红外信号接收电路(2)、工控机(3)、无线充电接收电路(4)、恒流电路(5)、恒压电路(6)、切换电路(7)和电量检测电路(8)均位于移动机器人内部；
充电桩(1)用于将220V市电转换为低压直流电，并将低压直流电能通过无线传输方式发送至无线充电接收电路(4)中，无线充电接收电路(4)的电能输出端分别连接恒流电路(5)和恒压电路(6)的电能输入端，恒流电路(5)的电流输出端和恒压电路(6)的电压输出端均通过切换电路(7)为移动机器人内部的锂电池(9)充电，电量检测电路(8)用于采集锂电池(9)当前电量并将采集到的电量值发送至工控机(3)，切换电路(7)用于切换恒流电路(5)或恒压电路(6)为锂电池(9)充电，
充电桩(1)还用于发射红外引导信号，红外信号接收电路(2)采集充电桩(1)发射的红外引导信号，并将该信号发送至工控机(3)，
工控机(3)内嵌有如下软件实现的单元：
远程路径搜索单元：搜索指定路径，并驱动移动机器人按照指定路径移动，所述指定路径为用户设定的移动机器人向充电桩位置移动的路径，
近程对接单元：当红外信号接收电路(2)采集到红外引导信号时，根据红外引导信号判断移动机器人与充电桩(1)的相对位置关系，并驱动移动机器人调整姿态向充电桩移动直至与充电桩建立物理电气连接，
避障单元：在移动机器人移动过程中，通过激光雷达判断指定路径中是否存在障碍物，当存在障碍物时，利用激光雷达进行避障，
电量检测单元：根据电量检测电路(8)采集的电量值判断锂电池(9)当前的电量状态，当电量低于预设最低电量时，启动远程路径搜索单元，当电量达到预设最高电量时，切断恒流电路(5)或恒压电路(6)与锂电池(9)之间的连接，完成自主充电。
2.根据权利要求1所述的基于锂电池无线充电技术的移动机器人自主充电系统，其特征在于，充电桩(1)包括：变压器(11)、整流桥(12)、降压电路(13)、红外引导信号发射电路(14)和无线充电发射电路(15)；
变压器(11)用于将220V市电转换为低压交流电，变压器(11)的电压输出端连接整流桥(12)的电压输入端，整流桥(12)的电压输出端分别连接降压电路(13)的电压输入端和无线充电发射电路(15)的电压输入端，降压电路(13)的电压输出端连接红外引导信号发射电路(14)的电压输入端，
红外引导信号发射电路(14)用于发射红外引导信号，无线充电发射电路(15)用于将低压直流电能通过无线传输方式发送至无线充电接收电路(4)中。
3.根据权利要求1所述的基于锂电池无线充电技术的移动机器人自主充电系统，其特征在于，切换电路(7)包括：继电器和比较器，
继电器的一个常开触点串联在恒流电路(5)与锂电池(9)的通路上，继电器的另一个常开触点串联在恒压电路(6)与锂电池(9)的通路上，
比较器采集锂电池(9)的当前电量K，并与电量阈值x进行比较，其中x＝95％Q，Q表示锂电池总电量，
当K＜x时，驱动继电器串联在恒流电路(5)与锂电池(9)通路上的常开触点闭合，
当K≥x时，驱动继电器串联在恒压电路(6)与锂电池(9)通路上的常开触点闭合，
当K＝Q时，驱动继电器的常开触点全部断开。
4.根据权利要求1所述的基于锂电池无线充电技术的移动机器人自主充电系统，其特征在于，红外信号接收电路(2)采用两个夹角呈90°的红外接收头(26)，
所述近程对接单元具体包括以下子单元：
实时采集红外引导信号的单元，
当一个红外接收头(26)采集到了红外引导信号时，驱动移动机器人向接收到信号的红外接收头(26)侧旋转，直至两个红外接收头(26)均采集到红外引导信号时停止旋转的单元，
当两个红外接收头(26)均采集到了红外引导信号时，驱动移动机器人沿当前方向前进，直至移动机器人与充电桩建立电气连接的单元。
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