CN109083817B - 一种穿戴式发电装置及其控制方法 - Google Patents

一种穿戴式发电装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种穿戴式发电装置及其控制方法，发电装置包括矩形的固定架、能量转换组件和频率自调谐组件，固定架内竖直架设有一对内导轨，在这对内导轨上横向架设所述能量转换组件，每个内导轨上均套设有支撑弹簧，此支撑弹簧用来支撑能量转换组件随穿戴者行进时沿内导轨上下振动，进而能量转换组件将自身上下振动能量转换为电能存储；频率自调谐组件包括步进电机、涡卷弹簧、加速度传感器、拉力传感器以及微控制器；频率自调谐组件中的微控制器根据拉力传感器和加速度传感器的测量数值调节步进电机的行程来改变涡卷弹簧的伸长量，使发电背包的特征频率与人体行走时躯干振动频率保持一致，实现了能量的高效捕获。

Description

一种穿戴式发电装置及其控制方法
技术领域
本发明属于能量收集技术领域，具体涉及一种穿戴式发电装置，还涉及一种基于此发电装置的控制方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，研究人员对日常的穿戴物品进行智能化设计，开发出了许多可穿戴的电子设备，如：智能手表和智能手环等。这些穿戴式电子设备的开发为人们的生活带了巨大便利。通常穿戴式电子设备使用一次或二次电池进行供电，但一次电池更换或对二次电池进行充电为穿戴式电子设备的使用带来了诸多不便。为此，利用人体携带的能量来为这些设备供电有望成为替代一次或二次电池的电源解决方案。
机械能是人体携带的主要能量之一，例如在行进过程中人体躯干的重心就一直处于上下振动而产生大量机械能，穿戴式电子设备可以采集这种形式的机械能从而为其自身供电。基于此，近年来技术人员们提出了一些采集振动能量的穿戴式发电装置，包括发电背包等。其中具有发电背包结构的穿戴式发电装置的基本工作原理是建立一个弹簧-质量-阻尼系统，当人体行进时发电背包在弹簧回复力的作用下振动，该振动进而驱动机-电转换模块产生电能。由力学知识可知，当发电背包自身的特征频率与人体行进的步态频率一致时，振动就处于谐振状态，发电装置就具有高的机械能采集效率，从而通过机-电转换模块而输出高的电能。
需要指出的是，由于谐振条件的限制，现有公开报道的发电背包往往仅能在一些较为限定的条件下实现高效的能量采集，如特定的背包质量和特定的行进速度等。当发电背包质量发生改变时，或者人体行进速度发生改变时，发电背包的振动就处于非谐振状态，机械能的采集效率大幅下降，产生的电能于是难以满足实际应用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种穿戴式发电装置及其控制方法，可以根据人体的行进步态以及发电装置的质量而自适应地调节发电装置的特征频率，以使其自身特征频率与人体行进的频率谐振，实现高效的能量采集。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种穿戴式发电装置，其特征是，包括矩形的固定架、能量转换组件和频率自调谐组件，固定架内竖直架设有一对内导轨，在此对内导轨上横向架设所述能量转换组件，每个内导轨上位于能量转换组件与固定架底部框之间均套设有支撑弹簧，此支撑弹簧用来支撑能量转换组件随穿戴者行进时沿内导轨上下振动，进而能量转换组件将自身上下振动能量转换为电能存储；
频率自调谐组件包括步进电机、涡卷弹簧、加速度采集器、拉力采集器以及控制单元；步进电机及控制单元由能量转换组件供电；加速度采集器和控制单元固定在固定架上，步进电机与能量转换组件固定，拉力采集器固定在固定架底部框上，涡卷弹簧一端与拉力采集器连接，另一端与步进电机的转动轴相连，涡卷弹簧和支撑弹簧形成复合式弹簧，涡卷弹簧的伸长量变化可改变复合式弹簧的刚度；
控制单元采集加速度采集器和拉力采集器获得穿戴者行进加速度和涡卷弹簧拉力，然后依据加速度数据获得穿戴者振动频率，依据拉力数据获得发电装置的质量，再依据穿戴者振动频率和发电装置质量调节步进电机行程来改变涡卷弹簧的拉伸长度，以调节复合式弹簧的刚度，进而最终实现调节发电装置自身的特征频率，使其与穿戴者振动频率发生谐振。
优选的，能量转换组件包括移动架、齿条、齿轮、发电机和蓄电池，移动架水平架设在内导轨和外导轨上，并且可沿着两导轨上下平滑移动；齿条竖直架设在固定架上，发电机安装在移动架的背部，发电机的转动轴上固定安装有齿轮，此齿轮与齿条相啮合，发电机5的输出端连接蓄电池以存储发电机产生的电能。
优选的，蓄电池为步进电机和控制单元提供工作电源。
相应的，本发明还提供了一种穿戴式发电装置的控制方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤S1，采集穿戴者行进加速度，计算获得穿戴者振动频率；
步骤S2，采集涡卷弹簧的拉力，计算获得发电装置的质量；
步骤S3，依据穿戴者振动频率和发电装置质量，计算获得涡卷弹簧的伸长量，然后调节步进电机行程来使涡卷弹簧的拉伸长度达到伸长量，以调节复合式弹簧的刚度，进而最终实现调节发电装置自身的特征频率，使其与穿戴者振动频率发生谐振。
优选的，计算获得涡卷弹簧的伸长量的具体过程为：
首先记发电装置本身的特征频率为f1，人体行走振动频率为f2，为了发电装置自身的特征频率与穿戴者振动频率发生谐振，则令f1＝f2，
发电装置本身的特征频率由复合式弹簧的刚度和发电装置的质量所决定，其特征频率的公式为：
其中k表示复合式弹簧的刚度，m代表发电装置总质量；
在获取f2和m数值的情况下，计算出对应的复合式弹簧的刚度k值的大小，再根据复合弹簧刚度和拉力，计算出涡卷弹簧需要拉伸的伸长量。
优选的，然后在次读取加速度传感器测量值，计算出人体躯干振动频率f2’，进行循环判断条件：(f2’-f2)/f2>K，K是一个常数，(f2’-f2)/f2代表人体振动频率变化程度，当此判断条件为真，说明人体振动频率发生大的变动，需要调整发电装置的特征频率，则重复步骤S3过程调节发电装置的特征频率。
优选的，K取值范围是[-0.5,0.5]。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明根据拉力传感器和加速度传感器的测量值计算出背包的总质量和人体行走步态的振动频率，调节步进电机的行程来改变涡卷弹簧的伸长量，进而改变背包本身的特征频率，使背包的特征频率始终和人体行走时躯干振动频率保持一致，达到了能量高效捕获的目的。
附图说明
图1是本发明发电装置的结构示意图；
图2是本发明发电装置频率自调谐控制原理框图；
图3是本发明发电装置频率自调谐控制流程示意图。
附图标记：1、固定座；2、外导轨；3、内导轨；4、移动架；5、发电机；6、齿轮；7、齿条；8、支撑弹簧；9、蓄电池；10、步进电机；11、涡卷弹簧；12、拉力传感器；13、加速度传感器；14、微控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明专利的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明专利中的具体含义。
本发明的一种穿戴式发电装置(简称为发电装置或者发电背包)，参见图1至图2所示，包括矩形的固定架、能量转换组件和频率自调谐组件，固定架内竖直架设有一对内导轨，在一对内导轨上横向架设所述能量转换组件，每个内导轨上位于能量转换组件与固定架底部框之间均套设有支撑弹簧，此支撑弹簧用来支撑能量转换组件随穿戴者行进时沿内导轨上下振动，进而能量转换组件将自身上下振动能量转换为电能存储；
频率自调谐组件包括步进电机、涡卷弹簧、加速度采集器、拉力采集器以及控制单元；步进电机及控制单元由能量转换组件供电；加速度采集器和控制单元固定在固定架上，步进电机与能量转换组件固定，拉力采集器固定在固定架底部框上，涡卷弹簧一端与拉力采集器连接，另一端与步进电机的转动轴相连，涡卷弹簧和支撑弹簧形成复合式弹簧，涡卷弹簧的伸长量变化可改变复合式弹簧的刚度；
控制单元采集加速度采集器和拉力采集器获得穿戴者行进加速度和涡卷弹簧拉力，然后依据加速度数据获得穿戴者振动频率，依据拉力数据获得发电装置的质量，再依据穿戴者振动频率和发电装置质量调节步进电机行程来改变涡卷弹簧的拉伸长度，以调节复合式弹簧的刚度，进而最终实现调节发电装置自身的特征频率，使其与穿戴者振动频率发生谐振。
本发明实施例中，加速度采集器采用现有技术中的加速度传感器，拉力采集器采用现有技术中的拉力传感器，控制单元采用现有技术中的微控制器或单片机来实现。
本发明发电装置根据采集到的加速度和拉力信息调节步进电机行程，来改变发电装置自身的特征频率，最终实现穿戴者和发电装置之间形成谐振，使发电装置输出能量最大化。
实施例
本发明穿戴式发电装置的实施例，参见图1所示，上下两个固定座1和竖直两个外导轨2构成矩形的固定架，在两个外导轨2的内侧竖直设有一对内导轨3，内导轨3的上下两端分别固定在上下两个固定座1上，在一对内导轨3上横向架设能量转换组件，
能量转换组件包括移动架4、齿条7、齿轮6、发电机5和蓄电池9，移动架4水平架设在内导轨3和外导轨2上，并且可沿着两导轨上下平滑移动；齿条7两端分别架设在上下两个固定座1上，发电机5安装在移动架4的背部，发电机5的转动轴上固定安装有齿轮6，此齿轮6与齿条7相啮合，在每个内导轨3上均套设有支撑弹簧8，此支撑弹簧8上端与移动架4固连，此支撑弹簧8为移动架4在内导轨3上上下平滑移动提供回复力，蓄电池9安装在移动架的正面上，发电机5的输出端连接蓄电池9，蓄电池存储发电机产生的电能，并为频率自调谐组件中的步进电机、微控制器、加速度传感器和拉力传感器提供电源。当频率自调谐组件中还有其他需要电源的器件，均可考虑用蓄电池为其供电。
本发明实例中，当使用者背上此发电装置进行行走时，人体的躯干在竖直方向上等效于一个周期性振动的能量源，此时移动架也在竖直方向上进行上下振动，移动架移动过程中，带动齿轮在齿条上滚动，进而带动发电机进行发电，发电机将获取的电能储存在蓄电池中。
频率自调谐组件包括步进电机10、涡卷弹簧11、加速度传感器13、拉力传感器12以及微控制器14；加速度传感器13和微控制器14固定在下端固定座1上，步进电机10安装在移动架4上，拉力传感器12固定在下端固定座1上，涡卷弹簧11一端与拉力传感器12连接，另一端与步进电机10的转动轴相连，涡卷弹簧11和两个支撑弹簧8形成复合式弹簧，涡卷弹簧的伸长量变化可改变复合式弹簧的刚度。
本发明发电装置实现调节自身频率的原理图参考图2所示，加速度传感器可以测量人体运动时的加速度大小。拉力传感器可以监测出涡卷弹簧上拉力的大小。然后依据加速度数据获得人体振动频率，依据拉力数据获得发电装置的质量，再依据穿戴者振动频率和发电装置质量调节步进电机行程来改变涡卷弹簧的拉伸长度，以调节复合式弹簧的刚度，进而最终实现调节发电装置自身的特征频率，使其与穿戴者振动频率发生谐振。具体分析如下：
发电装置是一个弹簧-质量-阻尼系统。当发电装置的特征频率与人行走时躯干振动频率一致而产生谐振时，移动架的振动幅度才能达到最大，此状态下能量收集效率才达到最高。由力学知识可知，发电装置本身的特征频率由复合式弹簧的刚度和发电装置的质量所决定，其特征频率的公式为：
其中f1代表发电装置自身的特征频率，k表示复合式弹簧的刚度，m代表发电装置总质量。
加速度传感器将采集到的加速度数据传递给微控制器，微控制器根据加速度数据计算获得人体行走时的振动频率f2。本实施例中直接将加速度数据的数值作为振动频率的数值。
发电装置质量m会随着其中存放物品的变化而变化。由物理学知识可知，弹簧在弹性形变范围内，其伸长量和弹簧上所受的力成正比关系：F＝k1L。其中F为弹簧所受拉力，k1为弹簧弹性系数，L为弹簧的拉伸长度。
发电装置安装完整后，涡卷弹簧初始长度变化了ΔL，即涡卷弹簧上增大的拉力ΔF与发电装置的重力G(G＝mg，g为重力加速度)相等。这个拉力ΔF也是拉力传感器测量值的变化量。故微控制器只要将ΔF除以g就能得到质量m的数值。
为了使人体与背包之间产生谐振，需要令f1＝f2，即发电背包的特征频率f1等于人体行走时的振动频率f2。微控制器在获取f2和m数值的情况下，可以计算出对应的复合式弹簧的刚度k值的大小。由物理学知识可知，弹簧刚度k是弹簧上拉力与弹簧伸长量的比值，即k＝dF/dL。已知弹簧刚度和弹簧上拉力，微控制器可以计算出涡卷弹簧需要拉伸的伸长量Δl，然后调节步进电机的行程来改变涡卷弹簧的伸长量Δl，使复合式弹簧的刚度达到理想值k。最终使背包特征频率与人体躯干振动频率保持一致。
相应的，本发明发电装置实现调节自身频率的过程参考图3所示，即微控制器中程序按照图中的过程执行。微控制器启动后，首先读取加速度传感器和拉力传感器的测量值，计算出发电装置总质量m和人体躯干振动频率f2。随后，为了使发电装置的振动频率和人体躯干振动频率保持一致，令f1＝f2。微控制器计算出涡卷弹簧的伸长量Δl，然后调节步进电机的行程，使涡卷弹簧的长度达到Δl，从而改变了发电装置的特征频率。
然后再次读取加速度传感器测量值，计算出人体躯干振动频率f2’，进行循环判断条件：(f2’-f2)/f2>K(K是一个常数)，用于确定下一步需要执行的操作。f2’-f2是人体振动频率的变化量，(f2’-f2)/f2代表人体振动频率变化程度，当人体变动频率变化较大时需要调节步进电机的行程。本实施例中K取值范围是[-0.5,0.5]，可以调整K的取值范围来改变频率调节的灵敏度。
当此判断条件为真，说明人体振动频率发生大的变动，需要调整发电装置的特征频率，则微控制器重新调节步进电机的行程以改变发电装置的特征频率。当此条件为假时，说明人体振动频率无变化或者变化很小，不需要进行调整发电装置的特征频率，则微控制器不调节步进电机的行程。微控制器通过循环判断此条件以确定是否需要调节步进电机，实现了发电装置频率的实时自调谐。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种穿戴式发电装置，其特征是，包括矩形的固定架、能量转换组件和频率自调谐组件，固定架内竖直架设有一对内导轨，在此对内导轨上横向架设所述能量转换组件，每个内导轨上位于能量转换组件与固定架底部框之间均套设有支撑弹簧，此支撑弹簧用来支撑能量转换组件随穿戴者行进时沿内导轨上下振动，进而能量转换组件将自身上下振动能量转换为电能存储；
频率自调谐组件包括步进电机、涡卷弹簧、加速度采集器、拉力采集器以及控制单元；步进电机及控制单元由能量转换组件供电；加速度采集器和控制单元固定在固定架上，步进电机与能量转换组件固定，拉力采集器固定在固定架底部框上，涡卷弹簧一端与拉力采集器连接，另一端与步进电机的转动轴相连，涡卷弹簧和支撑弹簧形成复合式弹簧，涡卷弹簧的伸长量变化可改变复合式弹簧的刚度；
控制单元采集加速度采集器和拉力采集器获得穿戴者行进加速度和涡卷弹簧拉力，然后依据加速度数据获得穿戴者振动频率，依据拉力数据获得发电装置的质量，再依据穿戴者振动频率和发电装置质量调节步进电机行程来改变涡卷弹簧的拉伸长度，以调节复合式弹簧的刚度，进而最终实现调节发电装置自身的特征频率，使其与穿戴者振动频率发生谐振。
2.根据权利要求1所述的一种穿戴式发电装置，其特征是，能量转换组件包括移动架、齿条、齿轮、发电机和蓄电池，移动架水平架设在内导轨和外导轨上，并且可沿着两导轨上下平滑移动；齿条竖直架设在固定架上，发电机安装在移动架的背部，发电机的转动轴上固定安装有齿轮，此齿轮与齿条相啮合，发电机5的输出端连接蓄电池以存储发电机产生的电能。
3.根据权利要求2所述的一种穿戴式发电装置，其特征是，蓄电池为步进电机和控制单元提供工作电源。
4.一种根据权利要求1所述的穿戴式发电装置的控制方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤S1，采集穿戴者行进加速度，计算获得穿戴者振动频率；
步骤S2，采集涡卷弹簧的拉力，计算获得发电装置的质量；
步骤S3，依据穿戴者振动频率和发电装置质量，计算获得涡卷弹簧的伸长量，然后调节步进电机行程来使涡卷弹簧的拉伸长度达到伸长量，以调节复合式弹簧的刚度，进而最终实现调节发电装置自身的特征频率，使其与穿戴者振动频率发生谐振。
5.根据权利要求4所述的一种穿戴式发电装置的控制方法，其特征是，计算获得涡卷弹簧的伸长量的具体过程为：
首先记发电装置本身的特征频率为f1，人体行走振动频率为f2，为了发电装置自身的特征频率与穿戴者振动频率发生谐振，则令f1＝f2，
发电装置本身的特征频率由复合式弹簧的刚度和发电装置的质量所决定，其特征频率的公式为：
其中k表示复合式弹簧的刚度，m代表发电装置总质量；
在获取f2和m数值的情况下，计算出对应的复合式弹簧的刚度k值的大小，再根据复合弹簧刚度和拉力，计算出涡卷弹簧需要拉伸的伸长量。
6.根据权利要求5所述的一种穿戴式发电装置的控制方法，其特征是，然后再次读取加速度传感器测量值，计算出人体躯干振动频率f2’，进行循环判断条件：(f2’-f2)/f2>K，K是一个常数，(f2’-f2)/f2代表人体振动频率变化程度，当此判断条件为真，说明人体振动频率发生大的变动，需要调整发电装置的特征频率，则重复步骤S3过程调节发电装置的特征频率。
7.根据权利要求6所述的一种穿戴式发电装置的控制方法，其特征是，K取值范围是[-0.5,0.5]。
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Application publication date: 20181225

Assignee: NANJING RONGFEI TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2020980007041

Denomination of invention: A wearable power generation device and its control method

Granted publication date: 20191108

License type: Common License

Record date: 20201023

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Assignee: NANJING RONGFEI TECHNOLOGY CO.,LTD.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2020980007041

Date of cancellation: 20211122

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