CN109217484A - 一种无线充电对准装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线充电对准装置及系统，包括安装座，安装在所述安装座上的扇形对准组件，用于传输电能的感应线圈，可移动地安装在扇形对准组件上用于承载感应线圈的线圈基板，用于为所述线圈基板提供动力的动力组件，所述线圈基板与所述动力组件之间通过连接件连接，用于检测碰撞接触位置的碰撞信号采集组件，用于实现电气控制的控制器，所述控制器根据所述碰撞信号采集组件采集的碰撞信号确定碰撞位置，根据所述碰撞位置控制动力组件带动所述线圈基板转动，直至所述感应线圈的法线方向转动至所述碰撞位置所在方向以完成对准操作，通过感应线圈可转动辅助对准，不再要求充电装置有精确的位置要求，使得感应线圈的法线方向重合即可完成对准。

Description

一种无线充电对准装置及系统

技术领域

本发明涉及电能传输领域，特别涉及一种无线充电对准装置及系统。

背景技术

随着科学技术不断发展，各种机器人越来越多的走进各个领域。其中移动机器人是一大类，移动机器人摆脱了线缆的束缚，可以更大范围，更灵活的完成指定的任务。移动机器人的能源通常由两种方式解决，燃料供能或者电池供电。比如波士顿动力的大狗机器人，就是使用内燃机发电，再供给机器人使用。其缺点是能源转换效率低，同时噪声较大，还有尾气排放。使用电池供能是现在移动机器人大多数的选择，其中以锂电池为主。电池供能的优点是能源转换效率高，超过90％，噪声小，无污染，可以室内使用。缺点是能量密度低导致续航时间短，充电也需时间，不能像汽车加油一样瞬间完成。所以高密度储能电池和充电技术是未来的研究方向。

一般机器人充电都需要电源线缆连接，随着技术发展，无线充电技术越来越成熟，无线充电主要有电磁感应，电场耦合，空间谐振等几种方式，最成熟应用的还是电磁感应方式。电磁感应式的无线充电主要通过送电线圈和受电线圈的电磁感应来传递能量，其中送电线圈和受电线圈的对接角度是决定电能传输好坏的最主要因素。

移动机器人本身不一定采用非常昂贵精准的导航设备，很多机器人在位置定位上只要求定位的精度在10cm之内即可，这样对无线充电时线圈的对准带来很大的麻烦。同时机器人对准的过程中需要不断的调整位姿，这样也需要较长时间才能较好的对准，而且还不能确定就是最好的对准角度。比如大多差动轮式底盘的充电接口都选择在头部或者是尾部，在微调充电角度时基本都是要求有微小的侧移的动作，这对机器人来说非常麻烦。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种无线充电对准装置及系统，在进行无线充电时候，通过碰撞位置调整线圈的角度实现，实现快速对准，得到最高效率的充放电位置，操作方便。

第一方面，本发明提供一种无线充电对准装置，所述装置包括：

安装座；

安装在所述安装座上的扇形对准组件；

用于传输电能的感应线圈；

可移动地安装在所述扇形对准组件上用于承载所述感应线圈的线圈基板；

用于为所述线圈基板提供动力的动力组件，所述线圈基板与所述动力组件之间通过连接件连接；

用于检测碰撞接触位置的碰撞信号采集组件；

用于实现电气控制的控制器；

所述控制器根据所述碰撞信号采集组件采集的碰撞信号确定碰撞位置，根据所述碰撞位置控制动力组件带动所述线圈基板转动，直至所述感应线圈的法线方向转动至所述碰撞位置所在方向以完成对准操作。

可选地，所述扇形对准组件包括半圆柱型侧壁，所述线圈基板为矩形板，所述矩形板的四角分别设有滑轮，所述滑轮抵靠在所述半圆柱型侧壁的内壁上。

可选地，所述半圆柱型侧壁内侧平行设有两条轨道，所述轨道沿所述半圆柱型侧壁内侧延伸设置，所述滑轮与所述轨道配合转动。

可选地，所述线圈基板的材料为铁氧体材料。

可选地，所述装置还包括无线收发器，所述无线收发器与所述控制器电连接。

可选地，当所述无线充电对准装置用于机器人本体时，所述感应线圈为充电线圈，当所述无线充电对准装置用于充电站时，所述感应线圈为送电线圈。

可选地，所述半圆柱型侧壁的材料为树脂材料。

可选地，所述碰撞信号采集组件为多个水平分布的碰撞条，所述碰撞条沿着所述半圆柱型侧壁的外周壁的周向方向延伸设置。

第二方面，本发明提供一种无线充电对准系统，所述系统包括机器人本体及充电站，所述机器人本体和所述充电站均包括如上面内容所述的无线充电对准装置，所述机器人本体和所述充电站分别根据碰撞位置调整各自的感应线圈的法线方向共线。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明提供一种无线充电对准装置及系统，包括安装座，安装在所述安装座上的扇形对准组件，用于传输电能的感应线圈，可移动地安装在扇形对准组件上用于承载感应线圈的线圈基板，用于为所述线圈基板提供动力的动力组件，所述线圈基板与所述动力组件之间通过连接件连接，用于检测碰撞接触位置的碰撞信号采集组件，用于实现电气控制的控制器，所述控制器根据所述碰撞信号采集组件采集的碰撞信号确定碰撞位置，根据所述碰撞位置控制动力组件带动所述线圈基板转动，直至所述感应线圈的法线方向转动至所述碰撞位置所在方向以完成对准操作，通过感应线圈可转动辅助对准，不再要求充电装置有精确的位置要求，使得感应线圈的法线方向重合即可完成对准。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的无线充电对准装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中提供的无线充电对准装置的线圈基板运动范围示意图；

图3是本发明实施例中提供的无线充电对准装置的辅助对接时两线圈距离示意图；

图4是本发明实施例中提供的无线充电对准装置的调整线圈位置完成对准流程中A至F的过程实例示意图。

安装座1，线圈基板2，感应线圈3，动力组件4，连接件5，滑轮6，无线收发器7，碰撞信号采集组件8，半圆柱型侧壁10。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

结合图1所示，本发明提供一种无线充电对准装置，所述装置包括：

安装座1；

安装在所述安装座1上的扇形对准组件；

用于传输电能的感应线圈3；

可移动地安装在所述扇形对准组件上用于承载所述感应线圈3的线圈基板2；

用于为所述线圈基板2提供动力的动力组件4，所述线圈基板2与所述动力组件4之间通过连接件5连接；

用于检测碰撞接触位置的碰撞信号采集组件8；

用于实现电气控制的控制器(图中未示出)；

所述控制器根据所述碰撞信号采集组件8采集的碰撞信号确定碰撞位置，根据所述碰撞位置控制动力组件4带动所述线圈基板2转动，直至所述感应线圈3的法线方向转动至所述碰撞位置所在方向以完成对准操作。

通过使用本发明设计对准方法，在基于线圈可转动的对准装置上，不再要求机器人与充电站无线充电时机器人本体与充电站之间有精确的位置要求，也无需附加其他外设来知道机器人本体与充电站的对接角度，通过依次循环调整充电站内送电线圈和机器人本体上受电线圈的角度，使得感应线圈3的法线方向重合即可完成对准。

进一步地，还可以在感应线圈3角度调整过程中辅助以感应电流大小的检测，按照充电电流的变化，经几次循环后，就能使两线圈中心法线位置基本重合，以获得最好的充电效果。经过实验测得，基本上进行三个3个循环的调整就能达到期望的效果。

可选地，所述扇形对准组件包括半圆柱型侧壁10，所述线圈基板2为矩形板，所述矩形板的四角分别设有滑轮，所述滑轮抵靠在所述半圆柱型侧壁10的内壁上，在本实施例中，半圆柱型侧壁10的半径可以为20厘米，矩形板的尺寸为20厘米×20厘米的正方形基板，线圈基板2的材料为铁氧体材料，对此不做限定。

为了更好便于线圈基板2的转动，所述半圆柱型侧壁10内侧平行设有两条轨道(图中未示出)，所述轨道沿所述半圆柱型侧壁10内侧延伸设置，所述滑轮与所述轨道配合转动，滑轮和轨道配合转动可以使得线圈基板2的转动不易发生窜动，可以起到限位的作用。

可选地，所述装置还包括无线收发器7，所述无线收发器7与所述控制器电连接，这里无线收发器7可以采用Wi-Fi(中文：无线保真，英文：Wireless-Fidelity)收发器，例如，在充电站端安装有Wi-Fi主站，机器人端安装有Wi-Fi从站，用于两者通信，可以传输充电相关的信息，也可用于多机器人使用同一充电站时的调度。

需要说明的是，为了避免发生电磁干扰，无线收发器7设置的位置需要远离感应线圈3，以免在充电过程中受到强磁场干扰，对于具体的安装位置不做限定，本领域技术人员可以灵活设定，对此不做限定。

结合图2和3所示，连接件5可以为支架，动力组件4可以为伺服电机，支架的一端安装在伺服电机的转轴的径向方向上，支架的另一端与线圈基板2的四个边角固定连接，伺服电机转动时候可以带动线圈基板2沿着半圆柱侧壁上的轨道转动，在一些实施例中，线圈基板2沿半圆柱侧壁可以运动的角度是120°。同样，机器人端受电线圈也设计成同样的结构。可以看出，当充电站端与机器人相接时可以使用避碰条作为接触上的信号，送电线圈和受电线圈都将位置调整到法线位置与两半圆柱圆心连线重合的位置，这样两个线圈重合效果最好。此时两线圈的最小距离即是两圆柱面相接情况，距离为2*(20-20*cos(π/6))＝5.36cm，这个距离是可以保证充电效果不受影响的。

结合图2所示，充电站送电线圈的基板可以转动120°，所以机器人停靠位置使得受电线圈所属圆柱的圆心在以充电站半圆柱为基准的30°到150°之内即可，同理，机器人停靠位置使得送电线圈所属圆柱的圆心在以机器人上半圆柱为基准的30°到150°之内即可。这使得机器人对接充电站的姿态有极大的自由选择。机器人与充电站对接之后，通过调整送电线圈和受电线圈的角度，使两线圈法线位置重合，可以完成充电的对准操作。

由于在送电线圈和受电线圈之间传输电能是不能有金属的，使用金属会影响传输电能的效果，因此本实施例中，半圆柱型侧壁10的材料为树脂材料，本领域不同技术人员应当了解，对此不作赘述。

本发明在充电线圈侧面对接方式的基础上，将送电线圈和受电线圈都设计成可旋转的，在机器人对接充电站时，可以通过旋转线圈，完成更好的对接角度。通过使用本发明设计的辅助对接装置，不再要求机器人与充电站无线充电时机器人本体与充电站之间有精确的位置要求，通过调整充电站内送电线圈和机器人本体上受电线圈的角度，就能使两线圈中心法线位置重合，以获得最好的充电效果。

为了更好检测在进行无线充电时接触的位置，碰撞信号采集组件8为多个水平分布的碰撞条，所述碰撞条沿着所述半圆柱型侧壁10的外周壁的周向方向延伸设置，通过在机器人和充电站上设置一些用于识别位置的设备，比如在外壳的外面分段的加入避碰条，当机器人与充电站接触时，根据哪个避碰条的信号变化来获得大概对接角度，将线圈转动至信号变化的避碰条位置。避碰条分割端越多，获得的位置信息越详细，使得对碰撞位置的检测也更加准确。

需要说明的是，本发明实施例中提供的无线充电对准装置可以用在无线充电系统中的送电侧和充电侧，如对无线充电机器人系统时，充电侧为机器人本体，送电侧为充电站，具体地，当所述无线充电对准装置用于机器人本体时，所述感应线圈3为充电线圈，当所述无线充电对准装置用于充电站时，所述感应线圈3为送电线圈，除了应用于机器人充电，还可以用于其他设备进行无线充电，如电动汽车的无线充电，对此不进行限定。

结合图4所示，下面以机器人进行无线充电为例，进一步具体对本发明的无线充电对准装置进行解释说明：

当机器人需要充电时，通过导航运动至充电站附近，以机器人的无线充电对准装置朝向充电站的无线充电对准装置方向慢速靠近，当两者的避碰条相接时，机器人停止运动并解除电机使能，以防电机保持转矩对充电站施力。然后充电站打开充电功能，送电线圈开始旋转，在旋转的过程中记录充电电流。因为电路的设计影响，充电电流是不能够瞬时响应的，所以旋转速度要低，大约设为6°/s。当充电站送电线圈完成扫描之后，计算整个过程中充电电流的最大值，使线圈停止在充电电流最大的位置。然后充电站通知机器人充电装置调整。然后机器人端的受电线圈开始转动，寻找能使充电电流更大的方向，此时受电线圈旋转速度要更低，约3°/s。除非现在对接角度已经处于最好的状态，否则受电线圈一旦发现充电电流变小，就向另一方向寻找。当受电线圈在寻找到最大充电电流之后，受电线圈停止在最大充电电流处，再次调整送电线圈角度寻找更大充电电流。这样几个循环之后，基本上就能完成对接行为。此方法基于无线充电原理中，送电线圈和受电线圈中心距以及受电线圈在送电线圈的映射面积是表象上影响充电效果的因素。在第一步送电线圈寻找到最大充电电流位置之后，只要不是直接进入两线圈中心法线重合的位置，那么转动受电线圈，就会有更大充电电流的角度，通过两线圈交替的调整，能够不断的收敛，完成两线圈的完美对准。

对应地，本发明还提供一种无线充电对准系统，所述系统包括机器人本体及充电站，所述机器人本体和所述充电站均包括如上面内容所述的无线充电对准装置，所述机器人本体和所述充电站分别根据碰撞位置调整各自的感应线圈3的法线方向共线。

当机器人需要充电时，通过导航运动至充电站附近，以机器人的无线充电对准装置朝向充电站的无线充电对准装置方向慢速靠近，当两者的避碰条相接时，机器人停止运动并解除电机使能，以防电机保持转矩对充电站施力。然后充电站打开充电功能，送电线圈开始旋转，在旋转的过程中记录充电电流。因为电路的设计影响，充电电流是不能够瞬时响应的，所以旋转速度要低，大约设为6°/s。当充电站送电线圈完成扫描之后，计算整个过程中充电电流的最大值，使线圈停止在充电电流最大的位置。然后充电站通知机器人充电装置调整。然后机器人端的受电线圈开始转动，寻找能使充电电流更大的方向，此时受电线圈旋转速度要更低，约3°/s。除非现在对接角度已经处于最好的状态，否则受电线圈一旦发现充电电流变小，就向另一方向寻找。当受电线圈在寻找到最大充电电流之后，受电线圈停止在最大充电电流处，再次调整送电线圈角度寻找更大充电电流。这样几个循环之后，基本上就能完成对接行为。此方法基于无线充电原理中，送电线圈和受电线圈中心距以及受电线圈在送电线圈的映射面积是表象上影响充电效果的因素。在第一步送电线圈寻找到最大充电电流位置之后，只要不是直接进入两线圈中心法线重合的位置，那么转动受电线圈，就会有更大充电电流的角度，通过两线圈交替的调整，能够不断的收敛，完成两线圈的完美对准。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种无线充电对准装置及系统进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种无线充电对准装置，其特征在于，所述装置包括：

安装座；

安装在所述安装座上的扇形对准组件；

用于传输电能的感应线圈；

可移动地安装在所述扇形对准组件上用于承载所述感应线圈的线圈基板；

用于为所述线圈基板提供动力的动力组件，所述线圈基板与所述动力组件之间通过连接件连接；

用于检测碰撞接触位置的碰撞信号采集组件；

用于实现电气控制的控制器；

所述控制器根据所述碰撞信号采集组件采集的碰撞信号确定碰撞位置，根据所述碰撞位置控制动力组件带动所述线圈基板转动，直至所述感应线圈的法线方向转动至所述碰撞位置所在方向以完成对准操作。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扇形对准组件包括半圆柱型侧壁，所述线圈基板为矩形板，所述矩形板的四角分别设有滑轮，所述滑轮抵靠在所述半圆柱型侧壁的内壁上。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述半圆柱型侧壁内侧平行设有两条轨道，所述轨道沿所述半圆柱型侧壁内侧延伸设置，所述滑轮与所述轨道配合转动。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述线圈基板的材料为铁氧体材料。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括无线收发器，所述无线收发器与所述控制器电连接。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所述无线充电对准装置用于机器人本体时，所述感应线圈为充电线圈，当所述无线充电对准装置用于充电站时，所述感应线圈为送电线圈。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述半圆柱型侧壁的材料为树脂材料。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述碰撞信号采集组件为多个水平分布的碰撞条，所述碰撞条沿着所述半圆柱型侧壁的外周壁的周向方向延伸设置。

9.一种无线充电对准系统，其特征在于，所述系统包括机器人本体及充电站，所述机器人本体和所述充电站均包括如权利要求1至8中任一项所述的无线充电对准装置，所述机器人本体和所述充电站分别根据碰撞位置调整各自的感应线圈的法线方向共线。