CN110011392A - 一种巡检机器人无线充电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种巡检机器人无线充电系统，包括巡检机器人、无线充电桩和辅助导向架，巡检机器人包括行走装置、电池仓、云台以及红外测温监控装置和可见视频监控装置，电池仓内设置无线充电接收装置、电池和接收电路系统，无线充电桩包括无线充电发射装置，辅助导向架包括两个竖直支撑部，两个竖直支撑部相对的一侧分别沿竖直支撑部长度方向设置一组导向轮。与现有技术相比，本发明电池即将耗尽时可通过无线充电技术快速充电，非常方便，本发明通过导向轮对巡检机器人起导向作用，使巡检机器人与无线充电桩完全对准，提高巡检机器人的充电效率。

Description

一种巡检机器人无线充电系统及方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种巡检机器人无线充电系统及方法。
背景技术
随着变电站无人值班制度的实行，目前220kV变电站的例行巡视周期一般为一周两次，全面巡视为一月一次，这就导致变电站运维人员无法实时掌握站内设备的运行情况。同时，随着变电站规模的扩大，红外测温、局放等带电检测职责的移交，变电运维人员的巡视任务随之急剧增长。机器人可根据需求携带各类检测仪器，依照预先设定好的任务自动开展工作，受环境、气候以及作业时间的影响较小。因此，为了能够实时掌握现场设备的运行情况，减轻变电运维人员的巡视任务，机器人逐步应用于变电站，与人工巡视相结合开展变电站巡检工作，从而达到减轻变电运维人员巡视任务，提高巡视效率的目的。
无线充电技术”是基于“电磁感应”原理，分为能量发射端和接收端，发射端和接收端之间无需物理连接。发射端利用电能转换装置将市电转换成高频交流电，高频交流电产生变化的磁场，通过空气等介质将能量发射出去；接收端放置于发射端的磁场中，根据“电磁感应”原理，会感应出电流，然后通过电能转换装置转换成终端设备所需要的电能。通俗来讲就是，发射端是“电转磁”，接收端是“磁转电”，通过“电磁电”转换，从而实现了能量的无线传输。无线充电技术是提高巡检机器人巡检效率的有效手段。无线充电虽然符合当前技术的发展趋势，但是限制它在电力巡检机器人的应用的最大的因素就是充电效率不高。
目前电力巡检机器人行业普遍使用的无线充电标准的充电功率为400W，但是这时发送端的功率，接收端接收到有效功率约为200W，充电效率较低，导致巡检机器人的充电时间较长，导致无法有效提高电力巡检机器人的巡检效率。
此外，由于巡检机器人的工作量大，需要经常充电，目前现有的机器人无线充电技术在机器人行走过程中难以保证机器人与无线充电桩完全对齐，往往需要借助人工辅助才能完成。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种巡检机器人无线充电系统的技术方案。
所述的一种巡检机器人无线充电系统，其特征在于包括巡检机器人、无线充电桩和辅助导向架，
巡检机器人包括行走装置、设置在行走装置上的电池仓、设置在电池仓上的云台以及分别设置在云台两侧的红外测温监控装置和可见视频监控装置，电池仓内设置无线充电接收装置、电池和接收电路系统；
无线充电桩包括无线充电发射装置；
辅助导向架包括两个构成“八”字形的竖直支撑部，两个竖直支撑部相对的一侧分别沿竖直支撑部长度方向设置一组导向轮；
巡检机器人向无线充电桩逼近时，巡检机器人的侧面与导向轮配合连接，导向轮引导巡检机器人行走，使巡检机器人上的无线充电接收装置对准无线充电桩上的无线充电发射装置。
所述的一种巡检机器人无线充电系统，其特征在于所述两个竖直支撑部之间固定连接水平支撑部。
所述的一种巡检机器人无线充电系统，其特征在于所述水平支撑部的两端超出竖直支撑部，水平支撑部两端与竖直支撑部之间固定连接多个加强筋。
所述的一种巡检机器人无线充电系统，其特征在于所述接收电路系统包括整流滤波电路、DC-DC转换电路、充电管理电路、第一MCU控制电路、电压采样电路和无线信号发射电路，无线充电接收装置、整流滤波电路、DC-DC转换电路、充电管理电路和电池依次电连接，电压采样电路分别与整流滤波电路和第一MCU控制电路电连接，充电管理电路与第一MCU控制电路电连接，第一MCU控制电路与无线信号发射电路电连接。
所述的一种巡检机器人，其特征在于所述无线充电接收装置为无线发射线圈，无线充电接收装置形成LC 感应电路。
所述的一种巡检机器人，其特征在于所述云台可相对电池仓左右转动。
所述的一种巡检机器人，其特征在于所述红外测温监控装置可相对云台上下转动，可见视频监控装置可相对云台上下转动。
所述的一种巡检机器人无线充电系统，其特征在于所述无线充电桩还包括立柱、设置在立柱上的充电桩箱体和设置在充电桩箱体内的发射电路系统，无线充电发射装置设置在充电桩箱体内。
所述的一种巡检机器人无线充电系统，其特征在于所述发射电路系统包括逆变电路、采样反馈电路、AD转换电路、驱动电路、第二MCU控制电路和无线信号接收电路，无线充电发射装置为无线发射线圈，无线充电发射装置形成LC谐振电路，逆变电路、LC谐振电路、采样反馈电路、AD转换电路、第二MCU控制电路和驱动电路依次电连接，驱动电路与逆变电路电连接，第二MCU控制电路与无线信号接收电路电连接。
所述的一种巡检机器人无线充电方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：巡检机器人与无线充电桩对接；
步骤2：将交流市电先后通过EMI滤波电路、逆变电路和LC谐振电路，LC谐振电路产生高频的电磁场，第二MCU控制电路根据内部时钟信号按以下顺序循环控制驱动电路改变LC谐振电路的谐振频率：
序号1：谐振频率为100KHz，持续时间为2000s，调整间隔为100us；
序号2：谐振频率为120KHz，持续时间为2400s，调整间隔为100us；
序号3：谐振频率为140KHz，持续时间为2800s，调整间隔为100us；
序号4：谐振频率为160KHz，持续时间为3200s，调整间隔为100us；
序号5：谐振频率为180KHz，持续时间为3600s，调整间隔为100us；
序号6：谐振频率为200KHz，持续时间为4000s，调整间隔为100us；
序号7：谐振频率为180KHz，持续时间为3600s，调整间隔为100us；
序号8：谐振频率为160KHz，持续时间为3200s，调整间隔为100us；
序号9：谐振频率为140KHz，持续时间为2800s，调整间隔为100us；
序号10：谐振频率为120KHz，持续时间为2400s，调整间隔为100us；
序号11：谐振频率为100KHz，持续时间为2000s，调整间隔为100us；
步骤3：巡检机器人上的LC感应电路置身于LC谐振电路产生的电磁场中，LC感应电路生产高频的交流电，高频交流电先后经过整流滤波电路、DC-DC转换电路转换成输入充电管理电路的直流电压，充电管理电路给电池充电。
与现有技术相比，本发明电池即将耗尽时可通过无线充电技术快速充电，充电效率高，非常方便，本发明通过导向轮对巡检机器人起导向作用，使巡检机器人与无线充电桩完全对准，提高巡检机器人的充电效率。
附图说明
图1为本发明结构示意图之一；
图2为本发明结构示意图之二；
图3为本发明中的巡检机器人结构示意图之一；
图4为本发明中的巡检机器人结构示意图之二；
图5为本发明中的无线充电桩结构示意图；
图6为本发明中的辅助导向架结构示意图；
图7为本发明中的辅助导向架俯视结构示意图；
图8为本发明中的无线充电接收电路框图；
图9为本发明中的无线充电发射电路框图；
图10为本发明中的谐振频率调整时序表。
图中：1-巡检机器人、101-行走装置、102-电池仓、103-云台、104-红外测温监控装置、105-可见视频监控装置、106-无线充电接收装置、107-电池、108-整流滤波电路、109-DC-DC转换电路、1010-充电管理电路、1011-第一MCU控制电路、1012-电压采样电路、1013-无线信号发射电路、1014-路径扫描激光器、1015-喇叭模块、1016-报警灯、1017-风扇模块、1018-天线、2-无线充电桩、201-无线充电发射装置、202-立柱、203-充电桩箱体、204-逆变电路、205-采样反馈电路、206-AD转换电路、207-驱动电路、208-第二MCU控制电路、209-无线信号接收电路、3-辅助导向架、301-竖直支撑部、3012-平直段、3013-倾斜段、302-导向轮、30201-连接座、30202-导向轮本体、303-水平支撑部、304-加强筋。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1-9所示，一种巡检机器人无线充电系统，包括巡检机器人1、无线充电桩2和辅助导向架3。
巡检机器人1包括行走装置101、设置在行走装置101上的电池仓102、设置在电池仓102上的云台103以及分别设置在云台103两侧的红外测温监控装置104和可见视频监控装置105。其中，行走装置101为公知的能够自走的小车。电池仓102为壳体结构。云台103通过常规的第一转动机构实现云台103相对电池仓102可左右转动的功能，红外测温监控装置104和可见视频监控装置105同样通过常规的第二转动机构实现自身相对云台103可上下转动的功能。具体的，第一转动机构包括固定在电池仓102内的第一电机和由第一电机驱动旋转的第一转轴，第一转轴与云台103固定连接并带动云台103旋转，第一电机与第一转轴之间通过联轴器等公知的传动机构传动连接。第二转动机构包括设置在云台103内的第二电机、由第二电机驱动旋转的第二转轴，第二转轴的两端分别与红外测温监控装置104和可见视频监控装置105固定连接并带动其旋转，第二电机与第二转轴之间通过公知的伞齿轮或者蜗杆蜗轮结构实现传动。
红外测温监控装置104和可见视频监控装置105分别用于红外照片和可见光的拍摄。相应地，本发明的功能体现在可见光巡检和红外测温。
电池仓102上配合连接路径扫描激光器1014和喇叭模块1015。行走装置101上设置报警灯1016、风扇模块1017和天线1018。其中，路径扫描激光器1014可记录下本发明行走过的路径，形成记忆，下一个可根据该路径自动行走而无需人为操控。喇叭模块1015和报警灯1016用于发出警报。风扇模块1017用于散热。天线1018用于接受无线信号，与遥控器相配合，实现远程遥控。
电池仓内设置无线充电接收装置106、电池107和电路系统。无线充电接收装置106为无线发射线圈，该线圈形成LC 感应电路，用于接受无线充电桩产生的高频电磁场。电路系统集成于一块电路板上，电路系统包括整流滤波电路108、DC-DC转换电路109、充电管理电路1010、第一MCU控制电路1011、电压采样电路1012和无线信号发射电路1013，其中，LC感应电路、整流滤波电路108、DC-DC转换电路109、充电管理电路1010和电池107依次电连接，电压采样电路1012分别与整流滤波电路108和第一MCU控制电路1011电连接，充电管理电路1010与第一MCU控制电路1011电连接，第一MCU控制电路1011与无线信号发射电路1013电连接。
在巡检机器人1中，LC 感应电路、整流滤波电路108、DC-DC转换电路109、充电管理电路1010、第一MCU控制电路1011、电压采样电路1012、无线信号发射电路1013和电池107均为公知的电路结构。此外，巡检机器人1中的路径扫描激光器1014、报警灯1016、风扇模块1017、行走装置101中的电控模块、红外测温监控装置104、可见视频监控装置105、天线1018、第一电机和第二电机均与第一MCU控制电路1011电连接。
无线充电桩2包括立柱202、设置在立柱202上的充电桩箱体203以及设置在充电桩箱体203内的发射电路系统和无线充电发射装置201。无线充电发射装置201为公知的无线发射线圈，具体为环形L线圈，无线充电发射装置201形成LC谐振电路。发射电路系统集中于一块无线充电板中，发射电路系统包括逆变电路204、采样反馈电路205、AD转换电路206、驱动电路207、第二MCU控制电路208和无线信号接收电路209，其中，逆变电路204电连接500W直流电源，500W直流电源由交流市电输入，逆变电路204、LC谐振电路、采样反馈电路205、AD转换电路206、第二MCU控制电路208和驱动电路207依次电连接，驱动电路207与逆变电路204电连接，第二MCU控制电路208与无线信号接收电路209电连接。
在无线充电桩2中，LC谐振电路、逆变电路204、采样反馈电路205、AD转换电路206、驱动电路207、第二MCU控制电路208和无线信号接收电路209均为公知的电路结构。
辅助导向架3，包括两个构成“八”字形的竖直支撑部301，竖直支撑部301为板状结构，竖直支撑部301包括固定连接的平直段30102和倾斜段30103，两个竖直支撑部301的平直段30102之间形成平直通道，两个竖直支撑部301的倾斜段30103之间形成朝平直通道收紧的梯形通道，两个竖直支撑部301相对的一侧分别沿竖直支撑部301长度方向设置一组导向轮302，导向轮302包括两个与竖直支撑部301固定连接的连接座30201和与连接座30201通过销轴旋转连接的导向轮本体30202，其中，连接座30201为L形结构。具体的，竖直支撑部301上开设一组固定孔，连接座30201与固定孔通过螺丝固定连接。
两个竖直支撑部301之间固定连接水平支撑部303，水平支撑部303为板状结构，水平支撑部303的前后两端超出竖直支撑部301，水平支撑部303两端与竖直支撑部301之间固定连接多个加强筋304。
充电时，将辅助导向架3平放在地面上，将无线充电桩2放置在辅助导向架3的倾斜段13的附近，巡检机器人1从辅助导向架3的倾斜段13往平直段12行走，导向轮2对巡检机器人1起到导向作用，使巡检机器人1行走路径保持平直，进而使巡检机器人1走到无线充电桩2旁边时，巡检机器人1上的无线充电接收装置106与无线充电桩2上的无线充电发射装置201对准，然后进行充电工作。
一种巡检机器人无线充电方法，包括：
步骤1：巡检机器人1与无线充电桩2对接；
步骤2：将交流市电先后通过EMI滤波电路、逆变电路204和LC谐振电路，LC谐振电路产生高频的电磁场，第二MCU控制电路208根据内部时钟信号按图10所示的谐振频率调整时序表循环控制驱动电路207改变LC谐振电路的谐振频率：
序号1：谐振频率为100KHz，持续时间为2000s，调整间隔为100us；
序号2：谐振频率为120KHz，持续时间为2400s，调整间隔为100us；
序号3：谐振频率为140KHz，持续时间为2800s，调整间隔为100us；
序号4：谐振频率为160KHz，持续时间为3200s，调整间隔为100us；
序号5：谐振频率为180KHz，持续时间为3600s，调整间隔为100us；
序号6：谐振频率为200KHz，持续时间为4000s，调整间隔为100us；
序号7：谐振频率为180KHz，持续时间为3600s，调整间隔为100us；
序号8：谐振频率为160KHz，持续时间为3200s，调整间隔为100us；
序号9：谐振频率为140KHz，持续时间为2800s，调整间隔为100us；
序号10：谐振频率为120KHz，持续时间为2400s，调整间隔为100us；
序号11：谐振频率为100KHz，持续时间为2000s，调整间隔为100us；
步骤3：巡检机器人1上的LC感应电路置身于LC谐振电路产生的电磁场中，LC感应电路生产高频的交流电，高频交流电先后经过整流滤波电路108、DC-DC转换电路109转换成输入充电管理电路1010的直流电压，充电管理电路1010给电池107充电。
无线发射原理：交流市电输入后，通过直流电源将AC220V转换成DC30V，进入具有发射电路系统的无线充电板，无线充电板主要功能：将DC30V通过逆变电路204变成高频交流电，再经过LC谐振电路后，通过环形L线圈产生高频电磁场，最后通过空气将电能以电磁波的形式发射出去。其中采样反馈电路205采集LC谐振电路中的电压信号，经过AD转换电路206转成数字信号，提供给第二MCU控制电路208，第二MCU控制电路208根据此反馈的信号进行发射能量的调节。无线信号接收电路209接收到从无线充电接收端发射过来的信号，然后输入给第二MCU控制电路208，第二MCU控制电路208根据此信号来进行驱动信号的调整（调频、调占空比等），从而实现调整发射功率的目的。
无线接收原理：LC感应电路位于无线充电发射装置201产生的高频电磁场中，根据电磁感应原理就会感应出高频的交流电，高频交流电经过整流滤波电路108后变成直流电，然后经过DC-DC转换电路109转换成充电管理电路1010输入需要的直流电。
充电管理电路：充电管理电路1010的输出端接入到电池107上进行充电。充电管理电路1010会对电池107充电的整个过程进行管理，分为恒流充电阶段和恒压充电阶段。充电管理电路1010的输出电压可以通过电阻进行调节，调节反馈在18V-72V，适合大部分电池。
电压采样电路：电压采样电路1012收集到整流滤波电路108后直流电的电压，将此电压反馈给MCU控制电路1011，第一MCU控制电路1011再通过无线信号发射电路1013将此信号发射出去，无线充电桩2上的无线信号接收电路209用于接收此信号，然后反馈给第二MCU控制电路208，第二MCU控制电路208进行PWM控制信号的调整。
无线信号发射电路：第一MCU控制电路1011将接收到的电池充电状态反馈信号和电压采样电路1012采集到的电压信号提供给无线信号发射电路1013，无线信号发射电路1013将以上信号发射出去。
无线充电时第二MCU控制电路208通过对驱动信号的调整（调频、调占空比等），实现调整发射功率的目的。在无线充电器系统中，工作点设置在谐振频率上。发射端谐振频率和接收端谐振频率始终相同，接收端和发送端采用基本恒定的传输频率作为传输主频率，例如发射端以10MHz频率振动向周围发散出电磁场，而接受端需要同样以10MHz频率振动，才能接收到这个传递过来的能量。
充电期间，驱动信号的调整过程如下：
1、第二MCU控制电路208根据内部时钟信号，按序号1的调整间隔时间进行等待，然后控制驱动电路207将谐振频率调整成序号1表中的频率，并持续工作序号1表中时间；
2、按照表中的次序，依次工作；
3、将表中序号11记录执行完毕后时，重新冲需要1记录开始执行，如此往复。
本发明在采用一种能定时调整谐振频率的方式进行无线能量传输，可以有效的将传输效率提高10%左右。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种巡检机器人无线充电系统，其特征在于包括巡检机器人（1）、无线充电桩（2）和辅助导向架（3），
巡检机器人（1）包括行走装置（101）、设置在行走装置（101）上的电池仓（102）、设置在电池仓（102）上的云台（103）以及分别设置在云台（103）两侧的红外测温监控装置（104）和可见视频监控装置（105），电池仓（102）内设置无线充电接收装置（106）、电池（107）和接收电路系统；
无线充电桩（2）包括无线充电发射装置（201）；
辅助导向架（3）包括两个构成“八”字形的竖直支撑部（301），两个竖直支撑部（301）相对的一侧分别沿竖直支撑部（301）长度方向设置一组导向轮（302）；
巡检机器人（1）向无线充电桩（2）逼近时，巡检机器人（1）的侧面与导向轮（302）配合连接，导向轮（302）引导巡检机器人（1）行走，使巡检机器人（1）上的无线充电接收装置（106）对准无线充电桩（2）上的无线充电发射装置（201）。
2.根据权利要求1所述的一种巡检机器人无线充电系统，其特征在于所述两个竖直支撑部（301）之间固定连接水平支撑部（303）。
3.根据权利要求2所述的一种巡检机器人无线充电系统，其特征在于所述水平支撑部（303）的两端超出竖直支撑部（301），水平支撑部（303）两端与竖直支撑部（301）之间固定连接多个加强筋（304）。
4.根据权利要求1所述的一种巡检机器人无线充电系统，其特征在于所述接收电路系统包括整流滤波电路（108）、DC-DC转换电路（109）、充电管理电路（1010）、第一MCU控制电路（1011）、电压采样电路（1012）和无线信号发射电路（1013），无线充电接收装置（106）、整流滤波电路（108）、DC-DC转换电路（109）、充电管理电路（1010）和电池（107）依次电连接，电压采样电路（1012）分别与整流滤波电路（108）和第一MCU控制电路（1011）电连接，充电管理电路（1010）与第一MCU控制电路（1011）电连接，第一MCU控制电路（1011）与无线信号发射电路（1013）电连接。
5.根据权利要求1-4中任一所述的一种巡检机器人，其特征在于所述无线充电接收装置（106）为无线发射线圈，无线充电接收装置（106）形成LC 感应电路。
6.根据权利要求1-4中任一所述的一种巡检机器人，其特征在于所述云台（103）可相对电池仓（102）左右转动。
7.根据权利要求1-4中任一所述的一种巡检机器人，其特征在于所述红外测温监控装置（104）可相对云台（103）上下转动，可见视频监控装置（105）可相对云台（103）上下转动。
8.根据权利要求1-4中任一所述的一种巡检机器人无线充电系统，其特征在于所述无线充电桩（2）还包括立柱（202）、设置在立柱（202）上的充电桩箱体（203）和设置在充电桩箱体（203）内的发射电路系统，无线充电发射装置（201）设置在充电桩箱体（203）内。
9.根据权利要求8所述的一种巡检机器人无线充电系统，其特征在于所述发射电路系统包括逆变电路（204）、采样反馈电路（205）、AD转换电路（206）、驱动电路（207）、第二MCU控制电路（208）和无线信号接收电路（209），无线充电发射装置（201）为无线发射线圈，无线充电发射装置（201）形成LC谐振电路，逆变电路（204）、LC谐振电路、采样反馈电路（205）、AD转换电路（206）、第二MCU控制电路（208）和驱动电路（207）依次电连接，驱动电路（207）与逆变电路（204）电连接，第二MCU控制电路（208）与无线信号接收电路（209）电连接。
10.一种巡检机器人无线充电方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：巡检机器人（1）与无线充电桩（2）对接；
步骤2：将交流市电先后通过EMI滤波电路、逆变电路（204）和LC谐振电路，LC谐振电路产生高频的电磁场，第二MCU控制电路（208）根据内部时钟信号按以下顺序循环控制驱动电路（207）改变LC谐振电路的谐振频率：
序号1：谐振频率为100KHz，持续时间为2000s，调整间隔为100us；
序号2：谐振频率为120KHz，持续时间为2400s，调整间隔为100us；
序号3：谐振频率为140KHz，持续时间为2800s，调整间隔为100us；
序号4：谐振频率为160KHz，持续时间为3200s，调整间隔为100us；
序号5：谐振频率为180KHz，持续时间为3600s，调整间隔为100us；
序号6：谐振频率为200KHz，持续时间为4000s，调整间隔为100us；
序号7：谐振频率为180KHz，持续时间为3600s，调整间隔为100us；
序号8：谐振频率为160KHz，持续时间为3200s，调整间隔为100us；
序号9：谐振频率为140KHz，持续时间为2800s，调整间隔为100us；
序号10：谐振频率为120KHz，持续时间为2400s，调整间隔为100us；
序号11：谐振频率为100KHz，持续时间为2000s，调整间隔为100us；
步骤3：巡检机器人（1）上的LC感应电路置身于LC谐振电路产生的电磁场中，LC感应电路生产高频的交流电，高频交流电先后经过整流滤波电路（108）、DC-DC转换电路（109）转换成输入充电管理电路（1010）的直流电压，充电管理电路（1010）给电池（107）充电。
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