CN110488257A - 一种用于无线电能传输的运动物体检测装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于无线电能传输的运动物体检测装置、系统及方法。检测装置包括用于探测运动物体的探测模块、用于判断是否有运动物体进入预设保护区域的控制模块。系统包括多个检测装置和预设保护区域。本发明的运动物体检测装置通过微波探测器及相应的计算机程序实现对运动物体的检测，通过在地面无线能量发射装置周围布置多个运动物体检测装置组成运动物体检测系统以实现对预设保护区域的全覆盖，成本低，实用性高，具有良好的经济和社会效益。

Description

一种用于无线电能传输的运动物体检测装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及无线电能传输领域，尤其是涉及一种用于无线电能传输的运动物体检测装置、系统及方法。

背景技术

无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)技术利用磁谐振耦合、激光、微波等原理将电能以非接触的方式由电源端传送到用电设备端，可以实现用电设备的无线充/供电，具有安全可靠、灵活便捷、环境友好、可全天候工作等优点，因而近年来受到了广泛关注。当用于大功率用电设备(如电动汽车)无线充电时，地面无线能量发射装置和车载无线能量接收装置之间的空间区域将存在较大的电磁能量，可能会对非法进入无线充电区域的生物体造成一定的电磁危害。因此，为了防止这种情况的发生，大功率无线电能传输系统必须具备运动物体(包括运动的生物体和非生物体)检测功能，以便于当系统检测到有运动物体非法进入到预设保护区域时做出停机或降低传输功率等保护动作，当检测到运动物体离开预设保护区域后再恢复正常的功率传输。

现有技术中，一种解决方案是：利用电容数字转换器输出的电容与电容阈值之间的关系来判断是否有活体进入无线电能传输系统中，但是该方案只能检测出位于无线电能发射线圈上方的活体，而实际应用中，预设保护区域往往不仅限于发射线圈上方，而是需要向其四周延伸一定距离，因此，该方案的实用性较低；另一种解决方案是：当微波传感器检测到有运动物体通过检测区域时，再通过超声波传感器进一步确认物体进入探测区域，并获取物体的距离和速度。该方法需要同时采用微波传感器和超声波传感器，增加了硬件成本。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的是提供一种用于无线电能传输的运动物体检测装置、系统及方法，运动物体检测装置通过微波探测器及相应的计算机程序实现对运动物体的检测，通过在地面无线能量发射装置周围布置多个运动物体检测装置组成运动物体检测系统以实现对预设保护区域的全覆盖。

本发明所采用的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种用于无线电能传输的运动物体检测装置，包括用于探测运动物体的探测模块、用于判断是否有运动物体进入预设保护区域的控制模块，所述探测模块的输出端与所述控制模块的输入端连接。

进一步地，所述运动物体检测装置还包括信号处理模块，所述探测模块的输出端与所述信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块的输出端与所述控制模块的输入端连接。

进一步地，所述信号处理模块包括信号放大滤波电路，所述探测模块的输出端与所述信号放大滤波电路的输入端连接，所述信号放大滤波电路的输出端与所述控制模块的输入端连接。

进一步地，所述运动物体检测装置还包括电源模块，所述电源模块的输出端分别与所述探测模块的输入端、所述控制模块的输入端、所述信号处理模块的输入端连接，以提供工作电源。

进一步地，所述探测模块包括微波探测器。

第二方面，本发明提供一种用于无线电能传输的运动物体检测系统，包括预设保护区域和多个上述的用于无线电能传输的运动物体检测装置，多个所述运动物体检测装置分散设置在所述预设保护区域。

进一步地，所述运动物体检测系统还包括地面无线电能发射装置，多个所述运动物体检测装置分散设置在所述地面无线电能发射装置的周围。

进一步地，所述运动物体检测系统还包括中央控制器和通信总线，所述运动物体检测装置通过所述通信总线与所述中央控制器连接。

第三方面，本发明提供一种用于无线电能传输的运动物体检测方法，应用于上述的用于无线电能传输的运动物体检测装置，包括：

探测运动物体，根据探测结果连续输出多个信号；

根据多个连续输出信号判断所述预设保护区域是否存在运动物体。

进一步地，根据多个连续输出信号判断所述预设保护区域是否存在运动物体具体包括：

设置第一阈值，统计多个连续输出信号中大于所述第一阈值的个数，记为第一个数；

设置第二阈值，判断所述第一个数是否大于所述第二阈值；

若是，则判断所述预设保护区域存在运动物体，并发送报警信号。

本发明的有益效果是：

本发明的运动物体检测装置通过微波探测器及相应的计算机程序实现对运动物体的检测，通过在地面无线能量发射装置周围布置多个运动物体检测装置组成运动物体检测系统以实现对预设保护区域的全覆盖，成本低，实用性高，具有良好的经济和社会效益。

附图说明

图1是本发明中一种用于无线电能传输的运动物体检测装置的一实施例的结构示意图；

图2是本发明中一种用于无线电能传输的运动物体检测系统的一实施例的结构示意图；

图3是本发明中一种用于无线电能传输的运动物体检测系统的另一实施例的结构示意图；

图4是本发明中一种用于无线电能传输的运动物体检测方法的一实施例的流程示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例提供了一种用于无线电能传输的运动物体检测装置，如图1所示，该运动物体检测装置包括用于探测运动物体的探测模块、用于判断是否有运动物体进入预设保护区域的控制模块。其中，探测模块的输出端与控制模块的输入端连接。控制模块的功能可由微处理器实现。

本实施例中，该运动物体检测装置还包括信号处理模块，探测模块的输出端与信号处理模块的输入端连接，信号处理模块的输出端与控制模块的输入端连接。信号处理模块主要包括信号放大滤波电路，探测模块的输出端与信号放大滤波电路的输入端连接，信号放大滤波电路的输出端与控制模块的输入端连接。

本实施例中，探测模块主要包括微波探测器。微波探测器为基于多普勒原理的微波多普勒雷达模块，用于探测运动物体的存在与否。

具体地，当有运动物体进入预设保护区域时，微波探测器将输出微弱的中频信号(该中频信号的频率和幅值分别与运动物体的运动速度和距离微波探测器的距离有关，具体地，运动速度越快，中频信号的频率越高，距离越近，中频信号的幅值越大)。典型微波探测器的发射频率有10.525GHz、24GHz、77GHz等。信号放大滤波电路用于滤除微波探测器输出的中频信号中的直流成分，并将滤波后的微弱中频信号进行放大。放大电路可采用一级放大、两级放大或多级放大电路，放大电路可采用正电压单电源或正负电压双电源供电方式。当采用正电压单电源供电方式时，经放大电路放大后的信号将是以二分之一工作电源电压为基准的变化的电压信号。当采用正负电压双电源供电方式时，经放大电路放大后的信号将是以零电压为基准的交流信号。微处理器采集信号放大滤波电路的输出信号，根据采集到的输出信号的特征判断是否有运动物体进入预设保护区域。

本实施例中，该运动物体检测装置还包括电源模块，电源模块的输出端分别与微波探测器的输入端、微处理器的输入端、信号放大滤波电路的输入端连接，以提供工作电源。

实施例二

由于单个微波探测器的覆盖范围有限，致使单个运动物体检测装置不足以覆盖整个预设保护区域，因此需要布置多个运动物体检测装置。本实施例提供了一种用于无线电能传输的运动物体检测系统，如图2所示，该运动物体检测系统包括预设保护区域和多个如实施例一中所述的运动物体检测装置，多个运动物体检测装置分散设置在预设保护区域。

进一步地，由于该运动物体检测系统应用于无线电能传输，无线电能传输需要依靠地面无线电能发射装置，参照图2，多个运动物体检测装置(图中以8个作为示例)分散设置在地面无线电能发射装置的周围，以完全覆盖整个预设保护区域。运动物体检测装置的数量及其与地面无线电能发射装置的距离可根据实际情况设置，以便更好地检测进入预设保护区域的运动物体。

进一步地，如图3所示，该运动物体检测系统还包括中央控制器和通信总线。多个运动物体检测装置1～N均设置有通信接口，该通信接口通过通信总线连接到中央控制器，实现多个运动物体检测装置1～N与中央控制器的通信。运动物体检测装置用于检测其覆盖的保护区域内是否存在运动物体，而中央控制器用于判断整个预设保护区域内是否存在运动物体。本实施例中，通信接口包括但不限于CAN、RS485等总线通信接口。

实施例三

本实施例提供了一种用于无线电能传输的运动物体检测方法，应用于如实施例一中所述的运动物体检测装置。该方法包括：

探测运动物体，根据探测结果连续输出多个信号；

根据多个连续输出信号检测预设保护区域是否存在运动物体。

其中，每个微波探测器实时不断探测运动物体，在一个检测周期内根据探测结果连续输出多个信号至微处理器，微处理器根据多个连续输出信号综合判断预设保护区域是否存在运动物体。

根据多个连续输出信号综合判断预设保护区域是否存在运动物体具体包括：

设置第一阈值，统计多个连续输出信号中大于该第一阈值的个数，记为第一个数；

设置第二阈值，判断第一个数是否大于该第二阈值；

若是，则判断预设保护区域存在运动物体，并发送报警信号。

每个运动物体检测装置的微处理器都载有计算机程序，用于完成上述判断步骤。如图4所示，具体地：

步骤S1：程序启动，并进行初始化：设定标志位flag＝0，第一计数器cnt_in＝0，第二计数器cnt_out＝0，设定第一阈值th_max、第二阈值th_in和第三阈值th_out，设定检测周期T。其中标志位flag用于指示单个运动物体检测装置所覆盖的检测范围内是否存在运动物体，且flag＝1表示存在运动物体，flag＝0则表示不存在运动物体。第一阈值th_max、第二阈值th_in和第三阈值th_out用于判断单个运动物体检测装置所覆盖的检测范围内是否存在运动物体；

步骤S2：单个运动物体检测装置等待中央控制器发送的运动物体检测启动指令，若接收到启动指令，则转向步骤S3，否则一直等待。步骤S2的有益效果在于：单个运动物体检测装置只有接收到中央控制器发送的启动指令(通常是在无线充电开始)后，才会开启运动物体检测功能，以降低系统的能耗；

步骤S3：连续采样n个经放大和滤波后的微波探测器的输出信号，并存储到寄存器中；

步骤S4：统计步骤S3中采样的n个数据中大于第一阈值th_max的个数，并存入第一计数器cnt_in。其中，第一阈值th_max表示运动物体的预警/报警距离，该距离与微波探测器探测到的信号值成反比，即运动物体越靠近检测范围，微波探测器探测到的信号值越大。

步骤S5：比较第一计数器cnt_in中的数值与第二阈值th_in的大小，当cnt_in大于th_in时，则判断有运动物体进入检测范围内，并转向步骤S6，否则，转向步骤S7。其中，第二阈值th_in表示判断有运动物体进入检测范围内的灵敏度。以步骤S3中连续采样了100个数为例，若里面有5个以上大于50，这里的50即第一阈值th_max，5即第二阈值th_in，则判断有运动物体进入检测范围内。通过改变第二阈值th_in可以调节判断运动物体进入检测范围内的灵敏度，第二阈值th_in越小越灵敏，但有可能造成误报，第二阈值th_in越大越不灵敏，但有助于降低误报率，因此应根据实际需要选取合适的值。

步骤S6：判断上个检测周期T的标志位flag的值是否等于0，若是，则转向步骤S6.1，否则，直接转向步骤S6.2；

步骤S6.1：向中央控制器发送报警信号；

步骤S6.2：将本次检测周期T的标志位flag置1，并将第一计数器cnt_in和第二计数器cnt_out均清零，返回步骤S3继续采样下一周期的数据。具体地：

若上个检测周期T的标志位flag等于0，说明上个检测周期未有运动物体进入检测范围内，由于步骤S5中已经判断本次检测周期有运动物体进入检测范围内，因此执行步骤S6.1向中央控制器发送报警信号，然后执行步骤S6.2将本次检测周期T的标志位flag置1，后续不会再发送报警信号；

若上个检测周期T的标志位flag等于1，说明上个检测周期已有运动物体存在于检测范围内，1不等于0，则不会向中央控制器发送报警信号，直接执行步骤S6.2将本次检测周期T的标志位flag置1，后续也不会发送报警信号。

步骤S6的有益效果在于：当运动物体持续存在于检测范围内时，运动物体检测装置只会向中央控制器发送一次报警信号，避免因重复发送报警信号增加中央控制器的处理负担。

步骤S7：将第二计数器cnt_out的值加1。步骤S5中，以步骤S3中连续采样了100个数为例，当cnt_in小于th_in时，转向步骤S7，即100个数中大于50的数不足5个，判断未有运动物体进入检测范围内，则将第二计数器cnt_out的值加1。

步骤S8：比较第二计数器cnt_out与第三阈值th_out的大小，若cnt_out大于th_out，则判断检测范围内不存在运动物体，并转向步骤S9，否则，转向步骤S3。其中，第三阈值th_out表示运动物体检测装置发送报警解除信号的慎重程度，若th_out值太小，则可能因为运动物体在检测范围内的短暂静止而导致错误地解除报警，因此应根据实际需要选取合适的值。步骤S8的目的在于延时判断，只有当连续多次(这里的多次即第三阈值th_out)检测到100个数中大于50的数不足5个时，才判断未有运动物体进入检测范围内，以增加判断的准确性。

步骤S9：判断上个检测周期T的标志位flag的值是否等于1，若是，则转向步骤S9.1，否则，直接转向步骤S9.2；

步骤S9.1：向中央控制器发送报警解除信号；

步骤S9.2：将本次检测周期T的标志位flag清零，并将第一计数器cnt_in和第二计数器cnt_out均清零，返回步骤S3继续采样下一周期的数据。具体地：

若上个检测周期T的标志位flag等于1，说明上个检测周期有运动物体进入检测范围内，由于步骤S8中已经判断本次检测周期未有运动物体进入检测范围内，因此执行步骤S9.1向中央控制器发送报警解除信息，然后执行步骤S9.2将本次检测周期T的标志位flag清零，后续不会再发送报警解除信号；

若上个检测周期T的标志位flag等于0，说明上个检测周期未有运动物体进入检测范围内，0不等于1，则不会向中央控制器发送报警解除信号，直接执行步骤S9.2将本次检测周期T的标志位flag清零，后续也不会发送报警解除信号。

步骤S9的有益效果在于：当检测范围内不存在运动物体时，运动物体检测装置只会向中央控制器发送一次报警解除信号，避免因重复发送报警解除信号增加中央控制器的处理负担。

本实施例中，改变步骤S3中连续采样输出信号的个数n可以调节判断是否有运动物体进入的响应速度，n越大响应越慢，反之，则响应越快，因此应根据实际需要选取合适的值。

综上，本实施例提供的运动物体检测方法，在由无运动物体进入检测范围到有运动物体进入检测范围(即flag由0变为1)，以及，由运动物体进入检测范围到运动物体离开检测范围(即flag由1变为0)的状态切换时，才会分别发送一次报警信号，以及，一次报警解除信号。

更进一步地，当中央控制器接收到任一运动物体检测装置发送的报警信号时，则表明预设保护区域内存在运动物体；当中央控制器接收到所有运动物体检测装置发送的报警解除信号时，才表明预设保护区域内不存在任何运动物体。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种用于无线电能传输的运动物体检测装置，其特征在于，包括用于探测运动物体的探测模块、用于判断是否有运动物体进入预设保护区域的控制模块，所述探测模块的输出端与所述控制模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于无线电能传输的运动物体检测装置，其特征在于，还包括信号处理模块，所述探测模块的输出端与所述信号处理模块的输入端连接，所述信号处理模块的输出端与所述控制模块的输入端连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于无线电能传输的运动物体检测装置，其特征在于，所述信号处理模块包括信号放大滤波电路，所述探测模块的输出端与所述信号放大滤波电路的输入端连接，所述信号放大滤波电路的输出端与所述控制模块的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的一种用于无线电能传输的运动物体检测装置，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块的输出端分别与所述探测模块的输入端、所述控制模块的输入端、所述信号处理模块的输入端连接，以提供工作电源。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种用于无线电能传输的运动物体检测装置，其特征在于，所述探测模块包括微波探测器。

6.一种用于无线电能传输的运动物体检测系统，其特征在于，包括所述预设保护区域和多个如权利要求1至5任一项所述的用于无线电能传输的运动物体检测装置，多个所述运动物体检测装置分散设置在所述预设保护区域。

7.根据权利要求6所述的一种用于无线电能传输的运动物体检测系统，其特征在于，还包括地面无线电能发射装置，多个所述运动物体检测装置分散设置在所述地面无线电能发射装置的周围。

8.根据权利要求6或7所述的一种用于无线电能传输的运动物体检测系统，其特征在于，还包括中央控制器和通信总线，所述运动物体检测装置通过所述通信总线与所述中央控制器连接。

9.一种用于无线电能传输的运动物体检测方法，应用于如权利要求1至5任一项所述的用于无线电能传输的运动物体检测装置，其特征在于，包括：

探测运动物体，根据探测结果连续输出多个信号；

根据多个连续输出信号判断所述预设保护区域是否存在运动物体。

10.根据权利要求9所述的一种用于无线电能传输的运动物体检测方法，其特征在于，根据多个连续输出信号判断所述预设保护区域是否存在运动物体具体包括：

设置第一阈值，统计多个连续输出信号中大于所述第一阈值的个数，记为第一个数；

设置第二阈值，判断所述第一个数是否大于所述第二阈值；

若是，则判断所述预设保护区域存在运动物体，并发送报警信号。