CN110768395A - 一种具有保护功能的远距离激光自动充电系统 - Google Patents

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杨雁南
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Abstract

本发明公开了一种具有保护功能的远距离激光自动充电系统，属于发电、变电、配电的技术领域。该系统包括两部分：激光发射端和激光接收端。激光发射端包括：激光器、双目摄像机；用于转动激光器的光纤头和摄像机以调整其方向的一个可编程的转台，接收来自角锥棱镜反射光的硅光电池组，及时切断光路的快门，从摄像机捕获的图像以检测智能手机位置及是否需要充电的控制器，控制器控制转台的运动并控制激光器的开关。激光接收端包括：激光电池、808nmLED、角锥棱镜、DC‑DC变换器、手机电池，在硅光电池组输出电流减小时切断发射端的输出光路，实现了在室内为智能手机等移动设备充电，最大限度地避免高功率激光照射到人体组织，同时满足智能手机的外形要求。

Description

一种具有保护功能的远距离激光自动充电系统
技术领域
本发明公开了一种具有保护功能的远距离激光自动充电系统，涉及激光无线电能传输技术，属于发电、变电、配电的技术领域。
背景技术
随着手机和移动电子设备的日益普及，无线接入技术已经成为我们日常生活常见的充电方式。虽然无线通信技术已经成功让移动设备摆脱有形媒质传递信息的束缚，但无线电能传输仍然是个亟待解决的问题。激光无线电能传输技术具有能量密度高、方向性强和发射接收口径小等优点，适合于中远距离无线电能传输，如为手机、无人机和机器人等移动电子设备提供能量，近年来受到越来越多的关注。
现在的生活几乎离不开电，例如手机充电，基本上需要一天一充，使用频繁则需多次充电。随着我们身边电子设备的增多，充电也变得越来越麻烦。手机、电脑、ipad等电子设备各有各的充电线，多个数据线使得桌面杂乱且容易被损坏。目前，商业上最成功的无线手机充电技术是磁感应式，这种方法虽然安全高效，但是传输距离受限于几十厘米。
激光无线充电系统是解决磁感应式传输距离受限问题的一种的可行方案，然而，激光无线充电系统需要实用高功率红外激光器提供电能，高功率红外激光器产生的激光束对人体尤其是眼睛造成伤害，因此有必要增加激光无线充电系统的保护措施在人进入激光束辐射区域时关闭激光器。在检测到接收端光电池接收功率降低时反馈关闭激光器的方法存在因信息反馈延时及激光驱动器控制电路延时无法及时关闭电源的缺陷。还有改进的远距离激光充电方案在激光发射器周围布置若干特定频率的光传感器，在激光接收器周围布置与特定频率光传感器数量相等的特定频率光源。光传感器的输出控制激光发射器的开关，当所有位置的特定频率光传感器均接收到一一对应的特定频率光源发来的光信号时，激光发射器和激光接收器正对，特定频率光源既可以用来测试收发端是否对准，同时起保护光源的作用，一旦有物体进入光路，某一个或几个特定频率光传感器没有信号输出，则关闭激光器，但该方法采用了多个特定频率的光传感器和对应的多个特定频率的光源来判定是否对准，此方法对准难度较大，结构复杂，不利于设备小型化，同时，多个特定频率的光源安装在激光接收器周围，需要消耗受供方（智能手机、UAV等）电能。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种具有保护功能的远距离激光自动充电系统，通过对接收端光电池周围布局角锥棱镜并在发射端布局小尺寸硅光电池实现了远距离激光充电系统的保护功能，解决了特定频率光传感器检测特定频率光源的激光充电系统对准难度大、结构复杂的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
具有保护功能的远距离激光自动充电系统，激光发射端包括：激光器，用于将电网中的电能转换成光能并通过光学组件传输；可以监控房间的双目摄像机；一个可编程的转台，用于转动激光器的光纤头和摄像机以调整其方向；安装在转台上的硅光电池组，接收来自角锥棱镜的发射光；快门，及时切断光路；控制器控制转台的运动并控制激光器的开关，同时需要运行必要的软件分析相机捕获的图像以检测智能手机。激光接收端包括：光电池、808nmLED、微控制器、角锥棱镜、DC-DC变换器、手机电池。
一种室内激光无线手机充电方法，具体包括如下五个步骤。
步骤一、首先系统处于检测模式，定期旋转摄像机并拍照，对照片进行处理，判断是否检测到智能手机，如果检测到智能手机，执行步骤二，否则继续执行步骤一。
步骤二、激光发射端尝试用弱光照射接收端光电池，使得光电池周围对称分布的4个波长为808nm的LED灯亮起，从而确定光电池的中心，使激光束更好地对准光电池。与此同时，微控制器检查智能手机的电池电量。如果电池电量不足，则微控制器控制LED灯以预设模式闪烁，以指示准备充电的信息。发射端通过盖有808nm滤波片的摄像机识别LED闪烁模式，如果识别成功，执行步骤三，否则关闭激光器，继续执行步骤一。
步骤三、激光发射端加大激光器的输出，持续为智能手机充电，在该过程中，对称放置在光电池四周的四个角锥棱镜，将光电池周围的激光反射回发射端硅光电池处，如果光路受到遮挡，执行步骤四，否则，执行步骤五。
步骤四、硅光电池输出减小，由TTL信号控制快门关闭，从而快速切断光路，同时反馈给控制器，关闭激光器。
步骤五、微控制器检测智能手机电池电量，直到充电完成时，控制LED灯以另一种预设模式闪烁，发射端摄像机识别后，关闭激光器，结束充电。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：本发明给出了一种具有保护功能的远距离激光自动充电系统，在激光接收端的光电池周围布局角锥棱镜，在激光发射端布局接收来自角锥棱镜发射光的硅光电池组，将发射端的发光器件、硅光电池组以及用于获取待充电设备位置信息的摄像机置于转台上，可以在整个房间内提供准确追踪待充电设备并提供超过1W的功率，实时检测硅光电池组输出电流并在电流减小时切断发射端的输出光路，最大限度的避免所产生的高功率激光照射到人体组织，同时确保设计满足智能手机的外形要求，具有实际应用价值。
附图说明
图1是室内激光无线手机充电的示意图。
图2是激光无线手机充电系统的结构图。
图3是角锥棱镜的原理示意图。
图4是室内激光无线手机充电保护系统的结构图。
图5是控制器的功能示意图。
图6是带保护的室内激光无线充电系统充电的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
使用激光为手机充电，距离可以增加到3-4m，即在整个房间内都可以为手机提供无线充电，示意图如图1。激光无线手机充电系统的结构如图2所示。该系统由两部分组成：激光发射端和激光接收端。激光发射端包括：激光器，用于将电网中的电能转换成光能并通过光学组件传输；可以监控房间的双目摄像机；一个可编程的转台，用于转动激光器的光纤头和摄像机以调整其方向；安装在转台上的硅光电池组，接收来自角锥棱镜的发射光；快门，及时切断光路；控制器控制转台的运动并控制激光器的开关，同时需要运行必要的软件分析相机捕获的图像以检测智能手机。激光接收端包括：光电池、808nmLED、微控制器、角锥棱镜、DC-DC变换器、手机电池。
激光无线手机充电系统使用近红外激光器在房间内提供电能，需要确保高功率激光器的使用安全性。为面积1cm2的光电池提供1W功率，效率为23%，则功率密度大于4.3W/cm2。因此，安全问题是不得不考虑的问题，在该功率水平下，可见光和近红外波长范围内的激光暴露不到10μs，即会对眼睛造成伤害。较容易想到的解决方案是，每当有人进入到激光束时检测到光电池的接收功率降低，反馈回激光器电源，从而关闭电源，停止出光。然而，这一解决方案受到两方面的制约。首先，通过Wi-Fi或现有的其他无线电机制发送反馈引入了显着延迟，时间在毫秒数量级上，这比允许的曝光时间大几个数量级。其次，即使可以立即关断激光器电源，商用连续波激光驱动器的控制电路可能会带来一定的延迟。
为了解决这一问题，本发明设计了一种新颖的解决方案。主要想法是鉴于光的传播速度很快，直接在激光发射端测量来自接收端的反射光。具体来说，在接收端即光电池的四周对称放置四个角锥棱镜，在发射端即准直镜头的四周对称分布四个硅光电池。角锥棱镜是一种光学元件，理想情况下它可以将光线反射回其光源，具有最小的散射和180度的反射角，如图3所示，在角落中彼此垂直布置的三个反射镜的结构形成这样的角锥棱镜。对于常规的平面反射镜，当且仅当反射镜与输入光束完全正交时，反射光与其入射光平行。然而，对于角锥棱镜，反射光与其入射光平行，而与其入射角无关。在激光发射端用硅光电池来测量其反射，正常充电情况下，四个硅光电池接收到反射光，产生电流，经放大器进行放大后分别输入比较器与阈值进行比较，最后比较结果经四输入或门输出TTL高电平维持快门打开。一旦光路被遮挡，经由角锥棱镜反射回硅光电池的光减少，四个硅光电池输出电流均减小，放大比较后经或门输出TTL低电平控制快门关闭，从而快速切断光路，同时将TTL信号反馈给控制器，关闭激光器。该保护系统结构图如图4所示。在10m距离处进行光学反射的往返时间仅为60ns，硅光电池的响应速度也在ns量级。控制器的功能如图5所示。发射端控制器接收来自摄像头的位置信息，从而控制转台带动激光器旋转对准手机侧的光电池；同时接收来自手机的功率信息和来自保护系统的信号，从而控制激光器驱动电源的输出功率及开通关断。
本发明还提供一种室内激光无线手机充电方法，充电流程图如图6，具体包括如下五个步骤。
步骤一、首先系统处于检测模式，定期旋转摄像机并拍照，对照片进行处理，判断是否检测到智能手机，如果检测到智能手机，执行步骤二，否则继续执行步骤一。
步骤二、激光发射端尝试用弱光照射接收端光电池，使得光电池周围对称分布的4个波长为808nm的LED灯亮起，从而确定光电池的中心，使激光束更好地对准光电池。与此同时，微控制器检查智能手机的电池电量。如果电池电量不足，则微控制器控制LED灯以预设模式闪烁，以指示准备充电的信息。发射端通过盖有808nm滤波片的摄像机识别LED闪烁模式，如果识别成功，执行步骤三，否则关闭激光器，继续执行步骤一。
步骤三、激光发射端加大激光器的输出，持续为智能手机充电，在该过程中，对称放置在光电池四周的四个角锥棱镜，将光电池周围的激光反射回发射端硅光电池处，如果光路受到遮挡，执行步骤四，否则，执行步骤五。
步骤四、硅光电池输出减小，由TTL信号控制快门关闭，从而快速切断光路，同时反馈给控制器，关闭激光器。
步骤五、微控制器检测智能手机电池电量，直到充电完成时，控制LED灯以另一种预设模式闪烁，发射端摄像机识别后，关闭激光器，结束充电。
本申请中，接收端光电池即砷化镓电池的尺寸为20mm*20mm，角锥棱镜的直径为7.4mm，光电池和角锥棱镜的总尺寸可以控制在40mm*40mm以内，满足一般智能手机的尺寸外形要求。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想在技术方案基础上所做的任何改动均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有保护功能的远距离激光自动充电系统，其特征在于，激光接收端的光电池周围布局有角锥棱镜，激光发射端的激光器光纤头以及监控房间的双目摄像机设置在可编程转台上，激光发射端布局有接收来自角锥棱镜发射光的硅光电池组，所述硅光电池组布置子可编程转台上，发射端的控制器从双目摄像机采集的图片中提取待充电设备的位置信息并基于位置信息转动可编程转台，发射端的控制器在硅光电池组产生的电流减少时关闭激光器光纤头输出光路上的快门。
2.根据权利要求1所述一种具有保护功能的远距离激光自动充电系统，其特征在于，激光接收端的光电池周围对称布局有四个角锥棱镜，在激光接收端准直镜头四周对称分布四个硅光电池。
3.根据权利要求1所述一种具有保护功能的远距离激光自动充电系统，其特征在于，发射端的控制器在至少一个硅光电池产生的电流减少时关闭激光器光纤头输出光路上的快门。
4.根据权利要求3所述一种具有保护功能的远距离激光自动充电系统，其特征在于，发射端的控制器在至少一个硅光电池产生的电流减少时关闭激光器光纤头输出光路上的快门通过放大器、比较器、或门组成的TTL电路实现，每个硅光电池输出电流经放大器处理后输入至一个比较器，每个比较器输出一个硅光电池输出电流与阈值的比较结果，或门对各硅光电池输出电流与阈值的比较结果进行或运算后输出快门的控制指令。
5.根据权利要求1所述一种具有保护功能的远距离激光自动充电系统，其特征在于，所述角锥棱镜由彼此垂直布置的三个反射镜构成。
6.根据权利要求1所述一种具有保护功能的远距离激光自动充电系统，其特征在于，激光接收端还包括用于辅助控制器从双目摄像机采集的图片中提取待充电设备位置信息的808nmLED。
7.一种实现远距离激光自动充电系统保护功能的方法，其特征在于，在激光接收端的光电池周围布局角锥棱镜，在激光发射端布局接收来自角锥棱镜发射光的硅光电池组，将激光发射端的激光器光纤头和监控房间的双目摄像机以及硅光电池组设置在可编程转台上，从双目摄像机采集的图片中提取待充电设备的位置信息并基于位置信息转动可编程转台，在硅光电池组产生的电流减少时关闭激光器光纤头输出光路上的快门。
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