CN204243858U - 一种非接触式无线充电装置以及一种变电站巡检机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种非接触式无线充电装置以及一种变电站巡检机器人，非接触式无线充电装置(1)包括设置于变电站巡检机器人上的第一子装置和设置于变电站设备上的第二子装置。第一子装置包括谐振接收器(11)、整流稳压器(12)、电池管理器(13)、主控器(14)、无线通信器一(15)、工控机(16)。第二子装置包括无线通信器二(21)、控制器(22)、驱动电路(23)、逆变电路(24)、谐振发射器(25)、中继电路(26)、LCD显示器(27)。本实用新型提高了变电站巡检机器人的智能程度，降低了对机器人停靠精度要求，还使充电装置可实时显示充电指令信息，方便工作人员的查看。

Description

一种非接触式无线充电装置以及一种变电站巡检机器人

技术领域

本实用新型涉及无线电能传输以及移动机器人控制技术领域，尤其是一种非接触式无线充电装置以及一种变电站巡检机器人。

背景技术

传统的变电站巡检任务要求巡检人员每天或定期采集大量运行数据，完成大量的日常巡检工作。无人值守的变电站也需要相关人员定期到现场检查设备运行状态。工作量繁重的日常维护和巡检工作容易导致巡检人员产生厌烦心理，从而出现巡检工作不到位的情况，进而影响变电站的及时维护。

为了解决上述问题并且兼顾变电站巡行方式，引用了机器人技术，开发了变电站智能巡检机器人产品。变电站巡检机器人是集多传感器融合技术、电磁兼容技术、导航及规划技术、机器人视觉、安防技术、海量信息的无线传输技术于一体的复杂运动系统。巡检机器人可以通过红外热像仪对电气设备、设备连接点和电力线路进行温度检测，通过摄像机对运行设备的外观异常和线路中悬挂异物进行识别检测，通过声音采集器采集到的数据经由无线网络传输至后台计算机对数据进行数据分析确定设备的运行情况。变电站巡检机器人所适用的巡检环境较为复杂，需要综合计算机技术、图形识别技术、大容量数据通信及导航技术等多项技术。应用过程中，工作人员希望变电站巡检机器人能实现长期自主工作，尽量延长其现场作业时间，从而补充机器人动力能源便成为一个亟待解决的问题。

目前变电站巡检机器人均使用可充电电池来为自身供电，但是此类充电电池一般只能维持几个小时，一旦电量耗尽，机器人便会处于非自主的状态，无法准确的完成工作任务，并且严重阻碍机器人的智能化。如何使机器人在无人工干预环境下安全、可靠、快速、高效地实现自动充电是实现机器人智能化的一项关键技术。

现有的变电站巡检机器人自动充电技术是采用接触式的充电方式，通常借助测量传感器与充电设备进行对接，这种充电方式存在以下问题：首先，机器人从当前位置移动到充电座需要导航行为，受到定位误差的限制，导航精度较低。其次，机器人与充电座触点的对接需要较高的精确性，这增加了设计的复杂性和控制的难度，同时对接操作过程非常复杂，消耗时间较长。再者，由于结构设计等方面原因，机器人和充电座触点之间一旦连接便无法自动脱离，频繁对接也容易对系统的可靠性带来影响，比如多次插拔对接操作会引起机械磨损，导致接触松动，不能有效传输电能；如果连接部件出现污物，将会导致接触不良或者电连接失败；若在潮湿或存在导电介质的环境，也极容易引起电路短路。可见，要使机器人同时满足高导航精度，高速定位，高可靠性对接的充电要求是十分困难的。

因此，急需提出一种通过非接触方式就能够对移动机器人进行无线充电的方案。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种非接触自主无线充电装置以及一种变电站巡检机器人，解决现有技术中变电站巡检机器人无法进行非接触式无线充电的问题。

基于本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种非接触式无线充电装置，包括设置于变电站巡检机器人上的第一子装置和设置于变电站设备上的第二子装置；

所述第一子装置包括谐振接收器、整流稳压器、电池管理器、主控器、无线通信器一、工控机；其中，所述谐振接收器的谐振电流信号输出端与所述整流稳压器的信号输入端相连接，所述整流稳压器的稳压信号输出端与所述电池管理器的电能信号输入端相连接，所述电池管理器的信号输出端与所述主控器的电池信号输入端相连接，所述主控器的无线控制信号输出端与所述无线通信器一的输入端相连接，所述主控器的控制信号输入端与所述工控机的控制信号输出端相连接；

所述第二子装置包括无线通信器二、控制器、驱动电路、逆变电路、谐振发射器、中继电路、LCD显示器；其中，无线通信器二的信号输出端与所述控制器的信号输入端相连接，所述控制器的谐振控制信号输出端与所述驱动电路的控制信号输入端相连接，所述驱动电路的驱动信号输出端与所述逆变电路的信号输入端相连接，所述逆变电路的信号输出端与所述谐振发射器的信号输入端相连接；所述中继电路位于所述谐振发射器的交变磁场的覆盖范围内；所述LCD显示器的信号输入端与所述控制器的控制信号输出端相连接。

其中，所述第一子装置还包括与所述主控器相连接的电池电量显示器。

其中，所述谐振发射器由谐振发射线圈和谐振发射电容矩阵组成，所述中继电路由中继线圈和中继电容矩阵组成，所述谐振接收器由谐振接收线圈和谐振接收电容矩阵组成。

其中，所述谐振发射线圈的匝数和所述谐振接收线圈的匝数均大于所述中继线圈的匝数。

其中，所述谐振发射器和所述谐振接收器的谐振频率的范围为1万赫兹至1兆赫兹。

基于本实用新型的另一个方面，本实用新型还提供一种变电站巡检机器人，包括谐振接收器、整流稳压器、电池管理器、主控器、无线通信器一、工控机；其中，所述谐振接收器的谐振电流信号输出端与所述整流稳压器的信号输入端相连接，所述整流稳压器的稳压信号输出端与所述电池管理器的电能信号输入端相连接，所述电池管理器的信号输出端与所述主控器的电池信号输入端相连接，所述主控器的无线控制信号输出端与所述无线通信器一的输入端相连接，所述主控器的控制信号输入端与所述工控机的控制信号输出端相连接。

其中，所述主控器为微控制器。

其中，所述变电站巡检机器人还包括所述主控器相连接的电池电量显示器。

其中，所述谐振接收器由谐振接收线圈和谐振接收电容矩阵组成，谐振频率的范围为1万赫兹至1兆赫兹。

本实用新型的有益效果包括：使充电装置可实时显示充电指令信息，方便工作人员的查看。大大降低了对机器人停靠精度要求，使得对变电站巡检机器人控制变得简单；使得变电站巡检机器人的自主充电机构设计变得简单可靠；避免了由于接触不良导致充电失败，在潮湿或存在导电介质的环境下保证电路不出现短路故障。综上，本实用新型提高了变电站巡检机器人的智能程度，还提高了充电装置的整体性能。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且与描述一起用于解释本实用新型的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型中非接触式无线充电装置的结构示意图；

图2是本实用新型中谐振发射器和中继电路的结构示意图；

图3是本实用新型中变电站巡检机器人的结构示意图。

其中，附图标记如下：非接触式无线充电装置1、谐振接收器11、整流稳压器12、电池管理器13、主控器14、无线通信器一15，工控机16、无线通信器二21、控制器22、驱动电路23、逆变电路24、谐振发射器25、中继电路26、LCD显示器27、谐振发射线圈251、谐振发射电容矩阵252、中继线圈261、中继电容矩阵262。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。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任意组合。

图1是本实用新型中非接触式无线充电装置1的结构示意图。非接触自主无线充电装置1包括：设置于变电站巡检机器人上的第一子装置和设置于变电站设备上的第二子装置。

第一子装置包括谐振接收器11、整流稳压器12、电池管理器13、主控器14、无线通信器一15。其中，谐振接收器11的谐振电流信号输出端与整流稳压器12的信号输入端相连接，整流稳压器12的稳压信号输出端与电池管理器13的电能信号输入端相连接，电池管理器13的信号输出端与主控器14的信号输入端相连接，主控器14的无线控制信号输出端与无线通信器一15的输入端相连，主控器14的控制信号输入端与工控机16的控制信号输出端相连。

第二子装置包括无线通信器二21、控制器22、驱动电路23、逆变电路24、谐振发射器25、中继电路26、LCD显示器27。其中，无线通信器二21的信号输出端与控制器22的信号输入端相连接，控制器22的谐振控制信号输出端与驱动电路23的控制信号输入端相连接，驱动电路23的驱动信号输出端与逆变电路24的信号输入端相连接，逆变电路24的信号输出端与谐振发射器25的信号输入端相连接；中继电路26位于谐振发射器25的交变磁场的覆盖范围内；LCD显示器27的信号输入端与控制器22的控制信号输出端相连接。

图2是谐振发射器和中继电路的结构示意图。谐振发射器25中包括谐振发射线圈251与谐振发射电容矩阵252构成的LC谐振电路。谐振发射线圈251与谐振发射电容矩阵252之间以磁场的能量形式和电场的能量形式进行能量交换，在谐振发射线圈251中产生与设定的谐振发射频率相同的谐振电流，谐振电流在谐振发射线圈251周围形成交变磁场，中继电路26位于此交变磁场的覆盖范围中。中继电路26包括中继线圈261和中继电容矩阵262。中继线圈261接收谐振发射线圈251所发射出的交变磁场，形成谐振电流，用于增大接收到的谐振电流，继而增加能量传输的距离。调整后的谐振电流再通过中继线圈261发送调整后的交变磁场。谐振接收器11包括谐振接收线圈与谐振接收电容矩阵构成的LC谐振电路，谐振接收器11的谐振接收频率与中继电路26的谐振发射频率相同进而两者产生共振，谐振接收器11接收磁场能量。其中，谐振发射器25、中继电路26、和谐振接收器11的具体参数的设置方式有多种，举例如下：谐振频率的范围为1万赫兹至1兆赫兹。谐振发射线圈的匝数和谐振接收线圈的匝数均大于中继线圈的匝数。

上述非接触式无线充电装置1的第一子装置中，主控器14为微控制器，具体型号为STM32F103VET6。主控器14通过RS232通信接口与无线通信器一15连接。无线通信器一15由全双工的2.4G WIFI模块构成。工控机16是型号为IPC-610L的研华工控机。电池管理器13用于监测电池的电压状态，检测机器人何时需要充电，何时电已充满，并且用于控制电池充电时间。第一子装置中还包括与主控器14相连接的电池电量显示器，此电池电量显示器可以实时显示变电站巡检机器人中电池的当前电量，以方便工作人员的监控。

上述非接触式无线充电装置1的第二子装置中，无线通信器二21由全双工的2.4G WIFI模块构成，或者无线通信器二21为WIFI路由器。

非接触式无线充电装置1的工作方式如下：当变电站巡检机器人运行到第二子装置所在的自主充电停靠点时，工控机16向主控器14下发查询电池电量的命令，主控器14从电池管理器13查询电池的电量信息并发送至工控机16。工控机16根据上述电量信息判断电池是否需要充电，如果需要充电，向主控器14发送充电命令，主控器14收到上述充电命令后向无线通信器一15发送充电指令，无线通信器一15通过无线网络发送充电指令信息。无线通信器二21接收此充电指令信息并发送至控制器22，控制器22将此充电指令信息推送到LCD显示器27进行显示，并向驱动电路23发送控制信号。驱动电路23向逆变电路24发送控制信号，逆变电路24向谐振发射器25发送交流电信号，谐振发射器25产生交变磁场，谐振接收器11的谐振频率与中继电路26的谐振频率相同进而两者产生共振，位于此磁场内的中继电路26增大接收到的谐振电流继而增加能量传输的距离。谐振接收器11的谐振接收频率与中继电路26的谐振发射频率相同进而两者产生共振，谐振接收器11接收磁场能量并产生的谐振电流后发送至整流稳压器12，整流稳压器12输出稳压信号至电池管理器13，电池管理器接收稳压信号并为电池充电，保持变电站机器人的续航能力。

本实用新型的有益效果包括：使充电装置可实时显示充电指令信息，方便工作人员的查看；大大降低了对机器人停靠精度要求，使得对变电站巡检机器人控制变得简单；使得变电站巡检机器人的自主充电机构设计变得简单可靠；避免了由于接触不良导致充电失败，在潮湿或存在导电介质的环境下保证电路不出现短路故障。

本实用新型还提供了可进行非接触式无线充电的变电站巡检机器人，图3是变电站巡检机器人的结构示意图。此变电站巡检机器人包括谐振接收器11、整流稳压器12、电池管理器13、主控器14、无线通信器一15。其中，谐振接收器11的谐振电流信号输出端与整流稳压器12的信号输入端相连接，整流稳压器12的稳压信号输出端与电池管理器13的电能信号输入端相连接，电池管理器13的信号输出端与主控器14的信号输入端相连接，主控器14的无线控制信号输出端与无线通信器一15的输入端相连，主控器14的控制信号输入端与工控机16的控制信号输出端相连。

其中，主控器14为微控制器，具体型号为STM32F103VET6。主控器14通过RS232通信接口与无线通信器一15连接。无线通信器一15由全双工的2.5G WIFI模块构成。工控机16是型号为IPC-610L的研华工控机。电池管理器13用于监测电池的电压状态，检测机器人何时需要充电，何时电已充满，并且用于控制电池充电时间。变电站巡检机器人中还包括与主控器14相连接的电池电量显示器，此电池电量显示器可以实时显示变电站巡检机器人中电池的当前电量，以方便工作人员的监控。谐振接收器11由谐振接收线圈和谐振接收电容矩阵组成，谐振频率的范围与谐振发射器25的频率范围相同，例如均为1万赫兹至1兆赫兹。

本实用新型中的变电站巡检机器人可进行非接触式无线充电，相比现有的接触式充电的巡检机器人，大大提高了其智能性以及使用性能。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本实用新型的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，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，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种非接触式无线充电装置(1)，其特征在于，包括设置于变电站巡检机器人上的第一子装置和设置于变电站设备上的第二子装置；

所述第一子装置包括谐振接收器(11)、整流稳压器(12)、电池管理器(13)、主控器(14)、无线通信器一(15)、工控机(16)；其中，所述谐振接收器(11)的谐振电流信号输出端与所述整流稳压器(12)的信号输入端相连接，所述整流稳压器(12)的稳压信号输出端与所述电池管理器(13)的电能信号输入端相连接，所述电池管理器(13)的信号输出端与所述主控器(14)的电池信号输入端相连接，所述主控器(14)的无线控制信号输出端与所述无线通信器一(15)的输入端相连接，所述主控器(14)的控制信号输入端与所述工控机(16)的控制信号输出端相连接；

所述第二子装置包括无线通信器二(21)、控制器(22)、驱动电路(23)、逆变电路(24)、谐振发射器(25)、中继电路(26)、LCD显示器(27)；其中，无线通信器二(21)的信号输出端与所述控制器(22)的信号输入端相连接，所述控制器(22)的谐振控制信号输出端与所述驱动电路(23)的控制信号输入端相连接，所述驱动电路(23)的驱动信号输出端与所述逆变电路(24)的信号输入端相连接，所述逆变电路(24)的信号输出端与所述谐振发射器(25)的信号输入端相连接；所述中继电路(26)位于所述谐振发射器(25)的交变磁场的覆盖范围内；所述LCD显示器(27)的信号输入端与所述控制器(22)的控制信号输出端相连接。

2.如权利要求1所述的非接触式无线充电装置(1)，其特征在于，

所述第一子装置还包括与所述主控器(14)相连接的电池电量显示器。

3.如权利要求1所述的非接触式无线充电装置(1)，其特征在于，

所述谐振发射器(25)由谐振发射线圈(251)和谐振发射电容矩阵(252)组成，所述中继电路(26)由中继线圈(261)和中继电容矩阵(262)组成，所述谐振接收器(11)由谐振接收线圈和谐振接收电容矩阵组成。

4.如权利要求3所述的非接触式无线充电装置(1)，其特征在于，

所述谐振发射线圈(251)的匝数和所述谐振接收线圈的匝数均大于所述中继线圈(261)的匝数。

5.如权利要求1所述的非接触式无线充电装置(1)，其特征在于，

所述谐振发射器(25)和所述谐振接收器(11)的谐振频率的范围为1万赫兹至1兆赫兹。

6.一种变电站巡检机器人，其特征在于，包括谐振接收器(11)、整流稳压器(12)、电池管理器(13)、主控器(14)、无线通信器一(15)、工控机(16)；其中，所述谐振接收器(11)的谐振电流信号输出端与所述整流稳压器(12)的信号输入端相连接，所述整流稳压器(12)的稳压信号输出端与所述电池管理器(13)的电能信号输入端相连接，所述电池管理器(13)的信号输出端与所述主控器(14)的电池信号输入端相连接，所述主控器(14)的无线控制信号输出端与所述无线通信器一(15)的输入端相连接，所述主控器(14)的控制信号输入端与所述工控机(16)的控制信号输出端相连接。

7.如权利要求6所述的变电站巡检机器人，其特征在于，

所述主控器(14)为微控制器。

8.如权利要求6所述的变电站巡检机器人，其特征在于，

所述变电站巡检机器人还包括所述主控器(14)相连接的电池电量显示器。

9.如权利要求6所述的变电站巡检机器人，其特征在于，

所述谐振接收器(11)由谐振接收线圈和谐振接收电容矩阵组成，谐振频率的范围为1万赫兹至1兆赫兹。