CN209313457U - 一种轮式机器人自动回充系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种轮式机器人自动回充系统，所述自动回充系统包括机器人本体和充电桩本体，所述机器人本体和充电桩本体进行无线连接，在所述机器人本体内设置有激光雷达和设置在机器人本体前方的充电接收板和摄像头，在所述充电桩本体内设置有位置标签和充电发射板，所述激光雷达用于获取机器人本体和充电桩本体的当前位置信息，摄像头通过位置标签获取充电桩本体所在的位置信息，所述充电接收板与所述充电发射板无线连接。本实用新型的机器人只需要停靠在充电桩一定距离内即可实现充电，极大提高了机器人自动回充的成功率。

Description

一种轮式机器人自动回充系统

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，尤其涉及一种轮式机器人自动回充系统。

背景技术

采用机器人巡检在各种复杂环境、无人值守、恶劣天气等条件下，可做到准确、及时、高效地获取现场信息。然而，电池续航问题限制了机器人的活动范围和使用场景；同时，手动充电的方式又降低了机器人巡检的自动化程度。因此，机器人在巡检过程中系统会实时监测电池电量，当电池电量低时，机器人返回到最近的无线充电桩附近，由机器人自主无线充电系统将机器人精确引导到充电位置并通过无线电能传输方式给机器人电池组进行无线充电，使机器人能够实现自主充电，充电完成后，机器人可以返回继续执行巡线任务。目前机器人的回充系统主要使用红外编码信号进行定位，在充电桩处放置3个红外发射单元，在机器人上放置一个红外接收单元，红外编码信号只存在“有”“无”两种状态，定位精度不够精确，即无距离数值，也无角度数值，机器人只能根据3个红外发射单元的状态判断大致位置，该方式回充成功率不高。而目前机器人的回充系统主要是接触式充电，该方式要求机器人回充是能够精确的插入充电曹，这极大提高了回充的难度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种轮式机器人自动回充系统，本实用新型采用无线感应式充电，机器人只需要停靠在充电桩一定距离内即可实现充电，极大提高了机器人自动回充的成功率。为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术效果：

根据本发实用新型的一个方面，提供了一种轮式机器人自动回充系统，所述自动回充系统包括机器人本体和充电桩本体，所述机器人本体和充电桩本体进行无线连接，在所述机器人本体内设置有激光雷达和设置在机器人本体前方的充电接收板和摄像头，在所述充电桩本体内设置有位置标签和充电发射板，所述激光雷达用于获取机器人本体和充电桩本体的当前位置信息，摄像头通过位置标签获取充电桩本体所在的位置信息，所述充电接收板与所述充电发射板无线连接。

优选的，所述激光雷达设置在机器人本体的高度与位置标签的高度设置在充电桩本体上的相同且相互平齐，所述激光雷达设置在充电接收板上方，所述位置标签设置在充电发射板的上方。

优选的，所述自动回充系统还包括设置在机器人本体内的第一无线通信模块和设置在充电桩本体内的第二无线通信模块，所述第一无线通信模块和第二无线通信模块进行无线通信连接。

优选的，所述充电发射板包括交流或直流电源模块、初级电能变换模块、高频逆变模块和能量发射电路，所述充电接收板包括能量接收电路、次级电能变换模块、供电输出控制端子和充电保护电路，所述交流或直流电源模块的输出端依次通过初级电能变换模块、高频逆变模块和能量发射电路的输入端连接，所述能量发射电路的输出端通过能量接收电路、次级电能变换模块与供电输出控制端子的输入端连接，在供电输出控制端子的输出端与所述充电保护电路连接。

优选的，所述能量发射电路由多个并联的初级线圈组成，所述能量接收电路由一个或多个并联的次级线圈组成。

优选的，在所述初级线圈的输出端还并联有初级补偿电容Cp，在所述次级线圈的输出端并联有次级补偿电容Cs1。

优选的，在所述次级线圈的其中一个输出端还串联有耦合电容Cs2。

优选的，所述次级电能变换模块包括次级整流电路、IGBT功率放大管 Q1、电阻Rf、滤波电容C1、滤波电容C2、滤波电容C3、二极管D5、二极管D6和电感Lf，所述次级整流电路的输入端与能量接收电路的输出端连接，所述次级整流电路的第一输出端分别与滤波电容C1的一端和IGBT功率放大管Q1的集电极连接，所述IGBT功率放大管Q1的发射极分别与二极管D5 的阴极、电阻Rf的一端、二极管D6的阳极和电感Lf的一端连接，所述电阻 Rf的另一端与所述电容C2的一端连接，所述电感Lf的另一端通过供电输出控制端子与所述充电保护电路连接，所述电容C1的另一端、二极管D5的阳极、二极管D6的阴极和电容C3的另一端与次级整流电路的第二输出端连接。

综上所述，由于本实用新型采用了上述技术方案，本实用新型具有以下技术效果：

本实用新型的一种轮式机器人自动回充系统主要包含充电发射板、充电接收板、摄像头、机器人本体、位置标签、激光雷达，激光雷达通过SLAM 构建环境地图，并给与机器人当前位置信息和充电桩的位置信息，在需要充电时，机器人通过激光雷达导航到充电桩前方，摄像头识别位置标签在镜头内的位置及大小换算出机器人相对充电桩的x、y、z坐标，指引机器人与充电桩对接，充电桩和机器人之间通过无线充电模组实现电能的传输，并给机器人内部的蓄电池进行充电。提高了机器人回充时的停靠精度，并且采用无线感应式充电，机器人只需要停靠在充电桩一定距离内，即可实现充电，极大提高了机器人自动回充的成功率。

附图说明

图1是本实用新型的轮式机器人的系统框图；

图2是本实用新型的一种轮式机器人自动回充系统的无线充电原理图；

图3是本实用新型的高频逆变模块的等效电路图；

图4是本实用新型的次级电能变换模块的电路原理图；

附图中，1-机器人本体，2-充电桩本体，10-激光雷达,11-充电接收板，12- 摄像头，13-第一无线通信模块，20-位置标签，21-充电发射板，22-第二无线通信模块。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本实用新型进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本实用新型的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本实用新型的这些方面。

如图1所示，根据本发实用新型的一个方面，提供了一种轮式机器人自动回充系统，所述自动回充系统包括机器人本体1和充电桩本体2，所述机器人本体1和充电桩本体2进行无线连接，在所述机器人本体1内设置有激光雷达10和设置在机器人本体1前方的充电接收板11和摄像头12，在所述充电桩本体2内设置有位置标签20和充电发射板21，所述激光雷达10用于获取机器人本体1和充电桩本体2的当前位置信息，摄像头12通过位置标签20获取充电桩本体2所在的位置信息，所述充电接收板11与所述充电发射板21 无线连接；所述激光雷达10设置在机器人本体1的高度与位置标签20的高度设置在充电桩本体2上的相同且相互平齐，所述激光雷达10设置在充电接收板11上方，所述位置标签20设置在充电发射板21的上方；所述自动回充系统还包括设置在机器人本体1内的第一无线通信模块13和设置在充电桩本体2内的第二无线通信模块22，所述第一无线通信模块13和第二无线通信模块22进行无线通信连接。如图1所示，摄像头12对充电桩本体2上的位置标签20进行识别，位置标签20AprilTag定位系，Tags是由黑白相间的类似于二维码的方块构成，不同的Tag包含了不同的ID信息，只要把这个Tag贴到目标上，摄像头就可以识别出这个标签的3D位置；摄像头12可在距离标签的5-100cm距离内捕捉到标签，并返回标签的x、y、z坐标，其中x代表的是位置标签20距离摄像头12中心位置的水平偏差，y代表位置标签距离摄像头的水平高度，由于机器人是在平地行驶，所以该变量是一固定值，z代表的是位置标签20距离摄像头12的距离(距离的单位是一个无量纲的数值)，该距离的数值与位置标签20的大小以及摄像头12镜头的视角有关，在位置标签大小固定，摄像头12的镜头焦距的情况下，可将x、y、z转换为cm作为单位的距离参数，并将所产生的x、y、z距离参数发送给机器人，机器人将根据该参数进行精确的定位行走，最终停在充电桩的前方，机器人停在充电桩前方后，充电接收板11(无线充电接收模块)和充电发射板21(无线充电发射模块)进行对接完成对机器人的无线充电。本实用新型的一种轮式机器人自动回充系统采用摄像头12对位置标签20进行定位，引导机器人更精确的回到充电桩，后使用无线充电模块进行充电，从而能够精确获得机器人相对充电桩本体2的x、y、z坐标，提高了机器人回充时的停靠精度，并且采用无线感应式充电，机器人只需要停靠在充电桩一定距离内，即可实现充电，极大提高了机器人自动回充的成功率。

在本实用新型中，如图2所示，所述无线充电利用电场—磁场—电场的相互转化，并且利用电力电子器件以及磁耦合机构实现上述转化。首先生成高频交流电，然后注入磁耦合机构产生高频交变磁场，通过磁场耦合生成新的高频交变电场，可以向机器人提供能量；其中，无线充电的理论核心是电磁感应原理，副边侧系统接收到的是交流电能。然而，巡检机器人是通过直流电补充能量的，所以需要通过整流将交流电变成直流电，直流电通过电能变换模块变换后为负载供电，这里的负载主要是机器人的蓄电池，从而完成对蓄电池的充电。具体方案为：所述充电发射板21包括交流或直流电源模块、初级电能变换模块、高频逆变模块和能量发射电路，所述充电接收板11包括能量接收电路、次级电能变换模块、供电输出控制端子和充电保护电路，所述交流或直流电源模块的输出端依次通过初级电能变换模块、高频逆变模块和能量发射电路的输入端连接，所述能量发射电路的输出端通过能量接收电路、次级电能变换模块与供电输出控制端子的输入端连接，在供电输出控制端子的输出端与所述充电保护电路连接；所述充电保护电路采用TVS管(瞬变电压抑制二极管)作为的保护电路，可起到过流保护作用和实现过压保护功能，当TVS管两端电压大于指定阈值时，TVS管在皮秒级的时间内，吸收数千瓦的浪涌功率，使其两极间的高阻抗瞬间变为低阻抗，并将两极间的电压钳位于一个预定值，起到过压保护。所述能量发射电路由多个并联的初级线圈(L1， L2,…，Ln)组成，在所述初级线圈的输出端还并联有初级补偿电容Cp，通过多个初级线圈并联形成一个总电感与初级补偿电容Cp构成并联谐振回路，且使初级线圈的谐振频率与次级线圈的谐振频率相同，结合图1和图2所示，初级电能变换模块采用变压器耦合变换输出，在图3中的高频逆变模块的等效电路图中，其内部相当于一个RCL谐振回路，通过RCL谐振回路将电磁能量传播出去，高频逆变模块由四个IGBT功率管V1、IGBT功率管V2、IGBT 功率管V3和IGBT功率管V4组成得全桥逆变电路，使初级电能变换模块逆变输出的电能在较高的谐振频率中发射，提高谐振的能力，减少发射功率的能耗，且通过补偿电容Cp储存电能，改善充电过程中电能释放的时间，所述能量接收电路由一个或多个并联的次级线圈组成，在所述次级线圈的输出端并联有次级补偿电容Cs1，通过次级线圈和次级补偿电容Cs1接收初级线圈发送出的电磁能量，并产生交流电流，可以在所述次级线圈的其中一个输出端(正极输出端)串联有耦合电容Cs2，在耦合电容Cs2的作用下，适当通电充电瞬间的谐波电流冲击。将初级线圈(发射线圈)安装在充电桩上，将次级线圈(接收线圈)安装在机器人上，通过电磁感应实现电能的传输。机器人自主回充系统精确引导部分采用摄像头传感器来识别充电桩位置，由于一般机器人的控制精度无法满足无线充电的要求，机器人完成自主无线充电需要进行更加精确的引导，使机器人上的充电线圈与充电桩的线圈对准。当机器人到达充电桩附近时，接受摄像头的引导，到达充电桩位置进行充电。

在本实用新型中，如图4所示，所述次级电能变换模块包括次级整流电路、IGBT功率放大管Q1、电阻Rf、滤波电容C1、滤波电容C2、滤波电容 C3、二极管D5、二极管D6和电感Lf，所述次级整流电路的输入端与能量接收电路的输出端连接，所述次级整流电路的第一输出端分别与滤波电容C1的一端和IGBT功率放大管Q1的集电极连接，所述IGBT功率放大管Q1的发射极分别与二极管D5的阴极、电阻Rf的一端、二极管D6的阳极和电感Lf 的一端连接，所述电阻Rf的另一端与所述电容C2的一端连接，所述电感Lf 的另一端通过供电输出控制端子与所述充电保护电路连接，所述电容C1的另一端、二极管D5的阳极、二极管D6的阴极和电容C3的另一端与次级整流电路的第二输出端连接，所述次级整流电路采用二极管D1、D2、D3、D4构成了次级线圈的全桥整流变换模块，利用二极管的单向导电性将接收到的交流电流进行整流后输出直流电流，最后输出给负载使用，整流输出的电流通过IGBT功率放大管Q1进行放大，该IGBT功率放大管Q1在机器人内部的中央控制器(单片机)输出的PWM脉冲信号S1的控制下，使IGBT功率放大管Q1周期性导通，并在电阻Rf、滤波电容C1、滤波电容C2、滤波电容C3、二极管D5、二极管D6和电感Lf的调整下输出平稳的电压值，以提高电路的工作电压以及提高电路的充放电速度、放电能力和放电效率。所述充电保护电路采用TVS管(瞬变电压抑制二极管)进行过流保护和实现过压保护功能，当TVS管两端电压大于指定阈值时，TVS管在皮秒级的时间内，吸收数千瓦的浪涌功率，使其两极间的高阻抗瞬间变为低阻抗，并将两极间的电压钳位于一个预定值，以及在供电输出端子接通瞬间也起到过压保护的作用，从而有效保护了负载(蓄电池)的充电时不受损坏；所述供电输出端子为继电器开关 (接受机器人内设置的中央控制器的控制)或手动按钮开关，所述第一无线通信模和第二无线通信模块采用蓝牙通信模块；当无人机停靠在充电桩本体的前方，初级线圈中将产生高频正弦交流电，根据电磁感应原理，次级线圈会感应出正弦交流电，从而进行无线充电步骤操作，在充电前、充电过程中并通过蓝牙通信模块进行通信，从而进行传输充电控制信息。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种轮式机器人自动回充系统，其特征在于：所述自动回充系统包括机器人本体(1)和充电桩本体(2)，所述机器人本体(1)和充电桩本体(2)进行无线连接，在所述机器人本体(1)内设置有激光雷达(10)和设置在机器人本体(1)前方的充电接收板(11)和摄像头(12)，在所述充电桩本体(2)内设置有位置标签(20)和充电发射板(21)，所述激光雷达(10)用于获取机器人本体(1)和充电桩本体(2)的当前位置信息，摄像头(12)通过位置标签(20)获取充电桩本体(2)所在的位置信息，所述充电接收板(11)与所述充电发射板(21)无线连接。

2.根据权利要求1所述的一种轮式机器人自动回充系统，其特征在于：所述激光雷达(10)设置在机器人本体(1)的高度与位置标签(20)的高度设置在充电桩本体(2)上的相同且相互平齐，所述激光雷达(10)设置在充电接收板(11)上方，所述位置标签(20)设置在充电发射板(21)的上方。

3.根据权利要求1或2所述的一种轮式机器人自动回充系统，其特征在于：所述自动回充系统还包括设置在机器人本体(1)内的第一无线通信模块和设置在充电桩本体(2)内的第二无线通信模块，所述第一无线通信模块和第二无线通信模块进行无线通信连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种轮式机器人自动回充系统，其特征在于：所述充电发射板(21)包括交流或直流电源模块、初级电能变换模块、高频逆变模块和能量发射电路，所述充电接收板(11)包括能量接收电路、次级电能变换模块、供电输出控制端子和充电保护电路，所述交流或直流电源模块的输出端依次通过初级电能变换模块、高频逆变模块和能量发射电路的输入端连接，所述能量发射电路的输出端通过能量接收电路、次级电能变换模块与供电输出控制端子的输入端连接，在供电输出控制端子的输出端与所述充电保护电路连接。

5.根据权利要求4所述的一种轮式机器人自动回充系统，其特征在于：所述能量发射电路由多个并联的初级线圈组成，所述能量接收电路由一个或多个并联的次级线圈组成。

6.根据权利要求5所述的一种轮式机器人自动回充系统，其特征在于：在所述初级线圈的输出端还并联有初级补偿电容Cp，在所述次级线圈的输出端并联有次级补偿电容Cs1。

7.根据权利要求6所述的一种轮式机器人自动回充系统，其特征在于：在所述次级线圈的其中一个输出端还串联有耦合电容Cs2。

8.根据权利要求4所述的一种轮式机器人自动回充系统，其特征在于：所述次级电能变换模块包括次级整流电路、IGBT功率放大管Q1、电阻Rf、滤波电容C1、滤波电容C2、滤波电容C3、二极管D5、二极管D6和电感Lf，所述次级整流电路的输入端与能量接收电路的输出端连接，所述次级整流电路的第一输出端分别与滤波电容C1的一端和IGBT功率放大管Q1的集电极连接，所述IGBT功率放大管Q1的发射极分别与二极管D5的阴极、电阻Rf的一端、二极管D6的阳极和电感Lf的一端连接，所述电阻Rf的另一端与所述电容C2的一端连接，所述电感Lf的另一端通过供电输出控制端子与所述充电保护电路连接，所述电容C1的另一端、二极管D5的阳极、二极管D6的阴极和电容C3的另一端与次级整流电路的第二输出端连接。