一种水文缆道测量机器人的无线充电系统及方法与流程

1.本发明涉及水文缆道机器人技术领域，尤其涉及一种水文缆道测量机器人及其岸基发射装置、无线充电系统及无线充电方法。


背景技术：

2.目前，在江河断面水文测量的行业中，大多采用缆道钢索搭载测量机器人的方式对江河流速进行监测；其中机器人供电方式主要为蓄电池供电，蓄电池安装在机器人内部。而对于蓄电池的充电，目前主要使用的是有线式充电方式：充电桩安装在岸边的基站内，利用辅助定位系统和机械结构实现充电接口的对准与连接。然而，在野外环境下充电接口易腐蚀生锈，严重影响了充电效果，因为需要检修人员定期维修更换，还增加了运营成本。用无线充电替代有线充电则可以克服这些问题。但还需要考虑的问题是：因为不同停泊点的缆道钢索可能具有不同的垂度，而同一停泊点的缆道钢索也可能因热胀冷缩、老化等原因垂度发生变化，导致接收线圈在停泊点存在各种倾角，如何能够保证在各种倾角下机器人均具有较高的无线传能效率。


技术实现要素：

3.本发明提供一种水文缆道测量机器人的无线充电系统及方法，解决的技术问题在于：如何实现水文缆道测量机器人的无线充电，并使机器人在不同的倾角下均能高效率传能。
4.为解决以上技术问题，本发明首先提供一种水文缆道测量机器人的岸基发射装置，包括能量发射装置(101)和中继线圈偏转装置(102)，所述能量发射装置(101)包括顺序连接的能量发射电路和发射线圈(108)；
5.所述中继线圈偏转装置(102)包括顺序连接的偏转控制驱动电路与中继线圈(111)；所述偏转控制驱动电路用于无线接收机器人内部通信单元(120)发送的位置信息，并根据该位置信息调整所述中继线圈(111)至最佳耦合角度。
6.具体的，所述偏转控制驱动电路包括控制器(109)及与其连接的无线通信单元(112)、电机(110)；
7.所述无线通信单元(112)用于无线接收所述机器人内部通信单元(120)发送的位置信息并发送至所述控制器(109)，所述控制器(109)用于根据该位置信息驱动所述电机(110)以控制所述中继线圈(111)偏转至与机器人上设置的接收线圈(113)相耦合的最佳耦合角度。
8.具体的，所述能量发射电路包括顺序连接的直流电源、继电器(106)、发射端电路(107)，所述直流电源和所述继电器(106)还连接所述控制器(109)；
9.所述控制器(109)还用于控制所述继电器(106)，以接通或断开所述直流电源与所述发射端电路(107)。
10.具体的，所述直流电源包括相连接的太阳能板(104)和光伏蓄电池(105)。
11.该岸基发射装置设有中继线圈偏转装置(102)，中继线圈偏转装置(102)设置有偏转控制驱动电路，以根据接收线圈(113)的位置信息调整中继线圈(111)位于最佳耦合角度，提高能量传输效率，使得机器人在不同的缆道垂度下依然可完成快速充电操作，使机器人尽快返回到水文作业之中，具有极高的智能性、普适性，可在不同流域推广。采用无线充电技术，不需要辅助定位装置对充电线圈进行对准，简化了系统设计。
12.本发明还提供一种水文缆道测量机器人，包括顺序连接的接收线圈(113)、接收端电路(114)和机器人蓄电池(115)，连接所述机器人蓄电池(115)的测距装置(116)和机器人内部用电设备(119)，连接所述测距装置(116)的机器人驱动装置(117)，连接所述测距装置(116)和所述机器人蓄电池(115)的机器人内部通信单元(120)；
13.所述接收线圈(113)用于与所述中继线圈(111)电磁感应，生成交流感应电源；
14.所述接收端电路(114)用于将所述交流感应电源转换为直流感应电源输入至所述机器人蓄电池(115)进行储能；
15.所述测距装置(116)用于测量机器人相对所述岸基发射装置的位置信息并将其发送至所述机器人驱动装置(117)及所述机器人内部通信单元(120)；
16.所述机器人驱动装置(117)用于根据所述位置信息及当前机器人的充电需求控制机器人向所述岸边基站驶近或驶离；
17.所述机器人内部通信单元(120)用于将所述位置信息发送至所述岸基发射装置，以便所述岸基发射装置开启或关闭能量发射电路，并调整所述岸基发射装置相对于所述接收线圈(113)的位置；
18.所述机器人内部用电设备(119)用于完成水文测量作业。
19.该机器人内部设置接收线圈(113)、测距装置(116)、机器人内部通信单元(120)，可与岸基发射装置进行通信，发出充电请求或充电完成指示，从而可控制机器人驱动装置(117)向岸基发射装置驶近或驶离，完成一次次的充电作业，相较于传统的有线式充电，采用无线充电技术可有效规避充电接口腐蚀生锈、电火花等缺点，节约成本，提高自动化程度。
20.本发明还提供一种水文缆道测量机器人的无线充电系统，该系统包括上述岸基发射装置及水文缆道测量机器人，为了在实际工作中完成对水文缆道测量机器人的全自动无线充电，不仅需要在岸基设置岸基发射装置，也需要在机器人中设置相应电路。
21.本发明还提供一种水文缆道测量机器人的无线充电方法，包括步骤：
22.s1：测量机器人蓄电池(115)的电量并判断其是否处于需充电状态，若是则使机器人驶向岸基发射装置，同时测量机器人相对岸基发射装置的位置信息；
23.s2：当机器人到达停泊区时，驻停机器人；
24.s3：机器人向岸基发射装置发出充电请求，同时将机器人停泊点的位置信息、接收线圈(113)的倾斜角度发送至岸基发射装置；
25.s4：岸基发射装置接收到充电请求后，根据机器人发送的位置信息、倾斜角度确定中继线圈(111)的最佳耦合角度；
26.s5：调整中继线圈(111)的位置，使其处于该最佳耦合角度；
27.s7：开启能量发射电路，发射线圈(108)向中继线圈(111)辐射电能，中继线圈(111)向接收线圈(113)辐射电能，接收线圈(113)接收电能经接收端电路(114)转化后存储
在蓄电池(115)中；
28.s8：测量机器人蓄电池(115)的电量并判断其是否充电完成，若是则驶离机器人至水文测量作业区域。
29.进一步地，所述步骤s2具体包括步骤：
30.s21：实时测量机器人与岸基发射装置之间的距离；
31.s22：机器人加速前进，当机器人行进至离岸基发射装置相距第一预设距离时，进入减速状态；
32.s23：当机器人到达停泊区时，驻停机器人。
33.进一步地，在所述步骤s4中，确定中继线圈(111)的最佳耦合角度的方式为：
34.在事先标定的最佳耦合角度对照表格中查找当前机器人的停泊点、接收线圈(113)的倾斜角度所对应的最佳耦合角度。
35.进一步地，所述步骤s5具体为：
36.将本次最佳耦合角度与上次充电所对应的最佳耦合角度进行对比，若两者相等则不需要调整中继线圈(111)的偏转角度，若不等则调整中继线圈(111)偏转至本次最佳耦合角度。
37.该方法说明了一次完整的充电过程：水文缆道测量机器人从水文测量工位驶向岸基发射装置并停驻以充电，在充电前根据机器人上接收线圈(113)的倾斜角度调整中继线圈(111)至最佳耦合角度以进行高效充电，充电完成后驶回水文测量工位。该方法可使得机器人在不同的缆道垂度下依然可完成快速充电操作，使机器人尽快返回到水文作业之中，具有极高的智能性、普适性，可在不同流域推广。
附图说明
38.图1是本发明实施例提供的一种水文缆道测量机器人的无线充电系统的结构图；
39.图2是本发明实施例提供的水文缆道测量机器人的无线充电系统的部分电气连接图；
40.图3是本发明实施例提供的三线圈结构与传统两线圈结构的效率对比图；
41.图4是本发明实施例提供的测距装置的示意图。
42.附图标记包括：能量发射装置101，中继线圈偏转装置102，能量接收装置103，太阳能板104，光伏蓄电池105，继电器106，发射端电路107，发射线圈108，控制器109，电机110，中继线圈111，无线通信单元112，接收线圈113，接收端电路114，机器人蓄电池115，测距装置116，机器人驱动装置117，缆道118，机器人内部用电设备119，机器人内部通信单元120，逆变电路121，原边谐振电路122，副边谐振电路123，整流电路124，超声波传感器125，驱动控制器126。
具体实施方式
43.下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
44.为了实现水文缆道测量机器人的无线充电，并使机器人在不同的倾角下均能高效
率传能，本发明实施例提供一种水文缆道测量机器人的无线充电系统，如图1的结构图所示，包括水文缆道测量机器人和岸基发射装置。
45.岸基发射装置包括能量发射装置101和中继线圈偏转装置102，能量发射装置101包括顺序连接的能量发射电路和发射线圈108。
46.中继线圈偏转装置102包括顺序连接的偏转控制驱动电路与中继线圈111。偏转控制驱动电路用于无线接收机器人内部通信单元120发送的位置信息，并根据该位置信息调整中继线圈111至最佳耦合角度。偏转控制驱动电路包括控制器109及与其连接的无线通信单元112、电机110。无线通信单元112用于无线接收机器人内部通信单元120发送的位置信息并发送至控制器109，控制器109用于根据该位置信息驱动电机110以控制中继线圈111偏转至与机器人上设置的接收线圈113相耦合的最佳耦合角度。
47.能量发射电路包括顺序连接的直流电源、继电器106、发射端电路107，直流电源和继电器106还连接控制器109。控制器109还用于控制继电器106，以接通或断开直流电源与发射端电路107。直流电源包括相连接的太阳能板104和光伏蓄电池105。
48.该岸基发射装置设有中继线圈偏转装置102，中继线圈偏转装置102设置有偏转控制驱动电路，以根据接收线圈113的位置信息调整中继线圈111位于最佳耦合角度，提高能量传输效率，使得机器人在不同的缆道垂度下依然可完成快速充电操作，使机器人尽快返回到水文作业之中，具有极高的智能性、普适性，可在不同流域推广。采用无线充电技术，不需要辅助定位装置对充电线圈进行对准，简化了系统设计。
49.如图1所示，水文缆道测量机器人包括顺序连接的接收线圈113、接收端电路114和机器人蓄电池115，连接机器人蓄电池115的测距装置116和机器人内部用电设备119，连接测距装置116的机器人驱动装置117，连接测距装置116和机器人蓄电池115的机器人内部通信单元120。机器人驱动装置117安装在缆道118上，可使机器人在缆道118上线性运动。其中，接收线圈113、接收端电路114和测距装置116合称为能量接收装置103，为本实施例在现有机器人内部结构上新增的部分。
50.接收线圈113用于与中继线圈111电磁感应，生成交流感应电源。
51.接收端电路114用于将交流感应电源转换为直流感应电源输入至机器人蓄电池115进行储能。
52.测距装置116用于测量机器人相对岸基发射装置的位置信息并将其发送至机器人驱动装置117及机器人内部通信单元120。
53.机器人驱动装置117用于根据位置信息及当前机器人的充电需求控制机器人向岸边基站驶近或驶离。
54.机器人内部通信单元120用于将位置信息发送至岸基发射装置，以便岸基发射装置开启或关闭能量发射电路，并调整岸基发射装置相对于接收线圈113的位置。
55.机器人内部用电设备119用于完成水文测量作业，其可与机器人内部通信单元120连接，通过机器人内部通信单元120向外发送相关的测量信息。
56.该机器人内部设置接收线圈113、测距装置116、机器人内部通信单元120，可与岸基发射装置进行通信，发出充电请求或充电完成指示，从而可控制机器人驱动装置117向岸基发射装置驶近或驶离，完成一次次的充电作业，相较于传统的有线式充电，采用无线充电技术可有效规避充电接口腐蚀生锈、电火花等缺点，节约成本，提高自动化程度。
57.如图2所示，发射端电路107包括逆变电路121与原边谐振电路122，用于将光伏蓄电池105内的直流电转换成交流电，传送至发射线圈108。发射线圈108用于能量的传递。接收端电路114包括副边谐振电路123与整流电路124，整流电路124用于将电磁感应所得的交流电转变为直流电，并储存于机器人内部蓄电池。接收线圈113用于拾取电能。
58.如图3所示，测距装置116包括超声波传感器125与驱动控制器126，超声波传感器的探头位于接收线圈113的下方，驱动控制器126与机器人驱动装置117相连。测距装置116用于测量机器人与岸边基站的距离，并根据距离的远近控制机器人驱动装置117的速度，分为加速段、减速段、停泊段。图3中，l1、l
r
、l2分别表示发射线圈108、中继线圈111和接收线圈113。
59.特别的，接收线圈113与接收端电路114之间的线路连接以及超声波传感器125探头信号发射均采用在机器人外壳穿孔方式实现，并利用橡胶垫圈对孔进行封装。
60.特别的，为了充分说明中继线圈111的偏转在效率提升上的优势，本例采用maxwell仿真软件，在传输距离为150mm，接收线圈113的倾斜角度为15
°
的情况下，将三线圈结构与传统两线圈结构在效率上做出对比，其结果如图4所示。可以看到，本例的三线圈结构保持领先传统两线圈结构约8％～25％的传输效率。
61.采用中继线圈偏转装置102的有益效果是：在缆道108老化或者极端强风天气下，钢索的垂度会发生变化，从而导致测量机器人与水平方向的倾角发生变化，降低充电效率。此时，中继线圈111可根据接收线圈113不同的倾斜角调整偏转角度，达到最佳耦合效果，提高系统传输效率，使机器人可以快速完成充电，进入作业。
62.本实施例还提供一种对应于上述无线充电系统的无线充电方法，具体包括步骤：
63.s1：测量机器人蓄电池115的电量并判断其是否处于需充电状态，若是则(机器人驱动装置117工作)使机器人驶向岸基发射装置，同时(测距装置116)测量机器人相对岸基发射装置的位置信息(超声波传感器125启动，实时测量机器人与岸基发射装置的距离，并传送至驱动控制器126)；
64.s2：当机器人到达停泊区时，驻停机器人；
65.s3：机器人(通过机器人内部通信单元120)向岸基发射装置发出充电请求，同时将机器人停泊点的位置信息、接收线圈113的倾斜角度发送至岸基发射装置(的无线通信单元112)；
66.s4：岸基发射装置(的控制器109)接收到充电请求后(控制器109从低功耗模式切换为工作模式)，根据机器人发送的位置信息、倾斜角度确定中继线圈111的最佳耦合角度；
67.s5：(控制器109根据该位置信息驱动电机110)调整中继线圈111的位置，使其处于该最佳耦合角度；
68.s7：(控制器109控制继电器106)开启能量发射电路，发射线圈108向中继线圈111辐射电能，中继线圈111向接收线圈113辐射电能，接收线圈113接收电能经接收端电路114转化后存储在机器人蓄电池115中；
69.s8：测量机器人蓄电池115的电量并判断其是否充电完成，若是则向无线通信设备112发送充电完成信号并驶离机器人至水文测量作业区域，控制器109接收到充电完成信号后关断继电器106，使发射端电路107断电，然后控制器109切换到睡眠模式。
70.特别的，步骤s2具体包括步骤：
71.s21：(测距装置116)实时测量机器人与岸基发射装置之间的距离；
72.s22：机器人加速前进，当机器人行进至离岸基发射装置相距第一预设距离(10米)时，进入减速状态；
73.s23：当机器人到达停泊区时，驻停机器人。
74.特别的，在步骤s4中，确定中继线圈111的最佳耦合角度的方式为：
75.(控制器109)在事先标定的最佳耦合角度对照表格中查找当前机器人的停泊点、接收线圈113的倾斜角度所对应的最佳耦合角度。
76.特别的，步骤s5具体为：
77.(控制器109)将本次最佳耦合角度与上次充电所对应的最佳耦合角度进行对比，若两者相等则不需要调整中继线圈111的偏转角度，若不等则调整中继线圈111偏转至本次最佳耦合角度。
78.该无线充电方法说明了一次完整的充电过程：水文缆道测量机器人从水文测量工位驶向岸基发射装置并停驻以充电，在充电前根据机器人上接收线圈113的倾斜角度调整中继线圈111至最佳耦合角度以进行高效充电，充电完成后驶回水文测量工位。该方法可使得机器人在不同的缆道垂度下依然可完成快速充电操作，使机器人尽快返回到水文作业之中，具有极高的智能性、普适性，可在不同流域推广。
79.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。