专利名称：一种蓄电池驱动车辆的自动续能装置及控制方法
技术领域：
本发明属于电动车辆技术领域，特别是涉及一种蓄电池驱动车辆的自动续能装置及控制方法。
背景技术：
作为一种环保、节能、安全的代步工具，以电能为动力的车辆应用范围越来越广， 比如电动观光车、电动高尔夫球车、机场运行专用车辆及移动机器人等。但是，这些车辆存在的问题是其大部分是使用高质量的机载可充电蓄电池组来给自身供电，一旦电能耗尽， 必须采用人工干预的方式进行充电或更换电池，但是，由于其充电时间一般长于工作时间， 并且电池容量较大，重量可达几十公斤，因此人工更换比较困难，而且目前对于电动车辆自动续能装置的使用还未见相关报道。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种能在无人工干预环境下安全可靠、快速高效地自动续能的蓄电池驱动车辆的自动续能装置及控制方法。为了达到上述目的，本发明提供的蓄电池驱动车辆的自动续能装置由箱体、控制装置、水平运动系统、垂直运动系统、圆盘旋转系统、4个交流转直流电源充电器和电池箱组成；其中箱体的前端呈开口状，并且外部安装有一个更换电池按钮，而控制装置、水平运动系统、垂直运动系统、圆盘旋转系统、4个交流转直流电源充电器和电池箱则设置在箱体的内部。所述的水平运动系统包括水平模组和水平步进电机；水平模组由第一联轴器、末位接近开关、中位接近开关、水平导轨、首位接近开关和水平丝杠组成；其中水平导轨水平设置在箱体内部上方；水平丝杠安装在水平导轨上，并且其一端通过第一联轴器与水平步进电机相连；首位接近开关、末位接近开关和中位接近开关分别安装在水平导轨的两端和中间部位，并且末位接近开关靠近联轴器。所述的垂直运动系统包括垂直模组、垂直步进电机、支架和末端铲子；垂直模组由第二联轴器、上位接近开关、垂直丝杠、垂直导轨和下位接近开关组成；其中支架的上端通过丝杠母连接在水平丝杠上；垂直导轨的上端与支架的下端固连在一起；垂直丝杠安装在垂直导轨上，并且其上端通过第二联轴器与垂直步进电机相连；上位接近开关和下位接近开关分别安装在垂直导轨的上端和下端；末端铲子的后端通过丝杠母安装在位于上位接近开关和下位接近开关之间的垂直丝杠上。所述的圆盘旋转系统包括旋转圆盘、轴、推力球轴承、同步齿轮带和圆盘步进电机；其中旋转圆盘与轴相连接，轴通过推力球轴承垂直固定在箱体的底面之上，并且轴上设有同步齿轮；圆盘步进电机安装在箱体的侧面上，其通过同步齿轮带与轴上的同步齿轮相连接，从而带动旋转圆盘转动；旋转圆盘上设有4个充电位、6个电池箱卡槽、6个接近开关、 4组充电触点、待充电位和充电完成位；其中，4个充电位、待充电位和充电完成位分布在旋转圆盘的表面，并且其上分别设有一个用来固定电池箱的电池箱卡槽；每个充电位上安装有一个接近开关，用来检测该位置是否存在电池箱；每个充电位的外部开口处安装有充电触点，该充电触点的内侧面与电池箱上的触点相接触，外侧面与交流转直流电源充电器相连；待充电位用于存放内部装有待充电电池组的电池箱，或者当待充电位空闲时，末端铲子能够穿过该位置插入到外部电池箱上；充电完成位用于存放内部装有已充满电电池组的电池箱，为自动续能装置更换电池箱作准备。所述的电池箱包括电池箱体、多根横梁和触点；电池箱体由相隔距离平行设置的多块平板和底板构成，相邻平板之间的空间形成用于放置电池组的电池位；横梁水平安装在平板的上端，其与电池组之间的空隙用于插入末端铲子；触点位于电池箱体的一侧。当电池箱体放入充电位上时，触点与充电触点靠接，实现电池箱的充电功能。所述的4个交流转直流电源充电器分别位于旋转圆盘上4个充电位的旁边，其一端与220伏的交流电源相连，另一端与旋转圆盘上的充电触点相接，以实现交流电转换直流电的功能，并为直流电池组提供能量，并且内部安装有电压检测电路，该电路与控制装置中的AD/ΙΟ模块相连接，用于充电电池组的电压检测。所述的控制装置由主机系统、AD/ΙΟ模块、单片机、步进电机驱动器、无线AP模块和电源组成；其中主机系统分别与AD/ΙΟ模块、单片机和无线AP模块相连接；AD/ΙΟ模块为AD转换器与输入输出接口电路，用于采集各种输入信号，其输入端口分别与末位接近开关、中位接近开关、首位接近开关、上位接近开关、下接近开关、6个接近开关以及交流转直流电源充电器内的电压检测电路相连，输出端口与主机系统相接；单片机为步进电机驱动控制器，其输入端与主机系统相连，输出端与步进电机驱动器相接；步进电机驱动器的输入端与单片机相连，输出端分别与水平步进电机、垂直步进电机和圆盘步进电机相接；无线 AP模块为无线网络接入点，用于通过无线网络实现与外部的联系；电源则用于为整个控制装置提供工作电源。所述的主机系统201由嵌入式工控主板、存储器和CF卡组成或由可编程控制器实现；电源206由交流转直流的开关电源及其辅助电路构成。本发明提供的自动续能装置中将电池箱从充电位移至充电完成位控制方法包括按顺序进行的下列步骤1)初始化I/O接口的SlOl阶段；2)检测各部件初始位置的S102阶段；3)检测充电位中电池组电压的S103阶段；4)判断电池组充电是否结束的S104阶段；5)末端铲子退回水平末位的S105阶段；6)将存放有已充满电电池箱的充电位，即目标充电位对准末端铲子的S106阶段；7)将末端铲子降至垂直下位的S107阶段；8)将末端铲子插入已充满电电池箱，即目标电池箱的S108阶段；9)利用末端铲子提起已充满电电池箱的S109阶段；10)将已充满电电池箱退出原充电位的SllO阶段；11)将充电完成位对准末端铲子的Slll阶段；12)将已充满电电池箱送入充电完成位的Sl 12阶段；
13)将已充满电电池箱放在充电完成位上的S113阶段；14)将末端铲子退回水平末位的Sl 14阶段。本发明提供的自动续能装置中更换电池箱控制方法包括按顺序进行的下列步骤1)系统初始化的S201阶段；2)判断充电完成位是否存在电池箱的S202阶段；3)末端铲子升至垂直上位的S203阶段；4)末端铲子退至水平末位的S204阶段；5)将待充电位对准末端铲子的S205阶段；6)末端铲子降至垂直下位的S206阶段；7)将末端铲子插入外部电池箱的S207阶段；8)利用末端铲子提起外部电池箱的S208阶段；9)将外部电池箱送入待充电位的S209阶段；10)将外部电池箱放在待充电位上的S210阶段；11)将末端铲子退至水平末位的S211阶段；12)将充电完成位对准末端铲子的S212阶段；13)将末端铲子插入已充满电电池箱的S213阶段；14)利用末端铲子提起已充满电电池箱的S214阶段；15)将已充满电电池箱送入外部空位的S215阶段；16)将已充满电电池箱放在外部空位上的S216阶段；17)末端铲子退至水平末位的S217阶段。本发明提供的自动续能装置中将位于待充电位中的未充电电池箱放入充电位控制方法包括按顺序进行的下列步骤1)系统初始化的S301阶段；2)检测各部件初始位置的S302阶段；3)判断待充电位中是否存在待充电电池箱的S303阶段；4)将末端铲子退至水平末位的S304阶段；5)将待充电位对准末端铲子的S305阶段；6)将末端铲子降至垂直下位的S306阶段；
7)将末端铲子插入待充电电池箱的S307阶段；8)利用末端铲子提起待充电电池箱的S308阶段；9)将待充电电池箱退出待充电位的S309阶段；10)将空充电位对准末端铲子的S310阶段；11)将待充电电池箱送入空充电位的S311阶段；12)待充电电池箱放在空充电位上的S312阶段；13)将末端铲子退至水平末位的S313阶段。本发明提供的蓄电池驱动车辆的自动续能装置及控制方法能在无人工干预环境下安全可靠、快速高效地为蓄电池驱动车辆自动更换电池箱，实现其续能功能，且对蓄电池驱动车辆结构改动很小，只需将车辆上的机载蓄电池组放入电池箱即可，因此具有自动化程度高、结构简单、运行可靠、造价低，并且可以节省大量的时间与人力等优点。
图1为本发明提供的蓄电池驱动车辆的自动续能装置结构示意图。图2为本发明提供的蓄电池驱动车辆的自动续能装置中旋转圆盘结构示意图。图3为本发明提供的蓄电池驱动车辆的自动续能装置中电池箱结构示意图。图4为本发明提供的蓄电池驱动车辆的自动续能装置中控制装置组成框图。图5为本发明提供的蓄电池驱动车辆的自动续能装置中将电池箱从充电位移至充电完成位控制方法流程图。图6为本发明提供的蓄电池驱动车辆的自动续能装置中更换电池箱控制方法流程图。图7为本发明提供的蓄电池驱动车辆的自动续能装置中将位于待充电位中的未充电电池箱放入充电位控制方法流程图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明提供的蓄电池驱动车辆的自动续能装置及控制方法进行详细说明。如图1-图4所示，本发明提供的蓄电池驱动车辆的自动续能装置由箱体1、控制装置2、水平运动系统、垂直运动系统、圆盘旋转系统、4个交流转直流电源充电器33和电池箱35组成；其中箱体1的前端呈开口状，并且外部安装有一个更换电池按钮22，而控制装置2、水平运动系统、垂直运动系统、圆盘旋转系统、4个交流转直流电源充电器33和电池箱 35则设置在箱体1的内部。所述的水平运动系统包括水平模组和水平步进电机3 ；水平模组由第一联轴器4、 末位接近开关5、中位接近开关6、水平导轨7、首位接近开关8和水平丝杠9组成，用于实现垂直模组沿水平导轨7的水平运动，并通过上述三个接近开关反馈垂直模组的水平位置； 其中水平导轨7水平设置在箱体1内部上方；水平丝杠9安装在水平导轨7上，并且其一端通过第一联轴器4与水平步进电机3相连；首位接近开关8、末位接近开关5和中位接近开关6分别安装在水平导轨7的两端和中间部位，并且末位接近开关5靠近联轴器4。所述的垂直运动系统包括垂直模组、垂直步进电机10、支架34和末端铲子11 ；垂直模组由第二联轴器12、上位接近开关13、垂直丝杠14、垂直导轨15和下位接近开关16组成，用于实现末端铲子11沿垂直导轨15的垂直运动，并通过上述两个接近开关反馈末端铲子11的垂直位置；其中支架34的上端通过丝杠母连接在水平丝杠9上；垂直导轨15的上端与支架34的下端固连在一起；垂直丝杠14安装在垂直导轨15上，并且其上端通过第二联轴器12与垂直步进电机10相连；上位接近开关13和下位接近开关16分别安装在垂直导轨15的上端和下端；末端铲子11的后端通过丝杠母安装在位于上位接近开关13和下位接近开关16之间的垂直丝杠14上。所述的圆盘旋转系统包括旋转圆盘17、轴18、推力球轴承19、同步齿轮带20和圆盘步进电机21 ；其中旋转圆盘17与轴18相连接，轴18通过推力球轴承19垂直固定在箱体1的底面之上，并且轴18上设有同步齿轮；圆盘步进电机21安装在箱体1的侧面上，其
8通过同步齿轮带20与轴18上的同步齿轮相连接，从而带动旋转圆盘17转动；旋转圆盘17 上设有4个充电位23、6个电池箱卡槽M、6个接近开关25、4组充电触点26、待充电位27 和充电完成位观；其中，4个充电位23、待充电位27和充电完成位观分布在旋转圆盘17的表面，并且其上分别设有一个用来固定电池箱35的电池箱卡槽M ；每个充电位23上安装有一个接近开关25，用来检测该位置是否存在电池箱35 ；每个充电位23的外部开口处安装有充电触点26，该充电触点沈的内侧面与电池箱35上的触点32相接触，外侧面与交流转直流电源充电器33相连，当某一充电位23上存在电池箱35时，交流转直流电源充电器33 能够通过充电触点沈为电池箱35内的电池组充电；待充电位27用于存放内部装有待充电电池组的电池箱35，或者当待充电位27空闲时，末端铲子11能够穿过该位置插入到外部电池箱上；充电完成位观用于存放内部装有已充满电电池组的电池箱35，为自动续能装置更换电池箱作准备。所述的电池箱35包括电池箱体31、多根横梁30和触点32 ；电池箱体31由相隔距离平行设置的多块平板36和底板37构成，相邻平板36之间的空间形成用于放置电池组的电池位四；横梁30水平安装在平板36的上端，其与电池组之间的空隙用于插入末端铲子 11 ；触点32位于电池箱体31的一侧，当电池箱35位于车辆内部时，电池箱35内的电池组通过触点32为车辆提供能源，当电池箱35位于自动续能装置上的充电位23时，触点32与充电触点26相接触，以实现电池箱的充电功能。所述的4个交流转直流电源充电器33分别位于旋转圆盘17上4个充电位沈的旁边，其一端与220伏的交流电源相连，另一端与旋转圆盘17上的充电触点沈相接，以实现交流电转换直流电的功能，并为直流电池组提供能量，并且内部安装有电压检测电路，该电路与控制装置2中的AD/ΙΟ模块202相连接，用于充电电池组的电压检测。所述的控制装置2由主机系统201、AD/ΙΟ模块202、单片机203、步进电机驱动器 204、无线AP模块205和电源206组成，用于实现电池箱的自动更换以及待充电电池组的自动充电等功能；其中主机系统201为控制装置2的控制核心，分别与AD/ΙΟ模块202、单片机203和无线AP模块205相连接；AD/ΙΟ模块202为AD转换器与输入输出接口电路，用于采集各种输入信号，其输入端口分别与末位接近开关5、中位接近开关6、首位接近开关8、 上位接近开关13、下接近开关16、6个接近开关25以及交流转直流电源充电器33中的电压检测电路相连，输出端口与主机系统201相接；单片机203为步进电机驱动控制器，其能够根据主机系统201的指令控制步进电机的运行，并能精确控制水平步进电机3、垂直步进电机10和圆盘步进电机21的转动角度，其输入端与主机系统201相连，输出端与步进电机驱动器204相接；步进电机驱动器204用于独立地推动三个步进电机3，10，21的运转，其输入端与单片机203相连，输出端分别与水平步进电机3、垂直步进电机10和圆盘步进电机21 相接；无线AP模块205为无线网络接入点，用于通过无线网络实现与外部的联系，当服务对象为自主移动机器人等智能车辆时，可以通过无线AP模块205实现与对方的通讯，并实现其自动续能功能，为其大范围的推广提供保障；电源206则用于为整个控制装置提供工作电源。所述的主机系统201由嵌入式工控主板、存储器和CF卡组成或由可编程控制器实现；电源206由交流转直流的开关电源及其辅助电路构成。图5为本发明提供的蓄电池驱动车辆的自动续能装置中将电池箱从充电位移至充电完成位控制方法流程图。在下面的说明中，假定控制装置2中各组件已经处于待用状态，且主系统工作在空闲模式下，同时某个充电位23中电池箱35内的电池组已充满电，现需要将该电池箱35从该充电位23移至充电完成位观。另外，水平首位、水平中位和水平末位分别指末端铲子11处于首位接近开关8、中位接近开关6和末位接近开关5的位置；垂直上位和垂直下位分别指末端铲子11处于上位接近开关13和下位接近开关16的位置。如图5所示，所述的自动续能装置中将电池箱从充电位移至充电完成位控制方法包括按顺序进行的下列步骤1)初始化I/O接口的SlOl阶段；在此阶段中，主机系统201将对I/O板输入输出接口进行初始化；2)检测各部件初始位置的S102阶段；在此阶段中，主机系统201将通过AD/ΙΟ模块202循环检测各接近开关的状态，从而获得各个部件的初始位置信息；3)检测充电位中电池组电压的S103阶段；在此阶段中，主机系统201将通过AD/ IO模块202循环检测各个充电位23中电池箱内电池组的电压；4)判断电池组充电是否结束的S104阶段；在此阶段中，主机系统201将通过 S102、S103阶段获得的信息来判断各充电位23中是否存在已经充满电的电池箱即已充满电电池箱，如果是则进入S105阶段，否则返回到S103阶段的入口处；5)末端铲子退回水平末位的S105阶段；在此阶段中，主机系统201将通过末位接近开关5来判断末端铲子11是否处在水平末位位置，如果是则直接进入S106阶段，否则启动水平步进电机3，以使末端铲子11移动到水平末位位置，然后再进入S106阶段；6)将存放有已充满电电池箱的充电位，即目标充电位对准末端铲子的S106阶段； 在此阶段中，主机系统201将控制圆盘步进电机21转动，以使距离末端铲子11正前方最近且其上具有已充满电电池箱的充电位23转至末端铲子n的正前方；7)将末端铲子降至垂直下位的S107阶段；在此阶段中，主机系统201将通过下位接近开关16来判断末端铲子11是否处在垂直下位位置，如果是则直接进入S108阶段，否则启动垂直步进电机10，以使末端铲子11移动到垂直下位位置，然后再进入S108阶段；8)将末端铲子插入已充满电电池箱，即目标电池箱的S108阶段；在此阶段中，主机系统201将控制水平步进电机3转动，以使末端铲子11移向水平中位位置，并通过中位接近开关6进行检测，以确保末端铲子11运行到水平中位位置，在此过程中垂直模组将带动末端铲子U水平前伸，从而使末端铲子U插入到位于充电位23中已充满电电池箱上横梁30和电池组之间的空隙中；9)利用末端铲子提起目标电池箱的S109阶段；在此阶段中，主机系统201将控制垂直步进电机10转动，以使末端铲子11上升，并通过上位接近开关13进行判断，以确保末端铲子11运行到垂直上位位置，从而将已充满电电池箱提起；10)将已充满电电池箱退出原充电位的SllO阶段；在此阶段中，主机系统201将控制水平步进电机3转动，以使末端铲子11移向水平末位位置，同时通过末位接近开关5 进行检测，以确保末端铲子11运行到水平末位位置，在此过程中末端铲子11将带动已充满电电池箱水平后移，使其从原来所处的充电位23中退出；11)将充电完成位对准末端铲子的Slll阶段；在此阶段中，主机系统201将控制圆盘步进电机21转动，以使充电完成位28转至末端铲子11的正前方；
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12)将已充满电电池箱送入充电完成位的S112阶段；在此阶段中，主机系统201 将控制水平步进电机3转动，以使末端铲子11移向水平中位位置，同时通过中位接近开关 6进行判断，以确保末端铲子11运行到水平中位位置，在此过程中末端铲子11将带动已充满电电池箱水平前移，并使其进入到充电完成位观中；13)将已充满电电池箱放在充电完成位上的S113阶段；在此阶段中，主机系统201 将控制垂直步进电机10转动，以使末端铲子11移向垂直下位位置，同时通过下位接近开关 16进行检测，以确保末端铲子11运行到垂直下位位置，在此过程中末端铲子11将下降，并将已充满电电池箱放在充电完成位观上；14)将末端铲子退回水平末位的S114阶段；在此阶段中，主机系统201将控制水平步进电机3转动，以使末端铲子11移向水平末位位置，同时通过末位接近开关5进行判断，以确保末端铲子11运行到水平末位位置，在此过程中末端铲子11将从已充满电电池箱上脱出，由此完成将电池箱从充电位移至充电完成位的整个过程。图6为本发明提供的蓄电池驱动车辆的自动续能装置中更换电池箱控制方法流程图。在下面的说明中，假定电动车辆或自主移动机器人等蓄电池驱动车辆已经实现泊位， 其上安装电池箱的位置正好对正自动续能装置，驾驶员手动按下更换电池按钮22或通过无线网络与自动续能装置进行通讯就可以自动进入更换电池箱工作过程。如图6所示，所述的自动续能装置中更换电池箱控制方法包括按顺序进行的下列步骤1)系统初始化的S201阶段；在此阶段中，主机系统201将对相关部件进行初始化操作；2)判断充电完成位是否存在电池箱的S202阶段；在此阶段中，主机系统201将判断充电完成位观中是否存在已充满电电池箱，如果是则进入S203阶段，否则跳转到SlOl 阶段的入口处，进入已充满电电池箱从充电位移至充电完成位的工作过程；3)末端铲子升至垂直上位的S203阶段；在此阶段中，主机系统201将通过上位接近开关13来判断末端铲子11是否处在垂直上位位置，如果是则直接进入S204阶段，否则启动垂直步进电机10，以使末端铲子11运行到垂直上位位置，然后再进入S204阶段；4)末端铲子退至水平末位的S204阶段；在此阶段中，主机系统201将控制水平步进电机3转动，以使末端铲子11移向水平末位位置，同时通过末位接近开关5进行检测，以确保末端铲子U移动到水平末位位置；5)将待充电位对准末端铲子的S205阶段；在此阶段中，主机系统201将控制圆盘步进电机21转动，以使待充电位27转至末端铲子11的正前方；6)末端铲子降至垂直下位的S206阶段；在此阶段中，主机系统201将控制垂直步进电机10转动，以使末端铲子11移向垂直下位位置，同时通过下位接近开关16进行检测， 以确保末端铲子11运行到垂直下位位置；7)将末端铲子插入外部电池箱的S207阶段；在此阶段中，主机系统201将控制水平步进电机3转动，以使末端铲子11移向水平首位位置，同时通过首位接近开关8进行检测，以确保末端铲子11移动到水平首位位置，在此过程中，垂直模组将带动末端铲子11水平前伸，并使其前端插入到外部车辆上外部待充电电池箱的横梁30和电池组间的空隙中；8)利用末端铲子提起外部电池箱的S208阶段；在此阶段中，主机系统201将控制垂直步进电机10转动，以使末端铲子11移向垂直上位位置，同时通过上位接近开关13进行检测，以确保末端铲子11移动到垂直上位位置，在此过程中，末端铲子11将带动外部电池箱一起升高，从而将其抬起；9)将外部电池箱送入待充电位的S209阶段；在此阶段中，主机系统201将控制水平步进电机3转动，以使末端铲子11移向水平中位位置，同时通过中位接近开关6进行检测，以确保末端铲子11运行到水平中位位置，在此过程中，垂直模组将带动末端铲子11水平后移，从而将外部电池箱送入待充电位27中；10)将外部电池箱放在待充电位上的S210阶段；在此阶段中，主机系统201将控制垂直步进电机10转动，以使末端铲子11移向垂直下位位置，同时通过下位接近开关16 进行检测，以确保末端铲子11运行到垂直下位位置，在此过程中末端铲子11将降低，并将外部电池箱放在待充电位27上；11)将末端铲子退至水平末位的S211阶段；在此阶段中，主机系统201将控制水平步进电机3转动，以使末端铲子11移向水平末位位置，同时通过末位接近开关5进行检测，以确保末端铲子11运行到水平末位位置，在此过程中末端铲子11将从外部电池箱上脱出；12)将充电完成位对准末端铲子的S212阶段；在此阶段中，主机系统201将控制圆盘步进电机21转动，以使充电完成位观转至末端铲子11的正前方；13)将末端铲子插入已充满电电池箱的S213阶段；在此阶段中，主机系统201将控制水平步进电机3转动，以使末端铲子11移向水平中位位置，同时通过中位接近开关6 进行检测，以确保末端铲子11移动到水平中位位置，在此过程中，垂直模组将带动末端铲子11水平前伸，并将末端铲子11的前端插入到位于充电完成位观中的已充满电电池箱上横梁30和电池组间的空隙中；14)利用末端铲子提起已充满电电池箱的S214阶段；在此阶段中，主机系统201 将控制垂直步进电机10转动，以使末端铲子11移向垂直上位位置，并通过上位接近开关13 进行检测，以确保末端铲子U移动到垂直上位位置，在此过程中末端铲子11将上升，从而将已充满电电池箱提起；15)将已充满电电池箱送入外部空位的S215阶段；在此阶段中，主机系统201将控制水平步进电机3转动，以使末端铲子11移向水平首位位置，同时通过首位接近开关8 进行检测，以确保末端铲子11运行到水平首位位置，在此过程中，垂直模组将带动末端铲子11水平前伸，从而将已充满电电池箱送入到外部电动车辆的电池箱空位中；16)将已充满电电池箱放在外部空位上的S216阶段；在此阶段中，主机系统201 将控制垂直步进电机10转动，以使末端铲子11移向垂直下位位置，同时通过下位接近开关 16进行检测，以确保末端铲子11移动到垂直下位位置，在此过程中末端铲子11将下降，并将已充满电电池箱放在外部电动车辆的电池箱空位上；17)末端铲子退至水平末位的S217阶段；在此阶段中，主机系统201将控制水平步进电机3转动，以使末端铲子11移向水平末位位置，同时通过末位接近开关5进行检测， 以确保末端铲子11运行到水平末位位置，在此过程中，末端铲子11将从已充满电电池箱上脱出，由此完成更换电池箱的整个过程。图7为本发明提供的蓄电池驱动车辆的自动续能装置中将位于待充电位中的未充电电池箱放入充电位控制方法流程图。如图7所示，所述的自动续能装置中将位于待充电位中的未充电电池箱放入充电位控制方法包括按顺序进行的下列步骤1)系统初始化的S301阶段；在此阶段中，主机系统201将对相关部件进行初始化操作；2)检测各部件初始位置的S302阶段；在此阶段中，主机系统201将通过AD/ΙΟ模块202循环检测各接近开关的状态，从而获得各个部件的初始位置信息；3)判断待充电位中是否存在待充电电池箱的S303阶段；在此阶段中，主机系统 201将通过S302阶段获得的信息来判断待充电位27中是否存在待充电电池箱，如果是则进入S304阶段，否则返回到S302阶段的入口处；4)将末端铲子退至水平末位的S304阶段；在此阶段中，主机系统201将通过末位接近开关5来判断末端铲子11是否处在水平末位位置，如果是则直接进入S305阶段，否则启动水平步进电机3，以使末端铲子11运行到水平末位位置，然后再进入S305阶段；5)将待充电位对准末端铲子11的S305阶段；在此阶段中，主机系统201将控制圆盘步进电机21转动，以使待充电位27转至末端铲子11的正前方；6)将末端铲子降至垂直下位的S306阶段；在此阶段中，主机系统201将通过下位接近开关16来判断末端铲子11是否处在垂直下位位置，如果是则直接进入S307阶段，否则启动垂直步进电机10，以使末端铲子11运行到垂直下位位置，然后再进入S307阶段；7)将末端铲子插入待充电电池箱的S307阶段；在此阶段中，主机系统201将控制水平步进电机3转动，以使末端铲子11移向水平中位位置，同时通过中位接近开关6进行检测，以确保末端铲子11运行到水平中位位置，在此过程中，垂直模组将带动末端铲子11 水平前伸，并使末端铲子11的前端插入到位于待充电位27中待充电电池箱的横梁30和电池组间的空隙中；8)利用末端铲子提起待充电电池箱的S308阶段；在此阶段中，主机系统201将控制垂直步进电机10转动，以使末端铲子11移向垂直上位位置，同时通过上位接近开关13 进行检测，以确保末端铲子11运行到垂直上位位置，在此过程中，末端铲子11将升高，并将待充电电池箱提起；9)将待充电电池箱退出待充电位的S309阶段；在此阶段中，主机系统201将控制水平步进电机3转动，以使末端铲子11移向水平末位位置，同时通过末位接近开关5进行检测，以确保末端铲子11运行至水平末位位置，在此过程中，垂直模组将带动末端铲子11 水平后退，并使位于待充电位27中的待充电电池箱退出待充电位27 ；10)将空充电位对准末端铲子的S310阶段；在此阶段中，主机系统201将控制圆盘步进电机21转动，以使空充电位23转至末端铲子11的正前方；11)将待充电电池箱送入空充电位的S311阶段；在此阶段中，主机系统201控制水平步进电机3转动，以使末端铲子11移向水平中位位置，同时通过中位接近开关6进行检测，以确保末端铲子11运行至水平中位位置，在此过程中，垂直模组将带动末端铲子11 水平前伸，从而将待充电电池箱送入空充电位23中；12)待充电电池箱放在空充电位上的S312阶段；在此阶段中，主机系统201将控制垂直步进电机10转动，以使末端铲子11移向垂直下位位置，同时通过下位接近开关16 进行检测，以确保末端铲子11运行至垂直下位位置，在此过程中末端铲子11将下降，从而将待充电电池箱放在空充电位23上；
13)将末端铲子退至水平末位的S313阶段；在此阶段中，主机系统201将控制水平步进电机3转动，以使末端铲子11移向水平末位位置，同时通过末位接近开关5进行检测，以确保末端铲子11运行至水平模组末位位置，在此过程中，末端铲子11将从待充电电池箱上脱出，由此完成将位于待充电位中的未充电电池箱放入充电位的整个过程。上面利用三种控制方法对本发明提供的蓄电池驱动车辆的自动续能装置工作过程进行了详细说明。另外，在以上所述的各系统具体操作阶段中，任一环节出现技术故障或者系统问题，则系统会进行重置操作，并且进行自检，并发出警报，以提醒工作人员及时做出相应处理。
权利要求
1.一种蓄电池驱动车辆的自动续能装置，其特征在于所述的自动续能装置由箱体 (1)和控制装置O)、水平运动系统、垂直运动系统、圆盘旋转系统、4个交流转直流电源充电器(33)和电池箱(35)组成；其中箱体(1)的前端呈开口状，并且外部安装有一个更换电池按钮(22)，而控制装置O)、水平运动系统、垂直运动系统、圆盘旋转系统、4个交流转直流电源充电器(33)和电池箱(35)则设置在箱体(1)的内部。
2.根据权利要求1所述的蓄电池驱动车辆的自动续能装置，其特征在于所述的水平运动系统包括水平模组和水平步进电机(3)；水平模组由第一联轴器G)、末位接近开关 (5)、中位接近开关(6)、水平导轨(7)、首位接近开关(8)和水平丝杠(9)组成；其中水平导轨(7)水平设置在箱体(1)内部上方；水平丝杠(9)安装在水平导轨(7)上，并且其一端通过第一联轴器(4)与水平步进电机(3)相连；首位接近开关(8)、末位接近开关(5)和中位接近开关(6)分别安装在水平导轨(7)的两端和中间部位，并且末位接近开关(5)靠近联轴器⑷。
3.根据权利要求1所述的蓄电池驱动车辆的自动续能装置，其特征在于所述的垂直运动系统包括垂直模组、垂直步进电机(10)、支架(34)和末端铲子(11)；垂直模组由第二联轴器(12)、上位接近开关(13)、垂直丝杠(14)、垂直导轨(1 和下位接近开关(16)组成；其中支架(34)的上端通过丝杠母连接在水平丝杠(9)上；垂直导轨(1 的上端与支架(34)的下端固连在一起；垂直丝杠(14)安装在垂直导轨(1 上，并且其上端通过第二联轴器(12)与垂直步进电机(10)相连；上位接近开关(13)和下位接近开关(16)分别安装在垂直导轨(1 的上端和下端；末端铲子(11)的后端通过丝杠母安装在位于上位接近开关(13)和下位接近开关(16)之间的垂直丝杠(14)上。
4.根据权利要求1所述的蓄电池驱动车辆的自动续能装置，其特征在于所述的圆盘旋转系统包括旋转圆盘(17)、轴(18)、推力球轴承(19)、同步齿轮带00)和圆盘步进电机 (21)；其中旋转圆盘(17)与轴(18)相连接，轴(18)通过推力球轴承(19)垂直固定在箱体 (1)的底面之上，并且轴(18)上设有同步齿轮；圆盘步进电机安装在箱体(1)的侧面上，其通过同步齿轮带OO)与轴(18)上的同步齿轮相连接，从而带动旋转圆盘(17)转动； 旋转圆盘(17)上设有4个充电位03)、6个电池箱卡槽04)、6个接近开关05)、4组充电触点(26)、待充电位(XT)和充电完成位08)；其中，4个充电位( )、待充电位(XT)和充电完成位08)分布在旋转圆盘(17)的表面，并且其上分别设有一个用来固定电池箱(35) 的电池箱卡槽04)；每个充电位上安装有一个接近开关(25)，用来检测该位置是否存在电池箱(35)；每个充电位03)的外部开口处安装有充电触点( )，该充电触点06)的内侧面与电池箱(3 上的触点(3 相接触，外侧面与交流转直流电源充电器(3 相连； 待充电位(XT)用于存放内部装有待充电电池组的电池箱(35)，或者当待充电位(XT)空闲时，末端铲子(11)能够穿过该位置插入到外部电池箱上；充电完成位08)用于存放内部装有已充满电电池组的电池箱35，为自动续能装置更换电池箱作准备。
5.根据权利要求1所述的蓄电池驱动车辆的自动续能装置，其特征在于所述的电池箱(35)包括电池箱体(31)、多根横梁(30)和触点(32)；电池箱体(31)由相隔距离平行设置的多块平板(36)和底板(37)构成，相邻平板(36)之间的空间形成用于放置电池组的电池位09)；横梁(30)水平安装在平板(36)的上端，其与电池组之间的空隙用于插入末端铲子(11)；触点(32)位于电池箱体(31)的一侧。
6.根据权利要求1所述的蓄电池驱动车辆的自动续能装置，其特征在于所述的4个交流转直流电源充电器(3 分别位于旋转圆盘(17)上4个充电位06)的旁边，其一端与 220伏的交流电源相连，另一端与旋转圆盘(17)上的充电触点06)相接，以实现交流电转换直流电的功能，并为直流电池组提供能量，并且内部安装有电压检测电路，该电路与控制装置O)中的AD/ΙΟ模块202相连接，用于充电电池组的电压检测。
7.根据权利要求1所述的蓄电池驱动车辆的自动续能装置，其特征在于所述的控制装置2由主机系统Q01)、AD/I0模块002)、单片机003)、步进电机驱动器004)、无线 AP模块(205)和电源(206)组成；其中主机系统O01)分别与AD/ΙΟ模块Q02)、单片机 (203)和无线AP模块(205)相连接；AD/ΙΟ模块(202)为AD转换器与输入输出接口电路，用于采集各种输入信号，其输入端口分别与末位接近开关(5)、中位接近开关(6)、首位接近开关(8)、上位接近开关(13)、下接近开关(16)、6个接近开关05)以及交流转直流电源充电器(33)内的电压检测电路相连，输出端口与主机系统O01)相接；单片机Q03)为步进电机驱动控制器，其输入端与主机系统(201)相连，输出端与步进电机驱动器(204)相接； 步进电机驱动器O04)的输入端与单片机(20 相连，输出端分别与水平步进电机(3)、垂直步进电机(10)和圆盘步进电机相接；无线AP模块(205)为无线网络接入点，用于通过无线网络实现与外部的联系；电源(206)则用于为整个控制装置提供工作电源。
8.—种权利要求1所述的自动续能装置中将电池箱从充电位移至充电完成位控制方法，其特征在于所述的控制方法包括按顺序进行的下列步骤1)初始化I/O接口的SlOl阶段；2)检测各部件初始位置的S102阶段；3)检测充电位中电池组电压的S103阶段；4)判断电池组充电是否结束的S104阶段；5)末端铲子退回水平末位的S105阶段；6)将存放有已充满电电池箱的充电位，即目标充电位对准末端铲子的S106阶段；7)将末端铲子降至垂直下位的S107阶段；8)将末端铲子插入已充满电电池箱，即目标电池箱的S108阶段；9)利用末端铲子提起已充满电电池箱的S109阶段；10)将已充满电电池箱退出原充电位的SllO阶段；11)将充电完成位对准末端铲子的Slll阶段；12)将已充满电电池箱送入充电完成位的S112阶段；13)将已充满电电池箱放在充电完成位上的S113阶段；14)将末端铲子退回水平末位的S114阶段。
9.一种权利要求1所述的自动续能装置中更换电池箱控制方法，其特征在于所述的控制方法包括按顺序进行的下列步骤1)系统初始化的S201阶段；2)判断充电完成位是否存在电池箱的S202阶段；3)末端铲子升至垂直上位的S203阶段；4)末端铲子退至水平末位的S204阶段；5)将待充电位对准末端铲子的S205阶段；6)末端铲子降至垂直下位的S206阶段；7)将末端铲子插入外部电池箱的S207阶段；8)利用末端铲子提起外部电池箱的S208阶段；9)将外部电池箱送入待充电位的S209阶段；10)将外部电池箱放在待充电位上的S210阶段；11)将末端铲子退至水平末位的S211阶段；12)将充电完成位对准末端铲子的S212阶段；13)将末端铲子插入已充满电电池箱的S213阶段；14)利用末端铲子提起已充满电电池箱的S214阶段；15)将已充满电电池箱送入外部空位的S215阶段；16)将已充满电电池箱放在外部空位上的S216阶段；17)末端铲子退至水平末位的S217阶段。
10. 一种权利要求1所述的自动续能装置中将位于待充电位中的未充电电池箱放入充电位控制方法，其特征在于所述的控制方法包括按顺序进行的下列步骤1)系统初始化的S301阶段；2)检测各部件初始位置的S302阶段；3)判断待充电位中是否存在待充电电池箱的S303阶段；4)将末端铲子退至水平末位的S304阶段；5)将待充电位对准末端铲子的S305阶段；6)将末端铲子降至垂直下位的S306阶段；7)将末端铲子插入待充电电池箱的S307阶段；8)利用末端铲子提起待充电电池箱的S308阶段；9)将待充电电池箱退出待充电位的S309阶段；10)将空充电位对准末端铲子的S310阶段；11)将待充电电池箱送入空充电位的S311阶段；12)待充电电池箱放在空充电位上的S312阶段；13)将末端铲子退至水平末位的S313阶段。
全文摘要
一种蓄电池驱动车辆的自动续能装置及控制方法。装置由箱体和控制装置、水平运动系统、垂直运动系统、圆盘旋转系统、4个交流转直流电源充电器和电池箱组成；其中箱体的前端呈开口状，并且外部安装有一个更换电池按钮，而控制装置、水平运动系统、垂直运动系统、圆盘旋转系统、4个交流转直流电源充电器和电池箱则设置在箱体的内部。本发明的蓄电池驱动车辆的自动续能装置及控制方法能在无人工干预环境下安全可靠、快速高效地为蓄电池驱动车辆自动更换电池箱，实现其续能功能，且对蓄电池驱动车辆结构改动很小，只需将车辆上的机载蓄电池组放入电池箱即可，因此具有自动化程度高、结构简单、运行可靠、造价低，且可以节省大量的时间与人力等优点。
文档编号H02J7/00GK102152731SQ20111010302
公开日2011年8月17日 申请日期2011年4月22日 优先权日2011年4月22日
发明者史志波, 徐萍, 牛国臣, 胡丹丹, 高庆吉 申请人:中国民航大学