用于架空输电线路巡线机器人的自主充电系统及充电方法与流程

本发明涉及机器人充电技术，具体涉及用于架空输电线路巡线机器人的自主充电系统及充电方法。

背景技术：

输电线路是电力系统极为重要的组成部分，为了保证其安全稳定的运行，需要定期进行巡视检查。传统的输电线路巡检方法主要以人工巡线为主，其巡线效率低，劳动强度大，工人经常野外工作，工作环境恶劣，并且跨越高山、密林、大河的输电线路档段的巡检难度更大。采用直升机巡检效率高，但是其经济效益差，并且容易忽略输电线路的细微损坏。采用架空输电线路巡线机器人巡检可以克服以上的缺点，其巡检效率高，成像效果好，是机器人技术与输电线路巡检技术发展相结合的必然趋势。

架空输电线路巡线机器人能够携带检测设备代替人工对输电线路进行自动巡检，不仅可以减轻工人劳动强度，降低检测成本，还可以提高巡检作业质量和效率，确保输电线路的安全运行，对提高电网自动化作业水平具有重要意义。

巡线机器人在高压输电线路上作业时，一般采用内置蓄电池进行供电，但巡检机器人作业时能量消耗较大，长时间运行时需要频繁更换蓄电池，架空输电线路巡线机器人往往需要跨越山川湖泊，丛林荒漠，现场更换蓄电池费时费力，给巡检造成极大的不便。

实用新型专利“一种机器人无线自主充电系统”(201520117746.0)公开了一种用于地面移动机器人的无线自主充电系统，该系统虽然也采用太阳能取电、电能无线传输等充电技术，但作为一个自主充电系统，与架空输电线路巡线机器人自主充电系统有本质上的区别，无法直接应用到架空输电线路巡线机器人上。架空输电线路巡线机器人自主充电系统除了太能阳取电、无线感应取电部分，还包含线路巡线机器人电池管理系统、电池检测系统、无线通信系统、充电定位系统、储能检测系统等，各部分组成一个有机整体，针对性的解决沿地线运行的线路巡线机器人的充电难题，不是太阳能取电、电能无线传输、信号收发模块的简单拼凑，不是通用的无线充电系统的简单移植和扩展。

实现架空输电线路全程、全自主、长时间运行是巡线机器人的发展趋势，而机器人自主充电系统是需要首先解决的关键问题之一。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了用于架空输电线路巡线机器人的自主充电系统及充电方法，本发明针对沿地线运行的全程全自主巡线机器人提出的巡线机器人自主充电系统及方法，实现机器人无需人工参与，自主运行，自主充电。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

用于架空输电线路巡线机器人的自主充电系统，包括安装在机器人本体端的充电装置及与之通过无线通信方式连接的安装在线路杆塔端的充电装置，上述两部分充电装置通过电能无线传输系统实现电能传输，所述安装在机器人本体端的充电装置实时监测电池的信息并传输至机器人控制系统，所述机器人控制系统在电池供电不足时发送控制命令，通过充电定位系统使机器人本体端的充电装置及线路杆塔端的充电装置对准定位，完成线路杆塔端的充电装置对机器人本体端的充电装置的自主充电。

进一步的，所述安装在机器人本体端的充电装置包括蓄电池、电池检测系统、电池充电管理系统，所述电池监测系统分别与蓄电池、电池充电管理系统、机器人控制系统连接，实现蓄电池的监测，并将监测数据发送给机器人控制系统。

进一步的，所述线路杆塔端的充电装置包括安装在架空线路杆塔上的太阳能取电储能系统及储能监测系统。

进一步的，所述机器人本体端的充电装置及线路杆塔端的充电装置还包括电能无线传输系统、充电定位系统及无线通信系统，上述系统成对安装在机器人本体和铁塔上。

进一步的，所述电池充电管理系统分别与电池监测系统、电能无线传输系统连接，实现电池恒流充电、恒压充电、涓流充电的分段式充电管理。

进一步的，所述电能无线传输系统由电能发送控制器、电能传输线圈、电能接收控制器组成，电能无线传输系统分别与储能监测系统、电池充电管理系统相连，实现电能无线传输。

进一步的，所述充电定位系统由安装在机器人本体上的检测传感器与安装在杆塔上的定位装置组成，检测传感器将检测的数据传输至机器人控制系统，通过与机器人控制系统及杆塔上的定位装置配合，实现机器人充电定位，确保电能无线传输系统的电能发送线圈与电能接收线圈定位对准。

进一步的，所述无线通信系统采用一对多传输方式，分别与机器人控制系统、储能监测系统连接，实现机器人端与杆塔端太能能取电储能系统的数据通信。

进一步的，所述太阳能取电储能系统包括太阳能电池板、太阳能控制器及储能蓄电池，将太阳能转化为电能储存到储能蓄电池中，供机器人充电使用。

进一步的，所述储能监测系统与储能蓄电池、无线通信系统、电能无线传输系统连接，实现储能蓄电池电压监测、电量监测、电能无线传输系统使能控制，并将监测数据通过无线通信系统发送给机器人控制系统。

用于架空输电线路巡线机器人的自主充电方法，包括：

充电定位系统与机器人控制系统配合使电能无线传输系统的电能发送线圈与电能接收线圈准确对准定位；

完成电能无线传输系统对准定位，机器人控制系统通过无线通信系统发送控制指令，储能监测系统接收控制指令并使能电能无线传输系统，使其上电工作，机器人蓄电池开始充电；

在机器人充电过程中，电池监测系统与储能监测系统实时监控监测电池充放电电流及电池电量信息，在机器人蓄电池充满时或太阳能储能电池电量耗尽时，机器人控制系统通过无线通信系统发送控制指令，储能监测系统接收指令并关闭电能无线传输系统，同时储能监测系统进入节电模式；

机器人完成充电过程，太阳能取电储能系统继续将太阳能转换为电能给储能电池充电，为机器人下次充电做准备，机器人根据蓄电池电量信息及巡检作业任务要求，继续执行巡检作业任务或进入节电模式继续等待充电。

本发明的有益效果：

1、本发明通过电能无线传输方式实现太阳能给巡检机器人的充电，解决了沿地线运行的线路机器人在线能源获取的难题，同时提高了充电过程的可靠性。

2、本发明通过电池监测系统、储能监测系统等实时监测电池状态，电池电量不足时机器人自动启动充电任务，充电定位系统自动完成充电定位，充电完成自动停止，整个过程无需人工参与，自主运行，自主充电。

3、本发明在对机器人蓄电池进行充电时，电池充电管理系统按照电池充电曲线实现分段式充电，能够有效保护电池，实现精确而高效的充电。

4、本发明通过无线通信系统建立机器人端与线路杆塔间的数据连接，机器人本体可及时获取储能蓄电池的状态数据，而且可以发送控制指令使充电系统在不充电时进入节电休眠状态，避免电能损耗。

附图说明

图1本发明的自主充电系统-线路杆塔端结构示意图；

图2本发明的自主充电系统-机器人本体端结构示意图；

图3本发明的自主充电系统整体架构图；

图4本发明的自主充电系统充电流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1-2所示，本发明架空输电线线路巡线机器人自主充电系统主要由机器人蓄电池、电池监测系统、电池充电管理系统、电能无线传输系统、充电定位系统、无线通信系统、太阳能取电储能系统、储能监测系统等组成。

各部分的安装及之间的连接架构如图3所示，蓄电池、电池检测系统、电池充电管理系统安装在巡线机器人本体上；太阳能取电储能系统、储能监测系统安装在架空线路杆塔上；电能无线传输系统、充电定位系统、无线通信系统成对安装在机器人本体和铁塔上。

电池监测系统与蓄电池、电池充电管理系统、机器人控制系统连接，实现蓄电池电压监测、电量监测等功能，并可将监测数据发送给机器人控制系统。

电池充电管理系统与电池监测系统、电能无线传输系统连接，实现电池恒流充电、恒压充电、涓流充电的分段式充电管理。

电能无线传输系统由电能发送控制器、电能传输线圈、电能接收控制器组成，分别与储能控制系统、电池充电管理系统相连，实现电能无线传输。

电能传输线圈包含电能发送线圈和电能接收线圈，其中电能发送控制器和电能发送线圈安装在线路杆塔上，电能接收控制器和电能接收线圈安装在机器人本体上。电能发送线圈和电能接收线圈统称电能传输线圈。

充电定位系统由安装在机器人本体上的检测传感器和安装在杆塔上的定位装置组成。定位装置仅是一个用于定位的结构件，不是电子装置。通过机器人控制系统及安装在杆塔上的定位装置配合，实现机器人充电定位，确保电能无线传输系统的电能发送线圈与电能接收线圈定位对准。

无线通信系统采用一对多传输方式，分别与机器人控制系统、储能监控监测系统连接，实现机器人端与铁塔端储能装置的数据通信。

太阳能取电储能系统包括太阳能电池板、太阳能控制器、储能蓄电池等，将太阳能转化为电能储存到蓄电池中，供机器人充电使用。

储能监控监测系统与储能电池、无线通信系统、电能无线传输系统连接，实现储能电池电压监测、电量监测、电能无线传输系统使能控制，并可将监测数据通过无线通信系统发送给机器人控制系统。

在架空输电线路杆塔处每隔一定距离安装太阳能取电储能系统，用于为机器人蓄电池充电。在机器人本体与线路杆塔上安装电能无线传输系统，通过无线充电方式为机器人蓄电池充电。在机器人本体与线路杆塔上安装监测系统、定位系统、通信系统等，与机器人控制系统配合，实现机器人自动充电功能，使机器人能够在蓄电池电量耗尽前，自动导航到附近的充电站即杆塔上的充电装置，并完成充电。

一台机器人可与多个充电站连接，但由于充电站距离很远，所以每次只能与其中一个建立无线通信连接，通信连接的方式拟采用ZigBee网络，一个节点可与多个节点自动连接。

电能无线传输系统中的电能发送控制器和电能发送线圈安装在杆塔上，电能接收控制器和电能接收线圈安装在机器人上，整个共同构成电能无线传输系统。

机器人本体安装有GPS传感器，而杆塔上的充电装置的位置信息已经预存到机器人本体控制系统中，机器人本体控制系统具有自主导航功能，可以计算机器人与充电装置的距离，并导航到附近的充电站。

在机器人本体上安装电池监测系统，与机器人控制系统配合，自动判断机器人是否需要充电。

在机器人本体上安装充电定位系统，与安装在线路杆塔上的定位装置配合，使无线电能传输系统的电能发送线圈与电能接收线圈自动对准。

在机器人本体与线路杆塔间安装无线通信系统，控制电能无线传输系统的使能与关闭，并可传输电池电量等数据信息。

更为具体的充电流程如图4所示，在架空输电线路巡线机器人开展线路巡检作业时，电池监测系统实时监测机器人蓄电池电池电压、电量等信息，当电量不足时，将具体的信息发送给机器人控制系统。机器人根据电池电量、机器人当前位置、附近充电站位置等信息，根据需要将机器人导航到附近充电站。

充电定位系统与机器人控制系统配合使电能无线传输系统的电能发送线圈与电能接收线圈准确对准定位。

完成电能无线传输系统对准定位后，机器人控制系统通过无线通信系统发送控制指令，储能监控监测系统接收控制指令并使能电能无线传输系统，使其上电工作，机器人蓄电池开始充电。

在机器人充电过程中，电池监控监测系统与储能监测系统实时监控监测电池充放电电流及电池电量信息。在机器人蓄电池充满时或太阳能储能电池电量耗尽时，机器人控制系统通过无线通信系统发送控制指令，储能监控监测系统接收指令并关闭电能无线传输系统，同时储能监测系统进入节电模式。

机器人完成充电过程后，电池监测系统关闭电能无线传输系统，太阳能取电储能系统继续将太阳能转换为电能给储能电池充电，为机器人下次充电做准备。机器人根据蓄电池电量信息及巡检作业任务要求，继续执行巡检作业任务或进入节电模式继续等待充电。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。