无线智能水井与能源供给系统的能源小车的制作方法

本发明涉及一种可移动能源，具体涉及一种无线智能水井与能源供给系统的能源小车。

背景技术：

传统的水井一般井口敞开，用绳索拉水桶取水。这种模式存在人员与动物的坠落、水体生物污染、投毒等安全隐患，且在使用时费时费力。

智能水井与能源供给系统可以将井口与外界隔离，有效防止人员与动物的坠落，同时防止他人对井水的投毒。然而，智能水井的井口设备的电源通过架设电线连接，设在地面上既不方便，也不安全；设在地下不便于检修，且安全性也无法保障。

因此，需要提供一种可移动能源，能方便地为智能水井的井口设备提供无线充电。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种携带电池组的可移动能源小车，可根据井口设备或充电站发出的定位信息，规划行进路线，移动至目的地。

为了达到上述目的，本发明提供了一种无线智能水井与能源供给系统的能源小车，其包含：

小车电池组件，其包含：第一直流降压模块、小车电池组及小车电池管理模块；

与第一直流降压模块连接的小车控制器；

定位单元，其与小车控制器信号连接；

驱动单元，其与小车控制器信号连接；及

与小车控制器信号连接的加速度传感器，用于检测能源小车在移动过程中的加速度变化量，并将加速度变化量信号传输至小车控制器；

其中，所述的小车控制器将定位指令传输至定位单元，并通过定位单元获取时戳数据，计算能源小车与声源的相对方位及相对距离，规划能源小车行进路线，并输出驱动信号至驱动单元，控制能源小车的行进。

较佳地，该能源小车还包含：与小车电池组件双向连接的无线充放电模块，通过无线充放电模块能实现充电站对小车电池组无线充电，或者，实现小车电池组为井口设备的电池组无线充电。

较佳地，所述的小车电池管理模块与小车控制器信号连接，通过小车控制器控制小车电池的充放电。

较佳地，所述的定位单元包含：

定位控制器，其与所述小车控制器信号连接，根据小车控制器输出的定位指令，发出定位控制信号；

为定位控制器提供电压转换的第二直流降压模块；

用于提供一个固定的声波拾取站的固定定位器；

用于提供实时位置的声波拾取站的定位模块；

旋转模块，其包含用于驱动定位模块旋转的步进电机；及

用于收发无线信号的无线通讯模块，其与定位控制器信号连接。

较佳地，所述固定定位器设置在能源小车的车头部，位于能源小车左右对称轴上。

较佳地，所述的固定定位器、定位模块分别与定位控制器信号连接，所述的固定定位器、定位模块分别将自身获取的时戳数据的模拟量信号传输至定位控制器，转化为数字信号后，再通过uart接口传输至小车控制器。

较佳地，所述的定位单元与小车电池组件连接，由小车电池组件为第二直流降压模块、旋转模块提供电力；所述的直流降压模块转化降低输出电压，分别为定位控制器、定位模块、无线通讯模块提供电力。

较佳地，所述的定位模块与旋转模块构成旋转定位器，该旋转定位器的圆心设置在能源小车的车尾部，位于能源小车左右对称轴上。

较佳地，所述的驱动单元包含：

第三直流降压模块；

与第三直流降压模块连接的动力控制器，该动力控制器与所述的小车控制器信号连接，接收来自小车控制器的驱动信号，经逻辑运算后发出电机控制信号；及

步进电机驱动模块，其包含用于分别驱动左侧步进电机、右侧步进电机的控制器，接收来自动力控制器的电机控制信号，并相应地驱动左侧步进电机和/或右侧步进电机旋转；

其中，所述的电机控制信号包含：控制左侧步进电机的第一控制信号，及，控制右侧步进电机的第二控制信号。

较佳地，所述的第三直流降压模块、步进电机驱动模块分别与小车电池组件连接。

有益效果：

本发明提供的能源小车通过定位单元确定充电站或井口设备的位置，并通过驱动单元移动至充电站或井口设备的指定位置，不但能实现对井口设备电池组的无线充电，还能实现充电站对小车电池组的无线充电，从而为无线智能水井提供可移动能源，避免了对每套井口设备设置无线充电站，大大节省了安装成本。

附图说明

图1为本发明的一种无线智能水井与能源供给系统的能源小车的结构示意图。

图2为本发明的一种无线智能水井与能源供给系统的能源小车的定位单元的结构示意图。

图3为本发明的一种无线智能水井与能源供给系统的能源小车的驱动单元的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，无线智能水井与能源供给系统的能源小车包含：小车电池组件33、小车控制器34、定位单元32、驱动单元31、加速度传感器35、无线充放电模块36。

所述的小车电池组件33包含：小车电池组331、第一直流降压模块332、小车电池管理模块(小车bms模块)333。通过bms模块对小车电池组331均衡充放电，同时为能源小车提供工作电能。使用设备：stm8s003。

所述的小车控制器34与第一直流降压模块332连接，该第一直流降压模块332使用urb4805设备，将dc48v转化成dc5v。

所述的加速度传感器35与小车控制器34信号连接，如通过spi接口连接，用于检测能源小车在移动过程中的加速度变化量，并将加速度变化量信号传输至小车控制器34。小车控制器34通过加速度传感器35检测能源小车在移动过程中的加速度变化量，如果出现加速度的较大波动，则重新进行一次定位过程。使用设备：mpu6050。

所述的无线充放电模块36与小车电池组件33双向连接，通过无线充放电模块36能实现充电站对小车电池组331无线充电，或者，实现小车电池组331为井口设备的电池组无线充电。使用设备：stm8s003、隔离变压器。

所述的小车控制器34分别与驱动单元31、定位单元32信号连接，如通过uart接口连接。所述的小车控制器34将定位指令传输至定位单元32，并通过定位单元32获取时戳数据，根据三角形几何特性与三角函数计算能源小车与声源的相对方位及相对距离，规划能源小车行进路线，并输出驱动信号至驱动单元31，控制能源小车的行进，将小车移动到目的地。使用设备：stm32f405。

所述的小车电池管理模块333与小车控制器34信号连接，如通过spi接口连接。当需要对小车电池组331充电时，小车控制器34给出充电信号，小车电池管理模块333收到充电信号后，控制无线充放电模块36自无线充电站获取电力，对小车电池组331进行均衡充电；当小车电池管理模块333检测到小车电池组331充电充足后，给出充电完成信号，小车控制器34给出停止充电信号，小车电池管理模块333收到停止充电信号后，关闭充电通路，停止充电。当需要对井口设备的井口电池组充电时，小车控制器34给出放电信号，小车电池管理模块333收到放电信号后，控制小车电池组331通过无线充放电模块36均衡放电，对井口电池组进行充电。

如图2所示，所述的定位单元32包含：定位控制器321、第二直流降压模块322、固定定位器323、定位模块324、旋转模块325、及无线通讯模块326。

所述的定位控制器321与所述小车控制器34信号连接，如通过uart接口连接，根据小车控制器34传输过来的定位指令，发出电机控制信号，并将该电机控制信号传输至旋转模块325，驱动定位模块324旋转。所述的定位控制器321可选用stm8s105设备。

所述的第二直流降压模块322、旋转模块325分别与小车电池组件33连接，由小车电池组件33提供电力(dc48v)。所述的直流降压模块322可选用urb4805设备，将dc48v输入电压转化为5v输出电压，并分别为定位控制器321、定位模块324、无线通讯模块326提供电力。

所述的固定定位器323设置在能源小车的车头部，位于能源小车左右对称轴上，可选用sj6p咪头，用于提供一个固定的声波拾取站，以记录收到声源信号的时间。所述的固定定位器323与定位控制器321信号连接，定位控制器321与定位模块324信号连接。所述的固定定位器323、定位模块324分别将自身获取的时戳数据的模拟量信号(即有关声源信息的电信号)传输至定位控制器321，转化为数字信号后，再通过uart接口传输至小车控制器34。spi是串行外设接口(serialperipheralinterface)的缩写，是一种高速的、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为pcb的布局上节省空间。

所述的定位模块324可选用sj6p咪头，用于提供实时位置(位置可以变化)的声波拾取站，以记录不同位置收到声源信号的时间；所述的旋转模块325选用tb6600设备，包含用于驱动定位模块324旋转的步进电机，通过步进电机旋转，能驱动定位模块324做旋转角度可控的圆周运动。

所述的定位模块324、旋转模块325构成旋转定位器，该旋转定位器的圆心设置在能源小车的车尾部，位于能源小车左右对称轴上。所述的旋转定位器旋转到0°位置与180°位置构成的直线与能源小车左右对称轴垂直。

所述的无线通讯模块326选用nrf24l01设备，用于收发无线信号，其与定位控制器信号连接，如通过spi接口连接。

所述的定位单元32的控制逻辑如图2所示：当定位控制器321通过uart或无线通讯模块326获得了定位指令后定位步骤如下：

s1、定位控制器21发出电机控制信号，控制旋转模块325驱动定位模块324旋转，使得旋转定位器旋转到0度角位置(0度角位置与180度角位置构成的直线与小车左右对称轴垂直)。

s2、定位控制器321通过无线通讯模块326发送井口设备声源指令或充电站声源指令，让对应设备(井口设备或充电站)产生一个短暂的声源。同时开启内部计时器计时，并记录两个定位器(固定定位器、旋转定位器)接收到声源信号的时间，获得一组时戳数据。

s3、旋转定位器旋转到180度角位置，重复s2步骤。将两组时戳数据通过uart发送出去。根据旋转定位器与固定定位器时戳的先后顺序与三角形的几何特性，上级处理设备通过三角函数可以计算出声源与小车的相对方位与相对距离这两个数据。由于两组时戳数据构成了两个三角形，通过两组数据的求平均，可以进一步的缩小定位误差。

如图3所示，所述的驱动单元31包含：第三直流降压模块311、动力控制器312、步进电机驱动模块313。

所述的第三直流降压模块311、步进电机驱动模块313分别与小车电池组件33连接，由其提供dc48v电力，通过第三直流降压模块311将输出电压转化为动力控制器需要的电压，如5v。所述的第三直流降压模块311用于将输出电压转化为元件需要的电压，如选用urb4805设备将dc48v转化成dc5v。

所述的动力控制器312与第三直流降压模块311连接，其工作电压为dc5v。该动力控制器312还与所述的小车控制器通过uart(通用异步收发传输器，universalasynchronousreceiver/transmitter，简称uart)接口信号连接，接收来自小车控制器的驱动信号，经逻辑运算后发出电机控制信号。所述的动力控制器选用stm8s105设备。

所述的步进电机驱动模块313包含用于分别驱动左侧步进电机、右侧步进电机的控制器，接收来自动力控制器312的电机控制信号，相应地驱动左侧步进电机和/或右侧步进电机旋转；所述的电机控制信号包含：控制左侧步进电机的第一控制信号，及，控制右侧步进电机的第二控制信号。步进电机驱动模块313选用tb6600设备。

本发明的能源小车能移动至井口设备为井口设备的井口电池组无线充电，也可以移动至无线充电站，利用无线充电站为能源小车的小车电池组充电。

当井口设备的内部电量不足时，井口设备会通过无线数据传输协议向能源小车发出充电需求指令。能源小车接收到来自井口设备的充电需求指令后，通过无线数据传输协议向井口设备发出定位配合指令。能源小车根据收到井口发出的定位声波的时戳，通过三角形的几何特性与三角函数测定出井口设备相对能源小车的方向与距离。能源小车根据这些信息向井口设备的方位移动。能源小车到达井口设备附近后，通过无线数据传输协议向井口设备发出充电指令，开始对井口设备的内部电池组进行充电。当充电完成后，能源小车通过无线数据传输协议无线充电站发出定位配合指令。能源小车根据收到充电站发出的定位声波的时戳，通过三角形的几何特性与三角函数测定出充电站相对能源小车的方向与距离。能源小车根据这些信息充电站的方位移动。能源小车到达充电站附近后，通过无线数据传输协议向充电站发出充电指令，开始对能源小车的内部电池组进行充电。

综上所述，能源小车定位单元采用固定定位器及旋转定位器，通过转动旋转定位器至不同位置，可分别获取若干组时戳数据，该时戳数据的模拟量信号经定位控制器转化为数字信号后，通过uart协议传输至小车控制器，计算出声源与小车的相对方位与相对距离，从而规划小车行进路线。驱动单元的动力控制器通过通用异步收发(uart)接收能源小车控制器发出的驱动指令，通过步进电机驱动模块去驱动两台步进电机旋转，从而能精确地控制小车车头的指向和移动距离。能源小车的充放电模块可实现小车电池组的无线充电，以及对井口电池组的无线放电。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。