一种高精度室内定位机器人的无线充电系统的制作方法

本发明涉及无线充电系统技术领域，尤其是一种高精度室内定位机器人的无线充电系统。

背景技术：

机器人是集机械、电子、控制、传感、人工智能等多学科先进技术于一体的智能化装备，机器人已经被广泛应用在工业制造、仓储物流、生物医药、生活服务等各个领域；

然而机器人的供电模式一直没有突破，采用人工干预充电的方式过于繁琐，阻碍了机器人的智能化；现在常用的自动充电方式是触点式充电，存在各种安全问题：比如触点容易磨损，导致接触不良，充电成功率降低；在长期的充电操作过程中接触式充电容易致使电源线或触点损伤，可能导致漏电并产生火花，存在重大安全风险；而且保留电源线插口或触点会破坏机器人产品工业设计的完整性，而且不能做到很好的防湿防水，不适合在超市、家庭等环境下使用；

无线充电技术替代传统接触式充电已是大势所趋，现有的机器人无线充电方式存在诸多不足，例如：结构复杂，设计繁琐，智能化程度较低，不适合精确定位以及复杂条件下的稳定工作；

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高精度室内定位机器人的无线充电系统，该充电系统与先进的光通信定位导航技术相结合，相比传统有线接触式充电，具有便捷、智能、安全等优点，能够适用于机器人、agv和无人机无线充电等多种应用，并具有很好的商业化推广应用前景。

一种高精度室内定位机器人的无线充电系统，包括：发射单元、接收单元和光通信定位导航系统；

进一步的，所述发射单元包括：直流电源、dc/ac高频逆变器、谐振电路、谐振发射线圈、驱动电路以及控制模块；所述直流电源的一端与dc/ac高频逆变器的一端电连接，dc/ac高频逆变器的另一端与谐振电路的一端电连接，谐振电路的另一端与谐振发射线圈的一端电连接，dc/ac高频逆变器的又一端与驱动电路的一端电连接，驱动电路的另一端与控制模块电连接；

作为一种举例说明，所述发射单元固定在地面，呈水平安装；

作为一种举例说明，所述发射单元固定在墙壁，垂直安装；

进一步的，如图1所示，发射单元当接收到机器人内部安装的无线通信单元发来的充电指令时，将输入的电能经高频逆变后施加到谐振发射线圈上；其中控制模块用于设定和调节谐振频率，并输出该谐振频率的ttl方波信号，通过驱动电路功率驱动放大后控制dc/ac高频逆变器的开关管的开通与关断，当开关频率与谐振电路的固有频率一致时，发射线圈受到激发产生谐振而发送出能量；

作为一种举例说明，所述控制模块可以通过手动调节，提前设定谐振频率；

作为一种举例说明，所述发射电源中采用谐振电路进行一定的电能补偿，以此增大传输功率并增加整体充电效率；

作为一种应用举例说明，所述谐振电路的结构包括：电容原边串联-副边串联补偿(ss)、电容原边串联-副边并联补偿(sp)、电容原边并联-副边串联补偿(ps)或电容原边并联-副边并联补偿(pp)中的一种或者组合；

进一步的，所述接收单元包括：谐振接收线圈、调谐电容、整流电路以及电池负载；所述谐振接收线圈的一端与调谐电容的一端电连接，调谐电容的另一端与整流电路的一端电连接，整流电路的另一端与电池负载的一端电连接；

作为一种举例说明，所述发射单元与接收单元通过磁耦合的方式连通充电，所述接收单元用于接收发射线圈传输过来的磁场能量；当谐振接收线圈的接收频率通过调谐保持与发射单元的发射频率相同时，会产生共振，谐振接收线圈接收到的交变磁场通过调谐电容后将形成谐振电流，再经过整流电路整流输出稳定电压，供机器人搭载的电池组充电；

作为一种举例说明，所述接收单元水平的安装在机器人底部或垂直安装在机器人的前后部；

进一步的，所述光通信定位导航系统包括：位置标签发射电路和位置标签接收电路；

机器人定位导航采用光通信技术，在满足基本照明的基础上将当前室内的位置信息加载到光源上，通过无线光链路传输到机器人终端，根据机器人接收到的信息解析出机器人在环境中的相对位置，并将位置映射到数据地图上，从而实现机器人充电位置的定位和轨迹寻址；

进一步的，所述位置标签发射电路包括：基于微处理器的控制模块(即微处理模块)、编码器以及led驱动电路；所述微处理模块的一端与编码器的一端电连接，编码器的另一端与led驱动电路的一端电连接；

进一步的，所述位置标签接收电路包括：光电探测单元、滤波放大电路、解码器以及位置信号处理单元；

作为一种举例说明，通过室内上方安装有位置标签发射电路的led灯，循环发射具有唯一位置标签的数据帧结构的可见光信号，当携带有位置标签接收电路的机器人在室内移动时，光电探测单元上的可见光传感器接收到led光源发出的带有位置标签的可见光，经过滤波放大、解码得到位置标签信息，再进行信号的能量判定，逐步确定目标所在位置，并利用位置信号处理单元实现快速精确定位；

作为一种举例说明，所述位置信号处理单元采用标签法算法进行位置定位；

作为一种举例说明，所述光通信定位导航系统中，led光源采取中心对称的方式均匀布置，不同的led光源形成的光照辐射区相互重叠，确保机器人携带的光电探测单元可以收到多个不同的led发来的位置信息，多重保险；

进一步的，所述发射单元也安装有一组led光源，作为发射单元的定位标签信息，确保充电线圈精确定位对齐；

为了更好的说明本发明的设计原理，现简要举例工作原理如下：

机器人通过不断检测电池温度、电量等信息，判断是否需要充电；当电量低于预置的设定值时，机器人通过自动定位沿轨迹移动至发射单元处，经过与发射单元的通讯和对位检测后，如果满足充电条件即自动开始充电；

其充电过程分为三个阶段：

第一个阶段为小电流预充电，其作用是激活机器人电池，通过接收单元检测电池电压，根据电池电压调整发射单元的输出电压，防止大电流直接充电对电池造成冲击，使机器人电池安全进入到充电状态；

第二个阶段为恒流充电，通过控制模块及驱动电路控制最大电流，使此阶段充电电流保持在最大充电电流并保持恒定，此时充入电池的电量快速增加，电池电压快速上升，从而提高充电速度；

第三个阶段采用恒压充电，在此期间充电电压保持恒定，充电电流下降，电池电压缓慢上升，从而高效率的将电池剩余电量充满；

作为一种举例说明，整个充电过程中可以通过设置检测电路检测电池温度，并有过压、过流、开路、短路、浪涌、超温等保护电路，以确保充电过程的安全；

机器人需要充电时根据接收到的led位置标签确定其所处的位置坐标，并根据所在位置与室内数据地图确定到达充电发射单元的轨迹和路径，驱动和控制机器人移动，搜索充电发射单元位置，当到达发射单元附近时，再通过发射单元上的led位置标签实现发射和接收线圈的精确定位和最终对齐。

本发明的有益效果：

1、该发明设计了一种谐振耦合式无线充电系统，发射和接收分离的方式进行电能的无线传输，大大降低了触电接触的不足；

2、采用可见光通信结构进行室内机器人轨迹定位和充电功率线圈的对齐，可实现精准的定位，并可在复杂环境下稳定工作；

3、基于现有设计算法的连接新结构创新，大大降低了传统无线充电存在的各种弊端。

附图说明

图1为本发明一种高精度室内定位机器人的无线充电系统之发射单元与接收单元磁耦合结构示意图

图2为本发明一种高精度室内定位机器人的无线充电系统光通信定位导航系统结构示意图

具体实施方式

下面，参考附图1至2所示，一种高精度室内定位机器人的无线充电系统，包括：发射单元、接收单元和光通信定位导航系统；

进一步的，所述发射单元包括：直流电源101、dc/ac高频逆变器102、谐振电路103、谐振发射线圈104、驱动电路105以及控制模块106；所述直流电源101的一端与dc/ac高频逆变器102的一端电连接，dc/ac高频逆变器102的另一端与谐振电路103的一端电连接，谐振电路103的另一端与谐振发射线圈104的一端电连接，dc/ac高频逆变器102的又一端与驱动电路105的一端电连接，驱动电路105的另一端与控制模块106电连接；

作为一种举例说明，所述发射单元固定在地面，呈水平安装；

作为一种举例说明，所述发射单元固定在墙壁，垂直安装；

进一步的，如图1所示，发射单元当接收到机器人内部安装的无线通信单元发来的充电指令时，将输入的电能经高频逆变后施加到谐振发射线圈104上；其中控制模块106用于设定和调节谐振频率，并输出该谐振频率的ttl方波信号，通过驱动电路105功率驱动放大后控制dc/ac高频逆变器102的开关管的开通与关断，当开关频率与谐振电路103的固有频率一致时，谐振发射线圈104受到激发产生谐振而发送出能量；

作为一种举例说明，所述控制模块106可以通过手动调节，提前设定谐振频率；

作为一种举例说明，所述发射电源中采用谐振电路103进行一定的电能补偿，以此增大传输功率并增加整体充电效率；

作为一种应用举例说明，所述谐振电路103的结构包括：电容原边串联-副边串联补偿(ss)、电容原边串联-副边并联补偿(sp)、电容原边并联-副边串联补偿(ps)或电容原边并联-副边并联补偿(pp)中的一种或者组合；

进一步的，所述接收单元包括：谐振接收线圈107、调谐电容108、整流电路109以及电池负载110；所述谐振接收线圈107的一端与调谐电容108的一端电连接，调谐电容108的另一端与整流电路109的一端电连接，整流电路109的另一端与电池负载110的一端电连接；

作为一种举例说明，所述发射单元与接收单元通过磁耦合的方式连通充电，所述接收单元用于接收发射线圈传输过来的磁场能量；当谐振接收线圈107的接收频率通过调谐电容108保持与发射单元的发射频率相同时，会产生共振，谐振接收线圈107接收到的交变磁场通过调谐电容108后将形成谐振电流，再经过整流电路109整流输出稳定电压，供机器人搭载的电池组充电；

作为一种举例说明，所述接收单元水平的安装在机器人底部或垂直安装在机器人的前后部；

进一步的，所述光通信定位导航系统包括：位置标签发射电路和位置标签接收电路；

机器人定位导航采用光通信技术，在满足基本照明的基础上将当前室内的位置信息加载到光源上，通过无线光链路传输到机器人终端，根据机器人接收到的信息解析出机器人在环境中的相对位置，并将位置映射到数据地图上，从而实现机器人充电位置的定位和轨迹寻址；

进一步的，所述位置标签发射电路包括：基于微处理器的控制模块201(即微处理模块)、编码器202以及led驱动电路203；所述微处理模块201的一端与编码器202的一端电连接，编码器202的另一端与led驱动电路203的一端电连接；

进一步的，所述位置标签接收电路包括：光电探测单元204、滤波放大电路205、解码器206以及位置信号处理单元207；

作为一种举例说明，通过室内上方安装有位置标签发射电路的led灯，循环发射具有唯一位置标签的数据帧结构的可见光信号，当携带有位置标签接收电路的机器人在室内移动时，光电探测单元204上的可见光传感器接收到led光源发出的带有位置标签的可见光，经过滤波放大、解码得到位置标签信息，再进行信号的能量判定，逐步确定目标所在位置，并利用位置信号处理单元207实现快速精确定位；

作为一种举例说明，所述位置信号处理单元207采用标签法算法进行位置定位；

作为一种举例说明，所述光通信定位导航系统中，led光源采取中心对称的方式均匀布置，不同的led光源形成的光照辐射区相互重叠，确保机器人携带的光电探测单元可以收到多个不同的led发来的位置信息，多重保险；

进一步的，所述发射单元也安装有一组led光源，作为发射单元的定位标签信息，确保充电线圈精确定位对齐；

为了更好的说明本发明的设计原理，现简要举例工作原理如下：

机器人通过不断检测电池温度、电量等信息，判断是否需要充电；当电量低于预置的设定值时，机器人通过自动定位沿轨迹移动至发射单元处，经过与发射单元的通讯和对位检测后，如果满足充电条件即自动开始充电；

其充电过程分为三个阶段：

第一个阶段为小电流预充电，其作用是激活机器人电池，通过接收单元检测电池电压，根据电池电压调整发射单元的输出电压，防止大电流直接充电对电池造成冲击，使机器人电池安全进入到充电状态；

第二个阶段为恒流充电，通过控制模块及驱动电路控制最大电流，使此阶段充电电流保持在最大充电电流并保持恒定，此时充入电池的电量快速增加，电池电压快速上升，从而提高充电速度；

第三个阶段采用恒压充电，在此期间充电电压保持恒定，充电电流下降，电池电压缓慢上升，从而高效率的将电池剩余电量充满；

作为一种举例说明，整个充电过程中可以通过设置检测电路检测电池温度，并有过压、过流、开路、短路、浪涌、超温等保护电路，以确保充电过程的安全；

机器人需要充电时根据接收到的led位置标签确定其所处的位置坐标，并根据所在位置与室内数据地图确定到达充电发射单元的轨迹和路径，驱动和控制机器人移动，搜索充电发射单元位置，当到达发射单元附近时，再通过发射单元上的led位置标签实现发射和接收线圈的精确定位和最终对齐。

该新型设计了一种谐振耦合式无线充电系统，发射和接收分离的方式进行电能的无线传输，大大降低了触电接触的不足；采用可见光通信结构进行室内机器人轨迹定位和充电功率线圈的对齐，可实现精准的定位，并可在复杂环境下稳定工作；基于现有设计算法的连接新结构创新，大大降低了传统无线充电存在的各种弊端。

以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。