一种变电站履带式巡检机器人、充电装置及充电系统和方法与流程

【技术领域】

本发明属于无线充电技术领域，涉及一种无线充电装置，尤其是一种变电站履带式巡检机器人、充电装置及充电系统和方法。

背景技术：

随着智能电网、无人值守变电站以及无线电能传输技术的不断发展，对巡检机器人的要求越来越高，其在巡检功能方面基本满足智能变电站相关需求，但是在续航和供电方面仍然存在问题，其运行时间和距离受到限制，如采用无线电能充电技术对机器人实时充电补给能量，使在行驶过程中完成动态充电便可大大提高工作效率，减少巡检机器人的数量需求，节约成本。

无线充电技术现今已趋于发展成熟，且在越来越多的场合下得到应用，应用领域从医疗设备到家用电器设备、从汽车工业到特殊工业应用、科研应用，传输功率从数毫瓦到上千瓦，传输距离从不到1毫米到十几厘米甚至数千米，它正在不断改变人们的生活和生产方式。

与此同时，无人值守变电站等自动化工厂对机器人的需求也大量提高，在规划建设的新一代智能变电站中，巡检机器人已成为基本配置，通过自主巡航和辨识，可完成数据采集、故障检查、远程交互等功能，但其续航时间短是应用短板，若充电由传统人工手动完成则显然不能满足无人值守变电站的需求，而采用自动返回充电区域充电依然效率低，比如在返回路途和充电过程中机器人无法进行作业，利用率不高。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种变电站履带式巡检机器人、充电装置及充电系统和方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种变电站履带式巡检机器人，包括：

内嵌接收线圈履带模块，所述内嵌接收线圈履带模块包括若干履带单元，所述若干履带单元中均内嵌接收线圈，用于接受电能；

稳压滤波模块，所述稳压滤波模块与履带单元的内嵌接收线圈相连，用于对内嵌接收线圈获取的电能进行稳压滤波得到稳定电压；

蓄电池模块，所述蓄电池模块对稳压滤波模块处理后的电压进行储存。

上述履带式巡检机器人的进一步改进在于：

所述若干履带单元中，相邻履带单元的内嵌接收线圈串联。

所述履带单元还包括接收线圈补偿电容和整流滤波电路，接收线圈补偿电容、整流滤波电路和内嵌接收线圈串联，整流滤波电路的输出端将滤波后的电压输出至相邻履带单元。

所述内嵌接收线圈采用矩形结构。

一种用于变电站履带式巡检机器人的充电装置，包括：

电源模块，所述电源模块用于为高频逆变模块和控制与驱动模块提供电源；

高频逆变模块，所述高频逆变模块用于将获取的直流电压逆变后输出高频交流电；

控制与驱动模块，所述控制与驱动模块驱动高频逆变模块将电源模块供给的直流电压转为高频交流电压源，并将其施加于谐振补偿网络模块；

谐振补偿网络模块，所述谐振补偿网络模块将方波转化为谐振，向发射线圈注入高频谐振电流，产生高频磁场；

发射线圈，所述发射线圈接收高频谐振电流，向内嵌接收线圈发送电能。

上述充电装置的进一步改进在于：

还包括采样检测模块，所述采样检测模块用于实施测量谐振补偿网络模块和发射线圈的电参量；

所述谐振补偿网络模块采用lcc-s补偿，在恒压输入下产生恒压输出，谐振补偿网络谐振频率与经高频逆变模块输出的高频交流电的频率相同，并使发射线圈在工作频率下发生谐振。

所述发射线圈采用矩形结构，并铺设在巡检机器人走动的主干道上，以及巡检机器人需要驻留作业的地点。

一种变电站履带式巡检机器人的充电系统，包括充电装置，以及变电站履带式巡检机器人；充电装置设置于巡检机器人走动的主干道上，以及巡检机器人需要驻留作业的地点；充电装置的发射线圈，在控制与驱动模块和高频逆变模块的控制下，向履带式巡检机器人的履带单元发送电能；履带单元通过稳压滤波模块与蓄电池模块相连，将履带单元的内嵌接收线圈接收到的电能进行稳压滤波，最终存储至蓄电池模块中。

一种变电站履带式巡检机器人的充电方法，包括以下步骤：

步骤1，履带式巡检机器人接收到充电指令或蓄电池模块中的电量低于设定值时，前往最近的铺设有发射线圈的地点；

步骤2，履带式巡检机器人发出充电请求，充电装置响应充电请求，控制与驱动模块驱动高频逆变模块将电源模块供给的直流电压转为高频交流电压源，并将其施加于谐振补偿网络模块；谐振补偿网络模块将方波转化为谐振，向发射线圈注入高频谐振电流，产生高频磁场；发射线圈，向内嵌于履带式巡检机器人履带单元中的内嵌接收线圈发送电能；

步骤3，当蓄电池模块的电量达到指令设定值或者大于预设值时，结束充电。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明变电站履带式巡检机器人将线圈置于履带内，提高了耦合系数，提高能量传输效率和功率，加快充电过程，使巡检机器人不间断工作。本发明在履带式巡检机器人中运用无线电能传输技术，将拾取线圈分散嵌入履带内部，能量发射线圈置于地表面，可使接收线圈和发射线圈紧密靠近，提高传输效率和功率，减少多个接收线圈间的耦合影响，单个履带接收线圈单元模块采用集成封装，多个模块组装可拼接成一整条履带，将接收单元拾取的电能串联输出稳压滤波后以供充电至蓄电池。

进一步地，本发明谐振补偿网络模块采用lcc-s的补偿方式，可使系统的无源元件集中在发射部分，使接收线圈无需过多无源元件，且可在恒压输入条件下产生恒压输出，谐振补偿网络的谐振频率与逆变器工作输出频率相同，并使发射线圈在此频率谐振。

进一步地，本发明采用采样检测模块可实时测量谐振补偿网络和发射线圈的关键电参量，可对整个能量变换装置进行测量、监控和保护，使发射部分运行在最优状态。

进一步地，本发明将内嵌接收线圈履带模块拾取的能量取出后，经过稳压滤波电路，可控制输出电压和电流来控制充电过程，可使蓄电池充电快速、安全。

进一步地，本发明内嵌接收接圈履带单元模块采用统一集成方式生产，在单个履带单元内，集成小型接收线圈、补偿电容和整流滤波电路，履带单元在组装时可将滤波输出直流进行串联，获取更高电压。

进一步地，本发明多个履带单元组装成一整条履带，采用模块化技术，可调节履带长度和接收面积，使履带式巡检机器人的拆装、维护更加方便。

【附图说明】

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的无线充电系统的整体结构示意图；

图2为本发明的谐振网络以及内嵌线圈履带配置示意图；

图3为本发明的发射线圈与履带内嵌元件空间布置示意图；

图4为本发明的无线充电方法的流程图。

其中：10-电源模块；11-高频逆变模块；12-控制与驱动模块；13-谐振补偿网络模块；14-采样检测模块；15-发射线圈；20-内嵌接收线圈履带模块；30-稳压滤波模块；31-蓄电池模块。

【具体实施方式】

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

结合巡检机器人的工作特点，将动态无线充电技术应用于变电站机器人，可实现无人值守和机器人全时段工作，可极大提高生产效率。变电站中的履带式巡检机器人可在室内室外轻松行走，同时履带始终与地面接近。结合上述特点，提出一种变电站履带式机器人，具体如下：

参见图1，本发明变电站履带式巡检机器人，包括内嵌接收线圈履带模块20、稳压滤波模块30和蓄电池模块31。内嵌接收线圈履带模块20拾取的能量取出后，经过稳压滤波模块30后可得到稳定的电压，通过控制输出电压和电流来控制充电过程，可使蓄电池充电快速、安全；稳压滤波模块30可根据充电的算法提供恒流充电、恒压充电、涓流充电等充电模式，电能保存在蓄电池模块31中。

本发明充电请求由巡检机器人主动发出，亦可接收远程人工指令，充电区域设置在机器人频繁走动的路线或者长时间停留作业的地方，由此可以大幅增加机器人的充电时间，保障电力供应。

在本发明的一个实施例中，内嵌接收线圈履带模块20包括若干履带单元，每个履带单元内嵌接收线圈、补偿电容和整流滤波电路。内嵌接收线圈履带模块20为统一集成结构，在每个履带单元内，集成接收线圈、补偿电容和整流滤波电路，履带单元在组装时可将滤波输出直流进行串联，获取更高电压；接收线圈长度略小于履带宽度，宽度远小于发射线圈15的长度，接收线圈与发射线圈呈90度正交布置，二者具有相同的谐振频率，在工作频率下共振进行能量传递。

本发明接收线圈内嵌于履带单元中，一同嵌入的还包括接收线圈补偿电容、整流滤波电路，滤波后的电压通过金属接口方式可直接与相邻履带串联进行电压输出。相邻的履带单元中，内嵌的线圈之间耦合较低，且单独匹配谐振补偿元件，大大提高传输效率。

在本发明的一个实施例中，内嵌接收线圈履带模块20由多个履带单元组成，相邻履带单元间在电气上串联，提高输出电压，同时履带上部分不进行能量拾取，仅仅贴近地面部分履带单元谐振接收能量。履带的长短可通过调节履带单元的个数调节，接收功率也可以通过调节接收线圈的个数进行调整。

在本发明的另一个实施例中，多个履带单元组装成一整条履带，采用模块化方式，能够调节履带的长度以及接收面积，使履带的拆装和维护更加方便。

在履带式巡检机器人行驶的过程中，轮齿带动履带，当前部上方履带单元被带动到下方，便自动与下方履带串联，当后部下方履带被带动到上方，便自动切断与下方履带的电气连接，因此，在进行能量传递的过程中，上方履带始终不介入，下方贴近地面履带进行能量拾取。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，本发明用于变电站履带式巡检机器人的无线充电装置，包括电源模块10、高频逆变模块11、控制与驱动模块12、谐振补偿网络模块13、采样检测模块14和发射线圈15。本发明无线充电装置与巡检机器人之间的无线电能传输，采用共振磁耦合原理，高频逆变模块11通过从前级电源模块10获取稳定的直流电压，逆变后输出高频交流电，通过谐振补偿网络模块13向发射线圈15注入高频谐振电流，在发射线圈15上方产生高频磁场，同接收线圈共振进行能量传递。

在本发明的一个实施例中，电源模块10为高频逆变模块11和控制与驱动模块12提供电源，控制与驱动模块12驱动高频逆变模块11将电源模块10供给的直流电压源转为高频交流电压源，将其施加于谐振补偿网络模块13，可将方波转化为谐振，减少开关损耗并提高效率，高频电流注入发射线圈15即可在空间产生高频磁场，激发接收部分共同谐振。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，谐振补偿网络模块13采用lcc-s的补偿方式，使系统的无源元件集中在发射部分，有效降低接收部分的无源元件数量，且可在恒压输入条件下产生恒压输出，谐振补偿网络模块13的谐振频率与逆变器工作输出频率相同，并使发射线圈15在此频率谐振。

在本发明的另一个实施例中，采样检测模块14可实时测量谐振补偿网络和发射线圈15的关键电参量，可对整个能量变换装置进行测量、监控和保护，使发射部分运行在最优状态；

如图3所示，图3为履带单元间的串联连接关系以及内嵌接收线圈与发射线圈15的空间布置关系，履带单元间拾取经过整流滤波后的直流电压通过履带单元接口串联接出，由此可获得较高电压。接收线圈之间没有直接的电气连接，经过整流滤波环节后再进行串联，可减少内嵌接收线圈之间共振的磁场的影响，从而各个接收线圈均可工作在最佳状态。

发射线圈15与内嵌接收线圈均采用矩形结构，发射线圈15远远大于内嵌接收线圈，发射线圈15宽度与履带单元长度相当，内嵌的接收线圈长度略小于发射线圈15宽度，补偿电容、整流滤波电路一并嵌入，采用集成化的生产安装方式。

多个履带单元拼装成一条完整的履带，巡检机器人在行驶过程中，贴近地面的履带单元通过履带的接口相互串联，使输出电压升高，当履带滚动时，前部上方的履带往下贴近地面后自动串联接入，而后部下方的履带在离开地面后自动退出，如此总是贴近地面的履带投入运行拾取能量，可减少单个模块的运行时间而减少发热，提高效率。

履带的长短可由履带单元的数量决定，而输出电压或输出功率则由贴近地面的履带单元数量决定，即履带可为任意长度，传递功率或拾取线圈面积可根据需求适当调整，这在实际应用中具有很强的适应性。

参见图4，图4为本发明充电方法的流程图，本发明充电系统能够在以下两种情况下触发充电，一种是当电量较低时需要正常的补充电量，这是一般巡检机器人的充电情况，另一种则是经过充电区域即可充电，这得益于采用了无线电能传输的充电方式。具体两种方式如下：

(1)当巡检机器人接收到远程人工发出的充电指令或自身电量低于设定量(比如电量低于30％)时，对当前运行状态进行评估，导航系统会主动将巡检机器人导航至最近的可用充电区域，随后巡检机器人发出充电请求，发射部分响应后逆变模块开始工作，激活发射线圈15进行充电过程；贴近地面的拾取线圈便开始共振启动充电过程，一般采用三段式充电方式；当电量达到指令要求或者电量达到设定值(比如已充到80％)时结束充电，随即前往被中断的任务点，继续执行任务。

(2)当巡检机器人在任务过程中或行进过程中经过充电区域或停留在充电区域时，且电量未充满时，便随即启动充电流程，发出充电请求，激活发射线圈15进行充电，此时，机器人可即时补充电量，避免低电量时挂起当前任务而特意前往充电区域进行充电，节约了充电时间，提高机器人的工作效率，可大大减少巡检机器人需求数量，节约成本。

充电区域的选择应该根据巡检机器人在该处停留时间长短以及铺设便捷性决定，例如在巡检机器人长期走动的主干道上，应铺设充电区域，例如在巡检机器人需要驻留作业的地点，设置充电区域，如此，巡检机器人在作业过程中或者行驶过程中都能随时补充电量，可有效提高巡检机器人的充电效率和工作效率。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。