王建軍，周 瑾

(上海第二工業(yè)大學電子與電氣工程學院，上海 201209)

自主移動機器人的非接觸充電模式

王建軍，周 瑾

(上海第二工業(yè)大學電子與電氣工程學院，上海 201209)

自主移動機器人在無人值守的情況下采用非接觸供電方式獲取電能是合適的。提出了采用最大電流作為判斷非接觸供電系統(tǒng)是否處于諧振狀態(tài)的依據(jù)。采用固定激勵電源頻率與動態(tài)調(diào)節(jié)電路無功器件參數(shù)相結合的方法進行自適應調(diào)諧。激勵電源保持較高的固定工作頻率，根據(jù)最大電流原則，系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)原邊和副邊電路的補償電容值，使系統(tǒng)重新回歸諧振狀態(tài)。另外，機器人在充電時，需要較高的定位精度，利用輔助傳感器可以減小定位誤差，提高供電效率。

機器人；非接觸充電；自動調(diào)諧

0 引言

隨著信息與控制技術的發(fā)展，機器人進入家庭已經(jīng)成為現(xiàn)實。家用服務機器人的工作方式更多地表現(xiàn)為自主工作和無人值守的運行方式。在無人值守的條件下，機器人保持足夠的電能是至關重要的，因此，機器人的充電方法極為重要。對于無人值守的機器人而言，采用非接觸的方法進行充電是合適的，因為這種供電方式不需要供電端與受電端存在物理線路的連接。在無人值守的條件下，機器人可根據(jù)自身電源情況，在必要的時候，采用智能的空間搜索和定位方式，定位于固定的充電體附近進行充電。采用非接觸方式進行充電，機器人一般是作為可分離變壓器的副邊，而系統(tǒng)的原邊則采用位置固定的方式，充電時機器人副邊系統(tǒng)需要運動到原邊附近的固定位置才能進行充電。機器人非接觸電能傳輸技術是一種新型的電能傳輸方法[1-3]，它以非接觸的方式向移動設備傳輸電能，實現(xiàn)了供電端與受電端的機械分離，具有使用安全、可靠性高、接入方式靈活的特點，在醫(yī)學、礦山、軍事等領域具有極高的應用前景。

1 非接觸供電原理

基于可分離變壓器的非接觸供電系統(tǒng)的結構如圖1所示，電力電子技術主要體現(xiàn)在整流逆變環(huán)節(jié)和輸出調(diào)節(jié)部分。工頻交流電經(jīng)過整流逆變環(huán)節(jié)變?yōu)橹懈哳l交流電，作為可分離變壓器的激磁電源?？煞蛛x變壓器是非接觸供電系統(tǒng)的核心，其初級和次級可分離，不存在物理連接，但由于較大的氣隙的存在，使得系統(tǒng)的傳輸效率降低?？煞蛛x變壓器工作在中高頻激勵狀態(tài)，其激磁頻率就是逆變環(huán)節(jié)輸出的電流頻率。初級線圈中的能量通過互感作用傳遞到可分離變壓器的副邊，變壓器副邊的輸出則一般要經(jīng)過整流和輸出調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)再供給負載。

圖1 非接觸供電系統(tǒng)結構簡圖Fig. 1 Schematic of contactless power transfer system

無論是感性還是容性電路，都可以通過補償?shù)姆绞礁淖冸娐返奶匦?。根?jù)原邊和副邊補償電容位置的不同，非接觸供電系統(tǒng)一般被分為四種拓撲結構[4-5]。但無論是何種拓撲結構，電路分析所采用的方法都是類似的，因此，在這里不討論非接觸供電系統(tǒng)電路的補償方式，而只是假定電路是存在感性和容性元件的串聯(lián)補償型電路。在簡化中間環(huán)節(jié)如整流與逆變過程的條件下，非接觸供電系統(tǒng)可以用圖2的物理結構來描述[6]。

圖2 非接觸供電系統(tǒng)模型Fig. 2 Model of contactless power system

圖2中的iU是原邊系統(tǒng)激勵電源電壓，iI為流過變壓器原邊的電流，iR為原邊線圈內(nèi)阻，iC為原邊電路所含器件的電容，iL為原邊電感，M為互感系數(shù)，oI為副邊工作電流，oL為副邊電感，oC為副邊電路所含器件的電容，LR為負載阻抗。

根據(jù)圖2的系統(tǒng)結構模型，分別對變壓器的原邊系統(tǒng)和副邊系統(tǒng)列出式(1)和式(2)的環(huán)路電壓方程。方程中對可分離變壓器采用了互感模式，這是因為可分離變壓器的原邊與副邊之間無物理連接，完全是一種開放的結構，能量的傳遞完全依靠互感的作用[7]。式中ω為激勵電源的角頻率。

可分離變壓器的原、副邊線圈之間存在的空氣間隙導致一次側原邊線圈及二次側副邊線圈都存在較大的漏感。

定義傳輸效率η為副邊負載LR得到的功率LP與原邊輸入功率iP的比值。對于RLC電路而言，處于諧振狀態(tài)時，電路中的電流最大，電能傳輸能力最強。因此，系統(tǒng)的原邊和副邊電路同時處于諧振狀態(tài)時是最好的，此時，系統(tǒng)的工作角頻率0ω用式(3)表示

解方程(1), (2)和(3)，得系統(tǒng)的傳輸效率的表達式(4)

2 充電系統(tǒng)的工作方式

從式(4)可以看出，在系統(tǒng)處于諧振的條件下，影響系統(tǒng)電能傳輸效率的主要因素有諧振頻率、互感系數(shù)、負載阻抗以及原邊和副邊的內(nèi)阻。在M、LR、iR的值確定的情況下，共振頻率對傳輸效率的影響極其顯著。升高系統(tǒng)的諧振頻率對提高電能的傳輸效率是有益的。但是當頻率增大到一定程度的時候，其對傳輸效率的貢獻將迅速減小，甚至變得非常微弱。而過高的電路變換頻率會大幅增加系統(tǒng)的設計難度并提高系統(tǒng)成本。實驗表明，諧振頻率設定在50千赫到100千赫之間是比較合適的。

受到工作條件的影響，機器人供電系統(tǒng)可能會偏離原來的諧振狀態(tài)。為了保證系統(tǒng)的傳輸效率，系統(tǒng)必須存在自調(diào)諧機制，以保證充電效率。在圖2的電路中，原邊系統(tǒng)和副邊系統(tǒng)都是R, L, C串聯(lián)電路。系統(tǒng)偏離諧振狀態(tài)后，可以采用兩種方法使系統(tǒng)重新回到諧振狀態(tài)：一種是通過調(diào)整激勵電源的工作頻率，使之適應電容或電感參數(shù)變化后的系統(tǒng)，使系統(tǒng)重新回到諧振狀態(tài)，但是這種方法不是最優(yōu)的；另一種方法是保持激勵電源的工作頻率固定不變，通過動態(tài)調(diào)節(jié)電路元器件參數(shù)，使系統(tǒng)重新進入諧振狀態(tài)，比如，通過調(diào)節(jié)補償電容或者補償電感的值，使系統(tǒng)重新回到諧振狀態(tài)，這樣還可以使電能的傳輸效率保持穩(wěn)定。

3 自動調(diào)諧系統(tǒng)的電氣結構

對于一個RLC電路而言，自動調(diào)諧系統(tǒng)的硬件組成如圖3所示，其中oL為副邊電感，oC為副邊電路的當量電容，LR為負載阻抗。iR為原邊線圈內(nèi)阻，iC為原邊電路的當量電容，iL為原邊電感，M為互感系數(shù)，此處忽略了副邊內(nèi)阻，而把它看作是負載阻抗的一部分。副邊有電容xC。xC是可變的，這是為了適應系統(tǒng)諧振點發(fā)生變化的情況。xC的軸與驅動電機的軸固定在一起，利用電機帶動xC的旋轉部分轉動，從而控制電路中的電容值。可變電容接入電路的時候，要調(diào)節(jié)電路的參數(shù)，使諧振點處于電容的中間值位置，保證電容可以進行雙向調(diào)節(jié)，即電路失諧后，電容既可以向增大的方向調(diào)節(jié)，也可以向減小的方向調(diào)節(jié)。

圖3 自適應調(diào)諧系統(tǒng)原理圖Fig. 3 Schematic of adaptive tuning system RC

4 自動調(diào)諧過程的工程實現(xiàn)

系統(tǒng)發(fā)生諧振時，電流處于最大狀態(tài)。理論也表明，越接近諧振點的位置，電流越大。調(diào)節(jié)電路中可變電容和電感的值，當電路電流達到最大時，電路中的電容以及電感的值就是諧振電路的最佳工作參數(shù)。因此，通過尋找電流的最大值，可以確定電路的諧振參數(shù)。采用電流最大模式尋找諧振參數(shù)需要利用計算機系統(tǒng)。調(diào)諧系統(tǒng)的結構組成如圖3所示。副邊調(diào)諧電路由固有電感、補償電感、固有電容、可調(diào)電容、采樣電阻、負載電阻構成?？烧{(diào)電容的軸與步進電機M的軸相連，電容值可由計算機進行控制。利用最大電流模式確定諧振參數(shù)的過程如下：利用采樣電阻oR監(jiān)控電路中電流的變化，oR的阻值為0.1歐姆，其上電壓經(jīng)過信號放大后送入A/D采樣系統(tǒng)。系統(tǒng)開始工作后，由計算機記錄采樣電阻oR兩端的電壓差值V?。V?與電路中的電流成正比，因此，用該電壓差表示電流值I，存儲電流I，然后通過計算機控制步進電機向電容增大的方向轉過一個固定的微小角度φ?，即電路中的電容增大固定的值C?。由于計算機每次調(diào)節(jié)的電容量都是C?，因此C?被稱為步長。電容減小一個步長值后，重新采樣并存儲電流值1I。將電流1I與I比較，如果1I大于I，說明參數(shù)調(diào)節(jié)的方向是正確的，用1I代替I。此時，再將電容增大一個步長的值，檢測此時的電流值2I，將1I與2I相比較，如果1I大于2I，則重復上述調(diào)節(jié)過程，直至檢測到的當前電流值nI小于1nI?，說明電流1nI?所對應的電容值就是系統(tǒng)的最佳諧振參數(shù)。因此，計算機自動調(diào)節(jié)電容減小一個步長的值，使電流回到1nI?的狀態(tài)，此時可以認為系統(tǒng)工作于諧振狀態(tài)。在系統(tǒng)開始工作后，第一次調(diào)節(jié)增加一個步長的電容值C?后，如果檢測到的電流1I小于I，則說明參數(shù)調(diào)節(jié)的方向可能是錯誤的，這時可嘗試向相反的方向調(diào)節(jié)，即減小電容的值，直至出現(xiàn)電流最大的狀態(tài)。若反向后電流仍然變小，則說明不需要調(diào)節(jié)。需要說明的是，找到諧振參數(shù)后，調(diào)節(jié)過程并未停止，因為負載是動態(tài)的，系統(tǒng)可能隨時進入失諧狀態(tài)。正確的做法是在找到諧振點后，在每個固定調(diào)節(jié)周期，電容分別增加和減小一個步長值C?，觀測電流變化的情況。如果發(fā)現(xiàn)電流都減小，則說明諧振點不變；如果電流出現(xiàn)增大的情況，則說明系統(tǒng)已經(jīng)失諧，需要重新進行上述調(diào)節(jié)過程。

5 機器人充電定位

由于技術的原因，自主機器人的空間定位存在誤差，因此，要求機器人在充電過程中受電端與電源供電端實現(xiàn)精確對準是不現(xiàn)實的。解決的方法是采用輔助定位法，如圖4所示。為保證機器人受電端與電源供電端的間隙盡可能減小，采用近距離的接近開關作為間隙傳感器。機器人上的接近開關與受電端的距離是固定的，這個距離等于充電系統(tǒng)固定部分的供電端與接近開關固定端的距離。只有機器人采集到接近開關信號或接觸開關信號時，才能確認間隙的準確。為防止橫向錯位過大，可以采用接觸開關作為定位傳感器。這就要求機器人進入充電區(qū)域時的路徑是固定的，要沿著圖中箭頭的方向運動。由于充電區(qū)域的位置是不變的，因此，這種方式可以實現(xiàn)。

圖4 機器人充電輔助定位方法Fig. 4 Assisted positioning method for robot charging

6 結論

本文研究了家庭服務型自主機器人的充電問題，提出了采用非接觸方法實現(xiàn)機器人的電能供給。由于工作條件的變化，機器人的受電端的副邊必須存在自調(diào)諧機制。設計了采用固定激勵電源頻率與調(diào)節(jié)電路無功器件參數(shù)相結合的自適應調(diào)諧方法。另外，還設計了機器人充電過程的空間定位方法。利用輔助傳感器可以減小定位誤差，提高供電效率。

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Contactless Charging Mode for Autonomic Mobile Robot

WANG Jian-jun，ZHOU Jin
( School of Electronic & Electrical Engineering, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China )

Contactless power transfer is suitable for the unattended autonomous mobile robots combining fixed power frequency with dynamic adjustment of the circuit reactive parameters are presented to assure the system working in the resonant state. That is the excitation power maintaining high fixed frequency, and the control system real-time detecting load current, according to loads current to adjust the compensation capacitor value, return the system to re-resonant state to generate higher load current. Other, while charging, robots need to maintain a high positioning accuracy, so the auxiliary sensors are used to reduce the positioning errors and improve the efficiency of power transmission.

autonomic mobile robot; contactless charging mode; automatic tuning

TM46

A

1001-4543(2012)02-0112-05

2012-04-09;

2012-06-18

王建軍（1971－），男，黑龍江雙城人，副教授，博士，主要研究方向為電力電子技術，電子郵箱jjwang@ee.sspu.cn。

上海市教委重點學科資助項目（No. J51801）