本發(fā)明涉及無線充電技術領域，尤其涉及一種基于無尾服務機器人的無線充電系統(tǒng)。

背景技術：

在無線能量傳輸領域，從能量傳輸機制方面來說，主要分為以下三類：

第一類是電磁輻射式無線能量傳輸技術，又稱遠場無線傳輸技術。該技術像射頻傳遞信號一樣直接利用電磁波進行能量傳輸，目前常用的有微波能量傳輸技術和激光能量傳輸技術。該類技術能夠在數(shù)千米范圍內(nèi)傳輸好幾個kw的功率，但是傳輸效率和傳輸方向性存在矛盾關系：若采用多方向傳輸模式，則傳輸效率很低；若采用單一方向傳輸模式，則傳輸路徑中不能有障礙物。另外，微波和激光在空氣中的輻射損耗很大，對人體和其他生物會產(chǎn)生不利影響。

第二類是非輻射電磁感應式無線能量傳輸技術，屬于近場無線傳輸技術，其理論依據(jù)是電磁感應定律。該技術基于傳統(tǒng)的變壓器原理，將變壓器的兩側進行分離，一次側能量通過氣隙或其他的介質(zhì)感應耦合到二次側。這種技術可以在磁場傳遞通路中加入高導磁材料來實現(xiàn)大功率、高效率能量傳輸，但是能量傳輸距離有限，一般為1mm-20cm，且變壓器的兩側位置相對固定。

第三類是非輻射電磁共振式無線能量傳輸技術，亦屬于近場無線傳輸技術，根據(jù)傳輸媒介的不同，可以分為磁共振無線能量傳輸技術和電場共振無線能量傳輸技術。該類技術利用具有相同諧振頻率的諧振體，在相隔一定距離處，以磁場或電場為媒介相互耦合，產(chǎn)生共振，實現(xiàn)能量的傳遞，其特點是不具有明顯的方向性，可以穿透非磁性物質(zhì)，傳輸功率適中，傳輸距離遠，效率高，且磁共振式無線能量傳輸技術以磁場為媒介，對人體和周圍環(huán)境的影響較小，安全可靠。是現(xiàn)階段無線供電領域首選的能量傳輸技術。

現(xiàn)有技術中尚未報道關于針對服務機器人的無線充電系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種具有傳輸距離遠、供電效率高等優(yōu)點的服務機器人內(nèi)部無線充電系統(tǒng)。

本發(fā)明的技術方案為：

一種基于無尾服務機器人的無線充電系統(tǒng)，包括能量發(fā)射端和能量接收端；

所述能量發(fā)射端包括直流電源、高頻激勵裝置和平板磁心，直流電源、高頻激勵裝置和平板磁心依次電性連接；

所述能量接收端包括接收裝置、定位裝置、服務機器人和控制器，接收裝置、定位裝置、服務機器人和控制器依次電性連接；

所述高頻激勵裝置、平板磁心、接收裝置構成無線能量傳輸電路，所述無線能量傳輸電路包括高頻激勵裝置設有的正弦激勵源和電源內(nèi)阻、平板磁心設有的磁心線圈電感、第一電感等效串聯(lián)電阻和第一諧振電容、接收裝置設有的接收線圈電感、第二電感等效串聯(lián)電阻、等效負載電阻和第二諧振電容；

所述無線能量傳輸電路的連接方式為：所述正弦激勵源第一端連接電源內(nèi)阻第一端，電源內(nèi)阻第二端連接第一電感等效串聯(lián)電阻第一端，第一電感等效串聯(lián)電阻第二端連接磁心線圈電感第一端，磁心線圈電感第二端連接第一諧振電容第一端，第一諧振電容第二端連接正弦激勵源第二端；所述接收線圈電感第一端連接第二等效串聯(lián)電阻第一端，第二等效串聯(lián)電阻第二端連接等效負載電阻第一端，等效負載電阻第二端連接第二諧振電容第一端，第二諧振電容第二端連接接收線圈電感第二端。

所述直流電源、高頻激勵裝置和平板磁心采用一體封裝，節(jié)省空間且防止連接線過長損耗電能。

所述接收裝置與定位裝置配合設置，其作用是保證接收位置的最優(yōu)化，所述接收裝置和定位裝置內(nèi)嵌在服務機器人底部，機器人的結構更加緊湊。

所述接收裝置和定位裝置之間還設有鋰電池用于提供電量給定位裝置，且在定位裝置外部設有電量監(jiān)測燈用于顯示電量大小。

所述直流電源采用蓄電池、鋰電池、交流直流變換器中的一種。

本發(fā)明的工作原理：

采用變壓器工作原理，即：能量發(fā)射端以直流作為功率輸入，高頻信號經(jīng)功率放大后形成高頻激勵源，使與之直接相連接的源線圈產(chǎn)生諧振，并在源線圈周圍形成交變磁場。發(fā)射線圈感應源線圈的交變磁場，進而與之形成共振，形成更強大的交變磁場。這樣，能量通過原線圈傳送到發(fā)射線圈，再由發(fā)射線圈傳遞出去。能量接收端包含兩個線圈，分別為接收線圈和負載線圈，其中負載線圈直接與用電負載相連接。接收線圈接收到發(fā)射線圈傳遞的能量，再傳送給負載線圈。負載線圈后接能量變換電路，使高頻功率轉換成直流功率，可直接供后面的用電負載使用或者存儲。

由以往無線傳輸技術的研究現(xiàn)狀可知，耦合系數(shù)、品質(zhì)因數(shù)、負載大小直接影響無線產(chǎn)品的功率傳輸效率、傳輸距離遠近等問題。本發(fā)明能量發(fā)射端采用平板磁心結構，提高了系統(tǒng)整體耦合系數(shù)，降低了系統(tǒng)工作頻率，提高了能量的傳輸距離，同時具有磁屏蔽作用，減少了無線裝置對周圍其他產(chǎn)品的影響。能量接收端采用無磁心線圈結構，不僅減少了系統(tǒng)體積和重量，同時提高了系統(tǒng)的可靠性和實用性。針對無線能量傳輸過程中由于發(fā)射裝置和接收裝置不對稱，空間錯位導致充電效率低的問題，本發(fā)明采用能量發(fā)射裝置大，接收裝置小，且在兩裝置上分別裝有無線定位裝置。該無線定位裝置在能量接收端由電池供電，在發(fā)射端由電源供電，整個的定位過程如下：發(fā)射端固定在某一位置，移動服務機器人，當發(fā)射端的定位信號燈點亮時，此機器人接收端和發(fā)射端中心大致重合，充電效率達到最大值。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明的特點是可實現(xiàn)能量傳遞不具有敏感的方向性，傳輸距離較遠，可穿越非磁性物質(zhì)傳輸能量，同時具有體積小，充電能力強，效率高；就安全性而言，磁場耦合諧振更為安全可靠，既避免了充電時對周圍其他電器造成影響，又不會對人體造成危害。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所提供的基于無尾服務機器人的無線充電系統(tǒng)的結構示意圖。

圖2為本發(fā)明無線能量傳輸電路圖。

圖3為本發(fā)明所提供的基于無尾服務機器人的無線充電系統(tǒng)的工作流程圖。

圖中，1、直流電源；2、高頻激勵裝置；3、平板磁心；4、接收裝置；5、定位裝置；6、服務機器人；7、控制器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明：

如圖1、2所示，一種基于無尾服務機器人的無線充電系統(tǒng)，包括能量發(fā)射端和能量接收端；

所述能量發(fā)射端包括直流電源1、高頻激勵裝置2和平板磁心3，直流電源1、高頻激勵裝置2和平板磁心3依次電性連接；

所述能量接收端包括接收裝置4、定位裝置5、服務機器人6和控制器7，接收裝置4、定位裝置5、服務機器人6和控制器7依次電性連接；

所述高頻激勵裝置2、平板磁心3、接收裝置4構成無線能量傳輸電路，所述無線能量傳輸電路包括高頻激勵裝置2設有的正弦激勵源U_S和電源內(nèi)阻R_S、 平板磁心3設有的磁心線圈電感L₁、第一電感等效串聯(lián)電阻R₁和第一諧振電容C₁、接收裝置4設有的接收線圈電感L₂、第二電感等效串聯(lián)電阻R₂、等效負載電阻R_L和第二諧振電容C₂；

所述無線能量傳輸電路的連接方式為：所述正弦激勵源U_S第一端連接電源內(nèi)阻R_S第一端，電源內(nèi)阻R_S第二端連接第一電感等效串聯(lián)電阻R₁第一端，第一電感等效串聯(lián)電阻R₁第二端連接磁心線圈電感L₁第一端，磁心線圈電感L₁第二端連接第一諧振電容C₁第一端，第一諧振電容第C₁二端連接正弦激勵源U_S第二端；所述接收線圈電感L₂第一端連接第二等效串聯(lián)電阻R₂第一端，第二等效串聯(lián)電阻R₂第二端連接等效負載電阻R_L第一端，等效負載電阻R_L第二端連接第二諧振電容C₂第一端，第二諧振電容C₂第二端連接接收線圈電感L₂第二端。

所述直流電源1、高頻激勵裝置2和平板磁心3采用一體封裝，節(jié)省空間且防止連接線過長損耗電能。

所述接收裝置4與定位裝置5配合設置，其作用是保證接收位置的最優(yōu)化，所述接收裝置4和定位裝置5內(nèi)嵌在服務機器人6底部，機器人的結構更加緊湊。

所述接收裝置4和定位裝置5之間還設有鋰電池，用于存儲電量。

所述直流電源1采用蓄電池、鋰電池、交流直流變換器中的一種。

如圖2所示，當發(fā)射端和接收端均產(chǎn)生諧振時，接收端功率和能量傳輸效率分別式1、式2：

其中，

對式(1)求導則可知臨界耦合系數(shù)則：

由推導結果可知，U₃、R₃、R₁、R₂、L₁、L₂、C₁、C₂、R_L參數(shù)值不變時，耦合系數(shù)和品質(zhì)因數(shù)決定能量傳輸?shù)男阅?。其中效率函?shù)是耦合系數(shù)k的單調(diào)函數(shù)，k越大，能量傳輸效率越高，但耦合系數(shù)k越低對應的傳輸距離越遠。由此可知提高發(fā)射端和接收端的品質(zhì)因數(shù)Q1、Q2可以減小最大功率傳輸點對應的耦合系數(shù)，這樣可以在較遠的距離下仍獲得較大的功率，本發(fā)明發(fā)射端采用平板磁心結構，在一定程度上擴大了傳輸距離。

為保證充電效率達到最大值，本系統(tǒng)能量發(fā)射端和能量接收端中心處設計無線定位系統(tǒng)，在保證能量發(fā)射端固定情況下，根據(jù)上述公式推導得到的最大距離作為服務機器人充電時的可移動范圍，當接收端上的定位信號與發(fā)射端定位信號大致吻合時即定位信號燈點亮時，能量發(fā)射端的直流電源處于接通狀態(tài)，此時根據(jù)變壓器原理產(chǎn)生交變磁場，發(fā)生諧振，向接收端提供電能。其工作流程圖如圖3所示。

上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理和最佳實施例，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。