移動(dòng)機(jī)器人的電磁諧振式無線充電技術(shù)

文/高強(qiáng)

移動(dòng)機(jī)器人（Robot）是隨著信息技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)的新式機(jī)械裝置，其融合了現(xiàn)代多種高端技術(shù)，包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、感應(yīng)技術(shù)等，能夠根據(jù)工作環(huán)境自動(dòng)工作，也可以通過邏輯編程設(shè)定程序、下達(dá)指令，使其隨時(shí)變更工作模式，性能十分優(yōu)越。目前的移動(dòng)機(jī)器人主要以電能作為動(dòng)力，這也對(duì)其充電模式提出了很高要求。目前來看，通過電磁諧振式無線充電進(jìn)行電能補(bǔ)充是較為可行的思路，對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電磁諧振式無線技術(shù)原理

電磁諧振式無線技術(shù)有兩大特點(diǎn)，即非接觸式充電和自動(dòng)尋源。目前常見的移動(dòng)機(jī)器人絕大多數(shù)采用接觸充電模式，即有線式充電，這種方式對(duì)電源所在地、機(jī)器人工作環(huán)境有一定的要求，一定程度上制約了移動(dòng)機(jī)器人的推廣應(yīng)用。在電磁諧振式無線技術(shù)模式下，以能量在固定空間范圍內(nèi)等量傳輸作為基本原理，通過感應(yīng)耦合的方式實(shí)現(xiàn)距離傳輸，這一模式的原理與磁鐵不同磁極之間的相吸性十分類似。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人需要補(bǔ)充電能時(shí)，磁耦合諧振能量的傳輸具備兩個(gè)相同諧振頻率的線圈，只要二者距離在設(shè)定范圍內(nèi)，磁場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)耦合，產(chǎn)生諧振，能量傳輸?shù)男诺揽焖俳?，并持續(xù)進(jìn)行電能的供應(yīng)。

2 移動(dòng)機(jī)器人的電磁諧振式技術(shù)

2.1 無線充電能量輸出系統(tǒng)

2.1.1 發(fā)出指令

移動(dòng)機(jī)器人無線充電能量輸出系統(tǒng)，由高頻激勵(lì)源以及語音播放單元等構(gòu)成，不同單元的功能存在較大的差異。以高頻激勵(lì)源為例，該單元的元件，包括控制器以及收發(fā)器等。收發(fā)器既具有能量接收的功能，同時(shí)也具有能量輸出功能。當(dāng)機(jī)器人電力能源不足，亟待充電時(shí)。機(jī)器人可隨即發(fā)出充電指令，通過無線射頻單元，觸發(fā)激勵(lì)源。當(dāng)激勵(lì)源被觸發(fā)后，線圈會(huì)隨之產(chǎn)生諧振。此時(shí)，線圈周圍的磁場(chǎng)會(huì)立即發(fā)生變化，共振隨即形成。在上述環(huán)境下，能量會(huì)被順利的傳輸?shù)街欣^線圈中，并經(jīng)中繼線圈傳遞到外界，指令隨即被發(fā)出。

表1：移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)線圈參數(shù)配置

2.1.2 傳輸指令

指令發(fā)出后，移動(dòng)機(jī)械人中所設(shè)置的接收器，可利用尋聲原理，通過主控單元采集能量，并根據(jù)指令信號(hào)的特點(diǎn)以及能量大小，確定聲源的位置。指令傳輸?shù)倪^程，需要利用相應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)。為確保無線充電的目的能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)成，使充電效率得以提升。技術(shù)人員可考慮將PID算法，應(yīng)用到指令傳輸過程中。確保指令能夠在發(fā)出后，立即被傳輸至機(jī)器人的DSP主控單元中，被主控單元所獲取。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，將2.4GHz的無線射頻收發(fā)芯片nRF24L01，以及增強(qiáng)型控制器納入到輸出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，將諧振頻率設(shè)置為516.5kHz，信號(hào)的傳輸功能可有效增強(qiáng)。設(shè)計(jì)人員可考慮采用上述參數(shù)設(shè)計(jì)輸出系統(tǒng)，增強(qiáng)系統(tǒng)功能。

2.2 無線充電能量輸入系統(tǒng)

無線充電能量輸入系統(tǒng)由電池管理系統(tǒng)、整流穩(wěn)壓電路、諧振接收電路組成。其中，電池管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)檢測(cè)移動(dòng)機(jī)器人何時(shí)需要充電，同時(shí)還負(fù)責(zé)電壓狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，由此即可明確移動(dòng)機(jī)器人搭載電池何時(shí)充滿電、何時(shí)需要充電，充電時(shí)間的合理控制將大大提升電池組使用壽命和移動(dòng)機(jī)器人安全穩(wěn)定性；整流穩(wěn)壓電路主要負(fù)責(zé)輸出穩(wěn)定電壓，由此即可滿足移動(dòng)機(jī)器人搭載電池組充電需求；諧振接收電路的接收頻率能夠自動(dòng)適應(yīng)中繼單元發(fā)射頻率，中繼線圈所傳輸?shù)拇艌?chǎng)能量可通過該電路順利接收，兩種頻率形成的共振可形成諧振電流滿足整流穩(wěn)壓電路需要。表1為移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)線圈參數(shù)配置，結(jié)合該圖可更深入了解無線充電能量輸入系統(tǒng)。值得注意的是，無線充電能量輸入系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)還需要得到由語音播放單元、高頻激勵(lì)源、中繼單元、諧振發(fā)射電路組成的能量發(fā)射系統(tǒng)支持，該系統(tǒng)采用了Nprdic公司生產(chǎn)的nRF24LE1型號(hào)的無線單片機(jī)。

2.3 無線充電能量控制系統(tǒng)

電磁諧振式無線電力傳輸結(jié)構(gòu)中的電量控制系統(tǒng)，主要依靠DSP單元控制裝置，實(shí)行單元結(jié)構(gòu)充電系統(tǒng)的綜合性調(diào)控。在DSP程序基礎(chǔ)上，分別延伸出信息采集單元、信號(hào)傳遞控制單元、充電導(dǎo)航單元、以及線路屏蔽單元。當(dāng)移動(dòng)機(jī)器人的電磁諧振式無線結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合傳輸時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)從DSP首先進(jìn)行信號(hào)傳輸，然后通過高性能浮點(diǎn)裝置，實(shí)行單元信號(hào)的初步采集。如果此時(shí)移動(dòng)機(jī)器人的電磁諧振式無線處于正常充電狀態(tài)，則DSP程序?qū)凑誗CI、IC進(jìn)行信號(hào)算法傳導(dǎo)，保障移動(dòng)機(jī)器人的電磁諧振式無線信號(hào)傳輸模式的自動(dòng)性傳輸。如果移動(dòng)機(jī)器人的電磁諧振式無線處于非正常的充電方式，則系統(tǒng)進(jìn)行綜合性程序算法運(yùn)作時(shí)，系統(tǒng)就可以按照浮點(diǎn)性處理器，運(yùn)用程序信息對(duì)應(yīng)性處理的方式，進(jìn)行移動(dòng)機(jī)器人的電磁諧振式充電過程的階段性調(diào)節(jié)。

同時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人的電磁諧振式信號(hào)的控制性調(diào)整，運(yùn)用外圍控制電流調(diào)整方式，實(shí)行機(jī)器人操作主體程序控制層面的科學(xué)性調(diào)配，與信號(hào)輸入系統(tǒng)和信號(hào)輸出系統(tǒng)的命令相互對(duì)應(yīng)，逐步形成了以DSP程序?yàn)橹鞯男畔⒄{(diào)配結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

綜上所述，電磁諧振式無線充電技術(shù)的應(yīng)用，可有效增強(qiáng)移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力，使之性能得以改善。有關(guān)領(lǐng)域可根據(jù)自身的需求，在設(shè)計(jì)無線充電能量輸出系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，確保充電指令能夠被及時(shí)發(fā)出。在設(shè)計(jì)無線充電能量輸入系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提高機(jī)器人的信號(hào)接收效率。在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化機(jī)器人的充電功能，最終達(dá)到提高移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)水平的目的。

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