面向林用機(jī)器人的無(wú)線充電裝置研究*

鐘天慈，徐 磊，趙學(xué)偉，周 正，胡晨陽(yáng)，顏夢(mèng)玲

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210037)

0 引言

森林作業(yè)機(jī)器人一直是國(guó)內(nèi)外機(jī)器人研究的熱點(diǎn)之一,隨著研究的不斷深入，機(jī)器人的續(xù)航工作能力也越來(lái)越受到重視[1]。

目前大多數(shù)林業(yè)機(jī)器人使用蓄電池進(jìn)行供電，電量可維持?jǐn)?shù)小時(shí)，電量耗盡便需要人工干預(yù)進(jìn)行充電，無(wú)法長(zhǎng)久地在森林中自主工作。而且機(jī)器人在進(jìn)行林區(qū)巡檢等長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)無(wú)法及時(shí)充電，不能滿足林業(yè)管理自動(dòng)化和智能化的需求。

直接在機(jī)器人上裝設(shè)太陽(yáng)能帆板能夠延長(zhǎng)機(jī)器人工作時(shí)間，使其更加長(zhǎng)久穩(wěn)定的工作。但由于林用機(jī)器人主要工作地點(diǎn)在林區(qū)，樹(shù)木遮擋導(dǎo)致太陽(yáng)能利用率不高。

當(dāng)前市面上許多自主充電機(jī)器人采用接觸式充電，如家用掃地機(jī)器人等。這類機(jī)器人通常借助激光測(cè)距儀、視覺(jué)傳感或紅外探測(cè)器與充電設(shè)備進(jìn)行對(duì)接，機(jī)器人在充電前，需要經(jīng)過(guò)導(dǎo)航到達(dá)充電插座，由于傳感器的誤差，導(dǎo)航精度較低[2]。機(jī)器人與充電底座對(duì)接時(shí)需要通過(guò)導(dǎo)航算法來(lái)提高對(duì)接的精確性，對(duì)接過(guò)程比較復(fù)雜，消耗時(shí)間較長(zhǎng)，不能快速準(zhǔn)確進(jìn)入充電狀態(tài)。而且充電底座在多次進(jìn)行插

拔對(duì)接充電后，容易引起機(jī)械磨損，導(dǎo)致插頭松動(dòng)。因而接觸式充電比較適合于室內(nèi)簡(jiǎn)單場(chǎng)景。而無(wú)線充電技術(shù)作為一項(xiàng)新的能量傳輸技術(shù)，用電設(shè)備以非接觸方式取電，無(wú)需進(jìn)行精確對(duì)接，所以研究林用機(jī)器人的無(wú)線充電技術(shù)能夠促進(jìn)林業(yè)管理的智能化和自動(dòng)化發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，無(wú)線電能傳輸主要包括三類：微波電能傳輸、電磁感應(yīng)式傳輸、電磁諧振式傳輸[3]。結(jié)合林用移動(dòng)機(jī)器人的特點(diǎn)，選用電磁諧振的傳輸方式進(jìn)行無(wú)線充電。電磁諧振式無(wú)線充電利用發(fā)射線圈和接收線圈間的耦合，實(shí)現(xiàn)電能傳輸。該傳輸方式傳輸距離遠(yuǎn)，傳輸效率高[3]。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示,無(wú)線充電系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端,接收端位于林用機(jī)器人底部，通過(guò)接收線圈和整流濾波電路為蓄電池充電。

發(fā)射端包括直流電源、高頻逆變電路、發(fā)射線圈和檢測(cè)線圈。檢測(cè)線圈用于檢測(cè)充電區(qū)是否存在金屬異物。另外，發(fā)射端裝置架設(shè)太陽(yáng)能帆板，收集林區(qū)太陽(yáng)能，對(duì)發(fā)射端直流電源的電能進(jìn)行補(bǔ)充，延長(zhǎng)單次使用時(shí)間，使得機(jī)器人能夠較長(zhǎng)時(shí)間地在林區(qū)自主工作。有效利用林區(qū)太陽(yáng)能，綠色環(huán)保。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本研究所要采用的是諧振無(wú)線電能傳輸，該無(wú)線電能傳輸方式的特點(diǎn)是具有相同諧振頻率的物體之間可以產(chǎn)生高效率的電能傳輸，而不同諧振頻率的物體之間電能傳輸?shù)男蕜t相對(duì)較低。磁耦合諧振無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)分為發(fā)射端與接收端，總共由五個(gè)部分組成，分別是高頻逆變電路、發(fā)射線圈、接收線圈、整流濾波電路、負(fù)載[4]。

圖2 高頻逆變電路

該電能傳輸系統(tǒng)的原理是首先通過(guò)高頻逆變電路將輸入的直流電逆變?yōu)楦哳l的交流電，再通過(guò)發(fā)射線圈與接收線圈將交流電傳輸?shù)浇邮斩耍瓿呻娔艿臒o(wú)線傳輸，再經(jīng)過(guò)整流濾波電路將接收線圈接收到的高頻交流電轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需要的直流電，從而使負(fù)載獲取到電能，達(dá)到充電的效果。

本研究所采用的高頻逆變電路如圖2所示。發(fā)射端控制芯片采用STC15W4K32S4型號(hào)單片機(jī)。單片機(jī)的P1.1管腳與MOS管的柵極相連。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)硬件PWM波發(fā)生器產(chǎn)生PWM波，作為逆變電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，可以通過(guò)控制PWM波的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)生高頻交流電頻率的控制。

整流濾波采用全橋整流電路，由4只整流二極管按全波整流的方式連接起來(lái)，將接收到的高頻交流電轉(zhuǎn)化成負(fù)載可以接收的直流電。

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

3.1 對(duì)位檢測(cè)

林用機(jī)器人在電量不足的情況下，根據(jù)GPS導(dǎo)航定位，尋找最近的充電點(diǎn)進(jìn)行充電。無(wú)線充電的效率和功率受對(duì)位偏差的影響，為了提高充電效率，需要進(jìn)行線圈對(duì)位操作來(lái)提高耦合系數(shù)。在林用機(jī)器人到達(dá)充電點(diǎn)附近后，使用OpenMV視覺(jué)模塊的AprilTag標(biāo)記跟蹤功能進(jìn)行定位，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)入充電區(qū)。

OpenMV是一個(gè)基于STM32F765VI ARM Cortex M7處理器的單片機(jī)和OV2640圖像傳感器的開(kāi)源型的微型機(jī)器視覺(jué)模。OpenMV上搭載了一個(gè)MicroPython解釋器，使用Python腳本語(yǔ)言編程來(lái)實(shí)現(xiàn)一系列功能，包括IO端口的控制、讀取文件系統(tǒng)等基礎(chǔ)功能，也可以實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)和跟蹤、關(guān)鍵點(diǎn)提取、顏色跟蹤等功能。AprilTag是一個(gè)視覺(jué)基準(zhǔn)系統(tǒng)，可用于各種任務(wù)，包括AR，機(jī)器人和相機(jī)校準(zhǔn)[5]。

圖3 Tag標(biāo)記

OpenMV中的AprilTag檢測(cè)程序可以計(jì)算圖3的Tag標(biāo)記相對(duì)于相機(jī)的精確3D位置、方向，通過(guò)串口輸出6個(gè)變量，Tx、Ty、Tz為空間的3個(gè)位置量，Rx、Ry、Rz為3個(gè)旋轉(zhuǎn)量。

AprilTag可以識(shí)別每個(gè)標(biāo)記的ID。例如TAG16H5的家族(family)有30個(gè)，每一個(gè)都有對(duì)應(yīng)的ID,從0-29。不同家族的區(qū)別在于有效區(qū)域的范圍不同。TAG16H5的有效區(qū)域是4×4的方塊，而TAG36H11有6×6個(gè)方塊。TAG16H5相較于TAG36H11遠(yuǎn)距離仍能有效識(shí)別，但TAG16H5的錯(cuò)誤率比TAG36H11高。所以本研究使用TAG36H11對(duì)充電裝置進(jìn)行標(biāo)記。

圖4 攝像頭讀取標(biāo)記

圖4是OpenMV讀取測(cè)試選用的Tag標(biāo)記，測(cè)試選用的標(biāo)記為T(mén)AG36H11-2。OpenMV通過(guò)串口與機(jī)器人主控芯片通信，將6維向量傳給主控。讀取標(biāo)記的結(jié)果為：ID=2，Tx=-0.287775，Ty=-0.701307，Tz=-3.420411，Rx=180.521240，Ry=6.332906，Rz=358.060122，位置T的單位為厘米，姿態(tài)R的單位為角度。

機(jī)器人主控發(fā)送指令控制步進(jìn)電機(jī)，使用PID算法調(diào)整機(jī)器人位置和姿態(tài)。當(dāng)主控收到的6維向量達(dá)到某閾值后，即判定機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入無(wú)線充電區(qū)，完成對(duì)位檢測(cè)。對(duì)位檢測(cè)流程如圖5所示。

圖5 對(duì)位檢測(cè)流程

3.2 異物檢測(cè)

在無(wú)線充電的過(guò)程中，各種異物進(jìn)入電能的傳輸區(qū)域是不可避免的。可將異物大致分為金屬異物和非金屬異物。非金屬異物對(duì)無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)并不會(huì)產(chǎn)生影響；而金屬異物則會(huì)帶來(lái)較大的影響，可能會(huì)影響電能的傳輸效率，同時(shí)渦流效應(yīng)引起金屬異物溫度急劇升高，容易引發(fā)火災(zāi)，而這在林區(qū)更會(huì)造成無(wú)法預(yù)計(jì)的嚴(yán)重后果。因此，出于系統(tǒng)安全考慮，本研究中無(wú)線充電系統(tǒng)的異物檢測(cè)是十分必要的。

鐵磁性金屬磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣介質(zhì)的磁導(dǎo)率。當(dāng)磁場(chǎng)中存在鐵磁材料，原磁場(chǎng)的大小會(huì)受到鐵磁材料的影響而發(fā)生變化，稱之為鐵磁材料的磁效應(yīng)。在變化的磁場(chǎng)當(dāng)中，對(duì)于鐵磁性金屬導(dǎo)體，除了渦流效應(yīng)會(huì)改變?cè)艌?chǎng)，其磁效應(yīng)亦能引起原磁場(chǎng)的變化。由于金屬的渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)，當(dāng)金屬異物進(jìn)入電能傳輸區(qū)域時(shí)，會(huì)引起原磁場(chǎng)大小的變化?？梢愿鶕?jù)此特性作為金屬異物檢測(cè)的依據(jù)，采取事前檢測(cè)的方法對(duì)充電區(qū)有無(wú)異物進(jìn)行檢測(cè)。

金屬異物將會(huì)改變?cè)艌?chǎng)的大小，從而改變磁場(chǎng)中平衡線圈所感應(yīng)的不平衡電壓的大小。經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)可知，當(dāng)存在金屬異物時(shí)，平衡線圈的端電壓將會(huì)減小，因此可以對(duì)平衡線圈端電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，進(jìn)而檢測(cè)有無(wú)金屬異物進(jìn)入電能傳輸區(qū)域。異物檢測(cè)流程如圖6所示。

圖6 異物檢測(cè)流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究設(shè)計(jì)的無(wú)線充電系統(tǒng)能夠快速進(jìn)入充電狀態(tài)，有效檢測(cè)出充電區(qū)異物，保證系統(tǒng)安全性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確將林用機(jī)器人和無(wú)線充電裝置進(jìn)行對(duì)位，無(wú)線充電效率較高。

5 結(jié)論

電磁諧振式無(wú)線充電在提升機(jī)器人智能化和自主化方面具有很大的潛力，相較于傳統(tǒng)接觸式充電更加安全、便捷。加入檢測(cè)線圈的方法進(jìn)行異物檢測(cè)的方案可行，且穩(wěn)定性較好。