基于無(wú)線充電的移動(dòng)機(jī)器人鋰電池電壓估算方法與實(shí)現(xiàn)

張余恒，彭一準(zhǔn)，葛澤凡

(天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津300222)

隨著科技與社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)充電方式也提出了新的要求，無(wú)線充電技術(shù)是一種與傳統(tǒng)充電技術(shù)有著很大區(qū)別的新興技術(shù).相對(duì)于傳統(tǒng)充電技術(shù)，無(wú)線充電技術(shù)具有便利性、實(shí)用性、美觀性、環(huán)保性的優(yōu)勢(shì)，有很大的發(fā)展空間，也是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一.隨著無(wú)線充電技術(shù)充電效率的提高、充電距離的增大、充電便利性與安全性的提高、充電設(shè)備的小型化等，無(wú)線充電技術(shù)將會(huì)成為主導(dǎo)未來(lái)充電產(chǎn)品與設(shè)備的主流技術(shù)，因此設(shè)計(jì)一種針對(duì)無(wú)線充電的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是必要的.郭佑民等[1]根據(jù)鋰電池在遠(yuǎn)程測(cè)控終端中應(yīng)用的要求，設(shè)計(jì)了一種基于BQ27750 的遠(yuǎn)程測(cè)控終端電源檢測(cè)系統(tǒng).魯照權(quán)等[2]考慮到蓄電池的健康狀況和環(huán)境溫度因素，提出了一種蓄電池剩余電量估算新方法.申雙琴[3]利用單片機(jī)A/D 轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)了用于掃地機(jī)器人的電量監(jiān)測(cè)模塊.基于以上研究背景，本文提出了一種基于無(wú)線充電的移動(dòng)機(jī)器人鋰電池電壓估算方法，該方法通過(guò)均值濾波算法和誤差處理算法減小電壓模擬值采集誤差，利用Matlab擬合函數(shù)進(jìn)行電壓估計(jì)，旨在能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)鋰電池電壓，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人低電壓自動(dòng)返航充電功能.

1 系統(tǒng)框架

通過(guò)數(shù)學(xué)建模方式建立電壓與電量模擬值的數(shù)學(xué)模型，其電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可用在移動(dòng)機(jī)器人上，例如巡檢機(jī)器人等，圖1 為本團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框圖，其中包括了鋰電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng).系統(tǒng)主要由無(wú)線充電模塊和電源模塊組成，其中無(wú)線充電模塊由無(wú)線充電發(fā)射端和接收端構(gòu)成，電源模塊由APM電壓電流計(jì)傳感器與鋰電池構(gòu)成.無(wú)線充電裝置是采用電磁感應(yīng)方式利用電磁波感應(yīng)原理進(jìn)行充電.無(wú)線充電的發(fā)射端和接收端各有一個(gè)線圈，通過(guò)220 V 交流電為發(fā)射端供電，使發(fā)射線圈產(chǎn)生電磁信號(hào)，而接收端線圈通過(guò)感應(yīng)該電磁信號(hào)從而產(chǎn)生電流為鋰電池充電.將無(wú)線充電模塊發(fā)射端設(shè)計(jì)成充電樁形式固定在充電點(diǎn)，然后將接收端安裝在輪式移動(dòng)機(jī)器人身上，當(dāng)機(jī)器人需要充電時(shí)返回充電點(diǎn)進(jìn)行充電[4].

圖1 帶有鋰電池電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)框圖Fig. 1 Structure of the patrol robot with lithium battery voltage monitoring system

電源模塊的一端與無(wú)線充電模塊接收端相連，充電電壓與充電電流經(jīng)過(guò)APM 電壓電流計(jì)傳感器流向鋰電池.將傳感器自帶的6P 連接線中的信號(hào)線和地線連接到Arduino2560 單片機(jī)的模擬IO 口上，利用單片機(jī)讀出此時(shí)電壓對(duì)應(yīng)的模擬值，同時(shí)把鋰電池測(cè)電器直接接在電池上，記錄當(dāng)前電壓模擬值對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)電壓.這樣可以得到一組鋰電池電壓值和與之對(duì)應(yīng)的電壓模擬值，再利用Matlab 中的cftool 工具將這二者的函數(shù)關(guān)系式擬合出來(lái)，得到關(guān)于鋰電池電壓與電壓模擬值對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[5]，最終機(jī)器人利用單片機(jī)讀取電壓模塊的模擬值估計(jì)電壓真實(shí)值.

當(dāng)檢測(cè)到電壓估計(jì)值小于設(shè)定的充電閾值(14.8 V)時(shí)，表明機(jī)器人處于低壓狀態(tài)，此時(shí)機(jī)器人需要充電，然后通過(guò)上位機(jī)樹(shù)莓派3B 運(yùn)行遠(yuǎn)程導(dǎo)航程序，指定充電點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行導(dǎo)航，最終通過(guò)充電樁近程對(duì)接技術(shù)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的自主充電.當(dāng)檢測(cè)到電壓估計(jì)值大于設(shè)定的充滿閾值(16.5 V)時(shí)，表明電池已充滿電，機(jī)器人離開(kāi)充電樁，繼續(xù)執(zhí)行巡檢任務(wù).

2 硬件結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖及充電樁實(shí)物圖見(jiàn)圖2 和圖3.

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig. 2 Physical diagram of the monitoring system

圖3 充電樁實(shí)物圖Fig. 3 Physical diagram of the charging post

系統(tǒng)選用的無(wú)線充電模塊利用電磁感應(yīng)式無(wú)線充電技術(shù)，由能量發(fā)射、能量接收和控制模塊組成.利用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能的整流、逆變和輸出部分的調(diào)節(jié)功能，工頻交流電經(jīng)過(guò)整流、高頻逆變電路轉(zhuǎn)換為高頻交流電，為發(fā)射線圈進(jìn)行勵(lì)磁，并通過(guò)互感作用將能量傳遞到接收線圈，接收線圈經(jīng)過(guò)高頻整流和輸出調(diào)節(jié)電路為蓄電池供電.為了降低系統(tǒng)損耗，在機(jī)器人未進(jìn)行充電，即空載時(shí)，控制器可以斷開(kāi)主電路繼電器，同時(shí)設(shè)置指示燈和蜂鳴器反映系統(tǒng)的狀態(tài)[6].

系統(tǒng)選用的鋰電池是4S 航模鋰電池，最大充電電流可以達(dá)到20 A.

系統(tǒng)選用的測(cè)電模塊是APM 電壓電流計(jì)傳感器，能夠檢測(cè)電池電壓和電池電流.

系統(tǒng)選用的單片機(jī)是Arduino2560，其是一款便捷靈活的開(kāi)源電子原型平臺(tái)，利用此單片機(jī)模擬IO口讀取鋰電池電壓模擬值，并通過(guò)數(shù)學(xué)模型估計(jì)出電壓真實(shí)值.

3 軟件設(shè)計(jì)

由于電壓模擬值在實(shí)際采集過(guò)程中波動(dòng)相對(duì)較大，采集到的模擬數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，導(dǎo)致擬合誤差過(guò)大，不能直接使用.先采用均值濾波方式減小誤差，即在相同電壓下采集15 個(gè)電壓模擬值并做均值處理，見(jiàn)表1.經(jīng)過(guò)均值濾波后的電壓模擬值和與之對(duì)應(yīng)的鋰電池實(shí)測(cè)電壓值見(jiàn)表2.

利用Matlab 中的cftool 工具對(duì)鋰電池實(shí)測(cè)電壓與電壓模擬值進(jìn)行擬合.先輸入表2 中的電壓模擬值和實(shí)測(cè)電壓值，打開(kāi)cftool 工具，在cftool 界面中選擇X、Y 數(shù)據(jù)，并設(shè)置擬合模型的類(lèi)型為一元二次多項(xiàng)式(圖4)，即可得到一個(gè)關(guān)于實(shí)測(cè)電壓值與模擬值之間的多項(xiàng)式擬合模型.從圖4 左側(cè)的輸出結(jié)果中可以看出，擬合后的多項(xiàng)式為式(1)，其中x 為APM 電壓電流計(jì)傳感器采集到的電壓模擬值，該變量作為已知變量由Arduino2560 實(shí)時(shí)采集，y 是待估計(jì)的鋰電池電壓.

表1 電壓模擬均值表Tab. 1 Table of voltage analog mean

表2 實(shí)測(cè)電壓值–電壓模擬值對(duì)應(yīng)表Tab. 2 Table of measured and analog voltage value correspondence

圖4 實(shí)測(cè)電壓值與電壓模擬值擬合圖Fig. 4 Fitting diagram between measured and analog voltage values

建立數(shù)學(xué)模型的過(guò)程中，首先初始化電壓電流計(jì)傳感器，然后利用Arduino2560 單片機(jī)和鋰電池測(cè)電器讀取電壓模擬值和實(shí)測(cè)電壓值.讀取失敗則返回初始化傳感器重新讀取，讀取成功后對(duì)同一個(gè)電壓內(nèi)的模擬值做均值濾波處理，最后將處理后的電壓模擬值均值和電壓值用Matlab 工具擬合，生成電壓與模擬值之間的函數(shù)關(guān)系式[7].

選取1 組隨機(jī)測(cè)得的電壓模擬值代入多項(xiàng)式進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證，見(jiàn)表3.由表3 可以看出，預(yù)期電壓值基本接近實(shí)測(cè)電壓值.不過(guò)為了防止采集到的連續(xù)模擬值出現(xiàn)突變情況，在程序端設(shè)計(jì)了一個(gè)誤差處理算法，確保測(cè)量電壓的穩(wěn)定.在實(shí)際采集過(guò)程中通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，電壓模擬值的變化是一個(gè)連續(xù)緩慢的過(guò)程，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，相鄰的兩個(gè)電壓模擬值之差的絕對(duì)值小于等于3.為了防止電壓模擬值突變?cè)斐傻臏y(cè)量誤差，在單片機(jī)程序端加上一個(gè)約束條件.其約束條件為前后相鄰兩次采集的模擬值之差的絕對(duì)值不能超過(guò)閾值5，否則說(shuō)明當(dāng)前電壓模擬值的測(cè)量偏差較大，舍棄該電壓模擬值并返回重新測(cè)量，接著判斷下一次采集的電壓模擬值是否滿足該判斷條件；若滿足條件，則將該電壓模擬值代入擬合的多項(xiàng)式中，計(jì)算出電壓估計(jì)值，不滿足條件則繼續(xù)循環(huán)采集[8].具體系統(tǒng)工作流程如圖5 所示.

表3 鋰電池電壓對(duì)比驗(yàn)證Tab. 3 Voltage comparison validation of lithium batteries

圖5 系統(tǒng)工作流程圖Fig. 5 Flow chart of the system

移動(dòng)機(jī)器人通電后，首先初始化電壓電流計(jì)傳感器，判斷單片機(jī)是否接收到電壓模擬值數(shù)據(jù)，再將采集的模擬值存入程序變量中，然后判斷相鄰兩次采集到的模擬值之差的絕對(duì)值是否小于等于5，若不滿足就重新讀取電壓模擬值，如果滿足該條件則將當(dāng)前電壓模擬值代入擬合的多項(xiàng)式中，求解出電壓估計(jì)值并保存[9].

4 一種高精度鋰電池電壓估計(jì)方法

在上述方法的基礎(chǔ)上，將APM 電壓電流計(jì)傳感器換成庫(kù)侖計(jì)模塊，并修改相應(yīng)程序，可得到更加精確的電壓估計(jì)值和剩余電量百分比.其工作原理是通過(guò)測(cè)量一個(gè)特定電阻兩端的電壓值，再把這個(gè)電壓值除以它的電阻值得到它的電流值，對(duì)這個(gè)電流和時(shí)間進(jìn)行積分，從而得到準(zhǔn)確的電壓和剩余電量百分比[10].該電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖6 所示.

本系統(tǒng)中電池管理模塊由帶串口通信的庫(kù)侖計(jì)模塊和鋰電池構(gòu)成.庫(kù)侖計(jì)帶有UART 串口通信功能，通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，利用單片機(jī)按照庫(kù)侖計(jì)模塊的通信協(xié)議讀取庫(kù)侖計(jì)測(cè)得的真實(shí)電壓和剩余電量百分比.庫(kù)侖計(jì)在使用之前需要先設(shè)置初值，設(shè)定滿電時(shí)剩余電量顯示為100%，處于低壓臨界值14.8 V 時(shí)為20%.這種通過(guò)高速采樣電流積分獲取鋰電池電壓值的方法具有較高的準(zhǔn)確性[11].

圖6 高精度電壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig. 6 High-precision voltage monitoring system

庫(kù)侖計(jì)接線原理如圖7 所示，該電路由電源、庫(kù)侖計(jì)模塊和負(fù)載組成.庫(kù)侖計(jì)除串口線之外還有4根線，圖中細(xì)紅線和細(xì)黑線分別接在電池的正極和負(fù)極，為庫(kù)侖計(jì)供電；電池正極直接接在負(fù)載正極上，庫(kù)侖計(jì)的電流粗黑線I-接在電池負(fù)極上，電流粗紅線I＋接在負(fù)載的負(fù)極上.

本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)與庫(kù)侖計(jì)模塊串口連接，從中讀取監(jiān)測(cè)到的鋰電池的實(shí)時(shí)電壓和剩余電量百分比，但是由于移動(dòng)機(jī)器人不需要實(shí)時(shí)讀取電量，以免造成資源浪費(fèi)，所以在本系統(tǒng)中設(shè)定每隔15 s 更新一次電壓值和剩余電量百分比，其工作流程如圖8 所示.首先在程序端初始化庫(kù)侖計(jì)與串口；然后判斷是否是第一次運(yùn)行程序中庫(kù)侖計(jì)定義函數(shù)或者前后兩次運(yùn)行該函數(shù)的時(shí)間之差大于15 s，如果不是則繼續(xù)運(yùn)行主函數(shù)，如果滿足條件則單片機(jī)通過(guò)串口向庫(kù)侖計(jì)下發(fā)指令，庫(kù)侖計(jì)收到指令后立刻啟動(dòng)中斷服務(wù)函數(shù)向串口返回?cái)?shù)據(jù)；最后在程序端解析出電壓和電量百分比的值并保存.該方法不僅可以得到鋰電池的真實(shí)電壓值，還可以通過(guò)剩余電量百分比的形式表現(xiàn)出來(lái).經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)，估計(jì)的鋰電池電壓能夠滿足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)低壓返航功能.

圖7 庫(kù)侖計(jì)接線原理圖Fig. 7 Schema of coulometer wiring

圖8 高精度鋰電池電壓系統(tǒng)工作流程圖Fig. 8 Flow chart of high-precision lithium battery voltage system

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究提出了一種基于無(wú)線充電的移動(dòng)機(jī)器人鋰電池電壓估算方法，闡述了電壓估算方法的系統(tǒng)框架和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，針對(duì)本方案中的無(wú)線充電模塊、電源模塊進(jìn)行展開(kāi)說(shuō)明，對(duì)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單描述，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該方法可以確保移動(dòng)機(jī)器人獲取電源的實(shí)時(shí)電壓估計(jì)值，能基本滿足使用要求.在此基礎(chǔ)上，提出一種使用庫(kù)侖計(jì)通過(guò)電流積分的方式得到準(zhǔn)確電壓值的方法，為機(jī)器人的電池電壓監(jiān)測(cè)工作提供了可行的技術(shù)解決方案.