一种变电站内无线充电装置及控制方法

技术领域

本发明涉及无线充电领域，尤其涉及一种变电站内无线充电装置及控制方法。

背景技术

变电站是电力系统不可或缺的部分。随着科技的发展，变电站内有多种智能机器人代替人工对变电站进行高效的管理和维护。而机器人通常需通过人工实施充电对接作业，且不同种类机器人充电方式各有差异，常造成时间和人力的浪费，影响变电站的运行效率。变电站内机器人具备视觉、路径规划、轨迹跟踪、避障等基础功能，可通过复用机器人本身的摄像头、传感器等设备，获取机器人的位姿信息，进而研发一款通用型无线充电系统，满足多种类型机器人能量的维护需求，保障变电站的高效运行。

发明内容

本发明提供了一种变电站内无线充电装置及控制方法，满足多种类型机器人的充电需求，保障变电站的高效运行。

第一方面，本发明提供了一种变电站内无线充电装置，包括：控制中心、一组放置于地面的平行导轨，以及依次设置于平行导轨长度方向上的粗定位信息测量模块、精定位充电对接模块，所述粗定位信息测量模块、精定位充电对接模块均与所述控制中心电连接；

所述粗定位信息测量模块用于获取机器人的长宽信息，同时辅助机器人调整位姿；

所述精定位充电对接模块包括位移传感器、无线充电发射线圈、对射的第一测距传感器，所述位移传感器与所述无线充电发射线圈均内嵌于平行导轨中轴线所在的地面；所述无线充电发射线圈设置于所述位移传感器远离所述粗定位信息测量模块的一侧；所述对射的第一测距传感器对称设置于平行导轨的两条导轨上；

所述控制中心用于与机器人进行信息交互，并发布控制指令。

优选地，还包括视觉标识物，所述视觉标识物设置于平行导轨远离粗定位信息测量模块一端，且位于平行导轨中轴线的上方。

进一步地，所述粗定位信息测量模块包括设置于所述平行导轨上的对射的第一红外传感器、内嵌于平行导轨间地面的压力传感器阵列。

进一步地，所述粗定位信息测量模块还包括设置于所述平行导轨上的对射的第二测距传感器、对射的第二红外传感器；其中所述对射的第二测距传感器、对射的第二红外传感器位于所述位移传感器和所述压力传感器阵列之间。

进一步地，所述对射的第一测距传感器包括至少两组对射的激光传感器，且每组对射的激光传感器对称设置于与所述无线充电发射线圈的两侧。

第二方面，本发明提供了一种变电站内无线充电的控制方法，包括：

当检测到机器人进入粗定位信息测量区间时，控制中心通过粗定位信息测量模块获取机器人的长宽信息，并调整机器人位姿，使机器人保持沿平行导轨的中轴线前进直至驶入精定位充电对接区间；

当检测到机器人进入精定位充电对接区间，机器人前端经过位移传感器时，控制中心向机器人发送减速指令使机器人以预设加速度进行减速，使机器人底盘中心位置的无线充电接收线圈盒到达无线充电发射线圈上方；通过所述对射的第一测距传感器测量平行导轨的两条轨道到机器人两侧的距离，并调整机器人位姿，使两侧距离相等，完成无线充电发射线圈与无线充电接收线圈盒的精定位无线充电对接；

当检测到完成精定位充电对接时，控制中心下发通电指令为机器人进行无线充电。

优选地，机器人在进入粗定位信息测量区间前还包括：机器人利用自身摄像头识别视觉标识物，通过判断拍摄画面中视觉标识物与画面中心的相对位置关系，引导机器人调整前进的方向。

进一步地，粗定位信息测量模块获取机器人的长宽信息的过程具体为：

机器人以预设速度通过对射的第一红外传感器时，利用预设速度和通过对射的第一红外传感器的时间，计算获取机器人的长度；

利用机器人通过压力传感器阵列时左右轮对应接触的压力传感器的编号和时间，计算机器人的偏移角度，进一步计算得到机器人的宽度，同时通过利用偏移角度辅助调整机器人的位姿。

优选地，还包括：对机器人的长宽信息进行复核，具体过程为：

机器人以预设速度经过对射的第二测距传感器和第二红外传感器时，通过调整机器人的位姿，使得机器人位于与平行导轨平行的中轴线上；

获取对射的第二测距传感器测量的平行导轨到机器人两侧的距离，计算得到机器人的宽度；

记录机器人前端截断对射的第二红外传感器发射的红外信号的时间和红外信号恢复的时间，进而计算机器人的长度；

将获得的机器人的长宽信息与预先获取的长宽信息进行复核。

进一步地，所述机器人底盘中心位置的无线充电接收线圈盒到达无线充电发射线圈上方的具体过程为：

根据粗定位信息测量模块获取的机器人长宽信息计算得到机器人底盘中心的位置；

利用位移传感器的位置得到无线充电发射线圈和机器人底盘中心的距离；

结合机器人当前的行驶速度，获取机器人减速到达无线充电发射线圈上方的过程中机器人减速的加速度；

控制中心将获取的加速度作为指令下发给机器人进行减速，使机器人底盘中心位置的无线充电接收线圈盒到达无线充电发射线圈上方。

有益效果

本发明提出了一种变电站内无线充电装置及控制方法，可为不同类型的机器人提供无线充电功能。控制中心通过粗定位信息模块可获取当前需要进行能量维护的机器人的长宽信息，并调整机器人位姿使机器人沿与平行导轨平行的中轴线上行驶，进而使机器人驶入精定位充电对接区间；控制中心通过精定位充电模块中机器人触发位移传感器时，根据机器人的行驶速度及机器人底盘中心位置到无线充电发射线圈的距离，计算得到机器人减速时的加速度，控制中心将加速度作为指令下发给机器人进行减速，最终使机器人底盘中心位置的无线充电接收线圈盒到达无线充电发射线圈上方；此外，精定位充电模块利用对射的第一测距传感器调整行驶过程中机器人的位姿，使机器人最终定位于预设无线充电发射线圈的X、Y轴轴向上，完成无线充电对接。可计算不同尺寸、不同类型的机器人的长宽信息，最终使机器人精准地完成对接充电，极大地满足了多种类型机器人的充电需求，保障变电站的高效运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的变电站内无线充电装置的示意图；

图2是本发明实施例提供的变电站内无线充电装置和机器人的构型示意图；

图3是本发明实施例提供的粗定位信息测量区间示意图；

图4是本发明实施例提供的精定位充电对接区间示意图；

图5是本发明实施例提供的视觉标识物正视图；

图6是本发明实施例提供的变电站内无线充电的控制方法的流程图；

图7是本发明实施例提供的机器人未识别到视觉标识物的画面示意图；

图8是本发明实施例提供的视觉标识物高度高于机器人摄像头时的画面示意图；其中，图8(a)为完整的视觉标识物出现在画面的上层偏左的位置的示意图；图8(b)为标识物右边部分出现在画面的上层偏左的位置的示意图；图8(c)为完整的视觉标识物出现在画面的上层偏右的位置的示意图；图8(d)为标识物左半部分出现在画面的上层偏右的位置的示意图；图8(e)为标识物在画面的上层的中间位置的示意图；图8(f)为摄像头只能识别到位于画面的中心的标识物下半部分的示意图；

图9是本发明实施例提供的视觉标识物高度与机器人摄像头一致时的画面示意图；其中，图9(a)为完整的标识物出现在画面的中层偏左位置的示意图；图9(b)为标识物右边部分出现在画面的中层偏左位置的示意图；图9(c)为完整的标识物出现在画面的中层偏右位置的示意图；图9(d)为标识物左边部分出现在画面的中层偏右位置的示意图；图9(e)为标识物在画面正中心的示意图；图9(f)为机器人距离标识物近的拍摄示意图；

图10是本发明实施例提供的视觉标识物高度低于机器人摄像头时的画面示意图；其中，图10(a)为完整的标识物出现在画面的底层偏左位置的示意图；图10(b)为标识物的右边部分出现在画面的底层偏左位置的示意图；图10(c)为完整的标识物出现在画面的底层偏右位置的示意图；图10(d)为标识物的左边部分出现在画面的底层偏右位置的示意图；图10(e)为标识物在画面的底层的中间位置的示意图；图10(f)为机器人只能拍摄到位于画面的底层中间的标识物上半部分的示意图；

图11是本发明实施例提供的粗定位信息测量模块获取机器人的长度信息的示意图；其中，图11(a)为t

图12是本发明实施例提供的粗定位信息测量模块获取机器人的宽度信息情况一的示意图；

图13是本发明实施例提供的粗定位信息测量模块获取机器人的宽度信息情况二的示意图；其中，图13(a)为机器人左轮先于右轮接触压力传感器的示意图；图13(b)为机器人向左偏移角度的数学模型图；

图14是本发明实施例提供的粗定位信息测量模块获取机器人的宽度信息情况三的示意图；图14(a)为机器人右轮先于左轮接触压力传感器的示意图；图14(b)为机器人向右偏移角度的数学模型图；

图15是本发明实施例提供的粗定位信息测量模块复核机器人的宽度信息的示意图；

图16是本发明实施例提供的粗定位信息测量模块复核机器人的长度信息的示意图；其中，其中，图16(a)为t

图17是本发明实施例提供的精定位充电对接区间X轴轴向定位的示意图；

图18是本发明实施例提供的精定位充电对接区间Y轴轴向定位的示意图；其中，图18(a)机器人需要向左调整的示意图；图18(b)为机器人需要向右调整的示意图；图18(c)为机器人位于平行导轨中轴线上无需调整的示意图；

图中：101-摄像头；102-无线充电接收线圈盒；201-平行导轨；202-对射第一红外传感器；203-压力传感器阵列；204-对射的第二测距模块；205-对射的第二红外传感器；206-位移传感器；207-对射的第一测距传感器；208-无线充电发射线圈；209-控制中心；210-视觉标识物。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或顺序。

考虑到变电站内多种机器人型号不一，但均为四轮小车式，虽然大小规格不同，但是大致形状相似，因此，以下实施例以巡检机器人为示例，具体实施时，本发明提供的变电站内无线充电装置及控制方法适用于不同类型、不同规格的机器人。

实施例1

如图1-4，本实施例提供了一种变电站内无线充电装置，包括：控制中心209、一组放置于地面的平行导轨201，以及依次设置于平行导轨长度方向上的粗定位信息测量模块、精定位充电对接模块，所述粗定位信息测量模块、精定位充电对接模块均与所述控制中心209电连接；

所述控制中心209用于与机器人进行信息交互，并发布控制指令。具体实施时，控制中心209的位置可根据实际需求进行设置，在本实施例中，控制中心209设置于远离所述粗定位信息测量模块的平行导轨一端。

所述粗定位信息测量模块用于获取机器人的长宽信息，同时辅助机器人调整位姿；所述粗定位信息测量模块包括设置于所述平行导轨上的对射的第一红外传感器202，内嵌于平行导轨间地面的压力传感器阵列203。

对射的第一红外传感器202，当检测到机器人驶入平行导轨201时，对射的红外信号被截断，根据机器人以预设固定速度v

压力传感器阵列203，当机器人通过时左右轮产生两个压力信号，根据产生信号的压力传感器的编号计算得到机器人宽度。此外，控制中心209根据两个压力信号产生的时间间隔，计算机器人的偏转角度，进而辅助机器人调整位姿。具体实施时，压力传感器阵列中的压力传感器的数量和大小可根据实际需求进行调整。在本实施例中，在俯视图中从上往下进行编号共40个且相邻两个压力传感器距离固定为0.5cm，单个压力传感器型号为1cm*1cm。

所述精定位充电对接模块包括位移传感器206、无线充电发射线圈208、对射的第一测距传感器207，所述位移传感器206与所述无线充电发射线圈208均内嵌于平行导轨中轴线所在的地面；所述无线充电发射线圈208设置于所述位移传感器206远离所述粗定位信息测量模块的一侧；所述对射的第一测距传感器207对称设置于平行导轨的两条导轨上；

位移传感器206，当机器人通过位移传感器206时产生一个位移信号，控制中心209向机器人发布减速指令。

对射的第一测距传感器207，用于测量平行导轨的两条轨道到机器人边界的距离。所述对射的第一测距传感器207包括至少两组对射的激光传感器，且每组对射的激光传感器对称设置于与所述无线充电发射线圈的两侧。调整机器人的位姿，使两束激光测距一致时，表明俯视图中的机器人在Y轴方向上完成定位。具体实施时，对射的第一测距传感器207可根据实际需求选择组数和类型，如超声波传感器激光传感器的精度大于超声波传感器。

优选地，还包括视觉标识物210，用于机器人利用自身摄像头101识别前进方向，所述视觉标识物210设置于平行导轨远离粗定位信息测量模块一端，且位于平行导轨201中轴线的上方。在本实施例中，将视觉标识物210设置于控制中心209的中心位置，如图5，为视觉标识物210的正视图。具体实施时，视觉标识物210可根据实际需求进行设置。通过巡检机器人自身的摄像头101识别视觉标识物210，根据视觉标识物210在所拍摄画面中与画面中心的相对位置关系对机器人进行视觉导航，引导机器人进入平行导轨201。

具体实施时，机器人可以通过自身摄像头101和底盘中心加装的无线充电接收线圈盒102与无线充电装置完成充电对接，实现能量维护。在本实施例中，无线充电接收线圈盒102通过螺栓螺母连接固定在机器人本体底盘上。

实施例2

所述实施例2和实施例1的区别在于，实施例2中所述粗定位信息测量模块还包括：

如图1-4所示，设置于所述平行导轨上的对射的第二测距传感器204、对射的第二红外传感器205；其中所述对射的第二测距传感器204、对射的第二红外传感器205位于所述位移传感器206和所述压力传感器阵列203之间。

对射的第二测距传感器204，用于检测平行导轨201至机器人两侧侧边距，并获取机器人的宽度进行复核。在本实施例中，对射的第二测距传感器204为超声波传感器，当机器人经过时，将测得的边距信息实时传递至控制中心209，调整机器人位姿，使平行导轨的两条导轨至机器人两侧边距离相等，保持机器人沿无线充电系统中线前进。

对射的第二对红外传感器205，对保持沿平行导轨中轴线前进的机器人，采用实施例1中对射的第一红外传感器202测量机器人长度信息的方法，再次测量机器人的长度进行复核。

实施例3

如图5-18所示，本实施例提供了一种变电站内无线充电的控制方法，包括：

当检测到机器人进入粗定位信息测量区间时，控制中心通过粗定位信息测量模块获取机器人的长宽信息，并调整机器人行驶轨迹，使机器人保持沿平行导轨的中轴线前进直至驶入精定位充电对接区间；

当检测到机器人进入精定位充电对接区间，机器人前端经过位移传感器时，控制中心向机器人发送减速指令使机器人以预设加速度进行减速，使机器人底盘中心位置的无线充电接收线圈盒到达无线充电发射线圈上方；通过所述对射的第一测距传感器测量平行导轨的两条轨道与机器人两侧的距离，并调整机器人位姿，使两侧距离相等，完成无线充电发射线圈与无线充电接收线圈盒的精定位无线充电对接；

当检测到完成精定位充电对接时，控制中心下发通电指令为机器人进行无线充电。

优选地，机器人在进入粗定位信息测量区间前还包括：机器人利用自身摄像头识别视觉标识物，通过判断视觉标识物在拍摄画面中与画面中心的相对位置关系，引导机器人调整前进的方向。

进一步地，粗定位信息测量模块获取机器人的长宽信息的过程具体为：

机器人以预设速度通过对射的第一红外传感器时，利用预设速度和通过对射的第一红外传感器的时间，计算获取机器人的长度；

利用机器人通过压力传感器阵列时左右轮对应接触的压力传感器的编号和时间，计算机器人的偏移角度，进一步计算得到机器人的宽度，同时通过利用偏移角度辅助调整机器人的行驶轨迹。

进一步地，所述机器人底盘中心位置的无线充电接收线圈盒到达无线充电发射线圈上方的具体过程为：

根据粗定位信息测量模块获取的机器人长宽信息计算得到机器人底盘中心的位置；

利用位移传感器的位置得到无线充电发射线圈和机器人底盘中心的距离；

结合机器人当前的行驶速度，获取机器人减速到达无线充电发射线圈上方的过程中机器人减速的加速度；

控制中心将获取的加速度作为指令下发给机器人进行减速，使机器人底盘中心位置的无线充电接收线圈盒到达无线充电发射线圈上方。

具体实施的过程如下：

S1：机器人利用自身摄像头识别视觉标识物进入平行导轨

机器人通过摄像头识别位于控制中心上的视觉标识物，通过视觉标识物与拍摄画面中中心位置的相对位置关系，引导机器人调整前进方向，如图2。机器人朝着平行导轨行驶时，无论摄像头是否正对着视觉标识物(准许有偏移)，摄像头拍摄出的画面中中应如图5标识物的全部或部分。且在变电站场景下，根据不同的机器人摄像头位置的高度不同，以及摄像头与视觉标识物的相对高度也不同，分为以下几种情况讨论：

(1)无法识别到视觉标识物

如图7所示，当摄像头无法识别到视觉标识物时，表明机器人前进的方向错误。此时机器人向左偏转180°，若识别到标识物则相应调整机器人位姿；若仍不能识别到标识物，则再向左偏转180°，识别到标识物后相应调整机器人位姿。

(2)视觉标识物高度高于机器人摄像头

当视觉标识物高度高于摄像头时，拍摄画面中的视觉标识物出现在画面的上层部分：

若如图8(a)所示，完整的视觉标识物出现在画面的上层偏左的位置，说明机器人在距离控制中心较远的位置，相对视觉标识物偏右，故应调整机器人偏转向左前进；

若如图8(b)所示，标识物右边部分出现在画面的上层偏左的位置，说明机器人在距离控制中心较远的位置，相对视觉标识物偏右，故应调整机器人偏转向左前进，且偏转角度相较于图8(a)的偏转角度更大；

若如图8(c)所示，完整的视觉标识物出现在画面的上层偏右的位置，说明机器人在距离控制中心较远的位置，相对视觉标识物偏左，故应调整机器人偏转向右前进；

若如图8(d)所示，标识物左半部分出现在画面的上层偏右的位置，说明机器人在距离控制中心较远的位置，相对视觉标识物偏左，故应调整机器人偏转向右前进，且偏转角度相较于图8(c)的偏转角度更大；

若如图8(e)所示，标识物在画面的上层的中间位置，说明机器人相对标识物在中轴线上，只需继续保持沿直线前进，是预期进入无线充电系统时需要出现的最佳状态。

若如图8(f)所示，摄像头只能识别到位于画面的中心的标识物下半部分，为机器人进入平行导轨常见的情况，继续保持沿直线前进。

(3)视觉标识物高度与机器人摄像头一致

当视觉标识物高度与机器人摄像头一致时，标识物应出现在画面的中层部分：

若如图9(a)所示，完整的标识物出现在画面的中层偏左的位置，说明机器人位置相对无线充电系统偏右，应向左调整前进方向；

若如图9(b)所示，标识物右边部分出现在画面的中层偏左的位置，说明机器人说明机器人位置相对无线充电系统偏右，应机器人向左调整前进方向，偏转角度应大于图9(a)的偏转角度；

若如图9(c)所示，完整的标识物出现在画面的中层偏右的位置，说明机器人位置相对无线充电系统偏左，应向右调整前进方向；

若如图9(d)所示，标识物左边部分出现在画面的中层偏右的位置，说明机器人说明机器人位置相对无线充电系统偏左，应向右调整前进方向，偏转角度应大于图9(c)的偏转角度；

若如图9(e)所示，标识物在画面的正中心，说明机器人沿着中心线朝着无线充电系统前进，是预期进入无线充电系统时需要出现的最佳状态；

若如图9(f)所示，标识物相较于图9(e)更大，说明机器人沿着中线前进，且距离标识物越来越近。

(4)视觉标识物高度低于机器人摄像头

当视觉标识物高度低于机器人摄像头时，标识物应出现在照片的底层部分：

若如图10(a)所示，完整的标识物出现在画面的底层偏左的位置，说明此时机器人位置相对平行导轨偏右，应向左调整前进方向；

若如图10(b)所示，标识物的右边部分出现在画面的底层偏左的位置，说明此时机器人位置相对平行导轨偏右，应向左调整前进方向，且偏转角度应大于图10(a)的偏转角度；

若如图10(c)所示，完整的标识物出现在画面的底层偏右的位置，说明此时机器人位置相对平行导轨偏左，应向右调整前进方向；

若如图10(d)所示，标识物的左边部分出现在画面的底层偏右的位置，说明此时机器人位置相对平行导轨偏左，应向右调整前进方向，且偏转角度应大于图10(c)的偏转角度；

若如图10(e)所示，标识物在画面的底层的中间位置，说明机器人相对标识物在平行导轨中轴线上，只需沿直线前进即可，是此情况下预期进入无线充电系统时需要出现的最佳状态。

如图10(f)所示，只能识别到位于画面的底层中间的标识物上半部分，是机器人进入充电站充电区过程中更可能出现的情况。

S2：粗定位信息测量区间定位调整

本实施中通过对射的第一红外传感器、压力传感器阵列测量机器人长宽信息以及机器人边界到平行导轨边界的距离，并通过实时信息交互使机器人行驶在无线充电系统中线上，再通过精定位区间定位调整使无线充电发射线圈与无线充电接收线圈完成在俯视图上的X、Y轴向定位。

(1)测量机器人的长度信息

如图11所示，机器人在进入平行导轨前，已通过视觉标识物和机器人摄像头大致确定前进方向在平行导轨中轴线附近。控制中心向机器人下达指令，使机器人以预设的恒定速度v

其中，x

(2)测量机器人的宽度信息

压力传感器阵列由40个长宽均为1cm、间隔为0.5cm的压力传感器组成，从右往左依次编号为a

若t

若t

y

当t

y

S3：粗精定位充电对接区间定位调整

机器人通过粗定位信息测量区间调整后，得到机器人长x、宽y，进而获取机器人底盘中心位置为

由

由

两组对射的激光传感器用来检测机器人的对接精度，两组激光传感器分别测得测量平行导轨的左右导轨边界到机器人边界的距离L

若L

若L

若L

当无线充电发射线圈与无线充电接收线圈在X轴、Y轴方向上保持对齐，可实现变电站内不同尺寸、不同类型的机器人均能进行无线充电。

S4：机器人对接充电。

S5：机器人完成能量维护。

实施例4

所述实施例4和实施例3的区别在于，实施例3中还包括：对机器人的长宽信息进行复核，具体过程为：

机器人以预设速度经过对射的第二测距传感器和对射的第二红外传感器时，通过调整机器人的位姿，使得机器人位于与平行导轨平行的中轴线上；本实例中，对射的第二测距传感器为对射的超声波传感器，具体实施时，对射的第二测距传感器的类型可根据实际需求进行选取。

获取对射的超声波传感器测量的平行导轨到机器人两侧的距离，计算得到机器人的宽度；

记录机器人前端截断第二红外传感器对射的红外信号的时间和红外信号恢复的时间，进而计算机器人的长度；

将获得的机器人的长宽信息与预先获取的长宽信息进行复核。

具体实施时，复核过程为：

机器人经过压力传感器阵列后，完成机器人位姿的调整，随后将经过对射的超声波传感器与对射的第二红外传感器。

所述对射的超声波传感器测量由平行导轨的左右导轨边界到机器人侧边的距离为L

当L

当L

当L

当机器人前端截断对射的第二红外传感器发射的红外信号时，记时间t

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。