清洁机器人自充电系统的设计

admin

　　1 前言
　　清洁机器人在工作中经常因为清扫任务繁重或者清扫区域很大而导致电源不足，无法将清扫任务完成[1]，这就需要清洁机器人具有自主对接充电技术，即机器人自主切断清扫任务，寻找充电座将工作状态转换到充电状态，对接充电完成后停止充电，并能继续完成没有清扫的区域[2]。
　　2 对接充电系统的设计
　　清洁机器人清扫时间长，自带的电池电量不足将影响机器人的工作。对接充电之所以成为清洁机器人设计的关键要素，是因为自主充电系统的核心对接充电可充分发挥清洁机器人的最大作用，不会因为电量不足而无法工作。自主对接充电需要在清洁机器人的侧面和后面均安装红外接收传感器，对接过程利用红外传感信号实现，红外发射传感器安装在充电座。清洁机器人在工作中，当检测到内部电池的电源电压低于某一值时，即开始自主对接充电。自主充电开始时，清洁机器人将利用红外接收传感器接收充电座发出的红外信号，一般按右手法沿墙壁寻找发红外信号的充电座，循迹的过程中不断寻找接收信号，清洁机器人的侧面的一侧一旦接收到红外信号，则立即沿顺时针方向旋转90 度，并使机器人本体沿着充电座的红外发射光路一直接近，直至对接，内部程序立即检测充电电压，如果有即表明自主充电已经对接完成。
　　3 供电电源的设计
　　和其他的家用电器一样，清洁机器人的充电站需要交流220V电压工作，而清洁机器人系统中所有的元器件是直流的，直流电源是清洁机器人内部系统工作所必须的，且需满足各种参数的要求，而这样的直流电源需要单独内部单独构成，一般给这样的直流电源的充电电压大于18.5V，电压可在某一范围略有波动，但充电的过程必须是使用恒流源实现。清洁机器人的充电电源包含电源变压器、整流电路、滤波电路。其中充电电源的供电范围一般选择在19V～22V之间，电源变压器的变比采用10∶1，由KBL406 搭成整流电路，滤波电路的电容一般3300μF即可，输出通过限流电阻接到充电控制器的电压端，内部单片机的工作电源也由供电电源提供[3]。

　　图1 充电电源电路原理图
　　4 移动电源与充电座的设计
　　作为清洁机器人的能量源，移动电源必须同时满足清洁机器人的多种能源需要，理想的移动电源应该具备这样的特点：它的内阻小这样功耗小；可以被充电且充电的时间短；放电的时间短且在放电过程中放电电压能够保持稳定，成本低。
　　圆柱型密封镍氢电池通常可以选择作为清洁机器人的电源。正极板和负极板是组成密封镍氢电池的主要部分，内部有隔板和安全排气孔等。正极板一般选择NiOOH材料，负极板一般选择储氢合金材料。电池内部限压安全排气孔的主要目的是将电池内部的气体压力释放，如果气体不能释放，电池的安全得不到保障，气体压力过大会产生爆炸事故，一般会因为充电电池过度充电引起[4]。
　　在常温下，镍氢电池充足电后，放置28 天，电池容量仍能保持在标称容量的75%～80%之间。镍氢电池快速充电特性如图2 所示。

　　准确可靠地完成工作电池的充电过程，这是在任何环境情况下必须保证的，因此选用BQ2002F 来作为控制器的主要控制芯片，该芯片既能对负电压增长率进行监控，又能同时监控最长充电时间；既可实现单只镍氢/镍镉电池快速充电，又可实现多只镍氢/镍镉电池同时快速充电。自主充电过程中电池是否能充满电，是充电控制器设计考虑的重要要素。为补偿充电电池的自动放电而带来损失掉的电量，充电控制器在经过快速充电后又对电池进行涓流充电，涓流充电的速率可根据具体的需要设定，一般电池本身自动放电太多，则速率可快些[5]。当自主充电开始或更换充电电池后，快速充电过程立即启动。为了确保充电电池和充电过程的安全，当电池电压以及充电时间到达限定的值时，充电控制器立即切断快速充电过程，自动投入补足充电或涓流充电。
　　在充电过程前可预先设定涓流充电的速率，并且利用INH脚的特点用来封锁快速充电过程。当充电器在待机准备工作状态下，BQ2002F工作于低功耗状态[6]以减小功耗。
　　电路原理图的设计如图3所示。

　　5 结论
　　本文详尽地讨论了清洁机器人的自主对接充电控制系统，并结合实际对自主充电过程、实现方法进行论证分析，完善了在实际中清洁机器人自主对接循迹充电的过程，并充分考虑充电的安全性和实效性，确保了清扫的工作得以完成。
　　参考文献
　　[1]Seungjun Oh Autonomous Recharging System For Mobile Robots Aus⁃tralian National University June ,2000.
　　[2]万鸾飞.清洁机器人路径规划及自充电系统[D].合肥工业大学,2009.
　　[3]欧阳杰.红外电子学[M].北京:北京理工大学出版社,1997:82-83.
　　[4]张建生.现代仪器电源[M].北京:科学出版社,2005:169-176.
　　[5]王鸿麟,马文计.氢镍/镉镍电池快速充电集成电路BQ2002 应用[J].电子技术,1995,(2):31-33.
　　[6]张晓钢.快速充电器DV2002L2[J].电子世界,1997,(4):22-23.
　　
　　

李小路

谢谢分享！