Design and implementation of an automatic charging system for intelligent patrol robot
ABSTRACT
This paper is concerned with the design and implementation of an automatic charging system for the intelligent patrol robot. An economic and practical method combined with the infrared sensor and laser sensor is developed to realize the accurate automatic charge docking. The phase-shifted full-bridge ZVS-PWM converter is adopted to design an automatic charging pile, which uses a constant voltage limited current charging mode and improve the efficiency of the charging. Several simulations and experiments are implemented to test the automatic charge docking system, and the results could demonstrate the effectiveness and superiority of the system.
KEYWORDS: Automatic charging system, intelligent patrol robot, automatic charge docking, charging pile
1. Introduction
With the rapid development of artificial intelligence technology, the intelligent patrol robots have been increasingly widely used in various fields, such as chemical plants, substations and coal mines A new genetic algorithm approach to smooth path planning for mobile robots. Assembly Automation On global smooth path planning for mobile robots using a novel multimodal dealyed PSO algorithm. Cognitive Computation,
to name a few. In the patrol robot system, the design of charging system is a vital problem which has attracted lots of attentions. However, the manual charging method is still widely used in practice, which would subject to several disadvantages, e.g. low degree of intelligence, low efficiency and manual intervention, etc. Hence, a lot of researchers have paid their attentions to the issue of automatic charging, where the development of automatic charge docking methods and the design of charging piles are still two difficult and complicated problems for the charging system of the intelligent patrol robot Design of flyback switch power supply based on UC3842.
Up to now, a lot of methods have been developed for the automatic charge docking of the mobile robot. For instance, the first robot with automatic charging function can be traced back to the robot named Tortoises that is invented by Grey Walter By installing a light source at the charging station, the robot with photosensitive components could trace this light source and dock itself on the charging station. the visual sensors are used to determine whether the heights of two different light sources are aligned so as to achieve charge docking. In Nourbakhsh.the map of the surrounding environment is exploited to help the robot to locate the charging piles. Long term activity of the autonomous robot-proposal of a bench-mark the laser sensors are used to guide the robot to connect with the charging piles. However, there are several disadvantages in the aforementioned docking methods. For example, the light sources are prone to be affected by the light of external environment especially in the daytime, the electronic map will become invalid when there are some changes in the environment, and the laser sensors are not accurate enough to locate the charging piles. In addition, the design of the charging pile is not only an indispensable part for an automatic charging system, but also a very crucial factor to achieve effective charge docking. Therefore, this paper is concerned with the design and implementation of an automatic charging system for the intelligent patrol robots, where a kind of phase-shifted full-bridge ZVS-PWM converter is adopted to design the charging system and an approach combined with infrared sensor and laser sensor is developed to realize the accurate automatic charge docking of the patrol robots. The main contributions of this paper can be summarized as follows. (1) An economic and practical method is developed for the automatic charge docking of the intelligent patrol robot. (2) An automatic charging pile is designed based on the phase-shifted full-bridge ZVS-PWM converter, which could improve the efficiency of the charging. (3) The effectiveness and superiority of the automatic charge docking system are tested and verified by several comprehensive experiments.
The remainder of this paper is outlined as follows. In Section 2, the method for the automatic charge docking is introduced, including the hardware design and the algorithm design. In Section 3, the development of the charging pile is addressed, including the charging mode, ZVS-PWM converter and simulation experiments. In Section 4, several experiments are implemented on the automatic charge docking system to verify its performance. Finally, the paper is concluded in the last section.
2. Automatic charge docking method
2.1. Outline of the intelligent patrol robot
To accomplish the automatic charge docking, an approach combined with infrared sensor and laser sensor is developed in this section. The robot control system concerned in this paper is composed of two controllers, i.e. the main controller and the chassis controller, both of them could communicate with each other by Ethernet bus. The main controller developed based on the iMX6Q is mainly used to run the ROS operating system, which is cooperated with the laser sensors to accomplish the autonomous navigation. The chassis controller developed based on STM32F429 is mainly used for respectively the motion control of the robot, the SOC management of the battery and the signal processing of the sensors, e.g. laser sensor and infrared sensor.
When the SOC of the battery is lower than the required minimum power for the operation of the robot, the chassis controller will send a charging instruction to the main controller, which will then order the chassis controller to drive the robot back to the docking area by using the laser sensor-based autonomous navigation. W
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智能巡检机器人自动充电系统的设计与实现
摘要
本文研究智能巡逻机器人自动充电系统的设计与实现。开发了一种结合红外传感器和激光传感器的经济实用方法，实现了精确的自动充电对接。采用移相全桥ZVS-PWM变换器设计自动充电桩，采用恒压限流充电模式,提高充电效率。实现了几个模拟和实验来测试自动充电对接系统，结果可以证明系统的有效性和优越性。
关键词：自动充电系统 智能巡检机器人 自动充电对接 充电桩
1.简介
随着人工智能技术的快速发展，智能巡逻机器人已越来越广泛地应用于化工厂，变电站和煤矿等各个领域。一种新的遗传算法方法，用于移动机器人的平滑路径规划。装配自动化使用新型多模态分解PSO算法的移动机器人的全局平滑路径规划。
在巡逻机器人系统中，充电系统的设计是一个引起很多关注的重要问题。然而，手动充电方法仍然在实践中被广泛使用，这将受到若干缺点的影响，例如,智能化程度低，效率低,人工干预等。因此，很多研究人员都在关注自动充电问题，其中自动充电对接方法的发展和充电桩的设计仍然是两个困难和复杂的问题。智能巡检机器人充电系统存在的问题基于UC3842的反激式开关电源设计。
到目前为止，已经开发了许多用于移动机器人的自动充电对接的方法。例如，第一台具有自动充电功能的机器人可以追溯到由Grey Walter发明的名为Tortoises的机器人。通过在充电站安装光源，带有光敏元件的机器人可以跟踪这个光源并将自己停靠在充电站。视觉传感器用于确定两个不同光源的高度是否对齐以实现电荷对接。在Nourbakhsh。利用周围环境的地图帮助机器人定位充电桩。自主机器人的长期活动 - 基准的提议，激光传感器用于引导机器人与充电桩连接。然而，在上述对接方法中存在若干缺点。例如，光源容易受到外部环境光的影响，特别是在白天，当环境发生一些变化时，电子地图将变得无效，并且激光传感器不够准确无法定位充电桩。此外，充电桩的设计不仅是自动充电系统不可或缺的部分，而且是实现有效充电对接的非常关键的因素。因此，本文研究智能巡检机器人自动充电系统的设计与实现，采用一种移相全桥ZVS-PWM变换器设计充电系统，并采用红外传感器相结合的方法。开发了激光传感器，实现了巡检机器人的精确自动充电对接。本文的主要贡献可归纳如下:（1）开发了一种经济实用的智能巡检机器人自动充电对接方法（2）基于相移全桥ZVS-PWM变换器设计了自动充电桩，可以提高充电效率。（3）通过多次综合实验验证了自动充电对接系统的有效性和优越性。
本文的其余部分概述如下。在第2节中，介绍了自动充电对接的方法，包括硬件设计和算法设计。在第3节中，讨论了充电桩的开发，包括充电模式，ZVS-PWM转换器和模拟实验。在第4节中，在自动充电对接系统上实施了几个实验以验证其性能。最后，论文在最后一节得出结论。
2.自动充电对接方法
2.1 智能巡逻机器人概述
为实现自动充电对接，本节开发了一种结合红外传感器和激光传感器的方法。本文涉及的机器人控制系统由两个控制器组成，即主控制器和底盘控制器，它们都可以通过以太网总线相互通信。基于iMX6Q开发的主控制器主要用于运行ROS操作系统，该操作系统与激光传感器配合实现自主导航。基于STM32F429开发的底盘控制器主要分别用于机器人的运动控制，电池的SOC管理和传感器的信号处理，例如：激光传感器和红外传感器。
当电池的SOC低于机器人操作所需的最小功率时，机箱控制器将向主控制器发送充电指令，然后命令机箱控制器将机器人驱动回到停靠区域。使用基于激光传感器的自主导航。当接收到来自充电桩的红外信号时，底盘控制器将根据红外信号的信息实现自动充电对接。考虑到基于ROS操作系统的自主导航已在近期文献中得到广泛研究，我们将重点分析和设计本节其余部分的基于红外传感器的自动充电对接系统。
2.2 硬件设计
红外通信技术具有成本高，实现简单，传输速率高等诸多优点，非常适合嵌入式系统中的低成本和点对点高速数据传输。本文中，智能巡逻机器人的红外通信系统由接收终端和发送终端组成。红外接收终端包括解码控制器，红外接收器和电源。红外发射终端包括编码控制器，红外发射器，三极管放大器电路和电源。
为了提高红外发射的抗干扰性能，红外信号的二进制数据通常在实际应用中由一种载波调制。在本文中，充电桩控制器（STM32F103）用于将二进制数据调制成38kHz载波，然后将其发送到红外发射二极管以转换成发射的红外信号。传输的数据由32位脉冲信号组成，如图1所示，包括启动码，用户码，用户反码，数据码和反码，其中数据反码用于确保正确性。数据编码。数据代码的每一位可以是1位或0位，它们由脉冲的时间间隔，即脉冲位置调制模式（PPM）来区分。在本文中，在充电桩上设计了四个红外发射器，它们的发射数据分别表示为A，B，C和D.在四组数据的编码中，用户代码是相同的，并且数据代码是不同的以便区分它们自己。对于红外接收终端，机箱控制器（STM32F429）用作解码器控制器，与四个红外接收器HS0038B配合执行红外解码过程，详见图2。
图1.红外通信的数据格式。
图2.红外通信系统的结构
为了实现机器人的精确对接，机器人机箱上设置了四个红外接收器，如图3所示。同时，自动充电接口也设置在机器人的同一侧。 充电接口由四个相同的铜板组成，表示为电源 电源 ，电源 - 电源 - ，信号 信号 和信号 - 信号 - 以及可被充电桩上的磁铁吸引的铁板。 为了处理自动充电对接系统的不可避免的错误，四个铜板的长度存在一些冗余以确保一些容错。 例如，自动充电对接系统允许对接误差为plusmn;5∘plusmn;5∘和plusmn;5plusmn;5cm。
图3.智能巡逻机器人的充电系统
2.3 算法设计
图4中描述了红外线自动充电对接系统的示意图。当机器人开始执行自动充电对接时，如果机器人在，机器人上安装的四个红外接收器将从红外发射器接收不同的信号。不同的立场。因此，自动充电对接的操作可以分为两个步骤，即粗调和微调。
图4.红外线自动充电对接系统示意图
在粗调的步骤中，基于四对红外接收器和发射器的信号，驱动机器人向左或向右转动以进行自动充电对接。例如，当接收器d接收到发送信号A时，这意味着机器人位于充电桩的右前侧，底盘控制器必须驱动机器人向左移动。相反，如果接收器a接收到发送的信号D，则控制器将驱动机器人向右移动，这意味着机器人位于充电桩的左前侧。当完成粗调步骤时，接收器a和d将分别接收发送的信号A和D.
在微调步骤中，机器人将通过两个接收器b和c完成微调，以确保自动充电对接成功。类似地，当接收器b和c分别接收发送信号A和B时，机器人将被驱动以略微向左移动。否则，当接收器b和c分别接收发送信号C和D时，机器人将被驱动以略微向右移动。最后，当四对红外收发器刚刚相互面对时，机器人将被驱动直线移动以完成充电对接。
当自动充电对接完成后，充电桩将向机器人发出高电平信号，同时驱动电磁铁产生磁力以保持机器人，以防止机器人与充电之间接触不良桩。然后，充电桩将向机器人发送低电平信号，并在电池完全充电后切断电磁力。
3.充电桩的开发
3.1。 锂电池的充电模式
如今，锂电池是巡逻机器人最广泛使用的电池，因为它具有高能量密度，这决定了机器人的使用寿命。 因此，重要的是为锂电池选择合适的充电方法。 通常，锂电池有三种常用的电池充电模式，包括恒流充电，恒压充电和恒压限流充电，如图5-7所示。
图5–7.
对于恒流充电模式，充电电流是恒定的，充电过程中充电电压是可变的。相反，对于恒压充电模式，充电电压是恒定的并且充电电流正在减小。这两种模式易于实现并且经常用于锂电池的充电。然而，这两种模式可能导致过压或过流故障，这会降低电池的工作寿命并增加潜在风险。然而，恒压限制电流充电模式有两个周期。在充电开始时，充电板以恒定电流对电池充电。当即将完成充电时，电池变为恒定电压限制电流充电。然后，如果电池充满电，则充电桩自动关闭。相比之下，这种模式的控制算法比其他模式更复杂，但它可以增加电池的工作寿命，降低潜在的风险。因此，本文采用恒压限流充电模式。
3.2 相移全桥ZVS-PWM转换器
本文采用移相全桥ZVS-PWM变换器实现恒压限流充电。在转换器中，电源开关的结电容和变压器的漏电感用作谐振元件，因此全桥电源的四个电源开关在零电压（ZVS）下依次调谐，以实现恒频软开关，可提高电源的整体效率和功率密度。
在本文中，电源是AC 220V，它将由整流电路整流成直流电压VinVin，然后放入相移全桥电路。如图8所示，Q1Q1-Q4Q4是四个主电源开关，D1D1-D4D4是主电源开关的反并联二极管，输出变压器的变比为1：n，D5D5和D6D6是输出整流二极管， LfLf和CfCf分别是输出滤波器的电感和电容，R是输出直流电压V的负载。对于开关的相移控制，它们的占空比为50 %%，驱动电压互补在同一座桥上，相位差为180∘∘。输出电压由相位角调节，相位角定义为两个臂的相位差。为了实现软开关，吸收电容器可以与开关并联连接。
图8.相移全桥ZVS-PWM转换器
T在控制上述转换器时，将内部参考电压Uref（s）Uref（s）与输出电压进行比较以产生电压误差。然后，电压外环的PI调节器用于产生当前内环的参考值iref（s）iref（s）。 iref（s）iref（s）与滤波电感的输出电流之间的误差由另一个PI调节器利用，以实现PWM驱动电路的调制波。控制回路的结构如图9所示，其中Gi（s）Gi（s）和Gv（s）Gv（s）分别代表调节器对电流内环和电压外环的传递函数;KiKi和KvKv表示电流和电压测量电路的增益; KcKc是PWM的三角载波系数,Kc=1/UcKc= 1 / Uc，UcUc是三角载波的峰值; Gid（s）Gid代表电流环功率电平的传递函数，Zo（s）Zo（s）代表输出负载的传递函数,其中Gid（s）Gid的传递函数（ s）和Zo（s）Zo（s）表示为
对于电压电流双闭环控制系统，首先设计内环参数，得到一个稳定的内环，然后根据当前内环的传递函数设计电压外环。
图9.电压和电流双闭环控制系统
3.3 模拟实验
经过多次实验证明，锂电池单节点电压为3.7 V，充电电压为4.2 V.考虑到负载参数和电池工作寿命，总正常电压 巡逻机器人的电压为48V，电池的SOC为30Ah。 为保证电池的使用寿命，最大充电电压为54.6V，充电电流限制在10A.
为验证用于完成恒压限流充电的移相全桥ZVS-PWM变换器的性能，进行了仿真实验，上述参数的充电系统仿真模型如图 在图10中，充电桩的电压和电流由两个PI控制器控制，PWM产生电路和全桥电路分别在图11和12中示出。
图10.充电系统的仿真模型
图11. PWM生成电路的仿真模型。
图12.全桥电路的仿真模型
充电桩的电压和电流输出如图13和14所示。在模拟实验中，初始SOC设定为高值以节省模拟时间并反映充电过程。 很明显，充电性能与恒压限流充电模式兼容，可以满足锂电池充电的电压和电流要求。
图13.充电桩的输出电压。
图14.充电桩的输出电流
- 实验
在本节中，已经实施了几个实验来测试智能巡逻机器人的自动充电对接系统。
在第一个实验中，机器人和充电桩之间的初始角度设定为40∘，它们之间的距离将在60到200厘米之间变化，间隔为20厘米。在第二个实验中，机器人和充电桩之间的初始距离设定为100厘米，它们之间的角度将在-30∘到30∘之间变化，间隔为10∘。为了评估自动电荷对接系统的性能，每个实验重复50次，其结果列于表1和表2中。很明显，尽管存在差异，但所有实验都可以取得很高的成功率。机器人和充电桩之间的初始距离或角度，可以证明本文开发的自动充电对接系统对于具有各种初始条件的智能巡逻机器人是有效和稳健的。
为了测试如图15所示的充电桩的性能，基于相移全桥ZVS-PWM转换器对锂电池充电，并记录锂电池的SOC数据。图16中描绘了SOC的变化，其可以实现充电模式的期望性能。
图15.智能巡逻机器人的充电桩。
图16. SOC随时间的变化
- 结论
本文研究了智能巡检机器人自动充电系统的设计与实现。 开发了一种基于红外传感器和激光传感器的经济实用方法，用于智能巡检机器人的自动充电对接。 并采用移相全桥ZVS-PWM变换器设计充电系统。已经实施了若干模拟和实验来测试和验证自动充电系统的有效性。
在未来的工作中，我们将关注智能巡逻机器人的一些更复杂的主题.例如：机器人的精确控制，电力电子开关的故障诊断。
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