光伏蓄電式無(wú)線充電藍(lán)牙遙控機(jī)器人設(shè)計(jì)

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院 趙懿琨華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院 吳寶仔華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院 方壯東深圳青銅劍科技股份有限公司 謝桂彬

光伏蓄電式無(wú)線充電藍(lán)牙遙控機(jī)器人設(shè)計(jì)

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院 趙懿琨
華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院 吳寶仔
華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院 方壯東
深圳青銅劍科技股份有限公司 謝桂彬

針對(duì)外環(huán)境作業(yè)缺少有線供電及采用電線插接方式充電容易造成接口接觸不良等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種光伏蓄電式無(wú)線充電技術(shù)的Android 藍(lán)牙遙控機(jī)器人?；赒i無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)選用光伏結(jié)合電磁感應(yīng)方式供給電能，通過(guò)AT89C51控制藍(lán)牙裝置和電機(jī)，并監(jiān)控實(shí)時(shí)電池容量，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能供電無(wú)線電能傳輸狀態(tài)下Android平臺(tái)遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人的功能。該設(shè)計(jì)解決了太陽(yáng)能陰雨天不易持續(xù)充電及有線充電接口不兼容等問(wèn)題，經(jīng)測(cè)試證明符合無(wú)線充電系統(tǒng)性能要求，擴(kuò)大了機(jī)器人的使用范圍和靈活性。系統(tǒng)不僅可應(yīng)用于危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)的機(jī)器人，而且還可以應(yīng)用于智能家居、物流運(yùn)輸?shù)确矫?，?yīng)用前景廣闊。

機(jī)器人；光伏蓄電；無(wú)線充電；藍(lán)牙遙控

1 引言

無(wú)線遙控的移動(dòng)機(jī)器人可在危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)以及人員搜集等應(yīng)用中發(fā)揮特殊作用。藍(lán)牙技術(shù)具有支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多的通信和可形成分布式網(wǎng)絡(luò)[1]的特點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)主控方對(duì)多點(diǎn)移動(dòng)機(jī)器人快捷而方便的通信。如何自動(dòng)高效保障移動(dòng)機(jī)器人的電量充足，成為全自動(dòng)化藍(lán)牙遙控機(jī)器人的關(guān)鍵。由于非接觸式充電擺脫以往電線的束縛進(jìn)而解決電子產(chǎn)品充電接口不兼容的問(wèn)題[2]，因此，運(yùn)用無(wú)線電能傳輸技術(shù)中接觸感應(yīng)充電技術(shù)，機(jī)器人可在電量不足情況下實(shí)現(xiàn)感應(yīng)充電無(wú)須人工干預(yù)[3]。然而，現(xiàn)有無(wú)線電能傳輸技術(shù)的發(fā)射端供電電源大多是常規(guī)電源[4]，在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍和發(fā)展。太陽(yáng)能直流技術(shù)是一種綠色環(huán)保的供電技術(shù)，可在光照條件下將光能存儲(chǔ)在蓄電池中，再由蓄電池給用電設(shè)備供電。無(wú)線電能傳輸技術(shù)與太陽(yáng)能直流技術(shù)的結(jié)合，達(dá)到了當(dāng)今人們節(jié)能環(huán)保和高效便利的要求。

本文設(shè)計(jì)了一種滿足連續(xù)陰雨天氣持續(xù)工作的基于光伏蓄電式無(wú)線充電裝置的藍(lán)牙遙控機(jī)器人。其中，光伏系統(tǒng)產(chǎn)生12V直流電供能給無(wú)線充電發(fā)射電路，可移動(dòng)機(jī)器人利用電磁感應(yīng)接收電能并為藍(lán)牙模塊供電從而實(shí)現(xiàn)基于Android平臺(tái)上的無(wú)線遙控。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和理論計(jì)算

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of system structure

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，光伏式無(wú)線充電裝置可設(shè)計(jì)為固定或可移動(dòng)的裝置，無(wú)線接收藍(lán)牙遙控機(jī)器人為移動(dòng)裝置。太陽(yáng)能蓄電部通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將直流電能存儲(chǔ)在12V蓄電池中或者是供給無(wú)線充電發(fā)射部分，無(wú)線發(fā)射端通過(guò)NE555D芯片產(chǎn)生一個(gè)固定頻率的脈沖信號(hào)，通過(guò)功率放大，使發(fā)射線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)無(wú)線充電接收線圈靠近時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電流并將電能存儲(chǔ)在5V蓄電池中。蓄電池將電能輸送到藍(lán)牙遙控機(jī)器人以支持機(jī)器人各個(gè)部件運(yùn)作。

藍(lán)牙遙控部分每天工作6小時(shí)，工作能耗為每小時(shí)210mA；待機(jī)18小時(shí)，待機(jī)功耗為每小時(shí)40mA。每天充電次數(shù)選取為1，可得每天總功耗為1.98Ah，故采用5V、2.0Ah的蓄電池作為藍(lán)牙遙控機(jī)器人的電源。

圖2 光伏蓄電電路圖Fig.2 Photovoltaic power storage circuit diagram

圖3 無(wú)線充電發(fā)射電路圖Fig.3 Wireless charging transmitter circuit diagram

以廣州為例，蓄電池容量（BC）計(jì)算公式為：

式(1)中，A為安全系數(shù)，取值1.1～1.4；Q為日均耗電量，Ah；N為連續(xù)陰雨天數(shù)；β為溫度修正系數(shù)；C為鉛酸電池放電深度。其中，日均耗電量按照每天為藍(lán)牙遙控部分無(wú)線充電的供能計(jì)算（最大傳輸效率下），可得Q=2.48。據(jù)廣州市天氣情況，可能出現(xiàn)連續(xù)陰雨天，綜合選定N=7。廣州全年溫度在0攝氏度以上，因此β=1。系統(tǒng)中蓄電池處于浮充的工作狀態(tài)，放電深度C=70%，安全系數(shù)取最高，A=1.4。由式(1)可以算出BC= 17.01Ah，因此根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇容量為18Ah的蓄電池。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

3.1 光伏蓄電式無(wú)線充電部分

光伏式無(wú)線充電部分由太陽(yáng)能蓄電系統(tǒng)和無(wú)線發(fā)射電路兩部分組成。光伏蓄電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池組件、充放電控制器和鉛酸蓄電池組成，電路圖如圖2所示，其中，充放電控制器的作用是對(duì)蓄電池進(jìn)行過(guò)充/放電保護(hù)和溫度補(bǔ)償。光照條件好時(shí)，光伏蓄電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的電能部分供給負(fù)載，部分對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；光照條件差時(shí)，光伏板發(fā)電量少蓄電池進(jìn)行放電，分擔(dān)部分或全部負(fù)載。

無(wú)線充電部分基于電磁感應(yīng)原理，因此系統(tǒng)采用Qi無(wú)線充電標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)線充電傳輸效率是指負(fù)載輸出功率和電源輸出功率的比值，參見(jiàn)公式(2)：

公式(2)中，ω為電路諧振頻率；M代表發(fā)送線圈與接收線圈間的互感；R1和R2分別代表發(fā)送與接收電路的等效電阻；RL為負(fù)載[5]。由公式可以看出，系統(tǒng)的傳輸效率與電路諧振頻率、負(fù)載電阻、發(fā)送電路與接收電路的等效電阻、發(fā)送線圈和接收線圈之間的互感有關(guān)。無(wú)線充電發(fā)射電路通過(guò)線圈間電磁感應(yīng)向接收電路傳輸電能，電路圖如圖3所示，NE555D芯片產(chǎn)生168KHz的脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大使發(fā)射線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。接收線圈靠近發(fā)射線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，電能即從發(fā)射端向接收端傳輸。

圖4 無(wú)線充電接收電路圖Fig.4 Wireless charging receiver circuit diagram

圖5 藍(lán)牙遙控電路圖Fig.5 Bluetooth remote control circuit diagram

圖6 程序流程圖Fig.6 Program fow chart

3.2 線接收和藍(lán)牙遙控部分

無(wú)線接收部分包括電壓輸出部分和充電檢測(cè)部分，電路圖如圖4所示。感應(yīng)線圈在靠近發(fā)射線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，后經(jīng)全波整流和穩(wěn)壓將電能存儲(chǔ)在蓄電池中，LED1發(fā)亮。當(dāng)蓄電池充滿時(shí)，LED2發(fā)亮。

藍(lán)牙遙控部分包括機(jī)器人藍(lán)牙模塊HC-05，主控制器AT89C51單片機(jī)、L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和直流電機(jī)，電路圖如圖5所示。其中，AT89C51監(jiān)控蓄電池電量，接收上位機(jī)Android設(shè)備的控制命令，與HC-05進(jìn)行串行數(shù)據(jù)通信，采用異步通信方式與L298N進(jìn)行雙向通信，根據(jù)兩輪差速轉(zhuǎn)向控制方式改變移動(dòng)機(jī)器人的行駛方向。AT89C51的程序流程圖見(jiàn)圖6。

4 測(cè)試與結(jié)論

經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如表1所示的技術(shù)指標(biāo)，具備太陽(yáng)能供電、無(wú)線電能傳輸和Android平臺(tái)遠(yuǎn)程遙控的功能。首先，設(shè)計(jì)中光伏蓄電系統(tǒng)可在有陰雨連綿天氣(6天連陰雨) 的多雨季節(jié)里，保持一個(gè)月的連續(xù)供電，證實(shí)了太陽(yáng)能供電系統(tǒng)能夠維持系統(tǒng)負(fù)載并保持蓄電池處于滿電狀態(tài)。其次，基于電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)的無(wú)線充電裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉并且最大傳輸效率可達(dá)79.3%，優(yōu)于德州儀器的方案WPC A5和WPC A11的最大效率[6]。最后，采用藍(lán)牙遙控模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程遙控，遙控系統(tǒng)具有匹配速度快和良好的抗干擾能力。

綜合來(lái)看，本系統(tǒng)具有傳輸效率高、充電速度快、遙控范圍廣的特點(diǎn)，滿足無(wú)線充電系統(tǒng)的性能要求，可應(yīng)用于不宜人工操作危險(xiǎn)場(chǎng)合以及智能家居等場(chǎng)合，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

Design of Wireless Charging Bluetooth Remote Control Robot Based on Solar Energy Supply

ZHAO Yi-kun1WU Bao-zai2FANG Zhuang-dong3XIE Gui-bin4
（1.College of Electronic Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642,China；2.School of Electronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China；3.College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642,China；4.Shenzhen Bronze Technologies Ltd.，Shenzhen 518057，China）

Aiming at the problem of lacking of power supply and that it is easy to cause bad contact wire interface when using a wire inserting mode，this paper introduces the design of Android wireless charging Bluetooth remote control robot based on solar energy supply.Based on Qi specifcation，the robot energy supply is realized by solar energy combined with electromagnetic induction to the internal storage battery.Using AT89C51 to control the motor and Bluetooth device and monitor real-time states of charge of battery，system realize solar powered，wireless power transmission and remote control function on the Android platform.The design solves the problem of continue charging in rainy days and incompatible interface，and is proved to satisfy performance requirements of wireless charging system，which is expanding the using range and fexibility of robot.System can not only be applied in robot for special environmental，but also in intelligent Home，logistics transportation and even more，which indicates the bright prospect of application.

Robert；solar energy supply；wireless charging；Bluetooth remote control

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014B020207001）。