鐘天慈，徐 磊，趙學(xué)偉，周 正，胡晨陽，顏夢玲

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210037)

0 引言

森林作業(yè)機器人一直是國內(nèi)外機器人研究的熱點之一,隨著研究的不斷深入，機器人的續(xù)航工作能力也越來越受到重視[1]。

目前大多數(shù)林業(yè)機器人使用蓄電池進行供電，電量可維持?jǐn)?shù)小時，電量耗盡便需要人工干預(yù)進行充電，無法長久地在森林中自主工作。而且機器人在進行林區(qū)巡檢等長時間工作時無法及時充電，不能滿足林業(yè)管理自動化和智能化的需求。

直接在機器人上裝設(shè)太陽能帆板能夠延長機器人工作時間，使其更加長久穩(wěn)定的工作。但由于林用機器人主要工作地點在林區(qū)，樹木遮擋導(dǎo)致太陽能利用率不高。

當(dāng)前市面上許多自主充電機器人采用接觸式充電，如家用掃地機器人等。這類機器人通常借助激光測距儀、視覺傳感或紅外探測器與充電設(shè)備進行對接，機器人在充電前，需要經(jīng)過導(dǎo)航到達充電插座，由于傳感器的誤差，導(dǎo)航精度較低[2]。機器人與充電底座對接時需要通過導(dǎo)航算法來提高對接的精確性，對接過程比較復(fù)雜，消耗時間較長，不能快速準(zhǔn)確進入充電狀態(tài)。而且充電底座在多次進行插

拔對接充電后，容易引起機械磨損，導(dǎo)致插頭松動。因而接觸式充電比較適合于室內(nèi)簡單場景。而無線充電技術(shù)作為一項新的能量傳輸技術(shù)，用電設(shè)備以非接觸方式取電，無需進行精確對接，所以研究林用機器人的無線充電技術(shù)能夠促進林業(yè)管理的智能化和自動化發(fā)展。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

現(xiàn)階段，無線電能傳輸主要包括三類：微波電能傳輸、電磁感應(yīng)式傳輸、電磁諧振式傳輸[3]。結(jié)合林用移動機器人的特點，選用電磁諧振的傳輸方式進行無線充電。電磁諧振式無線充電利用發(fā)射線圈和接收線圈間的耦合，實現(xiàn)電能傳輸。該傳輸方式傳輸距離遠，傳輸效率高[3]。

圖1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示,無線充電系統(tǒng)包括發(fā)射端和接收端,接收端位于林用機器人底部，通過接收線圈和整流濾波電路為蓄電池充電。

發(fā)射端包括直流電源、高頻逆變電路、發(fā)射線圈和檢測線圈。檢測線圈用于檢測充電區(qū)是否存在金屬異物。另外，發(fā)射端裝置架設(shè)太陽能帆板，收集林區(qū)太陽能，對發(fā)射端直流電源的電能進行補充，延長單次使用時間，使得機器人能夠較長時間地在林區(qū)自主工作。有效利用林區(qū)太陽能，綠色環(huán)保。

2 硬件電路設(shè)計

本研究所要采用的是諧振無線電能傳輸，該無線電能傳輸方式的特點是具有相同諧振頻率的物體之間可以產(chǎn)生高效率的電能傳輸，而不同諧振頻率的物體之間電能傳輸?shù)男蕜t相對較低。磁耦合諧振無線電能傳輸系統(tǒng)分為發(fā)射端與接收端，總共由五個部分組成，分別是高頻逆變電路、發(fā)射線圈、接收線圈、整流濾波電路、負載[4]。

圖2 高頻逆變電路

該電能傳輸系統(tǒng)的原理是首先通過高頻逆變電路將輸入的直流電逆變?yōu)楦哳l的交流電，再通過發(fā)射線圈與接收線圈將交流電傳輸?shù)浇邮斩?，完成電能的無線傳輸，再經(jīng)過整流濾波電路將接收線圈接收到的高頻交流電轉(zhuǎn)換成負載所需要的直流電，從而使負載獲取到電能，達到充電的效果。

本研究所采用的高頻逆變電路如圖2所示。發(fā)射端控制芯片采用STC15W4K32S4型號單片機。單片機的P1.1管腳與MOS管的柵極相連。通過單片機內(nèi)硬件PWM波發(fā)生器產(chǎn)生PWM波，作為逆變電路的驅(qū)動信號，可以通過控制PWM波的占空比，實現(xiàn)對產(chǎn)生高頻交流電頻率的控制。

整流濾波采用全橋整流電路，由4只整流二極管按全波整流的方式連接起來，將接收到的高頻交流電轉(zhuǎn)化成負載可以接收的直流電。

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計

3.1 對位檢測

林用機器人在電量不足的情況下，根據(jù)GPS導(dǎo)航定位，尋找最近的充電點進行充電。無線充電的效率和功率受對位偏差的影響，為了提高充電效率，需要進行線圈對位操作來提高耦合系數(shù)。在林用機器人到達充電點附近后，使用OpenMV視覺模塊的AprilTag標(biāo)記跟蹤功能進行定位，引導(dǎo)機器人進入充電區(qū)。

OpenMV是一個基于STM32F765VI ARM Cortex M7處理器的單片機和OV2640圖像傳感器的開源型的微型機器視覺模。OpenMV上搭載了一個MicroPython解釋器，使用Python腳本語言編程來實現(xiàn)一系列功能，包括IO端口的控制、讀取文件系統(tǒng)等基礎(chǔ)功能，也可以實現(xiàn)人臉檢測和跟蹤、關(guān)鍵點提取、顏色跟蹤等功能。AprilTag是一個視覺基準(zhǔn)系統(tǒng)，可用于各種任務(wù)，包括AR，機器人和相機校準(zhǔn)[5]。

圖3 Tag標(biāo)記

OpenMV中的AprilTag檢測程序可以計算圖3的Tag標(biāo)記相對于相機的精確3D位置、方向，通過串口輸出6個變量，Tx、Ty、Tz為空間的3個位置量，Rx、Ry、Rz為3個旋轉(zhuǎn)量。

AprilTag可以識別每個標(biāo)記的ID。例如TAG16H5的家族(family)有30個，每一個都有對應(yīng)的ID,從0-29。不同家族的區(qū)別在于有效區(qū)域的范圍不同。TAG16H5的有效區(qū)域是4×4的方塊，而TAG36H11有6×6個方塊。TAG16H5相較于TAG36H11遠距離仍能有效識別，但TAG16H5的錯誤率比TAG36H11高。所以本研究使用TAG36H11對充電裝置進行標(biāo)記。

圖4 攝像頭讀取標(biāo)記

圖4是OpenMV讀取測試選用的Tag標(biāo)記，測試選用的標(biāo)記為TAG36H11-2。OpenMV通過串口與機器人主控芯片通信，將6維向量傳給主控。讀取標(biāo)記的結(jié)果為：ID=2，Tx=-0.287775，Ty=-0.701307，Tz=-3.420411，Rx=180.521240，Ry=6.332906，Rz=358.060122，位置T的單位為厘米，姿態(tài)R的單位為角度。

機器人主控發(fā)送指令控制步進電機，使用PID算法調(diào)整機器人位置和姿態(tài)。當(dāng)主控收到的6維向量達到某閾值后，即判定機器人已經(jīng)進入無線充電區(qū)，完成對位檢測。對位檢測流程如圖5所示。

圖5 對位檢測流程

3.2 異物檢測

在無線充電的過程中，各種異物進入電能的傳輸區(qū)域是不可避免的?？蓪愇锎笾路譃榻饘佼愇锖头墙饘佼愇铩７墙饘佼愇飳o線電能傳輸系統(tǒng)并不會產(chǎn)生影響；而金屬異物則會帶來較大的影響，可能會影響電能的傳輸效率，同時渦流效應(yīng)引起金屬異物溫度急劇升高，容易引發(fā)火災(zāi)，而這在林區(qū)更會造成無法預(yù)計的嚴(yán)重后果。因此，出于系統(tǒng)安全考慮，本研究中無線充電系統(tǒng)的異物檢測是十分必要的。

鐵磁性金屬磁導(dǎo)率遠大于1，遠遠大于空氣介質(zhì)的磁導(dǎo)率。當(dāng)磁場中存在鐵磁材料，原磁場的大小會受到鐵磁材料的影響而發(fā)生變化，稱之為鐵磁材料的磁效應(yīng)。在變化的磁場當(dāng)中，對于鐵磁性金屬導(dǎo)體，除了渦流效應(yīng)會改變原磁場，其磁效應(yīng)亦能引起原磁場的變化。由于金屬的渦流效應(yīng)和磁效應(yīng)，當(dāng)金屬異物進入電能傳輸區(qū)域時，會引起原磁場大小的變化。可以根據(jù)此特性作為金屬異物檢測的依據(jù)，采取事前檢測的方法對充電區(qū)有無異物進行檢測。

金屬異物將會改變原磁場的大小，從而改變磁場中平衡線圈所感應(yīng)的不平衡電壓的大小。經(jīng)試驗檢測可知，當(dāng)存在金屬異物時，平衡線圈的端電壓將會減小，因此可以對平衡線圈端電壓進行實時檢測，進而檢測有無金屬異物進入電能傳輸區(qū)域。異物檢測流程如圖6所示。

圖6 異物檢測流程

4 實驗結(jié)果

本研究設(shè)計的無線充電系統(tǒng)能夠快速進入充電狀態(tài)，有效檢測出充電區(qū)異物，保證系統(tǒng)安全性。實驗結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確將林用機器人和無線充電裝置進行對位，無線充電效率較高。

5 結(jié)論

電磁諧振式無線充電在提升機器人智能化和自主化方面具有很大的潛力，相較于傳統(tǒng)接觸式充電更加安全、便捷。加入檢測線圈的方法進行異物檢測的方案可行，且穩(wěn)定性較好。