重庆邮电大学研究者提出无人车和无人机逐级式无线充电的设计方法

摘要：结合各巡检机器人的智能特性并针对应用场景的充电服务需求，提出一种基于准双向三态协同调度的无人车（AGV）和无人机（UAV）逐级式无线充电设计方法，旨在拓展整个系统的充电域和传能灵活性及便利性。相较于传统固定式静态充电设备和导轨式动态充电设备，该文引入中继带源系

结合各巡检机器人的智能特性并针对应用场景的充电服务需求，提出一种基于准双向三态协同调度的无人车（AGV）和无人机（UAV）逐级式无线充电设计方法，旨在拓展整个系统的充电域和传能灵活性及便利性。相较于传统固定式静态充电设备和导轨式动态充电设备，该文引入中继带源系统和双向传能的开发设计理念，在移动AGV和UAV蓄电池的输入输出两端都设计安装了能量拾取模块和能量发射模块，实现导轨—AGV—UAV的三级逐级式供电模式，并结合AGV移动热点的组网功能，构建移动供电电源。

研究背景

近年来，移动机器人无人车（AGV）/无人机（UAV）在工业巡检、办公物流、农林植保及军事侦察监视等领域扮演了重要角色，该设备结合控制、通信等领域的数据汇交和智能决策解决了许多繁琐的工程问题，在智能家居、智慧工厂及智慧园区的发展中得到了广泛的关注。然而，由于智能巡检机器人本身体积小、容量低、负重有限等缺陷，其续航能力是智能移动设备的瓶颈问题，而无线充电技术是最可靠、安全、自动化程度最高的解决方案。

论文所解决的问题及意义

针对移动机器人采取的WPT技术方案主要以两线圈结构为工程应用的主流，由于充电位置一般固定，终端设备在空间配置的灵活性较低、约束较大，并没有真正合理解放充电域的限制。从应用开发的角度来看，目前的无线充电移动设备仍存在以下几个问题：

①设备反复利用率大；②人机充电管理复杂；③各设备之间充电模式独立封闭；④充电环境受限。

无线充电移动设备如何在有限资源下进一步拓展移动设备的充电区域范围，如何从系统架构上提升移动充电设备的取电灵活性和互操作性，如何同时构建设备间充电的交互桥梁是当下研究的难点。

论文方法及创新点

针对工业或物流巡检车间背景，本文设计了一套基于准双向三态协同调度的“导轨—AGV— UAV”逐级式充电应用，其具体的系统架构框图如图1所示，共分为三块区域：

①导轨端，作为一级发射端，将能量通过电力变换装置发射到空间；

②AGV负载端，作为一级接收端和二级发射端，通过安放在AGV底盘的拾取线圈取能，并从内部蓄电池取电经过二级电力变换装置将能量供给下一级设备，其中发射板安置在AGV上端的停机坪和变电盒中；

③UAV和小型UAV负载端，作为二级取能终端在相应设计的停靠位置取电。

同时，系统设计基于系统电气参数的稳定性和发射线圈在有限数量下的合理利用原则：

①在系统端，分别结合AGV或UAV设备的移动特性构建可移动的充电区域，从而不需要设计其他的定点充电线圈；

②在器件端，本文将谐振网络中有限的电感元件充分利用到耦合供能上来，使得物尽其用。

总之，本文以导轨供电态、AGV供电态以及UAV供电态作为三种基本供电方法实现三态式逐级充电模式，同时实现部分模态的双向无线电能传输，并基于移动AGV的组网功能构建整个系统的能量协同调度方法。系统供电原则如下：

（1）图1所示为基本的导轨供电态模式，导轨通过配电网解决所有系统的综合取电问题。

图1 系统示意图

（2）AGV本身具有移动特性，当其不在导轨的充电停靠岸时，可作为移动电源给各二级取电设备供电。

（3）当AGV不在导轨的充电停靠岸时，可以就大功率UAV终端设备取电，实现双向供能，由于小型UAV续航能力差，不允许小型UAV反向充电。

（4）当小型UAV在停靠岸之外需要续航时，可以AGV作为传输中继，将大型UAV的能量反向供给小型UAV。

系统的电路原理如图2所示，考虑到多级取电设备对原边系统的干扰问题，导轨端采用LCC复合谐振拓扑作为第一级发射源以保证线圈电流的稳定性。AGV作为供电的二端网络可以看做一个储能中继，其既可以作为输入端（采用串列谐振拓扑）接收来自导轨端的发射能量，又可以作为输出端（采用LCL复合谐振拓扑）通过一系列电力变换拓扑和储能电池将能量逐级传给下端设备。

图2 系统电路原理

本文的信息协同调度策略基于移动AGV热点的组网和单边功率调制器两部分来共同完善。基于移动AGV热点的无线网络信息协同框架图如图3所示，由AGV、UAV以及小型UAV构成无线网络。其中，在AGV上安装了WIFI热点，保证其在移动的情况下给周边的无人机巡检设备提供信号传输通道。

此外，AGV和UAV相继安装红外雷达和图像识别传感器，通过定位和导航协助设备找到充电位置，在减少电力控制设备复杂度的同时能够在短时间内根据充电需求辨识充电模态，无需更多的条件切换约束和能耗优化步骤。

三种充电模态是根据设备自身的充电需求和充电环境决定的，当AGV需要取电但未搜索到就近UAV时便自主返航到指定充电区域充电，此时若巡航UAV或UAV_mini也未搜索到关联移动电源时，便返航至指定充电区域通过模态一进行充电。同时AGV本身搭建的充电平台可作为取电中继，将能量传输给下一级取电设备。

当AGV在电量足够的情况下巡检并收到UAV或UAV_mini设备的充电请求时，进行应答并实现模态二充电。当AGV需要取电并搜索到就近UAV关联网络时，或当UAV_mini需要取电并同时搜索到就近UAV和AGV关联网络时，可实现模态三供电。

由此可知，AGV不仅可以作为一个移动的热点，同时也可以作为一个移动的无线供电电源。需要取电的设备AGV/UAV将充电需求的信息广播出去，根据就近原则，AGV/UAV收到充电通信需求时便作出应答。同时，分别作为供电端、中继端和接收端的三方设备或者只需要供电端和接收端的两方设备将根据定位信息开启自主导航，UAV和AGV将进一步对接，一旦对接成功将正式开启相应的供电模态。

图3 AGV/UAV组网序列

双向无线充电在越来越多的应用中受到青睐，由于其配电的灵活性和高互操作性，双向充电是实现无线多维度传能的关键因素。通常情况下，双向无线充电大致基于复杂的变化拓扑，其结合逆变电路各斩压模块和升压模块，来提高整体变换器的调节能力。

此外，一般情况下双向无线供电系统，通常需要原、副边的实时通信，并且在更少的辅助电路下需要实现更高的调制精度。对于在实时充电过程中的移动设备，双边通信在一定程度上增加了控制时延和控制器的设计复杂度，为了尽可能避免复杂功率流的条件控制设计，本文提出的准双向供电模式在构建组网过程中，根据充电需求便可确认模态以及功率流的流向，因此只需基于简单可靠的独立闭环功率调配，控制流程如图4所示。