华南农业大学电子工程学院 赵懿琨华南理工大学电子与信息学院 吴宝仔华南农业大学工程学院 方壮东深圳青铜剑科技股份有限公司 谢桂彬

光伏蓄电式无线充电蓝牙遥控机器人设计

华南农业大学电子工程学院 赵懿琨
华南理工大学电子与信息学院 吴宝仔
华南农业大学工程学院 方壮东
深圳青铜剑科技股份有限公司 谢桂彬

针对外环境作业缺少有线供电及采用电线插接方式充电容易造成接口接触不良等问题，本文设计了一种光伏蓄电式无线充电技术的Android 蓝牙遥控机器人。基于Qi无线充电标准，系统选用光伏结合电磁感应方式供给电能，通过AT89C51控制蓝牙装置和电机，并监控实时电池容量，实现太阳能供电无线电能传输状态下Android平台远程遥控机器人的功能。该设计解决了太阳能阴雨天不易持续充电及有线充电接口不兼容等问题，经测试证明符合无线充电系统性能要求，扩大了机器人的使用范围和灵活性。系统不仅可应用于危险环境作业的机器人，而且还可以应用于智能家居、物流运输等方面，应用前景广阔。

机器人；光伏蓄电；无线充电；蓝牙遥控

1 引言

无线遥控的移动机器人可在危险环境作业以及人员搜集等应用中发挥特殊作用。蓝牙技术具有支持点对点、点对多的通信和可形成分布式网络[1]的特点，便于实现主控方对多点移动机器人快捷而方便的通信。如何自动高效保障移动机器人的电量充足，成为全自动化蓝牙遥控机器人的关键。由于非接触式充电摆脱以往电线的束缚进而解决电子产品充电接口不兼容的问题[2]，因此，运用无线电能传输技术中接触感应充电技术，机器人可在电量不足情况下实现感应充电无须人工干预[3]。然而，现有无线电能传输技术的发射端供电电源大多是常规电源[4]，在一定程度上限制了其应用范围和发展。太阳能直流技术是一种绿色环保的供电技术，可在光照条件下将光能存储在蓄电池中，再由蓄电池给用电设备供电。无线电能传输技术与太阳能直流技术的结合，达到了当今人们节能环保和高效便利的要求。

本文设计了一种满足连续阴雨天气持续工作的基于光伏蓄电式无线充电装置的蓝牙遥控机器人。其中，光伏系统产生12V直流电供能给无线充电发射电路，可移动机器人利用电磁感应接收电能并为蓝牙模块供电从而实现基于Android平台上的无线遥控。

2 系统结构和理论计算

图1 系统结构框图Fig.1 Block diagram of system structure

系统结构框图如图1所示，光伏式无线充电装置可设计为固定或可移动的装置，无线接收蓝牙遥控机器人为移动装置。太阳能蓄电部通过光电转换将直流电能存储在12V蓄电池中或者是供给无线充电发射部分，无线发射端通过NE555D芯片产生一个固定频率的脉冲信号，通过功率放大，使发射线圈产生磁场，当无线充电接收线圈靠近时，产生感应电流并将电能存储在5V蓄电池中。蓄电池将电能输送到蓝牙遥控机器人以支持机器人各个部件运作。

蓝牙遥控部分每天工作6小时，工作能耗为每小时210mA；待机18小时，待机功耗为每小时40mA。每天充电次数选取为1，可得每天总功耗为1.98Ah，故采用5V、2.0Ah的蓄电池作为蓝牙遥控机器人的电源。

图2 光伏蓄电电路图Fig.2 Photovoltaic power storage circuit diagram

图3 无线充电发射电路图Fig.3 Wireless charging transmitter circuit diagram

以广州为例，蓄电池容量（BC）计算公式为：

式(1)中，A为安全系数，取值1.1～1.4；Q为日均耗电量，Ah；N为连续阴雨天数；β为温度修正系数；C为铅酸电池放电深度。其中，日均耗电量按照每天为蓝牙遥控部分无线充电的供能计算（最大传输效率下），可得Q=2.48。据广州市天气情况，可能出现连续阴雨天，综合选定N=7。广州全年温度在0摄氏度以上，因此β=1。系统中蓄电池处于浮充的工作状态，放电深度C=70%，安全系数取最高，A=1.4。由式(1)可以算出BC= 17.01Ah，因此根据标准选择容量为18Ah的蓄电池。

3 系统电路设计

3.1 光伏蓄电式无线充电部分

光伏式无线充电部分由太阳能蓄电系统和无线发射电路两部分组成。光伏蓄电系统主要由太阳能电池组件、充放电控制器和铅酸蓄电池组成，电路图如图2所示，其中，充放电控制器的作用是对蓄电池进行过充/放电保护和温度补偿。光照条件好时，光伏蓄电系统转化的电能部分供给负载，部分对蓄电池进行充电；光照条件差时，光伏板发电量少蓄电池进行放电，分担部分或全部负载。

无线充电部分基于电磁感应原理，因此系统采用Qi无线充电标准。无线充电传输效率是指负载输出功率和电源输出功率的比值，参见公式(2)：

公式(2)中，ω为电路谐振频率；M代表发送线圈与接收线圈间的互感；R1和R2分别代表发送与接收电路的等效电阻；RL为负载[5]。由公式可以看出，系统的传输效率与电路谐振频率、负载电阻、发送电路与接收电路的等效电阻、发送线圈和接收线圈之间的互感有关。无线充电发射电路通过线圈间电磁感应向接收电路传输电能，电路图如图3所示，NE555D芯片产生168KHz的脉冲信号经功率放大使发射线圈产生磁场。接收线圈靠近发射线圈时会产生感应电流，电能即从发射端向接收端传输。

图4 无线充电接收电路图Fig.4 Wireless charging receiver circuit diagram

图5 蓝牙遥控电路图Fig.5 Bluetooth remote control circuit diagram

图6 程序流程图Fig.6 Program fow chart

3.2 线接收和蓝牙遥控部分

无线接收部分包括电压输出部分和充电检测部分，电路图如图4所示。感应线圈在靠近发射线圈时会产生感应电流，后经全波整流和稳压将电能存储在蓄电池中，LED1发亮。当蓄电池充满时，LED2发亮。

蓝牙遥控部分包括机器人蓝牙模块HC-05，主控制器AT89C51单片机、L298N直流电机驱动芯片和直流电机，电路图如图5所示。其中，AT89C51监控蓄电池电量，接收上位机Android设备的控制命令，与HC-05进行串行数据通信，采用异步通信方式与L298N进行双向通信，根据两轮差速转向控制方式改变移动机器人的行驶方向。AT89C51的程序流程图见图6。

4 测试与结论

经测试，该系统实现如表1所示的技术指标，具备太阳能供电、无线电能传输和Android平台远程遥控的功能。首先，设计中光伏蓄电系统可在有阴雨连绵天气(6天连阴雨) 的多雨季节里，保持一个月的连续供电，证实了太阳能供电系统能够维持系统负载并保持蓄电池处于满电状态。其次，基于电磁感应原理设计的无线充电装置结构简单，成本低廉并且最大传输效率可达79.3%，优于德州仪器的方案WPC A5和WPC A11的最大效率[6]。最后，采用蓝牙遥控模块实现机器人的远程遥控，遥控系统具有匹配速度快和良好的抗干扰能力。

综合来看，本系统具有传输效率高、充电速度快、遥控范围广的特点，满足无线充电系统的性能要求，可应用于不宜人工操作危险场合以及智能家居等场合，市场应用前景广阔。

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

广东省科技计划项目（2014B020207001）。