CN118842164A - 一种基于四足机器人的换电不断电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四足机器人的换电不断电系统，包括：通信连接的主电池模块、备用电池模块以及电源分配模块，其中，主电池模块用于为四足机器人的运行提供电源；备用电池模块用于当主电池模块提供的四足机器人运行所需的电源电力不足时，实现四足机器人运行电源从主电池模块到备用电池模块的切换，以保障四足机器人的换电不断电；电源分配模块用于获得主电池模块以及备用电池模块的实时电压，并基于主电池模块实时电压、备用电池模块实时电压以及预设电压均衡方程，执行对四足机器人的电源切换分配。它通过采用双电池架构，在主电池电量不足时，备用电池自动切换供电，确保机器人在换电过程中持续运行，保证作业的连续性和高效性。

Description

一种基于四足机器人的换电不断电系统

技术领域

本发明属于智能机器人技术领域，特别是一种基于四足机器人的换电不断电系统。

背景技术

在机器人技术快速发展的今天，四足机器人因其卓越的地形适应能力和灵活性，在军事侦察、工业巡检、灾害救援等多个领域展现出巨大的应用潜力。然而，传统四足机器人在执行长时间任务时，常面临电池续航能力不足的问题，这极大地限制了其作业范围和效率。

目前，市场上的四足机器人大多采用手动更换电池或停机换电的方式，这种方式存在以下不足：比如手动换电或停机换电会导致机器人作业中断，影响任务连续性和效率，且传统换电方式缺乏自动化和智能化，难以满足高效、无人化作业的需求。为了解决这一难题，设计一种能够在换电过程中保持机器人持续运行的系统，这成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于四足机器人的换电不断电系统，以解决现有技术中的不足，它通过采用双电池架构，即主电池和备用电池，在主电池电量不足时，备用电池自动接管供电，确保机器人在换电过程中持续运行，从而保证了四足机器人作业的连续性和高效性。

本申请的一个实施例提供了一种基于四足机器人的换电不断电系统，所述系统包括：

通信连接的主电池模块、备用电池模块以及电源分配模块，其中，

所述主电池模块用于为四足机器人的运行提供电源；

所述备用电池模块用于当所述主电池模块提供的四足机器人运行所需的电源电力不足时，实现四足机器人运行电源从主电池模块到备用电池模块的切换，以保障四足机器人的换电不断电；

所述电源分配模块用于获得所述主电池模块以及所述备用电池模块的实时电压，并基于所述主电池模块实时电压、所述备用电池模块实时电压以及预设电压均衡方程，执行对四足机器人的电源切换分配；其中，所述电压均衡方程为：

其中，i(t)表示电源分配模块的实时电流，R_T表示电源分配模块的实时电阻，U_c(t)表示电源分配模块的实时电容电压。

可选的，所述主电池模块包括：

电池状态监测单元以及电池均衡管理单元，其中，

所述电池状态监测单元用于实时监测主电池的电压、电流以及温度参数；

所述电池均衡管理单元用于控制主电池的充放电过程，并利用预设电池衡管理算法确定主电池模块中的各个单体电池的均衡状态。

可选的，所述利用预设电池衡管理算法确定主电池模块中的各个单体电池的均衡状态，包括：

通过如下电池衡管理算法确定主电池模块中的各个单体电池的均衡状态：

其中，ξ表示主电池模块中的各个单体电池的均衡系数，n表示主电池模块中的单体电池的数量，S_i表示主电池模块中的单体电池i的荷电状态，S_a表示主电池模块中的平均荷电状态。

可选的，所述备用电池模块包括：

电压测量单元，用于在主电池模块被切断的状态下，每隔第一预定时间测量备用电池的状态参数；

充电控制单元，用于基于所述备用电池的状态参数确定备用电池电压，并当所述备用电池电压低于设定阈值时，执行对所述备用电池的充电操作。

可选的，所述备用电池模块还包括：

输出时间控制单元，所述输出时间控制单元用于控制备用电池的持续输出时间，并当所述备用电池的持续输出时间超出第二预定时间时，通过备用电池供电切换开关执行对所述备用电池的断电操作。

可选的，所述第一预定时间不大于10秒；

所述第二预定时间不小于120秒。

可选的，所述备用电池供电切换开关包括两个P-MOS。

本申请的又一实施例提供了一种基于四足机器人的备用电池充电电路，所述备用电池充电电路包括：

电源分配电路单元，连接于备用电池模块与主电池模块之间，用于检测所述备用电池模块和所述主电池模块的实时电压并利用输出二极管执行对所述备用电池模块的充电操作；

控制电路单元，连接所述备用电池模块、电源分配电路单元以及主电池模块，用于根据所述备用电池模块及主电池模块的电压状态控制所述电源分配电路单元的工作状态，并输出对应的换电不断电指示信号；

检测电路单元，与所述备用电池模块以及控制电路单元相连，用于当所述主电池模块放电保护、控制电路单元不工作且所述备用电池模块的额定容量不小于预设阈值时解除所述主电池模块的放电保护。

可选的，所述备用电池模块的额定容量通过如下方式计算：

其中，C₂表示备用电池模块的额定容量，C_T表示当前环境温度为T摄氏度时备用电池模组的容量，K表示备用电池模块的放电时间修正系数，t表示备用电池模块的放电时间。

可选的，所述备用电池模块的放电时间修正系数通过如下方式计算：

其中，K表示备用电池模块的放电时间修正系数，m表示备用电池模块中电池数量，I(t)表示备用电池模块的充放电电流，C₁表示主电池模块的额定容量，ΣS_b表示备用电池模块的放电开始时刻的荷电状态，ΣS_e表示备用电池模块的充电开始时刻的荷电状态。

与现有技术相比，本发明提出一种基于四足机器人的换电不断电系统，包括通信连接的主电池模块、备用电池模块以及电源分配模块，其中，主电池模块用于为四足机器人的运行提供电源；备用电池模块用于当主电池模块提供的四足机器人运行所需的电源电力不足时，实现四足机器人运行电源从主电池模块到备用电池模块的切换，以保障四足机器人的换电不断电；电源分配模块用于获得主电池模块以及备用电池模块的实时电压，并基于主电池模块实时电压、备用电池模块实时电压以及预设电压均衡方程，执行对四足机器人的电源切换分配。它通过采用双电池架构，即主电池和备用电池，在主电池电量不足时，备用电池自动接管供电，确保机器人在换电过程中持续运行，从而保证了四足机器人作业的连续性和高效性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于四足机器人的换电不断电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种备用电池供电切换开关的工作状态示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于四足机器人的换电不断电系统的工作状态示意图；

图4为本发明实施例提供的一种电源分配模块的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于四足机器人的备用电池充电电路的结构示意图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于四足机器人的换电不断电系统的结构示意图，图1示出一种基于四足机器人的换电不断电系统100，所述系统100包括：通信连接的主电池模块101、备用电池模块102以及电源分配模块103，其中，所述主电池模块101用于为四足机器人的运行提供电源；所述备用电池模块102用于当所述主电池模块提供的四足机器人运行所需的电源电力不足时，实现四足机器人运行电源从主电池模块101到备用电池模块102的切换，以保障四足机器人的换电不断电；所述电源分配模块103用于获得所述主电池模块101以及所述备用电池模块102的实时电压，并基于所述主电池模块101实时电压、所述备用电池模块102实时电压以及预设电压均衡方程，执行对四足机器人的电源切换分配；其中，所述电压均衡方程可以为：

其中，i(t)表示电源分配模块的实时电流，R_T表示电源分配模块的实时电阻，U_c(t)表示电源分配模块的实时电容电压。

具体的，四足机器人的主电池模块101是其动力系统的核心部分，主要负责为机器人的各个部件提供电力支持。四足机器人通常采用锂电池作为主电池，因为锂电池具有多种优势，如单体电压较高(通常为3.7V)、重量轻、比能量大、工作温度范围宽、循环寿命长且易于维护等。这些特点使得锂电池成为四足机器人等移动设备的理想电源选择。四足机器人通常配备一个或多个锂电池组作为主电池单元，这些电池组通过并联或串联的方式组合在一起，以满足机器人对电力的需求。为了确保电池的安全、高效运行，四足机器人通常配备有电池管理系统(BMS)。BMS的主要功能可以包括：电池状态监测、充电管理、均衡管理等，确保电池组的一致性。

由于四足机器人内部各部件对电压的需求不同，因此主电池模块101还需要具备电压转换与分配的功能。通常，主电池模块101会通过一个或多个稳压器将电池电压降低到合适的水平，然后分配给不同的部件。为了确保四足机器人在使用过程中的安全，主电池模块101还可以具备一系列安全防护措施。这些措施可能包括短路保护、过流保护、过温保护等，以防止电池在异常情况下发生损坏或引发安全事故。

综上所述，四足机器人的主电池模块101是一个集电池选择、配置、管理、电压转换与分配以及安全防护于一体的复杂系统。它对于确保机器人的正常运行和延长使用寿命具有重要意义。

在一种可选的实施方式中，所述主电池模块101可以包括：电池状态监测单元以及电池均衡管理单元，其中，所述电池状态监测单元用于实时监测主电池的电压、电流以及温度参数；所述电池均衡管理单元用于控制主电池的充放电过程，并利用预设电池衡管理算法确定主电池模块中的各个单体电池的均衡状态。

其中，电池状态监测单元作为主电池模块101的核心部件之一，其主要功能是实时监测主电池的电压、电流以及温度等关键参数。这些参数直接反映了电池的工作状态和健康状况，对于预防电池过充、过放、过热等异常情况具有重要意义。

例如，通过高精度电压传感器，实时测量主电池的总电压及各单体电池的电压分布。电压数据不仅用于评估电池的剩余电量，还能及时发现电压异常(如单体电池电压过高或过低)，从而避免电池损坏或安全事故。电流传感器用于监测主电池在工作过程中的充放电电流。电流数据对于评估电池的使用负荷、预测电池寿命以及检测短路等异常情况至关重要。温度传感器布置在主电池包的关键位置，实时监测电池内部的温度。温度过高可能导致电池性能下降、寿命缩短甚至热失控，因此温度监测是确保电池安全运行的重要手段。

电池均衡管理单元是主电池模块101中另一个不可或缺的组成部分，其主要职责是控制主电池的充放电过程，并通过预设的电池均衡管理算法确保各单体电池之间的均衡状态。

例如，根据电池状态监测单元提供的数据，电池均衡管理单元能够智能调整充放电策略，防止电池过充或过放。同时，它还能在必要时启动保护机制，如限制充放电电流、切断电源等，以确保电池安全。由于四足机器人主电池模块101通常包含多个单体电池串联或并联组成，各单体电池之间可能因制造差异、使用环境等因素导致性能不一致。电池均衡管理算法通过监测各单体电池的电压差异，采用主动或被动均衡方式调整电池电量，使各单体电池保持在相近的电量状态，从而延长电池整体寿命和提高使用效率。

示例性的，所述利用预设电池衡管理算法确定主电池模块中的各个单体电池的均衡状态，可以包括：通过如下电池衡管理算法确定主电池模块中的各个单体电池的均衡状态：

其中，ξ表示主电池模块中的各个单体电池的均衡系数，n表示主电池模块中的单体电池的数量，S_i表示主电池模块中的单体电池i的荷电状态，S_a表示主电池模块中的平均荷电状态。

综上所述，本申请中的主电池模块101通过集成电池状态监测单元和电池均衡管理单元，实现了对主电池工作状态的全面监控和智能管理。这不仅提高了四足机器人换电不断电系统的可靠性和安全性，还优化了电池使用效率，延长了电池寿命，为四足机器人在各种复杂环境下的长时间、高效作业提供了有力保障。

备用电池模块102可以视为本申请换电不断电系统中的一个独立单元，其设计初衷是为了在主电池模块101无法满足四足机器人运行所需电力时，能够迅速、平稳地接管供电任务，从而保障机器人在换电过程中的连续运行。这一设计思路极大地提高了四足机器人的作业效率和应对突发情况的能力。

具体的，备用电池模块102与主电池模块101之间通过智能控制系统进行实时通信，监测系统能够实时监测主电池的电量状态，并根据当前电量和预计的耗电速率预判何时可能出现电力不足的情况。这一功能使得系统能够提前做好准备，避免在电力耗尽时突然断电。

当主电池模块101提供的电力无法满足四足机器人继续运行的需求时，备用电池模块102将自动启动无缝切换机制。该机制通过智能控制算法精确控制电源切换的时机和过程，确保在主电池电力即将耗尽的瞬间，备用电池能够迅速接管供电任务，从而实现换电过程中的不断电。备用电池模块102在接管供电任务后，将稳定地为四足机器人提供所需的电力支持。同时，系统还会持续监测备用电池的电量状态，确保在换电过程中备用电池也不会因电量耗尽而导致断电。

备用电池模块102还具备智能管理功能，能够根据四足机器人的实际运行情况和任务需求，对备用电池的充放电过程进行优化管理。例如，在换电过程中，如果预计备用电池电量将不足以支持机器人完成剩余任务，系统可以自动调整机器人的工作模式或任务优先级，以节省电力消耗并延长续航时间。

综上所述，备用电池模块102作为本发明换电不断电系统中的重要组成部分，通过实时监测、无缝切换、稳定供电和智能管理等功能的实现，确保了四足机器人在换电过程中的连续运行。这一设计不仅提高了机器人的作业效率和可靠性，还降低了因电力中断而导致的风险和损失。

在一种可选的实施方式中，所述备用电池模块102可以包括：电压测量单元，用于在主电池模块被切断的状态下，每隔第一预定时间测量备用电池的状态参数；充电控制单元，用于基于所述备用电池的状态参数确定备用电池电压，并当所述备用电池电压低于设定阈值时，执行对所述备用电池的充电操作。

具体的，电压测量单元是备用电池模块102的重要组成部分，其主要功能是在主电池模块101被切断的状态下，定期对备用电池的状态参数进行测量。这些状态参数主要包括电池的电压，它是评估电池剩余电量和健康状况的重要指标。为了及时获取备用电池的状态信息，电压测量单元会按照预设的第一预定时间间隔进行测量。这个时间间隔可以根据备用电池的特性、四足机器人的使用频率以及系统对实时性的要求进行调整。为了确保测量结果的准确性，电压测量单元可以采用高精度电压传感器，能够精确测量备用电池的电压值。这对于后续的充电控制和电池健康管理至关重要。测量得到的状态参数将被传输给系统的智能控制单元，以便进行进一步的分析和处理。这些数据将用于评估备用电池的剩余电量、预测使用寿命以及制定充电计划等。

充电控制单元是备用电池模块102的另一个核心部件，其主要功能是基于电压测量单元提供的数据，对备用电池的电压进行实时监测，并在必要时执行充电操作。充电控制单元会定期接收电压测量单元传输的数据，并对备用电池的电压进行评估。通过与设定的阈值进行比较，系统可以判断备用电池是否需要充电。当备用电池的电压低于设定阈值时，充电控制单元将启动充电程序。该程序采用智能充电算法，能够根据备用电池的当前状态(如电量、温度等)自动调整充电电流和电压，以确保充电过程的安全性和效率。

需要说明的是，在充电过程中，充电控制单元还会实时监测电池的状态参数，如温度、电流等。一旦发现异常情况(如过充、过热等)，系统将立即切断充电电源，并采取必要的保护措施以防止电池损坏或安全事故的发生。

综上所述，备用电池模块102通过集成电压测量单元和充电控制单元，实现了对备用电池状态的实时监测和智能管理。这不仅确保了备用电池在需要时能够迅速接管供电任务，还保证了备用电池在非工作状态下的安全性和健康状态。

在另一种可选的实施方式中，所述备用电池模块102还可以包括：输出时间控制单元，所述输出时间控制单元用于控制备用电池的持续输出时间，并当所述备用电池的持续输出时间超出第二预定时间时，通过备用电池供电切换开关执行对所述备用电池的断电操作。

具体的，输出时间控制单元是备用电池模块102中的另一个关键组成部分，它负责监控备用电池从接管供电任务开始到当前时刻的持续输出时间。这一时间参数对于评估备用电池的剩余电量、预测其使用寿命以及保护电池免受过度放电至关重要。

输出时间控制单元通过系统时钟或计时器实时记录备用电池的持续输出时间。这一时间记录从备用电池开始供电的那一刻起，直到系统决定切换回主电池或进行其他操作为止。为了保护备用电池免受过度放电的影响，系统设定了一个第二预定时间作为备用电池持续输出的最大允许时间，输出时间控制单元会将记录的持续输出时间与这一阈值进行比较。当备用电池的持续输出时间超出第二预定时间时，输出时间控制单元将发出断电指令。这一指令通过备用电池供电切换开关执行，迅速切断备用电池与四足机器人之间的供电连接，从而防止电池进一步放电。

例如所述第一预定时间不大于10秒；所述第二预定时间不小于120秒。

需要说明的是，备用电池供电切换开关是执行断电操作的关键设备。它位于备用电池与四足机器人之间的供电线路上，能够在接收到断电指令时迅速切断供电连接。这一开关的设计需要满足快速响应、高可靠性和低损耗等要求，以确保在紧急情况下能够迅速有效地切断电源。备用电池供电切换开关需要具备快速响应的能力，能够在接收到断电指令后的极短时间内切断供电连接。这有助于减少因过度放电而对备用电池造成的损害。

当四足机器人系统正常工作时，由主电池模块供电，为了保证通讯共地，所有开关都设置在高边。总输出由专用栅极驱动芯片控制，保证驱动可靠的同时，可以调节上电缓期时间，以减小导通瞬间大电流对电路的冲击。备用电池模块供电切换开关由两个P-MOSFET(Q1、Q2)构成，参见图2，图2为本发明实施例提供的一种备用电池供电切换开关的工作状态示意图，图中包括两个P-MOSFET，Q1和Q2，一个N-MOSFET，Q3，限流电阻R1，稳压管D1，驱动电阻R2，下拉电阻R3。由于电池电压为区间范围，为了保证电池满电状态以及亏电状态电路能正常工作，将Q1、Q2的工作Vgs设定在安全工作范围内，故在栅极加入稳压管D1，防止过压烧坏Q1、Q2。当系统检测到四足机器人的开机信号，则向R2输出高电平信号，使得Q3导通，Q3导通后由于稳压管的存在，在Q1、Q2栅极上产生一个电压，此电压为源极电压减稳压管电压，即V＝Vs-VD1。当主电池模块和备用电池模块通讯正常后，备用电池输出保护模块开始工作，电路状态采集模块采集电路状态，并且控制输出切换模块，此时输出切换模块处于截止状态，输出由主电池供电，如图3所示。图3为本发明实施例提供的一种基于四足机器人的换电不断电系统的工作状态示意图。包括功率输出控制模块、备用电池充电模块、输出切换模块、电路状态采集模块、备用电池输出保护模块以及主电池和备用电池，当拔出主电池后，输出切换模块立刻将输出切换至备用电池输出状态，此时系统由备用电池供电。功率输出控制模块可以控制整个功率输出电路，备用电池充电模块可以对备用电池进行充电，防止备用电池出现过放。并且备用电池输出保护模块可以设定备用电池持续输出时间，一般来说，设定时间大于用户换电池时间即可。

综上所述，通过引入输出时间控制单元和备用电池供电切换开关，本申请进一步完善了备用电池模块102的设计。这一设计不仅提高了系统的安全性和稳定性，还保护了备用电池免受过度放电的影响，从而延长了电池的使用寿命并提高了系统的整体性能。

具体的，电源分配模块103可以通过高精度的电压传感器，实时监测主电池模块101和备用电池模块102的电压状态。这些电压数据是评估电池剩余电量、预测使用寿命以及制定电源切换策略的重要依据。为了确保四足机器人在换电过程中能够平稳、连续地运行，电源分配模块103内置了预设的电压均衡方程。该方程综合考虑了主电池模块101和备用电池模块102的电压差异、剩余电量、放电速率以及四足机器人的当前运行状态等多个因素，通过复杂的算法计算出最优的电源切换时机和分配策略。基于实时电压监测结果和电压均衡方程的计算结果，电源分配模块103会智能地执行对四足机器人的电源切换分配。具体来说，当主电池模块101的电压降低到一定程度，无法满足四足机器人的运行需求时，电源分配模块103会迅速启动备用电池模块102，并通过供电切换开关将供电任务从主电池模块101切换到备用电池模块102。同时，它还会根据备用电池的剩余电量和放电速率，动态调整供电策略，以确保备用电池能够持续、稳定地为四足机器人提供电力支持。

电源分配模块103的设计充分考虑了安全性和可靠性的要求。它采用了多重保护机制，如过压保护、欠压保护、过流保护等，以确保在电源切换和分配过程中不会发生安全事故。此外，电源分配模块103还具备自诊断和自修复功能，能够及时发现并修复潜在的故障问题，从而进一步提高系统的稳定性和可靠性。

综上所述，电源分配模块103是四足机器人换电不断电系统中的核心部件之一。它通过实时监测主电池模块101和备用电池模块102的电压状态，并基于预设的电压均衡方程执行智能的电源切换分配策略，确保了四足机器人在换电过程中的连续运行和高效作业。同时，其安全性和可靠性的设计也为系统的稳定运行提供了有力保障。

示例性的，参见图4，图4为本发明实施例提供的一种电源分配模块的结构示意图，其中包括输入单元、备用电池充电电路、输出切换电路、电压采集电路、主控电路以及输出控制等。当主电池插入并开启四足机器人后，系统检测主电池电压以及备用电池电压，当系统自检通过后，输出切换模块维持当前主电池输出模式，当备用电池电压满足要求时，输入单元将备用电池输出开启，但由于输出切换模块此时为主电池输出状态，故此时不消耗备用电池能量。若当此时拔出电池，由于备用电池为输出状态，输出切换模块既可立即切换为备用电池输出，此时系统由备用电池供电，由于备用电池电量有限，故备用电池持续输出时间可以设置为2分钟，当超过2分钟仍未换上新电池，电源分配板则会切断备用电池输出。当备用电池输出时，此时换上新电池，无需打开电池开关，电池可自动开启输出。电池输出后，输出切换模块便自动切换为电池输出模式，此时系统检测备用电池电压，当电压低于设定阈值时，电源分配板便开启备用电池充电电路，利用主电池对备用电池进行充电。当用户主动关闭四足机器人开关时，例如长按主电池开关，此时可以关闭整机电源，备用电池不再输出。

需要说明的是，在主电池模块、备用电池模和电源分配模块之间，存在实时通讯交互，当主电池模块或者备用电池模块离线时，四足机器人整机系统能立马做出反应：当主电池模块断电后，备用电池模块输出立刻激活，实现输出零延迟切换，保证四足机器人整机系统不间断运行。当换上新的主电池模块后，四足机器人整机系统检测到新电池插入，同时会发出电池开机信号，新的主电池模块接收到开机信号后，无需手动开启输出，主电池便可自动切换成输出模式，为四足机器人整机供电。此时备用电池模块在主电池模块开启后，便自动断开输出，并且根据剩余电量判断是否需要对备用电池模块进行充电。为了控制四足机器人整机重量，备用电池模块的电池设计容量较小，当四足机器人整机系统处于备用电池模块供电时，可以提供用户约两分钟的换电时间，在换电时间内换上新的主电池模块即可正常持续使用。若用户在两分钟时间内未换上新的主电池模块，此时四足机器人整机系统便会发出提示音，提示用户机器人即将断电。为了保证备用电池电量不会被放尽，在提示音结束后，整个四足机器人整机系统将完全停止运行。

与现有技术相比，本发明提出一种基于四足机器人的换电不断电系统，包括通信连接的主电池模块、备用电池模块以及电源分配模块，其中，主电池模块用于为四足机器人的运行提供电源；备用电池模块用于当主电池模块提供的四足机器人运行所需的电源电力不足时，实现四足机器人运行电源从主电池模块到备用电池模块的切换，以保障四足机器人的换电不断电；电源分配模块用于获得主电池模块以及备用电池模块的实时电压，并基于主电池模块实时电压、备用电池模块实时电压以及预设电压均衡方程，执行对四足机器人的电源切换分配。它通过采用双电池架构，即主电池和备用电池，在主电池电量不足时，备用电池自动接管供电，确保机器人在换电过程中持续运行，从而保证了四足机器人作业的连续性和高效性。

参见图5，图5为本发明实施例提供的一种基于四足机器人的备用电池充电电路的结构示意图，所述备用电池充电电路500可以包括：电源分配电路单元501，连接于备用电池模块与主电池模块之间，用于检测所述备用电池模块和所述主电池模块的实时电压并利用输出二极管执行对所述备用电池模块的充电操作；控制电路单元502，连接所述备用电池模块、电源分配电路单元以及主电池模块，用于根据所述备用电池模块及主电池模块的电压状态控制所述电源分配电路单元的工作状态，并输出对应的换电不断电指示信号；检测电路单元503，与所述备用电池模块以及控制电路单元相连，用于当所述主电池模块放电保护、控制电路单元不工作且所述备用电池模块的额定容量不小于预设阈值时解除所述主电池模块的放电保护。

具体的，电源分配电路单元501作为整个充电系统的核心，该单元负责检测主电池模块和备用电池模块的实时电压，并根据需要控制电流流向，实现对备用电池的充电。通过内置的电压检测电路，实时监测两部分电池模块的电压状态。当主电池电压高于备用电池且满足充电条件时，利用输出二极管(也可以是具有防逆流功能的二极管或MOSFET等电子开关)将主电池的电能传输至备用电池进行充电，以确保能量高效利用，同时防止电能逆流，保护电池安全。

控制电路单元502根据电池电压状态决定电源分配电路单元501的工作模式，并输出换电不断电指示信号，提示操作人员或系统其他部分当前电池状态及换电操作的安全性。通过接收来自检测电路单元503的电压信息，控制电路单元502分析主电池和备用电池的电量情况，决定是否需要启动充电过程或进行换电操作。同时，通过内部逻辑判断，确保在换电过程中机器人能够维持基本运行，实现换电不断电，以减少因换电导致的停机时间。

检测电路单元503负责监测主电池模块的放电保护状态以及备用电池的容量情况，确保在特定条件下能够自动解除主电池的放电保护，启用备用电池。当检测到主电池因电量过低而触发放电保护机制，且控制电路单元502因某种原因(如故障)无法正常工作时，检测电路单元503会检查备用电池的容量是否满足预设阈值(如足够支持机器人运行一段时间)。若满足条件，则自动解除主电池的放电保护，允许备用电池接替供电。

综上所述，这种基于四足机器人的备用电池充电电路设计，通过电源分配、智能控制和实时监测的有机结合，实现了电池的高效管理和系统的稳定运行，为四足机器人在复杂环境中的长时间作业提供了有力支持。

在一种可选的实施方式中，所述备用电池模块的额定容量可以通过如下方式计算：

其中，C₂表示备用电池模块的额定容量，C_T表示当前环境温度为T摄氏度时备用电池模组的容量，K表示备用电池模块的放电时间修正系数，t表示备用电池模块的放电时间。所述备用电池模块的放电时间修正系数通过如下方式计算：

其中，K表示备用电池模块的放电时间修正系数，m表示备用电池模块中电池数量，I(t)表示备用电池模块的充放电电流，C₁表示主电池模块的额定容量，ΣS_b表示备用电池模块的放电开始时刻的荷电状态，ΣS_e表示备用电池模块的充电开始时刻的荷电状态。

与现有技术相比，本发明提出一种基于四足机器人的换电不断电系统，包括通信连接的主电池模块、备用电池模块以及电源分配模块，其中，主电池模块用于为四足机器人的运行提供电源；备用电池模块用于当主电池模块提供的四足机器人运行所需的电源电力不足时，实现四足机器人运行电源从主电池模块到备用电池模块的切换，以保障四足机器人的换电不断电；电源分配模块用于获得主电池模块以及备用电池模块的实时电压，并基于主电池模块实时电压、备用电池模块实时电压以及预设电压均衡方程，执行对四足机器人的电源切换分配。它通过采用双电池架构，即主电池和备用电池，在主电池电量不足时，备用电池自动接管供电，确保机器人在换电过程中持续运行，从而保证了四足机器人作业的连续性和高效性。

需要说明的是，对于前述的各系统实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置，可通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如上述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

上述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

上述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储器中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储器中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例上述方法的全部或部分步骤。而前述的存储器包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-On ly Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于四足机器人的换电不断电系统，其特征在于，所述系统包括：

通信连接的主电池模块、备用电池模块以及电源分配模块，其中，

所述主电池模块用于为四足机器人的运行提供电源；

所述备用电池模块用于当所述主电池模块提供的四足机器人运行所需的电源电力不足时，实现四足机器人运行电源从主电池模块到备用电池模块的切换，以保障四足机器人的换电不断电；

所述电源分配模块用于获得所述主电池模块以及所述备用电池模块的实时电压，并基于所述主电池模块实时电压、所述备用电池模块实时电压以及预设电压均衡方程，执行对四足机器人的电源切换分配；其中，所述电压均衡方程为：

其中，i(t)表示电源分配模块的实时电流，R_T表示电源分配模块的实时电阻，U_c(t)表示电源分配模块的实时电容电压。

2.根据权利要求1所述换电不断电系统，其特征在于，所述主电池模块包括：

电池状态监测单元以及电池均衡管理单元，其中，

所述电池状态监测单元用于实时监测主电池的电压、电流以及温度参数；

所述电池均衡管理单元用于控制主电池的充放电过程，并利用预设电池衡管理算法确定主电池模块中的各个单体电池的均衡状态。

3.根据权利要求2所述换电不断电系统，其特征在于，所述利用预设电池衡管理算法确定主电池模块中的各个单体电池的均衡状态，包括：

通过如下电池衡管理算法确定主电池模块中的各个单体电池的均衡状态：

其中，ξ表示主电池模块中的各个单体电池的均衡系数，n表示主电池模块中的单体电池的数量，S_i表示主电池模块中的单体电池i的荷电状态，S_a表示主电池模块中的平均荷电状态。

4.根据权利要求3所述换电不断电系统，其特征在于，所述备用电池模块包括：

电压测量单元，用于在主电池模块被切断的状态下，每隔第一预定时间测量备用电池的状态参数；

充电控制单元，用于基于所述备用电池的状态参数确定备用电池电压，并当所述备用电池电压低于设定阈值时，执行对所述备用电池的充电操作。

5.根据权利要求4所述换电不断电系统，其特征在于，所述备用电池模块还包括：

输出时间控制单元，所述输出时间控制单元用于控制备用电池的持续输出时间，并当所述备用电池的持续输出时间超出第二预定时间时，通过备用电池供电切换开关执行对所述备用电池的断电操作。

6.根据权利要求5所述换电不断电系统，其特征在于，所述第一预定时间不大于10秒；

所述第二预定时间不小于120秒。

7.根据权利要求6所述换电不断电系统，其特征在于，所述备用电池供电切换开关包括两个P-MOS。

8.一种基于四足机器人的备用电池充电电路，其特征在于，所述备用电池充电电路包括：

电源分配电路单元，连接于备用电池模块与主电池模块之间，用于检测所述备用电池模块和所述主电池模块的实时电压并利用输出二极管执行对所述备用电池模块的充电操作；

控制电路单元，连接所述备用电池模块、电源分配电路单元以及主电池模块，用于根据所述备用电池模块及主电池模块的电压状态控制所述电源分配电路单元的工作状态，并输出对应的换电不断电指示信号；

检测电路单元，与所述备用电池模块以及控制电路单元相连，用于当所述主电池模块放电保护、控制电路单元不工作且所述备用电池模块的额定容量不小于预设阈值时解除所述主电池模块的放电保护。

9.根据权利要求8所述备用电池充电电路，其特征在于，所述备用电池模块的额定容量通过如下方式计算：

其中，C₂表示备用电池模块的额定容量，C_T表示当前环境温度为T摄氏度时备用电池模组的容量，K表示备用电池模块的放电时间修正系数，t表示备用电池模块的放电时间。

10.根据权利要求9所述备用电池充电电路，其特征在于，所述备用电池模块的放电时间修正系数通过如下方式计算：

其中，K表示备用电池模块的放电时间修正系数，m表示备用电池模块中电池数量，I(t)表示备用电池模块的充放电电流，C₁表示主电池模块的额定容量，ΣS_b表示备用电池模块的放电开始时刻的荷电状态，ΣS_e表示备用电池模块的充电开始时刻的荷电状态。