CN105703458A - 一种自主水下航行器在水下无线充电设备 - Google Patents

一种自主水下航行器在水下无线充电设备 Download PDF

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Abstract

一种自主水下航行器在水下无线充电设备，本发明涉及自主水下航行器在水下无线充电设备。本发明是要解决目前没有航行器基于无线能量传输技术的内部充电结构进行设计的问题，该设备具体包括自主水下航行器、水下充电装置和捕捉机械臂；所述的自主水下航行器包括耦合器次级端、谐振补偿电路、整流滤波电路、直流斩波器、自主水下航行器主控制器、负载、微处理器、电池组、电流传感器、解调电路、通信控制器和总线；所述水下充电装置包括海底输电电缆、水密接头、捕捉机构、变压器、整流滤波电路、高频逆变电路、谐振补偿电路、驱动控制器、耦合器初级端、调制电路和主控制器；本发明应用于自主水下航行器在水下无线充电领域。

Description

一种自主水下航行器在水下无线充电设备
技术领域
本发明涉及水下无线充电的设备，特别涉及一种自主水下航行器在水下无线充电设备。
背景技术
自主水下航行器作为一种海上力量，以其自主控制，海上作业更加灵活自如等优点，在民用领域和军用领域都发挥着重要的作用。发展初期，自主水下航行器主要用于勘探海底地貌、打捞沉船、铺设水下电缆及维护等民用领域，后来逐渐在军事领域崭露头角，在水下侦察、情报收集、反潜/反水雷作战、跟踪、预警、水下攻击等方面都有广泛的应用。为了满足军事需求，未来的自主水下航行器应具有实现远距离，长时间作战任务的能力，这就要求自身具有足够的能源供应。在近几年中，水下航行器的能源主要采用可充电的电池组。由于航行器自身体积受限，所携带电池组容量也是有限的，这使得航行器执行任务的时间一般只有1天左右，因此需要经常给电池组进行充电。目前航行器充电的过程需要将其升至水面，取出电池组接入外部充电电路进行充电。这一过程既繁琐又耗时，而且需要经常打开航行器船舱，影响其密闭性。因此，需要设计一种更有效的电池充电方式。无线能量传输技术的引入正好解决了这一问题。自主水下航行器需要充电时，只需将航行器停靠在充电平台上即可实现无线充电。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前没有航行器基于无线能量传输技术的内部充电结构进行设计的问题，而提出的一种自主水下航行器在水下无线充电设备。
上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
一种自主水下航行器在水下无线充电设备具体包括：自主水下航行器、水下充电装置和捕捉机械臂；
所述的自主水下航行器和水下充电装置通过捕捉机械臂进行连接；
所述的自主水下航行器包括耦合器次级端、自主水下航行器谐振补偿电路、自主水下航行器整流滤波电路、直流斩波器、自主水下航行器主控制器、负载、微处理器、电池组、电流传感器、解调电路、通信控制器和总线；
其中，所述耦合器次级端接线端与自主水下航行器谐振补偿电路电容一端串联，自主水下航行器谐振补偿电路电容的另一端与解调电路模拟信号输入端口连接，解调电路数字信号输出端口与通信控制器信号输入端连接，通信控制器信号输出端与总线相连接，自主水下航行器谐振补偿电路电容的另一端与自主水下航行器整流滤波电路的输入端连接，自主水下航行器整流滤波电路的电容与直流斩波器开关管连接，直流斩波器输出端与总线相连接，直流斩波器控制端与自主水下航行器主控制器信号输出端相连，主控制器的信号输入端与微处理器的信号输出端相连接，微处理器的信号输入端与电流传感器信号输出端相连接，电流传感器的信号检测端与总线相连接，微处理器的RS-485通讯接口与电池组相连，电池组与总线相连接；主控制器控制信号输出端与负载的控制信号输入端连接；
所述水下充电装置包括海底输电电缆、水密接头、捕捉机构、变压器、水下充电装置整流滤波电路、高频逆变电路、水下充电装置谐振补偿电路、驱动控制器、耦合器初级端、调制电路和水下充电装置主控制器；
海底输电电缆通过水密接头与变压器初级侧接线端连接，变压器次级侧接线端与水下充电装置整流滤波电路的输入端连接，水下充电装置整流滤波电路电容与高频逆变电路电力场效应管S1和S2的源极连接，高频逆变电路的电力场效应管S2的漏极和S4的源极与水下充电装置谐振补偿电路电容的一端连接，水下充电装置谐振补偿电路电容的另一端与耦合器初级端相连接，高频逆变电路的电力场效应管S1、S2、S3和S4的栅极与驱动控制器控制信号输出端相连接，驱动控制器控制信号输入端与调制电路控制信号输出端连接，调制电路的控制信号输入端与水下充电装置主控制器控制信号输出端相连接；其中，高频逆变电路包括电力场效应管S1、电力场效应管S2、电力场效应管S3和电力场效应管S4；
所述电力场效应管S1、电力场效应管S2、电力场效应管S3和电力场效应管S4在高频逆变电路中的位置关系为：电力场效应管S1与电力场效应管S2串联后与串联的电力场效应管S3和电力场效应管S4并联。
发明效果
本发明的目的是将应用无线能量传输技术的水下充电装置用于航行器水下无线充电，以解决水下航行器续航能力差，充电过程耗时费力等缺点。
本发明在于将无线能量传输技术引入航行器水下充电中，使得航行器需要充电时，只需停靠在水下充电装置即可进行无线充电。这种方法解决了传统充电方式耗时费力的缺点，增强了航行器的在水中执行任务的续航能力。所提出的航行器内部结构是在传统充电电路基础上增加了部分单元，设计简单且无需改变航行器自身结构。
本发明是专门针对自主水下航行器设计了一种水下无线充电系统。给出了航行器内部改进的无线充电结构，并给出了无线充电系统的实现过程。解决了航行器传统充电的繁琐过程，使航行器能够在水下实现连续作业。
附图说明
图1为具体实施方式一提出的无人水下航行器无线充电内部结构框图；
图2为具体实施方式一提出的无线能量与信号传输系统电路图；其中，T为变压器209，电池组用负载R表示。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1本实施方式的一种自主水下航行器在水下无线充电设备，具体包括：自主水下航行器202、水下充电装置201和捕捉机械臂207；
所述的自主水下航行器202和水下充电装置201通过捕捉机械臂207进行连接；
所述的自主水下航行器202包括耦合器次级端204、自主水下航行器谐振补偿电路311、自主水下航行器整流滤波电路309、直流斩波器(DC/DC变换器)310、自主水下航行器主控制器302、负载308、微处理器303、电池组305、电流传感器304、解调电路307、通信控制器306和总线301；
其中，所述耦合器次级端204接线端与自主水下航行器谐振补偿电路311电容一端串联，自主水下航行器谐振补偿电路311电容的另一端与解调电路307模拟信号输入端口连接，解调电路307数字信号输出端口与通信控制器306信号输入端连接，通信控制器306信号输出端与总线301相连接，自主水下航行器谐振补偿电路311电容的另一端与自主水下航行器整流滤波电路309的输入端(二极管D5正极和二极管D7负极)连接，自主水下航行器整流滤波电路309的电容与直流斩波器310开关管(开关管Sc的源极)连接，直流斩波器310输出端与总线301相连接，直流斩波器310控制端(开关管Sc的漏极)与自主水下航行器主控制器302信号输出端相连，主控制器303的信号输入端与微处理器303的信号输出端相连接，微处理器303的信号输入端与电流传感器304信号输出端相连接，电流传感器304的信号检测端与总线301相连接，微处理器303的RS-485通讯接口与电池组相连，电池组与总线301相连接；主控制器控制信号输出端与负载的控制信号输入端连接；
所述水下充电装置201包括海底输电电缆205、水密接头206、捕捉机构208、变压器209、水下充电装置整流滤波电路210、高频逆变电路211、水下充电装置谐振补偿电路214、驱动控制器215、耦合器初级端203、调制电路212和水下充电装置主控制器213；
海底输电电缆205通过水密接头206与变压器初级侧接线端209连接，变压器209次级侧接线端与水下充电装置整流滤波电路210的输入端(D1正极和D3负极)连接，水下充电装置整流滤波电路210电容与高频逆变电路211电力场效应管S1和S2的源极连接，高频逆变电路211的电力场效应管S2的漏极和S4的源极与水下充电装置谐振补偿电路214电容的一端连接，水下充电装置谐振补偿电路214电容的另一端与耦合器初级端203相连接，高频逆变电路211的电力场效应管S1、S2、S3和S4的栅极与驱动控制器215控制信号输出端相连接，驱动控制器215控制信号输入端与调制电路212控制信号输出端连接，调制电路212的控制信号输入端与水下充电装置主控制器213控制信号输出端相连接；其中，高频逆变电路211包括电力场效应管S1、电力场效应管S2、电力场效应管S3和电力场效应管S4。
本实施方式效果：
本实施方式的目的是将应用无线能量传输技术的水下充电装置用于航行器水下充电装置，以解决水下航行器续航能力差，充电过程耗时费力等缺点。
本实施方式在于将无线能量传输技术引入航行器水下充电中，使得航行器需要充电时，只需停靠在水下充电装置即可进行无线充电。这种方法解决了传统充电方式耗时费力的缺点，增强了航行器的在水中执行任务的续航能力。所提出的航行器内部结构是在传统充电电路基础上增加了部分单元，设计简单且无需改变航行器自身结构。
本实施方式是专门针对自主水下航行器设计了一种水下无线充电系统。给出了航行器内部改进的无线充电结构，并给出了无线充电系统的实现过程。解决了航行器传统充电的繁琐过程，使航行器能够在水下实现连续作业。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述水下充电装置201为自主水下航行器202提供电力供应和通讯支持的基础设施。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的变压器209将电压转换为220V±10V的交流电为系统提供能量。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述电力场效应管S1、电力场效应管S2、电力场效应管S3和电力场效应管S4在高频逆变电路211中的位置关系为：电力场效应管S1与电力场效应管S2串联后与串联的电力场效应管S3和电力场效应管S4并联。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的捕捉机构208对称安装于水下充电装置201两侧，捕捉机构208用于捕捉捕捉机械臂207。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述水下充电装置整流滤波电路210为SOLIDSTATE公司的KBPC5010型整流桥(在电路中等效成4个二极管)，水下充电装置整流滤波电路210电容(电容C1)选择4个1000μF/450V的铝电解电容并联，电感为70mH手工缠绕电感。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述高频逆变电路211电力场效应管或直流斩波器310中的开关管Sc(直流斩波器(310)中的电力场效应管)为飞利浦公司的IRFP460。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的耦合器初级端203或者耦合器次级端204为松耦合变压器采用铁氧体磁芯缠绕0.1mm*150匝每根的绞线圈构成。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述的水下充电装置谐振补偿电路214或自主水下航行器谐振补偿电路311的电容为12.6nF/2000V的CBB电容。其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述的自主水下航行器整流滤波电路309中二极管为MIC公司FR607型快速恢复二极管，自主水下航行器整流滤波电路309中电容C2为两个470μF/450V的大容量电解电容。其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
工作原理
水下充电装置工作原理：
水下充电装置201是为自主水下航行器202提供电力供应和通讯支持的基础设施，可以使自主水下航行器实现水下长航时持续作业。当航行器需要补充能量或传输数据时，只需将航行器悬停在水下充电装置上方，通过航行器的捕捉机械臂与水下充电装置的捕捉机构完成水下对接，锁定机构实现最终的定位。
水下充电装置201通过海底高压输电电缆205提供能量，通过水密接头206与水下充电装置密封连接；一般海底输电电缆上的电压为几百千伏的交流电，所以需要进行降压转换才能满足系统供电需求；通过变压器209将电压转换为220V±10V的交流电为系统提供能量。将电压转换为220V±10V的交流电之后，通过水下充电装置整流滤波电路210将220V±10V工频电压转换成直流电压，再经过高频逆变电路211将直流电压转换成100kHz的交流电通过水下充电装置谐振补偿电路214提供给耦合器初级端203。
水下充电装置在充电过程中还可同时进行信息传输，从而实现任务的上传。水下充电装置的主控制器213将新的任务信息通过调制电路212转换为模拟信号通过驱动控制器215加载到高频逆变电路211的控制信号后形提供给耦合器初级端203。
耦合器初级端203将接收的100kHz的交流电和加载后的模拟信号通过能量传输通道一同传输到耦合器次级端204。
耦合器次级端204提取接收到的加载后的模拟信号通过自主水下航行器谐振补偿电路311转换成加载后的模拟信号，通过解调电路307将加载后的模拟信号转换成数字信号，解调电路307将数字信号传递给通信控制器306，通信控制器306将数字信号复原成任务信息传输到总线301，完成任务信息的上传。
耦合器初级端203接收到高频交流电在耦合器初级端203内部形成高频的交变磁场，根据电磁感应原理，耦合器次级端204处于耦合器初级端203形成的交变磁场中，在耦合器次级端204内部将高频的交变磁场感应出高频交流电，从而实现了能量的无线传输。
耦合器次级端204将高频交流电通过自主水下航行器整流滤波电路309转换成直流电，直流电通过DC/DC变换器310将接收到的直流电转换成电池组305充电所需的电压提供给总线301，由总线301经过电池组305充电；电池组305通过微处理器303相连，(采用RS-485通讯接口)微处理器303可以实现在电池组充电过程中对电池组305充电状态的实时监控，电流传感器304用于检测电池组的充电电流，并将数据返回给微处理器303；微处理器303将电池充电数据返回给自主水下航行器主控制器302，主控制器302分析数据后通过调节DC/DC变换器310的占空比从而改变电池组305充电电压，实现了对电池组充电的控制；占空比就是DC/DC变换器中开关一个周期导通的时间D＝ton/T，通过改变DC/DC变换器占空比改变DC/DC变换器输出电压，也就是充电电压。DC/DC变换器就是个调压电路，根据一个周期开关导通时间的不同，输出电压不同。T是工作周期，ton是一个周期开关导通的时间，D＝ton/T称为占空比。
图2中所述水下充电装置201具体工作原理：
能量通过海底高压输电电缆205为水下充电装置供电，输入高压电Vin通过变压器209转换成220V±10V工频交流电后提供给水下充电装置整流滤波电路210，水下充电装置整流滤波电路210将变压器209输出的220V±10V工频交流电通过a1和b1输入整流电路，通过节点c1和d1转化成直流电，直流电分别通过电感La和电容C1进行滤波；通过电感La后的直流电通过介电a2和b2输入到高频逆变电路211，高频逆变电路211将直流电转换成高频交流电由节点c2和d2输出到谐振补偿的初级补偿电容Cp；从而激励耦合器初级端203的耦合器初级端绕组Lp进行能量的传输；
能量传输耦合器包括：耦合器初级端绕组Lp、初级补偿电容Cp、耦合器次级端绕组Ls和次级补偿电容Cs；由于耦合器初级与次级间存在气隙，导致耦合系数降低、能量损耗大等问题，因此在电路中加入电容进行补偿，使补偿电容与耦合器电感的谐振频率等于电路工作频率，可大大提高系统的传输效率。
图2中自主水下航行器202包括：自主水下航行器整流滤波电路309(全桥整流电路)由四个快速二极管D5、D6、D7和D8组成；
将耦合器次级端204的耦合器次级端绕组Ls接收到高频交流电通过电容Cs滤波后，通过a3和b3输入到自主水下航行器整流滤波电路309中，通过自主水下航行器整流滤波电路309将高频交流电转化成直流电；直流电通过c3和d3输出到DC/DC变换器(直流斩波器)，通过DC/DC变换器310在电池充电过程中实时调节电池的充电电压(电池的充电电压检测是通过微处理器实现的)；通过调节DC/DC变换器的Sc驱动控制信号的占空比来调节充电电压大小；
所述的信号传输电路具体电路包括：信号注入端置于水下充电装置201中，在水下充电装置201中增加驱动控制器215与电路图相对应，逆变电路工作时需要对4个开关管(S1，S2，S3和S4)进行驱动控制，水下充电装置主控制器213将任务信息传给调制电路212对任务信息进行编码，将编码后的信息注入到驱动控制器215的驱动控制信号中形成信号，对逆变电路驱动控制。将信号加载到能量中，通过感应耦合原理实现能量与信号的传输；信号提取端置于自主水下航行器202中，从耦合器次级端204感应得到的能量中提取出信息数据。
耦合器次级端204提取接收到的加载后的模拟信号通过自主水下航行器谐振补偿电路311转换成加载后的模拟信号，通过解调电路307将加载后的模拟信号转换成数字信号，传递给通信控制器306转化为信息形式传输到总线301，完成任务信息的上传。
其中，水下充电装置整流滤波电路210由四个快速二极管D1、D2、D3和D4组成；高频逆变电路211(全桥逆变电路)由四个电力场效应管S1、S2、S3和S4组成；自主水下航行器整流滤波电路309由四个快速二极管D5、D6、D7和D8组成；耦合器初级端绕组Lp、初级补偿电容Cp、耦合器次级端绕组Ls和次级补偿电容Cs；DC/DC变换电路由电力场效应管Sc，二极管Dc以及滤波电感Lc和电容C3组成；耦合器初级端203是由耦合器初级端绕组Lp和耦合器次级端204是由耦合器次级端绕组Ls，耦合器就是一个分离的变压器，所以可以等效成电感。
所述电感Lc为8.48mH手工缠制电感；所述的C3为两个2200uF/400V的电容并联组成输出电容C＝1100μF；所述的直流斩波器310中的Dc续流二极管为DSEI60-12A。

Claims (9)

1.一种自主水下航行器在水下无线充电设备，其特征在于一种自主水下航行器在水下无线充电设备具体包括：自主水下航行器(202)、水下充电装置(201)和捕捉机械臂(207)；
所述的自主水下航行器(202)和水下充电装置(201)通过捕捉机械臂(207)进行连接；
所述的自主水下航行器(202)包括耦合器次级端(204)、自主水下航行器谐振补偿电路(311)、自主水下航行器整流滤波电路(309)、直流斩波器(310)、自主水下航行器主控制器(302)、负载(308)、微处理器(303)、电池组(305)、电流传感器(304)、解调电路(307)、通信控制器(306)和总线(301)；
其中，所述耦合器次级端(204)接线端与自主水下航行器谐振补偿电路(311)电容一端串联，自主水下航行器谐振补偿电路(311)电容的另一端与解调电路(307)模拟信号输入端口连接，解调电路(307)数字信号输出端口与通信控制器(306)信号输入端连接，通信控制器(306)信号输出端与总线(301)相连接，自主水下航行器谐振补偿电路(311)电容的另一端与自主水下航行器整流滤波电路(309)的输入端连接，自主水下航行器整流滤波电路(309)的电容与直流斩波器(310)开关管连接，直流斩波器(310)输出端与总线(301)相连接，直流斩波器(310)控制端与自主水下航行器主控制器(302)信号输出端相连，主控制器(303)的信号输入端与微处理器(303)的信号输出端相连接，微处理器(303)的信号输入端与电流传感器(304)信号输出端相连接，电流传感器(304)的信号检测端与总线(301)相连接，微处理器(303)的RS-485通讯接口与电池组相连，电池组与总线(301)相连接；主控制器控制信号输出端与负载的控制信号输入端连接；
所述水下充电装置(201)包括海底输电电缆(205)、水密接头(206)、捕捉机构(208)、变压器(209)、水下充电装置整流滤波电路(210)、高频逆变电路(211)、水下充电装置谐振补偿电路(214)、驱动控制器(215)、耦合器初级端(203)、调制电路(212)和水下充电装置主控制器(213)；
海底输电电缆(205)通过水密接头(206)与变压器初级侧接线端(209)连接，变压器(209)次级侧接线端与水下充电装置整流滤波电路(210)的输入端连接，水下充电装置整流滤波电路(210)电容与高频逆变电路(211)电力场效应管S1和S2的源极连接，高频逆变电路(211)的电力场效应管S2的漏极和S4的源极与水下充电装置谐振补偿电路(214)电容的一端连接，水下充电装置谐振补偿电路(214)电容的另一端与耦合器初级端(203)相连接，高频逆变电路(211)的电力场效应管S1、S2、S3和S4的栅极与驱动控制器(215)控制信号输出端相连接，驱动控制器(215)控制信号输入端与调制电路(212)控制信号输出端连接，调制电路(212)的控制信号输入端与水下充电装置主控制器(213)控制信号输出端相连接；其中，高频逆变电路(211)包括电力场效应管S1、电力场效应管S2、电力场效应管S3和电力场效应管S4；
所述电力场效应管S1、电力场效应管S2、电力场效应管S3和电力场效应管S4在高频逆变电路(211)中的位置关系为：电力场效应管S1与电力场效应管S2串联后与串联的电力场效应管S3和电力场效应管S4并联。
2.根据权利要求1所述一种自主水下航行器在水下无线充电设备，其特征在于：所述水下充电装置(201)为自主水下航行器(202)提供电力供应和通讯支持的基础设施。
3.根据权利要求2所述一种自主水下航行器在水下无线充电设备，其特征在于：所述的变压器(209)将电压转换为220V±10V的交流电为系统提供能量。
4.根据权利要求3所述一种自主水下航行器在水下无线充电设备，其特征在于：所述的捕捉机构(208)对称安装于水下充电装置(201)两侧，捕捉机构(208)用于捕捉捕捉机械臂(207)。
5.根据权利要求4所述一种自主水下航行器在水下无线充电设备，其特征在于：所述水下充电装置整流滤波电路(210)为SOLIDSTATE公司的KBPC5010型整流桥，水下充电装置整流滤波电路(210)电容选择4个1000μF/450V的铝电解电容并联，电感为70mH手工缠绕电感。
6.根据权利要求5所述一种自主水下航行器在水下无线充电设备，其特征在于：所述高频逆变电路(211)电力场效应管或者直流斩波器(310)中的电力场效应管为飞利浦公司的IRFP460。
7.根据权利要求6所述一种自主水下航行器在水下无线充电设备，其特征在于：所述的耦合器初级端(203)或者耦合器次级端(204)为松耦合变压器采用铁氧体磁芯缠绕0.1mm*150匝每根的绞线圈构成。
8.根据权利要求7所述一种自主水下航行器在水下无线充电设备，其特征在于：所述的水下充电装置谐振补偿电路(214)或自主水下航行器谐振补偿电路(311)的电容为12.6nF/2000V的CBB电容。
9.根据权利要求8所述一种自主水下航行器在水下无线充电设备，其特征在于：所述的自主水下航行器整流滤波电路(309)中二极管为MIC公司FR607型快速恢复二极管。
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