CN107612152A - 一种自主水下航行器的无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自主水下航行器的无线充电系统，该系统采用多个发射线圈与接收线圈一一对应的组合方式实现无线电能(电磁感应式)传输,为自主水下航行器(AUV)进行充电。多个发射线圈密封后安装于AUV的接驳基站内,均匀分布在接驳基站内侧周向，并且发射线圈安装在可径向伸缩的机构上，能够根据自主水下航行器的直径，进行自适应调整，使得发射线圈与接收线圈实现最大程度的贴合，从而获得较高的耦合系数。且该系统可保证即使AUV进入接驳站后有一定的横滚角，仍然能使发射线圈产生的电磁场进入接收线圈。此外该系统利用均衡控制策略，可保证每一路接收线圈经整流、升压后的输出功率相同。
Description
技术领域
本发明属于水下无线充电技术领域，涉及一种自主水下航行器的无线充电系统。
背景技术
随着科技的进步,人们对于海底世界的探索越来越多,自主水下航行器的使用也更加广泛。为了提高自主水下航行器的续航能力,需要对其进行回收并充电。为了避免母船回收自主水下航行器带来的高昂成本，人们希望能在水下完成对潜水器的充电过程。传统的水下充电方式是通过“湿插拔”，即通过特殊的机械结构挤开水，实现直接的电气连接的方式。然而这一过程会造成设备的磨损，并且需要很高的对准精度，使得“湿插拔”的应用受到一定的限制。
为了更简单的在水下对自主水下航行器进行充电，专利CN 103708012A和专利CN102320362A都公开了一种回收自主水下航行器的接驳基站，使得自主水下航行器在海底有一个安全的停靠点，并且能够进行无线充电。然而自主水下航行器在进入基站的过程中，会有一定的横滚角，导致接驳基站和自主水下航行器上用来进行无线充电的发射和接收线圈不能对齐，造成充电效率低甚至不能进行充电；此外，自主水下航行器的直径各不相同，所携带的电池容量也不相同，这就意味着其额定的充电功率也不相同。大功率的无线充电如果用一路电路来承载，往往会造成电路上的元件承受过高的电压和电流应力，同时造成热量集中，降低了系统的可靠性。因此，需要设计出一套能适应不同直径自主水下航行器，并且能克服航行器自身的横滚角对实现无线充电的影响，还要能克服单个电路承载过高功率所带来的潜在隐患的水下无线充电系统。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能够适应不同AUV直径的自主水下航行器的无线充电系统，该系统适应性强，且能够克服因自主水下航行器存在横滚角所造成的发射和接收线圈之间对不齐的问题；此外，该无线充电系统的接收端采用多路并联，通过均衡控制策略保证每一路输出功率相同，满足大功率的无线充电需求。
本发明采用的技术方案如下：
一种自主水下航行器的无线充电系统主要包括：AUV接驳基站、水密直线电机、发射线圈、伸缩杆、接收线圈和自主水下航行器；所述的AUV接驳基站的接驳腔体内壁沿周向均匀安装若干个伸缩杆，每个伸缩杆由一台水密直线电机控制伸缩，伸缩杆顶端固定有发射线圈，在自主水下航行器上沿周向均匀设置有与发射线圈个数相同的接收线圈。
所述的发射线圈和接收线圈的接触面均绕制成曲面，朝向一致，且曲率为AUV接驳基站所需适应的AUV的最大直径和最小直径所对应的曲率的平均值。
所述的发射线圈和接收线圈的直径应满足：
AUV接驳基站所能适应的最大自主水下航行器的横滚角为：±θ(单位：度)，其中，θ＝45Δd/R，Δd为接收线圈与发射线圈的直径差，R为自主水下航行器的半径。
为避免各对发射、接收线圈之间的相互干扰，所述的伸缩杆的数目优选为奇数个。
为使安装方便，所述的AUV接驳基站的接驳腔体的截面可以设计为多边形，其边数为伸缩杆数量的两倍。
当自主水下航行器进入AUV接驳基站后，二者通信，触发伸缩杆径向运动，当发射线圈与自主水下航行器外表面接触后，伸缩杆4停止运动，开始进行无线充电；充电结束后，自主水下航行器向AUV接驳基站发出信号，触发伸缩杆径向收缩。
在充电电路设计上，所述的每个接收线圈经过整流、升压(boost)后，输出相互并联给电池充电；通过均衡控制策略，保证每一路输出的功率相同。所述的均衡控制策略使用PID控制，以升压(boost)电路的输出电压作为控制目标，以升压(boost)电路的输入电流与所有升压(boost)电路输入的平均电流的差值、以及升压(boost)电路的输入电压与所有升压电路输入电压平均值的差值，作为PID内环控制的误差输入。
与现有技术相比,本发明的优点在于:
(1)采用多组线圈组合，共同为电池充电。利用发明的均衡控制算法，使得每一路承载的功率相同，降低了每一路的承载功率。即使有一路发生故障,剩余几路仍然能继续充电,降低了系统故障概率；
(2)接收线圈的直径大于发射线圈，且二者应满足一定要求，保证在自主水下航行器进入接驳基站后即使有一定的横滚角下，也能保证充电的正常进行；
(3)利用水密直线电机和伸缩杆带动发射线圈径向运动，使得发明的无线充电系统能适用于不同直径的自主水下航行器；
附图说明
图1是自主水下航行器进入接驳基站(a)和没进入接驳基站时(b)的斜视图；
图2是自主水下航行器进入接驳基站后线圈处剖面示意图；
图3是无线充电系统接收端电路简化框图；
图4是无线充电系统接收端多路均衡功率控制框图。
具体实施方案
下面结合附图进一步说明本发明专利。
本发明的自主水下航行器的无线充电系统，采用多个发射线圈与接收线圈一一对应的组合方式实现无线电能(电磁感应式)传输,为自主水下航行器(AUV)进行充电。多个发射线圈密封后安装于AUV的接驳基站内,均匀分布在接驳基站内侧周向，并且发射线圈安装在可径向伸缩的机构上，能够根据自主水下航行器的直径，进行自适应调整，使得发射线圈与接收线圈实现最大程度的贴合，从而获得较高的耦合系数。AUV上的多个接收线圈的直径均比发射线圈的长，保证即使AUV进入接驳站后有一定的横滚角(通常为正负10°范围)，仍然能使发射线圈产生的电磁场进入接收线圈。
具体的，本发明的系统主要包括：AUV接驳基站1、水密直线电机2、发射线圈3、伸缩杆4、接收线圈5和自主水下航行器6等。
如图1所示的自主水下航行器进入AUV接驳基站时(a)和没进入AUV接驳基站时(b)的斜视图。其中，线圈处剖面示意图如附图2所示。该系统通过控制伸缩杆伸缩能适用于不同直径的AUV。
AUV接驳基站1内侧的正多边形上安装有多个水密直线电机2，其中多边形的边数为电机数量的两倍；水密直线电机2固定于AUV接驳基站1内侧多边形上，水密直线电机2与伸缩杆4固连，带动伸缩杆径向运动。伸缩杆4前端与发射线圈3固连，发射线圈3曲面朝向自主水下航行器6外表面；接收线圈5曲面一侧朝向自主水下航行器6的内壁；即如图2，发射线圈与接收线圈朝向一致，且曲率为AUV接驳基站所需适应的AUV的最大直径和最小直径所对应的曲率的平均值。AUV接驳基站所能适应的最大自主水下航行器的横滚角为：±θ(单位：度)，其中，θ＝45Δd/R，Δd为接收线圈与发射线圈的直径差，R为自主水下航行器的半径。
如图3所示，多个接收线圈5经过整流器整流后，与升压(boost)电路相连接，并且多路输出并联共同给电池进行充电。为了保证每一路承载的功率均衡，提出了如图4所示的均衡控制策略。其中：
Vref是期望的充电电压，Vout为实际输出电压，Vi是第i路升压(boost)电路的输入电压，Vavg是所有升压(boost)电路的输入电压的平均值，Ii是第i路升压(boost)电路的输入电流，Iavg是所有升压(boost)电路的输入电流的平均值。实际输出电压与期望充电电压的差值经过PI控制器后生成了中间参考电流Icmd。第i路升压(boost)电路的输入电压与所有升压电路的输入电压的平均值的差值经过比例控制器生成了偏置电流Ioffset，将Iref1(Iref1＝Icmd+Ioffset-(Ii-Iavg))输入PI控制器，生成相应的PWM波对升压(boost)电路的开关元件进行控制，使得系统输出的充电电压满足期望值，同时每一路承载的功率相同。
Claims (7)
1.一种自主水下航行器的无线充电系统，其特征在于，主要包括：AUV接驳基站(1)、水密直线电机(2)、发射线圈(3)、伸缩杆(4)、接收线圈(5)和自主水下航行器(6)；所述的AUV接驳基站(1)的接驳腔体内壁沿周向均匀安装若干个伸缩杆(4)，每个伸缩杆(4)由一台水密直线电机(2)控制伸缩，伸缩杆(4)顶端固定有发射线圈(3)，在自主水下航行器(6)上沿周向均匀设置有与发射线圈个数相同的接收线圈(5)。
2.根据权利要求1所述的自主水下航行器的无线充电系统，其特征在于，所述的发射线圈(3)和接收线圈(5)的接触面均绕制成曲面，且曲率为AUV接驳基站所需适应的AUV的最大直径和最小直径所对应的曲率的平均值。
3.根据权利要求1所述的自主水下航行器的无线充电系统，其特征在于，所述的发射线圈(3)和接收线圈(5)的直径应满足：
AUV接驳基站所能适应的最大自主水下航行器的横滚角为：±θ(单位：度)，其中，θ＝45Δd/R，Δd为接收线圈(5)与发射线圈(3)的直径差，R为自主水下航行器的半径。
4.根据权利要求1所述的自主水下航行器的无线充电系统，其特征在于，所述的伸缩杆(4)的数目优选为奇数个。
5.根据权利要求1所述的自主水下航行器的无线充电系统，其特征在于，所述的AUV接驳基站1的接驳腔体的截面为多边形，其边数为伸缩杆(4)数量的两倍。
6.根据权利要求1所述的自主水下航行器的无线充电系统，其特征在于，所述的每个接收线圈(5)经过整流、升压(boost)后，输出相互并联给电池充电；通过均衡控制策略，保证每一路输出的功率相同。
7.根据权利要求6所述的自主水下航行器的无线充电系统，其特征在于，所述的均衡控制策略使用PID控制，以升压(boost)电路的输出电压作为控制目标，以升压(boost)电路的输入电流与所有升压(boost)电路输入的平均电流的差值、以及升压(boost)电路的输入电压与所有升压电路输入电压平均值的差值，作为PID内环控制的误差输入。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20180119 |