CN109733567B - 一种利用auv对水下作业单元进行非接触式充电的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种利用AUV对水下作业单元进行非接触式充电的方法，该方法通过AUV搭载电磁耦合器原边线圈，AUV运行至水下作业单元处，调整姿态使电磁耦合器原边线圈与水下作业单元侧的副边线圈耦合，实现非接触式充电。在AUV运行至水下作业单元的过程中，本发明通过在海面上设置人工信号标，建立以人工信号标为原点的三维坐标系，通过三维坐标系标定悬停点的坐标，实现相对导航，进而实现AUV精准导航及悬停，降低了水下导航的难度。
Description
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，尤其是一种利用AUV对水下作业单元进行非接触式充电的方法。
背景技术
目前市场上的水下作业单元(如水下传感器等)都是采用消耗式自动报废或者通过蛙人进行充电或者电源更换，来维持水下作业单元的能量。
采用消耗式自动报废的水下单元，会造成资源浪费和水下环境污染；而通过人工作业进行电源更换或者充电，又具有较高的危险性，对人员技能要求较高，且人工在水下工作效率较低。
无缆水下机器人，又称为自主式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)。自主式水下机器人是新一代水下机器人，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，成为完成各种水下任务的重要工具。例如，在民用领域，可用于铺设管线、海底考察、数据收集、钻井支援、海底施工，水下设备维护与维修等。
采用水下机器人去维护水下作业单元，已成为技术趋势，但是，水下机器人要完成对水下作业单元的充电，需要与水下作业单元顺利对接，这就需要精确的导航。
由于电磁波在海水中衰减剧烈，而海底光线强度较低，所以在水下很难采用视觉导航和GPS导航。现有技术中，主要依靠声学系统进行导航，如声呐、USBL(超短基线)、SBL(短基线)、LBL(长基线)等，但是声呐导航精确度较低，无法实现精准对接，在海底铺设基线难度较大，且基线定位系统价格昂贵，成本很高。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出一种利用AUV对水下作业单元进行非接触式充电的方法。
技术方案：本发明解决技术问题的方案为：
一种利用AUV对水下作业单元进行非接触式充电的方法，所述水下作业单元包括：供电电源、电磁耦合器副边线圈、电源电压检测模块；AUV内置无线通信模块、GPS和相对导航模块，AUV通过无线通信模块与海上基站交互数据；AUV上搭载能量补偿单元和电磁耦合器原边线圈，能量补偿单元与电磁耦合器原边线圈相连，为电磁耦合器原边线圈供电；
该方法包括步骤：
(1)为每个水下作业单元在海面上设置具有无线通信功能的人工信号标，人工信号标的位置固定；人工信号标通过通信线缆与水下作业单元连接；人工信号标内存储其在地面坐标系下的坐标；在水下作业单元的电磁耦合器副边线圈上方设置一个悬停点，以人工信号标为原点建立三维坐标系，计算出悬停点相对于人工信号标的三维位置坐标，将三维坐标系参数以及悬停点的位置坐标存储在人工信号标内；
(2)电源电压检测模块按照设定的频率检测水下作业单元供电电源的输出电压，并通过通信线缆传递给人工信号标，人工信号标通过海上基站与远程监控系统交互数据，将电源电压检测模块的检测数据和自身在地面坐标系下的坐标上传至远程监控系统；
(3)远程监控系统根据接收到的检测数据判断是否需要对相应的水下作业单元进行充电；当远程监控系统判定水下作业单元需要充电时，通过海面基站向AUV下发任务，任务中包括悬停时长和人工信号标的坐标；
(4)AUV根据接收到的任务中的人工信号标的坐标，采用GPS导航方法从海面上行驶至人工信号标处，并读取人工信号标中的三维坐标系参数和悬停点的位置坐标；AUV中的相对导航模块以三维坐标系的原点为起始位置、以悬停点的位置坐标为目标位置，采用相对导航法行驶至悬停点；
(5)到达悬停点时，AUV调整姿态为预设的悬停姿态，预设的悬停姿态为能够使AUV搭载的电磁耦合器原边线圈与水下作业单元的电磁耦合器耦合成功的姿态；AUV在悬停姿态下通过电磁耦合为水下作业单元的蓄电池充电；
(6)当AUV的悬停时长到达任务所规定的悬停时长时，AUV结束悬停姿态，并以悬停点的位置坐标为起始坐标，以三维坐标系的原点坐标为目的地坐标，采用相对导航模块导航，返回人工信号标处，并通过海上基站向远程监控系统反馈任务完成信号。
进一步的，所述人工信号标内置射频标签，射频标签内存储三维坐标系参数以及悬停点的位置坐标。
进一步的，所述电磁耦合器采用罐型磁芯。
进一步的，所述悬停点设置在电磁耦合器副边线圈上方，并位于电磁耦合器副边线圈中心轴线上。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、本发明采用水下机器人对水下作业单元进行非接触式充电，替代人工作业，提高了工作效率，降低维护人员的工作难度和危险性。
2、本发明在海面上设置人工信号标，建立以人工信号标为原点的三维坐标系，通过三维坐标系标定悬停点的坐标，实现相对导航，进而实现AUV精准导航及悬停，降低了水下导航的难度。
3、本发明采用非接触式充电技术，降低了AUV与水下作业单元的对接要求，更易于实现。
附图说明
图1为非接触式充电时AUV与水下单元的对接示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
通过电磁耦合器进行非接触式充电是通过原边线圈和副边线圈之间传输电力，当送电线圈中有交变电流通过时，原边线圈和副边线圈之间产生交替变化的磁束，由此在副边线圈产生随磁束变化的感应电动势，副边线圈端子对外输出交变电流。
而要实现水下非接触式充电，需要搭载能量补偿单元和电磁耦合器原边线圈的AUV与水下作业单元的副边线圈进行位置对接，以实现电磁耦合，本发明所述的方案中，采用AUV搭载能量补偿单元和电磁耦合器原边线圈，能量补偿单元与电磁耦合器原边线圈相连，为电磁耦合器原边线圈供电；AUV内置无线通信模块、GPS和相对导航模块，AUV通过无线通信模块与海上基站交互数据。水下作业单元包括：供电电源、电磁耦合器副边线圈、电源电压检测模块；AUV对水下作业单元进行非接触式充电时，二者架构如图1所示。
为实现AUV与水下作业单元顺利对接，本发明提出以下步骤：
(1)为每个水下作业单元在海面上设置具有无线通信功能的人工信号标，人工信号标的位置固定；人工信号标通过通信线缆与水下作业单元连接；人工信号标内存储其在地面坐标系下的坐标；在水下作业单元的电磁耦合器副边线圈上方设置一个悬停点，以人工信号标为原点建立三维坐标系，计算出悬停点相对于人工信号标的三维位置坐标，将三维坐标系参数以及悬停点的位置坐标存储在人工信号标内；
(2)电源电压检测模块按照设定的频率检测水下作业单元供电电源的输出电压，并通过通信线缆传递给人工信号标，人工信号标通过海上基站与远程监控系统交互数据，将电源电压检测模块的检测数据和自身在地面坐标系下的坐标上传至远程监控系统；
(3)远程监控系统根据接收到的检测数据判断是否需要对相应的水下作业单元进行充电；当远程监控系统判定水下作业单元需要充电时，通过海面基站向AUV下发任务，任务中包括悬停时长和人工信号标的坐标；
(4)AUV根据接收到的任务中的人工信号标的坐标，采用GPS导航方法从海面上行驶至人工信号标处，并读取人工信号标中的三维坐标系参数和悬停点的位置坐标；AUV中的相对导航模块以三维坐标系的原点为起始位置、以悬停点的位置坐标为目标位置，采用相对导航法行驶至悬停点；
(5)到达悬停点时，AUV调整姿态使自身中心点与悬停点重合，然后调整姿态为预设的悬停姿态，预设的悬停姿态为能够使AUV搭载的电磁耦合器原边线圈与水下作业单元的电磁耦合器耦合成功的姿态；AUV在悬停姿态下通过电磁耦合为水下作业单元的蓄电池充电；
(6)当AUV的悬停时长到达任务所规定的悬停时长时，AUV结束悬停姿态，并以悬停点的位置坐标为起始坐标，以三维坐标系的原点坐标为目的地坐标，采用相对导航模块导航，返回人工信号标处，并通过海上基站向远程监控系统反馈任务完成信号。
上述方案中，AUV可通过水面无人船或有人作业平台搭载至需要进行作业的海域上，在AUV执行完任务后，会返回人工信号标处，此时可人工打捞AUV，或通过遥控水面无人船进行AUV打捞，实现AUV的回收。
进一步的，所述人工信号标内置射频标签，射频标签内存储三维坐标系参数以及悬停点的位置坐标。
进一步的，所述电磁耦合器采用罐型磁芯。
进一步的，所述悬停点设置在电磁耦合器副边线圈上方，并位于电磁耦合器副边线圈中心轴线上，耦合时，原边线圈与副边线圈之间的距离为50mm至100mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种利用AUV对水下作业单元进行非接触式充电的方法，其特征在于，所述水下作业单元包括：供电电源、电磁耦合器副边线圈、电源电压检测模块；AUV内置无线通信模块、GPS和相对导航模块，AUV通过无线通信模块与海上基站交互数据；AUV上搭载能量补偿单元和电磁耦合器原边线圈，能量补偿单元与电磁耦合器原边线圈相连，为电磁耦合器原边线圈供电；
该方法包括步骤：
（1）为每个水下作业单元在海面上设置具有无线通信功能的人工信号标，人工信号标的位置固定；人工信号标通过通信线缆与水下作业单元连接；人工信号标内存储人工信号标本身在地面坐标系下的坐标；在水下作业单元的电磁耦合器副边线圈上方设置一个悬停点，以人工信号标为原点建立三维坐标系，计算出悬停点相对于人工信号标的三维位置坐标，将三维坐标系参数以及悬停点的位置坐标存储在人工信号标内；
（2）电源电压检测模块按照设定的频率检测水下作业单元供电电源的输出电压，并通过通信线缆传递给人工信号标，人工信号标通过海上基站与远程监控系统交互数据，将电源电压检测模块的检测数据和自身在地面坐标系下的坐标上传至远程监控系统；
（3）远程监控系统根据接收到的检测数据判断是否需要对相应的水下作业单元进行充电；当远程监控系统判定水下作业单元需要充电时，通过海面基站向AUV下发任务，任务中包括悬停时长和人工信号标的坐标；
（4）AUV根据接收到的任务中的人工信号标的坐标，采用GPS导航方法从海面上行驶至人工信号标处，并读取人工信号标中的三维坐标系参数和悬停点的位置坐标；AUV中的相对导航模块以三维坐标系的原点为起始位置、以悬停点的位置坐标为目标位置，采用相对导航法行驶至悬停点；
（5）到达悬停点时，AUV调整姿态为预设的悬停姿态，预设的悬停姿态为能够使AUV搭载的电磁耦合器原边线圈与水下作业单元的电磁耦合器耦合成功的姿态；AUV在悬停姿态下通过电磁耦合为水下作业单元的蓄电池充电；
（6）当AUV的悬停时长到达任务所规定的悬停时长时，AUV结束悬停姿态，并以悬停点的位置坐标为起始坐标，以三维坐标系的原点坐标为目的地坐标，采用相对导航模块导航，返回人工信号标处，并通过海上基站向远程监控系统反馈任务完成信号。
2.根据权利要求1所述的一种利用AUV对水下作业单元进行非接触式充电的方法，其特征在于，所述人工信号标内置射频标签，射频标签内存储三维坐标系参数以及悬停点的位置坐标。
3.根据权利要求2所述的一种利用AUV对水下作业单元进行非接触式充电的方法，其特征在于，所述电磁耦合器采用罐型磁芯。
4.根据权利要求3所述的一种利用AUV对水下作业单元进行非接触式充电的方法，其特征在于，所述悬停点设置在电磁耦合器副边线圈上方，并位于电磁耦合器副边线圈中心轴线上。
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