CN109842190A - 水下机器人海底无线充电接驳系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下机器人海底无线充电接驳系统，包括海底供电装置、充电接驳坞和水下机器人；海底供电装置与充电接驳坞连接，用于利用海洋能源发电并存储，以为充电接驳坞提供电量；充电接驳坞用于将水下机器人引导到预设充电位置，并对水下机器人进行无线充电；水下机器人用于完成预设观测任务，并定期将观测数据传输给基站。本发明在水下实现非接触式的电能传输，接驳坞通过海底发电装置实现自供电，从而可以将该系统应用在离岸较远的深海环境中，同时提高水下机器人海底无线充电接驳系统对充电机器人的适用性，具有更高的可靠性和便捷性。

Description

水下机器人海底无线充电接驳系统

技术领域

本发明涉及海洋观测技术领域，具体涉及一种水下机器人海底无线充电接驳系统。

背景技术

海底观测网是由岸基站、海缆、海底主基站、海底设备适配站以及各种海底观测仪器设备构成的，用于对海洋进行观测的水下网络系统。而水下机器人作为海底观测网中的活动观测平台，通过连接到海底观测网上的充电接驳系统充电后获得电能，可实现持续观测。

现有海底充电接驳系统依赖海底观测网，不适用于海底观测网未建成的海域，而在海底观测网建成的海域中海底充电接驳系统的工作范围也受海底观测网中海缆长度的限制，且海底充电接驳系统完全依靠海缆的电能供应也将降低整个海底观测网的可靠性。同时现有的海底充电接驳系统多为“漏斗型”，该种接驳系统主要针对某种圆柱形水下机器人进行设计，无法适用于多种水下机器人，因此通用性较差。同时“漏斗型”接驳坞的能量来源仍为海底观测网主缆，一旦主缆发生故障，水下的机器人就无法进行及时充电，水下机器人电量耗尽后将无法继续工作。因此为了解决现有海底充电接驳系统工作范围受海底观测网中海缆长度限制以及海底充电接驳系统通用性差的问题，亟需一种可自供电的水下机器人海底无线充电接驳系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现多种水下机器人在海底观测网未覆盖海域下的充电接驳，且需具有较强的通用性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水下机器人海底无线充电接驳系统，包括：海底供电装置、充电接驳坞和水下机器人；

所述海底供电装置，与所述充电接驳坞连接，用于利用海洋能源发电并存储，以为所述充电接驳坞提供电量；

所述充电接驳坞，用于将所述水下机器人引导到预设充电位置，并对所述水下机器人进行无线充电；

所述水下机器人，用于完成预设观测任务，并定期将观测数据传输给基站。

优选的是，所述海底供电设备包括相互连接的海底发电设备和海底储能设备；

所述海底发电设备，用于利用海洋能源进行发电；

所述海底储能设备，用于对所述海底发电设备发的电量进行存储。

优选的是，所述充电接驳坞包括：接驳坞腔体以及位于所述接驳坞腔体内的接驳坞内部电路、第一电磁固定器和第一谐振线圈，所述第一电磁固定器和第一谐振线圈位于所述接驳坞腔体顶部；所述接驳坞内部电路分别与所述第一电磁固定器和所述第一谐振线圈连接，用于控制所述第一电磁固定器和第一谐振线圈的工作状态。

优选的是，所述接驳坞腔体的形状包括平板状粗短圆柱体。

优选的是，所述接驳坞内部电路包括第一控制处理模块，以及分别与所述第一控制处理模块连接的第一引导单元和变流单元；

所述第一控制处理模块，与所述海底储能设备连接，用于控制所述第一引导单元和变流单元的工作状；

所述第一引导单元，用于与所述水下机器人中的第二引导单元配合将所述水下机器人引导到预设充电位置；

所述变流单元，用于将所述海底储能设备输入的直流电转换为交流电。

优选的是，所述第一引导单元包括分别与所述第一控制处理模块连接的第一声学定位模块和第一光学定位模块；

所述第一声学定位模块，用于发出预设声波，以将所述水下机器人引导到预设范围内；

第一光学定位模块，用于发出预设光信号，以将所述水下机器人引导到所述预设充电位置。

优选的是，所述变流单元包括依次连接的驱动模块、逆变模块和第一补偿模块；

所述驱动模块与所述第一控制处理模块连接，用于控制所述逆变模块的工作状态；

所述逆变模块，与所述海底储能设备连接，用于将所述海底储能设备输入的直流电逆变为交流电；

所述第一补偿模块与所述第一谐振线圈连接，用于对所述逆变模块输入的交流电进行谐振补偿，并传输给所述第一谐振线圈。

优选的是，所述水下机器人包括水下机器人腔体以及设置于所述水下机器人腔体内的机器人内部电路、蓄电池、第二电磁固定器和第二谐振线圈；

所述机器人内部电路，包括第二控制处理模块以及分别与所述第二控制处理模块连接的第二引导单元和整流单元；

所述蓄电池，用于为所述水下机器人供电；

所述第二电磁固定器，用于与所述充电接驳坞中的第一电磁固定器配对使用，以将所述水下机器人固定在预设充电位置；

所述第二谐振线圈，用于与所述充电接驳坞中的第一谐振线圈配对使用，以对所述水下机器人进行充电。

优选的是，所述水下机器人腔体内还包括分别与所述第二控制处理模块连接的观测设备、内部存储器以及动力模块；所述机器人内部电路还包括与所述第二控制处理模块连接的通信模块；

所述观测设备，用于完成预设观测任务；

所述内部存储器，用于对所述观测设备得到的观测数据进行存储；

所述通信模块，用于根据所述第二控制处理模块控制将所述内部存储器内的所述观测数据发送给所述基站；

所述动力模块，用于为所述水下机器人提供动力。

优选的是，所述第二引导单元包括分别与所述第二控制处理模块连接的第二声学定位模块和第二光学定位模块；

所述第二声学定位模块，用于接收所述预设声波，以将所述水下机器人引导到预设范围内；

所述第二光学定位模块，用于接收和处理所述预设光线号，以将所述水下机器人引导到所述预设充电位置。

优选的是，所述整流单元包括相互连接的第二补偿模块和整流模块；

所述第二补偿模块，用于对第二谐振线圈传输的电能进行谐振补偿；

所述整流模块，与所述第二控制处理模块连接，用于将第二补偿模块输入的交流电转化为直流电，并传输给所述第二控制处理模块。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

应用本发明实施例提供的水下机器人海底无线充电接驳系统，通过设置海底供电装置实现水下非接触式的电能传输，充电接驳坞通过海底发电装置实现自供电，并将能量存储在海底储能装置中，从而可以将水下机器人海底无线充电接驳系统应用在离岸较远的深海环境中。该系统采用非接触式的电能传输方式，接驳坞和水下机器人之间没有直接电气接触，避免了传统传导线路的老化、磨损、接海短路等安全隐患，相对传统的海底水密连接器和水密线缆进行充电和通信，具有更高的可靠性和便捷性。同时水下机器人海底无线充电接驳系统还通过光学定位和声学定位配合的定位方式，使水下机器人与接驳坞之间准确对接，以完成充电动作。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为实施例一水下机器人海底无线充电接驳系统的在充电模式下的示意图。

图2为实施例一水下机器人海底无线充电接驳系统的在通信模式下的示意图。

图3为实施例一水下机器人海底无线充电接驳系统中充电接驳坞的结构示意图；

图4为实施例一水下机器人海底无线充电接驳系统中水下机器人的结构示意图；

图5为实施例一水下机器人海底无线充电接驳系统的工作流程图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

实施例一

为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例提供了一种水下机器人海底无线充电接驳系统。

图1为实施例一水下机器人海底无线充电接驳系统的在充电模式下的示意图；参考图1，本实施例水下机器人海底无线充电接驳系统包括海底供电装置、充电接驳坞和水下机器人，海底供电装置和充电接驳坞连接。

海底供电装置包括相互连接的海底发电设备和海底储能设备。海底发电设备可利用海洋能源进行发电；优选地，海底发电设备为波浪能发电设备。海底储能设备用于存储海底发电设备发出的电量，以为充电接驳坞提供电量，进一步在水下实现非接触式的电能传输，接驳坞通过海底发电装置实现自供电，并将能量存储在海底储能装置中，从而可以将该系统应用在离岸较远的深海环境中。

图3为实施例一水下机器人海底无线充电接驳系统中充电接驳坞的结构示意图；参考图3，充电接驳坞包括接驳坞腔体以及位于接驳坞腔体内的接驳坞内部电路、第一电磁固定器和第一谐振线圈。接驳坞内部电路分别与第一电磁固定器和第一谐振线圈连接，以控制第一电磁固定器和第一谐振线圈的工作状态。第一电磁固定器用于与水下机器人中的第二电磁固定器配对使用，以在充电接驳坞给水下机器人充电时，将水下机器人固定在充电接驳坞的预设充电位置。进一步地，第一电磁固定器和第二电磁固定器均为电磁铁装置，当充电接驳坞给水下机器人充电时，第一电磁固定器和第二电磁固定器通电，第一电磁固定器和第二电磁固定器产生电磁吸引力，以将水下机器人紧紧固定在预设充电位置上，以避免充电接驳坞在给水下机器人充电过程中水下机器人发生移位。第一谐振线圈与水下机器人中的第二谐振线圈配对使用，用于电能的无线传输，以实现对水下机器人的充电。

接驳坞内部电路包括第一控制处理模块、第一引导单元和变流单元，第一控制处理模块分别与第一引导单元和变流单元连接，以用于控制第一引导单元和变流单元的工作状态。

第一引导单元用于与水下机器人中的第二引导单元配合使用，以将水下机器人引导到预设充电位置。优选地，第一引导单元包括第一声学定位模块和第一光学定位模块，第一控制处理模块分别与第一声学定位模块和第一光学定位模块连接，以控制第一声学定位模块和第一光学定位模块的工作状态。第一声学定位模块用于发出预设声波，以将水下机器人引导到预设范围内。更进一步地，预设声波为用于确定接驳坞位置的声波，第一声学定位模块配合水下机器人中的第二声学定位模块引导带充电的水下机器人到预设范围内，预设范围为第一光学定位模块作用范围。第一光学定位模块用于发出预设光信号，以将水下机器人引导到预设充电位置。优选地，预设光信号为用于确定接驳坞位置的光信号，第一光学定位模块配合水下机器人中的第二光学定位模块引导待充电的水下机器人到预设充电位置。需要说明的是，由于光学定位模块的定位精度要远大于声学定位模块，因此本发明水下机器人海底无线充电接驳系统使用了将声学定位模块和声学定位模块配合的定位方式，具体声学定位模块作用有效距离远但精度低，而光学定位模块的精度高但其作用距离短，因此两者配合互相补充，以引导水下机器人与接驳坞之间准确对接，完成充电动作。

变流单元包括依次连接的驱动模块、逆变模块和第一补偿模块。驱动模块一端分别与第一控制处理模块和海底储能设备连接，另一端与逆变模块连接，驱动模块的作用是将输入的控制信号放大，用于控制逆变模块中的开关管，使得逆变模块将直流电逆变为一定频率的交流电，同时实现第一控制处理模块与逆变模块的隔离。逆变模块由开关管构成，主要将海底储能设备输入的直流电根据控制信号逆变为一定频率的交流电。第一补偿模块与第一谐振线圈连接，用于对逆变模块输入的交流电进行谐振补偿，主要由数字可编程电容和电阻组成，第一补偿模块的参数可以根据需要调整，以保证系统有较高的传输效率。

需要说明的是，本发明接驳坞腔体内的接驳坞内部电路中各模块和单元可根据充电接驳坞的腔体形状进行移动，以使得充电接驳坞的接驳坞腔体可被设置为可适用于多种类型的水下机器人的形状，优选地，接驳坞腔体为平板状粗短圆柱体。

图4为实施例一水下机器人海底无线充电接驳系统中水下机器人的结构示意图；参考图4，水下机器人包括水下机器人腔体以及设置于所述水下机器人腔体内的机器人内部电路、蓄电池、第二电磁固定器、第二谐振线圈、观测设备、内部存储器以及动力模块。

具体地，水下机器人腔体起保护水下机器人内部装置的作用。观测设备用于完成预设观测任务，并将获取的观测数据保存在内部存储器当中。内部存储器与观测设备俩连接，存储了观测设备观测到的观测数据。蓄电池负责水下机器人的供能；当电量不足时，可以通过接驳坞充电；优选地，蓄电池为锂电池。动力模块为水下机器人运动的主要动力部件，可以调整水下机器人的运动姿态，在需要时可以推动水下机器人浮出水面与卫星通信。第二电磁固定器与充电接驳坞中的第一电磁固定器配合使用，以在充电接驳坞给水下机器人充电时，将水下机器人固定在充电接驳坞的预设充电位置。第二谐振线圈与接驳坞的第一谐振线圈配合起传输电能的作用，是无线充电的关键结构，其品质将直接影响电能传输效率。

机器人内部电路包括第二控制处理模块、第二引导单元、整流单元以及通信模块，第二引导单元、整流单元和通信模块分别与第二控制处理模块连接。

优选地，第二引导单元包括第二声学定位模块和第二光学定位模块，第二声学定位模块，用于接收所述预设声波，以将水下机器人引导到预设范围内；第二光学定位模块，用于接收和处理预设光线号，以将水下机器人引导到预设充电位置。需要说明的是，第二声学定位模块和第二光学定位模块的具体工作方式在描述第一声学定位模块和第一光学定位模块的具体工作方式中以进行了说明，在此不再对其进行赘述。

整流单元包括相互连接的第二补偿模块和整流模块。整流模块一端与第二控制处理模块连接，另一端与第二补偿模块连接。整流模块用于将第二补偿模块输入的交流电转化为直流电。第二补偿模块与第二谐振线圈连接，主要功能部件为可编程电容。第二补偿模块主要用于对第二谐振线圈传输到本模块的电能进行谐振补偿，以保持持续较好的传输效果。

通信模块分别与第二控制处理模块和内部存储器连接，用于根据第二控制处理模块控制将内部存储器内的观测数据发送给卫星，卫星再将观测数据发送给基站。

第二控制处理模块分别与锂电池、内部存储器、整流模块、动力模块、第二声学定位模块和第二光学定位模块和通信模块连接，第二控制处理模块控制整流模块、动力模块、第二声学定位模块、第二光学定位模块和通信模块的工作状态。第二控制处理模块通过检测锂电池电量状况判断是否需要充电，根据内部存储器存储情况判断是否需要通信。

图5为实施例一水下机器人海底无线充电接驳系统的工作流程图。参考图5，

本发明水下机器人海底无线充电接驳系统，使用时预先将海底供电装置与接驳坞连接好，选择需要观测作业的海域安装，然后将水下机器人按需要编程，设置其常规观测任务，释放水下机器人，机器人将在接驳坞附近海域执行任务，并将获取的观测数据保存在内部存储器当中。水下机器人在电量充足的情况下，每当记录数据达到预定周期，水下机器人将上浮进行通信，通信结束后机器人返回继续执行既定任务；水下机器人当电量不足时，水下机器人将优先执行充电流程。首先启动第一声学定位模块，向接驳坞发出预设声波，充电接驳坞中的第二声学定位模块此时也相应启动，水下机器人由预设声波引导开始向充电接驳坞移动，当水下机器人到达第一光学定位模块可以发挥作用的位置(即预设范围内)时，水下机器人的第二光学定位模块和充电接驳坞的第一光学定位模块启动，开始引导水下机器人停靠在程序设置的最适充电位置(即预设充电位置)，而后第一电磁固定器和第二电磁固定器工作，保证水下机器人在充电过程中不会发生异常移动导致充电失败，充电开始的同时将关闭声学、光学定位系统，达到节能的目的，当水下机器人电池电量充满，电磁固定器将自动关闭，水下机器人离开充电接驳坞继续既定任务，并不断重复以上通信、充电流程。系统中，低电量的判断值可以根据工作范围更改，启动第一光学定位模块和第二光学定位模块的预设范围等数值也可根据设计需要选择。

应用本发明实施例提供的水下机器人海底无线充电接驳系统，通过设置海底供电装置实现水下非接触式的电能传输，充电接驳坞通过海底发电装置实现自供电，并将能量存储在海底储能装置中，从而可以将水下机器人海底无线充电接驳系统应用在离岸较远的深海环境中。该系统采用非接触式的电能传输方式，接驳坞和水下机器人之间没有直接电气接触，避免了传统传导线路的老化、磨损、接海短路等安全隐患，相对传统的海底水密连接器和水密线缆进行充电和通信，具有更高的可靠性和便捷性。同时水下机器人海底无线充电接驳系统还通过光学定位和声学定位配合的定位方式，使水下机器人与接驳坞之间准确对接，以完成充电动作。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (11)

1.一种水下机器人海底无线充电接驳系统，其特征在于，包括：海底供电装置、充电接驳坞和水下机器人；

所述海底供电装置，与所述充电接驳坞连接，用于利用海洋能源发电并存储，以为所述充电接驳坞提供电量；

所述充电接驳坞，用于将所述水下机器人引导到预设充电位置，并对所述水下机器人进行无线充电；

所述水下机器人，用于完成预设观测任务，并定期将观测数据传输给基站。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述海底供电设备包括相互连接的海底发电设备和海底储能设备；

所述海底发电设备，用于利用海洋能源进行发电；

所述海底储能设备，用于对所述海底发电设备发的电量进行存储。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电接驳坞包括：接驳坞腔体以及位于所述接驳坞腔体内的接驳坞内部电路、第一电磁固定器和第一谐振线圈，所述第一电磁固定器和第一谐振线圈位于所述接驳坞腔体顶部；所述接驳坞内部电路分别与所述第一电磁固定器和所述第一谐振线圈连接，用于控制所述第一电磁固定器和第一谐振线圈的工作状态。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述接驳坞腔体的形状包括平板状粗短圆柱体。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述接驳坞内部电路包括第一控制处理模块，以及分别与所述第一控制处理模块连接的第一引导单元和变流单元；

所述第一控制处理模块，与所述海底储能设备连接，用于控制所述第一引导单元和变流单元的工作状；

所述第一引导单元，用于与所述水下机器人中的第二引导单元配合将所述水下机器人引导到预设充电位置；

所述变流单元，用于将所述海底储能设备输入的直流电转换为交流电。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一引导单元包括分别与所述第一控制处理模块连接的第一声学定位模块和第一光学定位模块；

所述第一声学定位模块，用于发出预设声波，以将所述水下机器人引导到预设范围内；

第一光学定位模块，用于发出预设光信号，以将所述水下机器人引导到所述预设充电位置。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述变流单元包括依次连接的驱动模块、逆变模块和第一补偿模块；

所述驱动模块与所述第一控制处理模块连接，用于控制所述逆变模块的工作状态；

所述逆变模块，与所述海底储能设备连接，用于将所述海底储能设备输入的直流电逆变为交流电；

所述第一补偿模块与所述第一谐振线圈连接，用于对所述逆变模块输入的交流电进行谐振补偿，并传输给所述第一谐振线圈。

8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述水下机器人包括水下机器人腔体以及设置于所述水下机器人腔体内的机器人内部电路、蓄电池、第二电磁固定器和第二谐振线圈；

所述机器人内部电路，包括第二控制处理模块以及分别与所述第二控制处理模块连接的第二引导单元和整流单元；

所述蓄电池，用于为所述水下机器人供电；

所述第二电磁固定器，用于与所述充电接驳坞中的第一电磁固定器配对使用，以将所述水下机器人固定在预设充电位置；

所述第二谐振线圈，用于与所述充电接驳坞中的第一谐振线圈配对使用，以对所述水下机器人进行充电。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述水下机器人腔体内还包括分别与所述第二控制处理模块连接的观测设备、内部存储器以及动力模块；所述机器人内部电路还包括与所述第二控制处理模块连接的通信模块；

所述观测设备，用于完成预设观测任务；

所述内部存储器，用于对所述观测设备得到的观测数据进行存储；

所述通信模块，用于根据所述第二控制处理模块控制将所述内部存储器内的所述观测数据发送给所述基站；

所述动力模块，用于为所述水下机器人提供动力。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述第二引导单元包括分别与所述第二控制处理模块连接的第二声学定位模块和第二光学定位模块；

所述第二声学定位模块，用于接收所述预设声波，以将所述水下机器人引导到预设范围内；

所述第二光学定位模块，用于接收和处理所述预设光线号，以将所述水下机器人引导到所述预设充电位置。

11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述整流单元包括相互连接的第二补偿模块和整流模块；

所述第二补偿模块，用于对第二谐振线圈传输的电能进行谐振补偿；

所述整流模块，与所述第二控制处理模块连接，用于将第二补偿模块输入的交流电转化为直流电，并传输给所述第二控制处理模块。