CN111313564B - 一种水下无人潜航器无线电能传输系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下无人潜航器无线电能传输系统及控制方法，包括潜航器收集器、无线充电通道和潜航器接收部分。潜航器收集器将潜航器引导至无线充电通道中。其中，潜航器收集器由两个对称的喇叭形收集器组成，可同时完成潜航器两个不同方向的收集任务。无线充电通道系统由多个矩阵式发射线圈组成，可自动识别对应潜航器接收部分并开启对应区域进行充电。本发明实现了潜航器在深海环境下的自动无接触式充电。该系统采用双喇叭型收集器系统，提高了潜航器充电方向的自由度。同时，建立矩阵式发射线圈无线充电通道，降低了充电通道的发射面积，有效降低了海水引起的涡流损耗。
Description
技术领域
本发明涉及水下无人潜航器无线电能传输领域，适合于水下潜航器无线充电的场合水下无人潜航器无线电能传输系统。
背景技术
海洋是人类赖以生存的资源宝库。在海洋深水环境所进行的军事行动、科学研究及工程应用中，水下无人潜航器(Autonomous underwater vehicles,AUV)成为其开发及利用的重要手段。然而，目前所使用的潜航器大都作业时间短，需要大量的人工干预，迫切地需要潜航器可以全面的、实时的、连续不间断的获得水下的信息和进行工程作业。目前海底基站技术是进行海底连续观测和建设的唯一电能保障。对于水下无人潜航器等来说，在电能即将耗尽时,可到就近的海底基站进行水下电能补给。目前唯一的方式是进行湿拔操作，但是湿拔操作不仅需要蛙人，容易造成目标暴露，而且由于金属接插件接触会引起火花、漏电、磨损和积炭等安全隐患，更为严重是在相对较深的海洋环境中，湿拔操作需要的巨大的拔力，传统的方法已经无法实现，严重制约了水下无人潜航器连续工作的。在此类环境下，无线电能传输技术是解决用水下无人潜航器等用电设备电能供给问题的最佳方法。无线电能传输技术利用高频磁场作为媒介完成能量传输，能量发射与接收端可以实现完全电气解耦，从而有效避免了海水及泥浆环境腐蚀性及环境压力的影响，有效地提高了供电过程的灵活、安全、稳定与可靠性。同时，由于消除了直接电气接触，可完全解决湿拔技术在较深海域无法工作的瓶颈问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种水下无人潜航器无线电能传输系统及其控制方法，解决无线充电在海水中涡流损耗过大问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种水下无人潜航器无线电能传输系统，包括：
无线充电通道，用于将无线充电平台电能转化为高频交流电，产生高频交变磁场，并传输至潜航器接收部分；
潜航器收集器，连接于所述无线充电通道的两端，用于收集水下无人潜航器的信号，并引导潜航器至无线充电通道的位置；
潜航器接收部分，用于接收无线充电通道的高频能量，并将所述高频能量转化为潜航器可用的电能。
所述潜航器接收部分通过接收线圈接收所述无线充电通道的高频能量。
所述无线充电通道两端的潜航器收集器均为喇叭型结构。增加了潜航器进入充电通道的自由度。
所述潜航器接收部分包括依次连接的接收线圈、整流桥、功率调节电路、信号发送电路；所述接收线圈用于接收无线充电通道的高频电能，所述整流桥将高频电能转化为直流电能，所述功率调节电路将所述直流电能转换成潜航器可用电能的形式，所述信号发送电路实时传输潜航器的充电状态信息至所述无线充电通道。
所述无线充电通道内部电路包括依次连接的发送模块和矩阵式发射线圈开关电路；所述发送模块采用全桥逆变电路；所述矩阵式发射线圈开关电路包括多个串联的开关模块，所述开关模块包括切换开关，所述切换开关与滤波模块并联；所有开关模块的切换开关串联。有效实现矩阵式发射线圈的动态切换。
所述切换开关采用背靠背型MOSFET。可以稳定可靠快速的实现矩阵式发射线圈单个矩阵开关的切投。
所述无线充电通道及矩阵式发射线圈的横截面为圆形。有效增加了磁场的接收和发射的有效面积。
所述充电要求的值与潜航器充电电压最大值之差大于2V，主要考虑到所述功率调节电路的开关器件和线路上的损耗造成的电压损失。
相应的，本发明还提供了一种上述无线电能传输系统的充电控制方法，其包括以下步骤：
1)当潜航器开始充电时，断开无线充电通道内部电路的所有切换开关，开启全桥逆变电路的高频脉冲；
2)接收N个潜航器的整流桥输出电压；
3)判断N个潜航器的整流桥输出电压是否均大于充电要求的值，若是，则进入步骤4)；否则，重新定位潜航器，返回步骤2)；
4)初始化初始j＝0，闭合矩阵开关Swj，接收所述N个潜航器的整流桥输出电压，进入步骤5)；
5)判断N个潜航器的整流桥输出电压是否均大于充电要求的值，若是，则进入步骤6)，否则，断开对应的矩阵开关Swj，同时j加1，返回步骤4)；
6)判断是否完成所有n个开关的判断和动作，若是，则进入步骤7)，否则，j加1，返回步骤4)；
7)发送正在充电指令信号至所述N个潜航器；
8)判断N个潜航器的整流桥输出电压是否均大于充电要求的值，若是，则发送充电正常指令至潜航器，进入步骤8)；否则，返回步骤3)，重新定位潜航器；
9)判断是否接收到所述N个潜航器充电完成指令；若是，则充电结束，否则，返回步骤7)。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过双喇叭形收集器结构，可从两个方向收集潜航器，或收集同一方向的两/多个潜航器，增加了潜航器进入充电通道的自由度。矩阵式发射线圈可降低潜航器在通道中的摆动带来的充电功率的损失。通过接收线圈和矩阵式发射线圈之间的动态识别，有效减小了矩阵式发射线圈磁场的发射面积，可降低矩阵式发射线圈带来的涡流损耗，解决了无线充电在海水中涡流损耗过大的问题。通过背靠背型MOSFET动态切矩阵式发射线圈，可以增加动态切换的速度。通过实时的矩阵式发射线圈的切投，解决了潜航器动态漂移引起的矩阵式发射线圈和接收线圈无法对稳的问题。本发明可有效增加潜航器的水下作业时间，增加潜航器的续航，实现潜航器安全，高效和便捷的充电，同时也增加了潜航器储能电池的寿命。
附图说明
图1是本发明实施例的水下无人潜航器无线电能传输系统的示意图；
图2是本发明实施例的无线充电通道和潜航器接收部分拓扑结构框图；
图3是本发明实施例的矩阵式发射线圈切换控制程序流程图。
具体实施方式
图1所示为用于本发明的水下无人潜航器无线电能传输系统的示意图，潜航器收集器、无线充电通道以及潜航器接收部分，其中：
潜航器收集器分别连接于无线充电通道的两端，用于水下无人潜航器的收集并引导潜航器至无线充电通道的位置。其中，潜航器收集器采用双喇叭型结构，可同时从两个方向收集潜航器；
无线充电通道与潜航器接收部分接触，用于将无线充电平台电能转化为高频交流电，产生高频交变磁场，并传输至潜航器接收部分中。其中，无线充电通道，采用矩阵式发射阵列，可以针对具体的接收区域发射能量；
潜航器接收部分，通过接收线圈接收无线充电通道的高频能量，经内部功率调节电路转化为潜航器可用的电能。
该系统利用无线充电方式对海底潜航器进行充电，免去了湿拔操作或者人工操作带来的不安全、不便捷和成本高等问题。采用双喇叭形收集器结构共用一个充电通道，可从两个方向收集潜航器，同时对多个同方向潜航器进行充电，提高了系统的利用率。采用矩阵式发射线圈设计，有效降低了系统的发射面积，降低了由海水引起的涡流损耗。
图2所示为无线充电通道和潜航器接收部分拓扑结构框图，该系统无线充电通道部分从左到右依次采用全桥结构、电感-电容-电感(LCL)滤波结构和串联矩阵式发射线圈单个矩阵的结构。其中，全桥产生高频方波通过电感-电容-电感(LCL)滤波结构产生高频正弦电流；Sw1-Swn采用背靠背结构的MOSFET动态切换。当开关断开时该单个矩阵线圈对应部分进行工作。
图3所示为矩阵式发射线圈切换控制程序流程图(本实施例以给2个潜航器充电为例)。
1)当潜航器开始充电时，断开无线充电通道内部电路的所有切换开关，开启全桥逆变电路S1-S4的高频脉冲；
2)接收所述两个潜航器整流桥输出电压Va和Vb；
3)判断两个潜航器整流桥输出电压Va和Vb是否均大于充电要求的值(所述充电要求的值与潜航器充电电压最大值之差大于2V)，若是，则进入步骤4)；否则，重新定位潜航器，返回步骤2)；
4)闭合单个矩阵开关Swj(初始j＝0)，接收所述两个潜航器整流桥输出电压Va和Vb，进入步骤5)；
5)判断两个潜航器整流桥输出电压Va和Vb是否均大于充电要求的值，若是，则进入步骤6)，否则，断开对应的Swj矩阵开关，同时j加1，进入下一个开关的动作，返回步骤4)；
6)判断是否完成所有开关的判断和动作(共n次)，若是，则进入步骤7)，否则，j加1，进入下一个开关的动作，返回步骤4)；
7)发送正在充电指令信号至潜航器；
8)判断两个潜航器整流桥输出电压Va和Vb是否均大于充电要求的值，若是，则发送充电正常指令至潜航器，进入步骤8)；否则，返回步骤3)，重新定位潜航器；
9)判断是否接收到潜航器充电完成指令；若是，则充电结束，否则，返回步骤7)。
Claims (9)
1.一种无线电能传输系统的充电控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)当潜航器开始充电时，断开无线充电通道内部电路的所有切换开关，开启全桥逆变电路的高频脉冲；
2)接收N个潜航器的整流桥输出电压；
3)判断N个潜航器的整流桥输出电压是否均大于充电要求的值，若是，则进入步骤4)；否则，重新定位潜航器，返回步骤2)；
4)初始化初始j＝0，闭合矩阵开关Swj，接收所述N个潜航器的整流桥输出电压，进入步骤5)；
5)判断N个潜航器的整流桥输出电压是否均大于充电要求的值，若是，则进入步骤6)，否则，断开对应的矩阵开关Swj，同时j加1，返回步骤4)；
6)判断是否完成所有n个开关的判断和动作，若是，则进入步骤7)，否则，j加1，返回步骤4)；
7)发送正在充电指令信号至所述N个潜航器；
8)判断N个潜航器的整流桥输出电压是否均大于充电要求的值，若是，则发送充电正常指令至潜航器，进入步骤8)；否则，返回步骤3)，重新定位潜航器；
9)判断是否接收到所述N个潜航器充电完成指令；若是，则充电结束，否则，返回步骤7)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述充电要求的值与潜航器充电电压最大值之差大于2V。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，无线电能传输系统包括：
无线充电通道，用于将无线充电平台电能转化为高频交流电，产生高频交变磁场，并传输至潜航器接收部分；
潜航器收集器，连接于所述无线充电通道的两端，用于收集水下无人潜航器的信号，并引导潜航器至无线充电通道的位置；
潜航器接收部分，用于接收无线充电通道的高频能量，并将所述高频能量转化为潜航器可用的直流电能。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述潜航器接收部分通过接收线圈接收所述无线充电通道的高频能量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线充电通道两端的潜航器收集器均为喇叭型结构。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述潜航器接收部分包括依次连接的接收线圈、整流桥、功率调节电路、信号发送电路；所述接收线圈用于接收无线充电通道的高频电能，所述整流桥将高频电能转化为直流电能，所述功率调节电路将所述直流电能转换成潜航器可用的电能，所述信号发送电路实时传输潜航器的充电状态信息至所述无线充电通道。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线充电通道内部电路包括依次连接的发送模块和矩阵式发射线圈开关电路；所述发送模块采用全桥逆变电路；所述矩阵式发射线圈开关电路包括多个串联的开关模块，所述开关模块包括切换开关，所述切换开关与滤波模块并联；所有开关模块的切换开关串联。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切换开关采用背靠背型MOSFET。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无线充电通道横截面为圆形。
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