CN112366961A - 遥控水下机器人rov的供电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于遥控水下机器人ROV的供电系统，包括：升压变压器，用于对船舶电压执行升压变换操作；整流器，用于对该升压变压器的输出进行整流操作；直流滤波器，用于对该整流器的整流输出执行直流滤波操作以输出高压直流电压，该直流滤波器通过电缆为水下的ROV供电；以及电压补偿模块，用于基于该直流滤波器的输出电流确定该电缆上的压降，并基于该压降和ROV端的目标设定值对该整流器执行压降补偿控制以输出稳定的该高压直流电压。

Description

遥控水下机器人ROV的供电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及遥控水下机器人的供电技术，尤其涉及一种遥控水下机器人ROV的供电系统及其控制方法。

背景技术

遥控水下机器人(Remotely Underwater Operated Vehicle，ROV)是当今人类探索海洋环境和开发海洋资源的有力工具。相较于传统的液压型ROV，电动ROV具有较多的优势：系统重量和尺寸小，有效减小船舶甲板LARS系统的功率和尺寸；易于集成组转和拆卸，便于移动和运输；操控性能优，操作简单，有效提高水下工作能力，减小维护人工成本；油污泄漏风险小，更有利于环境保护和法规评估；更易于集成导航、控制、作业等智能化功能，具备向AUV升级的技术基础。总之，更低的维护成本、更高的可靠性和效率、更细和便宜的脐带缆以及更小的环境污染风险等优势，使电动ROV成为下一代ROV技术的发展方向。

随着应用领域的不断扩大，ROV也向着连续工作时间越长、操控机动性越灵活、推进动力越大的方向发展，因此ROV(特别是工作级ROV)对能源和动力的要求越来越高。工作级ROV所需的电源基本全部由船面供电装置通过长距离脐带缆输送，为了满足深海作业需要，用于给ROV水下供电和通信的脐带缆通常会长达3000米以上，甚至最深可达10000米及以上。为了减小ROV在水下运动的阻力，要求所采用的电缆线径尽可能小。细长的电缆工作过程中损耗非常严重，传输效率较低，同时传输电量的制式将极大的影响ROV水下变换器的拓扑结构和工作方式，从而导致水下电源变换器的重量和体积较大。

因此作为电动ROV的重要组成部分和关键技术之一，远程供配电及驱动系统将为水下机器人的正常作业提供稳定、强大的供电来源和动力保证，其对于深海工作机器人的应用具有重要的意义。

发明内容

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种用于遥控水下机器人ROV的供电系统，包括：

升压变压器，用于对船舶电压执行升压变换操作；

整流器，用于对该升压变压器的输出进行整流操作；

直流滤波器，用于对该整流器的整流输出执行直流滤波操作以输出高压直流电压，该直流滤波器通过电缆为水下的ROV供电；以及

电压补偿模块，用于基于该直流滤波器的输出电流确定该电缆上的压降，并基于该压降和ROV端的目标设定值对该整流器执行压降补偿控制以输出稳定的该高压直流电压。

在一实例中，该电压补偿模块基于ROV端的该目标设定值和该压降确定该整流器端的电压设定值，并基于该整流器端的电压设定值与该直流滤波器的输出电压之间的偏差对该整流器执行整流控制以输出稳定的该高压直流电压。

在一实例中，该电压补偿模块基于该整流器端的电压设定值与该直流滤波器的输出电压之间的偏差执行基于电压的PI控制，获得整流控制信号以驱动该整流器。

在一实例中，该整流控制信号基于该整流器的类型为晶闸管的触发角度或IGBT管的占空比。

在一实例中，该电压补偿模块基于该直流滤波器的输出电流和该电缆的特性参数计算该电缆上的压降。

在一实例中，该压差ΔU＝K_T·K_S·K_P·L·I/(r·S)，其中⊿U为脐带缆压降，K_T为电缆电阻温度系数，K_S为电缆电阻集肤效应系数，K_P为电缆电阻邻近效应系数，L为电缆长度，I为输出电流，r为电缆材料的电导率，S为电缆截面积。

在一实例中，该整流器为具有相互串联的多个整流模块的多脉波整流器，该升压变压器为具有多个次级绕组的移相变压器，该多个次级绕组之间具有预设相差且数目与该多个整流模块的数目相对应。

在一实例中，该升压变压器具有3个相位错开20°的次级绕组，该整流器为18脉波整流器。

在一实例中，该升压变压器经由充电单元耦接至船舶供电的输入开关，该充电单元包括串联的充电开关和充电电阻以及与该充电开关和充电电阻并联的旁路开关。

在一实例中，该直流滤波器包括多个串联的电容以吸收该整流器输出的电压波纹。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于控制遥控水下机器人ROV的供电系统的控制方法，该供电系统包括升压变压器、整流器和直流滤波器，该控制方法包括：

基于该直流滤波器的输出电流确定该电缆上的压降；以及

基于该压降和ROV端的目标设定值对该整流器执行压降补偿控制以输出稳定的高压直流电压。

在一实例中，该执行压降补偿控制包括：基于ROV端的该目标设定值和该压降确定该整流器端的电压设定值；以及基于该整流器端的该电压设定值与该直流滤波器的输出电压之间的偏差对该整流器执行整流控制以输出稳定的该高压直流电压。

在一实例中，该对整流器执行整流控制进一步包括基于该整流器端的电压设定值与该直流滤波器的输出电压之间的偏差执行基于电压的PI控制，获得整流控制信号以驱动该整流器。

在一实例中，该整流控制信号基于该整流器的类型为晶闸管的触发角度信号或IGBT管的占空比信号。

在一实例中，确定该电缆上的压降包括基于该直流滤波器的输出电流和该电缆的特性参数计算该电缆上的压降。

在一实例中，该压差ΔU＝K_T·K_S·K_P·L·I/(r·S)，其中⊿U为脐带缆压降，K_T为电缆电阻温度系数，K_S为电缆电阻集肤效应系数，K_P为电缆电阻邻近效应系数，L为电缆长度，I为输出电流，r为电缆材料的电导率，S为电缆截面积。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于遥控水下机器人ROV的供电系统的控制装置，包括存储器；以及耦接至该存储器的处理器，该处理器用于执行上述的控制方法。

根据本发明的再一方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，该计算机可读指令在由处理器执行时实施上述的控制方法。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了ROV在工作环境下的供电系统的示意图；

图2示出了根据本发明的一方面的ROV高效供电及驱动系统的示意图；

图3示出了根据本发明的一方面的ROV高压直流供电装置的示意图；

图4示出了根据本发明的一方面的脐带末端电压补偿的控制框图；

图5示出了根据本发明的一方面的直流降压变换装置的拓扑框图；

图6示出了根据本发明的一方面的直流变换模块的拓扑框图；

图7示出了根据本发明的一方面的多电平直流变换器的控制框图；

图8示出了根据本发明的一方面的推进器的结构示意图；以及

图9示出了根据本发明的一方面的永磁同步电机和磁齿轮的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

图1示出了ROV在工作环境下的供电系统的示意图。ROV(特别是工作级ROV)所需的电源基本全部由船面供电装置通过长距离脐带缆输送，为了满足深海作业需要，用于给ROV水下供电和通信的脐带缆通常会长达3000米以上，甚至最深可达10000米及以上。

图2示出了根据本发明的一方面的ROV高效供电及驱动系统的示意图。如图2所示，本发明的ROV供电及驱动系统可包括水上和水下两部分。水上部分可包括高压直流供电装置100，水下部分主要可包括直流降压变换装置210、储能单元220、低压直流微网及配电单元230、以及至少一个推进器240。水下部分还可包括控制器250和传感器260。水下部分的直流降压变换装置210、储能单元220、低压直流微网及配电单元230、推进器240、作业工具250、控制器260和传感器270一般是ROV的组成部分。

实践中，船舶三相低压交流电源输入给高压直流供电装置100，转换为高压直流电压，经绞车光电滑环、长距离脐带缆传输到ROV的接线盒。ROV上的直流降压变换装置210可将高压直流转换为低压直流电压，供接入ROV低压直流母线上的设备(诸如ROV的推进器240、作业工具250、控制器260和传感器270)用电，同时储能单元220可连接至ROV低压直流母线，在电缆供电中断时紧急用电或完全代替电缆供电。ROV低压直流母线同时给分布式一体化推进器、作业工具、控制器等供电。

高压直流供电装置100可包括配电单元110、

图3示出了根据本发明的一方面的ROV高压直流供电装置100的示意图。如图所示，高压直流供电装置100可包括配电单元110、升压变压器120、整流器130和直流滤波与放电单元140。

配电单元110可包括输入开关111和充电单元112。输入开关111可用于接通船舶输入电源，并在ROV水面供电电源及后端负载过载或短路时分断输入，避免对船舶电源系统造成严重危害。充电单元112可包括充电开关KM2、充电电阻R1、旁路开关KM1等部件。ROV水面供电电源上电前，旁路开关KM1断开，充电开关KM2合闸时通过充电电阻R1把电流限制在可控范围内，工作结束后断开充电开关KM2、闭合旁路开关KM1，使系统进入正常工作状态。

正常工作状态下，升压变压器120可对船舶电压执行升压变换，其输出由整流器130进行整流，再由后端的滤波与放电单元140进行直流滤波并放电输出高压直流电压。

根据本发明的一方面，整流器130可为具有相互串联的多个整流模块的多脉波整流器，升压变压器120可为具有多个次级绕组的移相变压器，这多个次级绕组之间具有预设相差且数目与整流模块的数目相对应。

如图3所示的实施例中，升压变压器120的原可边采用三角形连接，次边可具有三个角接的二次绕组，相位错开20°，用于将船舶输入电源升压为3组独立的电源，为18脉波整流器提供输入电源。为满足不同接入电源的电压等级，升压变压器120的原边可有多个不同变比的抽头选择。

基于多脉波整流器的ROV水面供电电源系统，输入功率因数高，输入电流谐波小，对船舶供电电网友好，输出直流纹波小，对长距离电缆和水下遥控机器人友好。

对应地，整流器130可包括整流模块UR1、整流模块UR2、整流模块UR3组成。这些整流模块各由一个三相可控整流器构成，三个整流模块直流输出串联，用于将变压器的输出交流电转换成高压直流电压。

直流滤波单元可由三个电容C1、C2、C3串联而成，用于吸收整流器130输出电压的纹波，保证后端长电缆的安全运行。

根据本发明的一方面，高压直流供电装置100还可包括电压补偿模块150，用于基于直流滤波与放电单元140的输出电流确定电缆上的压降，并基于该压降和ROV端的目标设定值对整流器130执行压降补偿控制以输出稳定的高压直流电压。

深海工作机器人工作电源由水面高压直流供电电源通过长距离脐带缆输送，由于电缆自身阻抗及集肤效应和邻近效应影响，ROV端输入电压受电缆长度及工况影响较大，对水下电气设备带来了不利影响。为此，本案中建立了考虑集肤和邻近效应的长距离脐带缆数学模型，无需ROV端电压采集信号，直接根据水面直流供电系统输出电压、电流等信息估算脐带缆电压降，并自动补偿以保证水下模块电压的稳定。

图4示出了根据本发明的一方面的脐带末端电压补偿的控制框图，该控制框图可由电压补偿模块150实施。

如图4所示，可首先计算电缆上的压降，然后基于ROV端的目标设定值和压降确定整流器端的电压设定值，并基于该设定值与采样得到的输出电压之间的偏差对整流器执行整流控制以输出稳定的高压直流电压。

在一具体实施例中，该补充过程可包括以下步骤：

步骤S1：首先可采集整流器输出直流电压值U_{rec_fdb}和直流电流值I_{rec_fdb}。

步骤S2：基于采集的直流电流值I_{rec_fdb}和电缆特性参数计算电缆压降。

在一实例中，计算压降ΔU＝K_T·K_S·K_P·L·I/(r·S)，其中⊿U为脐带缆压降，K_T为电缆电阻温度系数，K_S为电缆电阻集肤效应系数，K_P为电缆电阻邻近效应系数，L为电缆长度，I为输出电流，r为电缆材料的电导率，S为电缆截面积。

步骤S3：将ROV端电压设定值U_{rov_ref}加上电缆压降⊿U，得到整流器端电压设定值U_{rec_ref}。

步骤S4：整流器端电压设定值U_{rec_ref}与采样值U_{rec_fdb}的偏差经整流器调节器得到控制输出，用于驱动整流器，从而保证了各工况下ROV端电压的稳定。

这里的整流器调节器是基于U_{rec_ref}与U_{rec_fdb}这两者之间的偏差执行基于电压的PI控制，以获得用于驱动整流器的PI控制量，即整流控制信号。基于整流器类型，该整流控制信号可以是触发角度信号或占空比信号，例如对于晶闸管型的整流器，整流控制信号为触发角度信号，而对于IGBT管型的整流器，整流控制信号为占空比信号。

采用带水下末端电压自动补偿的水面高压直流供电系统，大大减小了深海远距离传输的电能损失，并减少了昂贵的脐带缆导线直径。基于长距离脐带缆数学模型的水下末端压降自动补偿控制方法，自动补偿长距离ROV供电时不同电缆长度、不同负载工况的供电压降损失，保证ROV供电电压的稳定

ROV所需电源基本全部由水面高压直流供电电源通过长距离脐带缆输送，ROV结构紧凑，内部各电气部件采用低压直流供电，因此亟需一种功率密度大、可靠性高、装置效率高的直流降压变换装置。水下直流降压变换装置用于将高压直流电压变换为低压直流电压，为ROV内部各电气部件供电。

根据本发明的一方面，直流降压变换装置采用多模块并联拓扑和冗余控制，满足供电功率大和可靠性高的要求。模块采用无隔离变压器的多电平Buck拓扑，成本低、功率密度大、效率高，同时输入输出共地的结构简化了水下供电绝缘监测和接地保护。

图5示出了根据本发明的一方面的直流降压变换装置210的拓扑框图。

基于工作级水下机器人对供电功率大和可靠性高的要求，直流降压变换装置210可采用多个(图中以4个为例)直流变换模块211并联工作的冗余结构。所有直流变换模块211可通过开关连接至来自水面的高压直流电缆，各模块独立将高压电压转换为低压直流电压，并通过开关连接至直流母线，为ROV内各电气部件提供用电。

每个直流变换模块211能够组合在一起提供总功率转换，也可以单独运行提供单个功率转换。在正常运行时由这多个直流变换模块211并联向负载供电，每个直流变换模块平均负担负载电流。当其中某一个或k个直流变换模块211出现故障时，通过断开相应的输入和输出开关，自行退出供电，而由剩下的直流变换模块211继续向负载提供电流，ROV根据冗余模块数量正常工作或降额工作。最极端的情况，当其他所有直流变换模块211出现故障时，ROV仍能通过正常的1个模块的供电实现回收。

如图5、6所示，直流降压变换装置210的多个直流变换模块211之间彼此通信地连接。在一实例中，多个直流变换模块211之间可通过EtherCAT通讯总线进行通信。

并联系统中所有电源模块通过EtherCAT通讯总线传递各自承担负载电流大小，当某个模块发生故障，则该模块会自动退出，不再向EtherCAT通讯总线发送自身的电流，某个模块产生故障不输出电流不会导致整个系统无法工作问题。基于EtherCAT通讯总线均流控制方法不仅具有均流精度高的优点，而且适应于冗余工作模式。

此外，提供了一种基于EtherCAT通讯总线的多电平直流降压变换器控制方法，保证了模块内多器件串联的均压性和多模块间并联的均流性，并适用于冗余工作模式。

图6示出了根据本发明的一方面的直流变换模块的拓扑框图，以及图7示出了根据本发明的一方面的多电平直流变换器的控制框图。以下一并结合图6和图7来描述对直流变换装置210的控制。

直流降压变换装置210的各模块可采用输入输出共地的多电平Buck串联拓扑，以降低器件应力，减小滤波器件容量，并极大地提高功率密度和模块效率，同时此配置可满足ROV电气系统水下绝缘监测和接地保护对输入输出共地的要求。

如图6所示，直流变换模块211主要可包括p个串联的Buck基本单元、滤波器、保护单元(诸如Crowbar和Zener保护)、输入和输出测量单元以及控制器。

Buck单元是变换器的基本单元，由飞跨电容C_k、开关管Q_k以及二极管D_k等构成。开关管Q_k和二极管D_k交错互补导通。p个开关管导通的相位依次相差2π/p，当全部开关管的占空比d相同时，飞跨电容C_k(k＝1,2...,p-1)上面的电压为kV_in/p。当开关管Q_k或者二极管D_k关断时，其所受的电压应力是相邻飞跨电容电压V_Ck的差，即：V_Dk＝V_Qk＝V_Ck-V_Ck-1＝V_in/p。

滤波器可由滤波电感和电容组成，用于滤除多电平Buck电路输出电压的高次谐波。

保护电路可包括稳压二极管、电阻、晶闸管等器件。当直流变换模块输出电压超过限定值后稳压二极管导通，当输出电压进一步上升超过稳压二极管的稳压值和晶闸管的开启电压时，可控硅开启，将输出电压拉低，以保护后端部件不致过压损坏。

控制器及输入、输出测量部分用于根据输入、输出电压和电流等对直流变换模块进行控制、保护等。

在实际电路中，由于各开关管的开关特性和占空比不可能完全一致，常导致飞跨电容电压偏离平和值，使得变换器无法正常工作。同时多个直流降压变换模块并联工作，实际中会出现各模块电流不均衡的情况。为此，根据本发明的一方面，提供了一种兼具均压和环流控制的多电平直流降压变换器控制方案。

根据本发明的一方面，每个直流变换模块211可包括均流均压控制器，例如图6中所示的控制器。该均流均压控制器可基于所有直流变换模块211的输出电流值和自身所属直流变换模块的电压输出值确定均流控制量d，基于当前直流变换模块的自低压端至高压端的第1至第p-1个Buck单元的飞跨电容的电压值与对应的目标参考值确定p个均压控制调节量⊿d_i(i＝1,2,…,p)，以及基于该均流控制量d和这p个均压控制调节量⊿d_i对当前直流变换模块执行均流控制和均压控制。

根据本发明的均流控制，在一实例中，每个并联的直流变换模块都有唯一的ID号，所有正常工作的模块定时向通讯总线发送自身的输出电流信息，每个模块根据从EtherCAT通讯总线接收到的输出电流信息定时计算所有正常工作模块的输出电流平均值I_avg。该电流平均值和本模块输出电流I_O作差得到均流误差信号，误差信号经均流调节器得到电压调节信号V_⊿。该调节值V_⊿对输出电压误差值进行修正，最终实现各直流变换模块输出电流均衡。

在一实例中，计算均流控制量d的过程可包括以下步骤：

步骤S1：控制器实时采集输出直流电压值V_O、输出直流电流值I_O。

步骤S2：每个直流变换模块向EtherCAT通讯总线发送自身的输出电流值，同时每个直流变换模块从EtherCAT通讯总线接收到其他模块的输出电流值，并与自身输出电流值相加得到直流变换系统总电流值I_sum，继而根据正常工作模块数得到每个模块输出平均电流值I_avg。

步骤S3：将直流变换模块平均电流值I_avg和本模块输出电流I_O相减得到均流误差信号，并经均流调节器得到电压调节信号V_⊿。在一实例中，这里的电压调节是基于电流的PI控制器，PI控制器或PI调节器的原理是本领域普通技术人员所熟知的，在此不再赘述。

步骤S4：将输出直流电压参考值V_{O_ref}与反馈值V_O相减得到电压误差信号，并加上均流调节器输出的电压调节信号V_⊿，经电压调节器输出输出直流电流参考值I_{O_ref}。在一实例中，这里的电压调节器是基于电压的PI控制器。

步骤S5：将输出直流电流参考值I_{O_ref}与反馈值I_O相减得到电流误差信号，经过电流调节器得到均流控制输出信号d，并最终与各开关管的均压控制信号叠加后输出给直流降压变换器。

根据本发明的均压控制，在一实例中是基于电容电压解耦的均压控制。图7中所示的飞跨电容电压的采集值V_Ci与参考值i·V_in/p(i＝1,2,…,p-1)分别比较后经电容电压调节器，得到误差信号u_i(i＝1,2,…,p-1)。向量u＝[u₁,u₁,…,u_p-1]^T同解耦矩阵A₁ ^-1相乘后即可得到⊿d_i(i＝1,2,…,p-1)，又由

计算出⊿d_p。将⊿d_i(i＝1,2,…,p)与d相加，得到各开关管的综合控制信号d_k(k＝1,2,…,p)，这里的综合控制量可以是占空比信号，以输出给直流变换模块，来控制多电平直流变换模块正常工作。

在一实例中，计算均压控制调节量⊿d_i的过程可包括以下步骤：

步骤S1：控制器实时采集输入直流电压值V_in、各飞跨电容的电压值V_Ci(i＝1,2,…,p-1)。

步骤S2：将飞跨电容电压的采集值V_Ci与参考值i·V_in/p(i＝1,2,…,p-1)分别比较后经电容电压调节器，得到误差信号u_i(i＝1,2,…,p-1)。这里的电压调节器可以是基于电压的PI控制器，将飞跨电容的电压采集值与参考值之间的电压偏差调节为误差信号u_i，这里的误差信号u_i可以是占空比信号。

步骤S3：将误差信号向量u＝[u₁,u₁,…,u_p-1]^T同解耦矩阵A₁ ^-1相乘后以获得第1至p-1个飞跨电容均压控制微调值⊿d_i(i＝1,2,…,p-1)，在一实例中计算如下：

步骤S4：由⊿d_i(i＝1,2,…,p-1)经过公式

计算出第p个开关管的微调值⊿d_p。

步骤S5：将均流控制器输出值d分别与p个开关管的微调值⊿d_i(i＝1,2,…,p)相加，得到各开关管的占空比d_k(k＝1,2,…,p)，输出给直流变换模块，来控制多电平直流变换模块正常工作。

如图2所示，根据本发明的一方面，还提供了备用的储能单元220，用于在电缆故障时提供备用能量。

工作级ROV用电量大，所需的电源基本全部由船面供电装置通过长距离脐带缆输送。因深海工作环境复杂，ROV因脐带缆断裂、直流降压变换器所有支路故障等原因将造成动力电源的中断，将给ROV设备带来极大的风险。本发明将储能模块和直流降压变换模块并联混合供电，组成ROV水下直流微网，满足分布式用电设备需求，既简化了能量变换环节和提高能量转换效率，又进一步保证了ROV供电的可靠性。

当电缆供电正常工作时，水面高压直流电压经直流变换器降压后给ROV所有电气负载供电，与此同时，连接至低压直流母线的DC-DC变换器为储能单元220的电池充电，电池中所存储的能量将用于电缆供电故障中断时向ROV提供紧急供电。当电缆供电出现中断时，储能单元220可通过DC-DC变换器为低压直流母线提供紧急备用电源，用于紧急情况下通过浮力调节将海底机器人浮动到水面，并保证至少一个推进器工作。

在一实例中，深海机器人升级为AUV后，可以取消笨重的脐带缆，但其长续航时的能量储备是个关键的问题。此时，可将原本安装直流降压变换装置的位置替换为大容量储能模块，为AUV长时间的水下工作提供动力电源。

本案中，将储能模块和直流降压变换模块并联混合供电，组成ROV水下直流微网，满足分布式用电设备需求，既简化了能量变换环节和提高能量转换效率，又进一步保证了ROV供电的可靠性。同时模块化结构可以将直流降压变换器的直接替换为大容量储能模块，为日后升级为AUV的长时间水下工作提供动力电源。

回到图2，直流降压变换装置210提供的低压直流电压通过低压直流配电单元230提供给ROV的各用电部分，例如推进器240、作业工具250、控制器260和传感器270。低压直流配电单元230可包括开关、保护等部件，为接入ROV低压直流微网的设备提供接入和保护功能。

图8示出了根据本发明的一方面的推进器800的结构示意图。根据本发明的一方面，ROV的水下推进器可采用分布式变频驱动方案。如图8所示，每个推进器800一体化集成了驱动器810、带磁齿轮830传动的永磁同步电机820、螺旋浆840等部件。

所有部件集成在一体化铝合金外壳内，通过将控制、电力电子装置、电机、螺旋桨等有机结合起来，实现了外形的一体化、小型化和模块化，从而更有效地实现机电能量转换和传递。

图9示出了根据本发明的一方面的永磁同步电机和磁齿轮的剖视图。

如图9所示，带磁齿轮的永磁同步电机将永磁同步电机820与磁齿轮830组合在一起。永磁同步电机820可包括电机定子821、永磁体转子822等部分。磁齿轮830可包括高速转子831、极片定子832、外磁体转子833等部分，磁齿轮高速转子831可通过极片定子832磁耦合到外磁体转子833。内部传动轴823可将永磁同步电机820的转子822和磁齿轮830的高速转子831连接，磁齿轮外磁体通过对外传动轴834将动力传输给与磁齿轮外磁体转子833同轴的螺旋桨840。磁齿轮830使用永磁体在输入轴和输出轴之间传递扭矩，可以将力传递到气密密封的外壳中，无需使用易泄露的径向轴密封，因此更适用于需要高密封性的深海机器人应用。

在一实例中，推进器800可采用基于SiC器件的功率模块，根据ROV控制系统的控制命令，将ROV水下低压直流低压转换为频率、幅值可调的三相交流电压，用以为永磁同步电机820的定子绕组供电。永磁同步电机820的定子821通入三相交流电，将在定子绕组中形成旋转磁场，它与永磁体转子822相互作用，产生与定子旋转磁场旋向相同的电磁转矩输出，从而将电能转变为输出的机械能。

磁齿轮830机构的内部传动轴823可将永磁同步电机820的转子822和磁齿轮830的高速转子831连接，磁齿轮外磁体通过对外传动轴834将动力传输给螺旋桨840。磁齿轮830通过非直接接触形式在输入轴和输出轴之间传递扭矩，螺旋桨840直接与海水接触，旋转过程中桨叶不断把大量海水向后推去，在桨叶上产生向前的推进力，从而推进ROV运动。

本案中的推进器800将磁耦合齿轮取代机械齿轮驱动螺旋浆，具有传动效率高、水下密封性能好、机械磨损小、运行噪音低的优点。

根据本发明的一方面，针对水下机器人因建模困难，推进器数量、安装位置各异等因素造成推力分配困难的问题，提出了一种在线基于模型辨识和不等式约束线性优化的水下机器人推进器分配算法。该算法不需要事先了解水下机器人数学模型、推进器数量、推进器安装位置、安装角度，根据外部力和力矩控制需求，通过在线参数辨识自适应完成水下机器人推力分配。

首先，可对ROV的数学模型参数执行在线辨识。由于水下机器人是六自由度运动，因此采用如下六自由度非线性数学仿真表达水下机器人数学模型：

其中，M表示等效质量与惯量矩阵，C(V)表示科氏力与向心力系数矩阵，D(V)表示流体阻尼系数矩阵，V表示机器人速度状态向量，U表示外部力与力矩输入向量。更具体地，V＝[u,v,w,p,q,r]^T，u,v,w分别表示水下机器人X、Y、Z轴方向上的速度，p,q,r表示水下机器人的俯仰角速度、航向角角度、滚转角速度，U＝[u₁,u₂,u₃,u₄,u₅,u₆]^T，U＝N·T，N为转换矩阵，u₁,u₂,u₃表示水下机器人X、Y、Z轴方向上的推力，u₄,u₅,u₆表示水下机器人的俯仰角力矩、航向角力矩、滚转角力矩,T＝[t₁,t₂,…,t_m]^T表示推进器指令矢量，m表示推进器数量。

通过对以上模型进行一阶线性化，可以得到如下线性化模型，近似描述水下机器人运动过程：

V(n+1)＝A·V(n)+B·T(n)

其中n为时间因子索引，令：

以水下机器人X轴方向速度为例，根据以上公式，可以得到如下表达公式：

u(n+1)＝a_1,1u(n)+a_1,2v(n)+a_1,3w(n)+a_1,4p(n)+a_1,5q(n)+a_1,6r(n)+b_1,1t(1)+…+b_1,mt(m)

定义：

可通过带遗忘因子的递推最小二乘参数辨识方法进行实时参数辨识：

P(0)＝p₀I

表示通过以上算法得到的辨识参数。

类似地，依次通过对Y、Z轴方向上的速度以及俯仰角速度、航向角角度、滚转角速度执行上述实时参数辨识，可求得B矩阵的辨识参数矩阵

从而可以得到各推进器推力与水下机器人外部力、力矩输入之间的关系，如下：

其中，

为多个推进器的外部力与力矩向量的辨识值。

然后，基于

与各推进器的外部力与力矩向量的期望值U_demand以及各推进器的推进器指令矢量T＝[t₁,t₂,…,t_m]^T执行最优化以求解推进器指令：

s.t.t_j,min≤t_j(n+1)≤t_j,max,j∈[1,2,…,m]

其中，c₁和c₂为权重参数，

为当前所有推进器输出的平均值，t_j,min为推进器最小推力，t_j,max为最大推力值。

上述最优化算法中，以

与各推进器的外部力与力矩向量的期望值U_demand之间的误差以及所有推进器的推力的方差的权重和为优化目标，通过求解其最小化值，实现在水下机器人推力分配结果尽可能接近期望值的同时，最大限度平均利用所有推进器性能的目的。通过求解以上优化问题，完成ROV自适应力矩分配。这里的分配算法可由例如控制器260来实现。

本发明中，通过将推进器作用在水下机器人上的力和力矩作为优化对象，将力矩分配问题转化成线性优化问题，降低了优化算法难度。将所有力矩的方差作为优化对象，可以减少在冗余控制过程中，某一个推进器输出值过大，而其他具有相似功能推进器输出值过小的问题，最大限度平均利用所有推进器能力。

本领域技术人员将可理解，信息、信号和数据可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位(比特)、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在ASIC中。ASIC可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(DSL)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(CD)、激光碟、光碟、数字多用碟(DVD)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (18)

1.一种遥控水下机器人ROV的供电系统，包括：

升压变压器，用于对船舶电压执行升压变换操作；

整流器，用于对所述升压变压器的输出进行整流操作；

直流滤波器，用于对所述整流器的整流输出执行直流滤波操作以输出高压直流电压，所述直流滤波器通过电缆为水下的ROV供电；以及

电压补偿模块，用于基于所述直流滤波器的输出电流确定所述电缆上的压降，并基于所述压降和ROV端的目标设定值对所述整流器执行压降补偿控制以输出稳定的所述高压直流电压。

2.如权利要求1所述的供电系统，其特征在于，所述电压补偿模块基于ROV端的所述目标设定值和所述压降确定所述整流器端的电压设定值，并基于所述整流器端的电压设定值与所述直流滤波器的输出电压之间的偏差对所述整流器执行整流控制以输出稳定的所述高压直流电压。

3.如权利要求2所述的供电系统，其特征在于，所述电压补偿模块基于所述整流器端的电压设定值与所述直流滤波器的输出电压之间的偏差执行基于电压的PI控制，获得整流控制信号以驱动所述整流器。

4.如权利要求3所述的供电系统，其特征在于，所述整流控制信号基于所述整流器的类型为晶闸管的触发角度或IGBT管的占空比。

5.如权利要求2所述的供电系统，其特征在于，所述电压补偿模块基于所述直流滤波器的输出电流和所述电缆的特性参数计算所述电缆上的压降。

6.如权利要求5所述的供电系统，其特征在于，所述压差ΔU＝K_T·K_S·K_P·L·I/(r·S)，其中⊿U为脐带缆压降，K_T为电缆电阻温度系数，K_S为电缆电阻集肤效应系数，K_P为电缆电阻邻近效应系数，L为电缆长度，I为输出电流，r为电缆材料的电导率，S为电缆截面积。

7.如权利要求1所述的供电系统，其特征在于，所述整流器为具有相互串联的多个整流模块的多脉波整流器，所述升压变压器为具有多个次级绕组的移相变压器，所述多个次级绕组之间具有预设相差且数目与所述多个整流模块的数目相对应。

8.如权利要求7所述的供电系统，其特征在于，所述升压变压器具有3个相位错开20°的次级绕组，所述整流器为18脉波整流器。

9.如权利要求1所述的供电系统，其特征在于，所述升压变压器经由充电单元耦接至船舶供电的输入开关，所述充电单元包括串联的充电开关和充电电阻以及与所述充电开关和充电电阻并联的旁路开关。

10.如权利要求1所述的供电系统，其特征在于，所述直流滤波器包括多个串联的电容以吸收所述整流器输出的电压波纹。

11.一种控制遥控水下机器人ROV的供电系统的控制方法，所述供电系统包括升压变压器、整流器和直流滤波器，所述控制方法包括：

基于所述直流滤波器的输出电流确定所述电缆上的压降；以及

基于所述压降和ROV端的目标设定值对所述整流器执行压降补偿控制以输出稳定的高压直流电压。

12.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述执行压降补偿控制包括：

基于ROV端的所述目标设定值和所述压降确定所述整流器端的电压设定值；以及

基于所述整流器端的所述电压设定值与所述直流滤波器的输出电压之间的偏差对所述整流器执行整流控制以输出稳定的所述高压直流电压。

13.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述对整流器执行整流控制进一步包括：

基于所述整流器端的电压设定值与所述直流滤波器的输出电压之间的偏差执行基于电压的PI控制，获得整流控制信号以驱动所述整流器。

14.如权利要求13所述的控制方法，其特征在于，所述整流控制信号基于所述整流器的类型为晶闸管的触发角度信号或IGBT管的占空比信号。

15.如权利要求12所述的控制方法，其特征在于，确定所述电缆上的压降包括：

基于所述直流滤波器的输出电流和所述电缆的特性参数计算所述电缆上的压降。

16.如权利要求16所述的控制方法，其特征在于，所述压差ΔU＝K_T·K_S·K_P·L·I/(r·S)，其中⊿U为脐带缆压降，K_T为电缆电阻温度系数，K_S为电缆电阻集肤效应系数，K_P为电缆电阻邻近效应系数，L为电缆长度，I为输出电流，r为电缆材料的电导率，S为电缆截面积。

17.一种遥控水下机器人ROV的供电系统的控制装置，包括：

存储器；以及

耦接至所述存储器的处理器，所述处理器用于执行如权利要求11-16任一项所述的控制方法。

18.一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令在由处理器执行时实施如权利要求11-16任一项所述的控制方法。

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