CN113119762B - 一种水下电磁寻充方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水下电磁寻充方法，包含如下步骤：（1）水下无线充电桩在空载时（水下移动机器人未坐落在所述水下无线充电桩上），无线充电系统发射端产生低频交变磁场信号；（2）所述水下移动机器人将接收到的所述低频交变磁场信号作为导航信号；（3）所述水下移动机器人根据所述导航信号，自动导航至所述水下无线充电桩位置，并坐落在所述水下无线充电桩上，所述无线充电系统发射端产生高频交变磁场为水下移动机器人进行无线充电。本发明整体受外部环境干扰较小，抗干扰能力强，提升了寻充导航的精度，提升了水下移动设备的作业能力与隐蔽能力，适于推广。

Description

一种水下电磁寻充方法
技术领域
本发明涉及一种水下移动设备的电磁寻充方法，具体涉及一种能够使水下移动设备在缺电时(或其他必要情况下)，自动寻找水下充电桩位置并进行充电的方法。
背景技术
海洋蕴含十分丰富的资源，而进行海洋探测与考察工作，主要还是利用水下有缆机器人与水下无缆机器人。水下有缆机器人因缆线限制，使机器人的工作半径不大，这大大限制了海洋科考工作范围。水下无缆机器人无缆线限制，提升了机器人的工作半径，但是当机器人电量较低时，需将机器人回收至水面舰艇设备，进行充电后，再重新将机器人放回到海洋中，这种充电方法的工作效率不高，且对于一些执行保密任务的水下机器人，这种方法会降低其隐蔽性，增加位置暴露风险。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种水下电磁寻充方法，所述寻充方法包括如下步骤：
(1)水下无线充电桩在空载时(水下移动机器人未坐落在所述水下无线充电桩上)，无线充电系统发射端产生低频交变磁场信号；
(2)所述水下移动机器人将接收到的所述低频交变磁场信号作为导航信号；
(3)所述水下移动机器人根据所述导航信号，自动导航至所述水下无线充电桩位置，并坐落在所述水下无线充电桩上，所述无线充电系统发射端产生高频交变磁场为水下移动机器人进行无线充电。
所述无线充电系统发射端的控制策略为：
(1)所述无线充电系统发射端，通过采样电流的大小，判断是否带载；
(2)所述无线充电系统发射端，在带载情况下，产生高频交变磁场，为所述水下移动机器人充电；
(3)所述无线充电系统发射端，在不带载情况下，产生低频交变磁场，为水下移动机器人提供导航信号。
采用上述技术方案，本发明的有益效果是：
(1)本发明依靠低频的交变磁场进行导航，不受环境中恒定地磁场的影响，也不受导航环境中水的能见度影响，整体受外部环境干扰较小，导航精度高。
(2)本发明能提升水下移动设备的作业范围与自主能力，提升水下移动设备的隐蔽能力。
附图说明
图1为水下无线充电桩的系统组成图；
图2为水下移动机器人的系统组成图；
图3为水下无线充电系统发射端电路结构图；
图4为水下无线充电系统接收端电路结构图；
图5为磁传感器信号调理系统结构图；
图6为一组磁传感器的示意图；
图7为一组磁传感器在水下移动机器人内部的安装示意图；
图8为水下移动机器人与水下无线充电系统发射端磁场在水平面内夹角β示意图；
图9为水下移动机器人与水下无线充电系统发射端磁场在竖平面内夹角α示意图；
图10为近距离水下移动机器人电磁导航示意图；
图11为水下移动机器人充电示意图；
图12为水下移动机器人的寻充流程图。
附图中标记分别为：
1-水下无线充电桩；2-水下移动机器人；11-无线充电系统发射端；12-传感器模组；21-水下移动机器人控制器；22,23,24-磁传感器信号处理系统；25-无线充电系统接收端；111-整流模块；112-逆变模块；113-发射端电容补偿模块；114-发射线圈；115-电流采样模块；116-无线充电控制模块；251-接收线圈；252-接收端电容补偿模块；253-整流滤波模块；254-电压电流调整模块；255-水下移动机器人储能电池；221,231,241-磁传感器；222,232,242-电流转电压模块；223,233,243-第一级带通滤波放大模块；224,234,244-第二级带通滤波放大模块。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
如图1所示，本发明的水下无线充电桩1包含无线充电系统发射端11、传感器模组12。无线充电系统发射端11判断水下无线充电桩1是否带载(水下移动机器人2是否坐落在水下无线充电桩1上)，在带载情况下(水下移动机器人2坐落在水下无线充电桩1上)，产生高频的交变磁场，为水下移动机器人2无线充电；不带载情况下(水下移动机器人2未坐落在水下无线充电桩1上)，为水下移动机器人2提供低频交变磁场信号作为导航信号。传感器模组12包含水深传感器、温湿度传感器、漏水传感器等，用于监测海水环境，并反馈给水面舰艇。
如图2所示，本发明的水下移动机器人2包含水下移动机器人控制器21、磁传感器信号处理系统22、磁传感器信号处理系统23、磁传感器信号处理系统24、无线充电系统接收端25。水下移动机器人2在距离水下无线充电桩1较近时，可利用磁传感器信号处理系统22、23、24的电磁信号进行导航靠近。水下移动机器人2坐落到水下无线充电桩1后，无线充电系统接收端25将无线充电系统发射端11产生的高频交变磁场的能量转换成电能，完成充电。水下移动机器人控制器21控制水下移动机器人2在水平或竖直方向运动。
如图3所示，本发明的无线充电系统发射端11包含整流模块111、逆变模块112、发射端电容补偿模块113、发射线圈114、电流采样模块115、无线充电控制模块116。整流模块111将输入的220V交流电，整流成直流电后输入逆变模块112；逆变模块112将直流电转换成导航的低频磁信号或无线充电的高频磁信号后，输入至发射端电容补偿模块113；发射端电容补偿模块113与发射线圈114构成谐振模块，完成电能到磁能的转换；通过电流采样模块115对发射线圈114中的电流进行采样，通过采样电流的大小，判断水下无线充电桩1是否带载；无线充电控制模块116根据是否带载，控制逆变模块112的开关频率与占空比，从而为水下移动机器人2提供导航交变磁信号或进行无线充电。
如图4所示，本发明的无线充电系统接收端25包含接收线圈251、接收端电容补偿模块252、整流滤波模块253、电压电流调整模块254、水下移动机器人储能电池255。根据法拉第电磁感应定律，接收线圈251与接收端电容补偿模块252构成的谐振模块将无线充电系统发射端11产生的高频磁能转换成交流电能；整流滤波模块253将交流电能转化成直流电能；电压电流调整模块254将整流滤波模块253输出的直流电能按照水下移动机器人储能电池255的电压或电流要求进行调整后，输入水下移动机器人储能电池255。这完成了磁能到电能的转换，并最终将电能转换成电池内的化学能存储起来。
所述水下移动机器人，安装有一组磁传感器，所述一组磁传感器在所述无线充电系统发射端产生的交变磁场作用下，产生一组感生电流。所述一组磁传感器，是由两个或三个相互正交的磁传感器构成的。
本实施例的一组磁传感器信号调理系统由三路磁传感器信号处理系统组成，其中每一路磁传感器信号处理系统包含磁传感器、电流转电压模块、第一级带通滤波放大模块和第二级带通滤波放大模块。
如图5所示，磁传感器信号处理系统22包含磁传感器221、电流转电压模块222、第一级带通滤波放大模块223、第二级带通滤波放大模块224。磁传感器221在空间交变磁场作用下，产生感生电流信号；电流转电压模块222将磁传感器221产生的感应电流信号转换成电压信号，方便后续处理；第一级带通滤波放大模块223将电流转电压模块222输出的交变电压信号进行正常放大，但不会将信号放大到放大电路的截止状态；第二级带通滤波放大模块224将第一级带通滤波放大模块223输出的信号继续进行放大，直到最终将磁传感器221产生的交变感生信号都放大到截止状态(甚至电路系统内部的全部杂波信号也被放大到截止状态)，相当于产生了一个具有设定频率的方波信号。第一级带通滤波放大模块223与第二级带通滤波放大模块224产生的信号都会被输入到水下移动机器人控制器21。磁传感器信号处理系统23、24与磁传感器信号处理系统22同理。
如图6所示，本发明的磁传感器221、231、241都是由漆包线在铁氧体磁芯上多匝缠绕而制成的，可以增强所述磁传感器的检测灵敏度。水下移动机器人2内部包含三路磁传感器信号处理系统，分别为磁传感器信号处理系统22、磁传感器信号处理系统23、磁传感器信号处理系统24，其中的磁传感器221、磁传感器231、磁传感器241两两相互正交。水下移动机器人控制器21在磁传感器信号处理系统22、23、24的第二级带通滤波放大模块224、234、244输出方波信号的作用下，产生上升沿中断；在上升沿中断之后，对每一路的第一级带通滤波放大模块223、233、243输出的电压进行采样。
如图7所示，磁传感器221在水下移动机器人2内部沿前后方向安装，磁传感器231在水下移动机器人2内部沿左右方向安装，磁传感器241在水下移动机器人2内部沿竖直方向安装。
如图8、图9所示，本发明的水下移动机器人控制器21通过分别对磁传感器信号处理系统22、23、24的第一级带通滤波放大模块223、233、243输出信号的采样电压进行矢量合成，从而计算空间内磁场的方向，并进一步计算水下移动机器人2与磁场在水平面内的夹角β、竖直平面内夹角α。
如图10、图11所示，本发明的水下移动机器人2，在距水下无线充电桩1较近时，通过无线充电系统发射端11产生的低频交变导航磁信号，进行近距离的精确导航；当水下移动机器人2坐落到水下无线充电桩1上，开始进入充电模式。
如图12所示，水下移动机器人2内部的寻充流程为：
(1)当水下移动机器人2电量低于设定值时，进入电磁导航阶段；
(2)当水下移动机器人2与磁场在水平面内的夹角β小于设定值时，沿磁场变化率更大的水平方向直行，当其与磁场在水平面内的夹角β大于或等于设定值时转向；
(3)当无线充电系统接收端25的充电电压小于或等于设定值，判断水下移动机器人2与磁场在竖直平面内夹角α，当水下移动机器人2与磁场在竖直平面内夹角α小于设定值时，水下移动机器人2下降，当其与磁场在竖直平面内夹角α大于或等于设定值时，重复步骤(2)，当无线充电系统接收端25的充电电压大于设定值时，即可进入充电模式，寻充结束。
由于地磁场是相对恒定的磁场，所以不会对本发明的电磁寻充方法产生干扰。
综上所述，本发明主要是利用水下无线充电装置产生的交变磁场进行充电导航，提升了末端充电导航精度；依靠低频的交变磁场进行导航，不受环境中恒定地磁场的影响，也不受导航环境中水的能见度影响，整体受外部环境干扰较小。本发明大大提升了水下移动设备的作业能力。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水下电磁寻充方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)水下无线充电桩空载时，无线充电系统发射端产生低频交变磁场信号；
(2)水下移动机器人将接收到的低频交变磁场信号作为导航信号；
(3)所述水下移动机器人根据所述导航信号，自动导航至所述水下无线充电桩位置，并坐落在所述水下无线充电桩上，所述无线充电系统发射端产生高频交变磁场为水下移动机器人进行无线充电；
所述导航采用如下方式：
步骤(A):当水下移动机器人与磁场在水平面内的夹角β小于设定值时，沿磁场变化率更大的水平方向直行，当其与磁场在水平面内的夹角β大于或等于设定值时转向；
步骤(B):当无线充电系统接收端的充电电压小于或等于设定值，判断水下移动机器人与磁场在竖直平面内夹角α，当水下移动机器人与磁场在竖直平面内夹角α小于设定值时，水下移动机器人下降，当其与磁场在竖直平面内夹角α大于或等于设定值时，重复步骤(A)，当无线充电系统接收端的充电电压大于设定值时，即可进入充电模式，寻充结束。
2.根据权利要求1所述的一种水下电磁寻充方法，其特征在于，所述无线充电系统发射端的控制策略为：
(1)所述无线充电系统发射端，通过采样电流的大小，判断是否带载；
(2)所述无线充电系统发射端，在带载情况下，产生高频交变磁场，为所述水下移动机器人充电；
(3)所述无线充电系统发射端，在不带载情况下，产生低频交变磁场，为水下移动机器人提供导航信号。
3.根据权利要求1或2所述的一种水下电磁寻充方法，其特征在于：
所述水下移动机器人，安装有一组磁传感器，所述一组磁传感器在所述无线充电系统发射端产生的交变磁场作用下，产生一组感生电流。
4.根据权利要求3所述的一种水下电磁寻充方法，其特征在于：
所述一组磁传感器，是由两个或三个相互正交的磁传感器构成的。
5.根据权利要求3或4任一项所述的水下电磁寻充方法，其特征在于：
所述磁传感器是由漆包线在铁氧体磁芯上多匝缠绕而制成的。
6.根据权利要求3或4任一项所述的水下电磁寻充方法，其特征在于：
所述一组磁传感器产生发感生电流，其中每一路的感生电流分别通过电流转电压模块、多级带通滤波放大模块进行信号处理。
7.根据权利要求6所述的水下电磁寻充方法，其特征在于：
所述多级带通滤波放大模块，至少包含两级带通滤波放大模块，包括第一级带通滤波放大模块、第二级带通滤波放大模块；
所述第一级带通滤波放大模块将电流转电压模块输出的交变电压信号进行正常放大，但不会将信号放大到放大电路的截止状态；
所述第二级带通滤波放大模块将第一级带通滤波放大模块输出的信号继续进行放大，直到最终将磁传感器产生的交变感生信号都放大到截止状态，从而产生方波信号；
将所述第一级带通滤波放大模块与所述第二级带通滤波放大模块产生的信号分别输入到所述水下移动机器人控制器。
8.根据权利要求7所述的一种水下电磁寻充方法，其特征在于：
(1)所述水下移动机器人控制器，在所述的每一路具有设定频率的方波信号作用下，产生上升沿中断；
(2)所述水下移动机器人控制器，在上升沿中断之后，对所述每一路的第一级带通滤波放大模块输出进行电压采样。
9.根据权利要求8所述的一种水下电磁寻充方法，其特征在于：
所述水下移动机器人控制器，通过对每一路采样电压信号进行矢量合成，判定所述水下移动机器人与所述无线充电系统发射端产生磁场的相对方向，并进一步判断所述水下移动机器人相对于所述无线充电系统发射端所处的相对位置。
10.根据权利要求9所述的一种水下电磁寻充方法，其特征在于：
所述水下移动机器人，通过水平方向或竖直方向的移动最终坐落到水下无线充电桩上。
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