CN114243938B - 一种海缆巡检auv的非接触充电系统及其导引对接方法 - Google Patents

Abstract

一种海缆巡检AUV的非接触充电系统，包括海缆巡检AUV和若干个海底无线充电基站，所述若干个海底无线充电基站沿着海缆布放在海缆上方，所述海缆巡检AUV与海底无线充电基站之间在完成对接后通过WIFI天线模块数据交互；所述海底无线充电基站包括感应取电装置，其通过感应耦合线圈与海缆组成取电电路，获得的电能传输给储能单元；储能单元，用于存储电能并给海缆巡检AUV提供无线充电电能；无线充电装置，通过非接触式无线充电方式对海缆巡检AUV进行充电；固定装置，设置在海底无线充电基站的平台上，用于将海缆巡检AUV固定在海底无线充电基站上；主控单元，分别与感应取电装置、储能单元、无线充电装置、固定装置电性连接，用于控制各单元动作。

Description

一种海缆巡检AUV的非接触充电系统及其导引对接方法

技术领域

本发明属于水下机器人水下对接充电技术领域，具体涉及一种海缆巡检AUV的非接触充电系统及其导引对接方法。

背景技术

常规的海缆巡检AUV的由于电池的容量问题，续航能力有限。行驶一段时间后需要上浮进行充电才能继续使用，在作业过程中，会影响到连续海缆巡检时的连贯性。

AUV在海洋开发、勘探水下环境以及未来水下战争中会发挥重要的作用，而最重要的是解决AUV的能源供给技术。AUV自带能源自主航行，可执行大范围探测任务，但其续航能力有限，使得作业效率不高，若利用自身携带的太阳能装置上潜至海面充电或与海面上船只进行对接充电，效率不高不利于连续执行探测任务。那么，在海底建设供电系统是十分有必要的。若使用接触式的湿插拔接口将电源与水下设备连接进行充电，存在操作复杂、费用代价高昂、使用寿命短、在水下有诸多安全隐患等问题，且受制于插口连接，从而使设备位置受到限制。因此，建立水下非接触式电能传输，即无线自主充电的方式是促进AUV未来发展的关键技术。

现有AUV水下充电技术存在以下不足之处：

1、传统的接触式湿插拔充电方式，存在湿插拔水密件价格昂贵以及对接过程复杂的不足。

2、常用的无线充电技术则需要配套的水下无线充电基站。现在的无线充电基站一般多是铺设线缆进行基站的供电，由于水下条件苛刻和环境复杂，线缆的铺设成本高昂。

3、充电基站的布放和安装都不太方便，成本高，操作复杂。

发明内容

针对目前存在的技术问题，本发明提供了一种海缆巡检AUV的非接触充电系统及其导引对接方法，基于需要巡检的现有海缆可以快速建设充电基站，不需要额外铺设专用电缆，解决了海底充电基站的建设困难及充电基站供电线缆铺设昂贵的问题，同时解决了巡检AUV水下作业过程中的长时间续航问题。

本发明采用的技术方案是：

一种海缆巡检AUV的非接触充电系统，其特征在于：包括海缆巡检AUV和若干个海底无线充电基站，所述若干个海底无线充电基站沿着待巡检海缆布放在海缆上方，所述海缆巡检AUV与海底无线充电基站之间在完成对接后通过WIFI天线模块数据交互；

所述海底无线充电基站包括:

感应取电装置，其通过感应耦合线圈与海缆组成取电电路，获得的电能传输给储能单元；

储能单元，用于存储电能并给海缆巡检AUV提供充电电能；

无线充电装置，通过非接触式充电方式对海缆巡检AUV进行充电；

固定装置，设置在海底无线充电基站的平台上，用于将海缆巡检AUV固定在海底无线充电基站上；

主控单元，分别与感应取电装置、储能单元、无线充电装置、固定装置电性连接，用于控制各单元动作。本发明的海底无线充电基站基于电磁感应取电原理对海底电缆进行取电，并通过该基站对巡线AUV进行非接触式充电。通过感应取电方式，省去了额外铺设海底无线充电基站的电缆的成本，可以在待巡检的现有海缆基础上直接进行基站的铺设，且不用破坏或改造现有的海缆。

进一步，所述海底无线充电基站还包括电力线载波通信模块，所述电力线载波通信模块与主控单元电性连接，所述电力线载波通信模块通过海缆上的感应耦合线圈经由海缆与岸上的电力线载波控制器进行数据交互。本发明在无线充电基站中集合了电力线载波通信模块，它通过卡接在海缆上的感应耦合线圈从待巡检海缆中耦合信号，并经由该海缆与位于岸基的电力线载波控制器进行双向数据通信。同时利用在AUV和无线充电基站里的WIFI模块，在两者进行对接时可以进行数据交互。结合电力线载波通信模块和WIFI模块，AUV对接成功后可以与岸基进行数据交互。从AUV到岸基的数据传输路径为：AUV控制系统、AUV上的WIFI模块、无线充电基站里的WIFI模块、无线充电基站的主控单元、无线充电基站的电力线载波通讯模块、无线充电基站的感应耦合线圈、海缆、岸基的信号耦合器、岸基的电力线载波控制器、岸基的监控主机。

进一步，所述海底无线充电基站还包括布放器，用于将海底无线充电基站运送到待布放位置，并控制卡接式感应耦合线圈的开合，使之卡装在海缆上，进而实现海底无线充电基站的布放。

进一步，所述海底无线充电基站还包括作为辅助充电装置的海流能收集装置，用于将获得的电能传输给储能单元。本发明的海流能收集装置由螺旋桨叶，电机，整流滤波电路等组成。作为辅助充电装置，海流通过螺旋桨叶带动发电机，取得的电能通过整流滤波传输至储能单元，收集海流能并将其转化为电能储存。

进一步，所述海缆巡检AUV通过其内的磁力仪检测无线充电基站相应的频率和摄像模组识别海底无线充电基站上的灯光来导引实现与海底无线充电基站的对接。

进一步，所述感应耦合线圈为卡接式感应耦合线圈，该线圈可以张开或者闭合，可以卡装在海缆上，并通过扭转弹簧保持常闭状态。

进一步，所述无线充电装置为感应耦合充电装置，包括充电部分和负载部分，所述充电部分设置在海底无线充电基站内，所述负载部分设置在海缆巡检AUV内。

上述海缆巡检AUV的非接触充电系统的导引对接方法，其具体步骤如下：

步骤1，沿着海缆线路布放若干个海底无线充电基站，海底无线充电基站通过感应取电装置对海缆进行感应取电，取得的电能存储在储能单元中；同时辅助使用的海流能收集装置将收集到的海流能转化成电能也存储在储能单元中；

步骤2，海缆巡检AUV正常巡检海缆，当海缆巡检AUV需要充电时，则开启近端对接模式，进入步骤3；

步骤3，海缆巡检AUV的磁力仪检测到海底无线充电基站发出的特定频率的磁信号后(为了便于AUV识别，海底无线充电基站的特定频率与海缆电流频率不同)，海缆巡检AUV沿着该特定频率的磁感线方向航行至对应充电基站的上方，同时通过海缆巡检AUV上的摄像模组识别海底无线充电基站平台上的灯光，在视觉导引下完成与海底无线充电基站的对接；

步骤4，海缆巡检AUV通过WiFi天线模块与海底无线充电基站建立通信连接，同时给出已完成对接的信号，海底无线充电基站接收到该信号后，合拢固定装置，将海缆巡检AUV与海底无线充电基站的平台固定到一起；

步骤5，海缆巡检AUV与海底无线充电基站通过无线充电装置进行感应耦合无线充电；

步骤6，当海缆巡检AUV充电完毕后，发送充电结束需要离航信号给海底无线充电基站，海底无线充电基站接收该信号后，放开固定装置，海缆巡检AUV离开海底无线充电基站平台，继续执行海缆巡检任务。

进一步，当海缆巡检AUV停泊至海底无线充电基站上时，可以根据任务需要决定是否通过WiFi天线模块将数据传输至海底线充电基站中；所述海底无线充电基站中的数据通过电力线载波方式传输至岸基的监控主机中。

进一步，步骤1中的海底无线充电基站的布放包括：

模式一，对新铺设的海缆，直接将无线充电基站卡在海缆上的随海缆一起铺设；

模式二，对于已经铺设到海底的海缆，通过布放器来进行专门的布放；

其中模式二的具体步骤如下：

步骤11，将布放器放置在海底无线充电基站上，给海底无线充电基站发出合拢抓手命令，无线充电基站上的固定装置抓住布放器进行两者锁定；

步骤12，在母船上将布放器放入水中，布放器上设有推进器和相机，甲板操作人员通过连接在布放器上的脐带缆遥控布放器寻找海缆，找到海缆并选定布放位置后进入步骤13；

步骤13、布放夹手夹住卡接式感应耦合线圈，其上的扭转弹簧受力进行扭转，卡接式感应耦合线圈张开，准备卡接海缆；

步骤14、甲板操作人员遥控布放器带着无线充电基站精确到达需要卡接海缆的位置，确定卡接式感应耦合线圈就位后，布放器松开布放夹手，扭转弹簧失去外力后，恢复原状，卡接式感应耦合线圈卡紧海缆。如果操作失败可以重复本步骤；

步骤15、确定卡接式感应耦合线圈卡紧海缆并可正常取电后，海底无线充电基站的固定装置打开，释放出布放器，甲板操作人员遥控回收布放器，完成海底无线充电基站的布放。

本发明的有益效果：

(1)本发明的无线充电基站基于电磁感应原理对待巡检海缆进行非接触式取电，并通过该基站对巡检AUV进行无线充电续航，基于待巡检的现有海缆可以快速建设充电基站，不需要额外铺设专用电缆，且不用破坏现有的海缆，解决了海底充电基站建设困难及充电基站供电线缆铺设昂贵的问题。如果该海缆不需要再维护，对应的无线充电基站还可以回收并用在其他海缆上。

(2)在无线充电基站布放时，巧妙利用了无线充电基站上用于锁紧AUV的固定装置固定专用布放器，实现无线充电基站和布放器的互相锁定，而不需要在布放器上另设固定装置。布放器上的布放夹手可以控制卡接式耦合线圈的张合，在甲板操作人员的可视遥控下，布放器带着无线充电基站可以进行精准布放，同时可使卡接式耦合线圈精确卡接海缆。上述特点使得基于待巡检的现有海缆可以快速建设布放充电基站，为海缆巡检AUV长期在海底进行海缆巡检奠定基础。

(3)海缆巡检AUV与无线充电基站的对接过程结合了磁学与光学导引原理，定位准确，无线充电基站上附带有固定抓手可以在完成对接后固定住AUV。

(4)感应取电装置将取得的电能存储至储能单元，并额外收集了海流能，增加了电能的收集，保证了海缆巡检AUV需要充电时能随时降落到无线充电基站上充电。

(5)海底无线充电基站内置电力线载波通信系统，通过电力线载波技术，经由海缆，可以建立与岸基的双向通信。AUV与无线充电基站的数据交互利用了WIFI近距离无线通信，结合WIFI和载波通信系统后，海缆巡检AUV可以与岸基监控主机进行数据交互。

附图说明

图1是本发明无线充电时的状态示意图。

图2是本发明的卡接式感应耦合线圈的结构示意图。

图3是本发明的导引对接充电的状态示意图。

图4是本发明的海底无线充电基站的原理示意图。

图5是本发明的布放器的结构示意图。

图6是本发明的海缆巡检AUV的立体结构示意图。

图7是本发明的海缆巡检AUV的侧视结构示意图。

图8是本发明的海缆巡检AUV的后视结构示意图。

图9是本发明的海缆巡检AUV的前舱和中舱内部结构示意图。

图10是本发明的海缆巡检AUV的后舱内部结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

相关术语

AUV：自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)

ROV：Remotely Operated Vehicle

UUV：无人水下航行器Unmanned Underwater Vehicle

POM：聚甲醛树脂

ICPT：感应耦合式能量传输技术(Inductive Coupled Power Transfer)

实施例一

参见图1-5，本实施例提供了一种海缆巡检AUV的非接触充电系统，包括海缆巡检AUV110和若干个海底无线充电基站120，所述若干个海底无线充电基站120沿着海缆100布放在海缆100上方，所述海缆巡检AUV110与海底无线充电基站120之间在完成对接后通过WIFI天线模块124实现近距离数据通信。

所述海底无线充电基站120包括以下部分：

感应取电装置121，其通过感应耦合线圈1211(本发明中也称卡接式耦合线圈)与海缆110组成取电电路，获得的电能传输给储能单元122。具体的，所述感应取电装置121包括感应耦合线圈，即卡接式感应耦合线圈(由于海底线缆的电流变化波动大，且是交变电流，磁通量变化大。因此在设计磁感应耦合线圈的过程中要考虑到磁感应线圈的铁芯材料的选型)、钳位保护电路、整流电路、稳压滤波，通过感应耦合线圈取电之后，经过整流和滤波将取得的电流为储能单元供电。其中感应耦合线圈1211通过铺设好的海缆110，铺设好的海缆110通过交变高压电流时会产生大量电磁能。此时海缆110相当于取电感应器的一次侧线圈，耦合线圈作为取电感应器的二次侧线圈组成取电电路。取得的电能通过钳位保护电路、整流电路及滤波之后传输给储能单元122之中。

储能单元122，用于存储电能并给海缆巡检AUV110提供无线充电电能；本发明可以灵活的进行相应储能单元的选配，主控单元采集储能单元运行数据，实现电池管理，支持参数设定(包括电池容量、充电平台电压、放电平台电压、蓄电池类型等)保证合理的选用使得储能单元正常的运行。

无线充电装置128，通过非接触式无线充电方式对海缆巡检AUV进行充电；所述无线充电装置为感应耦合充电装置，包括充电部分和负载部分，所述充电部分设置在海底无线充电基站内，所述负载部分设置在海缆巡检AUV内。其中充电部分包括高频逆变电路，补偿电路和原边线圈，负载部分包括补偿电路，整流电路和副边线圈。储能单元中的直流电源经过高频逆变电路转化后经过一次补偿电路滤波到原边线圈，通过感应耦合将电能传输至副边线圈，再通过二次补偿电路以及整流电路后转化为直流电给海缆巡检AUV进行充电。

固定装置125，设置在海底无线充电基站120的平台上，用于将海缆巡检AUV110固定在海底无线充电基站120上；所述固定装置125采用了固定抓手，设置在充电基站的平台上，当需要充电的时候，海缆巡检AUV通过WIFI无线装置发射信号给充电基站，充电基站接受到命令后，通过合拢抓手将海缆巡检AUV固定在无线充电基站上。

主控单元126，分别与感应取电装置121、储能单元122、无线充电装置128、固定装置125电性连接，用于控制各单元动作。

本发明基于感应取电原理对海底线缆进行非接触式取电的海底无线充电基站，并通过该基站对巡线AUV进行无线充电。通过感应取电方式，省去了额外铺设海底无线充电基站的电缆的成本，可以在现有的海缆基础上直接进行基站的铺设，且不用破坏或改造现有的海缆。

本实施例所述海底无线充电基站120还包括电力线载波通信模块123，所述电力线载波通信模块123与主控单元126电性连接，所述电力线载波通信模块123通过海缆上的感应耦合线圈经由海缆与岸上的电力线载波控制器进行数据交互。本发明在无线充电基站中集合了电力线载波通信模块，它通过在海缆上的感应耦合线圈从待巡检海缆中耦合信号，并经由该海缆与位于岸基的电力线载波控制器进行双向数据通信。同时利用在AUV和无线充电基站里的WIFI模块，在两者进行对接时可以进行数据交互。结合电力线载波通信模块和WIFI模块，AUV对接成功后可以与岸基进行数据交互。从AUV到岸基的数据传输路径为：AUV控制系统、AUV上的WIFI模块、无线充电基站里的WIFI模块、无线充电基站的主控单元、无线充电基站的电力线载波通讯模块、无线充电基站的感应耦合线圈、海缆、岸基的信号耦合器、岸基的电力线载波控制器、岸基的监控主机。

本实施例所述海底无线充电基站120还包括布放器129，用于将海底无线充电基站120运送到待布放位置，并控制卡接式感应耦合线圈的开合，使之卡装在海缆100上，进而实现海底无线充电基站120的布放。布放器129由推进器，摄像模组，夹取装置等组成，甲板操作人员可以在母船上对布放器进行可视遥控，对无线充电基站进行精确布放。感应耦合线圈1211设有扭转弹簧，不受力时为合拢状态，通过布放器带的布放夹手1291，可以控制感应耦合线圈1211的张合。甲板操作人员通过可视遥控布放器深入海底精准查找海缆并选定布放位置，当无线充电基站精确到达需要卡接海缆的位置，确定卡接式感应耦合线圈就位后，布放器松开布放夹手1291，扭转弹簧失去外力后，恢复原状，卡接式感应耦合线圈卡紧海缆。对于海缆有两种布放模式，一种是铺设新的海缆时，直接将基站卡住线缆后布置下去，另一种布放模式是基于已经铺设下去的海缆，通过布放器进行无线充电基站的布放。

本实施例所述海底无线充电基站120还包括作为辅助充电装置的海流能收集装置127，用于将获得的电能传输给储能单元122。本发明的海流能收集装置由螺旋桨叶，电机，整流滤波电路等组成。作为辅助充电装置，海流通过螺旋桨叶带动发电机，取得的电能通过整流滤波传输至储能单元，收集海流能并将其转化为电能储存。

本实施例所述海缆巡检AUV110通过其内的磁力仪检测海底无线充电基站120相应的频率和摄像模组识别海底无线充电基站上的灯光来导引实现与海底无线充电基站120的对接。具体的，海底无线充电基站120的上部平台布置有环形的充电线圈，该充电线圈除了可用于与AUV无线耦合充电外，还可以发出不同于海缆电流频率的电磁信号用于AUV对接的导引。在巡检过程中，海缆巡检AUV在海缆电流产生的电磁场的导引下沿着海缆进行巡检。当安装在海缆巡检AUV前端的磁力仪检测到无线充电基站发出的特定电磁场频率时，海缆巡检AUV已经到了海底无线充电基站附近。海缆巡检AUV在无线充电基站发出的特定电磁场的导引下，进一步接近无线充电基站并到达无线充电基站的上方。在海底无线充电基站的上部平台布置的环形充电线圈周围，布置有易于水下视觉识别的信号灯，AUV会通过自身携带的摄像模组进行信号灯识别，在电磁场和视觉的双导引下完成与无线充电基站的精确对接。

参见图6-10，本实施例所述海缆巡检AUV，包括扁平状的外壳1，所述外壳1内设有前舱8、中舱7、后舱6；所述前舱8、中舱7、后舱6内均设置有框架式的支撑骨架；所述支撑骨架固定在外壳1底部上，所述前舱8的支撑骨架通过中舱7的支撑骨架与后舱6的支撑骨架连接或直接与后舱6的支撑骨架连接。本发明采用在不同舱体内设置框架式支撑骨架，可以将调试过程中不经常使用的零部件，例如摄像头，水下照明灯，侧扫声纳等放置中舱的支撑骨架中，在调试过程中，单单使用后舱及前舱就可以组装起来下水进行调试，方便调试，同时对于可能出现的后期修改问题，也提供了一个较为方便有效的方案，并不用对于整体AUV的构造进行修改，大大减少了设计生产中产生的成本，由于是框架式的骨架结构，对于出现的安装问题，也可以通过修改单独的骨架来进行修改设计产生的误差，大大减少了试错的成本。

本实施例所述前舱8内的支撑骨架上安装有密封设置的组合磁力仪系统、多普勒测速仪和离底高度计，所述前舱8内的支撑骨架上对称设置有用于AUV的上浮下沉的前垂直推进器5，所述前垂直推进器5与外部水流连通。

所述前舱8包括主舱体和对称设置在主舱体两侧的侧舱体，所述组合磁力仪系统包括一个前置磁力仪11和两个侧翼磁力仪15，所述前置磁力仪11通过固定卡箍12固定在主舱体内的支撑骨架14和主舱体的底部上并与AUV的轴线平行设置，两个侧翼磁力仪15通过固定卡箍分别固定安装在相应的侧舱体内并均与AUV的轴线垂直设置；所述前置磁力仪11和侧翼磁力仪15外均设置有密封舱。本发明通过一个前置磁力仪11和两个侧翼磁力仪15形成的组合磁力仪系统，可以较为准确的确定本AUV相较于磁场中的位置，通过感应到的磁场数据的不同，来区别此时此刻的位置。具体的，前置磁力仪11以及数据采集模块被一起封装到一个密封舱中，密封舱的后端通过插盘13固定到支撑骨架14上面，密封舱的前端通过固定卡箍12固定在前舱下方的壳体上面。而位于两侧壳体上面直接通过固定卡箍固定了两个封装好侧翼磁力仪15的密封舱。所述前舱8和前舱8内的支撑骨架14均采用POM材料制成。POM材料强度高、加工性好、吸湿性小，而且属于非金属无磁材料对磁力仪干扰小，能够避免AUV本体对于磁力仪的干扰。

本实施例所述后舱6和中舱7的支撑骨架均包括若干块支撑板16和若干根连接梁，所述后舱6和中舱7的支撑板均通过相应的连接梁固定在一起，所述后舱6的支撑骨架和中舱7的支撑骨架之间通过相邻支撑板固定连接，所述前舱8的支撑骨架与中舱7的支撑板或后舱6的支撑板固定连接。具体的在每一块支撑板上的两侧都留下四个M4的螺纹孔，用于支撑板16与连接板17之间的连接。且在支撑板16的下侧也都留下四个M4的螺纹孔，用于连接支撑板和连接板，通过连接板和壳体的连接将壳体真正和骨架连接起来。放置于后舱6的三块支撑板通过螺钉来对连接板和十二根竖梁进行连接，进而使后舱6上面的三块支撑板连接成一个整体的支撑骨架。放置于中舱7的两块支撑板在两侧和底部留的孔位均保持一致，中舱7的两块支撑板同样也是先和连接板连接到一起，再用八根竖梁连接连接板，使得中舱两块支撑板固定一起形成一个支撑骨架。中舱7和后舱6的支撑骨架的连接是两块支撑板直接贴合起来，通过贯穿在相同位置的五个孔位，通过螺钉连接通孔和螺纹孔，同时在侧面和底部用整块的连接板将这两块支撑板连接成一体。其中三块支撑板的顶部两侧设有吊环螺母29，所述吊环螺母29凸出外壳1设置。

本实施例所述中舱7内的支撑骨架上固定有摄像模组18、水下照明灯以及声通信机19；所述中舱7的两侧均安装有角度可调整的侧扫声纳换能器20。具体的，中舱7的支撑骨架的下方竖梁之间放置几根横梁，用来放置侧扫声纳的电子单元密封圈，以及摄像模组和水下照明灯。中舱的两侧侧扫声呐换能器通过转接件固定在中舱的支撑板上，且针对换能器的布置角度，转接件设计的可调节角度，方便后面安装的角度调整。所述中舱内设置有充电线圈及WiFi天线模块30。

本实施例所述后舱6内的支撑骨架上安装有密封设置的电子舱9，所述电子舱9内置有控制推进器和舵机动作的电子控制元件，所述电子控制元件与组合磁力仪系统、多普勒测速仪、离底高度计、摄像模组、水下照明灯、声通信机、侧扫声纳换能器通讯连接，所述电子控制元件通过密封好的天线10与外部通讯连接，所述天线10穿出外壳1设置并在外部罩设有导流罩2；所述电子舱9的两侧安装有密封的电池舱21，所述电池舱21内安装有供电的电池模组；所述后舱6的尾部设置有两块分开设置的舵板24，所述舵板24与控制其上下摆动的舵机22连接，所述后舱6的尾部在两舵板24的外侧均安装有水平设置用于AUV前后推进的直流推进器3，所述后舱6后的支撑骨架上固定有用于辅助AUV的上浮和下潜以及悬停的后垂直推进器4，所述后垂直推进器4与外部水流连通；所述后舱6的尾部与其内支撑骨架之间通过尾部拉伸件连接。本实施例的前后五个推进器包括舵机的控制指令都由放置在后舱骨架上的电子舱发出。电子舱内置电子控制元件，将电子元件排布放置好后，将其放置于密封舱内，密封好。所述水下防水开关用于电子舱内电路的通断。由于水下防水开关过流能力有限，本发明通过防水开关先控制继电器的输入端，再由继电器来控制电子舱内的其他负载。作为候选方案，本发明中水下防水开关也可以用非接触式的双稳磁开关来代替，这样只需要在腔体外部靠近双稳磁开关的位置用磁铁来控制通断，而不需要在电子舱侧面开安装水下防水开关的孔。

本实施例所述舵机22的输出轴依次通过传动短轴、挠性联轴器、传动长轴、小锥齿轮、大锥齿轮与舵板24连接，所述舵板24通过陶瓷轴承可转动的嵌装在后舱尾部，所述传动短轴和传动长轴上均通过陶瓷轴承可旋转地安装于法兰盘式的轴承座内，所述轴承座固定在后舱内的凸台上。本发明所述舵板24的上下摆动通过舵机22的旋转经过传动短轴-挠性联轴器-传动长轴-小锥齿轮-安装在舵板24上大锥齿轮23进行传动。尾部的直流推进器3直接嵌入后舱6的外壳上，并且通过螺栓螺母连接起来。舵板24先套上两块陶瓷轴承嵌入后舱6留好的空处，再通过紧固件将轴承连接起来。

本实施例整体电源的提供由放置在电子舱9两侧的电池舱21提供，选择能够满足电压电流和续航要求的电池模组，封装至密封舱中成为电池舱。所述电池舱21安装于滑轨上，所述滑轨架设在后舱的支撑骨架的下部贴近舱底设置。本发明电池舱的放置采用滑轨式布置，滑轨放置于整体中心之下，贴近舱底，降低AUV整体的重心，增大稳心高，提高AUV的稳定性，同时滑轨式设计还有一个优点是便于后期的配重和重心的轴向调节。电池舱21的两侧端盖分别开了八个螺纹孔，用来连接与滑轨之间的转接件。同时滑轨上预留多个螺纹孔，方便电池舱的轴向位置调节以及固定。

本实施例所述尾部拉伸件包括一伸直杆25和斜拉杆26，所述伸直杆25的一端通过L型转接件27与后舱6内支撑骨架的支撑板固定连接，其另一端与后舱尾部的凸台固定连接，所述斜拉杆26的一端铰接在伸直杆25的中部，其另一端通过T型转接件28与后舱6内支撑骨架的支撑板连接。本发明由于推进器等的质量过重，单单靠外壳承重受力容易造成应力集中，对整体造成破损，由此设置尾部拉伸件。伸直杆、斜拉杆与支撑骨架的支撑板形成一个三角形，能够稳定的支撑住后舱嵌入的推进器，支撑住大部分重量，可以进一步减少后舱壳体的厚度，减少成本。

本实施例所述外壳1的上下面在垂直推进器的投影位置均开设通孔，使得垂直推进器能更好与外部水流连通，提高推进效率。

针对便于安装以及调整的方面，AUV内部的零部件的安装固定可以在下半部分安装完成并固定，方便固定，也方便内部的布置和安装。

整个外壳的上半部分用于放置浮力材料。常规的AUV设计中，外壳采用浮力材料定制加工而成。这种方法虽然可以保证壳体的美观和水动力性能，但是浮力材料定制加工良品率低，导致加工成本较高。在本发明中，外壳的上表面内侧设有加强筋用于增加强度，且在加强筋上设有许多孔位，用于内部标准浮力块的固定。这样在不影响AUV整体美观和流线型的基础上，可以采用经济性更好的标准浮力块以降低成本，同时内部浮力块的数量可以灵活增减。本实施例外壳采用的3D打印，所以外壳的设计并不需要采用传统的圆柱形。本实施例外壳采用的扁平形状，扁平的布置能够更好的利用舱内的空间，使得AUV内部空间较为有效的利用。本发明通过在不同支撑骨架上面的孔位和留的螺纹孔，可以更方便的布置零部件。

本发明采用了扁平式纺锤状的外壳设计，扁纺锤形状的横向水阻力小，使得AUV可以灵活转向，是比较适合海缆巡检的AUV形状。此外，该外壳形状有利于有效利用AUV内部的空间，同时采用了框架式结构，主要的零部件全部由骨架承重，在骨架的基础上采用的蒙皮壳体的设计，可以将外壳做的尽可能的薄。进一步，浮力材料也放置于内部，固定于内部，方便配重的同时也美观，不影响水动力性能。

本发明通过一个前置磁力仪和两个侧翼磁力仪形成组合磁力仪系统，可以确定AUV相对于海缆的位置，为AUV沿着海缆巡检提供导引信号。其中，前置磁力仪优选三轴感应线圈式的传感器或高灵敏度磁通门传感器。由于海缆可视为无限长直导线模型。根据电磁场理论和电磁波传播规律，长直导线中通过交流电流时，在其周围会产生交变电磁场并向外传播。海缆周围某点的磁感应强度与海缆的垂直距离成反比，方向与导线横截面相垂直。磁力线为以该长直导线为圆心的同心圆，方向由安培右手定则确定。前置磁力仪通过检测海缆周围交变磁场的三轴分量，可以推算出AUV相对于海缆轴心的方位，同时结合AUV导航系统得到的航行距离，可以推算出AUV相对于海缆的距离。这些信号为AUV沿着海缆巡检提供导引。前置磁力仪若选用三轴感应线圈式的传感器，因为感应线圈可以感应海缆通交流电后的交变磁场，而地磁场和其他静态干扰磁场则不被感应，这样可以大大提高前置磁力仪检测到信号的信噪比。前置磁力仪若选用高灵敏度磁通门传感器，则需要针对海缆交流电的频率设计高通滤波器，将输入信号中的静态磁场滤除，保留海缆产生的交变磁场信号。与前置磁力仪主要检测海缆产生的交变磁场不同，一对侧翼磁力仪检测的信号则包含了海缆产生的交变磁场和静态地磁场。通过对一对侧翼磁力仪检测的信号作差分处理，相同的静态地磁场分量被自动减掉，保留下表征AUV相对于海缆位置的差分分量。该信号同样可以为AUV沿着海缆巡检提供导引。为了提高海缆的定位精度，两个侧翼磁力仪之间的距离应尽量大。本发明组合了前置磁力仪检测交变磁场和一对侧翼磁力仪检测差分信号两种不同的方式，通过信息融合并结合AUV自身的导航系统，得到AUV相对于海缆的位置和方位，为AUV沿着海缆巡检提供导引。

本发明电池舱采用滑轨布置，可以更加方便的调整重心，同时在配平等方面，也会更加方便。采用拼接式设计，中舱是一个载荷舱的设计，可以根据任务需要灵活的更换和增加不同的载荷。天线的导流罩采用的直接拆卸式结构，安装方便，预留的充电孔也集成在导流罩下侧，在需要充电的时候只需要将固定导流罩的螺钉拆卸下来，即可进行充电，不需要整体的拆卸。后舱布置的双推进器使得AUV操纵灵活；采用了扁平式纺锤状的外壳设计，扁纺锤形状的横向水阻力小，使得AUV可以灵活转向；同时后置的舵板使得姿态和深度调节更加灵活。所有这些特征使得本发明的AUV更适合应用于海缆巡检。

实施例二

本实施例提供了实施例一所述一种海缆巡检AUV的非接触充电系统的导引对接方法，其具体步骤如下：

步骤1，沿着海缆100线路布放若干个海底无线充电基站120，海底无线充电基站120通过感应取电装置121对海缆100进行感应取电，取得的电能存储在储能单元122之中；同时辅助使用的海流能收集装置127将收集到的海流能转化成电能也存储在储能单元122中；

步骤2，海缆巡检AUV110正常巡检海缆100，当海缆巡检AUV110需要充电时，则开启近端对接模式，进入步骤3；

步骤3，海缆巡检AUV110的磁力仪检测到海底无线充电基站120发出的特定频率的磁信号后，海缆巡检AUV110沿该特定频率的磁感线方向航行至对应充电基站的上方，同时通过海缆巡检AUV110上的摄像模组识别海底无线充电基站120平台上的灯光，在视觉导引下完成与海底无线充电基站120的对接；

步骤4，海缆巡检AUV110通过WiFi天线模块124与海底无线充电基站120建立通信连接，同时给出已完成对接信号，海底无线充电基站120接收到该信号后，合拢固定装置，将海缆巡检AUV110与海底无线充电基站120的平台固定到一起；

步骤5，海缆巡检AUV110与海底无线充电基站120通过无线充电装置进行感应耦合无线充电；

步骤6，当海缆巡检AUV110充电完毕后，发送充电结束需要离航信号给海底无线充电基站120，海底无线充电基站120接收该信号后，放开固定装置，海缆巡检AUV110离开海底无线充电基站120平台，继续执行海缆巡检任务。

本实施例当海缆巡检AUV停泊至海底无线充电基站120上时，可以根据任务需要决定是否通过WiFi天线模块124将数据传输至海底线充电基站120中；所述海底无线充电基站120中的数据通过电力线载波方式传输至岸基的监控主机中。

本实施例步骤1中的海底无线充电基站120的布放包括：

模式一，对新铺设的海缆100，直接将海底无线充电基站120卡在海缆100上的随海缆100一起铺设；

模式二，对于已经铺设到海底的海缆100，通过布放器129来进行专门的布放；

其中模式二的具体步骤如下：

步骤11，将布放器129放置在海底无线充电基站120上，给海底无线充电基站120发出合拢抓手命令，海底无线充电基站120上的固定装置抓住布放器129进行两者锁定；

步骤12，在母船上将布放器129放入水中，布放器129上设有推进器和相机，甲板操作人员通过连接在布放器129上的脐带缆遥控布放器129寻找海缆100，找到海缆100并选定布放位置后进入步骤13；

步骤13、布放夹手1291夹住卡接式感应耦合线圈，其上的扭转弹簧受力进行扭转，卡接式感应耦合线圈张开，准备卡接海缆100；

步骤14、甲板操作人员遥控布放器129带着海底无线充电基站120精确到达需要卡接海缆100的位置，确定卡接式感应耦合线圈就位后，布放器129松开布放夹手1291，扭转弹簧失去外力后，恢复原状，卡接式感应耦合线圈卡紧海缆100，若操作失败可以重复本步骤；

步骤15、确定卡接式感应耦合线圈卡紧海缆100并可正常取电后，海底无线充电基站120的固定装置125打开，释放出布放器129，甲板操作人员遥控回收布放器129，完成海底无线充电基站120的布放。

Claims (8)

1.一种海缆巡检AUV的非接触充电系统，其特征在于：包括海缆巡检AUV和若干个海底无线充电基站，所述若干个海底无线充电基站沿着待巡检海缆布放在海缆上方，所述海缆巡检AUV与海底无线充电基站之间在完成对接后通过WIFI天线模块数据交互；

所述海底无线充电基站包括：

感应取电装置，其通过感应耦合线圈与海缆组成取电电路，获得的电能传输给储能单元；

储能单元，用于存储电能并给海缆巡检AUV提供无线充电电能；

无线充电装置，通过非接触式无线充电方式对海缆巡检AUV进行充电；

固定装置，设置在海底无线充电基站的平台上，用于将海缆巡检AUV固定在海底无线充电基站上；

主控单元，分别与感应取电装置、储能单元、无线充电装置、固定装置电性连接，用于控制各单元动作；

所述海缆巡检AUV的非接触充电系统的导引对接方法，其具体步骤如下：

步骤1，沿着海缆线路布放若干个海底无线充电基站，海底无线充电基站通过感应取电装置对海缆进行感应取电，取得的电能存储在储能单元之中；同时辅助使用的海流能收集装置将收集到的海流能转化成电能也存储在储能单元中；

其中的海底无线充电基站的布放包括：

模式一，对新铺设的海缆，直接将无线充电基站卡在海缆上的随海缆一起铺设；

模式二，对于已经铺设到海底的海缆，通过布放器来进行专门的布放；

其中模式二的具体步骤如下：

步骤11，将布放器放置在海底无线充电基站上，给海底无线充电基站发出

合拢抓手命令，海底无线充电基站上的固定装置抓住布放器进行两者锁定；

步骤12，在母船上将布放器放入水中，布放器上设有推进器和相机，甲板操作人员通过连接在布放器上的脐带缆遥控布放器寻找海缆，找到海缆并选定布放位置后进入步骤13；

步骤13、布放夹手夹住卡接式感应耦合线圈，其上的扭转弹簧受力进行扭转，卡接式感应耦合线圈张开，准备卡接海缆；

步骤14、甲板操作人员遥控布放器带着无线充电基站精确到达需要卡接海缆的位置，确定卡接式感应耦合线圈就位后，布放器松开布放夹手，扭转弹簧失去外力后，恢复原状，卡接式感应耦合线圈卡紧海缆，若操作失败可以重复本步骤；

步骤15、确定卡接式感应耦合线圈卡紧海缆并可正常取电后，海底无线充电基站的固定装置打开，释放出布放器，甲板操作人员遥控回收布放器，完成海底无线充电基站的布放；

步骤2，海缆巡检AUV正常巡检海缆，当海缆巡检AUV需要充电时，则开启近端对接模式，进入步骤3；

步骤3，海缆巡检AUV的磁力仪检测到海底无线充电基站发出的特定频率的磁信号后，海缆巡检AUV沿着该特定频率的磁感线方向航行至对应充电基站的上方，同时通过海缆巡检AUV上的摄像模组识别海底无线充电基站平台上的灯光，在视觉导引下完成与海底无线充电基站的对接；

步骤4，海缆巡检AUV通过WiFi天线模块与海底无线充电基站建立通信连接，同时给出已完成对接信号，海底无线充电基站接收到该信号后，合拢固定装置，将海缆巡检AUV与海底无线充电基站的平台固定到一起；

步骤5，海缆巡检AUV与海底无线充电基站通过无线充电装置进行感应耦合无线充电；

步骤6，当海缆巡检AUV充电完毕后，发送充电结束需要离航信号给海底无线充电基站，海底无线充电基站接收该信号后，放开固定装置，海缆巡检AUV离开海底无线充电基站平台，继续执行海缆巡检任务。

2.根据权利要求1所述的一种海缆巡检AUV的非接触充电系统，其特征在于：所述海底无线充电基站还包括电力线载波通信模块，所述电力线载波通信模块与主控单元电性连接，所述电力线载波通信模块通过海缆上的感应耦合线圈经由海缆与岸上的电力线载波控制器进行数据交互。

3.根据权利要求1所述的一种海缆巡检AUV的非接触充电系统，其特征在于：所述海底无线充电基站还包括布放器，用于将海底无线充电基站运送到待布放位置，并控制卡接式感应耦合线圈的开合，使之卡装在海缆上，进而实现海底无线充电基站的布放。

4.根据权利要求1所述的一种海缆巡检AUV的非接触充电系统，其特征在于：所述海底无线充电基站还包括作为辅助充电装置的海流能收集装置，用于将获得的电能传输给储能单元。

5.根据权利要求1所述的一种海缆巡检AUV的非接触充电系统，其特征在于：所述海缆巡检AUV通过其内的磁力仪检测无线充电基站相应的频率和摄像模组识别海底无线充电基站上的灯光来导引实现与海底无线充电基站的对接。

6.根据权利要求1所述的一种海缆巡检AUV的非接触充电系统，其特征在于：所述感应耦合线圈为可开闭的卡接式感应耦合线圈，当其卡装在海缆上时通过扭转弹簧保持常闭状态。

7.根据权利要求1所述的一种海缆巡检AUV的非接触充电系统，其特征在于：所述无线充电装置为感应耦合充电装置，包括充电部分和负载部分，所述充电部分设置在海底无线充电基站内，所述负载部分设置在海缆巡检AUV内。

8.根据权利要求1所述的一种海缆巡检AUV的非接触充电系统，其特征在于：当海缆巡检AUV停泊至海底无线充电基站上时，可以根据任务需要决定是否通过WiFi天线模块将数据传输至海底线充电基站中；所述海底无线充电基站中的数据通过电力线载波方式传输至岸基的监控主机中。