CN114301187B - 水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统，包括传输接口模块、第一电能变换模块、第一调谐与阻抗匹配网络、第一耦合线圈、第二调谐与阻抗匹配网络、信号采样与解调模块、信号调制与发射模块、第三调谐与阻抗匹配网络、第二耦合线圈、第四调谐与阻抗匹配网络以及第二电能变换模块；传输接口模块串联第一电能变换模块、第一调谐与阻抗匹配网络和第一耦合线圈；第二耦合线圈串联第四调谐与阻抗匹配网络和第二电能变换模块；信号调制与发射模块串联第三调谐与阻抗匹配网络和第二耦合线圈；第一耦合线圈串联第二调谐与阻抗匹配网络、信号采样与解调模块和传输接口模块；第一耦合线圈与第二耦合线圈通过磁场耦合实现无线电能与信号传输。

Description

水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统

技术领域

本申请涉及磁耦合谐振无线电能传输技术领域，特别是涉及水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统。

背景技术

近年来，水下机器人技术发展十分迅速，在海洋探测、水下维修作业等领域发挥着越来越重要的作用。然而，水下机器人的能源供给问题仍未得到彻底解决，当前的电能供应方式主要有几种：一是为水下机器人连接电缆供电，但电缆会限制水下机器人的作业距离，且容易缠绕水下物体而引发事故。二是通过电池供电，并通过水下湿插拔接口为水下机器人电池充电，但湿插拔接口操作维护过程复杂、成本昂贵，且由于插拔力较大，容易导致接口磨损而产生漏电事故。因此，迫切需要探索更高效、更可靠的电能补给方法。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统，可以简单方便、安全高效地实现水下机器人的充电。

水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统，包括：水下预置系统以及能量接收与信号发射系统；所述水下预置系统与海底电缆相连接；所述能量接收与信号发射系统安装在水下机器人上；

所述水下预置系统包括：传输接口模块、第一电能变换模块、第一调谐与阻抗匹配网络、第一耦合线圈、第二调谐与阻抗匹配网络以及信号采样与解调模块；

所述能量接收与信号发射系统包括：信号调制与发射模块、第三调谐与阻抗匹配网络、第二耦合线圈、第四调谐与阻抗匹配网络以及第二电能变换模块；

在无线电能传输过程中：

所述传输接口模块与海底电缆相连接，并依次串联所述第一电能变换模块、所述第一调谐与阻抗匹配网络和所述第一耦合线圈以形成电能输入线路；所述第二耦合线圈依次串联所述第四调谐与阻抗匹配网络和所述第二电能变换模块以形成电能输出线路，所述第二电能变换模块与水下机器人相连接；

在信号传输过程中：

所述信号调制与发射模块与水下机器人相连接，并依次串联所述第三调谐与阻抗匹配网络和所述第二耦合线圈以形成信号输入线路；所述第一耦合线圈依次串联所述第二调谐与阻抗匹配网络、所述信号采样与解调模块和所述传输接口模块以形成信号输出线路；

所述第一耦合线圈与所述第二耦合线圈之间通过磁场耦合实现无线电能与信号传输，所述电能输入线路以及所述电能输出线路一起构成电能传输通道，所述信号输入线路以及所述信号输出线路一起构成信号传输通道。

在一个实施例中，所述第一调谐与阻抗匹配网络、所述第二调谐与阻抗匹配网络、所述第三调谐与阻抗匹配网络、所述第四调谐与阻抗匹配网络均用于：调谐第一耦合线圈与第二耦合线圈，并且调控系统电路的阻抗特性，使电能传输通道与信号传输通道分别在不同的阻抗特性下运行。

在一个实施例中，所述第一调谐与阻抗匹配网络、所述第二调谐与阻抗匹配网络、所述第三调谐与阻抗匹配网络、所述第四调谐与阻抗匹配网络均包括：一个补偿电感与两个补偿电容；

所述补偿电感与一个补偿电容并联后再与另一个补偿电容串联。

在一个实施例中，所述传输接口模块将海底电缆输出的电能输入给第一电能变换模块，并将信号采集与解调模块输出的测量信号输入给海底电缆。

在一个实施例中，所述第一电能变换模块将传输接口模块输出的直流电转换为高频交流电，并输入给第一调谐与阻抗匹配网络。

在一个实施例中，所述第一耦合线圈将第一调谐与阻抗匹配网络输出的电能转换为磁场能，并将第二耦合线圈经过磁耦合输出的磁信号转换为电信号。

在一个实施例中，所述第二耦合线圈将第一耦合线圈经过磁耦合输出的磁场能转换为电能，并将第三调谐与阻抗匹配网络输出的电信号转换为磁信号。

在一个实施例中，所述第二电能变换模块将所述第四调谐与阻抗匹配网络输出的高频交流电转换为直流电，并输入给水下机器人电池模块。

在一个实施例中，所述信号调制与发射模块将水下机器人传感器模块输出的测量信号转换为调制后电信号，并输入给第三调谐与阻抗匹配网络。

在一个实施例中，所述信号采集与解调模块将第二调谐与阻抗匹配网络输出的电信号复原出测量信号，并输入给传输接口模块。

上述水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统，利用无线电能传输技术为水下机器人实现水下非接触式充电，可克服传统湿插拔充电接口易磨损、易漏电等问题，显著提升水下机器人充电的安全性、灵活性；且拓宽了作业距离，降低了实现成本、操作简单、高效可靠。此外，利用磁耦合谐振无线电能传输技术还可以在为水下机器人充电的同时实现水下无线通信，将水下机器人传感器测量的数据高质量地传出，因此极具应用价值。

附图说明

图1为一个实施例中水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统的示意图；

图2为一个实施例中水下预置系统、能量接收与信号发射系统的电路拓扑的示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1至图2所示，本申请提供的水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统，在一个实施例中，包括：水下预置系统以及能量接收与信号发射系统；所述水下预置系统与海底电缆相连接；所述能量接收与信号发射系统安装在水下机器人上；

所述水下预置系统包括：传输接口模块、第一电能变换模块、第一调谐与阻抗匹配网络、第一耦合线圈、第二调谐与阻抗匹配网络以及信号采样与解调模块；

所述能量接收与信号发射系统包括：信号调制与发射模块、第三调谐与阻抗匹配网络、第二耦合线圈、第四调谐与阻抗匹配网络以及第二电能变换模块；

在无线电能传输过程中：

所述传输接口模块与海底电缆相连接，并依次串联所述第一电能变换模块、所述第一调谐与阻抗匹配网络和所述第一耦合线圈以形成电能输入线路；所述第二耦合线圈依次串联所述第四调谐与阻抗匹配网络和所述第二电能变换模块以形成电能输出线路，所述第二电能变换模块与水下机器人相连接；

在信号传输过程中：

所述信号调制与发射模块与水下机器人相连接，并依次串联所述第三调谐与阻抗匹配网络和所述第二耦合线圈以形成信号输入线路；所述第一耦合线圈依次串联所述第二调谐与阻抗匹配网络、所述信号采样与解调模块和所述传输接口模块以形成信号输出线路；

所述第一耦合线圈与所述第二耦合线圈之间通过磁场耦合实现无线电能与信号传输，所述电能输入线路以及所述电能输出线路一起构成电能传输通道，所述信号输入线路以及所述信号输出线路一起构成信号传输通道。

在本实施例中，海底电缆通过传输接口模块与水下预置系统相连接，为水下预置系统供应电能，并将水下预置系统中收集的数据传回地面。水下预置系统、能量接收与信号发射系统均防水密封安装，仅线圈产生的磁场暴露在海水介质中；水下预置系统预留安装在海底，与海底电缆相连接；能量接收与信号发射系统安装在水下机器人上，当机器人靠近水下预置系统时可进行无线充电和数据传输。

本实施例的工作过程为：

电能由传输接口模块输入到第一电能变换模块中，转换为高频交流电，经过第一调谐与阻抗匹配网络后输入到第一耦合线圈中，在第一耦合线圈周围产生交变磁场。第一耦合线圈与第二耦合线圈之间通过磁场耦合实现无线电能传输。第二耦合线圈将磁场能转换为电能，经过第四调谐与阻抗匹配网络后，输入到第二电能变换模块中。第二电能变换模块将高频交流电转换为直流电，为水下机器人电池模块充电。

水下机器人的传感器模块将测量信号输入到信号调制与发射模块中，转换为调制后电信号，经过第三调谐与阻抗匹配网络后，输入到第二耦合线圈中，在第二耦合线圈周围产生交变磁场。第一耦合线圈与第二耦合线圈之间通过磁场耦合实现无线信号传输。第一耦合线圈将磁信号转换为电信号，经过第二调谐与阻抗匹配网络后，输入到信号采集与解调模块中，复原出传感器测量信号，再经过传输接口模块输入海底电缆中进行信号传输。

本申请提出的水下无线电能与信号传输系统，可以为水下机器人实现水下无线充电，提高水下机器人的续航能力；在为机器人充电的同时还可进行水下无线通信，将水下机器人传感器测量的信息传出，从而解决当前水下机器人充电与传输数据的难题。本申请提出的系统以磁场为中继实现电能与信号无线传输，相比微波/激光无线电能与信号传输等技术，磁场在水下环境中衰减小、穿透力更强，有利于提高无线电能传输效率与信号传输电压增益。

在传统的无线电能与信号传输系统中，通常使用不同的通道来分别传输电能和信号，因此需要多组传输天线，会增加传输系统的重量和尺寸。而本发明提出的系统只使用一组耦合线圈来同时传输电能与信号，且无需对线圈进行抽头等特殊处理，有利于简化无线电能与信号传输系统的硬件结构，减小系统的尺寸和重量，使无线电能与信号传输系统更容易集成安装在水下机器人上。

在本申请提出的无线电能与信号传输系统中，水下预置系统的电路拓扑、能量接收与信号发射系统的电路拓扑分别呈“Y”字型，如图2所示。其中：第一电能变换模块、第一调谐与阻抗匹配网络、第一耦合线圈依次电连接，第一耦合线圈再与第二调谐与阻抗匹配网络、信号采集与解调模块依次电连接，构成“Y”字型水下预置系统电路；信号调制与发射模块、第三调谐与阻抗匹配网络、第二耦合线圈依次电连接，第二耦合线圈再与第四调谐与阻抗匹配网络、第二电能变换模块依次电连接，构成“Y”字型能量接收与信号发射系统电路。

“Y”字型水下预置系统电路与“Y”字型能量接收与信号发射系统电路之间通过磁场进行耦合，从而构成电能传输与信号传输两条传输通道，如图2所示，再利用第一调谐与阻抗匹配网络、第二调谐与阻抗匹配网络、第三调谐与阻抗匹配网络、第四调谐与阻抗匹配网络，使电能传输通道与信号传输通道分别在不同的阻抗特性下运行，从而使电能波和信号波在传输时既共享一组耦合线圈通道，又能互不干扰，并且电能传输效率高、信号传输电压增益大。

上述水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统，利用无线电能传输技术为水下机器人实现水下非接触式充电，可克服传统湿插拔充电接口易磨损、易漏电等问题，显著提升水下机器人充电的安全性、灵活性；且拓宽了作业距离，降低了实现成本、操作简单、高效可靠。此外，利用磁耦合谐振无线电能传输技术还可以在为水下机器人充电的同时实现水下无线通信，将水下机器人传感器测量的数据高质量地传出，因此极具应用价值。

在一个实施例中，所述第一调谐与阻抗匹配网络、所述第二调谐与阻抗匹配网络、所述第三调谐与阻抗匹配网络、所述第四调谐与阻抗匹配网络均用于：调谐第一耦合线圈与第二耦合线圈，并且调控系统电路的阻抗特性，使电能传输通道与信号传输通道分别在不同的阻抗特性下运行，具体的，使电能传输通道对第一电能变换模块输出的电能波呈低阻状态、对信号调制与发射模块输出的信号波呈高阻状态，使信号传输通道对信号调制与发射模块输出的信号波呈低阻状态、对第一电能变换模块输出的电能波呈高阻状态，从而使电能波和信号波在传输时既共享一组耦合线圈通道，又能互不干扰，且电能传输效率高、信号传输电压增益大。

在一个实施例中，所述第一调谐与阻抗匹配网络、所述第二调谐与阻抗匹配网络、所述第三调谐与阻抗匹配网络、所述第四调谐与阻抗匹配网络均包括：一个补偿电感与两个补偿电容；所述补偿电感与一个补偿电容并联后再与另一个补偿电容串联。

具体的：

第一调谐与阻抗匹配网络包括：补偿电感A、补偿电容A1、补偿电容A2。补偿电感A先与补偿电容A1并联，再与补偿电容A2串联。

第二调谐与阻抗匹配网络包括：补偿电感F、补偿电容F1、补偿电容F2。补偿电感F先与补偿电容F1并联，再与补偿电容F2串联。

第三调谐与阻抗匹配网络包括：补偿电感E、补偿电容E1、补偿电容E2。补偿电感E先与补偿电容E1并联，再与补偿电容E2串联。

第四调谐与阻抗匹配网络包括：补偿电感B、补偿电容B1、补偿电容B2。补偿电感B先与补偿电容B1并联，再与补偿电容B2串联。

通过以上连接方式，可以使第一调谐与阻抗匹配网络、第二调谐与阻抗匹配网络、第三调谐与阻抗匹配网络、第四调谐与阻抗匹配网络具备较宽的阻抗调节范围，能够适应工作频率、线圈电感、线圈间距、以及海水介质参数等参数变化，将电能传输通道与信号传输通道的阻抗调整为不同的阻抗特性，使电能传输通道对第一电能变换模块输出的电能波呈低阻状态、对信号调制与发射模块输出的信号波呈高阻状态，使信号传输通道对信号调制与发射模块输出的信号波呈低阻状态、对第一电能变换模块输出的电能波呈高阻状态，进而使系统既能获得较高的电能传输效率，又能获得较大的信号传输电压增益，并且确保电能波和信号波在传输时互不干扰。

在一个实施例中，所述传输接口模块将海底电缆输出的电能输入给第一电能变换模块，并将信号采集与解调模块输出的测量信号输入给海底电缆。

在一个实施例中，所述第一电能变换模块将传输接口模块输出的直流电转换为高频交流电，并输入给第一调谐与阻抗匹配网络。

在一个实施例中，所述第一耦合线圈将第一调谐与阻抗匹配网络输出的电能转换为磁场能，并将第二耦合线圈输出的磁信号转换为电信号。

在一个实施例中，所述第二耦合线圈将第一耦合线圈输出的磁场能转换为电能，并将第三调谐与阻抗匹配网络输出的电信号转换为磁信号。

在一个实施例中，所述第二电能变换模块将所述第四调谐与阻抗匹配网络输出的高频交流电转换为直流电，并输入给水下机器人电池模块。

在一个实施例中，所述信号调制与发射模块将水下机器人传感器模块输出的测量信号转换为调制后电信号，并输入给第三调谐与阻抗匹配网络。

在一个实施例中，所述信号采集与解调模块将第二调谐与阻抗匹配网络输出的电信号复原出传感器测量信号，并输入给传输接口模块。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.水下磁耦合谐振无线电能与信号传输系统，其特征在于，包括：水下预置系统以及能量接收与信号发射系统；所述水下预置系统与海底电缆相连接；所述能量接收与信号发射系统安装在水下机器人上；

所述水下预置系统包括：传输接口模块、第一电能变换模块、第一调谐与阻抗匹配网络、第一耦合线圈、第二调谐与阻抗匹配网络以及信号采样与解调模块；

所述能量接收与信号发射系统包括：信号调制与发射模块、第三调谐与阻抗匹配网络、第二耦合线圈、第四调谐与阻抗匹配网络以及第二电能变换模块；

在无线电能传输过程中：

所述传输接口模块与海底电缆相连接，并依次串联所述第一电能变换模块、所述第一调谐与阻抗匹配网络和所述第一耦合线圈以形成电能输入线路；所述第二耦合线圈依次串联所述第四调谐与阻抗匹配网络和所述第二电能变换模块以形成电能输出线路，所述第二电能变换模块与水下机器人相连接；

在信号传输过程中：

所述信号调制与发射模块与水下机器人相连接，并依次串联所述第三调谐与阻抗匹配网络和所述第二耦合线圈以形成信号输入线路；所述第一耦合线圈依次串联所述第二调谐与阻抗匹配网络、所述信号采样与解调模块和所述传输接口模块以形成信号输出线路；

所述第一耦合线圈与所述第二耦合线圈之间通过磁场耦合实现无线电能与信号传输，所述电能输入线路以及所述电能输出线路一起构成电能传输通道，所述信号输入线路以及所述信号输出线路一起构成信号传输通道。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一调谐与阻抗匹配网络、所述第二调谐与阻抗匹配网络、所述第三调谐与阻抗匹配网络、所述第四调谐与阻抗匹配网络均用于：调谐第一耦合线圈与第二耦合线圈，并且调控系统电路的阻抗特性，使电能传输通道与信号传输通道分别在不同的阻抗特性下运行。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一调谐与阻抗匹配网络、所述第二调谐与阻抗匹配网络、所述第三调谐与阻抗匹配网络、所述第四调谐与阻抗匹配网络均包括：一个补偿电感与两个补偿电容；

所述补偿电感与一个补偿电容并联后再与另一个补偿电容串联。

4.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述传输接口模块将海底电缆输出的电能输入给第一电能变换模块，并将信号采集与解调模块输出的测量信号输入给海底电缆。

5.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述第一电能变换模块将传输接口模块输出的直流电转换为高频交流电，并输入给第一调谐与阻抗匹配网络。

6.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述第一耦合线圈将第一调谐与阻抗匹配网络输出的电能转换为磁场能，并将第二耦合线圈输出的磁信号转换为电信号。

7.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述第二耦合线圈将第一耦合线圈输出的磁场能转换为电能，并将第三调谐与阻抗匹配网络输出的电信号转换为磁信号。

8.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述第二电能变换模块将所述第四调谐与阻抗匹配网络输出的高频交流电转换为直流电，并输入给水下机器人电池模块。

9.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述信号调制与发射模块将水下机器人传感器模块输出的测量信号转换为调制后电信号，并输入给第三调谐与阻抗匹配网络。

10.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述信号采集与解调模块将第二调谐与阻抗匹配网络输出的电信号复原出测量信号，并输入给传输接口模块。

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