CN114649873A - 基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统及控制方法，其中系统包括发电装置、水下航行器、充电装置和耦合线圈；水下航行器包括视觉控制模块、运动控制模块、效率控制模块、降压整流电路和蓄电池；充电装置包括灯光引导模块、通信模块和输出控制模块；耦合线圈包括绕设在充电装置上的电能发射线圈和绕设在水下航行器上的电能接收线圈；发电装置电连接电能发射线圈。本发明以水下航行器与充电装置精准对接提升电磁耦合系数为基础，水下航行器一侧采用降压转换器优化等效负载电阻，利用估算的耦合系数，确定最佳等效负载电阻和相应的降压转换器占空比，实现充电效率提升。

Description

基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统及控制方法

技术领域

本发明属于水下无线充电技术领域，尤其涉及一种基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统及控制方法。

背景技术

随着深海活动的发展，水下航行器在海洋安全、海洋经济与科学、海洋考古、救援与军事等方面有着广泛的应用。此外，水下航行器是一种智能运动平台，可以在真实的海洋环境中依靠遥控或自主安全导航，完成管道检测、环境监测、水下搜救、海洋油气勘探开发等多种任务。

为了满足上述需求，需要水下航行器具有长时间续航和便捷充电的能力，通常采用非接触式的无线充电技术。但对于航行器的水下无线充电过程，水下航行器总是受到洋流等干扰的影响，电能发射线圈与电能接收线圈无法保持相对稳定位置来取得最佳的传输效率，导致充电速度慢的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统及控制方法

第一方面，本发明提供一种基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统，包括发电装置、水下航行器、充电装置和耦合线圈；

所述水下航行器包括视觉控制模块、运动控制模块、效率控制模块、降压整流电路和蓄电池；所述充电装置包括灯光引导模块、通信模块和输出控制模块；所述耦合线圈包括绕设在充电装置上的电能发射线圈和绕设在水下航行器上的电能接收线圈；所述发电装置电连接所述电能发射线圈；

所述视觉控制模块用于获取充电装置相对水下航行器的位置坐标；所述运动控制模块用于根据充电装置相对水下航行器的位置调整水下航行器相对于充电装置的位置和角度；所述效率控制模块用于根据所述通信模块传输的数据，确定降压整流电路输出的等效负载电阻和相应降压转换器占空比；所述灯光引导模块用于引导水下航行器与充电装置对接；所述输出控制模块用于根据采集的负载电压反馈误差，对负载电压调节和降压转换器进行开关控制；所述发电装置产生的电能传递至电能发射线圈；所述电能接收线圈与电能发射线圈通过强磁耦合产生变化电流；变化电流通过所述降压整流电路传递至电池端为蓄电池充电。

进一步地，所述视觉控制模块采用安装在水下航行器机头中部的CCD摄像头获取连续的图像，以确定充电装置的位置。

进一步地，所述运动控制模块包括坐标定位块、方向判断块、深度定位块和电机驱动块；

所述坐标定位块用于根据CCD摄像头获取连续的图像，得到水下航行器相对于充电装置的位置；

所述方向判断块用于根据水下航行器相对于充电装置的位置，调整水下航行器相对于充电装置的位置和角度；

所述深度定位块用于获取充电装置的相对于水下航行器的深度；

所述电机驱动块用于推动水下航行器到达充电装置。

进一步地，所述电能发射线圈的半径比电能接收线圈的半径大150mm。

第二方面，本发明提供一种基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统控制方法，所述控制方法应用于第一方面所述的基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统，包括：

建立地球坐标系、CCD摄像头坐标系、CCD图像坐标系和水下航行器坐标系；

设M′为充电装置的位置，充电装置的位置在地球坐标系中的坐标为M′(X_E,Y_E,Z_E)；设CCD摄像头的光轴在CCD图像坐标系中的坐标为(y₀,z₀)；充电装置在CCD图像坐标系中的坐标为m(y,z)；其中：

其中，X_W、Y_W、Z_W和原点构成CCD摄像头坐标系；f为CCD摄像头的焦距；其中s_y和s_z分别为CCD摄像头在水下航行器坐标系的v轴和w轴上的尺度因子，即为水平与垂直距离上CCD图像的像素大小尺度；

假设CCD摄像头在静态环境中以平动速度v_W＝(u_c,v_c,w_c),角速度ω_W＝(p,q,r)运动；其中，u_c,v_c,w_c分别表示CCD摄像头的纵向速度，横向速度和垂向速度，p,q,r分别表示CCD摄像头横摇角速度，纵摇角速度和艏摇角速度，则充电装置关于CCD摄像头坐标系的速度

表示为：

其中,M″为充电装置在CCD摄像头坐标系上的位置坐标；

用水下航行器的运动状态来表示CCD摄像头的运动状态；

水下航行器的速度v＝(u,v,w),v_c＝v+w×r，对于CCD摄像头：

其中，r＝(L,0,0)；u、v和w分别表示水下航行器在水下航行器坐标系中的纵向速度、横向速度和垂向速度；L为CCD摄像头相对于水下航行器坐标的纵向偏移距离；

根据以下公式计算充电装置在CCD图像坐标系的y轴方向和z轴方向的速度：

其中，

和

分别为y和z的一阶导数，表示充电装置在CCD图像坐标系的y轴方向和z轴方向的速度；

通过控制水下航行器的垂直面和水平面运动，在垂直面和水平面上引入两个线性运动方程，其线性运动方程可以简化为：

其中，I_yy和I_zz均为航行器的转动惯量；

和

为欧拉角姿态向量的导数；

和

是附加的质量项；M_q和N_r是线性化阻力项；M_θ是静水压恢复项；

和

分别为水下航行器垂直面和水平面上的运动速度；Δf_q和Δf_r为建模误差和模型不确定因素；δ_s和δ_r是鳍角，为水下航行器的控制输入；

根据m(y,z)和水下航行器的角度分量q,r,θ,ψ构建状态方程：

x＝{y,z,q,r,θ,ψ}^T；

u＝{δ_sδ_r}^T；

其中，x(t)为输入变量矩阵，

为x(t)的导数；u为鳍角矩阵；A(t)为系统矩阵；B为大概工作速度矩阵；d(t)为干扰常向量矩阵；

构建在k个步长上的离散时间状态方程：

x(k+1)＝Φ(k)x(k)+Γu(k)+d(k)；

y(k)＝Cx(k)+w(k)；

其中，Φ(k)∈P^6×6是第k个时间步长的过渡矩阵；Γ∈T^6×2是信息矩阵；C＝G^6×6,d(k)∈H⁶是系统干扰量；w(k)∈Z⁶是第k个时间步长测量中的白噪声量；x(k)是第k个时间步长的状态变量；u(k)是输入信号；y(k)是输出信号；

用第k步的位置y(k)和z(k)来确定Φ(k)；z(k)为关于CCD图像坐标系的z轴方向的输出信号，d(k)为短采样周期内的常数向量；

构建多输入多输出MIMO模型：

(A₀+A₁(k)q^-1+A₂(k)q^-2)y(k)＝Γu(k-1)-Γu(k-2)+n(k)；

其中A₀＝I,A₁(k)＝-I-Φ(k),A₂(k)＝Φ(k)，均为系数矩阵；I为单位矩阵；n(k)是测量干扰和建模误差的向量；

将y(k+1)转化为y_D(k+1)和所用控制力的数量折中，构建代价函数：

J(k+1)＝{[y(k+1)-y_D(k+1)]^TQ[y(k+1)-y_D(k+1)]+u(k)^TL_uu(k)}；

其中，y_D(k+1)是充电装置在CCD图像坐标系上的期望位置以及水下航行器超前一步预测控制的输出信号；Q和L_u分别是图像误差和控制输入的加权矩阵；

取J(k+1)关于控制向量u(k)的导数，并使J(k+1)求导为零，使代价函数式J(k+1)最小，从而推导出控制律，将u(k)简化为：

u(k)＝-(Γ^TQΓ+L_u)^-1[Γ^TQ{-A₁(k)y(k)-A₂(k)y(k-1)-y_D(k+1)-u(k-1)}]；

根据以下公式计算充电装置的估计深度：

其中，充电装置的入口为圆形入口，圆形入口上均匀设置有四个灯，h为相邻两个灯之间的距离；h′为测得的相邻两灯间的距离；

为充电装置的估计深度；

得到控制率：

进一步地，所述控制方法还包括：

构建水下航行器充电时的KVL方程：

其中，ω为充电电路的角频率；M为电能发射线圈和电能接收线圈之间的互感系数；j为虚数单位；

和

分别为充电装置逆变器输出电压相量、充电装置逆变器输出电流相量和水下航行器充电电流相量；

为电能发射线圈的阻抗；

为电能接收线圈的阻抗；r₁、L₁和C₁分别为电能发射线圈的内阻、电感和电容；r₂、L₂和C₂分别为电能接收线圈的内阻、电感和电容；R为电能接收线圈一侧的等效电阻，由充电装置和水下航行器组成的充电系统的负载由位于电能接收线圈一侧的整流器之后的电阻等效；

负载电阻可以表示为：

其中V_L和P_L分别为输出电压和输出功率；

等效电阻R为：

充电系统的输入阻抗z_in为：

系统的输入阻抗可以用它的实部和虚部来表示，即：

z_in＝R_in+jX_in；

其中R_in和X_in是充电系统的输入电阻和输入电抗；

充电系统的效率为：

充电系统的输入功率因数为：

根据以下公式计算最佳负载等效电阻：

其中，R_Optimum为最佳负载电阻；ω_r为充电系统的角共振频率；

采用降压转换器，降压电能发射线圈一侧的电阻R_referred：

其中，D_Buck是降压转换器的占空比；

根据以下公式计算耦合系数：

V₁＝r₁i₁+ω_rMi₂；

其中，V₁和i₁分别为电能发射线圈一侧的逆变器输出电压、逆变器输出电流；i₂为电能接收线圈一侧电流的大小；

根据以下公式计算耦合系数K：

根据以下公式计算高频输出电压的方均根值：

其中，D_Inverter是逆变器的占空比，

是主直流链路的电压；

根据以下公式计算降压转换器的占空比：

其中，f_r为谐振频率；

根据以下公式计算负载电阻：

其中，V_L和I_L分别为实测的负载电压和负载电流。

本发明提供一种基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统及控制方法，其中系统包括发电装置、水下航行器、充电装置和耦合线圈；所述水下航行器包括视觉控制模块、运动控制模块、效率控制模块、降压整流电路和蓄电池；所述充电装置包括灯光引导模块、通信模块和输出控制模块；所述耦合线圈包括绕设在充电装置上的电能发射线圈和绕设在水下航行器上的电能接收线圈；所述发电装置电连接所述电能发射线圈；所述视觉控制模块用于获取充电装置相对水下航行器的位置坐标；所述运动控制模块用于根据充电装置相对水下航行器的位置调整水下航行器相对于充电装置的位置和角度；所述效率控制模块用于根据所述通信模块传输的数据，确定降压整流电路输出的等效负载电阻和相应降压转换器占空比；所述灯光引导模块用于引导水下航行器与充电装置对接；所述输出控制模块用于根据采集的负载电压反馈误差，对负载电压调节和降压转换器进行开关控制；所述发电装置产生的电能传递至电能发射线圈；所述电能接收线圈与电能发射线圈通过强磁耦合产生变化电流；变化电流通过所述降压整流电路传递至电池端为蓄电池充电。本发明以水下航行器与充电装置精准对接提升电磁耦合系数为基础，水下航行器一侧采用降压转换器优化等效负载电阻，利用估算的耦合系数，确定最佳等效负载电阻和相应的降压转换器占空比，实现充电效率提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的水下航行器及CCD摄像头采用的坐标系示意图；

图3为本发明实施例提供的DC-DC降压整流电路二次侧优化拓扑结构图；

图4为本发明实施例提供的控制系统流程示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明实施例部分提供一种基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统，包括发电装置、水下航行器、充电装置和耦合线圈。

所述水下航行器包括视觉控制模块、运动控制模块、效率控制模块、降压整流电路和蓄电池；所述充电装置包括灯光引导模块、通信模块和输出控制模块；所述耦合线圈包括绕设在充电装置上的电能发射线圈和绕设在水下航行器上的电能接收线圈；所述发电装置电连接所述电能发射线圈。

所述视觉控制模块用于获取充电装置相对水下航行器的位置坐标；所述运动控制模块用于根据充电装置相对水下航行器的位置调整水下航行器相对于充电装置的位置和角度；所述效率控制模块用于根据所述通信模块传输的数据，确定降压整流电路输出的等效负载电阻和相应降压转换器占空比；所述灯光引导模块用于引导水下航行器与充电装置对接；所述输出控制模块用于根据采集的负载电压反馈误差，对负载电压调节和降压转换器进行开关控制；所述发电装置产生的电能传递至电能发射线圈；所述电能接收线圈与电能发射线圈通过强磁耦合产生变化电流；变化电流通过所述降压整流电路传递至电池端为蓄电池充电。

可选的，所述视觉控制模块采用安装在水下航行器机头中部的CCD摄像头获取连续的图像，以确定充电装置的位置。

可选的，所述运动控制模块包括坐标定位块、方向判断块、深度定位块和电机驱动块；

所述坐标定位块用于根据CCD摄像头获取连续的图像，得到水下航行器相对于充电装置的位置。

所述方向判断块用于根据水下航行器相对于充电装置的位置，调整水下航行器相对于充电装置的位置和角度。

所述深度定位块用于获取充电装置的相对于水下航行器的深度，并根据水下航行器相对于充电装置的位置和充电装置的相对于水下航行器的深度计算水下航行器的控制律。

所述电机驱动块用于根据水下航行器的控制律推动水下航行器到达充电装置。

可选的，所述电能发射线圈的半径比电能接收线圈的半径大150mm，其中电能发射线圈的半径为350mm，电能接收线圈的半径为200mm。

本发明实施例部分还提供一种基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统控制方法，所述控制方法应用于上述基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统，包括：

如图2所示，建立地球坐标系、CCD摄像头坐标系、CCD图像坐标系和水下航行器坐标系；

设M′为充电装置的位置，充电装置的位置在地球坐标系中的坐标为M′(X_E,Y_E,Z_E)；设CCD摄像头的光轴在CCD图像坐标系中的坐标为(y₀,z₀)；充电装置在CCD图像坐标系中的坐标为m(y,z)；其中：

其中，X_W、Y_W、Z_W和原点构成CCD摄像头坐标系；f为CCD摄像头的焦距；其中s_y和s_z分别为CCD摄像头在水下航行器坐标系的v轴和w轴上的尺度因子，即为水平与垂直距离上CCD图像的像素大小尺度；

假设CCD摄像头在静态环境中以平动速度v_W＝(u_c,v_c,w_c),角速度ω_W＝(p,q,r)运动；其中，u_c,v_c,w_c分别表示CCD摄像头的纵向速度，横向速度和垂向速度，p,q,r分别表示CCD摄像头横摇角速度，纵摇角速度和艏摇角速度，则充电装置关于CCD摄像头坐标系的速度

表示为：

其中,M″为充电装置在CCD摄像头坐标系上的位置坐标；

用水下航行器的运动状态来表示CCD摄像头的运动状态；

水下航行器的速度v＝(u,v,w),v_c＝v+w×r，对于CCD摄像头：

其中，r＝(L,0,0)；u、v和w分别表示水下航行器在水下航行器坐标系中的纵向速度、横向速度和垂向速度；L为CCD摄像头相对于水下航行器坐标的纵向偏移距离；

根据以下公式计算充电装置在CCD图像坐标系的y轴方向和z轴方向的速度：

其中，

和

分别为y和z的一阶导数，表示充电装置在CCD图像坐标系的y轴方向和z轴方向的速度；

通过控制水下航行器的垂直面和水平面运动，在垂直面和水平面上引入两个线性运动方程，其线性运动方程可以简化为：

其中，I_yy和I_zz均为航行器的转动惯量；

和

为欧拉角姿态向量的导数；

和

是附加的质量项；M_q和N_r是线性化阻力项；M_θ是静水压恢复项；

和

分别为水下航行器垂直面和水平面上的运动速度；Δf_q和Δf_r为建模误差和模型不确定因素；δ_s和δ_r是鳍角，为水下航行器的控制输入；

假设航行器的横向速度未知，投影点的位置y,z在处理拍摄图像间的时间间隔内缓慢变化，由投影位置y,z以及航行器的角度分量q,r,θ,ψ变量组成的状态方程，引入数学模型根据m(y,z)和水下航行器的角度分量q,r,θ,ψ构建状态方程：

x＝{y,z,q,r,θ,ψ}^T；

u＝{δ_sδ_r}^T；

其中，x(t)为输入变量矩阵，

为x(t)的导数；u为鳍角矩阵；A(t)为系统矩阵；B为大概工作速度矩阵；d(t)为干扰常向量矩阵；

构建在k个步长上的离散时间状态方程：

x(k+1)＝Φ(k)x(k)+Γu(k)+d(k)；

y(k)＝Cx(k)+w(k)；

其中，Φ(k)∈P^6×6是第k个时间步长的过渡矩阵；Γ∈T^6×2是信息矩阵；C＝G^6×6,d(k)∈H⁶是系统干扰量；w(k)∈Z⁶是第k个时间步长测量中的白噪声量；x(k)是第k个时间步长的状态变量；u(k)是输入信号；y(k)是输出信号；

用第k步的位置y(k)和z(k)来确定Φ(k)；z(k)为关于CCD图像坐标系的z轴方向的输出信号，d(k)为短采样周期内的常数向量；

构建多输入多输出MIMO模型：

(A₀+A₁(k)q^-1+A₂(k)q^-2)y(k)＝Γu(k-1)-Γu(k-2)+n(k)；

其中A₀＝I,A₁(k)＝-I-Φ(k),A₂(k)＝Φ(k)，均为系数矩阵；I为单位矩阵；n(k)是测量干扰和建模误差的向量；

将y(k+1)转化为y_D(k+1)和所用控制力的数量折中，构建代价函数：

J(k+1)＝{[y(k+1)-y_D(k+1)]^TQ[y(k+1)-y_D(k+1)]+u(k)^TL_uu(k)}；

其中，y_D(k+1)是充电装置在CCD图像坐标系上的期望位置以及水下航行器超前一步预测控制的输出信号；Q和L_u分别是图像误差和控制输入的加权矩阵；

取J(k+1)关于控制向量u(k)的导数，并使J(k+1)求导为零，使代价函数式J(k+1)最小，从而推导出控制律，将u(k)简化为：

u(k)＝-(Γ^TQΓ+L_u)^-1[Γ^TQ{-A₁(k)y(k)-A₂(k)y(k-1)-y_D(k+1)-u(k-1)}]；

根据以下公式计算充电装置的估计深度：

其中，充电装置的入口为圆形入口，圆形入口上均匀设置有四个灯，h为相邻两个灯之间的距离；h′为测得的相邻两灯间的距离；

为充电装置的估计深度；

得到控制率：

可选的，为了使水下无线充电效率最大化，采用了一种DC-DC降压整流电路，如图3所示，由于对高频率传输速率和高效率的要求，对电源的频率要求较高，将充电平台的电压转换为直流电压，并对系统的直流链路充电。链路的直流电压通过桥式逆变器进一步转化为高频电压。补偿电路使系统在其谐振频率附近工作，因此，可以实现增加传输功率和系统的效率。

高频电压由二次侧桥式整流器整流，整流前的高频输出电压用V_out表示，通过使用开关S，输送的电源可以为蓄电池充电或直接为电机驱动充电。

构建水下航行器充电时的KVL方程：

其中，ω为充电电路的角频率；M为电能发射线圈和电能接收线圈之间的互感系数；j为虚数单位；

和

分别为充电装置逆变器输出电压相量、充电装置逆变器输出电流相量和水下航行器充电电流相量；

为电能发射线圈的阻抗；

为电能接收线圈的阻抗；r₁、L₁和C₁分别为电能发射线圈的内阻、电感和电容；r₂、L₂和C₂分别为电能接收线圈的内阻、电感和电容；R为电能接收线圈一侧的等效电阻，由充电装置和水下航行器组成的充电系统的负载由位于电能接收线圈一侧的整流器之后的电阻等效；

负载电阻可以表示为：

其中V_L和P_L分别为输出电压和输出功率；

等效电阻R为：

充电系统的输入阻抗z_in为：

系统的输入阻抗可以用它的实部和虚部来表示，即：

z_in＝R_in+jX_in；

其中R_in和X_in是充电系统的输入电阻和输入电抗；

充电系统的效率为：

充电系统的输入功率因数为：

效率是系统互感、工作频率和负载等效电阻的函数。为了实现水下无线充电传输效率最大化，将二次共振频率视为最佳频率如果一次侧和二次侧共振频率相同，在这个共同频率下的工作会导致系统的单位功率因数(UPF)。采用系统的全部功率传输能力，对于不同的耦合系数，最大效率取决于系统的共振频率。此外，负载电阻也会影响效率，而最佳频率对不同电阻是相同的。因此，为了使系统更有效地运行，在二次侧使用DC-DC降压转换器来优化整流器的等效负载电阻，如图3所示

根据以下公式计算最佳负载等效电阻：

其中，R_Optimum为最佳负载电阻；ω_r为充电系统的角共振频率；

采用降压转换器，降压电能发射线圈一侧的电阻R_referred：

其中，D_Buck是降压转换器的占空比；

根据以下公式计算耦合系数：

V₁＝r₁i₁+ω_rMi₂；

其中，V₁和i₁分别为电能发射线圈一侧的逆变器输出电压、逆变器输出电流；i₂为电能接收线圈一侧电流的大小；i₁和i₂由传感器测量。

根据以下公式计算耦合系数K：

根据以下公式计算高频输出电压的方均根值：

其中，D_Inverter是逆变器的占空比，

是主直流链路的电压。

无线充电系统连接到蓄电池或直接驱动电机。因此必须调节水下无线充电系统的负载电压以确报系统正常运行。在此通过控制逆变器的占空比来初始化电压调节。如图4所示，从电压命令中减去负载电压传感器的反馈，然后将误差应用于PI控制器，PI控制器得到逆变器的占空比D_Inverter作为PWM调制器的输出信号给四只开关功率MOSFETS₁-S₄开关信号，以改变逆变器的占空比，从而使负载电压达到参考电压。

为了使水下无线充电效率达到最大，通过降压转换器的开关控制优化整流器的输出负载电阻，根据以下公式计算降压转换器的占空比：

其中，f_r为谐振频率；

根据以下公式计算负载电阻：

其中，V_L和I_L分别为实测的负载电压和负载电流。估计器将耦合系数提供给负载优化块。然后，负载优化块将计算出的D_Buck作为PWM开关子系统的参考，以便应用于降压转换器上。需要注意的是，所提出的系统对负载电阻有局限性。由于采用的是降压转换器，因此有一定的限制。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。

本发明提供的基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统及控制方法，磁耦合线圈的电能发射线圈缠绕在充电装置的通道上，电能接收线圈缠绕在水下航行器上，两线圈半径之差为150mm，当水下航行器驶入充电装置通道底端，此时两线圈的位置恰好实现耦合系数提升，使水下无线充电传输效率达到最大，保证水下无线充电的充电效率。

采用CCD摄像头的视觉处理，在优化一步预测控制的基础上，通过CCD摄像头图像处理、离散时间状态方程及最小化代价函数来实现水下航行器的控制方法，使水下航行器精准对接充电装置，实现电磁耦合系数提升，解决洋流及模型不确定的影响下，水下无线充电效率低的问题。

效率控制模块中DC-DC降压整流电路通过二次侧使用DC-DC降压转换器来优化整流器的等效负载电阻，通过使用近似互感估算法所得的耦合系数和计算的负载电阻，效率控制器确定最佳等效负载电阻和相应的降压转换器占空比，实现充电效率提升。

输出控制模块根据根据采集的负载电压反馈误差，对负载电压调节及降压转换器开关控制，在模型不确定性、系统参数变化、外部干扰等方面具有优良的品质特性，实现水下无线充电达到最大效率。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统，其特征在于，包括发电装置、水下航行器、充电装置和耦合线圈；

所述水下航行器包括视觉控制模块、运动控制模块、效率控制模块、降压整流电路和蓄电池；所述充电装置包括灯光引导模块、通信模块和输出控制模块；所述耦合线圈包括绕设在充电装置上的电能发射线圈和绕设在水下航行器上的电能接收线圈；所述发电装置电连接所述电能发射线圈；

所述视觉控制模块用于获取充电装置相对水下航行器的位置坐标；所述运动控制模块用于根据充电装置相对水下航行器的位置调整水下航行器相对于充电装置的位置和角度；所述效率控制模块用于根据所述通信模块传输的数据，确定降压整流电路输出的等效负载电阻和相应降压转换器占空比；所述灯光引导模块用于引导水下航行器与充电装置对接；所述输出控制模块用于根据采集的负载电压反馈误差，对负载电压调节和降压转换器进行开关控制；所述发电装置产生的电能传递至电能发射线圈；所述电能接收线圈与电能发射线圈通过强磁耦合产生变化电流；变化电流通过所述降压整流电路传递至电池端为蓄电池充电。

2.根据权利要求1所述的水下航行器无线充电系统，其特征在于，所述视觉控制模块采用安装在水下航行器机头中部的CCD摄像头获取连续的图像，以确定充电装置的位置。

3.根据权利要求2所述的水下航行器无线充电系统，其特征在于，所述运动控制模块包括坐标定位块、方向判断块、深度定位块和电机驱动块；

所述坐标定位块用于根据CCD摄像头获取连续的图像，得到水下航行器相对于充电装置的位置；

所述方向判断块用于根据水下航行器相对于充电装置的位置，调整水下航行器相对于充电装置的位置和角度；

所述深度定位块用于获取充电装置的相对于水下航行器的深度；

所述电机驱动块用于推动水下航行器到达充电装置。

4.根据权利要求1所述的水下航行器无线充电系统，其特征在于，所述电能发射线圈的半径比电能接收线圈的半径大150mm。

5.一种基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于权利要求1-4任一项所述的基于耦合系数提升的水下航行器无线充电系统，包括：

建立地球坐标系、CCD摄像头坐标系、CCD图像坐标系和水下航行器坐标系；

设M′为充电装置的位置，充电装置的位置在地球坐标系中的坐标为M′(X_E,Y_E,Z_E)；设CCD摄像头的光轴在CCD图像坐标系中的坐标为(y₀,z₀)；充电装置在CCD图像坐标系中的坐标为m(y,z)；其中：

其中，X_W、Y_W、Z_W和原点构成CCD摄像头坐标系；f为CCD摄像头的焦距；其中s_y和s_z分别为CCD摄像头在水下航行器坐标系的v轴和w轴上的尺度因子，即为水平与垂直距离上CCD图像的像素大小尺度；

假设CCD摄像头在静态环境中以平动速度v_W＝(u_c,v_c,w_c),角速度ω_W＝(p,q,r)运动；其中，u_c,v_c,w_c分别表示CCD摄像头的纵向速度，横向速度和垂向速度，p,q,r分别表示CCD摄像头横摇角速度，纵摇角速度和艏摇角速度，则充电装置关于CCD摄像头坐标系的速度

表示为：

其中,M″为充电装置在CCD摄像头坐标系上的位置坐标；

用水下航行器的运动状态来表示CCD摄像头的运动状态；

水下航行器的速度v＝(u,v,w),v_c＝v+w×r，对于CCD摄像头：

其中，r＝(L,0,0)；u、v和w分别表示水下航行器在水下航行器坐标系中的纵向速度、横向速度和垂向速度；L为CCD摄像头相对于水下航行器坐标的纵向偏移距离；

根据以下公式计算充电装置在CCD图像坐标系的y轴方向和z轴方向的速度：

其中，

和

分别为y和z的一阶导数，表示充电装置在CCD图像坐标系的y轴方向和z轴方向的速度；

通过控制水下航行器的垂直面和水平面运动，在垂直面和水平面上引入两个线性运动方程，其线性运动方程可以简化为：

其中，I_yy和I_zz均为航行器的转动惯量；

和

为欧拉角姿态向量的导数；

和

是附加的质量项；M_q和N_r是线性化阻力项；M_θ是静水压恢复项；

和

分别为水下航行器垂直面和水平面上的运动速度；Δf_q和Δf_r为建模误差和模型不确定因素；δ_s和δ_r是鳍角，为水下航行器的控制输入；

根据m(y,z)和水下航行器的角度分量q,r,θ,ψ构建状态方程：

x＝{y,z,q,r,θ,ψ}^T；

u＝{δ_sδ_r}^T；

其中，x(t)为输入变量矩阵，

为x(t)的导数；u为鳍角矩阵；A(t)为系统矩阵；B为大概工作速度矩阵；d(t)为干扰常向量矩阵；

构建在k个步长上的离散时间状态方程：

x(k+1)＝Φ(k)x(k)+Γu(k)+d(k)；

y(k)＝Cx(k)+w(k)；

其中，Φ(k)∈P^6×6是第k个时间步长的过渡矩阵；Γ∈T^6×2是信息矩阵；C＝G^6×6,d(k)∈H⁶是系统干扰量；w(k)∈Z⁶是第k个时间步长测量中的白噪声量；x(k)是第k个时间步长的状态变量；u(k)是输入信号；y(k)是输出信号；

用第k步的位置y(k)和z(k)来确定Φ(k)；z(k)为关于CCD图像坐标系的z轴方向的输出信号，d(k)为短采样周期内的常数向量；

构建多输入多输出MIMO模型：

(A₀+A₁(k)q^-1+A₂(k)q^-2)y(k)＝Γu(k-1)-Γu(k-2)+n(k)；

其中A₀＝I,A₁(k)＝-I-Φ(k),A₂(k)＝Φ(k)，均为系数矩阵；I为单位矩阵；n(k)是测量干扰和建模误差的向量；

将y(k+1)转化为y_D(k+1)和所用控制力的数量折中，构建代价函数：

J(k+1)＝{[y(k+1)-y_D(k+1)]^TQ[y(k+1)-y_D(k+1)]+u(k)^TL_uu(k)}；

其中，y_D(k+1)是充电装置在CCD图像坐标系上的期望位置以及水下航行器超前一步预测控制的输出信号；Q和L_u分别是图像误差和控制输入的加权矩阵；

取J(k+1)关于控制向量u(k)的导数，并使J(k+1)求导为零，使代价函数式J(k+1)最小，从而推导出控制律，将u(k)简化为：

u(k)＝-(Γ^TQΓ+L_u)^-1[Γ^TQ{-A₁(k)y(k)-A₂(k)y(k-1)-y_D(k+1)-u(k-1)}]；

根据以下公式计算充电装置的估计深度：

其中，充电装置的入口为圆形入口，圆形入口上均匀设置有四个灯，h为相邻两个灯之间的距离；h′为测得的相邻两灯间的距离；

为充电装置的估计深度；

得到控制率：

6.根据权利要求5所述的水下航行器无线充电系统控制方法，其特征在于，还包括：

构建水下航行器充电时的KVL方程：

其中，ω为充电电路的角频率；M为电能发射线圈和电能接收线圈之间的互感系数；j为虚数单位；

和

分别为充电装置逆变器输出电压相量、充电装置逆变器输出电流相量和水下航行器充电电流相量；

为电能发射线圈的阻抗；

为电能接收线圈的阻抗；r₁、L₁和C₁分别为电能发射线圈的内阻、电感和电容；r₂、L₂和C₂分别为电能接收线圈的内阻、电感和电容；R为电能接收线圈一侧的等效电阻，由充电装置和水下航行器组成的充电系统的负载由位于电能接收线圈一侧的整流器之后的电阻等效；

负载电阻可以表示为：

其中V_L和P_L分别为输出电压和输出功率；

等效电阻R为：

充电系统的输入阻抗z_in为：

系统的输入阻抗可以用它的实部和虚部来表示，即：

z_in＝R_in+jX_in；

其中R_in和X_in是充电系统的输入电阻和输入电抗；

充电系统的效率为：

充电系统的输入功率因数为：

根据以下公式计算最佳负载等效电阻：

其中，R_Optimum为最佳负载电阻；ω_r为充电系统的角共振频率；

采用降压转换器，降压电能发射线圈一侧的电阻R_referred：

其中，D_Buck是降压转换器的占空比；

根据以下公式计算耦合系数：

V₁＝r₁i₁+ω_rMi₂；

其中，V₁和i₁分别为电能发射线圈一侧的逆变器输出电压、逆变器输出电流；i₂为电能接收线圈一侧电流的大小；

根据以下公式计算耦合系数K：

根据以下公式计算高频输出电压的方均根值：

其中，D_Inverter是逆变器的占空比，

是主直流链路的电压；

根据以下公式计算降压转换器的占空比：

其中，f_r为谐振频率；

根据以下公式计算负载电阻：

其中，V_L和I_L分别为实测的负载电压和负载电流。

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