CN116118531A - 一种半潜式auv无人充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种半潜式AUV无人充电装置。本发明主要设计三部分：第一部分为海上波浪能转换装置，波浪能转换装置通过在海面上下浮动将波浪能转化为电能并进行收集；第二部分为半潜式电源，用于电能的储存和AUV电能供应，同时在半潜式电源舱内设置AUV充电仓，作为AUV充电场所；第三部分为连接波浪能转换装置和半潜式电源的缆绳，缆绳内同时携带电缆，用于电能的传输；同时另一段缆绳一端固定于海底，一端与半潜式电源相连接，对半潜式电源起到固定作用。本发明为水下AUV提供及时充电场所，延长了水下AUV工作时长，解决了水下AUV作业时间短，作业面积范围小等问题，提高了水下AUV的续航能力，可以大大减小AUV水下作业时的人工充电成本，提高AUV的连续作业能力。

Description

一种半潜式AUV无人充电装置
技术领域
本发明属于AUV充电技术领域，具体涉及一种半潜式AUV无人充电装置。
背景技术
近年来，AUV技术发展迅速，AUV作为一种自主控制、有动力、可执行多种任务并能重复使用的水下航行器，具有活动范围广、机动性能好、具有智能决策等优点，被广泛的应用于海底测绘、海底资源勘探、军事侦察、海洋生物抓取、海底沉船捕捞、失事人员搜救等复杂任务中，但是由于AUV自身携带的电池电量限制，导致AUV不能长时间工作，需要经过更换电池或是人工打捞充电后才能继续投入使用，大大增加了AUV的人工作业成本。因此，解决AUV作业过程中由于电池充电导致的作业成本提高问题急需解决。。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半潜式AUV水下自动充电装置。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：
一种半潜式AUV无人充电装置，包括波浪能转换装置和电能存储装置，之间通过箱体连接缆连接，箱体连接缆内设置电能传输线和通讯信号线，电能存储装置通过锚链与海底连接；波浪能转换装置是一个立式的圆柱箱体，主要分割成顶舱、中间位置的主舱体和底部的波浪能转换装置压载水舱三部分；电能存储装置是一个立式的矩形箱体，主要分割成电能存储装置顶舱、中部的AUV充电舱和位于底部的电能储存舱三部分舱体。
本发明还可以包括：
1、所述波浪能转换装置的顶舱内有传感器设备舱、智能决策系统装置、气象信息交互系统装置；所述传感器设备舱设置有温度传感器读取海面温度信息、湿度传感器读取海面湿度信息、风速传感器读取海面风速信息；所述智能决策系统装置作为整个AUV水下自动充电装置的信息处理和信息决策；气象信息交互系统装置与卫星交互天气数据，交由智能决策系统处理信息，做出下一步决策。
2、所述波浪能转换装置的主舱体包括强力弹簧、弹簧振子、转轴、转子、变速齿轮箱；弹簧振子，齿轮与变速齿轮箱相连；强力弹簧一端与弹簧振子连接，另一端与箱体连接；变速齿轮箱改变转轴转速，附着于弹簧振子内侧中部；转轴连接转子、变速齿轮箱、齿轮、齿条，水平布置，贯穿内部装置，两端与箱体连接；转子上缠绕线圈，转动时线圈切割定子产生磁场和电流，传送给电能传输线；定子围绕转子周向布置，布置在箱体内壁；电能传输线从主舱走线，并入箱体连接缆。
3、所述波浪能转换装置压载水舱中间位置设置泵舱内有水泵，波浪能转换装置压载水舱通过水泵压入或排出海水，用于控制波浪能转换装置箱体的沉浮。
4、所述电能存储装置顶舱包括电能存储装置压载水舱、泵舱和传感器设置舱；电能存储装置压载水舱布置于箱体上方，通过泵舱和传感器设置舱内的水泵压入或排出海水，用于控制电能存储装置箱体的沉浮；泵舱和传感器设置舱设置有深度传感器，用于测量箱体所处深度，传输给智能决策系统用于信息决策处理。
5、所述AUV充电舱布置于电能存储装置的中间部位，舱内一侧设有可开启舱门，作为AUV充电场所；舱内设置有照明设备、视觉传感器、机械手臂和充电设备舱；视觉传感器实时捕捉AUV的图像，传送给智能决策系统处理信息，处理后将指令反馈给机械手臂；机械手臂用于抓取AUV并引导其进入舱体，使AUV通过充电接口与充电设备舱相连接；充电接口布置于AUV充电舱底部，周围有圆柱形刚性支座用于支撑AUV，圆柱形刚性支座内部有可伸缩磁吸接头与AUV充电接口紧密相接，磁吸接头内部有触点为AUV进行充电。
6、所述电能储存舱采用可充放的锂电池作为电能存储；电能储存舱的下方中部位置布置锚链舱用于存放连接海底与电能存储装置的锚链；锚链舱连接机舱，机舱存放收放锚链的电动机。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的一种半潜式AUV水下自动充电装置，能够实现AUV的自动充电，降低AUV充电成本，提高AUV的续航能力，增加AUV的连续工作性。
附图说明
图1为本发明的整体连接示意图；
图2为本发明的波浪能转换装置示意图；
图3为本发明的电能存储装置示意图；
图4为本发明的齿轮齿条示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明的目的是提供一种半潜式AUV自动充电装置，能够实现AUV的水下自动充电。
根据图1，一种半潜式AUV自动充电装置主要由浮于海面的波浪能转换装置和电能存储装置构成，二者之间由箱体连接缆11相连接，箱体连接缆11内有电能传输线和通讯信号线，电能存储装置通过锚链1与海底相连接；柔性连接的箱体连接缆11，将波浪能转换装置与电能存储装置连接，二者允许存在一定范围内的相对运动；电能传输线，将波浪能转换装置产生的电能传输到电能存储模块进行存储；通讯信号线，用于波浪能转换装置与电能存储装置之间的信息传输，智能决策系统接受信息处理并返回信号。
进一步的，根据图2，波浪能转换装置，将波浪能转化为电能，通过电能传输模块将电能传输到半潜式电源的电能存储模块中，当AUV抓取模块固定住AUV时，由AUV充电模块为AUV充电。波浪能转换装置箱体整体是一个立式的圆柱箱体，主要分割成上、中、下三部分舱体，其中，主舱体位于中间位置，布置波浪能与电能之间的转换装置，包括强力弹簧14、弹簧振子15、转轴16、变速齿轮箱21、转子17、定子18；波浪能转换装置模块，将波浪能转化为电能，在波浪周期范围内，波浪能转换装置及其弹簧振子15将跟随波浪产生上下振荡往复运动；根据图4，弹簧振子15中设置互相紧扣的齿轮26和齿条24，弹簧振子15通过齿轮26和齿条24将往复运动转化为定向旋转运动，经过变速齿轮箱21使转子17产生一定转速，转子17切割磁感线产生电能，进入电能传输模块。所述的弹簧振子15，包括铁块配重来使弹簧振子15具有足够的重量使得弹簧在周期往复运动中处于压缩状态，将波浪能转化为弹性势能，并再次推动弹簧振子15，使齿轮26和齿条24产生相对位移，齿轮26发生转动，由于齿轮26只有部分带有轮齿25，当弹簧振子15往相反方向运动时，齿轮26依旧能够朝着原来方向继续转动。
当浮体随波浪上下运动时，会受到重力和浮力的作用，垂直圆柱形浮体在t时刻所受的浮力为：
Figure BDA0003838852230000031
式中，F浮(t)—浮体在t时刻所受的总浮力；F静浮(t)—浮体在t时刻所受的静浮力；F静浮(t)—浮体在t时刻所受的动浮力；ρ—海水的密度；g—重力加速度；k—波数；H—波高；CV—浮子的垂直绕射系数；h—水深；d(t)—浮体在t时刻的吃水深度；R—浮体圆柱半径；J1(kR)—一阶第一类贝塞尔函数；ω—波浪圆频率；
垂直圆柱形浮体在t时刻所排开的海水的体积可用浮体的水截面积乘以这一时刻浮体的吃水深度来表示，即：
v排(t)＝Awpd(t)
式中，d(t)—浮体在t时刻的吃水深度；Awp—浮体的水截面积Awp＝πR2；
因为浮体随波浪不断运动，所以浮体所受静浮力和动态浮力均处在不断的变化之中，因此浮体的吃水深度也是随波浪的运动而不断变化，t时刻浮体的吃水深度为：
d(t)＝d(0)-[z(t)-η0(t)]
式中，z(t)—t时刻浮体的起伏位移；η0(t)—t时刻波浪的起伏位移；d(0)—初始吃水深度；
由此可得，t时刻，浮体受力的数学模型为：
Figure BDA0003838852230000041
式中，m—浮子质量，m＝ρv排＝ρπR2d(0)；
进一步的，发电机输出功率动态数学模型；
发电机输出功率为：
Figure BDA0003838852230000042
式中，MV(t)—t时刻齿轮齿条的输出转矩；n(t)—t时刻齿轮齿条的输出转速；η—系统的传递效率；i—传动系统的传动比；
(1)齿轮齿条的输出转矩
设齿轮齿条传动中，齿轮的直径为d，则该传动机构的输出转矩为：
Figure BDA0003838852230000043
式中，γ—取决于波力分量的相角；σz—自由面位移和起伏位移间的相位角；
(2)发电机转速
齿轮齿条传动中，齿条的线速度v和齿轮的转速n存在着以下关系：
Figure BDA0003838852230000044
齿条的线速度：
v(t)＝-ωz0sin(ωt-σz)
式中，z0—浮体的起伏位移幅值；
则齿轮的转速：
Figure BDA0003838852230000045
故发电机输出功率：
Figure BDA0003838852230000046
进一步的，发电产生的电能通过电能传输线传输到电能存储装置中，波浪能转换装置底舱两侧存放波浪能转换装置压载水舱13，底舱中部位置设置泵舱20，当收到智能决策系统的下沉指令，由泵舱20向压载水舱13中压入海水，波浪能转换装置将沉入海面以下，以防止恶劣海况对装置造成损伤；当收到智能决策系统的上浮指令时，由泵舱20将压载水舱20中海水压出，波浪能转换装置浮出海面，同时，传感器设置舱中的温度传感器、风速传感器、湿度传感器将采集海况信息并传送给智能决策系统，由智能决策系统决定是否继续漂浮在海面并进入工作状态；
进一步的，在波浪能转换装置的顶部将设置传感器设备舱、智能决策系统装置、气象信息交互系统装置，气象信息交互系统与卫星实时交互气象信息数据，提供给智能决策系统处理，当检测到未来将会出现恶劣天气时，将会向泵舱传输下沉指令，当到达智能决策系统设定的上浮时间时，波浪能转换装置上浮，同时传感器设备舱中的温度、湿度、风速传感器将会实时采集信息反馈给智能决策系统，用于判断此时天气海况是否适合浮出海面，若适合，该装置进入工作状态，否则，智能决策系统将再次发出下沉指令；
进一步的，根据图3，电能存储装置，采用锂电池进行电能存储，通过电能输入接口接收电能，经变压器通过电能输出接口，产生稳流电流，对AUV5进行充电。电能存储装置箱体整体是一个立式的矩形箱体，主要分割成上、中、下三部分舱体，其中，中部舱体为AUV充电舱，当AUV5处于充电舱口时，AUV5向智能决策系统发出充电请求，充电舱舱门打开，同时充电舱照明设备6打开，视觉传感器7的摄像头实时捕捉AUV5图像，传送给智能决策系统处理图像信息，处理后向机械手臂9传输指令，由机械手臂9进行抓取和引导AUV5进入充电舱，AUV5进入充电舱后与布置于充电舱底部的充电接口4相连接，其周围有圆柱形刚性支座用于支撑AUV5，圆柱形刚性支座内部有可伸缩磁吸接头与AUV充电接口4紧密相接，磁吸接头内部有触点为AUV5进行充电，并进入充电状态，充电完成后，充电接口4断开，充电舱舱门打开，由机械手臂9抓取并引导AUV5退出充电舱，充电舱舱门关闭。
进一步的，在电能存储装置的顶舱两侧将设置电能存储装置压载水舱8，顶舱中部位置将设置泵舱和传感器设置舱10，在电能存储装置的底舱中部位置将设置锚链舱22和机舱23，当半潜式电源需要上浮维修检修时，由智能决策系统发出指令给泵舱和机舱23，泵舱水泵将压载水舱8中的海水压出，同时机舱23将控制锚链舱22的锚链1放出，半潜式电源将上浮至海面，供维修人员检修，维修结束后，由智能决策系统发出指令给泵舱和机舱23，泵舱水泵将海水压入压载水舱8中，同时机舱23将控制锚链舱22的锚链1收回，半潜式电源下沉，下沉过程中由深度传感器实时传输数据给智能决策系统，当半潜式电源下沉至指定深度后即悬停；
根据图4，在波浪能转换装置中，圆柱形箱体处于垂直的周期式往复运动中，通过图4中的齿轮26和齿条24可将周期往复式运动转换为转子17的定向圆周转动，当齿条24向下运动时，齿轮26与齿条24左边相扣，齿条24带动齿轮26做逆时针旋转；当齿条24向上运动时，此时齿轮26与齿条24左边部分分离，与齿条24右边相扣，齿条24带动齿轮26做逆时针旋转，在齿条24上下往复运动中，齿轮26始终带动转子17朝逆时针做旋转运动。
本说明书中每个重点说明都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的硬件包括装置及电子设备而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单。
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，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种半潜式AUV无人充电装置，其特征在于：包括波浪能转换装置和电能存储装置，之间通过箱体连接缆(11)连接，箱体连接缆(11)内设置电能传输线和通讯信号线，电能存储装置通过锚链(1)与海底连接；波浪能转换装置是一个立式的圆柱箱体，主要分割成顶舱(19)、中间位置的主舱体和底部的波浪能转换装置压载水舱(8)三部分；电能存储装置是一个立式的矩形箱体，主要分割成电能存储装置顶舱、中部的AUV充电舱和位于底部的电能储存舱(2)三部分舱体。
2.根据权利要求1所述的一种半潜式AUV无人充电装置，其特征在于：所述波浪能转换装置的顶舱(19)内有传感器设备舱、智能决策系统装置、气象信息交互系统装置；所述传感器设备舱设置有温度传感器读取海面温度信息、湿度传感器读取海面湿度信息、风速传感器读取海面风速信息；所述智能决策系统装置作为整个AUV水下自动充电装置的信息处理和信息决策；气象信息交互系统装置与卫星交互天气数据，交由智能决策系统处理信息，做出下一步决策。
3.根据权利要求1所述的一种半潜式AUV无人充电装置，其特征在于：所述波浪能转换装置的主舱体包括强力弹簧(14)、弹簧振子(15)、转轴(16)、转子(17)、变速齿轮箱(21)；弹簧振子(15)中部镂空，纵向放置在箱体两侧；弹簧振子(15)中设置互相紧扣的齿轮(26)和齿条(24)，齿轮(26)留部分轮齿(25)，齿轮(25)与变速齿轮箱(21)相连；强力弹簧(14)一端与弹簧振子(15)连接，另一端与箱体连接；变速齿轮箱(21)改变转轴(16)转速，附着于弹簧振子(15)内侧中部；转轴(16)连接转子(17)、变速齿轮箱(21)、齿轮(26)、齿条(24)，水平布置，贯穿内部装置，两端与箱体连接；转子(17)上缠绕线圈，转动时线圈切割定子(18)产生磁场和电流，传送给电能传输线；定子(18)围绕转子(17)周向布置，布置在箱体内壁；电能传输线从主舱走线，并入箱体连接缆(11)。
4.根据权利要求1所述的一种半潜式AUV无人充电装置，其特征在于：所述波浪能转换装置压载水舱(13)中间位置设置泵舱(20)内有水泵(12)，波浪能转换装置压载水舱(8)通过水泵(12)压入或排出海水，用于控制波浪能转换装置箱体的沉浮。
5.根据权利要求1所述的一种半潜式AUV无人充电装置，其特征在于：所述电能存储装置顶舱包括电能存储装置压载水舱(8)、泵舱和传感器设置舱(10)；电能存储装置压载水舱(8)布置于箱体上方，通过泵舱和传感器设置舱(10)内的水泵压入或排出海水，用于控制电能存储装置箱体的沉浮；泵舱和传感器设置舱(10)设置有深度传感器，用于测量箱体所处深度，传输给智能决策系统用于信息决策处理。
6.根据权利要求1所述的一种半潜式AUV无人充电装置，其特征在于：所述AUV充电舱布置于电能存储装置的中间部位，舱内一侧设有可开启舱门，作为AUV(5)充电场所；舱内设置有照明设备(6)、视觉传感器(7)、机械手臂(9)和充电设备舱(3)；视觉传感器(7)实时捕捉AUV(5)的图像，传送给智能决策系统处理信息，处理后将指令反馈给机械手臂(9)；机械手臂(9)用于抓取AUV(5)并引导其进入舱体，使AUV(5)通过充电接口(4)与充电设备舱(3)相连接；充电接口(4)布置于AUV充电舱底部，周围有圆柱形刚性支座用于支撑AUV(5)，圆柱形刚性支座内部有可伸缩磁吸接头与AUV(5)充电接口紧密相接，磁吸接头内部有触点为AUV(5)进行充电。
7.根据权利要求1所述的一种半潜式AUV无人充电装置，其特征在于：所述电能储存舱(2)采用可充放的锂电池作为电能存储；电能储存舱(2)的下方中部位置布置锚链舱(22)用于存放连接海底与电能存储装置的锚链(1)；锚链舱(22)连接机舱(23)，机舱(23)存放收放锚链的电动机。
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