基于环状分段电磁耦合器的AUV无线充电系统和方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于环状分段电磁耦合器的AUV无线充电系统和方法，其中系统包括驱动装置和无线充电装置；驱动装置包括运动模块和对接模块；无线充电装置包括设置于水下航行器上的环状分段式的电能接收端和设置于水下充电站上的电能发射端；运动模块通过多个控制器的控制水下航行器对接水下充电站；水下航行器通过对接模块连接水下充电站，以实现电能接收端和电能发射端对接。本发明专利技术采用的线圈在发射端的励磁电流具有相同的幅值和频率且存在120

【技术实现步骤摘要】
基于环状分段电磁耦合器的AUV无线充电系统和方法


[0001]本专利技术属于水下无线充电
，尤其涉及一种基于环状分段电磁耦合器的AUV无线充电系统和方法。

技术介绍

[0002]由于海洋蕴藏着大量的自然资源和矿产资源，加上陆地资源的枯竭，近年来海洋资源的开发日益发达。随着深海活动的发展，水下航行器(autonomous underwater vehicle，AUV)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。
[0003]为了完成上述任务，需要水下航行器具有长时间的续航，同时也要满足航行器的充电低损耗和隐蔽性，因此水下无线充电逐渐成为了一种趋势。然而，在水下作业时，水下航行器容易受到洋流干扰的影响，电能发射线圈与电能接收线圈难以保持相对稳定的传输姿态，不能达到理想的传输效率，进而导致充电速度较慢。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于环状分段电磁耦合器的AUV无线充电系统，其特征在于，包括驱动装置和无线充电装置；所述驱动装置包括运动模块和对接模块；所述无线充电装置包括设置于水下航行器上的环状分段式的电能接收端和设置于水下充电站上的电能发射端；所述运动模块通过多个控制器的控制水下航行器对接水下充电站；水下航行器通过所述对接模块连接水下充电站，以实现电能接收端和电能发射端对接。2.根据权利要求1所述的AUV无线充电系统，其特征在于，所述控制器包括深度控制模块、姿态控制模块和方向保持模块；所述深度控制模块用于控制水下航行器相对于水下充电站的高度差；所述姿态控制模块用于控制水下航行器对准水下充电站的方向；所述方向保持模块用于控制水下航行器在最佳路径的方向上。3.一种基于环状分段电磁耦合器的AUV无线充电方法，其特征在于，所述AUV无线充电方法应用于权利要求1
‑
2任一项所述的基于环状分段电磁耦合器的AUV无线充电系统；所述AUV无线充电方法包括：构建水下航行器极坐标系；在水下航行器极坐标系中构建水下航行器运动学模型；根据水下航行器运动学模型，将水下航行器线性速度和角速度作为变量函数的线性控制律；获取水下航行器的初始姿态和最终姿态，得到水下航行器线性控制律；计算水下航行器与水下充电站的距离以及水下航行器与水下充电站的连线与竖直方向的角度；根据水下航行器与水下充电站的距离和水下航行器与水下充电站的连线与竖直方向的角度，控制水下航行器的行进状态，以实现水下航行器与水下充电站的对接；利用水下充电站的电能发射端将电能传输至水下航行器的环状分段式电能接收端，以对水下航行器进行充电。4.根据权利要求3所述的AUV无线充电方法，其特征在于，所述水下航行器极坐标系的表达式为：其中，ρ为极坐标系中航行器与目标点的距离；α为初始航向与目标航向差值；β1为目标航向与x方向的夹角；Δx为极坐标下水下航行器沿x方向所需姿态的偏差；Δy为极坐标下水下航行器沿y方向所需姿态的偏差；θ为惯性坐标系与物体坐标系之间的偏转角。5.根据权利要求4所述的AUV无线充电方法，其特征在于，所述水下航行器运动学模型的表达式为：
其中，ν为水下航行器的线速度；ω1为水下航行器的角速度。6.根据权利要求5所述的AUV无线充电方法，其特征在于，所述水下航行器线性速度和角速度作为变量函数的线性控制律的表达式为：其中，k
ρ
、k
α
和k
β
均为姿态控制模块增益。7.根据权利要求5所述的AUV无线充电方法，其特征在于，所述水下航行器线性控制律的表达式为：其中，设q
i
为航行器的初始姿态，q
f
为最终姿态；定义q
i
＝(x
i
,y
i
,θ
i
)和q
f
＝(x
f
,y
f
,θ
f
)；e为误差变量，e＝θ
f
‑
θ
i
，即最终目标点的航向和初始目标点的航向的斜率的差值；t为时间；最终方向定义为初始目标点与最终目标点之间的倾角：θ
f
＝atan2(y
f
‑
y
i
,x
f
‑
x
i
)；其中，K
P
、K
I
和K
D
均为方向保持模块增益；K
P
为方向保持模块的比例部分；K
I
为方向保持模块的积分部分；K
D
为方向保持模块的导数部分。8.根据权利要求5所述的AUV无线充电方法，其特征在于，所述计算水下航行器与水下充电站的距离以及水下航行器与水下充电站的连线与竖直方向的角度，包括：假设悬停的水下航行器的横摇角和俯仰角保持为零度，并保持水下航行器与水下充电站在同一水平面上；使用安装在水下航行器头部的单个摄像头，通过图像处理计算水下航行器相对于水下充电站的位置；选择彩色LED为彩色点光源形成一个三维地标，作为图像处理的参考点；其中两个绿色LED分别定义为G1和G2，水平对齐安装在水下充电站入口处；两个蓝色LED分别定义为B1和B2，垂直对齐；一个红色LED，定义为R，安装在水下充电站的中心；根据以下公式计算水下航行器停靠点原点到摄像头原点的距离以及水下航行器前进方向与水下航行器停靠点原点到摄像头原点的距离所在直线的夹角：其中，d
Opt
为水下航行器停靠点原点O到摄像头原点M的距离；ψ
Opt
为水下航行器前进方
向与水下航行器停靠点原点到摄像头原点的距离所在直线的夹角；f是摄像头的焦距；是B1和B2之间的实际长度；为摄像头拍摄图像上的观测长度；B1'为B1在拍摄图像上的对应点；B'2为B2在拍摄图像上的对应点；G1'为G1在拍摄图像上的对应点；G'2为G2在拍摄图像上的对应点；R'为R在拍摄图像上的对应点；h
B
为B1'和B'2之间连线与水平中心的距离；定义光传感器高度为S
...

【专利技术属性】
技术研发人员：马家辉，夏涛，李天伊，訾振豪，王宇晗，王逸涵，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：