[發明專利]一種水下航行器無線充電系統及其控制方法

在審

• 申請號: 202210293717.4
• 申請日: 2022-03-24
• 公開（公告）號: CN114578835A
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 王宇晗;夏濤;訾振豪;王逸涵;馬家輝;貝靜雯;李航;張小亮
• 申請（專利權）人: 南京工程學院
• 主分類號: G05D1/06
• 分類號: G05D1/06;H02J7/00;H02J50/10
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 王磊

1.一種水下航行器無線充電系統，其特征在于，包括水下充電基站和水下航行器；

所述水下充電基站包括依次電連接波浪發電平臺、第一整流器、直流支撐電容、全橋逆變器、第一補償電路和電能發射線圈；所述水下航行器包括電能接收線圈、第二補償電路、第二整流器和電池；所述水下航行器充電時，波浪發電平臺產生的電能通過所述第一整流器、直流支撐電容、全橋逆變器和第一補償電路傳遞至電能發射線圈；所述電能接收線圈與電能發射線圈通過強磁耦合產生變化電流；變化電流通過第二補償電路和第二整流器傳遞至電池端為電池充電；

所述水下充電基站還包括聲吶裝置；所述水下航行器還包括水聽器、定位控制器、上位機、壓力傳感器、運動控制器、推進器和充電頻率跟蹤器；所述水聽器用于接收所述聲吶裝置發射的聲學信號；所述定位控制器用于根據所述聲學信號和電能接收線圈的感應電壓提供水下航行器的定位方法；所述壓力傳感器用于采集水下航行器所在水深的壓力值；所述上位機用于根據水下航行器的定位方法和水下航行器所在水深的壓力值計算水下航行器相對于水下充電基站的位置；所述運動控制器用于根據水下航行器相對于水下充電基站的位置控制推進器調整的位置和角度；所述充電頻率跟蹤器用于檢測水下航行器充電時的充電頻率。

2.一種水下航行器無線充電系統的控制方法，其特征在于，所述控制方法應用于權利要求1所述的水下航行器無線充電系統，所述控制方法包括：

建立三維坐標系；所述三維坐標系的原點位于電能發射線圈的中部，x軸垂直于y軸且x軸、y軸和原點所在平面平行于水面，z軸垂直于x軸、y軸和原點所在平面；

將聲吶裝置中的第一聲吶、第二聲吶和第三聲吶分別放置于三維坐標系的原點、x軸和y軸上；所述聲吶裝置發射唯一且可識別的聲音信號；

根據以下公式計算第一聲吶、第二聲吶和第三聲吶分別與水下航行器的距離：

其中，d₁為第一聲吶與水下航行器的距離；d₂為第二聲吶與水下航行器的距離；d₃為第三聲吶與水下航行器的距離；v為水下聲速，為已知量；t_f1為第一聲吶發射聲信號到水聽器接收到第一聲吶的發射聲信號的時間；t_f2為第二聲吶發射聲信號到水聽器接收到第二聲吶的發射聲信號的時間；t_f3為第三聲吶發射聲信號到水聽器接收到第三聲吶的發射聲信號的時間；

根據以下公式計算水下航行器的坐標：

其中，x為水下航行器在三維坐標系中x軸上的坐標；y為水下航行器在三維坐標系中y軸上的坐標；z為水下航行器在三維坐標系中z軸上的坐標，由壓力傳感器采集水下航行器所在水深的壓力值得到水下航行器在三維坐標系中z軸上的坐標；x₂為第二聲吶在三維坐標系中x軸上的坐標；y₃為第三聲吶在三維坐標系中y軸上的坐標；

得到：

根據以下約束條件，運動控制器控制推進器調整的位置和角度：

其中，Δx為三維坐標系中x軸上預設的水平閾值；Δy為三維坐標系中y軸上預設的水平閾值；Δz為三維坐標系中z軸上預設的深度閾值。