水下航行器非接触式授电装置、授电系统及自对准方法

摘要

本发明涉及一种水下航行器非接触式授电装置、授电系统及自对准方法，在所述水下航行器上设置有次级耦合器，所述授电装置包括：水下航行器定位结构、抱紧结构和初级耦合器，其中，所述水下航行器定位结构用于在水下航行器进行水下充电时对所述航行器进行定位；所述抱紧结构包括多个推杆，多个推杆能够在靠近或者远离处于待充电状态下的所述水下航行器的方向上移动；所述初级耦合器设置在多个推杆的自由端的端部，当水下航行器进行水下充电时，所述多个推杆的自由端在不同的方向上抵接在所述水下航行器的外壁上，进而通过所述初级耦合器和次级耦合器的耦合对所述水下航行器进行充电。本发明提供的技术方案用于非接触能量传输领域，其中初级耦合器和次级耦合器气隙小，能量传输效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种非接触式能量传输技术，具体涉及一种水下航行器非接触授电装置、授电系统及自对准方法。

背景技术

自主式水下航行器AUV(Autonomous underwater vehicle)作为一种探索海底世界的重要工具，在民用以及军用领域得到越来越广泛的应用。但由于受到自身体积与电池容量限制，AUV不能够长时间在水下工作，现有的能量传输较多采用湿插拔接头，而且必须打捞回收后进行充电，探测范围受到限制；同时必须有保障船辅助，所以无法实现无人值守，降低了AUV的工作效率和隐蔽性。

非接触电能传输技术能够让AUV电路系统与外界环境有良好的隔离效果，免受环境因素的影响，避免了短路等隐患，可靠性高，是目前水下AUV自主、快速、高效地完成电能传输的理想选择。

现有技术中的非接触能量传输技术存在初级耦合器和次级耦合器对接时错位以及气隙过大，导致能量传输效率低的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、方便初级耦合器和次级耦合器的对接、并能有效提高能量传输效率的水下航行器非接触式授电装置、授电系统及自对准方法。

根据本发明的第一方面，提供一种水下航行器非接触式授电装置，在所述水下航行器上设置有次级耦合器，所述授电装置包括：水下航行器定位结构、抱紧结构和初级耦合器，其中，所述水下航行器定位结构用于在水下航行器进行水下充电时对所述航行器进行定位；所述抱紧结构包括多个推杆，多个推杆能够在靠近或者远离处于待充电状态下的所述水下航行器的方向上移动；所述初级耦合器设置在多个推杆的自由端的端部，当水下航行器进行水下充电时，所述多个推杆的自由端在不同的方向上抵接在所述水下航行器的外壁上，进而通过所述初级耦合器和次级耦合器的耦合对所述水下航行器进行充电。

优选地，所述推杆为液压推杆。

优选地，多个推杆设置有至少一组，每组推杆以处于充电状态时的水下航行器的轴线为中心线呈空间对称辐射状设置在同一个平面上。

优选地，所述多个推杆设置有两组，其中第一组设置在靠近所述水下航行器定位结构的位置，第二组与第一组间隔设置。

优选地，所述初级耦合器面向水下航行器的一面为内弧面，所述内弧面与水下航行器的外壁弧面吻合。

优选地，在所述推杆上设置有压力传感器和/或位置传感器。

优选地，所述水下航行器定位结构包括挡板，所述挡板设置在所述抱紧结构的一侧，在水下航行器进行水下充电时，所述水下航行器的前端抵靠在所述挡板上。

优选地，在所述挡板的与所述水下航行器所在侧相反的一侧设置有阻尼结构，优选地，所述阻尼结构为弹簧。

优选地，还包括授电装置本体，在所述授电装置本体内形成有授电空间和引导部，所述推杆的自由端能够通过所述引导部的引导进入所述授电空间内。

优选地，还包括引导结构，所述引导结构包括锥形孔，所述锥形孔的小端与所述授电空间的一端相接，所述水下航行器定位结构设置在所述授电空间的与所述引导结构相对的一端。

优选地，还包括控制部，在所述水下航行器定位结构上设置有开关，所述开关与所述控制部相连。

根据本发明的第二方面，提供一种水下航行器非接触式授电系统，包括水下航行器和本申请中的授电装置，所述授电装置中的初级耦合器和水下航行器上的次级耦合器产生的磁场的极性为N极S极对应交错放置。

根据本发明的第三方面，提供一种水下航行器非接触式授电系统中水下航行器的自对准方法，所述水下航行器非接触式授电系统为本申请中所述的水下航行器非接触式授电系统，在所述初级耦合器和次级耦合器相互靠近的过程中，在所述初级耦合器和次级耦合器中输入恒定电流，通过初级耦合器和次级耦合器之间的吸引力使得授电装置和水下航行器实现自动对准。

本发明提供的水下航行器非接触式授电装置中，通过采用多个推杆带动初级耦合器运动，充电时，多个推杆同时向中心收缩，将水下航行器由任意位置逐渐推至中心位置，同时初级耦合器中的线圈加电形成对称磁场，而水下航行器内部的相应的导磁铁芯利用电磁力能够将初级耦合器和次级耦合器自动对准，随着推杆的进一步推进，最终将初级耦合器的内面与水下航行器的外表面紧密结合。本申请中的水下航行器非接触式授电装置能够使水下航行器的接驳空间加大，能够自动将初级耦合器向水下航行器靠拢，同时利用电磁力将水下航行器的姿态进行调整，减小了初级耦合器和次级耦合器的气隙以及错位，从而令水下航行器非接触充电系统的能量传输的效率得到很大提高。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，

图1为水下航行器非接触式授电系统装配结构示意图(为了清除表示内部结构，本图中授电装置本体未示出)；

图2为水下航行器非接触式授电系统的纵向剖视图；

图3为水下航行器非接触式授电系统的横向剖视图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件等并没有详细叙述。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以下结合附图对本发明做进一步说明。

本申请涉及一种水下航行器非接触式授电装置、授电系统以及授电系统中水下航行器的自动对准方法，尤其适用于水下无人航行器。

如图1-2所示，本申请中的水下航行器非接触式授电系统包括水下航行器1和授电装置2，如图2-3所示，在水下航行器1上设置有次级耦合器11，所述次级耦合器11优选设置在水下航行器1上靠近其外壁的位置，例如设置在水下航行器1表面蒙皮的内侧，以方便与位于所述授电装置2上的初级耦合器21进行耦合；在所述授电装置2上设置有初级耦合器21，在所述授电装置2上还设置有授电空间202，当所述水下航行器1需要充电时，所述水下航行器1能够驶入所述授电空间202内，通过所述初级耦合器21和次级耦合器11的耦合对所述水下航行器进行充电。具体地，初级耦合器21为电磁线圈，次级耦合器11也为电磁线圈，在初级耦合器21接近水下航行器1时首先对其通入恒定电流，形成恒定磁场，通过初级耦合器21和次级耦合器11之间的吸引力使得授电装置2和水下航行器1实现自动对准；对准定位后，对初级耦合器21输入交变电流，初级耦合器21的高频交变电流的磁链由初级耦合器21传递给次级耦合器11，在次级耦合器11感应出电动势，经变换后向水下航行器1供电。

如图1-2所示，所述授电装置2包括授电装置本体20、水下航行器定位结构22和抱紧结构23，所述授电空间202设置在授电装置本体20内，授电装置本体20可以是框架结构，也可以是其他结构。所述水下航行器定位结构22设置在所述授电空间的一端，用于在水下航行器1进行水下充电时对所述航行器1进行定位。

在一个优选实施例中，所述抱紧结构23包括多个推杆231，多个推杆231能够在靠近或者远离处于待充电状态下的所述水下航行器1的方向上移动。这样，当水下航行器1碰撞定位结构22中的挡板221(后面有详细介绍)时，从而触发位于定位结构22内的开关时，所述水下航行器1处于待充电状态、并位于授电位置，此时，多个推杆231向水下航行器1移动，通过多个推杆231将所述水下航行器1抱紧，以便对水下航行器1进行授电。优选地，初级耦合器21设置在多个推杆231的自由端的端部，这样，当水下航行器1进入充电区域并处于待充电状态时，所述多个推杆231的自由端在不同的方向上抵接在所述水下航行器1的外壁上，完成自对准后，进而通过所述初级耦合器21和位于水下航行器1上的次级耦合器11的耦合对所述水下航行器1进行非接触式能量传输。

优选地，所述推杆231的一端设置在所述授电装置本体20上，另外一端为自由端。在一个优选实施例中，所述推杆231为液压推杆。在所述授电装置本体20上设置有液压缸201，推杆231的一端设置在液压缸201内，在液体压力的作用下，能够在靠近或者远离处于充电状态下的所述水下航行器1的方向上移动，从而能够抱紧或者松开水下航行器1。在所述授电装置本体20上设置有引导部203，用于对推杆231的移动进行引导。所述推杆231的自由端能够通过所述引导部203进入所述授电空间202内。所述引导部203优选为引导孔，所述推杆231能够穿过该引导孔进入所述授电空间202内。

如图1所示，在一个优选实施例中，多个推杆231设置有至少一组，每组推杆231设置有多个，多个推杆231以处于充电状态时的水下航行器1的轴线为中心线呈空间对称辐射状设置在同一个平面上，每个推杆231的自由端朝向处于充电状态时的水下航行器1设置。优选地，每组推杆231设置有偶数个，例如为4个，这样可以更加平衡地实现对水下航行器1的抱紧，有利于减小初级耦合器21和次级耦合器11之间的气隙，提高能量传递效率。优选地，所述多个推杆231设置有两组，其中第一组设置在靠近所述水下航行器1靠近所述定位结构22的端部的位置，第二组与所述第一组间隔一定距离靠近尾部设置。

优选地，所述初级耦合器21面向水下航行器1的一面为内弧面，所述内弧面与水下航行器1的外壁弧面吻合。为了方便初级耦合器21的设置，在所述推杆231的自由端的端部设置有弧形件232，所述初级耦合器21设置在所述弧形件232上，所述弧形件232的内弧面与水下航行器1的外壁弧面吻合。

优选地，在所述推杆231上设置有压力传感器(图中未示出)和位置传感器(图中未示出)，对推杆231的位置、施加的压力进行检测，便于对推杆231的运行进行控制。

如图1-2所示，所述水下航行器定位结构22包括挡板221，所述挡板221设置在所述抱紧结构23的一侧，在水下航行器1进行水下充电时，所述水下航行器1的前端抵靠在所述挡板221上，从而能够对水下航行器1的轴向位置进行定位，方便对水下航行器1的授电作业。为了缓冲水下航行器1的冲击力，在所述挡板221的与所述水下航行器1所在侧相反的一侧设置有阻尼结构222，所述阻尼结构222可以为各种能够提供缓冲的结构，例如弹簧、胶垫等结构。优选地，所述阻尼结构222为螺旋弹簧。

为了便于水下航行器1驶入授电空间202内，在所述授电装置本体20上还设置有引导结构204，用于对水下航行器1驶入授电空间202进行引导。优选地，所述引导结构204包括锥形孔205，所述锥形孔205的小端与所述授电空间202的一端相接。所述引导结构204设置在与所述水下航行器定位结构22相对的一端。所述引导结构204的结构没有具体的限定，可以为任意形状，例如为盖状，设置在授电装置本体20的端部。

为了实现对水下航行器的自动充电，授电装置2还包括控制部(图中未示出)，用于控制授电装置各个结构的运行。优选地，在所述水下航行器定位结构22上设置有开关(图中未示出)，所述开关与所述控制部相连，当水下航行器1进入授电空间202内、其前端抵靠在所述定位结构22上时，可触发该开关动作，该开关向控制器发送信号，控制器控制推杆231进行动作。

如图3所示，所述授电装置2中的初级耦合器21和水下航行器1上的次级耦合器11产生的磁场的极性为N极S极对应交错放置。具体为，位于多个推杆231上的初级耦合器11上产生的磁场交错设置，每个S极的两侧均为N极，每个N极的两侧均为S极；同时位于水下航行器1上的次级耦合器11与所述初级耦合器11上产生的磁场相反，每个初级耦合器11上产生的S/N极在次级耦合器11上对应生成的磁场为N/S极，这样，初级耦合器21和次级耦合器11相互吸引的电磁力将有利于初级耦合器21和次级耦合器11的对准，避免产生错位，可进一步提高两者的耦合度，提高能量传递效率。

为了方便抱紧结构23对水下航行器1的定位，所述授电空间202的横截面(与水下航行器1的横截面对应的截面)不能太大。在一个优选实施例中，所述授电空间202的横截面为水下航行器1的横截面的1.5-4倍，优选为2倍。这样可避免在多个推杆231向水下航行器1靠近时，水下航行器1从多个推杆231之间的缝隙中移出，使得对水下航行器1的抱紧及定位过程失败。

本申请中的水下航行器非接触式授电系统的运行过程为：

步骤一，水下航行器1在引导结构204的引导下以缓慢驶入授电装置本体20的授电空间202内；

步骤二，当水下航行器1运动过程中接触到授电装置内的挡板221时，挡板221对水下航行器1的驶入深度进行缓冲限位；

步骤三，水下航行器1碰撞挡板221从而触发位于定位结构22上的开关，该开关向控制器发送信号，控制器控制所有推杆231开始缓慢向水下航行器1运动；

步骤四，当推杆231接近水下航行器1一定距离后，推杆231端部的弧形件232内的初级耦合器21和水下航行器1内的次级耦合装置11都开始输入恒定电流，由初、次级耦合器相互吸引的电磁力帮助水下航行器1与授电装置2之间位置的对准；

步骤五，检测压力传感器的信号，当推杆231的端部贴合水下航行器1表面蒙皮后，推杆231停止运动，水下航行器1与非接触式授电装置2的自动对准动作完成；

步骤六，对初级耦合器21输入交变电流，初级耦合器21的高频交变电流的磁链由初级耦合器21传递给次级耦合器11，在次级耦合器11感应出电动势，经变换后向水下航行器1供电。

本申请中的水下航行器非接触式授电装置中，通过采用多个推杆231带动初级耦合器21运动，初级耦合器21的内弧面与水下航行器1的外弧面是吻合的，多个推杆231同时向中心收缩，将水下航行器1由任意位置逐渐推至中心位置，同时初级耦合器21中的线圈加电形成对称磁场，而水下航行器1内部的相应的导磁铁芯利用电磁力能够将初级耦合器21和次级耦合器11自动对准，随着推杆231的进一步推进，最终将初级耦合器21的内面与水下航行器1的外表面紧密结合。本申请中的水下航行器非接触式授电装置能够使水下航行器1的接驳空间加大，能够自动将初级耦合器21向水下航行器1靠拢，同时利用电磁力将水下航行器1的姿态进行调整，减小了初级耦合器和次级耦合器的气隙以及错位。

本申请中的水下航行器非接触式授电装置中，多个液压推杆231呈空间辐射放置，由液压缸201带动沿辐射线运动。授电空间202的横截面为水下航行器1的横截面的1.5-4倍，能够保证水下航行器1有较大的驶入空间，便于水下航行器1进行对称定位。同时推杆231能够逐步减小初级耦合器21和次级耦合器11之间的气隙，使得初级耦合器最终紧贴水下航行器1的表面，能够减小初级耦合器和次级耦合器的气隙，初级耦合器的恒定磁场有利于初级耦合器和次级耦合器的对准，避免产生错位，进一步提高了两者的耦合度，提高能量传递效率。本发明中的非接触式环状授电装置与自对准方法，结构简单，定位精度高，具有很好的推广应用价值。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域技术人员而言，本申请可以有各种改动和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。