基于扇型分列式拾取机构的无缆水下机器人无线充电技术研究

The wireless power transfer technology provides a reliable and efficient novel solution for the problems such as water and current leakages in the process of direct contact underwater power transmission for autonomous underwater vehicle (AUV). This project is based on analyzing existing problems in the conventional coupling system, and then comes up with a novel design of coupling structure with secondary side fan-arranged magnetic core, as well as the corresponding robust control technology, which can greatly enhance the flexibility and reliability of power transmission in AUV. Based on the new coupling structure, the control strategy for the synchronization of power and transmission efficiency and the optimized control method of power transmission under the condition of multi-parameter disturbance are studied, as well as establishment of the underwater loosely coupled transformer (LCT) and eddy current loss model. By analyzing the influences of underwater LCT parasitic cross-connected capacitance and water medium additional eddy current on the loss of the energy transmission system, the scheme for effectively solving the energy transmission stability and improving system efficiency is built up. Based on the construction of the new coupling structure, high flexibility, high efficiency, and fast response, low cost and strong robustness of AUV underwater wireless power supply system, further lay a certain foundation for the promotion of the rapid development of AUV wireless water supply technology in china.

水下无缆机器人(AUV)无线供电技术为解决目前AUV采用的直接接触式水下电能传输过程中，存在的漏水、漏电等重大问题提供了高效可靠的全新解决方案。本项目针对目前水下AUV无线供电技术存在的问题，提出一种新型扇型分列式拾取机构，以及与其相适应的鲁棒控制技术，可大幅度提升AUV机动性和能量传输稳定性。基于该新型耦合结构，研究功率和效率双参数同步控制策略以及多参数扰动条件下电能传输鲁棒优化控制方法，进而提高电能传输稳定性。建立水下松耦合变压器(LCT)和涡流损耗模型，在分析了水下LCT寄生跨接电容和水介质中附加涡流损耗对系统能量传输影响的同时，提出能够有效解决能量传输稳定性和提升系统效率的方案。基于该新型耦合机构，构建高机动性、高效率、快速响应、低成本、强鲁棒性的AUV水下大功率无线供电系统，为推进我国AUV水下无线供电技术的快速发展奠定一定的基础。

长期以来，如何实现军用无缆水下机器人(AUV)等水下用电设备安全高效的电源供给，一直是备受关注的重要问题。传统上釆用的直接接触式水下电能传输存在着漏水、漏电等重大安全隐患，而无线电能传输技术由于采用非接触方式实现能量传递，具有安全性高、环境适应性强等优点，将有望成为解决水下传能问题的有效手段。本项目针对水下大功率无线电能传输技术的几个关键问题：水下松耦合变压器（LCT）耦合机构及建模、水介质中相对介电常数在LCT上引入分布电容、水下无线电能传输系统非线性环节建模、系统能量传输稳定性以及鲁棒性控制、水介质中存在电导率而引起的附加涡耗损耗，进行了深入细致的研究。主要研究内容如下:.首先，提出了高机动性高功率密度水下新型磁耦合机构，并对该耦合机构结构进行设计，寻求磁耦合机构的尺寸、重量及成本与系统传输性能之间的平衡。同时对该耦合机构的传输效率情况进行了研究，进而实现了水下无线电能传输系统最优效率的传输；.其次，研究寄生跨接电容特点和水下涡流路径，分析寄生跨接电容的频率特点及水下涡流损耗对系统传能的影响，合理选取工作条件，建立适用于水下的电/磁路模型结构，使该模型结构最大限度与实现工况相一致并指导设计；.再次，针对新型拾取机构式水下AUV无线供电系统中存在的输出功率稳定性差、电力电子元器件参数漂移以及水流扰动的问题，同时鉴于IPT系统具有非线性、高阶次及强耦合等特点，常规控制方法很难达到理想的控制效果，为此本文设计了一种比例因子自校正模糊控制器，以实现副边电压鲁棒性；.最后，搭建了一套kW功率等级的水下无线电能传输系统实验平台。对理论分析、仿真结果、控制策略进行实验验证，并对所研究的磁耦合机构传输性能、鲁棒控制有效性与所建立的水下系统模型进行评估，通过多次参数匹配进行全局优化，最终提供一套具有实用价值的水下无线供电系统解决方案。