基于感应电能传输技术的水下机器人非接触自主充电系统研究

As the deep sea exploration and military application are developing, autonomous underwater vehicle (AUV) technology is required to be intelligent, deep-diving, long distance with standard and modulation design. In order to improve the shortage of existing charging methods, it is nessecery to develop the contactless charging system based on the inductively coupled power transfer (ICPT) technology. On Base of the analysis on the influence factors such as loosely coupled transformer structure, pressure, water conductiveness in sea water environment, a model of ICPT system applicated in sea water environment will be built. Combined with artificial neural network theory and fuzzy control arithmetic, it can do the dynamic tuning of the electromagnetic coupler equivalent inductance to ensure the output voltage stability by power compensation. In addition, the ICPT charging system will be added to existing AUV launch platform to satisfy underwater charging need of the AUV. The system output will transfer power no less than 500Watts with at least 70% efficiency. This method will improve the AUV intellgence and hidding capability, simplify the work flow and extend the AUV application fields.

随着海洋开发和军事用途需求的不断增长，AUV也逐渐向高度智能化、大潜深、长航程等方向发展。为了解决现有充电方式的不足，研制基于感应电能传输技术（ICPT）的非接触自主充电系统就显得十分必要。通过对海水环境下应用的松耦合变压器结构、海水压力环境压磁效应以及海水导电性等因素对ICPT传输的影响进行分析，建立海水环境下的ICPT系统结构模型，并结合人工神经网络原理对模型进行分析，研究基于神经网络的模糊控制算法，使其能够动态调节电磁耦合器的等效感抗，进行功率补偿以保证电磁耦合器输出电压稳定。在此基础上，利用现有成熟的AUV对接平台，通过增设ICPT对接充电机构来进行整机试验验证，使其满足AUV的使用需求。最终建立传输功率不小于500W，效率大于70%的AUV非接触自主充电系统，不仅能增加AUV的智能化水平及隐蔽性能，还将简化AUV作业流程，降低作业难度，扩大AUV的应用范围。

通过对海水环境下松耦合变压器结构、海水压力环境下压磁效应、涡流效应以及海水介质气隙等因素进行研究，得出了ICPT在不同因素影响下的特性。在仿真模拟与大量实验的基础上，建立了海水环境下的ICPT系统结构模型。在空气中搭建ICPT系统的试验环境，研究输出功率与效率之间的关系，其中拓扑结构采用线圈与补偿电容串联-串联结构，线圈则采用带中心凸台的放射状螺旋线圈。实验结果表明：随着距离的增加，输出效率逐渐下降，而输出功率只在一定距离范围内增加。利用改造后的小型AUV实验平台进行水下实验，在其他条件相同的情况下与地面实验进行对比，输出功率和输出效率都有所下降。水下实验中，系统最大输出功率可达550W，最高传输效率可达81.3%。上述结果可为水下无线充电领域提供有力的科学参考依据，同时，对简化AUV充电作业流程、增强其智能化水平有着重要意义。