[发明专利]一种自主式无人潜航器水下无线充电及智能对位引导方法

权利要求书

1.一种自主式无人潜航器水下无线充电及智能对位引导方法，基于一种具有互操作性的自主式无人潜航器水下无线充电及智能对位引导系统，包括：AUV本体和智能化水下无线充电接驳平台，

所述AUV本体上安装有水声声呐定位模块、GPS全球定位系统、接收端线圈、电池、电池管理系统、数据处理器、控制器、高速CAN总线和动力部件，其中，所述接收端线圈安装在所述AUV本体的表面，并与所述电池连接；

所述智能化水下无线充电接驳平台，包括接驳坞站、海底电缆、工频整流逆变单元、发射端控制器、谐振电容、绝缘橡胶夹具、液压机械臂和发射端线圈，所述海底电缆、工频整流逆变单元、发射端控制器、谐振电容和发射端线圈依次连接，所述接驳坞站设有能容纳所述AUV本体的空间，所述接驳坞站的前端设有喇叭口型引导机构，所述液压机械臂径向安装在所述接驳坞站的内侧壁上，所述绝缘橡胶夹具安装在所述液压机械臂的前端，所述发射端线圈内嵌在所述绝缘橡胶夹具的内部，

所述水声声呐定位模块，用于扫描并识别所述接驳坞站的喇叭口型引导机构；

所述GPS全球定位系统，用于对AUV进行定位，并为所述AUV本体提供导航功能；

所述电池管理系统，用于检测所述电池的电量；

所述数据处理器，用于实时计算所述发射端线圈和接收端线圈组成的磁耦合机构的耦合系数、互感、接驳坞站和AUV本体的相对坐标、AUV速度和方向矢量信息，并通过所述高速CAN总线传递给所述控制器；

所述控制器，用于控制所述水声声呐定位模块、GPS全球定位系统、接收端线圈、电池管理系统、数据处理器和动力部件执行各自功能；

所述高速CAN总线，分别连接所述水声声呐定位模块、GPS全球定位系统、接收端线圈、电池管理系统、数据处理器、动力部件和控制器，用于上述各部件间的信息传导；

所述接收端线圈，和所述发射端线圈组成磁耦合机构，用于接收电能，以对所述电池进行无线充电，

所述液压机械臂设置有多个，对应的，所述发射端线圈和接收端线圈设置有同样多个，当进行充电时，所述发射端线圈和接收端线圈均绕满整个AUV本体的周向的一圈，

发射端线圈和接收端线圈均为弧形结构，且弧度一致，

每个发射端线圈和接收端线圈均采用多组小线圈串联的结构，

每个发射端线圈和接收端线圈均由4组小线圈串联而成，每组小线圈90°共360°，

所述接驳坞站中设置有增压压力机，用于在充电前施压排出接驳坞站中的海水，

其特征在于，所述的自主式无人潜航器水下无线充电及智能对位引导方法包括以下步骤：

步骤一、AUV在执行任务过程中，电池管理系统检测到电池电量即将低于返程到接驳坞站所需电量，电池管理系统通过高速CAN总线发送返程指令给控制器，控制器命令AUV即刻开始返航；

步骤二、控制器启动GPS全球定位系统，进行AUV远程定位并实现自主返航，利用GPS导航功能使AUV导航至接驳坞站的前端，抵达坞站前端后控制器发送指令打开水声声呐定位模块；

步骤三、AUV利用水声声呐扫描并识别出坞站前端的喇叭口型引导机构，控制AUV前进，驶入具有无线充电功能的接驳坞站；

步骤四、AUV本体完全驶入接驳坞站后，接驳坞站侧壁通过液压器件释放多个液压机械臂，其中液压机械臂前端连接有绝缘橡胶制成的夹具，夹具内部嵌入有磁耦合机构发射端线圈，用于对AUV本体进行初步的y、z方向位置固定，确保原副边线圈直接间隙gap值稳定；

步骤五、利用电磁参量融合的磁耦合机构精准位置感知技术准确的对x方向进行位置对齐，确保接收端线圈进入有效充电区域，液压机械臂实现完全锁紧，增压压力机施压排出坞站中海水，开启无线充电；

步骤六、AUV的电池管理系统检测到系统电量已满，液压机械臂回收，AUV驶出接驳坞站，自主导航到任务区继续执行相关任务，

其中，在步骤五中，包含一种电磁参量融合的磁耦合机构精准位置感知方法，当在AUV缓慢沿x轴方向驶入坞站时，控制器对此过程中耦合系数k和互感M的变化情况进行实时测量，并计算此时互感M相对于纵向坐标函数关系的变化趋势，即互感M相对于纵向坐标函数曲线的斜率KM，若此时KM0，则表明接收端线圈中心位置尚未达到此时x向偏移下的最大耦合位置；若此时KM0，则表明接收端线圈中心位置已经过此时x向偏移下的最大耦合位置；同时根据横向偏移下的曲线族，拟合出最佳充电位置以及有效充电区域等信息，最终通过控制器实现AUV在x轴向上的位置对齐操作。

2.根据权利要求1所述的一种自主式无人潜航器水下无线充电及智能对位引导方法，其特征在于，在步骤五中，在AUV获取到接驳坞站实时相对位置后，引导AUV进行入坞停车的操作，具体的：

首先建立磁耦合机构处于不同位置时，系统效率和功率与位置集合的函数关系，设定满足AUV无线充电需求的最低功率为P*，且充电效率必须满足ηη*，其中P*值取决于符合于AUV所搭载无线充电系统的参数情况，有下式，

其中，P_o为当前无线充电功率，η^*为最低充电效率，

在AUV磁耦合机构发生偏移时，定义偏移量为d(x，y，z，θ)，AUV的副边线圈设为L_n，其中n表示不同的接收端，则此时，对于磁耦合机构的互感值定义为，

M_n＝f[d(x,y,z,θ),L_n] (2)

得到，

A≤f[d(x,y,z,θ),L_n]≤B (3)

其中A、B为显示最低功率效率的边界互感值，

根据前述操作步骤，在喇叭口型引导机构和液压机械臂及绝缘橡胶夹具的固定作用下，固定θ处于90°不变，y、z值几乎处于固定，因此有效充电区域近似地认为仅取决于AUV的轴向偏移距离，即x值，此时有：

A≤f(x)≤B (4)。