水下航行器的无线充电系统、装置及充电方法

技术领域

本发明属于水下无线充电技术领域，尤其涉及一种水下航行器的无线充电系统、装置及充电方法。

背景技术

无线充电系统是一种通过空间电磁场耦合来进行电能传输的技术，其主要优点是不需要插拔，使用简单方便，充电设备可以做到防水，在水中进行能量传输，可以应用到海洋装备中。

其中水下航行器行业，迄今为止面临最大的问题之一就是续航和更换电池，需要人工定时打捞更换电池，这样成本会非常昂贵，所以水下航行器采用水下无线充电是一种趋势，但是目前水下无线充电的模式是水下航行器自主导航定位，利用水下声呐定位到一个很精确的位置进行充电，例如，有的制作一个喇叭口状的充电位置，让水下航行器钻入并卡住，然后进行无线充电，但是本身普通声呐定位精度不精确，所以水下航行器有很大几率连喇叭口都找不到，这就有可能导致充电过程的失败。

发明内容

本发明针对上述的技术问题，提出一种水下航行器的无线充电系统、装置及充电方法，通过无线充电技术可以增加水下航行器续航能力，减少打捞成本；不需要水下航行器具有精准定位功能，就可以实现无线充电，具有成本低的优点。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

作为本发明的一个方面，一种水下航行器的无线充电系统，包括水下航行器和无线充电装置，所述水下航行器包括具有接收线圈的无线接收端；所述无线充电装置包括充电平台，所述充电平台内设置有无线发射端，以及可在所述无线发射端控制下移动的移动装置，所述无线发射端包括发射线圈，所述发射线圈设置于所述移动装置上。

作为优选，以相互垂直的X轴、Y轴为参考，所述移动装置包括沿所述充电平台周边设置的第一框架，可沿Y轴方向滑动连接于所述第一框架的第二框架，以及可沿X轴方向滑动连接于所述第二框架的线圈固定座，所述发射线圈固定连接于所述线圈固定座上。

作为优选，所述移动装置还包括驱动所述第二框架滑动的第一电机丝杠组件，以及驱动所述线圈固定座滑动的第二电机丝杠组件，所述第一电机丝杠组件连接于所述第一框架上，所述第二电机丝杠组件连接于所述第二框架上。

作为优选，所述无线充电装置还包括与无线发射端连接的电源，所述电源通过线缆连接至所述充电平台的外部。

作为优选，所述无线发射端包括可接收所述无线接收端信号的第一通信模块，以及可对所述第一通信模块的信号处理并控制所述移动装置移动方向的发射端电路，所述发射端电路与所述第一通信模块连接；所述无线接收端包括可与所述第一通信模块建立通讯的第二通信模块，以及用于向所述水下航行器的电池充电的接收端电路，所述接收端电路与所述第二通信模块连接。

作为优选，所述水下航行器还包括可接收处理所述第二通信模块信号并控制所述航行器动作的控制器，所述控制器与所述无线接收端连接。

作为优选，所述水下航行器包括机体，以及设置于所述机体上的脚架，所述接收线圈连接于所述脚架上。

作为本发明的另一发面，提供一种无线充电装置，用于为水下航行器充电，包括充电平台，所述充电平台内设置有无线发射端，以及可在所述无线发射端控制下移动的移动装置，所述无线发射端包括发射线圈，所述发射线圈设置于所述移动装置上。

作为本发明的又一方面，提供一种无线充电方法，基于上述的无线充电系统，包括以下步骤：当无线发射端接收到水下航行器落入充电平台区域内的信号后，控制移动装置带动发射线圈按照预定路线移动，当检测到水下航行器中接收线圈的磁场反馈之后，无线发射端根据无线接收端的磁场反馈信号控制移动装置的移动方向，直至发射线圈与接收线圈位置精确对准，以进行充电。

作为优选，还包括以下步骤：当检测到接收线圈与发射线圈之间的工作距离不在规定范围时，无线接收端发送信号给水下航行器中的控制器，控制器控制水下航行器向无线充电平台方向移动直至落到预设的工作距离范围内。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、本发明通过在无线充电平台内设置移动装置，将发射线圈固定到移动装置上，在无线发射端控制下移动装置带动发射线圈移动，当水下航行器落到无线充电平台上时，通过移动装置带动发射线圈移动，实现发射线圈与水下航行器上的接收线圈对准，可以避免现有技术中，水下航行器需要精准定位的问题，本发明的无线充电装置使得水下航行器只要落到无线充电装置上即可，不需要精确定位。

2、本发明的移动装置通过在平台内部沿其周边设置第一框架，通过第二框架在Y轴方向沿第一框架滑动，以及发射线圈在X轴沿第二框架移动，可以实现发射线圈在X轴、Y轴方向的移动，通过无线发射端控制移动装置在X轴、Y轴方向的移动可以找准水下航行器上的接收线圈，具有结构简单的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供无线充电系统的功能框图；

图2为本发明所提供无线充电系统中移动装置的结构示意图；

图3为本发明所提供无线充电系统的结构示意图；

图4为本发明所提供无线充电系统中线圈垂直工作距离与系统增益的曲线图；

图5为本发明所提供水下航行器的无线充电方法的流程图；

以上各图中：1、水下航行器；10、控制器；11、第二通信模块；12、接收端电路；13、接收线圈；14、电池；15、脚架；16、动力排水口；2、无线充电装置；20、移动装置；201、第一框架；202、第二框架；203、线圈固定座；204、第一丝杠；205、第一电机；206、第二丝杠；207、第二电机；21、第一通信模块；22、发射端电路；23、发射线圈；24、电源；25、线缆。

具体实施方式

下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现有技术中为了保证水下航行器的续航能力，以及避免人工打捞更换电池的麻烦，用于为水下航行器无线自动充电的技术应运而生，在水下放置无线充电装置，当水下航行器电量不足时，可移动至充电装置进行无线充电，水下航行器在进行水下无线充电时，需要发射线圈与接收线圈精确对准才能实现最大地充电效率，为达到精确对准，可以采取提高水下航行器定位精度的手段，但会带来较高的成本问题，或者采取在充电装置上设置机械手，通过机械手将水下航行器定位到充电平台上，会带来结构复杂的问题；本发明基于上述技术问题，提供了以下发明构思：通过将无线充电装置的发射线圈设置成可移动的形式，当水下航行器落至无线充电装置上时，发射线圈可以追踪水下航行器中接收线圈位置并移动到水下航行器处为其充电，这样既可以避免提高水下航行器的定位精度所带来的成本高问题，又可以简化无线充电装置的结构，具有结构简单、成本低的优点。

为了更好地理解上述技术方案，下面结合附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

作为本发明的一个方面，参见图1-3所示，提供一种无线充电系统，包括水下航行器1和无线充电装置2，其中，水下航行器1包括机体，以及设置于机体上的脚架15，机体内设置有无线接收端，无线接收端的接收线圈13连接在脚架15上；无线充电装置2包括无线发射端和移动装置20，无线发射端的发射线圈23固定连接在移动装置20上，移动装置20在无线发射端的控制下可以移动。通过在无线充电装置2上设置移动装置20，将发射线圈23固定到移动装置20上，在无线发射端控制下移动装置20带动发射线圈23移动，当水下航行器1落到无线充电装置2上时，通过移动装置20带动发射线圈23移动，实现发射线圈23与水下航行器1上的接收线圈13对准，本发明的无线充电装置2使得水下航行器1只要落到无线充电装置2上即可，不需要精确定位。

具体地，无线充电装置包括充电平台，无线发射端和移动装置20设置于充电平台的内部，水下航行器1落至充电平台上进行充电；移动装置20的作用主要是带动发射线圈23在充电平台内部移动，当水下航行器1落到充电平台的位置与发射线圈23偏离时，移动装置20可以带动发射线圈23移动至水下航行器1处，使得发射线圈23与水下航行器1的接收线圈13对准。

关于移动装置20的具体结构，本发明提供一种具体实施例，参见图2所示，以相互垂直的X轴、Y轴为参考，移动装置20包括第一框架201、第二框架202和线圈固定座203，第一框架201沿充电平台周边设置，第二框架202沿Y轴方向滑动连接于第一框架201，线圈固定座203沿X轴方向滑动连接于第二框架202，发射线圈23固定连接在线圈固定座203上。本发明的移动装置通过在充电平台内部沿其周边设置第一框架201，通过第二框架202在Y轴方向沿第一框架201滑动，以及发射线圈23在X轴方向沿第二框架202移动，可以实现发射线圈23在X轴、Y轴方向的移动，通过无线发射端控制移动装置20在X轴、Y轴方向的移动可以找准水下航行器上的接收线圈13。

线圈固定座203和第二框架202的滑动依靠电机丝杠进行驱动，即第一电机丝杠组件驱动第二框架202滑动，第二电机丝杠组件驱动线圈固定座203滑动。

具体地，第一电机丝杠组件连接于第一框架201上，第二电机丝杠组件连接于第二框架202上，即第一电机205驱动第一丝杠204旋转，带动第二框架202沿Y轴移动，第二电机207驱动第二丝杠206旋转，带动线圈固定座203沿X轴移动。

具体地，无线充电装置2还包括电源24，电源24为无线充电装置2提供电能，电源24通过线缆25与充电平台连接，电源24可以通过海底电缆或者风能获得。

具体地，为了实现无线充电以及控制移动装置的移动，无线发射端包括第一通信模块21和发射端电路22，第一通信模块21可接收无线接收端的信号，发射端电路22可对第一通信模块21的信号处理并控制移动装置20的移动方向，发射端电路22与第一通信模块21连接；无线接收端包括第二通信模块11和接收端电路12，第二通信模块11可与第一通信模块21建立通信，接收端电路12用于向水下航行器的电池14充电，接收端电路12与第二通信模块11连接。

当水下航行器落下后，接收线圈13没有处在磁场有效范围内时，移动装置20会先按照一个固定的路径运动，随着发射线圈23运动，当接收线圈13进入到磁场范围内之后，无线发射端会根据第一通信模块21传回来的整流电压信号输出电机驱动信号来驱动第一电机205和第二电机207带动着发射线圈23进行位置校准，使得发射线圈23与接收线圈13对准，无线系统处于最高效率的状态进行工作，一般来说两线圈中心距离越近，系统增益越高，系统效率越高，整流电压信号越高；当线圈水平位置校准后，系统会进入垂直校准步骤，当垂直距离也校准了，无线发射端就会通过发射线圈23来进行能量传输给无线接收端。

水下航行器还包括可接收处理第二通信模块11信号并控制水下航行器1动作的控制器10，控制器10与无线接收端连接，当系统水平校准后，由于海水的波动水下航行器1有可能没有落到充电平面上，或者说有一定的间隙，也就是说无线充电距离没有在规定范围内。如图4所示，线圈之间的距离越近，增益越高，整流电压信号越大，当线圈之间的垂直距离偏远的时候，无线发射端判断整流电压信号比较小，没有在无线充电系统规定垂直距离之内的话，无线接收端就会给水下航行器1发送通信信号，让其继续降低高度，水下航行器1接收到信号后，就会控制动力排水系统，通过动力排水口16排水使其降落，如此，当完全着陆于充电平面后，此过程结束。

作为本发明的另一方面，提供一种无线充电方法，包括以下步骤：当无线发射端接收到水下航行器落入充电平台区域内的信号后，控制移动装置带动发射线圈按照预定路线移动，当检测到水下航行器中接收线圈的磁场反馈之后，无线发射端根据无线接收端的磁场反馈信号控制移动装置的移动方向，直至发射线圈与接收线圈位置精确对准，以进行充电。

进一步地，当下航行器没有落到充电平台上时，即无线充电距离没有在规定范围内，本发明通过以下步骤来解决这一问题：当检测到接收线圈与发射线圈之间的工作距离不在规定范围时，无线接收端发送信号给水下航行器中的控制器，控制器控制水下航行器向无线充电平台方向移动直至落到预设的工作距离范围内。

为了更清楚的说明本充电方法，参见图5所示，当水下航行器着陆到充电平台上后，水下航行器控制器会发送一个已经着陆的指令给到无线接收端，无线接收端收到指令后会通过通信模块告知无线发射端，无线发射端电路会输出电机控制信号驱动移动装置运动，使发射线圈追踪接收线圈的位置，在此过程中，一开始移动装置会先按照一个固定的路径运动，随着发射线圈运动，当接收线圈进入到磁场范围内之后，无线接收端采集整流电压信号并通过通信模块传送至无线发射端，无线发射端根据整流电压信号输出电机驱动信号来驱动电机带动着发射线圈进行水平位置校准，使得发射线圈与接收线圈对准，无线系统处于最高效率的状态进行工作，一般来说两线圈中心距离越近，系统增益越高，系统效率越高，整流电压信号越高；当水平位置校准后，系统会进入垂直校准步骤，如果没有在无线充电系统规定垂直距离之内的话，无线接收端就会给水下航行器发送通信信号，让其继续降低高度，水下航行器接收到信号后，就会控制动力排水系统使其降落，一直到水下航行器降落到充电平面上；到此，线圈就处于一个对准状态，无线发射端电路结合发射端线圈开始进行能量传输，无线接收端接收能量并给水下航行器电池进行充电；当充满电或者水下航行器要离开时，水下航行器向无线接收端发送离开指令，无线接收端收到指令后，通过通信模块向无线发射端发送停止能量传输指令，无线发射端停止能量传输；然后无线接收端通过通信模块告知水下航行器可以离开，最后水下航行器离开充电平台，整个过程结束。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。