一种无人水下航行器远程无线充电系统

技术领域

本发明属于水下无线充电技术领域，具体涉及一种无人水下航行器(UUV)远程无线充电系统。

背景技术

无人水下航行器(UUV)是指通过潜航器无人水下航行器技术，搭载不同的传感器和任务模块，可用于水下警戒、侦察、监视、跟踪、探雷、布雷、中继通信和隐蔽攻击以及水文测量、海洋学研究等；

无人水下航行器(UUV)上所有功能模块的正常运行需要搭载电源作为能量供应，电源一般为充电式蓄电池；由此，目前UUV在使用过程中存在以下问题：1)UUV内置的移动蓄电池电量接近低电量阈值后，需要人工将其打捞回岸进行充电；2)UUV在航行过程中可能会在任意位置出现低电量预警，那么打捞位置也就不固定，提高了打捞人员的工作难度；3)UUV大多体积较大，重量较重，打捞上岸需要在海上不同位置临时架设打捞装置，打捞上岸后需要提供专门的放置场地和充电设备，无疑会增加操作成本。4)母体UUV充电线圈与子UUV的受电线圈之间以是SISO的方式充电，充电效率低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无人水下航行器(UUV)远程无线充电系统，设计为固定的UUV母体和依附于母体的若干子UUV，子UUV可脱离母体进行航巡工作，子UUV自身通过与UUV母体间的信息交互，实现自身低电量预警和与母体间的自动导航，回到母体<100mm以内范围，由母体对UUV进行无线充电；母体UUV含有五个无线充模块且包含五个绝缘处理的充电线圈排列成半球型线圈阵列形状形成磁聚焦并以MISO形式完成对子UUV的充电；

为了达到上述技术目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种无人水下航行器(UUV)远程无线充电系统，其特征在于，包括：子UUV和UUV母体，UUV母体定点放置，若干子UUV依附于UUV母体上；

所述UUV母体内设置有母体无线充模块、ARM CPU、声呐信号发生器、收发合置水声换能器、无线传输交互模块；子UUV内设置有UUV无线充模块、ARM CPU、电力监测模块、声呐信号接收器、脉冲激光测距模块、无线传输交互模块；

所述母体UUV无线充模块将电流处理以无线电磁波的形式发射出去，由子UUV无线充模块接收后进行整流存储，供自身使用；

所述电量监测模块用于对子UUV蓄电池电量进行实时监测，且与ARM CPU连接，当电量低于阈值后，ARM CPU发出指令给子UUV，使其寻找UUV母体进行充电；

子UUV内无线传输交互模块同时将子UUV低电量信号通过其上的收发合置的水声换能器转换成声信号，经发射换能器被UUV母体内的收发合置的水声换能器接收并转换为电信号，由UUV母体确认子UUV处于低电量，ARM CPU对声呐信号发生器发出召回充电指令，与声呐信号发生器连接的收发合置的水声换能器发射对应的声波信号，对子UUV进行巡航引导至UUV母体区域；

所述子UUV水声换能器接收来自UUV母体的声呐发射信号，经其巡航引导至UUV母体区域；

所述脉冲激光测距模块负责子UUV与UUV母体间的距离判定，当子UUV到达与UUV母体设定的有效充电距离之后，ARM CPU对子UUV发出停止前进的指令；同时UUV母体的母体无线充模块开启无线充电模式；

优选的，所述母体UUV无线充模块具体包括：AC/DC转换器、变频器、电力输出线圈；UUV母体直接直流电源，经过AC/DC转换器将直流电变为交流电，经过变频器变频后经过电力输出线圈以特定频率的电磁波形式进行传输；所述母体UUV含有五个无线充模块且包含五个绝缘处理的充电线圈排列成说明书附图图2的半球型线圈阵列形状形成磁聚焦并以MISO形式完成对子UUV的充电；

优选的，所述UUV无线充模块具体包括：电力接收线圈、整流电力模块、电池；所述电力接收线圈接收到来自UUV母体相同特定频率的电磁波，通过磁共振形式接收来自UUV母体的电能，经过整流电力模块对接收的电能进行频率、直交流模式调整后，由电池进行存储；

优选的，所述脉冲激光测距模块具体包括：激光发射器、激光接收器、计时电路、信号处理器；所述UUV上的激光发射器发出一个持续时间极短的脉冲激光，经过待测距离L后，被UUV母体反射，反射的脉冲激光回到UUV被激光接收器接收，计时电路通过计算得出激光从发射到返回接收的时间t，再由信号处理器结合t计算得出距离L；

优选的，所述收发合置水声换能器共有两个，一个放置在UUV母体，另一个放置在子UUV，子UUV发射出的欠电信号通过发射换能器变为声信号后通过海洋传输被UUV母体的接收换能器接收后，经由ARM CPU内程序算法分析处理，实现UUV母体对子UUV的导航；

优选的，所述电量监测模块具体包括：单片机、电流检测传感器、存储器；存储器中存储特定电池的放电特性数据和校正参数，并采集电池组的开路电压、充放电电流运用剩余电量计算算法计算电池组的剩余电量。

本发明的有益效果是：

通过本发明设计的一种无人水下航行器(UUV)远程无线充电系统，可以通过UUV母体为定点对欠电子UUV实现召回并进行无线充电，无需人为对子UUV进行打捞，节省了因为人工打捞子UUV充电的成本和工作程序，提高UUV的工作效率；母体UUV的半球型线圈阵列形状形成磁聚焦并以MISO形式完成对子UUV的高效充电，提高母体UUV的充电效率；具有较高的推广应用价值。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是半球型线圈阵列侧视(左)与俯视(右)图。

具体实施方式

为了对本发明的方案及效果做出清楚完整的描述，通过以下实施例进行详细说明；

实施例1

一种无人水下航行器(UUV)远程无线充电系统，其特征在于，包括：子UUV和UUV母体，UUV母体定点放置，若干子UUV依附于UUV母体上；

所述UUV母体内设置有母体无线充模块、ARM CPU、声呐信号发生器、收发合置的水声换能器、无线传输交互模块；子UUV内设置有UUV无线充模块、ARM CPU、电力监测模块、收发合置的水声换能器、声呐信号接收器、脉冲激光测距模块、无线传输交互模块；

所述母体UUV无线充模块将电流处理以无线电磁波的形式发射出去，由子UUV无线充模块接收后进行整流存储，供自身使用；

所述电量监测模块用于对子UUV蓄电池电量进行实时监测，且与ARM CPU连接，当电量低于阈值后，ARM CPU发出指令给子UUV，使其寻找UUV母体进行充电；

子UUV内无线传输交互模块同时将子UUV低电量信号通过其上的收发合置的水声换能器转换成声信号，经发射换能器被UUV母体内的收发合置的水声换能器接收并转换为电信号，由UUV母体确认子UUV处于低电量，ARM CPU对声呐信号发生器发出召回充电指令，与声呐信号发生器连接的收发合置的水声换能器发射对应的声波信号，对子UUV进行巡航引导至UUV母体区域；

所述收发合置的声呐水声换能器接收来自UUV母体的召回声信号，经其巡航引导至UUV母体区域；

所述脉冲激光测距模块负责子UUV与UUV母体间的距离判定，当子UUV到达与UUV母体设定的有效充电距离之后，ARM CPU对子UUV发出停止前进的指令；同时UUV母体的母体无线充模块开启无线充电模式；

优选的，所述母体无线充模块具体包括：AC/DC转换器、变频器、电力输出线圈；UUV母体直接直流电源，经过AC/DC转换器将直流电变为交流电，经过变频器变频后经过电力输出线圈以特定频率的电磁波形式进行传输；当子UUV到达UUV母体区域，并且距离UUV母体为设定距离后，UUV母体开始为子UUV供电；

优选的，所述子UUV无线充模块具体包括：电力接收线圈、整流电力模块、电池；所述电力接收线圈接收到来自UUV母体相同特定频率的电磁波，通过磁共振形式接收来自UUV母体的电能，经过整流电力模块对接收的电能进行频率、直交流模式调整后，由电池进行存储；

优选的，所述脉冲激光测距模块具体包括：激光发射器、激光接收器、计时电路、信号处理器；所述子UUV上的激光发射器发出一个持续时间极短的脉冲激光，经过待测距离L后，被UUV母体反射，反射的脉冲激光回到子UUV被激光接收器接收，计时电路通过计算得出激光从发射到返回接收的时间t，再由信号处理器结合t计算得出距离L；当子UUV与UUV母体间距小于100mm时，UUV停止向UUV母体靠近；

优选的，所述收发合置水声换能器共有两个，一个放置在UUV母体，另一个放置在子UUV，子UUV发射出的欠电信号通过发射换能器变为声信号后通过海洋传输被UUV母体的接收换能器接收后，经由ARM CPU内程序算法分析处理，实现UUV母体对子UUV的导航；

优选的，所述电量监测模块具体包括：单片机、电流检测传感器、存储器；存储器中存储特定电池的放电特性数据和校正参数，并采集电池组的开路电压、充放电电流运用剩余电量计算算法计算电池组的剩余电量。

实施例2

基于实施例1一种无人水下航行器(UUV)远程无线充电系统，本发明另一目的在于提供通过上述系统实现控制以及无线充电的方法，包括以下步骤：

S1：子UUV在巡航过程中，其内的电量监测模块实时对蓄电池的电量进行监测，电量信息通过无线传输交互模块以脉冲电磁波形式并经过发射换能器由UUV母体接收换能器交互至UUV母体的无线传输交互模块；

S2：当UUV母体接收到的剩余电量信息低于设定的阈值时，UUV母体通过ARM CPU发出子UUV召回指令，同时控制声呐信号发生器产生召回声呐信号经由发射换能器发射；

S3：子UUV上的接收换能器收到UUV母体UUV召回指令信息后，经由ARM CPU算法分析处理，开始在UUV母体的导航下靠近UUV母体；

S4：在子UUV靠近UUV母体的过程中，UUV上的脉冲激光测距模块通过对发出和接收的激光计时，并通过计时时间计算出与UUV母体的间距；

S5：当子UUV与UUV母体间的距离达到设定距离100mm时，子UUV停止移动，同时UUV母体的母体无线充电模块将电流以特定频率的无线电磁波形式发送至UUV无线充模块，形成磁共振效应，开始为UUV实现无线充电。

综上所述，本发明提供的系统以UUV母体为中心，若干UUV为子体，UUV子体实现自身电量监测并与UUV母体进行信息交互；UUV母体可对UUV进行召回，并以磁共振形式为UUV实现无线充电。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。