一種利用AUV對水下作業單元進行非接觸式充電的方法技術

本發明專利技術提出一種利用AUV對水下作業單元進行非接觸式充電的方法，該方法通過AUV搭載電磁耦合器原邊線圈，AUV運行至水下作業單元處，調整姿態使電磁耦合器原邊線圈與水下作業單元側的副邊線圈耦合，實現非接觸式充電。在AUV運行至水下作業單元的過程中，本發明專利技術通過在海面上設置人工信號標，建立以人工信號標為原點的三維坐標系，通過三維坐標系標定懸停點的坐標，實現相對導航，進而實現AUV精準導航及懸停，降低了水下導航的難度。

A Non-contact Charging Method for Underwater Operating Unit Using AUV

The invention provides a non-contact charging method for the underwater operation unit by using AUV. The method realizes non-contact charging by carrying the original side coil of the electromagnetic coupler on the AUV and running the AUV to the underwater operation unit, adjusting the attitude to couple the original side coil of the electromagnetic coupler with the secondary side coil of the underwater operation unit. In the process of AUV running to the underwater operation unit, the invention establishes a three-dimensional coordinate system with the artificial signal mark as the origin by setting the artificial signal mark on the sea surface, calibrates the coordinates of hovering points by the three-dimensional coordinate system, realizes relative navigation, realizes the precise navigation and hovering of AUV, and reduces the difficulty of underwater navigation.

【技術實現步驟摘要】
一種利用AUV對水下作業單元進行非接觸式充電的方法
本專利技術涉及水下機器人
，尤其是一種利用AUV對水下作業單元進行非接觸式充電的方法。
技術介紹
目前市場上的水下作業單元(如水下傳感器等)都是采用消耗式自動報廢或者通過蛙人進行充電或者電源更換，來維持水下作業單元的能量。采用消耗式自動報廢的水下單元，會造成資源浪費和水下環境污染；而通過人工作業進行電源更換或者充電，又具有較高的危險性，對人員技能要求較高，且人工在水下工作效率較低。無纜水下機器人，又稱為自主式水下潛器(AutonomousUnderwaterVehicle，簡稱AUV)。自主式水下機器人是新一代水下機器人，具有活動范圍大、機動性好、安全、智能化等優點，成為完成各種水下任務的重要工具。例如，在民用領域，可用于鋪設管線、海底考察、數據收集、鉆井支援、海底施工，水下設備維護與維修等。采用水下機器人去維護水下作業單元，已成為技術趨勢，但是，水下機器人要完成對水下作業單元的充電，需要與水下作業單元順利對接，這就需要精確的導航。由于電磁波在海水中衰減劇烈，而海底光線強度較低，所以在水下很難采用視覺導航和GPS導航?，F有技術中，主要依靠聲學系統進行導航，如聲吶、USBL(超短基線)、SBL(短基線)、LBL(長基線)等，但是聲吶導航精確度較低，無法實現精準對接，在海底鋪設基線難度較大，且基線定位系統價格昂貴，成本很高。
技術實現思路
專利技術目的：為解決上述技術問題，本專利技術提出一種利用AUV對水下作業單元進行非接觸式充電的方法。技術方案：本專利技術解決技術問題的方案為：一種利用AUV對水下作業單元進行非接觸式充電的方法，所述水下作業單元包括：供電電源、電磁耦合器副邊線圈、電源電壓檢測模塊；AUV內置無線通信模塊、GPS和相對導航模塊，AUV通過無線通信模塊與海上基站交互數據；AUV上搭載能量補償單元和電磁耦合器原邊線圈，能量補償單元與電磁耦合器原邊線圈相連，為電磁耦合器原邊線圈供電；該方法包括步驟：(1)為每個水下作業單元在海面上設置具有無線通信功能的人工信號標，人工信號標的位置固定；人工信號標通過通信線纜與水下作業單元連接；人工信號標內存儲其在地面坐標系下的坐標；在水下作業單元的電磁耦合器副邊線圈上方設置一個懸停點，以人工信號標為原點建立三維坐標系，計算出懸停點相對于人工信號標的三維位置坐標，將三維坐標系參數以及懸停點的位置坐標存儲在人工信號標內；(2)電源電壓檢測模塊按照設定的頻率檢測水下作業單元供電電源的輸出電壓，并通過通信線纜傳遞給人工信號標，人工信號標通過海上基站與遠程監控系統交互數據，將電源電壓檢測模塊的檢測數據和自身在地面坐標系下的坐標上傳至遠程監控系統；(3)遠程監控系統根據接收到的檢測數據判斷是否需要對相應的水下作業單元進行充電；當遠程監控系統判定水下作業單元需要充電時，通過海面基站向AUV下發任務，任務中包括懸停時長和人工信號標的坐標；(4)AUV根據接收到的任務中的人工信號標的坐標，采用GPS導航方法從海面上行駛至人工信號標處，并讀取人工信號標中的三維坐標系參數和懸停點的位置坐標；AUV中的相對導航模塊以三維坐標系的原點為起始位置、以懸停點的位置坐標為目標位置，采用相對導航法行駛至懸停點；(5)到達懸停點時，AUV調整姿態為預設的懸停姿態，預設的懸停姿態為能夠使AUV搭載的電磁耦合器原邊線圈與水下作業單元的電磁耦合器耦合成功的姿態；AUV在懸停姿態下通過電磁耦合為水下作業單元的蓄電池充電；(6)當AUV的懸停時長到達任務所規定的懸停時長時，AUV結束懸停姿態，并以懸停點的位置坐標為起始坐標，以三維坐標系的原點坐標為目的地坐標，采用相對導航模塊導航，返回人工信號標處，并通過海上基站向遠程監控系統反饋任務完成信號。進一步的，所述人工信號標內置射頻標簽，射頻標簽內存儲三維坐標系參數以及懸停點的位置坐標。進一步的，所述電磁耦合器采用罐型磁芯。進一步的，所述懸停點設置在電磁耦合器副邊線圈上方，并位于電磁耦合器副邊線圈中心軸線上。有益效果：與現有技術相比，本專利技術具有以下優勢：1、本專利技術采用水下機器人對水下作業單元進行非接觸式充電，替代人工作業，提高了工作效率，降低維護人員的工作難度和危險性。2、本專利技術在海面上設置人工信號標，建立以人工信號標為原點的三維坐標系，通過三維坐標系標定懸停點的坐標，實現相對導航，進而實現AUV精準導航及懸停，降低了水下導航的難度。3、本專利技術采用非接觸式充電技術，降低了AUV與水下作業單元的對接要求，更易于實現。附圖說明圖1為非接觸式充電時AUV與水下單元的對接示意圖。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術作更進一步的說明。通過電磁耦合器進行非接觸式充電是通過原邊線圈和副邊線圈之間傳輸電力，當送電線圈中有交變電流通過時，原邊線圈和副邊線圈之間產生交替變化的磁束，由此在副邊線圈產生隨磁束變化的感應電動勢，副邊線圈端子對外輸出交變電流。而要實現水下非接觸式充電，需要搭載能量補償單元和電磁耦合器原邊線圈的AUV與水下作業單元的副邊線圈進行位置對接，以實現電磁耦合，本專利技術所述的方案中，采用AUV搭載能量補償單元和電磁耦合器原邊線圈，能量補償單元與電磁耦合器原邊線圈相連，為電磁耦合器原邊線圈供電；AUV內置無線通信模塊、GPS和相對導航模塊，AUV通過無線通信模塊與海上基站交互數據。水下作業單元包括：供電電源、電磁耦合器副邊線圈、電源電壓檢測模塊；AUV對水下作業單元進行非接觸式充電時，二者架構如圖1所示。為實現AUV與水下作業單元順利對接，本專利技術提出以下步驟：(1)為每個水下作業單元在海面上設置具有無線通信功能的人工信號標，人工信號標的位置固定；人工信號標通過通信線纜與水下作業單元連接；人工信號標內存儲其在地面坐標系下的坐標；在水下作業單元的電磁耦合器副邊線圈上方設置一個懸停點，以人工信號標為原點建立三維坐標系，計算出懸停點相對于人工信號標的三維位置坐標，將三維坐標系參數以及懸停點的位置坐標存儲在人工信號標內；(2)電源電壓檢測模塊按照設定的頻率檢測水下作業單元供電電源的輸出電壓，并通過通信線纜傳遞給人工信號標，人工信號標通過海上基站與遠程監控系統交互數據，將電源電壓檢測模塊的檢測數據和自身在地面坐標系下的坐標上傳至遠程監控系統；(3)遠程監控系統根據接收到的檢測數據判斷是否需要對相應的水下作業單元進行充電；當遠程監控系統判定水下作業單元需要充電時，通過海面基站向AUV下發任務，任務中包括懸停時長和人工信號標的坐標；(4)AUV根據接收到的任務中的人工信號標的坐標，采用GPS導航方法從海面上行駛至人工信號標處，并讀取人工信號標中的三維坐標系參數和懸停點的位置坐標；AUV中的相對導航模塊以三維坐標系的原點為起始位置、以懸停點的位置坐標為目標位置，采用相對導航法行駛至懸停點；(5)到達懸停點時，AUV調整姿態使自身中心點與懸停點重合，然后調整姿態為預設的懸停姿態，預設的懸停姿態為能夠使AUV搭載的電磁耦合器原邊線圈與水下作業單元的電磁耦合器耦合成功的姿態；AUV在懸停姿態下通過電磁耦合為水下作業單元的蓄電池充電；(6)當AUV的懸停時長到達任務所規定的懸停時長時，AUV結束懸停姿態，并以懸停點的位置坐標為起始坐標，以三維坐標系的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種利用AUV對水下作業單元進行非接觸式充電的方法，其特征在于，所述水下作業單元包括：供電電源、電磁耦合器副邊線圈、電源電壓檢測模塊；AUV內置無線通信模塊、GPS和相對導航模塊，AUV通過無線通信模塊與海上基站交互數據；AUV上搭載能量補償單元和電磁耦合器原邊線圈，能量補償單元與電磁耦合器原邊線圈相連，為電磁耦合器原邊線圈供電；該方法包括步驟：(1)為每個水下作業單元在海面上設置具有無線通信功能的人工信號標，人工信號標的位置固定；人工信號標通過通信線纜與水下作業單元連接；人工信號標內存儲其在地面坐標系下的坐標；在水下作業單元的電磁耦合器副邊線圈上方設置一個懸停點，以人工信號標為原點建立三維坐標系，計算出懸停點相對于人工信號標的三維位置坐標，將三維坐標系參數以及懸停點的位置坐標存儲在人工信號標內；(2)電源電壓檢測模塊按照設定的頻率檢測水下作業單元供電電源的輸出電壓，并通過通信線纜傳遞給人工信號標，人工信號標通過海上基站與遠程監控系統交互數據，將電源電壓檢測模塊的檢測數據和自身在地面坐標系下的坐標上傳至遠程監控系統；(3)遠程監控系統根據接收到的檢測數據判斷是否需要對相應的水下作業單元進行充電；當遠程監控系統判定水下作業單元需要充電時，通過海面基站向AUV下發任務，任務中包括懸停時長和人工信號標的坐標；(4)AUV根據接收到的任務中的人工信號標的坐標，采用GPS導航方法從海面上行駛至人工信號標處，并讀取人工信號標中的三維坐標系參數和懸停點的位置坐標；AUV中的相對導航模塊以三維坐標系的原點為起始位置、以懸停點的位置坐標為目標位置，采用相對導航法行駛至懸停點；(5)到達懸停點時，AUV調整姿態為預設的懸停姿態，預設的懸停姿態為能夠使AUV搭載的電磁耦合器原邊線圈與水下作業單元的電磁耦合器耦合成功的姿態；AUV在懸停姿態下通過電磁耦合為水下作業單元的蓄電池充電；(6)當AUV的懸停時長到達任務所規定的懸停時長時，AUV結束懸停姿態，并以懸停點的位置坐標為起始坐標，以三維坐標系的原點坐標為目的地坐標，采用相對導航模塊導航，返回人工信號標處，并通過海上基站向遠程監控系統反饋任務完成信號。...

【技術特征摘要】
1.一種利用AUV對水下作業單元進行非接觸式充電的方法，其特征在于，所述水下作業單元包括：供電電源、電磁耦合器副邊線圈、電源電壓檢測模塊；AUV內置無線通信模塊、GPS和相對導航模塊，AUV通過無線通信模塊與海上基站交互數據；AUV上搭載能量補償單元和電磁耦合器原邊線圈，能量補償單元與電磁耦合器原邊線圈相連，為電磁耦合器原邊線圈供電；該方法包括步驟：(1)為每個水下作業單元在海面上設置具有無線通信功能的人工信號標，人工信號標的位置固定；人工信號標通過通信線纜與水下作業單元連接；人工信號標內存儲其在地面坐標系下的坐標；在水下作業單元的電磁耦合器副邊線圈上方設置一個懸停點，以人工信號標為原點建立三維坐標系，計算出懸停點相對于人工信號標的三維位置坐標，將三維坐標系參數以及懸停點的位置坐標存儲在人工信號標內；(2)電源電壓檢測模塊按照設定的頻率檢測水下作業單元供電電源的輸出電壓，并通過通信線纜傳遞給人工信號標，人工信號標通過海上基站與遠程監控系統交互數據，將電源電壓檢測模塊的檢測數據和自身在地面坐標系下的坐標上傳至遠程監控系統；(3)遠程監控系統根據接收到的檢測數據判斷是否需要對相應的水下作業單元進行充電；當遠程監控系統判定水下作業單元需要充電時，通過海面基站向AUV下發任務，任務中包括懸停時長和人工信號標的坐標；(4)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：董洪理，
申請(專利權)人：上海孚實船舶科技有限公司，
類型：發明
國別省市：上海,31