【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于水下無線充電，具體涉及一種適用于水下無線充電的耦合器偏移監測及控制方法。
技術介紹
1、水下航行器是水下開發探測的重要工具，目前已應用于諸多行業。其有限空間限制了所能攜帶的電能，水下作業的連續性是水下航行器發展的瓶頸。水下無線充電技術通過耦合線圈之間的電磁場傳遞能量，僅需要較小的空間就可以快速地為航行器進行水下能源補給，可以顯著增強航行器連續作業能力。
2、然而，由于水下環境的復雜性，航行器在水下對接充電存在如下問題：一、與充電平臺水下對接精度低，由于海水波動和附加質量變化的影響，航行器會出現“對不準”、“停不穩”等問題；二、對接后耦合器會受海流沖擊發生偏移，偏移會直接影響耦合器的耦合系數，從而降低無線充電的效率和穩定性，甚至影響充電安全。
3、水下航行器無線充電耦合器偏移檢測與控制技術能夠實時監測充電耦合器之間的偏移程度，及時修正航行器與充電基站的相對運動，即使在復雜的水下環境中也能保持精確的耦合，從而避免因耦合器偏移導致的能量傳輸效率下降或充電中斷。
4、目前，水下無線充電耦合器常用的偏移控制方法是采用大發射端匹配小接收端的不對稱設計，但是該方法只具備被動的抗偏移特性，無法檢測偏移量進行主動控制。另外，電動汽車無線充電領域的偏移檢測方法諸多，其將耦合器偏移簡化為同一平面的平移(例如申請號為202180098719.1、專利技術名稱為“無線充電板、無線充電板的偏移檢測方法及無線充電系統”的中國專利通過采用金屬中繼線圈矩陣檢測車輛金屬底盤實現無線充電耦合器偏移檢測與控制)，或者簡
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于解決現有技術所存在的對水下無線充電耦合器的偏移控制無法實現主動抗偏移以及無法檢測耦合器偏轉的問題，而提供了一種適用于水下無線充電的耦合器偏移監測及控制方法，通過在無線充電耦合器中間添加中繼線圈陣列并對其進行采樣，既可以增強耦合系數，擴大電磁場傳輸距離實現被動抗偏移，又可以將陣列化中繼線圈中的電流參數作為監測對象，通過線圈陣列電流采樣實現偏移和偏轉檢測，進行主動抗偏移。
2、進一步地，申請人發現，與航行器靠攏對接時的偏移不同，航行器對接充電過程中發生的偏移具有偏移量較小、速度較慢和方向不定的特點，申請人在對此進行仿真設計和實驗過程中發現，充電過程中的偏移很難通過單次檢測來判斷，需要快速多次檢測以及快速識別才可以得到偏移情況。針對這一新的問題，申請人考慮通過卷積神經網絡來獲得偏移量與電流的解算矩陣，即可以在檢測到中繼線圈陣列電流參數后通過解算矩陣確定偏移情況。
3、為實現上述目的，本專利技術所提供的技術解決方案是：
4、一種適用于水下無線充電的耦合器偏移監測及控制方法，包括以下步驟：
5、步驟1，根據耦合器設計中繼線圈的結構，包括以下子步驟：
6、步驟1.1，根據耦合器初級側線圈的尺寸，確定中繼線圈的數量、尺寸及陣列布置結構，中繼線圈設置在與初級側線圈平行的平面中；
7、步驟1.2，測量中繼線圈的自感并根據諧振條件計算中繼線圈的補償電容值；
8、步驟1.3，推導中繼線圈電流的表達式，確定中繼線圈的電流能表征中繼線圈與耦合器次級側線圈的互感系數變化；
9、步驟2，利用bp神經網絡進行偏移解算，包括以下子步驟：
10、步驟2.1，構建bp神經網絡模型，模型輸入為各個中繼線圈的電流值，輸入層的節點數量與中繼線圈的數量相同，模型輸出為次級側線圈在x、y、z軸上的偏移量以及繞三個方向的偏轉量，輸出層的節點數量為6個；
11、步驟2.2，模擬各種充電工況下初級側線圈與次級側線圈的偏移情況，檢測各偏移情況下的偏移量以及每個中繼線圈的對應電流值，作為bp神經網絡的數據集；
12、步驟2.3，用所獲得的數據集對所構建的bp神經網絡模型進行訓練及驗證，獲得模型的輸出與輸入的解算矩陣；
13、步驟3，充電過程中，實時監測中繼線圈的電流值，根據所采集的電流值，通過所獲得的解算矩陣確定初級側線圈與次級側線圈的偏移方向和偏移量，控制初級側線圈的控制機構調整初級側線圈的位置，使其與次級側線圈對準。
14、進一步地，在步驟1.1中，將中繼線圈設計為由9個環形線圈構成的線圈陣列，環形線圈的直徑為初級側線圈直徑的1/6，且線圈陣列布置成米字型。
15、進一步地，在步驟2.3中，采用梯度下降法訓練bp神經網絡模型來獲得解算矩陣。
16、進一步地，耦合器偏移監測及控制方法還包括對初級側線圈的控制機構的設計，包括以下步驟：
17、根據模擬偏移情況確定耦合器的最大偏移量和精確度；
18、根據行程和進給量選取控制機構的電動推桿；
19、確定電動推桿的工作電流和電壓；
20、根據電動推桿的工作電流和電壓，設計或選型控制機構的電機控制器；
21、聯調控制機構的控制參數，優化主動控制的調整時間。
22、本專利技術的優點是：
23、1、本專利技術的適用于水下無線充電的耦合器偏移監測及控制方法，在無線充電耦合器中間添加了中繼線圈陣列，其電流可以表征中繼線圈與耦合器次級側線圈的互感系數變化，利用bp神經網絡進行偏移解算，模擬各種充電工況下耦合器在各方向上的偏移和偏轉，獲得耦合器偏移量與中繼線圈電流的解算矩陣，在充電過程中，根據實時檢測的中繼線圈電流值確定耦合器偏移量后，調整初級側線圈進行運動補償，使耦合器保持精確耦合。因此，本專利技術提供的中繼線圈既可以增強耦合系數，擴大電磁場傳輸距離，實現被動抗偏移，又可以將陣列化中繼線圈中的電流參數作為監測對象，通過線圈陣列電流采樣實現偏移和偏轉檢測，進行主動抗偏移，提高了水下無線充電效率和穩定性。
24、2、本專利技術無需改變現有無線充電耦合器本身，可直接將中繼線圈的采樣和控制系統獨立于功率傳輸系統外掛在無線充電耦合器上，能夠適用于各種耦合器，具有很強的適應性。
25、3、本專利技術中的中繼線圈布置為由9個線圈構成的米字型線圈陣列，保證了檢測線圈的尺度和密度，提高了偏移檢測精度。
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1.一種適用于水下無線充電的耦合器偏移監測及控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的適用于水下無線充電的耦合器偏移監測及控制方法，其特征在于：在所述步驟1.1中，將中繼線圈設計為由9個環形線圈構成的線圈陣列，環形線圈的直徑為初級側線圈直徑的1/6，且線圈陣列布置成米字型。
3.根據權利要求1或2所述的適用于水下無線充電的耦合器偏移監測及控制方法，其特征在于：在所述步驟2.3中，采用梯度下降法訓練BP神經網絡模型來獲得解算矩陣。
4.根據權利要求1或2所述的適用于水下無線充電的耦合器偏移監測及控制方法，其特征在于還包括對初級側線圈的控制機構的設計，包括以下步驟：
【技術特征摘要】
1.一種適用于水下無線充電的耦合器偏移監測及控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的適用于水下無線充電的耦合器偏移監測及控制方法，其特征在于：在所述步驟1.1中，將中繼線圈設計為由9個環形線圈構成的線圈陣列，環形線圈的直徑為初級側線圈直徑的1/6，且線圈陣列布置成米字型。
【專利技術屬性】
技術研發人員：程博，田文龍，龐圣釗，毛昭勇，董墨研，
申請(專利權)人：西北工業大學，
類型：發明
國別省市：
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