一种开架式机器人水下无线充电坐落装置

1.本发明涉及水下机器人技术领域，特别涉及一种开架式机器人水下无线充电坐落装置。


背景技术：

2.如今，水下自主航行器和水下机器人已成为人们主要的水下探索装备。其中水下自主航行器最常见的形式是鱼雷式水下自主航行器，因其外形酷似鱼雷而得；水下机器人最常见的是开架式水下机器人，即上部是机身下部是固定支架的水下机器人。传统水下探测设备主要有两种充电方式：第一个是采用电池交换，即设备上浮到工作船之后进行电池交换；第二个是利用湿式插拔接口进行水下有线充电。方式一过于耗费时间与人力，方式二容易在水中产生电弧等不安全因素，故两种方式都不是最好的充电方式。
3.开架式水下机器人拥有体积小、运动灵活等优点，在水下考古、救援、资源探索有着广泛的应用。现有针对开架式水下机器人的充电方式主要是前文中提到的传统的两种充电方式，并有少量无线充电方式。传统的充电方式存在着明显的缺点，即过于耗费时间与人力或是容易在水中产生电弧等不安全因素；而现有针对开架式水下机器人发展的无线充电尚不成熟，针对开架式水下机器人设计的充电平台数量少，且充电装置结构复杂，受水流、生物等影响而造成充电不稳定的问题没有得到解决。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供一种开架式机器人水下无线充电坐落装置，优化无线充电的接驳耦合结构，使得整个装置更加简单，同时缩短接驳耦合的距离，大幅提高充电效率。
5.根据本发明的开架式机器人水下无线充电坐落装置，包括固定于水底的充电装置，所述充电装置包括第一储能部、第一转换电路、第一补偿电路以及第一传输部，所述第一储能部电性连接所述转换电路的一端，所述转换电路的另一端电性连接所述补偿电路的另一端，所述补偿电路的另一端配置有所述第一传输部；以及能够在水中进行移动的执行装置，所述执行装置包括第二储能部、第二转换电路、第二补偿电路以及第二传输部，所述第二储能部电性连接所述第二转换电路的一端，所述第二转换电路的另一端电性连接所述第二补偿电路的一端，所述第二补偿电路的另一端配置有所述第二传输部，所述执行装置运动至与所述充电装置对接后，所述第一传输部与所述第二传输部结合以形成充电模块，以使所述第一储能部能够给所述第二储能部充电。
6.根据本发明的开架式机器人水下无线充电坐落装置，所述充电装置的顶部凹陷以形成对接槽，所述对接槽内布置有所述第一传输部。
7.根据本发明的开架式机器人水下无线充电坐落装置，所述执行装置的底部两侧分别设置有所述第二传输部，所述执行装置的底部另外两侧分别设置有支撑部，其中，所述对接槽的设置数量与所述第二传输部的设置数量相同，所述第二传输部进入所述对接槽时，
所述支撑部抵接所述充电装置的顶部，所述第一传输部与所述第二传输部形成第一电容。
8.根据本发明的开架式机器人水下无线充电坐落装置，所述对接槽的长度大于所述第二传输部的长度，所述第一传输部为由铝制成的弧板，所述第一传输部嵌设于所述对接槽以形成所述对接槽的壁面。
9.根据本发明的开架式机器人水下无线充电坐落装置，所述支撑部由工程塑料制成。
10.根据本发明的开架式机器人水下无线充电坐落装置，所述充电装置设置有限位组件，所述限位组件包括能够伸缩的限位杆，所述限位杆能够运动到所述对接槽上方，以限制位于所述第二传输部脱离所述对接槽。
11.根据本发明的开架式机器人水下无线充电坐落装置，所述第一补偿电路为由四个mosfet管组成的h桥逆变器，用于将所述第一储能部内部储存的直流电转换为高频交流电以供第一传输部与所述第二传输部耦合。
12.根据本发明的开架式机器人水下无线充电坐落装置，所述第二补偿电路包括四个二极管，用于将所述第二传输部接收到的高频电流转换为所述第二储能部能够接收的直流电流。
13.根据本发明的开架式机器人水下无线充电坐落装置，所述第一补偿电路包括第一电感和第二电容。
14.根据本发明的开架式机器人水下无线充电坐落装置，所述第二补偿电路包括第二电感和第三电容。
15.上述开架式机器人水下无线充电坐落装置，至少具有如下有益效果：其中，执行装置为开架式机器人水下无线充电坐落装置，执行装置在水下正常工作到电量不足时，利用剩余的电量运动至与充电装置对接，第一传输部和第二传输部对接后形成充电模块，通过第一转换电路将第一储能部的直流电转换为交流电，并通过第一补偿电路提高转换效率，然后通过对接所形成的充电模块传输到第二传输部，并经过第二补偿电路的放大以及第二转换电路的转换后形成供第二储能部能够接收的直流电，相较于现有的耦合结构，本技术所形成的无线充电模块对接更加方便，结构也更加简单，对接完成后无需进行繁杂的矫正，且耦合距离短，能够大幅提高充电效率。
附图说明
16.下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
17.图1是本发明实施例的执行装置的结构示意图；
18.图2是本发明实施例中，充电装置的结构示意图一；
19.图3是本发明实施例中，充电装置的结构示意图二；
20.图4是本发明实施例中，对接槽与第二传输部的对接示意图；
21.图5是本发明实施例中，充电装置与执行装置结合后的电路连接示意图。
具体实施方式
22.本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的
每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
23.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
24.在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
25.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
26.近来，人们对于海洋的探索的渴求越来越强烈，随之而来是海洋探索装备的快速发展。如今，水下自主航行器和水下机器人已成为人们主要的水下探索装备。其中水下自主航行器最常见的形式是鱼雷式水下自主航行器，因其外形酷似鱼雷而得；水下机器人最常见的是开架式水下机器人，即上部是机身下部是固定支架的水下机器人。水下探索设备上载有各种各样的传感器，能够采集到各种研究所需的数据，所以对于水下探索设备而言，供能系统特别重要，影响着探索设备的续航能力以及任务时间。化学燃料燃烧会产生so2、no2等易溶于水的污染物，会导致严重的水污染，因此水下探索设备主流采用电池供电。
27.电池供电的唯一缺点是容量有限，无法支持水下自主航行器和水下机器人长时间的巡航和作业。传统水下探测设备主要有两种充电方式：第一个是采用电池交换，即设备上浮到工作船之后进行电池交换；第二个是利用湿式插拔接口进行水下有线充电。方式一过于耗费时间与人力，方式二容易在水中产生电弧等不安全因素，故两种方式都不是最好的充电方式。
28.随着无线充电技术的研究深入与推广，研究人员开始注意到无线充电在水下探测设备上的应用。所谓无线充电，即不需要给电能提供线缆进行能量的传递，打破了传输空间的限制。目前主流的无线充电技术分别是利用磁耦合的无线充电和利用电耦合的无线充电。磁耦合无线电能传输即利用通电线圈产生的磁场进行能量传递。电耦合无线电能传输是利用通电极板产生的静电场进行电能传输：经典的形式是将两块金属板分别接入电源的正极与负极，当金属板间隔一定距离时打开电源，会发现虽然该电路没有形成物理上的有线回路，但通过金属板之间通电产生的静电场，电能仍然能在该电路上传输，即形成了没有接触的回路。
29.当下发展成熟的是利用磁耦合为鱼雷形水下自主航行器进行供电。将接收线圈集成到航行器内部，电能发射线圈集成到位于水下的基站内，当航行器停靠在基站附近时，通过线圈的耦合，电能便从发射线圈转移到了接收线圈中，用来给航行器供电。
30.开架式水下机器人拥有体积小、运动灵活等优点，在水下考古、救援、资源探索有着广泛的应用。现有针对开架式水下机器人的充电方式主要是前文中提到的传统的两种充电方式，并有少量无线充电方式。传统的充电方式存在着明显的缺点，即过于耗费时间与人力或是容易在水中产生电弧等不安全因素；而现有针对开架式水下机器人发展的无线充电
尚不成熟，针对开架式水下机器人设计的充电平台数量少，且充电装置结构复杂，受水流、生物等影响而造成充电不稳定的问题没有得到解决。
31.为此本技术提供一种新型的开架式机器人水下无线充电坐落装置，参照图1至图3，本技术提供的新型的开架式机器人水下无线充电坐落装置主要包括充电装置200和执行装置100。充电装置200固定于水下，用于给执行装置100进行电量的补充，其中，充电装置200包括第一储能部310、第一转换电路320、第一补偿电路330以及第一传输部，第一储能部310电性连接转换电路320的一端，转换电路320的另一端电性连接补偿电路330的另一端，补偿电路330的另一端配置有第一传输部；而执行装置100因配置有动力驱动结构(如螺旋桨)，因此，执行装置100能够在水中进行移动以便能够执行水下作业任务，进一步的，执行装置100包括第二储能部370、第二转换电路360、第二补偿电路350以及第二传输部120，第二储能部370电性连接第二转换电路360的一端，第二转换电路360的另一端电性连接第二补偿电路350的一端，第二补偿电路350的另一端配置有第二传输部120，执行装置100运动至与充电装置200对接后，第一传输部与第二传输部120结合以形成充电模块340，以使第一储能部310能够给第二储能部370充电。
32.具体的，执行装置100为本技术开架式机器人水下无线充电坐落装置，执行装置在水下正常工作到电量不足时，利用剩余的电量运动至与充电装置200对接，第一传输部和第二传输部120对接后形成充电模块340，通过第一转换电路320将第一储能部310的直流电转换为交流电，并通过第一补偿电路330提高转换效率，然后通过对接所形成的充电模块340传输到第二传输部120，并经过第二补偿电路350的放大以及第二转换电路360的转换后形成供第二储能部370能够接收的直流电，相较于现有的耦合结构，本技术所形成的无线充电模块340对接更加方便，结构也更加简单，对接完成后无需进行繁杂的矫正，且耦合距离短，能够大幅提高充电效率。
33.需说明的是，本技术中，执行装置100的壳体包括壳体，壳体中间部分为水下机器人的动力系统(图中并未展示出来)，壳体中设置了第一微处理器，第一微处理器包含定位、导航、通讯等功能，以便执行装置100能够自动寻找最近的充电装置200进行电量的补充。充电装置200内部设置了第二微处理器230，第二微处理器230拥有通信等功能，便于与第一微处理器通过无线电进行信息的传输。
34.其中，如图2至图4所示，充电装置200的顶部凹陷以形成对接槽210，对接槽210内布置有第一传输部。执行装置100的底部两侧分别设置有上述的第二传输部120，执行装置100的底部另外两侧分别设置有支撑部110，充电装置200与执行装置100对接时，支撑部110的设置起到避免第一传输部与第二传输部120之间收到挤压进而损坏，起到支撑的作用，其中，对接槽210的设置数量与第二传输部120的设置数量相同，第二传输部120进入对接槽210时，支撑部110抵接充电装置200的顶部，也便于第一传输部与第二传输部120之间的距离的稳定，对接完成后，第一传输部与第二传输部120形成第一电容，便于第一传输部与第二传输部120进行无线电的传输。进一步的，对接槽210的设置便于第二传输部120的进入与对接，同时还能够缩短第二传输部120与第一传输部之间的耦合距离，提高电能的传输效率。
35.在一些实施例中，对接槽210的长度大于第二传输部120的长度，第一传输部为由铝制成的弧板，第一传输部嵌设于对接槽210以形成对接槽210的壁面，其中，对接槽210的
长度大于第二传输部120的长度以及第一传输部的长度与对接槽210的长度相同，以便第二传输部120无论对接是否到位，也确保能够进行无线充电，对接方便，且弧形的第一传输部设置，无论充电装置200与执行装置100是否对接到位，均能够有效缩短第二传输部120与第一传输部之间的耦合距离，进而能够提高充电效率。
36.为使整个执行装置的重量更轻，支撑部110和壳体由工程塑料制成，提供一定结构强度的同时还能欧减轻整体的重量。需说明的是，第二传输部120也由铝制成。
37.在另一些实施例中，如图2好图3所示，充电装置200设置有限位组件，限位组件包括能够伸缩的限位杆220，限位杆220能够运动到对接槽210上方，以限制位于第二传输部120脱离对接槽210，避免充电过程中执行装置100受到洋流和生物的影响而导致第二传输部120与第一传输部脱离，无法进行充电的情况。当第二传输部120与第一传输部对接好后，第二微处理器230驱动限位杆220伸缩至对接槽210上方，充电完毕后，第二微处理器230驱动限位杆220解除对第二传输部120的限制，以便执行装置100能够离开。
38.需说明的是，第一储能部310和第二储能部370均为直流电源，第一补偿电路330为由四个mosfet管组成的h桥逆变器，用于将第一储能部310内部储存的直流电转换为高频交流电以供第一传输部与第二传输部120耦合，进而实现无线充电。第二补偿电路350包括四个二极管，用于将第二传输部120接收到的高频电流转换为第二储能部370能够接收的直流电流。
39.而第一补偿电路330包括第一电感l1和第二电容c3，第二补偿电路350包括第二电感l2和第三电容c4，第一补偿电路330和第二补偿电路350均用来提高电路中的系统转换效率和功率的。
40.具体的充电过程为，当执行装置100的内部第一微处理器接收到电池余量不足的信号后，开始前往充电装置200进行充电。到达充电装置200上方之后，执行装置100开始下潜，使第二传输部120落在对接槽210处，支撑部110落在充电装置200的外壳上。第二传输部120落入对接槽210后，执行装置100的内部第一微处理器向充电装置200发送请求充电信号，此时充电装置200内部第二微处理器230控制限位杆220动作，使限位杆220横跨过对接槽210，将第二传输部120固定在对接槽210内，稳定执行装置100的充电姿态，避免因水流、生物出现未对准情况。对接槽210内的第一传输部将第二传输部120半包围，同时充电装置200内部充电电路，如图5，开始工作。至此，充电过程正式开始。充电完成后，第二微处理器230驱使限位杆220缩回释放执行装置100，使执行装置100返回执行任务。
41.上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

技术特征：
1.一种开架式机器人水下无线充电坐落装置，其特征在于：包括固定于水底的充电装置(200)，所述充电装置(200)包括第一储能部(310)、第一转换电路(320)、第一补偿电路(330)以及第一传输部，所述第一储能部(310)电性连接所述转换电路(320)的一端，所述转换电路(320)的另一端电性连接所述补偿电路(330)的另一端，所述补偿电路(330)的另一端配置有所述第一传输部；以及能够在水中进行移动的执行装置(100)，所述执行装置(100)包括第二储能部(370)、第二转换电路(360)、第二补偿电路(350)以及第二传输部(120)，所述第二储能部(370)电性连接所述第二转换电路(360)的一端，所述第二转换电路(360)的另一端电性连接所述第二补偿电路(350)的一端，所述第二补偿电路(350)的另一端配置有所述第二传输部(120)，所述执行装置(100)运动至与所述充电装置(200)对接后，所述第一传输部与所述第二传输部(120)结合以形成充电模块(340)，以使所述第一储能部(310)能够给所述第二储能部(370)充电。2.根据权利要求1所述的开架式机器人水下无线充电坐落装置，其特征在于：所述充电装置(200)的顶部凹陷以形成对接槽(210)，所述对接槽(210)内布置有所述第一传输部。3.根据权利要求2所述的开架式机器人水下无线充电坐落装置，其特征在于：所述执行装置(100)的底部两侧分别设置有所述第二传输部(120)，所述执行装置(100)的底部另外两侧分别设置有支撑部(110)，其中，所述对接槽(210)的设置数量与所述第二传输部(120)的设置数量相同，所述第二传输部(120)进入所述对接槽(210)时，所述支撑部(110)抵接所述充电装置(200)的顶部，所述第一传输部与所述第二传输部(120)形成第一电容。4.根据权利要求3所述的开架式机器人水下无线充电坐落装置，其特征在于：所述对接槽(210)的长度大于所述第二传输部(120)的长度，所述第一传输部为由铝制成的弧板，所述第一传输部嵌设于所述对接槽(210)以形成所述对接槽(210)的壁面。5.根据权利要求3所述的开架式机器人水下无线充电坐落装置，其特征在于：所述支撑部(110)由工程塑料制成。6.根据权利要求3所述的开架式机器人水下无线充电坐落装置，其特征在于：所述充电装置(200)设置有限位组件，所述限位组件包括能够伸缩的限位杆(220)，所述限位杆(220)能够运动到所述对接槽(210)上方，以限制位于所述第二传输部(120)脱离所述对接槽(210)。7.根据权利要求1所述的开架式机器人水下无线充电坐落装置，其特征在于：所述第一补偿电路(330)为由四个mosfet管组成的h桥逆变器，用于将所述第一储能部(310)内部储存的直流电转换为高频交流电以供第一传输部与所述第二传输部(120)耦合。8.根据权利要求1所述的开架式机器人水下无线充电坐落装置，其特征在于：所述第二补偿电路(350)包括四个二极管，用于将所述第二传输部(120)接收到的高频电流转换为所述第二储能部(370)能够接收的直流电流。9.根据权利要求1所述的开架式机器人水下无线充电坐落装置，其特征在于：所述第一补偿电路(330)包括第一电感(l1)和第二电容(c3)。10.根据权利要求1所述的开架式机器人水下无线充电坐落装置，其特征在于：所述第二补偿电路(350)包括第二电感(l2)和第三电容(c4)。

技术总结
本发明公开了一种开架式机器人水下无线充电坐落装置，涉及水下机器人技术领域，包括固定于水底的充电装置，充电装置包括第一储能部、第一转换电路、第一补偿电路以及第一传输部；以及能够在水中进行移动的执行装置，执行装置包括第二储能部、第二转换电路、第二补偿电路以及第二传输部，执行装置运动至与充电装置对接后，第一传输部与第二传输部结合以形成充电模块，以使第一储能部能够给第二储能部充电。本发明实施例的开架式机器人水下无线充电坐落装置，优化了无线充电的接驳耦合结构，使得整个装置更加简单，同时缩短接驳耦合的距离，大幅提高充电效率。大幅提高充电效率。大幅提高充电效率。


技术研发人员：冯帆 郑杨鑫 谢鹏
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2023.08.01
技术公布日：2023/9/13