文章编号:1005 9865(2009)02 0115 04自治水下机器人一种新型非接触充电模式应用探讨翁飞兵1,张 凯1,潘孟春1,冯婷婷1,2(1.国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙 410073; 2.海军电磁兼容研究检测中心,上海 200235)摘 要:分析国内外无人潜水器的供电方式现状,指出能源是制约自治水下机器人(AUV)续航能力以及作业时间的一个主要因素。

简要介绍非接触式感应电能传输技术的原理、优点,以及国内外的研究成果和发展趋势。

针对自治水下机器人原有供电方式的局限,提出用感应电能传输技术结合可充电电池对AUV 进行供电设计的方法与重点问题,还探讨了非接触充电方式在AUV 以及其它领域的应用前景与技术优势。

关键词:无人潜水器;自治水下机器人;感应电能传输;水下供电;非接触中图分类号:P754.1 文献标识码:AA novel contact less power charge mode for autonomous underwater vehiclesWENG Fei bing 1,ZHANG Kai 1,PAN Meng chun 1,FE NG Ting ting 1,2(1.School of Mechatronics and Automation,National Univ.of Defense T echnology,Changsha 410073,China; 2.Center of Research and Measurement for E MC of Navy,Shanghai 200235,China)Abstract:The paper introduces power supply methods for Un manned Underwater Vehicles (UUV)at home and abroad firstly ,and i t also points out that energy is the main factor for Autonomous Underwater Vehicle (AUV)to achieve long endurance.Then basic theory and superior q uality of the induced power transfer (IPT)technology are briefly presented.Research achievements and development trends are also discussed subsequently.IPT and chargeable cell scheme is presented to solve the problem of the former AUV power supply method.Finally,the techni cal advantages and prospects of the contact less power supply (CPS)in AUVs and other fields are also analyzed.Key words:unmanned underwater vehicle (UUV);au tonomous underwater vehicle (AUV);induced power transfer (IPT );underwater power supply;contact less收稿日期:2008 05 07作者简介:翁飞兵(1962-),男,湖南岳阳人,硕士,副教授,主要从事电力电子与电力传动研究。

Email:wengfb@水下机器人(UUV)技术作为探索内空间的重要手段,与探索外空间的运载火箭技术有同等重要的意义,由于巨大的科技和军事价值,其发展一直为世界各海洋强国所关注。

各类水下机器人中,自治水下机器人(AUV)的研究与开发是当前和今后一段时间的主流,有极好的潜在应用前景[1]。

能源动力问题是AUV 研究发展的一个瓶颈,目前通常使用各种充电电池作为其主动力源。

在此探讨了日益受到各国重视的新型感应电能传输(IP T)技术在AUV 充电系统中的应用。

1 水下机器人的能量供应方式目前用于水下观测考察和开发的主要工具有载人潜水器和无人潜水器。

无人潜水器又称水下机器人,它又分为无人遥控潜水器(ROV)和自治水下机器人(AUV)。

ROV 与水面母船之间由脐带电缆连接,脐带电第27卷第2期2009年5月海洋工程THE OCE AN ENGINEERING Vol 27No 2May 2009缆既向下传输动力,又实时双向传输控制信号(由母船至ROV)和数据/图像(由ROV至母船)。

而AUV与母船之间则没有物理连接,它依靠自身携带的动力以及机器的智能自主航行[2]。

大多数现代水下机器人,无论是有缆的还是无缆的,除了少数水下机器人不用电力完成下潜和上浮外,都是靠电力来推进和游动,实现通信、照明、操纵和导航等。

有缆水下机器人(ROV)可用电缆由水面电源供电,无缆水下机器人(AUV)多用蓄电池类化学式动力源,或热能和核能类的物理式动力源[3]。

选择能源时,必须充分考虑机型的体积、任务使命、活动水域特点和其他方面的设计情况。

2004年美海军 无人潜航器总体规划建议小型UUV选择能量密度较高的一次性或充电锂电池,大型UUV则可使用技术发展较成熟、成本较低的高密度燃料电池或混合动力系统[4]。

AUV续航力、航速和负载能力均受制于可用能源,而可用能源又取决于类型、容许的质量和空间等。

虽然近年来水下机器人的能源技术研究取得了很大地进展,如挪威国防研究所已开发出供UUV使用的碱性铝-过氧化氢动力源,可使1t深潜器在4节速度下续航1200海里。

然而自主水下机器人为了更好地发挥其自主灵活的优势,尤其是军用AUV执行探测、导航、攻击等特定任务时,对自身体积和续航力提出了更高的要求。

我国第一个水下1000mAUV铅蓄电池就有126kg,一定程度制约了其用途的扩展[5]。

由此可见,AUV尤其是小型AUV相对于ROV,能源供应仍然是制约其性能发挥的关键因素。

目前多数AUV采用电动力,电能来自所携带的电池组,尽管能量密度较低、比能量较小,但考虑成本、寿命、安全性等因素,电池尤其是一次电池和可充电电池(如锂电池)在较长时期内仍将占据主导地位[2]。

由此而来的更换电池或充电行为带来的一系列问题成了制约AUV性能发挥的重要制约因素,讨论非接触充电方案正是改善这个难题的一种尝试。

2 感应电能传输技术原理和特点2.1 技术概况目前研究利用较为成熟的非接触供电方式为感应式电能传输(IP T),概念提出始于20世纪80年代早期[6]。

20世纪90年代初,新西兰奥克兰大学以B oys教授为首的课题组对I PT技术进行了系统深入研究,取得了一系列理论和实际成果;日本、德国和美国等国也相继投入经费,组织科研人员在该领域展开科学研究。

I PT技术使进行电能无线传输成为了现实,改变了人类对电能的传输只能由导线进行直接接触输送的历史,克服了传统供电方法在使用上存在的诸如滑动磨损、接触火花、碳积和不安全裸露导体等等局限[7]。

由于该技术将传统变压器的感应耦合磁路分开,实现了在电源和负载单元之间无物理连接的能量耦合。

2.2 基本结构和工作原理图1 典型IPT系统基本结构Fig.1 Basic structure of a typical IPT sys tem图1表示了一个典型IPT系统的基本结构。

可视为由两个分离的电气部分组成:一部分由能量变换装置组成,其作用是通过线圈回路提供高频交流电流(通常为10~100kHz正弦波);另一部分由能量拾取线圈和调节装置组成。

通过两部分之间的电磁感应耦合,实现无接触的能量传输。

由于耦合形式属于松耦合,与普通变压器相比,感应电压需要经过调节装置进行变换方可供负载使用[6]。

能量变换器提供的高质量回路电流对于整个IPT系统起着至关重要的作用,是保证电能传输效果的前提,选择合适电路拓扑是关键。

耦合变压器的设计重点是考虑磁性材料选取、线圈绕组方式等,能量拾取部分需考虑负载的折算和电路补偿。

关于IPT技术的更多内容可参看相关文献资料。

2.3 主要特点及研究进展采用非接触供电和传统供电方式相比,具有可自由运动、操作安全、环境友好和方便可靠的特点[6]。

因而在以下领域具有特殊优势:移动设备供电!!!对运动物体提供电能具有特别优点,如单轨行车装置、自动运行车辆、机器移动部件等场所;特殊安全要求!!!应用于某些危险场所,如喷漆车间、地下煤井等条件下;恶劣环境条件!!!适于常规供电方式使用有困难情况下,如水下、雨雪、粉尘及化学腐蚀环境。

当前的理论研究解决了松耦合感应电能传输系统的负载模型[8],变换电路高频应用时的控制策略和频116海 洋 工 程第27卷率稳定性问题[9-10],谐振变换器最小功率因数分析[11],零相位角控制松耦合感应系统的稳定性判据等问题。

非接触供电技术早期的研究是为解决核能、采矿业以及机器人供电的特殊需求而提出的,后来逐步扩展到物流、交通、电子产品和生物工程等应用领域,有着相当大的市场前景。

3 自治水下机器人新型供电方式探讨3.1 原有供电技术的局限20世界80年代以来,水下机器人已广泛应用于经济及军事等不同领域,它已经成为水下观察和水下作业方面最为有效和最具潜力的水下开发工具。

目前美国、俄罗斯及英国等国已经研制出可以载弹进行水下攻击的 攻击型水下机器人 ,它们能够悄无声息地接近敌方的舰艇,对敌人进行出其不意的打击。

AUV 还可由潜艇发射,使其更具隐蔽性和突防性[12]。

基于当前技术能力和特性,小型水下机器人宜使用缠绕式或可充电锂电池,在当前可用的电池技术中功率密度是最高的。

缠绕式电池只能一次性使用,因此用它作为大型电池的成本非常高,如何补充电池(特别是在海上)并满足潜航器快速重置的要求是该种电池使用的一个主要问题,电池组件的成本很容易超过潜航器本身的成本。

长期来看,可充电电池的成本则低得多,由于可以在不带电的状态下运送,可充电电池在安全方面具有一定优势。

AUV 和ROV 不同,由于不能利用脐带电缆获得能量补充,只能依赖于自身携带的能源。

虽然动力系统不直接实现水下机器人任何一个标志性能力,但是所有的任务都需要尽可能降低动力系统的大小、费用和噪声水平。

发挥水下机器人的性能,在能源和动力方面的风险主要来源于其尺寸的要求,比较大的尺寸可以装载更多的能源和更大的推进系统,但这与总体设计上小尺寸和低噪声的要求相矛盾,尤其对于小型军用自治水下机器人使用的充电电池,必须尽可能的减小能量供应部分,改进充电设备的性能。