专利名称：一种用于水下无线充电系统的激光对准装置及方法
技术领域：
本发明涉及水下无线充电系统的对接装置和方法，尤其涉及一种新型、高效的激光对准装置和方法，该对准装置和方法能实现AUV充电装置与水下固定充电器间的对准和对接。
背景技术：
随着人类开发海洋热潮的兴起，水下自主航行器AUV被广泛应用于海洋环境检测、海洋资源勘探和开发、海域监控和入侵监测等海洋应用领域。受自身特性限制，AUV多采用电池供电，对推进器和各种电子设备进行供电，但受体积和成本的限制，AUV的电池体积和供电能力有限，无法维持AUV远距离、大范围、长周期的工作需求，仅能工作较短的时间。 因此，AUV强大的功能受电源的制约，无法充分发挥其功能，因此需要设计并研制一种适用于AUV的充电技术。无线充电技术是一种新兴的技术，其基本方案是通过设置发射器和接收器间的电磁波进行能量输送，达到无线 充电的目的。无线充电系统包括连接于交流供电线路中的初级线圈，用于将交流电转换为电磁波；以及集成于待充电设备中的次级线圈。充电器的初级线圈磁场变化并形成感应电动势，次级线圈感应并将电磁波转换为电能。该种无线充电系统中待充电设备与充电器间无需使用插头和插座连接，只需将内置次级线圈及整流电路的待充电设备放置在充电器充电区域内即可对待充电设备的电池进行充电。现有的无线充电系统是将初级线圈和次级线圈进行分离式设计，充电器外壳内的初级线圈通电后产生初级磁场，处于初级线圈充电区域内的次级线圈产生次级感应电动势并进行整流处理，实现对设备电池的充电。次级线圈和整流处理电路在待充电设备内，初级线圈与次级线圈间的电磁耦合效率与其间距成反比， 即二者间相对距离越近则初级线圈感应并传递到次级线圈的电能的效率越高。实际应用时，无线充电系统一般还包括交流电源与充电器初级线圈间的低频整流电路和高频振荡电路，以及待充电设备中次级线圈的高频整流电路。与传统充电技术相比，无线充电技术的优点表现在以下几个方面不受电线长短限制，解决不同标准充电器无法通用的问题；某些需要做密封处理的电器设备最好就是采用无线送电技术，这样在设置防水处理上会更加好处理；便于作为公众基础设备，未来城市设计规划时在公众场合提供无线充电设备作为一种便民设备，方便公民的生活。因此，无线充电技术必将成为一种迅速、大力发展的技术。在本发明中将无线充电技术应用于AUV的充电，解决水下航行器电源难以更换， 工作范围与时间受电源限制的问题，延长水下航行器的工作周期，扩大其工作范围。该水下无线充电系统包括固定于海底的固定充电装置和AUV。充电装置由电缆供给交流电，包括初级线圈以及交流电源与初级线圈间的低频整流电路和高频振荡电路。AUV上配备外置式充电感应装置，包括次级感应线圈及高频整流电路，与AUV电池相连，对电池进行直流充电。受海流的影响和水下AUV定位精度的制约，AUV外置的充电感应装置与水下固定充电装置间的对准和对接是一个困难的问题，需要设计适用、有效的对准和对接系统，实现 AUV与充电器间的对准。
发明内容
本发明的目的是解决水下无线充电系统的精确对准和对接问题，并且提供一种用于水下无线充电系统的对准系统和对准方法。本发明提供了一种激光对准装置，用于AUV外置的充电装置与固定无线充电装置间的精确对准，该激光对准装置包括对准发射装置和对准接收装置，所述对准发射装置装设于所述固定无线充电装置上，所述对准接收装置装设于所述AUV外置的充电装置表面， 所述对准发射装置包括激光发射器组，通电时发射激光束，用于与AUV进行对准；水声接收器，用于接收AUV发送的水声信号；控制模块，用于控制激光发射器组的工作状态和工作模式； 所述对准接收装置包括激光接收器组，用于接收对应的激光信号；水声发送器，用于向所述固定的无线充电装置发送水声信号，并控制所述激光接收器组的工作状态；控制模块，用于控制各推进器，以及调整AUV的姿态及速率。本发明提供一种水下无线充电系统，包括固定于海底的固定充电装置和AUV，所述系统还包括上述激光对准装置。本发明还提供一种激光对准方法，用于上述激光对准装置，所述方法包括以下步骤1)AUV需要进行充电时，首先确定固定无线充电装置的方向与位置信息，调整自身姿态，控制航行速度，向所述固定无线充电装置靠近；2)AUV根据自身位置信息与固定无线充电装置的位置信息计算两者间距离，当距离满足预设阈值距离时，所述对准接收装置的水声发送器发送水声信号通知所述固定无线充电装置开始进行激光对准；3)所述水声接收器接收并处理所述水声信号，并交由所述对准发射装置的控制模块处理，所述对准发射装置的控制模块发送控制命令，驱动激光发射器组工作，发射激光束；4)所述对准接收装置的控制模块读取所述对准接收装置的接收器组状态，判断各接收器与发射器是否对准，控制相应的推进器进行AUV姿态调整；5)双方对准后，AUV根据两者间距离控制行进速度，行进过程中不断进行姿态微调；6) AUV根据所述外置充电装置上设置的传感器判断其是否与所述固定充电装置有效对接；7)所述固定无线充电装置检测到对接完成后，驱动电路进行电磁转换，开始为 AUV进行充电。本发明的有益效果是解决水下航行器电源难以更换，工作范围与时间受电源限制的问题，延长水下航行器的工作周期，扩大其工作范围。
图I是本发明实施例的激光对准装置示意图；图2是本发明实施例的对准过程的流程图；图3是本发明实施例的对准接收装置的控制模块连接框图。
具体实施例方式
现在参考附图1-3描述本发明的实施例，实际上，这些实施例可具有不同形式，并且不应解释为限于在此阐述的实施例。
AUV具有外置的充电装置，该充电装置内部为次级感应线圈与整流电路，并与AUV 腔体内部的电池相连，为电池进行充电。固定无线充电装置由电缆供给交流电，包括初级线圈以及交流电源与初级线圈间的低频整流电路和闻频振荡电路。如图I所不，本实施例提供的无线充电系统的激光对准装置，用于AUV外置的充电装置与固定无线充电装置间的精确对准。激光对准装置包括对准发射装置和对准接收装置。所述对准发射装置装设于固定在海底的固定无线充电装置上，所述对准发射装置包括1)激光发射器组，所述激光发射器组由五个激光发射器组成，其中包括两个水平方向、两个垂直方向以及一个位于中心的激光发射器，通电时发射激光束，用于与AUV进行对准；2)水声接收器，所述水声接收器为水听器，用于接收AUV发送的水声信号；3)控制模块，所述控制模块用于控制激光发射器组的工作状态和工作模式。对准接收装置，对准接收装置装设于AUV外置的充电装置表面，用于激光对准， 所述对准接收装置包括1)激光接收器组，所述激光接收器组由由五个激光接收器组成， 其中包括两个水平方向、两个垂直方向以及一个位于中心的激光接收器，该激光接收器为激光二级管，用于接收对应的激光信号；2)水声发送器，所述水声发送器为换能器，用于向所述固定的无线充电装置发送水声信号，并控制所述激光接收器组的工作状态；3)控制模块，所述控制模块为AUV的导航及控制系统，用于控制各推进器，调整AUV的姿态及速率。所述的激光接收器组能正确接收对应激光发射器组的激光信号，则认为两者间实现了精确对准。现在参考图2，对本实例所提供的激光对准方法进行描述，其包括以下步骤SOOl :AUV需要进行充电时，首先确定固定无线充电装置的方向与位置信息，调整自身姿态，控制航行速度，向所述固定无线充电装置靠近。S002:AUV根据自身位置信息与固定无线充电装置的位置信息计算两者间距离， 当距离满足预设阈值距离时(该阈值为激光在水下环境中的有效传输距离)，所述对准接收装置的水声发送器发送水声信号通知所述固定无线充电装置开始进行激光对准。S003 :所述水声接收器接收并处理所述水声信号，并交由所述对准发射装置的控制模块处理，所述控制模块发送控制命令，驱动激光发射器组工作，发射激光束。S004:所述对准接收装置的控制模块读取所述对准接收装置的接收器组状态，判断各接收器与发射器是否对准，控制相应的推进器进行AUV姿态调整。参见附图3，具体方法是首先进行水平对准，即控制垂直方向的推进器对水平方向的激光接收器(如附图I中所示)进行对准，确保对准双方处于同一深度；然后进行垂直对准，即控制水平方向的推进器调节方向角和偏航角，对垂直方向的激光接收器(如附图I中所示)进行对准；进行完水平和垂直对准后，如果中心激光接收器(如附图I中所示)仍未对准，则进行姿态微调，进行中心对准。S005 :双方对准后，AUV根据两者间距离控制行进速度，行进过程中不断进行姿态微调，以消除海流影响和推进器自身的误差因素。为避免AUV制动不及时和惯性会对AUV 和固定充电器造成物理损伤，当两者间距离达到预设阈值时，AUV关闭推进器，依靠惯性作用到达目的位置。S006:AUV根据外置充电装置上设置的传感器判断其是否与固定充电装置有效对接。如果已完成对接，则开始进行充电；如果因误差未完成对接，则驱动推进器进行姿态微调，完成对接。S007 :固定无线充电装置检测到对接完成后，驱动电路进行电磁转换，开始为AUV 进行充电。在附图3中描述根据本发明的实施例采用多个推进器控制和调整AUV的姿态。例如，可包含用于在方位方向提供偏转或其它受控运动的左舷和右舷水平推进器。另外地或替代性地，可包括第一和第二垂直推进器。垂直推进器可以提供相对于AUV沿向上或向下方向的垂直方向的运动的控制。尽管描述了具有四个推进器的一个实施例，但AUV可以采用任何数目的推进器，并且推进器可被定位或以别的方式配置，以便在任意数量的不同方向提供姿态控制。在示例性实施例中，图3的对准接收装置的控制模块还连接有一个或多个存储装置，根据本发明的示例性实施例配置为存储数据、指令、控制程序等，使控制系统和其它应用程序能实现功能。在图3中所示意的所述控制模块可以是自动的，采用工控机作为控制中心也可采用嵌入式系统作为控制中心实现。同样，控制模块可以体现为对推进器进行控制的计算机程序中，向多个推进器发送命令，控制相应的推进器工作。实施例中所述对准接收装置的控制模块接收状态向量和各种状态误差，根据误差产生各推进器的制动命令，控制推进器进行相应操作。采用的状态参数和向量包括但不限于角位置和状态向量。所述状态参数和向量可以由设备直接测量并借助于 卡尔曼滤波器模型估计获得。惯性测量单元可以提供包括航向角，角速度，加速度，和经纬度等信息。AUV的更新后的加速度和位置信息由惯导组件持续感测，用于确定状态误差。所述误差提供给所述控制模块，用于更新推进器的指令。通过不断减少误差使实际状态逐渐趋近于预期状态。本发明中将无线充电技术应用于AUV的充电，解决水下航行器电源难以更换，工作范围与时间受电源限制的问题，延长水下航行器的工作周期，扩大其工作范围。
权利要求
1.一种激光对准装置，用于AUV外置的充电装置与固定无线充电装置间的精确对准，该激光对准装置包括对准发射装置和对准接收装置，所述对准发射装置装设于所述固定无线充电装置上，所述对准接收装置装设于所述AUV外置的充电装置表面，其特征在于，所述对准发射装置包括 激光发射器组，通电时发射激光束，用于与AUV进行对准； 水声接收器，用于接收AUV发送的水声信号； 控制模块，用于控制激光发射器组的工作状态和工作模式； 所述对准接收装置包括 激光接收器组，用于接收对应的激光信号； 水声发送器，用于向所述固定的无线充电装置发送水声信号，并控制所述激光接收器组的工作状态； 控制模块，用于控制各推进器，以及调整AUV的姿态及速率。
2.根据权利要求I所述的激光对准装置，其特征在于，所述激光发射器组由五个激光发射器组成，其中包括两个水平方向、两个垂直方向以及一个位于中心的激光发射器。
3.根据权利要求I所述的激光对准装置，其特征在于，所述激光接收器组由由五个激光接收器组成，其中包括两个水平方向、两个垂直方向以及一个位于中心的激光接收器。
4.根据权利要求3所述的激光对准装置，其特征在于，所述激光接收器为激光二级管。
5.根据权利要求I所述的激光对准装置，其特征在于，所述水声接收器为水听器，所述水声发送器为换能器。
6.根据权利要求I所述的激光对准装置，其特征在于，所述对准接收装置的控制模块为AUV的导航及控制系统。
7.一种水下无线充电系统，包括固定于海底的固定充电装置和AUV，其特征在于，所述系统还包括权利要求1-6之一的激光对准装置。
8.一种激光对准方法，用于权利要求1-6之一的激光对准装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤 1)AUV需要进行充电时，首先确定固定无线充电装置的方向与位置信息，调整自身姿态，控制航行速度，向所述固定无线充电装置靠近； 2)AUV根据自身位置信息与固定无线充电装置的位置信息计算两者间距离，当距离满足预设阈值距离时，所述对准接收装置的水声发送器发送水声信号通知所述固定无线充电装置开始进行激光对准； 3)所述水声接收器接收并处理所述水声信号，并交由所述对准发射装置的控制模块处理，所述对准发射装置的控制模块发送控制命令，驱动激光发射器组工作，发射激光束； 4)所述对准接收装置的控制模块读取所述对准接收装置的接收器组状态，判断各接收器与发射器是否对准，控制相应的推进器进行AUV姿态调整； 5)双方对准后，AUV根据两者间距离控制行进速度，行进过程中不断进行姿态微调； 6)AUV根据所述外置充电装置上设置的传感器判断其是否与所述固定充电装置有效对接; 7)所述固定无线充电装置检测到对接完成后，驱动电路进行电磁转换，开始为AUV进行充电。
9.根据权利要求8所述的对准方法，其特征在于，步骤2)中的所述阈值为激光在水下环境中的有效传输距离。
10.根据权利要求8所述的对准方法，其特征在于，步骤4)的判断和控制的具体方法是首先进行水平对准，即控制垂直方向的推进器对水平方向的激光接收器进行对准，确保对准双方处于同一深度；然后进行垂直对准，即控制水平方向的推进器调节方向角和偏航角，对垂直方向的激光接收器进行对准；进行完水平和垂直对准后，如果中心的激光接收器仍未对准，则进行姿态微调，进行中心对准。
全文摘要
本发明提供了一种激光对准装置和方法，用于AUV外置的充电装置与固定无线充电装置间的精确对准，其中激光对准装置包括对准发射装置和对准接收装置，对准发射装置装设于所述固定无线充电装置上，对准接收装置装设于所述AUV外置的充电装置表面；如果对准接收装置中的激光接收器组能正确接收对准发射装置中的激光发射器组的激光信号，则认为实现了精确对准。本发明的有益效果是解决水下航行器电源难以更换，工作范围与时间受电源限制的问题，延长水下航行器的工作周期，扩大其工作范围。
文档编号H02J7/02GK102709993SQ20121015131
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月16日 优先权日2012年5月16日
发明者丛艳平, 杨光, 殷波, 盛艳秀, 韩林, 魏志强, 魏晨曦 申请人:中国海洋大学