申请/专利权人：南京工程学院

申请日：2021-04-29

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN113147438B

主分类号：B60L53/12

分类号：B60L53/12;B60L53/34;B60L53/35;B63H21/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2021.08.10#实质审查的生效;2021.07.23#公开

摘要：本发明公开了一种水下航行器无线充电系统及控制方法，所述系统包括海上发电平台、水下航行器和无线充电接收器；航行器包括接收器运动控制模块、动态定位模块、控制模块、整流滤波电路和系统电源；无线充电接收器与海上发电平台的发射端通过强磁耦合，产生变化电流传输至整流滤波电路，对系统电源进行充电；接收器运动控制模块调整无线充电接收器的位置和角度；动态定位模块保持航行器在水中的位置及方向；控制模块控制各模块的运行，以保持接收线圈与发射线圈间的相对位置。本发明通过水下航行器的状态保持、接收端实时追踪，实现更加高效的水下无线充电，解决在海水介质以及洋流及模型不确定的影响下，水下无线充电效率低的问题。

主权项：1.一种水下航行器无线充电系统，其特征在于，包括海上发电平台、潜于海面以下的水下航行器和海平面以上的无线充电接收器；所述航行器包括接收器运动控制模块、动态定位模块、控制模块、整流滤波电路和系统电源；所述无线充电接收器与海上发电平台的发射端通过强磁耦合，产生变化电流传输至整流滤波电路，对系统电源进行充电；所述接收器运动控制模块，用于调整无线充电接收器的位置和角度；所述动态定位模块，用于保持航行器在水中的位置及方向；所述控制模块，用于根据无线充电接收器和航行器反馈的状态信号控制各模块的运行，以保持接收线圈与发射线圈间的相对位置；所述动态定位模块包括坐标定位模块、动力驱动模块与动态定位控制模块，动力驱动模块由四个水平推进器构成，动态定位控制模块分为运动控制器模块和动力分配模块；坐标定位模块反馈海上发电平台与水下航行器的相对位置；根据海上发电平台与水下航行器的相对位置，运动控制器模块计算水下航行器控制律；动力分配模块根据水下航行器控制律进行动力驱动模块的推进器的力和力矩分配，使航行器接近海上发电平台，达到功率消耗最小化；根据海上发电平台与水下航行器的相对位置，接收器运动控制模块通过追踪机械臂对接收线圈状态进行微调，达到最优的传输效率；所述运动控制器模块采用滑模控制计算水下航行器控制律，其设计过程具体为：步骤1、构建水下航行器在地球固定坐标系EF下的动力学模型方程： 其中，向量η＝[xyψ]T表示水下航行器在EF坐标系中的线性位置x、y和欧拉角ψ，为η的一阶微分，为η的二阶微分，系统矩阵ME、CE、DE、GE和τE如下： 其中，旋转矩阵Jψ是航向角函数，J-1ψ表示Jψ的逆矩阵，J-Tψ表示Jψ的转置逆矩阵，M为惯性矩阵、Cvr表示向心力和科里奥利矩阵、Dvr表示阻尼矩阵、Gη表示重力，τ表示控制输入，vr表示洋流影响下水下航行器的相对速度；步骤2、设ηd＝[xdydψd]为水下航行器的期望位置，定义跟踪误差：et＝ηd-η24关于时间的微分，等式24变成： 引入滑模面函数s为： 其中，∧是恒定控制增益，为对角正矩阵；步骤3、根据滑模控制器设计策略，构造水下航行器的控制律τ：τ＝τeq+τsw27式中，τeq是将系统状态合并到滑动面的等效项，τsw是补偿不确定性和干扰影响的开关项；等效控制τeq和开关控制τsw为： τsw＝-βSgns29其中，表示系统矩阵X的估计矩阵，X代表矩阵ME、CE、DE、GE,Fdis表示外部扰动，β是增益的正定矩阵，滑动面的符号函数用Sgns表示： 步骤4、根据等式28和29，式27中水下航行器的鲁棒滑模控制定律重写如下： 用饱和函数sat替换符号函数，如下所示： 其中，Ф是为了引进边界层而给出的边界，式31中的滑模控制定律为：

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权利要求：

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