一种水下无人系统海底自供电接驳坞

本发明涉及海洋观测技术领域，尤其是涉及一种水下无人系统海底自供电接驳坞，具体涉及一种利用海流俘能装置供电、基于电磁耦合近场无线输能的水下无人系统海底自供电接驳坞。

背景技术：

海底喇叭口式接驳坞是当前国内外水下无人系统接驳坞的主要形式，其通过水密缆连接至海底观测网或通过海缆直接连接到岸基，可持续获得电能，并将电能提供给移动式水下无人系统，可用于机动探测海洋要素、巡检水下基础设施等任务。

现有技术存在以下缺点：海底喇叭口式接驳坞依赖水密缆或海缆供电，布放范围有限，传输损耗大、运行效率低；海底喇叭口式接驳坞对各类水下无人系统类型的适应性差，只能适应圆柱体形水下无人系统，无法为平板式等典型的水下无人系统供电；海底喇叭口式接驳坞在结构上采用连杆悬空支撑，稳定性低。为解决上述问题，亟需开发一种新型水下无人系统海底自供电接驳坞。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种水下无人系统海底自供电接驳坞。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种水下无人系统海底自供电接驳坞，包括：支撑与固定结构组件、水声信标组件、电能监控电路腔体组件、蓄电池腔体组件、海流俘能装置组件、喇叭口式接驳输能平台组件和平板式接驳输能平台组件；

进一步地，所述支撑与固定结构由底板垫脚、底板、下底网、支撑柱、上顶网和侧边柱组成，所述底板垫脚均匀分布于底板底部的四周，所述底板上开有螺栓通孔，用于固定各装置、腔体和支撑柱，所述下底网固定于底板上方，用于连接支撑柱和侧边柱，所述支撑柱安装在下底网中心上方，用于支撑上顶网及平板式接驳输能平台，所述上顶网固定在支撑柱上方，所述侧边柱固定在上顶网和下底网之间的侧边，用于支撑上顶网和平板式接驳输能平台；

进一步地，所述水声信标通过水声信标夹具将水声信标主体安装在水声信标侧面支撑架上，水声信标侧面支撑架固定在水声信标底部支撑架上，通过螺栓将其安装在所述底板上方，用于与目标水下无人系统间水声通信；

进一步地，所述电能监控电路腔体由微控制器和监控管理电路组成，通过电路腔体夹具将电路外保护腔体固定在电路腔体底板上，并通过螺栓安装在所述底板上方，用于实现对所述水声信标、蓄电池腔体、喇叭口式接驳输能平台和平板式接驳输能平台的电源开关控制以及信号处理；

进一步地，所述蓄电池腔体将蓄电池外保护腔体通过电池腔夹具固定在电池腔底板上，通过螺栓安装在所述底板上方，用于储存所述海流俘能装置获得的能量；

进一步地，所述海流俘能装置为磁耦合传动式垂直轴俘能装置，通过俘能装置夹具固定在俘能装置支撑结构上，所述俘能装置支撑结构由俘能装置顶部支撑板、俘能装置支撑柱以及俘能装置支撑底板通过螺栓安装在所述底板上方，用于俘获海流能并转换为电能为接驳坞供电。

进一步地，接驳输能平台包含所述喇叭口式接驳输能平台和平板式接驳输能平台，平板式接驳输能平台通过螺栓安装在上顶网上方，喇叭口式接驳输能平台固定在下底板中部，用于分别对接不同类型水下无人系统，并通过电磁耦合近场无线输能方式为无人系统供电；

进一步地，所述电能监控电路外保护腔体由电路腔体柱形保护外壳和电路腔体顶盖构成，电路腔体柱形保护外壳开口端圆周和电路腔体顶盖圆周均匀开圆孔，通过螺栓安装在一起，电路腔体顶盖中心开圆形通孔，用于安装水密电缆接口，所述电能监控电路腔体的水密电缆接口应包括电路腔体输入接口、电路腔体输出接口及通信接口；

进一步地，所述蓄电池外保护腔体由蓄电池腔体柱形保护外壳和蓄电池腔体顶盖构成，蓄电池腔体保护外壳开口端圆周和蓄电池腔体顶盖圆周均匀开圆孔，通过螺栓安装在一起，蓄电池腔体顶盖中心开圆形通孔，用于安装水密电缆接口，所述蓄电池腔体顶盖的水密电缆接口应包括蓄电池腔体输入接口、蓄电池腔体输出接口及蓄电池腔体通信接口，所述蓄电池腔体内部应装有电池管理系统，并具备过充保护和低电量自断电功能；

进一步地，所述喇叭口式接驳输能平台由尾部固定板、喇叭口体、头部装置构成；

进一步地，所述尾部固定板开有与喇叭口体大半径圆端等径的通孔，一侧周围均匀开螺栓接口；与所述喇叭口体和头部装置连为一体后焊接在所述底板上指定位置；

进一步地，所述喇叭口体两端各焊有一圆环与主体相连，圆环周围均匀开螺栓接口，用于与所述尾部固定板和头部装置相连；

进一步地，所述头部装置由固定方块、柱形输能线圈、水密电缆接口和接口保护壳、固定板、线圈保护壳构成，固定方块一侧开有与喇叭口体小半径圆一端等径的通孔，周围均匀开螺栓接口，柱形输能线圈固定在线圈保护壳内并安装在通孔中，另一侧固定板中心开通孔，安装水密电缆接口，通孔周围均匀开螺栓孔，安装接口保护壳，线圈保护壳为环型柱式壳体，两环中间安装柱形输能线圈，安装在所述固定板上，并通过导线将柱形输能线圈与所述水密电缆接口相连，同时固定板圆周均匀开螺栓孔，与固定方块连接，整个头部装置与所述尾部固定板和喇叭口体连接为一体后焊接在所述底板上指定位置，所述柱形输能线圈和保护壳包括圆环型、矩形环型、三角环型等环，并同时具备输电和简单通信功能，采用电磁耦合近场无线输能方式为无人系统供电。

进一步地，所述平板式接驳输能平台由保护顶盖、环型输能线圈、保护壳、平台垫板和水密电缆接口构成；

进一步地，所述平台垫板上部中央开有凹槽，凹槽内四角开有螺栓孔，平台垫板下部中心开有四个螺栓圆孔和一个接口圆孔，通过螺栓与所述上顶网连接；

进一步地，所述环型输能线圈经叠加后固定在保护壳内，所述保护壳四角装有与侧边等高的空心圆柱，用于通过螺栓同时保持水密，下部开与所述平台垫板中接口圆孔等径的圆孔，保护盖四角开圆孔，安装在所述保护壳上方，通过螺栓将所述输能线圈单元安装在所述垫板凹槽内；

进一步地，所述水密电缆接口安装在所述平台垫板下接口圆孔中，上端通过所述保护壳圆孔，经水密连接后通过导线与环型输能线圈相连。

进一步地，所述环型输能线圈应按照下层两个线圈、上层一个线圈、上层线圈位于下层线圈中央的对称方式交替排列，其磁场应覆盖整个平板式接驳输能平台表面；所述环型输能线圈包括圆环型、矩形环型、跑道型线圈，并同时具备输电和简单通信功能，采用电磁耦合近场无线输能方式为无人系统供电。

进一步地，所述海流俘能装置尾部电缆接口与电能监控电路腔体输入接口通过水密缆相连，所述电能监控电路腔体输出接口与蓄电池腔体输入接口通过水密缆相连，所述蓄电池腔体输出接口通过水密缆连接蓄电池腔体通信接口，并分别与平板式接驳输能平台、喇叭口式接驳输能平台和水声信标通过水密缆相连，电能监控电路腔体通信接口通过水密缆连接扩展接口，分别通过水密缆与水声信标、喇叭口式接驳输能平台、平板式接驳输能平台所接水密缆合并后插入对应接口。

本发明的工作原理是：

海流运动驱动俘能装置叶轮转动产生电能，发出的电能储存在蓄电池腔体内，通过水密光电缆与管理和控制腔体、水声信标腔体、平板式接驳输能平台、喇叭口式接驳输能平台相连，在管理与控制腔体中管理电路的控制下输出电能，驱动水声信标引导水下无人系统对接，应用电磁耦合近场无线输能技术，采用输能线圈为柱式和平板式无人系统无线供电。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明所述水下无人系统海底自供电接驳坞，包括支撑与固定结构、水声信标、电能监控电路腔体、蓄电池腔体、海流俘能装置和接驳输能平台，具有对典型无人系统适应性好、结构稳定可靠的优点。

(2)本发明所述的水下无人系统海底自供电接驳坞原位俘获海流能作为能量来源，具有绿色环保、可降低电能传输损耗、节约供电成本的优点。

(3)本发明所述平板式无线充电平台和喇叭口式无线充电平台，采用组合线圈无线输能的方式为无人系统充电，具有对接简单、兼容性好、安全性高等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为水下无人系统海底自供电接驳坞总体结构组装示意图；

图2为水下无人系统海底自供电接驳坞总体结构爆炸图；

图3为水下无人系统海底自供电接驳坞支撑与固定结构组件示意图；

图4为水下无人系统海底自供电接驳坞水声信标组件示意图；

图5为水下无人系统海底自供电接驳坞电能监控电路腔体组件示意图；

图6为水下无人系统海底自供电接驳坞蓄电池腔体组件示意图；

图7为水下无人系统海底自供电接驳坞海流俘能装置组件示意图；

图8为水下无人系统海底自供电接驳坞喇叭口式接驳输能平台爆炸图；

图9为水下无人系统海底自供电接驳坞喇叭口式接驳输能平台头部装置爆炸图；

图10为水下无人系统海底自供电接驳坞平板式接驳输能平台爆炸图；

图11为水下无人系统海底自供电接驳坞平板式接驳输能平台环形线圈排列示意图；

图12为水下无人系统海底自供电接驳坞各组件连接关系图；

图13为水下无人系统海底自供电接驳坞运行流程图；

图中，100为支撑与固定结构，101为底板垫脚，102为底板，103为下底网，104为支撑柱，105为上顶网，106为侧边柱，200为水声信标，201为水声信标主体，202为水声信标夹具，203为水声信标侧面支撑架，204为水声信标底部支撑架，300为电能监控电路腔体，310为电路外保护腔体，311为电路腔体柱形保护外壳，312为电路腔体顶盖，313为电路腔体输入接口，314为电路腔体输出接口，315为电路腔体通信接口，320为电路腔体夹具，330为电路腔体底板，400为蓄电池腔体，410为蓄电池外保护腔体，411为蓄电池腔体柱形保护外壳，412为蓄电池腔体顶盖，413为蓄电池腔体输入接口，414为蓄电池腔体输出接口，415为蓄电池腔体通信接口，420为电池腔夹具，430为电池腔底板，500为海流俘能装置，510为磁耦合传动式垂直轴俘能装置，520为俘能装置夹具，530为俘能装置支撑结构，531为俘能装置顶部支撑板，532为俘能装置支撑柱，533为俘能装置支撑底板，600为喇叭口式接驳输能平台，610为尾部固定板，620为喇叭口体，630为头部装置，631为固定方块，632为柱形输能线圈，633为第一水密电缆接口，634为接口保护壳，635为固定板，636为线圈保护壳，700为平板式接驳输能平台，710为保护顶盖，720为环型输能线圈，721为下层线圈一，722为下层线圈二，723为上层线圈，730为保护壳，740为平台垫板，750为第二水密电缆接口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

图1与图2表示水下无人系统海底自供电接驳坞总体结构包括支撑与固定结构100组件、水声信标200组件、电能监控电路腔体300组件、蓄电池腔体400组件、海流俘能装置500组件、喇叭口式接驳输能平台600组件、平板式接驳输能平台700组件，水声信标200组件、电能监控电路腔体300组件、蓄电池腔体400组件、海流俘能装置500组件安装在支撑与固定结构100内部。

图3表示水下无人系统海底自供电接驳坞支撑与固定结构100组件包括底板垫脚101、底板102、下底网103、支撑柱104、上顶网105和侧边柱106，底板102底部的四周通过螺栓安装底板垫脚101，底板102顶部特定位置开螺栓通孔，用于固定各装置、腔体和支撑柱，下底网103用螺栓固定于底板102中心位置，与支撑柱104、四根侧边柱106以及上顶网105相焊接，支撑平板式接驳输能平台700并保护底板102上安装的各组件。

图4表示水下无人系统海底自供电接驳坞水声信标由水声信标夹具202、水声信标主体201、水声信标侧面支撑架203、水声信标底部支撑架204组成，水声信标侧面支撑架203焊接在水声信标底部支撑架204上方中心位置处，水声信标夹具202将水声信标主体201固定在水声信标侧面支撑架203上，用螺栓将水声信标200固定在底板102指定位置上，水声信标主体201底部水密缆接口与电能监控电路腔体300组件、蓄电池腔体400组件对应接口相连，可实现对水声信标200电源通断的控制和与目标无人系统间的通信功能。

图5表示水下无人系统海底自供电接驳坞电能监控电路腔体300组件包括外保护腔体310、夹具320、电池腔底板330，固定后通过螺栓装在底板102上指定位置处，其中外保护腔体310包括电路腔体柱形保护外壳311、电路腔体顶盖312、电路腔体输入接口313、电路腔体输出接口314及通信接口315，电路腔体柱形保护外壳311开口端圆周和电路腔体顶盖312圆周均匀开圆孔，通过螺栓安装在一起，电路腔体顶盖312中心开圆形通孔，用于安装水密电缆接口，实现对各组件电源通断的控制和相应能量的管理。

图6表示水下无人系统海底自供电接驳坞蓄电池腔体400组件由蓄电池外保护腔体410通过夹具420固定在电池腔底板430上，并通过螺栓装在底板102上指定位置处，蓄电池外保护腔体410包括蓄电池腔体柱形保护外壳411、蓄电池腔体顶盖412、蓄电池腔体输入接口413、蓄电池腔体输出接口414及蓄电池腔体通信接口415，蓄电池腔体柱形保护外壳411开口端圆周和蓄电池腔体顶盖412圆周通过螺栓和所开均匀圆孔安装在一起，蓄电池腔体顶盖412中心开圆形通孔，用于安装水密电缆接口，实现海流俘能装置500电能储存及其余组件供电功能。

图7表示水下无人系统海底自供电接驳坞海流俘能装置500组件包括磁耦合传动式垂直轴俘能装置510、俘能装置夹具520、俘能装置支撑结构530，俘能装置支撑结构530由俘能装置顶部支撑板531、俘能装置支撑柱532以及俘能装置支撑底板533通过螺栓安装在底板102上方指定位置，将海流能转为电能为接驳坞供电。

图8至图11表示水下无人系统海底自供电接驳坞中输能平台包含喇叭口式接驳输能平台600和平板式接驳输能平台700，参考图8，喇叭口式接驳输能平台600由尾部固定板610、喇叭口体620、头部装置630组成；喇叭口体620两端各焊有一圆环与主体相连，圆环周围均匀开螺栓接口，用螺栓将尾部固定板610和头部装置630相连，并将整体焊接固定在底板102上指定位置。参考图9，头部装置630由固定方块631、柱形输能线圈632、第一水密电缆接口633和接口保护壳634、固定板635、线圈保护壳636组成，柱形输能线圈632为环型柱式壳体，固定在线圈保护壳636内并安装在固定方块631通孔中，固定板635中心通孔安装第一水密电缆接口633，外围螺栓孔安装接口保护壳634，通过导线将柱形输能线圈632与第一水密电缆接口633相连，柱形输能线圈632和保护壳636包括圆环型、矩形环型、三角环型等环型，并同时具备输电和简单通信功能。参考图10，其中平板式无线充电平台700由保护顶盖710、环型输能线圈720、保护壳730、平台垫板740和第二水密电缆接口750组成，保护壳613四角装有与侧边等高的空心圆柱壳，用于通过螺栓与平台垫板740固定，并防止保护壳内进入海水，下部开与平台垫板740中接口圆孔等径的圆孔，将第二水密电缆接口750安装在平台垫板740该圆孔中，用导线与叠加后的环型输能线圈720相连并固定在保护壳730内，保护盖四角开圆孔，在平台垫板740上方与保护壳730密封，通过螺栓将上述各零件整体安装在垫板凹槽内平台垫板740上部中央开有凹槽，凹槽内四角开有螺栓孔，平台垫板740下部中心开有四个螺栓圆孔和一个接口圆孔，通过螺栓与上顶网105连接。

图11为水下无人系统海底自供电接驳坞平板式接驳输能平台环形线圈排列示意，参考图11，环型输能线圈720应按照下层两个线圈721、722、上层一个线圈723、上层线圈723位于下层线圈721、722正中央的对称方式交替排列，环型输能线圈720同时具备输电和简单通信功能，采用电磁耦合近场无线输能方式为无人系统供电,其优点在于可实现磁场均匀覆盖整个平板式接驳输能平台700表面：每一环形线圈720产生的磁场均可等效为两直导线和两半圆导线磁场分布的叠加，根据毕奥萨伐尔定律，电流相反两直导线周围磁场沿对称轴向两端逐渐减弱，而圆环线圈周围磁场沿轴心向外逐渐减弱，因此每一环形线圈周围磁场沿几何中心向外减弱，对称交替排列方式将下层线圈721、722的强磁场与上层线圈723的弱磁场叠加，且下层线圈721、722的弱磁场与上层线圈723的强磁场叠加，使分布于平板式接驳输能平台700表面的磁场趋于均匀，电能传输更加稳定。

图12为水下无人系统海底自供电接驳坞组件的供电和通信连接关系，参考图12，在电气连接上：两台海流俘能装置500将海流能转换为电能，通过电缆将海流俘能装置500尾部接口与电路腔体输入接口313相连，把电能输入电能监控电路腔体300，经腔体内部电路处理后，通过电缆将电路腔体输出接口314与蓄电池腔体输入接口413相连，把电能输送到蓄电池腔体400中储存，蓄电池腔体400的输出接口414接电缆后经扩展分别与水声信标200、喇叭口式接驳输能平台600和平板式接驳输能平台700对应水密接口相连，在电能监控电路腔体300内部的微控制器管理下将电能供给上述三个部分使用，同时还通过与控制电路腔体300相连的电缆为腔体内部用电电路供能；在信号连接上：电能监控电路腔体300的通信接口315通过光缆分支后分别与水声信标200、喇叭口式接驳输能平台600和平板式接驳输能平台700相连，对应同一接口的电缆和光缆合并为复合缆后插入相应接口，实现相关的信号处理及控制功能，电能监控电路腔体300的通信接口315通过一光缆分支与蓄电池腔体400的通信接口415相连获取电池管理系统信息。

图13为水下无人系统海底自供电接驳坞的运行流程：在一次运行中，监控电路中的微控制器首先自检系统，确保接驳坞组件间供电和通信连接正常，同时检查电能监控电路运行情况，其次监控电路判断蓄电池电量，若电量过低则挂起等待蓄电池充至充足值，电量充足则微控制器接通水声信标电源，发射信号给无人系统引导对接；而后微控制器开启相应接驳输能平台中环型输能线圈中的通信功能，准备接收该无人系统发出的充电指令，若长期未收到充电指令则说明无人系统未准备就绪，系统关闭该线圈的通信功能，并切断水声信标电源后结束进入下一次充电过程；若该线圈正常收到充电指令，则开启该线圈供电电源开始无线充电过程，并按预设间隔时间判断蓄电池电量是否充足，不充足时则通过该线圈发送终止输能信号提醒无人系统充电即将结束，相应地停止该接驳输能平台的输能和通信过程；否则检查该线圈是否收到无人系统所发充电完成指令，若收到说明无人系统充电完毕，在平台终止输能和通信过程并切断水声信标电源后自检准备下一次充电过程；若未收到充电完成信号则需判断接驳坞和无人系统间线圈是否仍保持正常通信，若正常则无人系统充电尚未完成，继续充电过程，否则说明对接已经失效，接驳输能平台立即停止输能和通信过程并切断水声信标电源，至此完成一次充电过程中所有运行步骤。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。