磁通道解耦的水下自主航行器能量与数据同传技术研究.pdfVIP

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

水下自主航行器作为一种综合人工智能等先进技术的水下探测装备，广泛应

用于海洋资源勘测与开发、水下通信网络、海洋反潜作战等诸多重要领域。由于

水下自主航行器存在着自身储能少、巡航时间短的问题，且在AUV水下作业过程

中，许多实际应用需要信息在AUV和充电坞站间进行双向传输，能量与数据同步

传输的无线充电系统逐渐应用于AUV无线充电领域。本文从磁通道解耦能量与数

据同传磁耦合装置设计、基于单极性正交耦合的无线能量传输系统设计、基于单极

性平行耦合的无线数据传输系统设计及能量与数据同传系统实验测试四个方面展

开研究，为水下自主航行器设计一套基于磁通道解耦的无线能量与数据同传系统。

针对水下自主航行器无线能量与数据同传系统会存在能量传输通道和数据传

输通道间相互串扰的问题，提出一种多层交叠的解耦式磁耦合装置，其中能量传输

通道采用双极性正交耦合模式，数据传输通道采用单极性平行耦合模式，在此基础

上，将两通道耦合装置交叠对称放置，以实现能量传输线圈与数据传输线圈的解耦；

利用电磁仿真软件Maxwell搭建仿真模型，进行磁耦合装置的磁场分布及传输机

理研究；利用两线圈互感模型分析该磁耦合装置结构的解耦特性，并分别仿真在发

生轴向错位和滚动错位时，磁耦合装置互感参数变化规律；为提高磁耦合装置两通

道间的解耦效果，对磁耦合装置进行结构优化，将圆弧形线圈结构改进为平面圆盘

形线圈结构，并设计其尺寸参数。

为实现高功率、高效率无线电能传输，进行基于双极性正交耦合的无线能量传

输系统设计。对谐振补偿网络进行设计，分析LCC-S谐振补偿网络工作原理和输

出特性；对逆变电路和整流电路进行设计，分析其输出特性；将谐振补偿网络、电

能变换电路和磁耦合装置三个模块整合，得到无线能量传输系统整体电路，将其整

合至无线能量与数据同传系统进行传输特性分析，推导出能量传输系统输出的数

学描述；完成能量传输磁耦合装置实物制作并确定电路参数，在PSpice中搭建电

路模型，仿真验证能量传输系统的传输性能。

为实现稳定的双向数据传输，对基于单极性平行耦合的数据传输系统进行设

计。根据数据传输系统框架，为实现高效准确的数据传输，对谐振补偿电路进行设

S-S

计，分析补偿网络输出特性；进行串扰分析，并设计阻波电路，以滤除能量通

道所在频段的信号，选择合适的数据载波频率，以减小能量载波对数据传输的干扰；

分析三种基本信号调制解调方式，为克服2PSK存在相位模糊的缺点，选择2DPSK

调制解调方案，建立完整的数据传输系统，最后在仿真软件中搭建仿真模型，验证

数据传输系统的可行性。

为验证该数能同传系统的可行性，对磁通道解耦的能量与数据同传系统进行

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实验测试，首先搭建空气中实验平台；完成能量传输系统性能验证，在输入100V

时，系统的输出功率达到936.2W，输出效率达到94.127%，且该耦合装置具有较

Y

强的抗轴偏移能力；验证数据传输效果，实验证明数字信号可以准确地在数据

传输通道上双向传输；最后在海水环境中进行能量与数据同传验证，能量传输不受

[-10mm,+10mm]X[-

海水介质和数据传输的影响，在发生的沿轴错位和

20mm,+20mm]Y

的沿轴错位时数据可进行双向稳定传输。

关键词：水下自主航行器；无线充电；无线能量与数据同步传输；磁通道解耦

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Abstract

Asakindofunderwaterdetectionequipmentwithadvancedtechnologies