本发明属于水下充电，具体涉及一种框架式自主水下航行器对接充电装置及充电方法。
背景技术：
1、随着人类对海洋探索的不断深入，自主水下航行器（autonomous underwatervehicle，简称auv）在海洋资源勘查、海洋科考等方面发挥着越来越重要的作用。框架式自主水下航行器拥有体积小、运动灵活等优点，更适合在复杂环境下作业。无线电能传输技术打破了传统有线能源补给时存在的电线裸露、易产生接触火花、可移动性差等问题，极大地提高了auv工作的智能化、连贯性和隐蔽性。
2、因无线电能传输技术的安全性、灵活性和智能化，近几年被广泛应用于auv能源补给。在水下对接过程中，对接结构设计和正确识别泊位十分重要。中国专利cn115158609b和中国专利cn114003029b提供的水下对接装置，实现了回转体auv的水下对接回收，然而适用于回转体auv的笼式对接装置开口较小，很难适用于框架式auv。而中国专利申请cn116729149a虽然提供了开架式auv水下无线充电坐落装置，但并未给出auv对接方案。此外，中国专利申请cn116032036a提供的水下机器人无线充电单元及方法中需要auv执行水下机械臂抓取等复杂操作，需要在auv上安装额外的对接装置，这对auv运载能力和流体特性均会产生影响；可见，如何使框架式auv水下对接充电在不增加精密控制设备的情况下还能实现精确对接仍是亟需解决的问题。
3、此外，中国专利申请cn117275913a、中国专利cn308265716s和cn217240385u提供的水下无线充电装置，虽然实现了水下能源的安全补给，但仍存在一些问题，这些技术方案中并未考虑水下涡流损耗对无线充电效率的影响。因为当无线充电应用于海洋环境时，受限于水下航行器与水下充电基站之间的对接精度，发射端的原边线圈与接收端的副边线圈并不能完全贴合，因此，在水下航行器与水下充电基站对接后，原边线圈与副边线圈之间会存在海水介质，由于海水电导率远大于空气电导率，线圈中的高频交变电流会在海水中产生交变电磁场，进而在耦合区产生涡流损耗，涡流损耗会导致能量以热量的形式散失，从而降低无线充电装置的电能传输效率；这些问题同样存在于框架式auv的对接充电过程中。
4、鉴于上述框架式自主水下航行器（即框架式auv）精确对接问题以及充电过程中产生涡流损耗问题，本发明提供了一种能够适用于框架式自主水下航行器的对接充电装置及充电方法，旨在提高框架式auv水下能源补给的高效率和可靠性。
技术实现思路
1、本发明的目的在于解决现有框架式自主水下航行器水下对接充电存在的不足之处，而提供一种框架式自主水下航行器对接充电装置及充电方法。
2、为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
3、一种框架式自主水下航行器对接充电装置，其特殊之处在于：包括充电基座、无线充电单元以及辅助定位对心单元；
4、所述充电基座为半开口结构，其上表面设置有便于框架式自主水下航行器驶入的对接空间；该对接空间由充电基座底面、前端面和相对的两个侧面围合构成，并且相对的两个侧面与底面形成对称的倒圆渐收结构；此处，渐收指的是两个侧面有锥度，即侧面是倾斜的，如此，框架式自主水下航行器在慢慢下落的过程中即可实现左右方位上位置校准，即实现框架式水下航行器上接收端耦合器慢慢与充电基座上发射端耦合器在左右方向上的对齐，以便框架式自主水下航行器在下降过程中实现无线充电单元耦合器间左右方位上的精确对中；该对接空间同时为发射端耦合器、发射端控制舱以及辅助定位对心单元提供了安装位置；
5、所述无线充电单元包括发射端耦合器、发射端控制舱、接收端耦合器以及接收端控制舱；
6、所述发射端控制舱和发射端耦合器自下而上设置在充电基座底面上；所述接收端控制舱和接收端耦合器自上而下设置在框架式自主水下航行器的底部；
7、所述发射端耦合器与接收端耦合器相配合，为框架式自主水下航行器进行无线充电，其包括原边壳体、设置在原边壳体内的原边线圈和原边铁氧体磁芯；其中，原边铁氧体磁芯铺设在原边线圈下方；原边壳体的上端设有可变形介质储囊，下端设有绝缘介质充放组件；
8、所述绝缘介质充放组件用于向所述可变形介质储囊中充入绝缘介质使其产生形变以在接收端耦合器和发射端耦合器对接后排出耦合区（即接收端耦合器和发射端耦合器对接间隙内）的海水，以及在接充电结束后将所述可变形介质储囊中的绝缘介质排出使其恢复形变；
9、所述辅助定位对心单元包括声学信标、光学信标以及辅助定位组件；
10、所述声学信标与设置在框架式自主水下航行器上的声学信标相配合，用于供框架式自主水下航行器远距离识别充电基座，使框架式自主水下航行器能够确定充电装置的大致位置；
11、所述光学信标包括光学探照灯信标和发光aruco二维码信标，分别与设置在框架式自主水下航行器上的光学摄像头相配合，用于供框架式自主水下航行器分别近距离识别充电基座和超近距离识别充电基座，使框架式自主水下航行器确定并调整自身大致的姿态和位置，以及最终的姿态和位置；
12、其中，接收端耦合器与光学摄像头之间的距离d1和发射端耦合器与发光aruco二维码信标之间的距离d2相同；接收端耦合器与框架式自主水下航行器头部之间的距离d3和发射端耦合器与充电基座前端面之间的距离d4相同；如此，也能够进一步提升对接精度；
13、所述辅助定位组件包括辅助定位水道和辅助桨叶；所述辅助定位水道贯通开设在充电基座的前端，其中部竖截面与充电装置中部竖截面共面；所述辅助桨叶安装在所述辅助定位水道中；
14、所述发射端控制舱与所述声学信标、光学信标、辅助桨叶、发射端耦合器以及绝缘介质充放组件电性连接，用于接收声学信标的距离消息，以及控制光学信标、辅助桨叶、发射端耦合器和绝缘介质充放组件的工作状态，其表面设置有水密接插件，通过水密电缆与外部供电电源（比如：水面的母船或者岸边的供电装置）电性连接。
15、发射端控制舱控制辅助桨叶工作，在框架式自主水下航行器与充电基座左右对齐后进行，能够产生前后流动的水流，使框架式自主水下航行器受迫向前移动，直至完全顶在充电基座前端面上。由于接收端耦合器与框架式自主水下航行器头部之间的距离d3和发射端耦合器与充电基座前端面之间的距离d4相同，因此，当框架式自主水下航行器完全顶在充电基座前端面上时，发射端耦合器和接收端耦合器可以实现前后方位上的精确对中。
16、此外，在对接过程中，框架式自主水下航行器依靠自身的光学摄像头与发光aruco二维码信标相对位置控制动力源主动调节框架式自主水下航行器前后位置，进行对接位置上的粗调；加之，接收端耦合器与光学摄像头之间的距离d1和发射端耦合器与发光aruco二维码信标之间的距离d2相同，因此，当框架式自主水下航行器内部解算出二维码前端尺寸大于后端时，说明框架式自主水下航行器需要向后移动，反之亦然，直到光学摄像头拍摄到发光aruco二维码信标的前后端尺寸基本一致，此时，关闭框架式自主水下航行器动力源，为充电做准备，其中，涉及的解算技术采用已有的公知技术即可。
17、由此可见，在完成对接后，框架式自主水下航行器上的光学摄像头应该与对接充电装置上的发光aruco二维码信标处于垂直位置上，即框架式自主水下航行器接收端耦合器与光学摄像头之间的距离d1和对接充电装置发射端耦合器与发光aruco二维码信标之间的距离d2相同，以保障粗调对接精度时能达到基本的对接位置上。而框架式自主水下航行器接收端耦合器与框架式自主水下航行器头部之间的距离d3和对接充电装置发射端耦合器与充电基座前端面之间的距离d4相同，可以进一步保证框架式自主水下航行器在经过对接充电装置上的左右对称倒圆渐收结构和辅助定位组件的辅助对中后，能使无线充电单元中的磁耦合器（即接收端耦合器和发射端耦合器）完全对心。此外，框架式自主水下航行器为微负浮力（通过调整附加在auv上的配重块即可），保证关闭动力源后能落座在对接充电装置上。
18、进一步地，所述绝缘介质充放组件为充放油组件，所述绝缘介质为导热绝缘油，所述可变形介质储囊为密封油囊；
19、亦或，
20、所述绝缘介质充放组件为充放气组件，所述绝缘介质为绝缘气体，所述可变形介质储囊为密封气囊。
21、进一步地，所述充放油组件包括储油舱盖，储油舱体，依次连接的泵、第一内导管、第一流量阀、第二内导管、第一电磁阀和第一外导管，以及用于控制泵、第一流量阀和第一电磁阀的第一控制模块；储油舱体设置在所述原边壳体的下端，储油舱盖设置在储油舱体的上端并通过密封圈静密封，形成密封的油液储存舱，该油液储存舱内存储有导热绝缘油；泵、第一内导管、第一流量阀、第二内导管和第一电磁阀位于储油舱体内，第一外导管位于储油舱体外；第一外导管用于将所述油液储存舱与所述密封油囊连通；
22、亦或，
23、所述充放气组件包括储气舱盖，储气舱体，依次连接的气泵、第三内导管、第二流量阀、第四内导管、第二电磁阀和第二外导管，以及用于控制气泵、第二流量阀和第二电磁阀的第二控制模块；储气舱体设置在所述原边壳体的下端，储气舱盖设置在储气舱体的上端并通过密封圈静密封，形成密封的气体储存舱，该气体储存舱内存储有绝缘气体；气泵、第三内导管、第二流量阀、第四内导管和第二电磁阀位于储气舱体内，第二外导管位于储气舱体外；第二外导管用于将所述气体储存舱与所述密封气囊连通。
24、进一步地，所述原边壳体上端开口，下端封闭；原边壳体的开口端设有橡胶盖，二者形成所述密封油囊，且密封油囊内预充有油压等于外界海水压力的导热绝缘油，以减少落座后充电前的准备时间；所述橡胶盖与原边壳体粘接后再用法兰盘紧固；或者，所述原边壳体为封闭壳体，其上端表面设有所述密封油囊；所述密封油囊为橡胶密封油囊；
25、亦或，
26、所述原边壳体上端开口，下端封闭；原边壳体的开口端设有橡胶盖，二者形成所述密封气囊，且密封气囊内预充有气压等于外界海水压力的绝缘气体；所述橡胶盖与原边壳体粘接后再用法兰盘紧固；或者，所述原边壳体为封闭壳体，其上端表面设有所述密封气囊；所述密封气囊为橡胶密封气囊。
27、可见，原边壳体与可变形介质储囊是集成式设计还是分体式设计、可变形介质储囊内是充油还是充气均能够避免涡流损耗的效果，具体采用哪种方式，则可以根据实际应用的场景和要求，选择合适的方案。
28、进一步地，所述光学探照灯信标有四个，分别为一个红色探照灯和三个蓝色探照灯（目前，红色和蓝色在水下穿透力最强，便于识别，因此采用红色探照灯和蓝色探照灯），四个光学探照灯信标相对于充电装置的底面中心对称设置在充电装置底面上，形成一个正方形，即相邻两个探照灯的间距相等，且相邻两两探照灯间互成90°夹角。
29、进一步地，所述声学信标设置在所述充电基座前端的上表面。
30、此外，本发明还提供了利用上述框架式自主水下航行器对接充电装置的充电方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
31、1）框架式自主水下航行器通过自身的声学信标与所述对接充电装置的声学信标相互通讯，确定对接充电装置的大致位置，并靠近所述对接充电装置；
32、2）对接充电装置声学信标判断其与框架式自主水下航行器声学信标之间的距离，当两者距离达到对接充电装置光学信标可用范围时，发射端控制舱开启所述光学信标，并通过框架式自主水下航行器自身的光学摄像头识别所述光学信标；框架式自主水下航行器根据识别结果确定并调整自身的姿态和位置，关闭自身动力源，使框架式自主水下航行器落座在对接充电装置上；此时，发射端控制舱开启辅助桨叶，使辅助定位水道产生水流，框架式自主水下航行器随水流受迫运动，直至完全顶在充电基座前端面上无法移动，使接收端耦合器与发射端耦合器精准对接；
33、3）框架式自主水下航行器落座完成后，通过声学信标间的相互通讯将落座完成指令传递给发射端控制舱，发射端控制舱先开启绝缘介质充放组件将耦合区的海水挤压排出，再开启发射端耦合器（开启逆变器），为框架式自主水下航行器进行高效能源补给；
34、4）充电完成后，框架式自主水下航行器通过声学信标间的相互通讯将充电完成指令传递至对接充电装置发射端控制舱，发射端控制舱控制绝缘介质充放组件排出可变形介质储囊中的绝缘介质，关闭发射端耦合器（关闭逆变器），框架式自主水下航行器脱离充电基座继续进行作业工作。
35、进一步地，步骤2）具体为：
36、对接充电装置声学信标判断其与框架式自主水下航行器声学信标之间的距离，当两者距离达到对接充电装置光学信标可用范围时，发射端控制舱开启光学探照灯信标和发光aruco二维码信标；
37、框架式自主水下航行器首先通过光学探照灯信标确定并调整自身与对接充电装置的大致相对位置，确保自身位于对接空间的上方；然后逐渐减小自身垂直方向的动力源，直至其上的光学摄像头能够拍摄到发光aruco二维码信标；
38、框架式自主水下航行器根据发光aruco二维码信标确定并精细调节自身的姿态和位置，当框架式自主水下航行器的光学摄像头拍摄到发光aruco二维码信标的前后端尺寸一致时，即可确保光学摄像头置于发光aruco二维码信标中央，然后关闭自身动力源，使框架式自主水下航行器落座在对接充电装置上；此时，发射端控制舱开启辅助桨叶，使辅助定位水道产生水流，框架式自主水下航行器随水流受迫运动，直至完全顶在充电基座前端面上无法移动，使接收端耦合器与发射端耦合器精准对接，即通过辅助定位水道产生的水流，使框架式自主水下航行器完全顶在充电基座上，由于接收端耦合器与框架式自主水下航行器头部之间的距离d3和发射端耦合器与充电基座前端面之间的距离d4相同，从而能保证前后位置的对接精度。
39、无线充电单元是否工作，取决于初级侧的逆变器（即发射端耦合器中的逆变器）是否工作，逆变器是把直流电转变为高频交流电的器件，无线充电单元需要通过交流电磁耦合效应工作，因此逆变器开始工作以后，无线充电单元内才会有电能源从初级侧（发射端）流向次级侧（接收端），从而为水下航行器补充能量。对接充电装置中辅助定位对心单元的设计目的就是为了保证无线充电单元的对接精度，以提高其能源补给效率。本发明中设计的辅助定位对心单元均设置在初级侧（即发射端），如此，可以减少水下航行器端次级侧（即接收端）携带的体积和重量。
40、本发明的工作原理：
41、本发明综合考虑框架式自主水下航行器对接和充电过程，对对接结构和对接方案进行优化，通过半开口的对接充电装置结构、左右对称倒圆渐收结构的设计以及辅助定位组件的介入，在保证对接精度的前提下简化了框架式自主水下航行器端在对接工作中的工作量，避免了在框架式自主水下航行器上安装额外对接装置对框架式自主水下航行器运载能力和流体特性的影响。同时，设计了包含可变形介质储囊和绝缘介质充放组件的发射端耦合器结构，在框架式自主水下航行器对接完成后，储囊充油/充气排出耦合器间隙内的海水，避免涡流损耗，提高系统效率。
42、本发明具有以下优点：
43、1.本发明针对框架式自主水下航行器提出了半开口式对接充电装置结构，相较于全包围笼式对接充电装置，降低了框架式自主水下航行器在起降过程与对接充电装置碰撞的几率，减小了框架式自主水下航行器进入对接充电装置的难度。同时，通过左右对称倒圆渐收结构的设计避免了框架式自主水下航行器左右方位上的位置调整，降低了对接难度，有效减少了对接过程中框架式自主水下航行器端的复杂操作。本发明将辅助定位对心单元均设置在初级侧（发射端），旨在保证无线充电单元精确对中、高效率运行的同时，减少次级侧（接收端）要在对接过程中所做工作，避免次级侧携带过重的用于对接的设备，降低对框架式自主水下航行器的带载能力和机动性的影响。
44、2.本发明采用远距离声学导引、近距离光学探照灯信标和光学aruco二维码信标导引的对接方案，有效保证框架式自主水下航行器与对接充电装置对接的成功率。同时，对水下对接和无线充电单元进行设计，保证接收端耦合器与光学摄像头之间的距离d1和发射端耦合器与发光aruco二维码信标之间的距离d2相同；接收端耦合器与框架式自主水下航行器头部之间的距离d3和发射端耦合器与充电基座前端面之间的距离d4相同，通过辅助定位水道使接收端耦合器和发射端耦合器完全对准，在框架式自主水下航行器端仅依靠光学摄像头获取到的图像信息即可实现精确对接，避免了在框架式自主水下航行器上安装过于复杂的额外的对接装置，减小安装额外的对接装置对框架式自主水下航行器运载能力和流体特性的影响。
45、3.本发明对接充电装置的发射端耦合器中设置有可变形介质储囊和绝缘介质充放组件，当框架式自主水下航行器完成对接后，通过充盈可变形介质储囊可排出耦合器间隙中的海水，能避免海水环境下产生的涡流损耗，保证无线充电装置高效率运行，提高电能的传输效率；同时，在海流冲击导致框架式自主水下航行器等水下装备晃动时，本发明中的可变形介质储囊可起到缓冲作用，保护水下装备及水下充电基站。
46、4.本发明仅需要对安装在水下对接充电装置侧的原边线圈进行改动即可最大程度减小甚至消除海水在耦合区引起的涡流损耗，而在框架式自主水下航行器等水下装备端不需要改动，能够满足水下装备长航时、远航程的技术指标对其重量和尺寸的严苛要求；同时，由于对接充电装置是在固定场景使用，对重量和尺寸要求不严苛，所以为排出海水而增加的绝缘介质充放组件和可变形介质储囊不影响对接充电装置正常工作和性能。
47、5.本发明可以将原边壳体与可变形介质储囊设计为分离式的，此时可以仅在现有无线充电装置的基础上增加可变形介质储囊，将电路参数调整至与线圈组件匹配即可，而无需对原有的对接充电装置的线圈结构、电路拓扑重新设计，降低了改进和实施成本；与此同时，由于可变形介质储囊与原边壳体为分离式设计，当可变形介质储囊破损后，仅会影响其工作效率而不会影响原边线圈正常工作，因此分离式设计可靠性更高。
48、6.当本发明中绝缘介质充放组件采用充放油组件、可变形介质储囊采用密封油囊时，本发明对接充电装置可用于深水环境，一方面充放油组件可以向油囊中充入导热绝缘油来排出耦合区海水以减小涡流损耗，另一方面有助于通过导热绝缘油将原边线圈产生的热量导出至外界海水，提高原边线圈的工作可靠性。
1.一种框架式自主水下航行器对接充电装置，其特征在于：包括充电基座、无线充电单元以及辅助定位对心单元；
2.根据权利要求1所述一种框架式自主水下航行器对接充电装置，其特征在于：
3.根据权利要求2所述一种框架式自主水下航行器对接充电装置，其特征在于：
4.根据权利要求3所述一种框架式自主水下航行器对接充电装置，其特征在于：
5.根据权利要求1-4任一所述一种框架式自主水下航行器对接充电装置，其特征在于：
6.根据权利要求5所述一种框架式自主水下航行器对接充电装置，其特征在于：
7.利用权利要求1-6任一所述一种框架式自主水下航行器对接充电装置的充电方法，其特征在于，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述充电方法，其特征在于：
