1 海底基站或母船向AUV無(wú)線充電

為了解決AUV的水下充電難題，研究人員嘗試將無(wú)線電能傳輸技術(shù)應(yīng)用到水下，以提高充電系統(tǒng)的可靠性和安全性。2001年，Bradley和Feezor等率先研制出通過(guò)海底觀測(cè)網(wǎng)向AUV充電的系統(tǒng)，該系統(tǒng)在水下2000m可向AUV提供200W電能，傳輸效率為79%。

由于無(wú)線電能傳輸系統(tǒng)的能量發(fā)射端與接收端無(wú)直接接觸，在水下洋流沖擊下，對(duì)接姿態(tài)易產(chǎn)生偏移和傾斜，且大多數(shù)AUV定位精度低，姿態(tài)控制困難，故充電過(guò)程中的線圈錯(cuò)位難以避免。傳統(tǒng)的E形磁心結(jié)構(gòu)雖然磁路封閉性強(qiáng)，效率高，但對(duì)磁心的橫向位置敏感度較高，所以傳統(tǒng)的E形磁心結(jié)構(gòu)只適用于固定位置的負(fù)載。

允許相對(duì)旋轉(zhuǎn)的錐形和罐形磁心是目前AUV普遍采用的結(jié)構(gòu)，如圖8所示，與E形磁心相比，其磁心結(jié)構(gòu)與線圈布設(shè)不同，但其結(jié)構(gòu)都是軸對(duì)稱(chēng)的，一次、二次側(cè)均可相對(duì)旋轉(zhuǎn)而不影響傳輸效果。

圖8 錐形磁心和罐形磁心

2004年，日本東北大學(xué)和NEC公司將松耦合變壓器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了特殊形狀鐵氧體磁心和錐形線圏，優(yōu)化后的水下無(wú)線充電系統(tǒng)可向AUV輸送500W電能，傳輸效率可達(dá)90%。

罐形磁心可將線圈間隙的高頻磁場(chǎng)限制在磁心柱體內(nèi)，形成磁屏蔽效果，其抑制電磁干擾能力強(qiáng)，一次、二次線圈可以獲得較高的耦合系數(shù)。

錐形或罐形結(jié)構(gòu)可安裝在AUV腹部或者頭部，當(dāng)安裝在航行器腹部時(shí)，要精確控制對(duì)接準(zhǔn)確度，防止因?qū)幼饔昧^(guò)大而折斷；當(dāng)安裝在航行器頭部時(shí)，對(duì)接過(guò)程較容易控制，但這將對(duì)航行器導(dǎo)航和聲納系統(tǒng)造成一定影響。

Manikandan等通過(guò)海水實(shí)驗(yàn)對(duì)比了帶鐵心的平面螺旋線圈、罐形線圈和錐形線圈在不同傳輸距離下的效率表現(xiàn)，指出不同的線圈結(jié)構(gòu)有各自的適用距離。

除了優(yōu)化磁心結(jié)構(gòu)外，自2004年以來(lái)，美國(guó)科研人員致力于將AUV的插拔式水下充電塢站（Dock）改造成無(wú)線充電方式，研制成功了多型AUV的水下無(wú)線充電塢站，并在商業(yè)和軍事領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。

我國(guó)在水下無(wú)線充電領(lǐng)域研究起步較晚，但發(fā)展迅速，取得了一些可喜成果。浙江大學(xué)陳鷹教授團(tuán)隊(duì)致力于解決深海極端環(huán)境帶來(lái)的AUV水下無(wú)線充電難題，在水下無(wú)線充電機(jī)理、耦合器分離式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、深海極端環(huán)境因素干擾等方面開(kāi)展了持續(xù)深入的研究，圖9為電磁耦合器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和封裝結(jié)構(gòu)。

西北工業(yè)大學(xué)張克涵教授等利用磁耦合諧振式原理，深入研究了海水中能量的傳輸機(jī)理以及電渦流損耗，得到計(jì)算電渦流損耗的近似公式，公式表明，海水間隙的渦流損耗與諧振頻率的二次方成正比，與傳輸線圈半徑的四次方成正比，與磁感應(yīng)強(qiáng)度的二次方成正比；設(shè)計(jì)了環(huán)形鐵氧體磁心結(jié)構(gòu)，一次側(cè)安裝在基站，二次側(cè)安裝在AUV的腹部，如圖10所示，成功實(shí)現(xiàn)了500W的電能傳遞，該種環(huán)形磁心結(jié)構(gòu)需要對(duì)航行器腹部進(jìn)行改動(dòng)，通用性有待提高。

圖9 電磁耦合器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和封裝結(jié)構(gòu)

圖10 環(huán)形鐵氧體磁心結(jié)構(gòu)

為克服由AVU姿態(tài)偏移引起的耦合系數(shù)變化及諧振頻率偏移，文獻(xiàn)[35]提出并試驗(yàn)了基于鎖相環(huán)的頻率控制方式，使系統(tǒng)保持在諧振頻率點(diǎn)運(yùn)行，提高了AUV的水下充電效率及穩(wěn)定性。

此外，天津工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)、重慶大學(xué)、海軍工程大學(xué)、沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等單位都陸續(xù)開(kāi)展了AUV水下無(wú)線充電研究，取得了一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成果。

2 海洋觀測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)與海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線供電

傳統(tǒng)的浮標(biāo)系統(tǒng)與海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)普遍沒(méi)有水下電能補(bǔ)給功能，水下傳感系統(tǒng)依靠自身攜帶的電池工作，電池體積和重量較大，限制浮標(biāo)體內(nèi)部主要電子設(shè)備的體積和功率。美國(guó)、日本率先采用電磁感應(yīng)式無(wú)線電能傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水下傳感系統(tǒng)的無(wú)線供電。

日本TRITON浮標(biāo)將能量和數(shù)據(jù)傳輸鏈路合二為一，實(shí)現(xiàn)了同步傳輸，能夠?yàn)樗略O(shè)備提供180mW的電能。McGinnis等對(duì)傳統(tǒng)海床觀測(cè)系統(tǒng)做出了改進(jìn)，為其設(shè)計(jì)了一套感應(yīng)式無(wú)線充電系統(tǒng)，可同時(shí)對(duì)海底固定觀測(cè)設(shè)備和AUV進(jìn)行無(wú)線電能供應(yīng)，該系統(tǒng)傳輸距離為2mm，傳輸效率可達(dá)70%。

天津大學(xué)在國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展了此內(nèi)容研究，提出了通過(guò)浮標(biāo)體上安裝的太陽(yáng)電池板為能源的電磁感應(yīng)式供電方案，系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖11和圖12所示，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)能量自給，蓄電池逆變產(chǎn)生的高頻交流電通入水上電磁耦合器內(nèi)，能量先后通過(guò)水上電磁耦合器、系泊鋼纜和水下電磁耦合器，經(jīng)過(guò)兩次電磁感應(yīng)耦合傳遞到電能中轉(zhuǎn)電路，經(jīng)過(guò)適當(dāng)轉(zhuǎn)換向水下傳感器供電。

圖11 電磁感應(yīng)式供電方案系統(tǒng)原理

圖12 電磁感應(yīng)式供電方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)