水下机器人无线充电技术的实现

穆蔚伟熊英杰龚嘉豪

市级大学生创新创业训练计划项目资助，《深海探索者ROV》项目编号：201813897004

摘要：科技的蓬勃发展，促使各种电子设备应运而生，但都面临电力难以持续供应的问题。尤其是近年来我国水下探测的不断深入，有线供电的方式开始捉襟见肘。因此，借助无线充电技术发展，摆脱有形充电线路的束缚，将成为解决各类机器人包括水下机器人的有效途径。与传统的充电方式相比较，无线充电更加安全高效便捷。本文主要先研究了市面上的各类无线充电形式，并将其和水下的各种情况进行结合,以求找出最佳的水下机器人充电方式。

一、无线充电技术简述

无线充电技术的发展历程悠久，早在1831年法拉第发现电磁感应现象并提出电磁感应定律那时起，无线充电的理论基础就已经被人类知晓。而尼古拉?特斯拉这位被埋没的天才在19世纪末提出的无线电力传输，并且他首先完成了无线充电技术，但是碍于当时的社会政治环境，无法公开，但这也标志着人类的想象力终于延伸到了无线充电领域。从理论基础到想法，再到世人所共知的第一次试验成功，这期间经历了数十年——直到1988年，约翰?鲍尔斯才在实验室第一次成功用无线充电技术点亮了1米外的60W的灯泡，这标志着无线充电技术的可行性在在实践中得以验证，而无线电传输技术主要由于工作原理的不同分为四个大类。

1.电感式无线充电技术

这项技术是无线充电技术中发展最悠久、最成熟、普及度最高的无线充电技术，其原理可追溯到1831年法拉第提出的电磁感应定律。电感式无线充电技术基于电磁感应原理，即通过发射端线圈周期性连续变化的电流产生变化的磁场，感应接收端线圈的磁通量发生变化，引起接收端产生电流，进而完成通过电磁感应将发射端的电能传递到接收端。

2.微波充电技术

无线微波式无线充电技术将微波的能量转化为电能，从而实现无线电力传输。其原理类似于早年间常见的矿石收音机。与电磁式无线充电和磁共振式无线充电不同，无线电波式无线充电的硬件组成包括微波发射装置和接收装置，可以捕捉到从墙壁弹回的无线电波，从而实现能量的接收。

3.磁场共振式。

这应该是无线充电技术的新秀，其发现和发展时间并不长。麻省理工学院在2007年6月宣布，成功运用利用磁场共振成功点亮一个离电源约2米远的60瓦电灯，这项技术被称为WiTricity。运用磁场发射装置然后控制其频率分布达到接收器接受波段范围，而后将磁场转换为电能加以运用，并且在这项磁场共振充电方式发布后，立刻受到广泛关注。它和以往的感应输电不同，该技术的特点是利用磁场共振，和以往的感应输电不同，向数十厘米到数米远的位置传输电力。虽然存在转换效率偏低及元件成本偏高等问题，但磁场共振与电磁感应已成为当前最主流的两大无线充电研究方向。越来越多的组织都开始研究如何解决元件成本高和其转换效率低的问题。

4.电场耦合式无线充电技术

电场耦合式无线充电技术利用感应电场来进行无线电力传输，与电容充电的原理类似。通过沿垂直方向耦合两组非对称偶极子产生的感应电场，可实现传输功率1W-10W左右的无线充电，由于间隙的存在，能量在极板间的功率损耗较大，无法实现大功率电力传输；而传输距离最高能达到数厘米，其最可观的参数是充电效率，可达到70%到80%，适合短距离无线充电方案，具有较低的发热，而且发射端和接收端的位置可以不固定，但是设备体积和较低的充电功率限制着电场耦合式无线充电的市场化应用，目前日本元器件制造商村田可提供较成熟的基于电场耦合式无线充电技术的解决方案。

笔者在对集中无线电传输方式进行比较和与水下机器人的具体工作环境结合之后，最总决定选取电磁感应式的方式去完成水下机器人的充电过程。

二、水下机器人充电

1.水下机器人充电的难点

水下机器人充电的主要困难是其工作环境带来的问题，不像我们日常生活中的手机，汽车等工作环境简单的物体。水下情况复杂这是首要的，其次就是如何保持传输电流装置工作原件在水下正常的工作。同时还需要考虑水体对于电磁场的稳定性的影响。包括水流变化时是否降低传输效率，工作地点周围有其他磁场时如何保证我们的传输装置正常工作。这都是我们需要解决的难点。

2.水下机器人无线充电的实现

经过笔者思考之后认为，首先我们把系统可分为供电端和受电端。其中供电端首先通过整流逆变环节将工频交流电转换为高频交流电，在系统进行原边电能变换后，将高频交流电注入发射线圈，并在发射线圈周围产生高频交变磁场；处于该磁场中的接收线圈会捕捉到部分交变磁场，从而产生高频感应电压，然后通过次级电力电子变换装置将电能储存到电池，完成整个无线电能传输过程。其中供电端我们采用固定式和移动式，固定式就类似于港湾式结构，需要作业机器人停泊到港湾之后才能进行充电过程。同时因为磁场对人体会有影响，因此工作人员因注意穿防护服才可进入工作环境，况且设计的固定端的发射磁场功率较其他更大。而与之对应的是移动式充电供应端，首先必须说明它的弊端，因设计目的是要求移动灵活性，所以传输用的线圈准备采用单线圈模式，放弃了高效率大规模充电的可能。主要用于当水下机器人出现紧急情况时紧急充电。材料方面充分考虑防水耐腐蚀，同时接收端的装置我准备相较于普通的感应线圈提高它的接受效率，以此来抵消或则说消除一部分因为环境而损失的电磁场。同时提高发射线圈的发射频率和功率，借此来减小接收端的工作压力。如需要运作的对象是深海机器人时，工作与案件的密度，抗压性能必须结合对应的环境进行匹配。

三、结语

随着无线充电技术不断地发展，我们的生活不断地受其影响。以前的技术积累和近十年来的突破式发展，让无线充电技术的其应用已经从手机、电脑等消费电子产品蔓延到了电动汽车和医疗设备的充电，但是电磁式无线充电技术、磁共振式无线充电技术、无线电波式无线充电技术、电场耦合式无线充电技术这四种主流技术还存在弊端，即无法在传输效率、充电功率、设备体积、制造成本等方面有一个均衡，使得无线充电技术的应用被限制在小功率、近距离的场景下。也就导致我们的生活中还无法被大范围普及开来。但我们相信，随着人们对便携性、高效率的追求，无线充电技术的未来是光明的，也必将取代现在的有线充电技术，实现人类对电磁运用的突破。

参考文献

[1]曾繁屏.浅谈无线充电技术及其航标应用的展望[C]//中国航海学会航标专业委员会沿海航标学组、无线电导航学组、内河航标学组年会暨学术交流会论文集.2009.

[2]张益铭.无线充电技术标准浅析[J].数字技术与应用,2013(4):223-224.