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自适应水下无线能量传输系统研究与设计
| 论文题名： | 自适应水下无线能量传输系统研究与设计 |
| 关键词： | 自主水下航行器;无线能量传输系统;架构设计;磁耦合谐振;频率分裂;自适应控制;涡流损耗 |
| 摘要： | 随着海洋环境的不断开发，自主水下航行器（AUV）凭借其安全性、智能性等优势广泛应用于海底观测网络中，在深海矿产探测、军事侦察等方面有着巨大的应用前景。水下无线能量传输技术为AUV的水下充电提供了新的解决方案，利用海底观测网络中的海底基站对AUV进行水下无线能量传输，极大地提高了AUV的活动范围和水下航行时间。然而海底洋流的干扰容易引起系统耦合结构发生偏移，导致系统耦合线圈互感发生改变，进而影响系统能量峰值传输。针对上述问题本文设计了一种自适应水下无线能量传输系统。 本文首先对无线能量传输系统特性进行理论分析，选取合适的无线能量传输结构并对相应的关键参数进行确定。通过互感理论对磁耦合谐振结构进行分析，研究了磁耦合谐振结构传输效率、功率与互感系数、系统频率之间的关系，对比采用四线圈磁耦合谐振结构。从理论上对系统的频率分裂现象进行分析，并通过MATLAB计算绘制了四线圈耦合谐振结构的效率以及功率的频率分裂波形，指导系统自适应控制设计。最后对海水的涡流损耗进行建模分析，为后期分析实验系统损耗提供理论指导。 本文对系统结构进行设计，并完成系统硬件平台的搭建。根据系统的控制环路，确定系统所需的各个模块。对各个模块进行设计并制作样机进行模块测试，并将实测结果与仿真结果进行对比，确认模块设计满足目标。最后对系统样机进行整体性能测试，在空气、淡水和海水三种传输介质中进行实验，实验结果表明系统性能满足设计指标。系统在海水介质中传输距离为3cm时实现89W能量传输，系统效率达到73.6%，10cm时实现14W能量传输；在空气介质中传输距离为3cm时实现122W能量传输，系统效率达到87%，10cm时实现19W能量传输。 最后对系统自适应控制策略进行设计并实验验证。在系统环境发生改变时自适应控制策略通过动态调节系统工作频率来实现当前条件下的能量峰值传输。自适应控制策略分别对系统启动状态和工作状态设计了相应的控制逻辑。对接收端离开系统无线充电范围进行无通讯检测，实现了系统的自动休眠，并定时唤醒系统检测接收端是否返回。进行多种环境变化实验，在各种负载类型的跳变以及系统传输距离的变化时系统都可通过自适应控制实现能量峰值传输，验证系统自适应控制的准确性和正确性。 |
| 作者： | 詹家宇 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 潘思铭 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 电子科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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