《Journal of Marine Science and Engineering》：A Cluster-Based Undersea Wireless Power Transfer System for Multiple Unmanned Underwater Vehicles
编辑推荐：
本文提出了一种基于集群架构的水下无线功率传输（UWPT）系统，用于多台无人水下航行器（UUV）的同步充电。该系统由一个主充电站和两个从充电站组成，最大功率转换能力为5.0 kW。该架构集成了混合通信方案——结合LoRa射频（RF）链路与有线RS-485总线——
本文提出了一种基于集群架构的水下无线功率传输（UWPT）系统，用于多台无人水下航行器（UUV）的同步充电。该系统由一个主充电站和两个从充电站组成，最大功率转换能力为5.0 kW。该架构集成了混合通信方案——结合LoRa射频（RF）链路与有线RS-485总线——以及用于实时数据采集的智能监测功能。环境传感器持续采集盐度、温度和压力数据。一个由三个互连充电站组成的实验平台验证了该概念。实验结果表明，在500 W–1 kW负载下，系统在空气中实现了94.10%的峰值直流-直流（DC-DC）传输效率，在盐水中实现了90.14%的效率。在实际轻载UUV电池充电（约94 W）过程中，系统保持了75.5%的稳定实时效率。主站成功执行了协调功率指令下发，使异构UUV（24 V和16 V）能够并发充电，且输出波动稳定在2.3%以下。水下LoRa链路（在60 cm深度、10 cm距离条件下）运行可靠，无数据包丢失。上述量化结果证明了该系统的鲁棒性，并为多航行器水下无线充电应用提供了可扩展的解决方案。
基于集群架构的水下无人航行器无线充电系统研究解读
一、研究背景与问题提出
随着水下移动装备的日益普及，水下无线功率传输（UWPT）技术受到广泛关注。尽管已有大量研究针对水下充电方法展开探索，但学术研究与实际工程部署之间仍存在明显鸿沟。既有研究主要聚焦于单个水下充电站的谐振补偿拓扑和先进充电控制策略两大方向：有研究提出了面向UUV的磁耦合器，通过将发射线圈垂直布置形成环形磁场以抑制电磁场（EMF）泄漏；也有研究引入便携式全向磁谐振扩展器作为中继以延长传输距离并提升效率；还有研究采用LCC-S补偿拓扑以增强对恶劣海洋扰动的容错能力。在控制策略方面，有研究提出无观测器的模型预测控制（MPC）策略应对海水介质导致的系统拓扑未知问题，也有研究开发了结合谐振频率跟踪与恒流/恒压（CC/CV）充电模式的混合控制方案。此外，无线功率与数据同信道传输技术在水下场景中已得到应用，包括同时无线功率与数据传输（SWPDT）系统及基于解耦双D-矩形（DD-R）线圈结构的双向功率与数据传输框架。
然而，面对多台UUV快速同步充电的迫切需求，现有研究大多局限于单航行器、单电压等级的充电场景，且通常缺乏通信功能。集群式水下无线供电策略的研究仍相对不足。因此，亟需开发一种基于集群架构的UWPT系统，能够持续监测电池状态、同步跟踪多台UUV参数，并根据环境参数和洋流变化动态调整控制方案。
二、研究内容与核心结论
针对上述问题，研究人员提出了一种集群式UWPT系统，由1个主站和2个从站组成，最大功率转换能力为5.0 kW。系统架构整合了LoRa射频（RF）无线链路与RS-485有线总线相结合的混合通信方案，并配备智能监测功能实现实时数据采集。实验结果表明：系统在空气中实现94.10%的峰值直流-直流（DC-DC）传输效率，在盐水（电导率5.30 S/m）中达到90.14%；在实际轻载UUV电池充电（约94 W）过程中维持75.5%的稳定实时效率；主站成功实现协调功率指令下发，使24 V和16 V的异构UUV并发充电且输出波动低于2.3%；水下LoRa链路在60 cm深度、10 cm距离下无数据包丢失运行。该系统为多航行器水下无线充电提供了可扩展的工程解决方案。
三、关键技术方法
研究人员主要采用了以下关键技术方法：一是LCC-S谐振补偿拓扑，利用其固有的原边恒流特性增强系统对海洋扰动的容错能力；二是移相控制策略，通过调节全桥逆变器驱动信号间的相位角α来调制输出电压，结合闭环实时反馈实现输出稳压稳流；三是混合通信架构，采用LoRa扩频通信实现UUV与充电站之间的短距离水下无线数据传输，采用RS-485总线配合Modbus RTU协议实现主从站间的有线通信；四是建立考虑涡流损耗的三层介质电磁场模型，基于麦克斯韦方程组推导海水区域涡流损耗的解析表达式，定量分析海水电导率、温度和压力对系统效率的影响。
四、研究结果分析
系统结构与建模。 研究人员建立了水下充电站的等效电路模型，推导了谐振状态下输入阻抗、线圈电流、输出电压、输出功率及理想效率的数学表达式。进一步建立了考虑海水涡流损耗的三层介质模型，通过求解波动方程获得电场分布，进而计算涡流损耗并修正系统效率表达式。
移相控制与充电逻辑。 系统采用闭环实时移相调节策略，通过基波近似（FHA）方法分析逆变器输出电压，结合无线通信模块传输的电池充电电压、电流和温度数据，由DSP28335控制单元计算移相角α。充电逻辑遵循先恒流（CC）后恒压（CV）的流程，并设有温度异常、过压过流等故障保护机制。
通信方案设计。 研究人员详细分析了LoRa调制的核心参数——扩频因子（SF）、带宽（BW）、编码率（CR）和低速率优化（LDRO）——对通信性能的影响，并基于香农定理论证了扩频通信在低信噪比水下信道中的可行性。对于主从站间有线通信，通过对比RS-232、I2C、SPI、RS-422、CAN和RS-485等方案，最终选定RS-485作为最优方案，因其差分传输能有效抑制逆变器高频开关噪声，支持超过1200 m传输距离和单总线256节点。
主从功率协调策略。 主站每100 ms通过RS-485总线轮询各从站，采集电池电压、充电电流、温度和瞬时输出功率数据。基于聚合数据，主站确定各UUV的充电阶段（CC或CV）并下发功率指令。当总充电需求超过集群可用功率时，优先削减CV阶段UUV的指令功率，保障CC阶段高需求UUV的充电。
实验验证。 实验采用AUV（额定充电电压24 V）和ROV（额定充电电压16 V）两种异构UUV，在空气环境和模拟海水环境（35‰盐水，电导率5.30 S/m）中进行了验证。实验结果显示：闭环控制下系统能快速将输出电压调节至16 V和24 V参考值；在500 W和1 kW功率等级下，系统在空气和盐水中的峰值效率分别为94.10%和90.14%；在室外泳池环境中，AUV和ROV实现并发充电，岸基界面实时显示AUV以24.2 V/3.0 A（71.9 W）和ROV以16.6 V/3.4 A（55.8 W）稳定运行；5 kW重载条件下系统输出5.2745 kW，效率达88.44%。环境敏感性分析表明，电导率（盐度）对系统效率影响最为显著，静水压力和温度变化的影响相对较小。
五、结论与讨论
研究人员指出，当前实验验证在浅水室外泳池中进行，无法完全复现深海静水压力和复杂海流条件。未来工作将聚焦三个方向：在真实深海条件下验证系统长期可靠性；扩展系统以容纳更多充电站和异构水下航行器；开发更先进的适应高度动态和不确定海洋环境的自适应控制策略。本工作为水下环境中可靠、可扩展的电能传输迈出了重要一步，为集群式无线功率传输系统的未来自适应控制策略奠定了基础。
