深海大洋是国家战略防御的重要海区,蕴藏着未来可持续发展的重要资源,也是全球气候系统的重要调节器。海洋水面移动平台是一种用于全天候、全天时海洋观测的投弃式通量漂流浮标,在开发海洋资源、海洋灾害预报等方面起着重要作用,对国计民生、国家安全具有重要意义。而该平台仅靠自身携带电池组和降低功耗已无法满足其长期工作过程中需的电能,从海洋环境中获取能量是延长平台工作寿命的一个重要途径。海洋表面所具有的波浪能具备不受环境温度、时间地点、季节气候等自然条件影响的优势,是海洋水面移动平台可获取的最为直接可靠的能源。对海洋波浪能的高效收集和转换,可以为海洋设备的长期自主工作提供条件,是海洋设备可持续供能的一个重要研究方向。海洋环境中波浪运动随机复杂且频率极低,水面移动平台在波浪的激励下亦会呈现多自由度的不规则运动,这为海洋波浪高效俘能装置设计提出挑战。本文设计了一种平面摆式波浪能收集装置。其中扇形平面摆作为装置的俘能机构,齿轮增速传递机构配合电磁发电模块实现能量收集装置高功率输出。针对装置输出电压无规律且低频交流的特性,本文设计两种适合在不同波浪频率下对装置输出进行功率采样跟踪并升压存储的电源管理电路。通过实验室测试、大型水槽测试以及海上实验测试,装置能够对复杂波浪产生较大输出,实验室测试环境以及海上测试环境均能达到最大10V的开路电压,最大输出功率约205mW,4小时可将200mAh锂电池电压由3.12V充电至3.6V,能够作为水面移动平台中低功耗传感器的可持续电源。本文主要研究内容包括以下几点:(1)平面摆式波浪能收集装置的结构设计与模型优化针对波浪能低频、随机、多向的特点,本文分析并确定了平面摆式俘能机制的波浪能收集方案。装置采用齿轮增速机构,将偏心质量摆俘获的机械转动和往复摆动转化为高速旋转,通过电磁转化模块将旋转机械能转化为电能。建立俘能装置在海洋波浪激励下的动力学模型,分析俘能装置自身参数对输出性能的影响,通过ADAMS仿真软件,对平面摆的材质、尺寸、形状等进行优化设计,井按照所得优化参数对整体装置进行设计加工与装配。(2)电源管理电路设计与测试针对波浪能收集装置输出电压波形随机、低频且交流的特性,本文分别设计了基于低频和高频功率采样跟踪的波浪能收集管理电路。低频管理电路经整流桥整流、电容滤波、BQ25504芯片定周期采样并升压后充入锂电池中,之后进行二次升压至12V为水面移动平台观测设备供电。高频电源管理电路相较于低频电路增加了独立的电压采样电路、跟踪电压比较电路与采样时钟发生电路,提高了对输入电压波形的采样频率,经对比计算得到最优输出功率,提高对锂电池的充电效率。经实验测试,低频采样周期为16s,可用于远海大涌浪下的能量收集。高频采样频率达到3Hz,在当前装置输出波形下,其电能存储效率比低频采样跟踪电路高70%,并实现二次升压进行12V稳流输出,满足水面移动平台内大部分微型传感器供电。(3)波浪能收集装置的实验测试与数据分析本文对平面摆式波浪能收集装置进行了实验室平台测试、大型水槽测试与海上实验测试等三个阶段的测试。实验室平台测试验证了本文动力学仿真模型,并说明该装置对复杂波浪具备良好适应性。大型水槽测试中完成了波浪能收集装置与水面移动平台的整体集成搭载测试工作,在平均周期2s,平均振幅0.2m的单向人造波浪激励下,装置最大功率输出约为0.12W,平均功率约23.5mW。在近海实验测试中对比了不同机制摆式能量收集装置的输出效果,平面摆式能够产生最大10V的电压,输出电压的均值与峰值均高于竖直摆式能量收集装置。在海上充电实验测试中,装置经过4小时将200mAh锂电池电压由3.12 V充电至3.6 V,充电量达到电池容量的25%。验证了装置可在超低频、随机波浪下进行高效能量收集,对水面移动平台可持续供能、远海长期无人观测具有重要意义。